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 transmission des liaisons mécaniques (telles que les dispositifs mécaniques rotatifs-linéaires), ce qui permet aux systèmes de contrôle de corriger les erreurs provenant de la machine. Ainsi, cette rétroaction permet aux systèmes de contrôle de prendre en compte tous les éléments mécaniques dans les boucles de régulation 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 génère des signaux à période courte. L'étalon de mesure est généralement en verre ou (pour les grandes longueurs) en acier, comportant des graduations périodiques – des marques sur le substrat. 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'image à code PRC (absolu) fonctionnent par 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, tandis que celui de l'échelle peut être transparent ou réfléchissant. Lorsque les deux se croisent, la lumière incidente est modulée. Si les discontinuités des réseaux s'alignent, la lumière les traverse. Si les lignes d'un réseau coïncident avec les discontinuités de l'autre, la lumière est bloquée. Des cellules photovoltaïques convertissent les variations d'intensité lumineuse en signaux électriques sinusoïdaux.

Une autre option pour les graduations dont le temps de réseau est inférieur ou égal à 8 μm est le balayage interférentiel. Ce mode de fonctionnement, basé sur un encodeur linéaire, exploite la diffraction et l'interférence lumineuse. Un réseau à gradins, composé de lignes de 0,2 μm de hauteur sur une surface réfléchissante, sert d'étalon de mesure. Devant ce réseau se trouve un réticule de balayage : un réseau transparent dont le temps correspond à celui de l'échelle. Lorsqu'une onde lumineuse traverse le réticule, elle est diffractée en trois ondes partielles d'ordres -1, 0 et 1, d'intensité sensiblement égale. L'échelle diffracte ces ondes de sorte que l'intensité lumineuse se concentre sur les ordres de diffraction 1 et -1. Ces ondes se rencontrent à nouveau au niveau du réseau de phase du réticule, où elles sont diffractées une fois encore et interfèrent. Il en résulte trois ondes qui sortent du réticule de balayage sous des angles différents. Des cellules photovoltaïques convertissent ensuite l'intensité lumineuse alternative en un signal électrique.

En microscopie interférentielle, le mouvement relatif entre le réticule et l'échelle induit 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 celui de l'ordre de diffraction -1 se déplace d'une longueur d'onde dans le sens négatif. Les deux ondes interfèrent à la sortie du réseau, se déphasant ainsi de deux longueurs d'onde (soit deux périodes de signal pour un déplacement d'une seule période du réseau).

Deux variantes de balayage d'encodeur

Certains codeurs linéaires effectuent des mesures absolues, ce qui garantit la disponibilité permanente de la valeur de position lorsque la machine est en marche. L'électronique peut ainsi s'y référer à tout moment. Il n'est pas nécessaire de déplacer les axes vers une référence. La graduation de l'échelle possède une structure de code absolu série et une piste incrémentale distincte est interpolée pour la valeur de position, tout en générant simultanément un signal incrémental optionnel.

À l'inverse, les codeurs linéaires à mesure incrémentale utilisent des graduations à réseau périodique et comptent les incréments (pas de mesure) à partir d'une origine pour déterminer la position. Ce système utilisant une référence absolue, les rubans gradués comportent une seconde piste avec un repère de référence.

La position absolue sur l'échelle, définie par le repère de référence, est synchronisée avec une période de signal précise. La tête de lecture doit donc localiser et scanner ce repère pour établir une référence absolue ou retrouver la dernière donnée sélectionnée (ce qui nécessite parfois des parcours de référence longs).

Itérations de l'encodeur linéaire

L'un des défis liés à l'intégration des codeurs linéaires réside dans leur positionnement au niveau de l'axe de déplacement, les exposant ainsi à l'environnement de la machine. C'est pourquoi certains codeurs linéaires sont étanches. Un boîtier en aluminium protège la règle, le chariot de lecture et son guidage des copeaux, de la poussière et des fluides, tandis que des joints élastiques orientés vers le bas assurent l'étanchéité. Le chariot de lecture se déplace le long de la règle grâce à un guidage à faible friction. Un accouplement relie le chariot de lecture au bloc de montage et compense les défauts d'alignement entre la règle et les guidages 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 aux machines-outils

La productivité et la précision sont essentielles pour de nombreuses applications, mais l'évolution des conditions d'exploitation complexifie souvent l'atteinte de ces objectifs de conception. Prenons l'exemple des machines-outils. La fabrication de pièces s'est orientée vers des séries de plus en plus petites, ce qui impose aux réglages de maintenir leur précision sous différentes charges et courses. L'usinage de pièces aérospatiales est peut-être l'exemple le plus exigeant : il requiert une capacité de coupe maximale pour l'ébauche, puis une précision maximale pour les opérations de finition.

