Configuration typique de la conception d'un système de mouvement

Le mouvement linéaire est essentiel au fonctionnement de nombreuses machines mobiles, et la transmission directe des moteurs linéaires permet de simplifier la conception globale de ces machines. Parmi les autres avantages, on note une rigidité accrue, les moteurs linéaires étant fixés directement à la charge.

L'intégration de ces moteurs (et des composants périphériques nécessaires) peut paraître complexe, mais le processus se décompose en cinq étapes simples. En suivant ces étapes, les constructeurs de machines et de robots peuvent profiter des avantages des moteurs linéaires sans effort ni complexité superflus.

1. Déterminer le type de moteur : à noyau de fer ou sans fer

La première étape consiste à sélectionner le moteur linéaire parmi les types disponibles.

Moteurs à noyau de fer : Les moteurs à noyau de fer sont les plus courants et conviennent aux applications d'automatisation générales. Le terme « noyau de fer » désigne la structure de la bobine de ce moteur, composée de tôles magnétiques. Une configuration typique comprend une piste magnétique fixe et une bobine mobile, ou forceur. Le noyau de fer maximise la force de poussée générée et crée une force d'attraction magnétique entre la bobine et les aimants.

Cette force d'attraction magnétique permet d'accroître efficacement la rigidité du système de guidage linéaire par précontrainte des paliers de mouvement linéaire. La précontrainte magnétique améliore également la réponse en fréquence du système en optimisant la décélération et la stabilisation.

En revanche, la force d'attraction doit être correctement supportée par une capacité de charge accrue des éléments de support et des paliers linéaires. Ceci peut limiter la liberté de conception mécanique de la machine.

Une seconde configuration de moteur linéaire à noyau de fer comprend deux pistes magnétiques fixes placées de part et d'autre de la bobine mobile. Cette construction brevetée annule les effets de l'attraction magnétique tout en fournissant la force la plus élevée par unité de surface. La conception équilibrée réduit la charge sur les roulements, permettant l'utilisation de roulements de mouvement linéaire plus petits et diminuant le bruit de ces derniers.

Motionsystemdesign Com Moteurs Entraînements 0111 Avantages Moteurs sans fer : Il existe également des moteurs linéaires sans fer ; ces moteurs n'ont pas de fer dans leurs bobines, il n'y a donc pas d'attraction entre les éléments du moteur.

Le type sans fer le plus courant est le moteur à canal en U : deux pistes magnétiques sont reliées pour former un canal dans lequel se déplace la bobine (ou force motrice) du moteur. Ce moteur est idéal pour les applications exigeant une faible ondulation de vitesse et une forte accélération. L’absence de force d’attraction et d’effet de crantage, inhérente à sa conception sans fer, minimise l’ondulation du couple ; l’accélération est accrue grâce à la relative légèreté de la bobine.

Une seconde configuration sans fer se présente sous la forme d'un cylindre. Des aimants sont empilés à l'intérieur d'un tube en acier inoxydable, et la bobine du moteur se déplace autour du cylindre. Cette configuration est idéale pour remplacer les vis à billes, car elle offre des vitesses et une précision de positionnement bien supérieures, tout en conservant un encombrement similaire.

Dimensionnement de la bobine et longueur de la piste

Quelle que soit la configuration, les bobines des moteurs linéaires doivent être dimensionnées en fonction des exigences de l'application : charge appliquée, profil de déplacement cible, facteur de marche, exactitude, précision, durée de vie et environnement d'exploitation. Conseil : sollicitez l'assistance technique des fabricants de moteurs linéaires et utilisez un logiciel de dimensionnement (souvent gratuit) pour choisir le type et la taille de moteur les mieux adaptés à votre application.

Les sections de rail magnétique sont disponibles en plusieurs longueurs et peuvent être empilées bout à bout pour obtenir la course souhaitée, la longueur totale des aimants étant pratiquement illimitée. Pour simplifier la conception et réduire les coûts, il est préférable d'utiliser les sections de rail magnétique les plus longues disponibles chez le fabricant.

