Les moteurs linéaires ont révolutionné le contrôle de mouvement grâce à des performances accrues en termes de vitesse, de précision et de fiabilité, surpassant les actionneurs linéaires traditionnels à moteur rotatif. Leur particularité réside dans le déplacement de la charge sans composants de transmission de puissance mécanique. La force linéaire générée par le champ magnétique de la bobine est directement transmise à la charge. Cette conception élimine les dispositifs mécaniques de conversion du mouvement rotatif en mouvement linéaire, optimisant ainsi la durée de vie, la précision, la vitesse et les performances globales du système.

Face à la demande croissante de productivité, de qualité produit, de délais de développement rapides et de coûts d'ingénierie réduits, l'adoption de la technologie des moteurs linéaires, grâce à leur conception modulaire, est de plus en plus répandue. On les retrouve dans la métrologie, les systèmes de découpe de précision, les équipements de fabrication de semi-conducteurs et d'électronique, la manipulation de plaquettes, la lithographie, les systèmes d'inspection par vision, les équipements et dispositifs médicaux, les systèmes de test, l'aérospatiale et la défense, l'automatisation des chaînes d'assemblage, l'impression et le conditionnement, ainsi que dans de nombreuses autres applications exigeant un débit élevé et un mouvement linéaire de haute précision.

Les composants d'un moteur linéaire doivent être usinés et assemblés avec une grande précision et selon des processus reproductibles. Un alignement correct de ces pièces est essentiel et requiert une conception détaillée et un savoir-faire en matière d'assemblage.

Aujourd'hui, la nouvelle génération de moteurs linéaires modulaires révolutionne le secteur. Ces moteurs, prêts à l'emploi, s'intègrent facilement à un système et sont opérationnels immédiatement, réduisant considérablement les délais d'ingénierie. Les ingénieurs peuvent désormais tirer pleinement parti de cette technologie en quelques jours seulement, au lieu de plusieurs mois, voire plusieurs années.

Les systèmes de moteurs linéaires sont composés de neuf éléments principaux :

1. Une plaque de base
2. Bobine de moteur
3. Une voie magnétique permanente (normalement des aimants en néodyme)
4. Un chariot qui relie la bobine du moteur à la charge
5. Rails de guidage linéaires sur lesquels le chariot est guidé et qui sont reliés à la base
6. Un codeur linéaire pour le retour de position
7. butées de fin de course
8. Un câble
9. Soufflets optionnels pour protéger la piste magnétique, l'encodeur et les rails linéaires contre la contamination environnementale.

BOUCLE DE CONTRÔLE

Les composants d'un moteur linéaire doivent être usinés et assemblés avec une grande précision et selon des processus reproductibles. Un alignement correct de ces pièces est essentiel et requiert une conception détaillée et un savoir-faire d'assemblage pointu. Par exemple, le rail magnétique et la bobine mobile du moteur doivent être plats, parallèles et montés avec un entrefer précis. La bobine mobile se déplace sur un chariot relié à des rails de guidage linéaires de précision parallèles, situés au-dessus du rail magnétique. Le codeur de position, avec son échelle linéaire et sa tête de lecture, est un autre élément critique du moteur linéaire qui exige des procédures d'alignement rigoureuses et une conception de montage robuste pour résister à des accélérations jusqu'à 5 G. Avec les moteurs linéaires modulaires, ces détails sont déjà pris en compte et intégrés dès la conception.

Les systèmes de moteurs linéaires modulaires, comme celui présenté, sont utilisés lorsqu'un mouvement linéaire précis, rapide et répétable est nécessaire. Ce système constitue une alternative aux actionneurs à vis à billes, à courroie et à crémaillère.

Des systèmes de contrôle de mouvement sophistiqués et des servomoteurs sont utilisés pour piloter le moteur linéaire. Ce dernier présente un avantage certain en termes de rigidité et de réponse en fréquence. Dans certaines plages de fréquences, sa rigidité surpasse celle des vis à billes traditionnelles d'un facteur 10, voire plus. Grâce à cette caractéristique, les moteurs linéaires peuvent gérer des bandes passantes de boucle de position et de vitesse élevées avec une précision remarquable, même en présence de perturbations externes. Contrairement aux vis à billes, qui présentent souvent des fréquences de résonance entre 10 et 100 Hz, les moteurs linéaires fonctionnent à des fréquences plus élevées, plaçant leurs résonances bien au-delà de la bande passante de la boucle de position.

