Les industries de l’électronique, de l’optique, de l’informatique, de l’inspection, de l’automatisation et du laser nécessitent diverses spécifications de systèmes de positionnement.Aucun système ne convient à tous.

Pour garantir qu'un système de positionnement de haute précision fonctionne de manière optimale, les composants qui composent le système (roulements, système de mesure de position, système de moteur et d'entraînement et contrôleur) doivent tous fonctionner ensemble le mieux possible pour répondre aux critères d'application. .

Base et roulement

Pour décider de la configuration optimale du système, considérez d’abord la partie mécanique du système. Pour les platines linéaires, voici les quatre choix courants de conception de base et de roulement :
• Base et coulisse en aluminium avec roulements à billes Bolton.
• Base en aluminium ou en acier et côté en aluminium ou en acier avec quatre blocs de roulements à recirculation de rouleaux sur rails en acier.
• Base et coulisse en fonte Meehanite avec roulements à rouleaux intégrés.
• Guides en granit avec coulisse en granit ou en fonte et paliers à air.

L'aluminium est plus léger que la meehanite ou l'acier, mais moins rigide, moins stable, moins résistant aux coups et moins résistant aux contraintes. De plus, l’aluminium est beaucoup plus sensible aux changements de température. La fonte est 150 % plus rigide que l’aluminium et 300 % mieux amortie les vibrations. L'acier est durable et plus résistant que le fer. Cependant, il souffre d'un tintement prolongé, ce qui nuit aux temps de déplacement et de stabilisation rapides.

Les guides en granit avec roulements à air offrent la combinaison la plus rigide et la plus durable. Le granit peut être poli pour obtenir une planéité et une rectitude de l'ordre du submicron. L'inconvénient d'une table en granit est qu'en raison de la masse du granit, elle a une enveloppe spatiale plus grande et pèse plus qu'un système de positionnement en acier ou à base de fer. Cependant, comme il n'y a aucun contact entre les roulements et les surfaces de guidage en granit, il n'y a pas d'usure et les roulements à air sont en grande partie autonettoyants. De plus, le granit présente d’excellentes caractéristiques d’amortissement des vibrations et une excellente stabilité thermique.

De plus, la conception de la table elle-même est importante dans ses performances globales. Les tables sont disponibles dans une variété de configurations, depuis les unités boulonnées avec de nombreuses pièces jusqu'aux simples bases et glissières moulées. L'utilisation d'un seul matériau dans tout le tableau fournit généralement une réponse plus uniforme aux variations de température, conduisant à un système plus précis. Des caractéristiques telles que les nervures assurent un amortissement, ce qui permet une stabilisation rapide.

Les voies intégrées ont un avantage sur les voies boulonnées dans la mesure où même après une longue période, aucun ajustement des voies pour la précharge n'est nécessaire.

Les roulements à rouleaux croisés ont un contact linéaire entre le rouleau et le chemin de roulement, tandis que les roulements à billes ont un contact ponctuel entre la bille et le chemin de roulement. Cela se traduit généralement par un mouvement plus fluide des roulements à rouleaux. Il y a moins de déformation (et d'usure) de la surface de roulement et il y a une plus grande surface de contact, de sorte que la charge est répartie plus uniformément. Des charges allant jusqu'à 4,5 à 14 kg/rouleau sont standards, ainsi qu'une rigidité mécanique élevée d'environ 150 à 300 Newtons/micron. Les inconvénients incluent la friction inhérente au contact de la ligne.

La petite surface de contact qui limite le frottement du roulement à billes limite également sa capacité de charge. Les roulements à rouleaux ont généralement une durée de vie plus longue que les roulements à billes. Cependant, les roulements à rouleaux coûtent plus cher.

Les tailles de table standard d'un fabricant incluent une longueur de 25 à 1 800 mm et une largeur de coulisse de 100 à 600 mm.

Une configuration de palier à air se compose de paliers de levage et de guidage préchargés par des paliers à air opposés ou par des aimants de terres rares à haute force intégrés dans les éléments de guidage. Cette conception sans contact évite le frottement des autres conceptions de roulements. De plus, les coussinets d’air ne subissent aucune usure mécanique. De plus, les paliers à air peuvent être largement espacés. Ainsi, les erreurs géométriques résultantes sont moyennées, produisant des écarts angulaires inférieurs à 1 seconde d'arc et une rectitude supérieure à 0,25 micron sur 200 mm.

Les valeurs numériques sont difficiles à fournir car elles dépendent de nombreux facteurs. Par exemple, la précision du positionnement dépend non seulement des roulements ou des guides, mais également du système de mesure de position et du contrôleur. La friction dans un système de positionnement dépend non seulement du système d'entraînement choisi, mais également du réglage des roulements, de l'étanchéité de la table, de la lubrification, etc. Les valeurs exactes pouvant être atteintes dépendent donc dans une large mesure de la combinaison de tous les composants, qui elle-même dépend de l'application.

Système d'entraînement

Parmi les nombreux types de systèmes d'entraînement (courroie, crémaillère, vis mère, vis à billes rectifiées avec précision et moteur linéaire), seuls les deux derniers sont pris en compte pour la plupart des systèmes de positionnement de haute précision.

