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Utilisation de moteurs à arbre linéaire en parallèle

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Grande force et fonctionnement solide.

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La plupart des gens pensent que les systèmes à entraînement parallèle sont ceux que l'on trouve dans les robots cartésiens et les robots à glissière. Mais les systèmes à entraînement parallèle peuvent également être considérés comme deux moteurs linéaires ou plus fonctionnant en parallèle à partir d'un seul contrôleur d'entraînement. Ces systèmes couvrent les robots de type cartésien/gantry ainsi que d'autres domaines majeurs de la commande de mouvement, tels que les robots à axe unique de haute précision et d'ultra-haute précision dont la résolution et la précision de position se situent entre le subnanomètre et le picomètre élevé. Ces systèmes sont utilisés dans des domaines tels que l'optique et les microscopes, la fabrication de semi-conducteurs, les machines-outils, les actionneurs à force élevée, les équipements d'essai des matériaux, les travaux de prélèvement et de placement, les opérations d'assemblage, les machines-outils de manutention et le soudage à l'arc. Dans l'ensemble, il existe des applications dans le monde micronique et submicronique.

Problèmes liés à l'entraînement parallèle

Le problème majeur de tous les systèmes à entraînement parallèle est l'alignement orthogonal, c'est-à-dire la capacité à maintenir l'axe parallèle à l'équerre. Dans les systèmes à entraînement mécanique tels que les vis, les crémaillères, les courroies et les chaînes, le principal problème est le grippage du système mécanique dû à un mauvais alignement ou à des tolérances trop élevées. Dans les systèmes à entraînement direct, il y a un problème supplémentaire d'erreur sinusoïdale introduite par des erreurs d'installation et des variations dans les moteurs linéaires.

La pratique la plus courante pour résoudre ces problèmes consiste à piloter et à contrôler chaque côté du système parallèle de manière indépendante, mais en les synchronisant électroniquement. Le coût d'un tel système est élevé car il nécessite deux fois plus d'électronique de commande et de détection de position qu'un système à axe unique. Il ajoute également des erreurs de synchronisation et de suivi qui peuvent dégrader les performances du système.

Ce qui permet de connecter des moteurs à arbre linéaire en parallèle, c'est un moteur très réactif. Le mouvement dynamique généré par deux moteurs à arbre linéaire identiques est identique lorsqu'ils reçoivent le même signal de commande.

Comme pour tous les systèmes d'entraînement en parallèle, les moteurs à arbre linéaire doivent être couplés physiquement à un mécanisme qui permet à l'axe de n'avoir qu'un seul degré de liberté. Ainsi, les moteurs à arbre linéaire parallèles agissent comme une seule unité pour permettre le fonctionnement avec un seul codeur et un seul servodriver. De plus, comme un moteur à arbre linéaire correctement installé fonctionne sans contact, il ne peut introduire aucune contrainte mécanique dans le système.

Ces affirmations sont valables pour tous les moteurs linéaires sans contact. Les moteurs à arbre linéaire se distinguent des autres moteurs linéaires sans contact dans plusieurs domaines qui leur permettent de bien fonctionner dans une application parallèle.

La conception du moteur à arbre linéaire place l'aimant permanent au centre du champ électromagnétique, ce qui rend l'entrefer non critique. La bobine entoure complètement l'aimant, de sorte que l'effet net du champ magnétique est une force. Cela élimine pratiquement toute variation de force causée par une différence dans l'entrefer, que ce soit en raison d'un mauvais alignement ou de différences d'usinage, ce qui simplifie l'alignement et l'installation du moteur.

Cependant, l'erreur sinusoïdale - un problème majeur - peut entraîner des différences de force dans n'importe quel moteur linéaire sans contact.

Les moteurs linéaires, comme les moteurs à arbre linéaire, sont définis comme des moteurs synchrones. En effet, le courant est appliqué à la bobine pour former un électro-aimant qui se synchronise avec le champ magnétique des aimants permanents de la piste magnétique. La force d'un moteur linéaire est générée par l'intensité relative de ces champs magnétiques et l'angle de leur désalignement intentionnel.

Dans un système d'entraînement parallèle, toutes les bobines et les pistes magnétiques constituent un seul moteur lorsque tous leurs champs magnétiques sont parfaitement alignés. Cependant, tout désalignement des bobines ou des pistes magnétiques entraîne un désalignement des champs magnétiques, ce qui produit des forces différentes dans chaque moteur. Cette différence de force peut, à son tour, lier le système. L'erreur sinusoïdale est donc la différence de forces produite par le désalignement des bobines ou des pistes magnétiques.

L'erreur sinusoïdale peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :

Fdif = Fgen × sin(2πDdif/MPn-n)

où Fdif = différence de force entre les deux bobines, Fgen = force générée, Ddif = longueur du désalignement et MPn-n = pas magnétique nord-nord.

La plupart des moteurs linéaires sur le marché sont conçus avec un pas magnétique nord-nord compris entre 25 et 60 mm, sous prétexte de réduire les pertes IR et la constante de temps électrique. Par exemple, un désalignement de seulement 1 mm dans un moteur linéaire avec un pas n-n de 30 mm produira une perte de puissance d'environ 21%.

Le moteur à arbre linéaire compense cette perte en utilisant un pas magnétique nord-nord beaucoup plus long qui réduit l'effet de l'erreur sinusoïdale causée par un désalignement accidentel. Le même désalignement de 1 mm dans un moteur à arbre linéaire avec un pas n-n de 90 mm ne produira qu'une perte de puissance de 7 %.

Systèmes à entraînement parallèle

Un positionnement vraiment précis n'est possible pour les robots mono-axe de haute et d'ultra-haute précision que si le retour d'information se fait directement dans le centre de masse du point de travail. La force générée par le moteur doit également se concentrer au centre de la masse du point de travail. Cependant, il est généralement impossible de placer le moteur et le retour d'information exactement au même endroit !

En plaçant un encodeur au centre de la masse et en utilisant des moteurs parallèles à arbre linéaire également espacés du centre de la masse, on obtient le retour d'information et la génération de force souhaités au centre de la masse. Cela n'est pas possible pour d'autres types de systèmes d'entraînement parallèle qui nécessitent deux ensembles de codeurs et de servomoteurs pour créer ce type d'entraînement parallèle.

L'entraînement unique/le codeur unique fonctionne mieux dans les applications de très haute précision et donne aux constructeurs de systèmes à portique un énorme avantage. Dans le passé, les systèmes pouvaient avoir deux moteurs différents entraînant des vis à billes distinctes à l'aide de deux contrôleurs différents reliés électroniquement, ou même deux moteurs linéaires avec deux codeurs reliés électroniquement à deux entraînements. Désormais, les mêmes actions peuvent provenir de deux moteurs à arbre linéaire, d'un codeur et d'un amplificateur/pilote, pour autant que la rigidité du système soit suffisamment élevée.

C'est également un avantage pour les applications nécessitant une force extrêmement élevée. Il est possible de connecter en parallèle un nombre quelconque de moteurs à arbre linéaire et d'additionner ainsi leurs forces.