Les codeurs linéaires améliorent la précision en corrigeant les erreurs en aval des liaisons mécaniques.

Les codeurs linéaires suivent la position des axes sans éléments mécaniques intermédiaires. Ils mesurent même les erreurs de transfert des liaisons mécaniques (comme les dispositifs mécaniques rotatifs-linéaires), ce qui permet aux commandes de corriger les erreurs provenant de la machine. Ainsi, cette rétroaction permet aux commandes de prendre en compte tous les éléments mécaniques des boucles de contrôle de position.

Comment fonctionne le balayage photoélectrique dans les encodeurs

De nombreux codeurs linéaires de précision fonctionnent par balayage optique ou photoélectrique. En résumé, une tête de lecture suit des graduations périodiques de quelques micromètres de large et émet des signaux de courte durée. L'étalon de mesure est généralement en verre ou (pour les grandes longueurs) en acier, portant des graduations périodiques (marques sur le substrat porteur). Il s'agit d'un mode de suivi de position sans contact.

Utilisés avec des périodes de réseau incrémentales comprises entre 4 et 40 μm, les codeurs linéaires à balayage d'images à code PRC (absolu) fonctionnent avec la génération de signaux lumineux. Deux réseaux (sur l'échelle et le réticule de balayage) se déplacent l'un par rapport à l'autre. Le matériau du réticule de balayage est transparent, mais celui de l'échelle peut être transparent ou réfléchissant. Lorsque les deux réseaux se croisent, la lumière incidente est modulée. Si les espaces entre les réseaux s'alignent, la lumière passe à travers. Si les lignes d'un réseau coïncident avec les espaces de l'autre, il bloque la lumière. Les cellules photovoltaïques convertissent les variations d'intensité lumineuse en signaux électriques de forme sinusoïdale.

Une autre option pour les graduations avec des périodes de réseau de 8 μm et moins est le balayage interférentiel. Ce mode de fonctionnement du codeur linéaire exploite la diffraction et les interférences lumineuses. Un réseau à gradins sert d'étalon de mesure, avec des lignes de 0,2 μm de haut sur une surface réfléchissante. Devant celui-ci se trouve un réticule de balayage, un réseau transparent dont la période correspond à celle de l'échelle. Lorsqu'une onde lumineuse traverse le réticule, elle se diffracte en trois ondes partielles d'ordres -1, 0 et 1 d'intensité sensiblement égale. L'échelle diffracte les ondes, de sorte que l'intensité lumineuse se concentre dans les ordres de diffraction 1 et -1. Ces ondes se rencontrent à nouveau au niveau du réseau de phase du réticule, où elles se diffractent à nouveau et interfèrent. Cela produit trois ondes qui quittent le réticule de balayage sous des angles différents. Des cellules photovoltaïques convertissent ensuite l'intensité lumineuse alternative en signal électrique de sortie.

En balayage interférentiel, le mouvement relatif entre le réticule et l'échelle provoque un déphasage des fronts d'onde diffractés. Lorsque le réseau se déplace d'une période, le front d'onde du premier ordre se déplace d'une longueur d'onde dans le sens positif, et la longueur d'onde d'ordre -1 se déplace d'une longueur d'onde dans le sens négatif. Les deux ondes interfèrent à la sortie du réseau, se décalant ainsi de deux longueurs d'onde (pour deux périodes de signal à partir d'un déplacement d'une seule période du réseau).

Deux variantes de balayage d'encodeur

Certains codeurs linéaires effectuent des mesures absolues. La valeur de position est donc toujours disponible lorsque la machine est sous tension et l'électronique peut la référencer à tout moment. Il n'est pas nécessaire de déplacer les axes vers une référence. La graduation de l'échelle présente une structure de code absolu sériel et une piste incrémentale distincte est interpolée pour la valeur de position, tout en générant simultanément un signal incrémental optionnel.

En revanche, les codeurs linéaires fonctionnant par mesure incrémentale utilisent des graduations à réseau périodique, et comptent les incréments individuels (pas de mesure) à partir d'un point d'origine pour obtenir la position. Comme cette configuration utilise une référence absolue pour déterminer les positions, les rubans gradués pour ces configurations sont dotés d'une seconde piste avec un repère de référence.

La position absolue de l'échelle établie par le repère de référence est limitée à une période de signal précise. La tête de lecture doit donc localiser et scanner un repère de référence pour établir une référence absolue ou retrouver la dernière référence sélectionnée (ce qui nécessite parfois des courses de référence longues).

Itérations du codeur linéaire

L'un des défis de l'intégration des codeurs linéaires réside dans le fait que les dispositifs fonctionnent directement sur l'axe de mouvement et sont donc exposés à l'environnement de la machine. C'est pourquoi certains codeurs linéaires sont étanches. Un boîtier en aluminium protège la règle, le chariot de balayage et son rail de guidage des copeaux, de la poussière et des fluides, tandis que des lèvres élastiques orientées vers le bas assurent l'étanchéité du boîtier. Le chariot de balayage se déplace le long de la règle sur un guide à faible frottement. Un accouplement relie le chariot de balayage au bloc de montage et compense le désalignement entre la règle et les rails de guidage de la machine. Dans la plupart des cas, des décalages latéraux et axiaux de ±0,2 à ±0,3 mm entre la règle et le bloc de montage sont admissibles.