Plus précisément, le fraisage de moules de qualité exige un enlèvement de matière rapide et une excellente qualité de surface après finition. Parallèlement, seules des vitesses d'avance élevées pour le contournage permettent aux machines de produire des pièces avec des distances minimales entre les passes, dans des temps d'usinage acceptables. Or, notamment pour les petites séries, il est quasiment impossible de maintenir des conditions thermiques stables. En effet, les changements de température entre les opérations de perçage, d'ébauche et de finition entraînent des fluctuations de la température de la machine-outil.

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

Le problème réside dans le fait que des accélérations et des vitesses d'avance de plus en plus élevées entraînent un échauffement des sous-composants des entraînements linéaires des machines, notamment celles qui utilisent des vis à billes entraînées par un moteur rotatif. Dans ce contexte, la mesure de position est essentielle pour stabiliser les corrections thermiques des machines-outils.

Solutions aux problèmes d'instabilité thermique

Le refroidissement actif, les structures de machines symétriques et les mesures et corrections de température sont des méthodes courantes pour compenser les variations de précision dues à la température. Une autre approche consiste à corriger un mode de dérive thermique particulièrement fréquent : celui des axes d'avance à moteur rotatif intégrant des vis à billes à recirculation. Dans ce cas, la température le long de la vis à billes peut varier rapidement en fonction de la vitesse d'avance et de la force de déplacement. Les variations de longueur qui en résultent (généralement 100 µm/m en 20 minutes) peuvent engendrer des défauts importants sur la pièce. Deux solutions sont possibles : mesurer l'axe d'avance à commande numérique à travers la vis à billes à l'aide d'un codeur rotatif ou d'un codeur linéaire.

L'ancien système utilise un codeur rotatif pour déterminer la position du chariot à partir du pas de la vis d'avance. L'entraînement doit donc transmettre des forces importantes et jouer le rôle de liaison dans le système de mesure, garantissant ainsi des valeurs très précises et une reproduction fidèle du pas de la vis. Cependant, la boucle de contrôle de position ne tient compte que du comportement du codeur rotatif. Incapable de compenser les variations de la mécanique d'entraînement dues à l'usure ou à la température, elle fonctionne en réalité en boucle semi-fermée. Les erreurs de positionnement de l'entraînement deviennent alors inévitables et dégradent la qualité de la pièce.

À l'inverse, un codeur linéaire mesure la position du chariot et intègre l'ensemble du mécanisme d'avance dans la boucle de contrôle de position (pour un fonctionnement en boucle fermée). Le jeu et les imprécisions des éléments de transmission de la machine n'ont aucune incidence sur la précision de la mesure de position. Ainsi, la précision dépend presque exclusivement de la précision et de l'installation du codeur linéaire. À noter : la mesure directe par codeur peut également améliorer les mesures des mouvements d'axes rotatifs. Les systèmes traditionnels utilisent des réducteurs de vitesse reliés à un codeur rotatif sur le moteur, mais les codeurs angulaires de haute précision offrent une meilleure précision et une meilleure reproductibilité.

Comment la conception des vis à billes permet de gérer la chaleur

Trois autres approches pour traiter la chaleur des vis à billes présentent chacune leurs propres limitations.

1. Certaines vis à billes, grâce à leur noyau creux permettant la circulation du liquide de refroidissement, empêchent l'échauffement interne (et celui des pièces de la machine environnantes). Cependant, même celles-ci subissent une dilatation thermique, et une augmentation de température de seulement 1 K entraîne des erreurs de positionnement de 10 μm/m. Ce phénomène est préoccupant, car les systèmes de refroidissement classiques ne permettent pas de limiter les variations de température à moins de 1 K.

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

3. Certaines vis à billes sont équipées de roulements fixes à leurs deux extrémités afin d'accroître la rigidité de la mécanique d'entraînement. Cependant, même des roulements particulièrement rigides ne peuvent empêcher la dilatation due à la génération de chaleur locale. Les forces qui en résultent sont considérables et déforment même les configurations de roulements les plus rigides, provoquant parfois des distorsions structurelles dans la géométrie de la machine. La tension mécanique modifie également le comportement du 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 de la mécanique d'entraînement.