Cependant, la suppression de la transmission mécanique présente un inconvénient. Les composants mécaniques, tels que les vis à billes, contribuent à réduire les perturbations dues aux forces de la machine, aux fréquences de résonance naturelles ou aux vibrations transversales. Leur absence expose directement les moteurs linéaires à ces perturbations. Par conséquent, la compensation de ces perturbations incombe au contrôleur de mouvement et à l'électronique d'entraînement, qui doivent les traiter directement, en agissant sur l'axe du servomoteur. C'est là qu'interviennent les algorithmes de mouvement en boucle fermée sophistiqués d'aujourd'hui, permettant d'éliminer les résonances et d'assurer un contrôle de position remarquable.

Dans le domaine des actionneurs linéaires, les moteurs linéaires offrent des performances techniques exceptionnelles. Leur rigidité supérieure et leur capacité à fonctionner à des fréquences plus élevées les distinguent des solutions traditionnelles. En s'affranchissant des fréquences de résonance et en conservant une haute précision même en présence de perturbations externes, les moteurs linéaires constituent une solution idéale.

Néanmoins, l'absence de transmission mécanique exige des stratégies de compensation robustes pour contrer les perturbations, garantissant ainsi la performance et la fiabilité continues du système. Les fréquences d'échantillonnage des contrôleurs de mouvement pour les boucles de vitesse et de position commencent généralement à 5 kHz. Un axe à moteur linéaire peut avoir une bande passante de boucle de position cinq à dix fois supérieure à celle d'un axe à moteur rotatif conventionnel, pour lequel des fréquences de 1 ou 2 kHz sont acceptables. Certains contrôleurs de mouvement actuels peuvent échantillonner à des fréquences de 20 kHz ou plus, ce qui permet un contrôle par rétroaction ultra-rapide et un contrôle de trajectoire ultra-précis.

Étant donné que la plupart des fabricants de moteurs linéaires modulaires sont également des experts en contrôle de mouvement et en servocommande, de nombreux défis liés aux boucles de contrôle et aux problèmes de résonance mécanique ont été soigneusement étudiés, et des solutions et des outils sont fournis pour atténuer ces difficultés.

APPLICATION DE MOTEUR LINÉAIRE

J'ai acquis une précieuse expérience avec les moteurs linéaires il y a quelques années, au sein d'une équipe d'ingénieurs lancée dans un projet révolutionnaire : créer la première machine de découpe laser au monde basée sur un moteur linéaire. L'utilisation de moteurs linéaires s'est avérée idéale pour bouleverser le secteur, car les technologies d'actionneurs linéaires traditionnelles, entraînées par des servomoteurs rotatifs, ne pouvaient offrir les performances élevées des moteurs linéaires.

La mise en œuvre de cette technologie s'est avérée complexe. En approfondissant le projet, nous avons constaté que notre application nécessitait des performances de moteurs linéaires dont les spécifications n'étaient pas disponibles sur le marché. Sans nous décourager, nous avons décidé de concevoir des moteurs linéaires spécifiquement adaptés à notre application.

Nous avons dû relever de nombreux défis, car il nous fallait déplacer un portique de 454 kg (1 000 lbs) à une vitesse de 2,5 m/s avec une accélération de 1,5 G. Cela impliquait de concevoir un moteur linéaire capable de générer des forces extrêmes. Notre équipe a persévéré, consacrant d'innombrables heures à la recherche et au développement jusqu'à concevoir un moteur linéaire répondant aux exigences de notre machine de découpe laser. Ce fut un moment de grande fierté lorsque nous avons enfin vu nos moteurs linéaires en action 14 mois plus tard, propulsant le portique avec une vitesse, une facilité et une précision incroyables. Les performances obtenues étaient sans précédent. Il est remarquable de penser à quel point notre concept de machine aurait pu être finalisé plus rapidement si des moteurs linéaires modulaires prêts à l'emploi avaient été disponibles à l'époque.

La technologie des moteurs linéaires a considérablement évolué depuis nos débuts dans la conception de ces moteurs dans les années 90. Grâce à l'introduction de nouvelles conceptions modulaires, le potentiel d'innovation et de progrès dans la conception de mouvements et les moteurs linéaires est plus important que jamais. Les moteurs linéaires modulaires redéfinissent les possibilités, offrant des capacités de contrôle de mouvement plus rapides, plus précises et plus fiables, déployables rapidement et bénéficiant à une vaste gamme d'applications dans de nombreux secteurs industriels.