2. Choisir un encodeur

La deuxième étape de la conception d'un système de moteur linéaire consiste à choisir le codeur linéaire. Les plus courants sont les codeurs linéaires incrémentaux avec capteurs optiques ou magnétiques. Il convient de sélectionner un codeur offrant la résolution et la précision requises pour l'application, et adapté à l'environnement de la machine.

Le signal de retour de l'encodeur est généralement transmis à l'amplificateur servo via un train d'impulsions analogiques sinusoïdales ou numériques. Une autre option consiste à utiliser un signal de retour série haute vitesse, offrant des débits de données plus élevés, une résolution binaire supérieure, une meilleure immunité au bruit, des longueurs de câble plus importantes et des informations d'alarme complètes.

Les communications série se connectent de deux manières.

La communication directe entre l'amplificateur et l'encodeur est possible avec les encodeurs dotés d'un protocole d'encodeur série compatible avec l'amplificateur.

Lorsqu'un codeur ne possède pas de sortie série (ou lorsque le protocole de sortie série est incompatible avec l'amplificateur), un module convertisseur série peut être utilisé. Ce module reçoit alors un signal analogique du codeur ainsi que le signal du capteur à effet Hall, subdivise le signal analogique et transmet ces données en série à l'amplificateur du servomoteur. Les données du capteur à effet Hall sont utilisées à la mise sous tension et pour vérifier le retour d'information du codeur.

Plusieurs fabricants d'encodeurs linéaires proposent désormais des encodeurs linéaires absolus compatibles avec divers protocoles de communication série, y compris des protocoles propriétaires de fabricants d'amplificateurs tiers.

3. Choisissez l'amplificateur

La troisième étape du processus de conception consiste à sélectionner le servoamplificateur. Ce dernier doit être correctement dimensionné en fonction du moteur.

La fonction « plug and play » est proposée uniquement par les fournisseurs qui fabriquent à la fois des servomoteurs et des amplificateurs. Certains fournisseurs l'offrent afin de réduire le temps de mise en service et de garantir une configuration optimale.

Certains servoamplificateurs intègrent la reconnaissance automatique du moteur et un mode sans réglage, ce qui élimine la nécessité de régler le système d'asservissement. Grâce à ce logiciel, les spécifications du moteur (y compris les caractéristiques de surcharge) sont automatiquement chargées du moteur vers le servoamplificateur lors de la mise sous tension. Ceci supprime les risques d'erreurs de saisie des spécifications du moteur, et réduit ainsi considérablement les risques d'emballement et d'erreurs de phase.

4. Sélectionner les éléments de support et les paliers

Les deux dernières étapes de conception sont indissociables pour finaliser la conception du système de moteur linéaire : la quatrième étape consiste à sélectionner un système de paliers de mouvement linéaire, et la cinquième à concevoir les éléments de support.

Dans la plupart des ensembles de moteurs linéaires, deux alignements sont essentiels : l’entrefer entre le moteur et l’aimant (la bobine et la piste magnétique) et l’entrefer entre la tête de lecture du codeur et l’échelle linéaire. Ce dernier critère est éliminé lors du choix d’un codeur linéaire encapsulé.

Conseils:

Les paliers de mouvement linéaire doivent offrir une précision suffisante pour respecter les tolérances d'écartement, tandis que les éléments de support doivent être conçus pour espacer correctement les composants et respecter les exigences de parallélisme des paliers linéaires et de l'encodeur.

Une fois ces critères remplis, le choix et la conception des roulements et des éléments de support dépendent en définitive des performances requises par la machine. Les applications exigeant une grande exactitude et une haute précision nécessitent un codeur haute résolution et haute précision, ainsi que des roulements linéaires de haute précision.

Lors du dimensionnement de ces paliers, tenez compte de la charge utile et des forces d'attraction magnétique associées aux moteurs linéaires à noyau de fer. Dans de nombreux cas, les éléments de support des paliers linéaires et des chemins magnétiques peuvent être intégrés au bâti de la machine.