Exemple concret : application machine-outil

La productivité et la précision sont primordiales pour de nombreuses applications, mais l'évolution des conditions de fonctionnement complique souvent la réalisation de ces objectifs de conception. Prenons l'exemple des machines-outils. La fabrication de pièces se fait désormais par lots de plus en plus petits, ce qui impose de maintenir la précision des réglages sous différentes charges et courses. L'usinage de pièces aéronautiques est sans doute le plus exigeant, car il requiert une capacité de coupe maximale pour l'ébauche, puis une précision maximale pour la finition.

Plus précisément, l'usinage de moules de qualité nécessite un enlèvement de matière rapide et une qualité de surface élevée après finition. Parallèlement, seules des vitesses d'avance de contournage élevées permettent aux machines de produire des pièces avec des distances minimales entre les trajectoires dans des délais d'usinage acceptables. Cependant, en particulier pour les petites séries, il est quasiment impossible de maintenir des conditions thermiques stables. En effet, les variations entre les opérations de perçage, d'ébauche et de finition contribuent aux fluctuations de température des machines-outils.

De plus, la précision des pièces est essentielle à la rentabilité des commandes de production. Lors des opérations d'ébauche, les taux de fraisage atteignent 80 % ou plus ; des valeurs inférieures à 10 % sont courantes pour la finition.

Le problème est que des accélérations et des vitesses d'avance de plus en plus élevées provoquent un échauffement des sous-composants des entraînements linéaires des machines, en particulier ceux utilisant des vis à billes entraînées par un moteur rotatif. La mesure de position est donc essentielle pour stabiliser les corrections thermiques des machines-outils.

Moyens de résoudre les problèmes d'instabilité thermique

Le refroidissement actif, les structures de machines symétriques et les mesures et corrections de température sont déjà des méthodes courantes pour gérer les variations de précision d'origine thermique. Une autre approche consiste à corriger un mode de dérive thermique particulièrement courant : celui des axes d'avance entraînés par moteur rotatif intégrant des vis à billes à recirculation. Dans ce cas, les températures le long de la vis à billes peuvent varier rapidement avec les vitesses d'avance et les forces de déplacement. Les variations de longueur qui en résultent (généralement de 100 µm/m en 20 minutes) peuvent entraîner des défauts importants sur la pièce. Deux options s'offrent à vous : mesurer l'axe d'avance à commande numérique via la vis à billes à l'aide d'un codeur rotatif ou d'un codeur linéaire.

L'ancienne configuration utilise un codeur rotatif pour déterminer la position du chariot à partir du pas de la vis d'alimentation. L'entraînement doit donc transférer des forces importantes et servir de lien au système de mesure, fournissant des valeurs très précises et reproduisant fidèlement le pas de la vis. Cependant, la boucle de contrôle de position ne prend en compte que le comportement du codeur rotatif. Ne pouvant compenser les variations de la mécanique d'entraînement dues à l'usure ou à la température, il s'agit en réalité d'un fonctionnement en boucle semi-fermée. Les erreurs de positionnement de l'entraînement deviennent inévitables et dégradent la qualité de la pièce.

En revanche, un codeur linéaire mesure la position du chariot et intègre un mécanisme d'avance complet dans la boucle de contrôle de position (pour un fonctionnement en boucle fermée). Le jeu et les imprécisions des éléments de transfert de la machine n'ont aucune influence sur la précision de la mesure de position. Celle-ci dépend donc presque exclusivement de la précision et de l'installation du codeur linéaire. À noter : la mesure directe par codeur peut également améliorer les mesures du mouvement des axes rotatifs. Les configurations traditionnelles utilisent des mécanismes de réduction de vitesse reliés à un codeur rotatif sur le moteur, mais les codeurs angulaires haute précision offrent une précision et une reproductibilité supérieures.

Façons dont la conception des vis à billes traite la chaleur

Trois autres approches pour traiter la chaleur des vis à billes ont leurs propres limites.

1. Certaines vis à billes empêchent l'échauffement interne (et celui des pièces mécaniques environnantes) grâce à des noyaux creux pour la circulation du liquide de refroidissement. Cependant, même ces vis subissent une dilatation thermique, et une augmentation de température de seulement 1 K entraîne des erreurs de positionnement pouvant atteindre 10 μm/m. Ce phénomène est important, car les systèmes de refroidissement courants ne peuvent pas maintenir des variations de température inférieures à 1 K.

2. Les ingénieurs modélisent parfois la dilatation thermique de la vis à billes dans les commandes. Cependant, comme le profil de température est difficile à mesurer en fonctionnement et qu'il est influencé par l'usure de l'écrou à recirculation de billes, la vitesse d'avance, les efforts de coupe, la course de déplacement utilisée et d'autres facteurs, cette méthode peut entraîner des erreurs résiduelles considérables (jusqu'à 50 μm/m).

3. Certaines vis à billes sont équipées de roulements fixes aux deux extrémités pour renforcer la rigidité du mécanisme d'entraînement. Cependant, même des roulements ultra-rigides ne peuvent empêcher la dilatation due à la production locale de chaleur. Les forces résultantes sont considérables et déforment même les configurations de roulements les plus rigides, provoquant parfois des distorsions structurelles de la géométrie de la machine. La tension mécanique modifie également le comportement de frottement de l'entraînement, dégradant ainsi la précision de contournage de la machine. De plus, le fonctionnement en boucle semi-fermée ne peut compenser les effets des variations de précharge des roulements dues à l'usure ou à la déformation élastique du mécanisme d'entraînement.