Les entraînements à vis à billes se déclinent dans une gamme de caractéristiques de résolution, de précision et de rigidité, et peuvent fournir des vitesses élevées (supérieures à 250 mm/s). Cependant, comme l'entraînement de la vis à billes est limité par la vitesse de rotation critique de la vis, une vitesse plus élevée nécessite un pas plus faible, avec moins d'avantages mécaniques et un moteur plus puissant. Cela signifie généralement passer à un entraînement moteur plus puissant avec une tension de bus plus élevée. Les entraînements à vis à billes, bien que largement utilisés, peuvent également subir un jeu mécanique, un enroulement, des erreurs cycliques de pas et des frottements. La rigidité de l'accouplement mécanique qui relie le moteur et l'entraînement est également négligée.

Avec le servomoteur linéaire, la force électromagnétique engage directement la masse en mouvement sans connexion mécanique. Il n'y a pas d'hystérésis mécanique ni d'erreur cyclique de pas. La précision dépend entièrement du système de roulement et du système de contrôle par rétroaction.

La rigidité dynamique indique dans quelle mesure un système d'asservissement maintient sa position en réponse à une charge d'impulsion. En général, une plus grande bande passante et un gain plus élevé offrent une plus grande rigidité dynamique. Cela peut être quantifié en divisant la charge d'impulsion mesurée par la distance de déflexion :

Rigidité dynamique = ΔF/ΔX

La rigidité élevée et la fréquence propre élevée se traduisent par un excellent comportement du servo avec des temps de stabilisation courts. Le coulisseau réagit rapidement aux commandes de changement de position car il n'y a pas de liaison mécanique entre le moteur et le coulisseau. De plus, comme il n'y a pas de « sonnerie » de vis à billes, des temps de déplacement et de stabilisation rapides peuvent être obtenus.

Un moteur linéaire sans balais se compose d’un ensemble aimant permanent fixé à la base de la machine et d’un ensemble bobine fixé au coulisseau. Un espace d'environ 0,5 mm est maintenu entre l'ensemble bobine et les aimants. Il n’y a aucun contact physique entre les deux assemblées.

Le noyau de l'ensemble de bobines mobiles abrite une série de bobines de cuivre superposées et isolées. Ceux-ci sont enroulés avec précision et inclinés pour un fonctionnement triphasé. Une série de capteurs à effet Hall est utilisée pour la commutation électronique. La conception de l'électronique de commutation permet un mouvement avec une ondulation de force négligeable. La commutation étant électronique plutôt que mécanique, les arcs de commutation sont éliminés.

Ces propriétés rendent un servomoteur linéaire utile dans les applications nécessitant une accélération élevée (disons 2,5 m/sec2 ou plus), une vitesse élevée (disons 2 m/sec ou plus) ou un contrôle précis de la vitesse, même à très faible vitesse (disons seulement quelques mm). /seconde). De plus, un tel moteur ne nécessite aucune lubrification ni autre entretien et ne présente aucune usure. Comme pour tout autre moteur, en raison de la dissipation thermique, la valeur efficace de la force ou du courant continu ne doit pas dépasser les valeurs admissibles pendant de longues périodes.

Vous pouvez obtenir des servomoteurs linéaires avec des forces d'entraînement continues de 25 à plus de 5 000 N. La plupart des moteurs plus gros sont refroidis par air ou par eau. Plusieurs moteurs linéaires peuvent être connectés en parallèle ou en série pour obtenir des forces d'entraînement plus élevées.

Puisqu'il n'y a pas de liaison mécanique entre le moteur et le coulisseau, il n'y a pas de réduction mécanique comme c'est le cas avec une vis à billes. La charge est transférée dans un rapport 1:1 au moteur. Avec un entraînement par vis à billes, l'inertie de la charge sur le chariot vers le moteur est réduite du carré du rapport de réduction. Cela rend le moteur linéaire moins adapté aux applications avec des changements de charge fréquents, à moins que vous ne choisissiez un contrôleur que vous pouvez programmer avec différents ensembles de paramètres de contrôle du moteur correspondant à différentes charges pour obtenir une compensation d'asservissement efficace.

Pour de nombreuses applications verticales, une vis à billes est plus simple et plus rentable : le moteur linéaire doit être continuellement alimenté pour compenser la gravité. De plus, un frein électromécanique peut verrouiller la position de la table lorsque l'alimentation est coupée. Cependant, vous pouvez utiliser un moteur linéaire si vous compensez le moteur et le poids de charge avec un ressort, un contrepoids ou un vérin pneumatique.

En termes de coût initial, il y a peu de différence entre un entraînement par moteur linéaire et un entraînement par vis à billes comprenant un moteur, des accouplements, des roulements, des blocs de roulement et une vis à billes. En général, un moteur linéaire à balais est légèrement moins cher qu'un entraînement à vis à billes, et les versions sans balais sont généralement un peu plus chères.

Il y a plus à considérer que le coût initial. Une comparaison plus réaliste inclut la maintenance, la fiabilité, la durabilité et les coûts de remplacement, y compris la main d’œuvre. Ici, le moteur linéaire se montre bien.

La partie 2 couvrira les systèmes de mesure de position.