Les industries de l'électronique, de l'optique, de l'informatique, de l'inspection, de l'automatisation et du laser nécessitent des spécifications de systèmes de positionnement diverses.Aucun système n'est adapté à tous.

Pour garantir le fonctionnement optimal d'un système de positionnement de haute précision, les composants qui le constituent — roulements, système de mesure de position, système moteur-entraînement et contrôleur — doivent tous fonctionner ensemble au mieux pour répondre aux critères de l'application.

Socle et palier

Pour déterminer la configuration optimale du système, il convient d'examiner d'abord sa partie mécanique. Pour les platines linéaires, voici les quatre conceptions courantes de socle et de paliers :
• Base et glissière en aluminium avec glissières à billes boulonnées.
• Socle en aluminium ou en acier et côtés en aluminium ou en acier avec quatre blocs à roulement à billes à recirculation sur rails en acier.
• Socle et glissière en fonte Meehanite avec glissières à roulements à billes intégrées.
• Guides en granit avec glissières en granit ou en fonte et paliers à air.

L'aluminium est plus léger que la fonte ou l'acier, mais moins rigide, moins stable, moins résistant aux chocs et aux contraintes. De plus, il est beaucoup plus sensible aux variations de température. La fonte est 150 % plus rigide que l'aluminium et offre un amortissement des vibrations 300 % supérieur. L'acier est durable et plus résistant que le fer. Cependant, il présente une résonance prolongée, ce qui nuit à la rapidité des mouvements et des temps de stabilisation.

Les guides en granit associés à des paliers à air offrent la combinaison la plus rigide et la plus durable. Le granit peut être poli pour obtenir une planéité et une rectitude submicroniques. L'inconvénient d'une table en granit réside dans son encombrement et son poids supérieurs à ceux d'un système de positionnement en acier ou en fer, du fait de sa masse. Cependant, l'absence de contact entre les paliers et les surfaces de guidage en granit élimine toute usure, et les paliers à air sont en grande partie autonettoyants. De plus, le granit présente d'excellentes propriétés d'amortissement des vibrations et une grande stabilité thermique.

De plus, la conception même de la table influe considérablement sur ses performances globales. Les tables se déclinent en diverses configurations, allant des ensembles boulonnés composés de nombreuses pièces aux simples socles et glissières moulés. L'utilisation d'un matériau unique pour l'ensemble de la table assure généralement une réponse plus uniforme aux variations de température, ce qui garantit un système plus précis. Des éléments tels que les nervures offrent un amortissement, permettant ainsi une stabilisation rapide.

Les glissières intégrées présentent un avantage par rapport aux glissières boulonnées, car même après une longue période, aucun réglage de précharge n'est nécessaire.

Les roulements à rouleaux croisés présentent un contact linéaire entre le rouleau et la bague, tandis que les roulements à billes présentent un contact ponctuel entre la bille et la bague. Il en résulte généralement un mouvement plus fluide pour les roulements à rouleaux. La déformation (et l'usure) de la surface de roulement est moindre et la surface de contact est plus importante, ce qui permet une meilleure répartition de la charge. Des charges allant jusqu'à 4,5 à 14 kg par rouleau sont courantes, associées à une rigidité mécanique élevée d'environ 150 à 300 N/µm. L'inconvénient principal réside dans le frottement inhérent au contact linéaire.

La faible 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 supérieure à celle des roulements à billes. Cependant, ils sont plus coûteux.

Les dimensions standard des tables d'un fabricant comprennent une longueur de 25 à 1 800 mm et une largeur de glissière de 100 à 600 mm.

Un système de paliers à air est constitué de paliers de levage et de guidage préchargés par des paliers à air opposés ou par des aimants en terres rares de forte puissance intégrés aux éléments de guidage. Cette conception sans contact élimine le frottement inhérent aux autres types de paliers. De plus, les paliers à air ne subissent aucune usure mécanique. Par ailleurs, ils peuvent être largement espacés. Ainsi, les erreurs géométriques résultantes sont moyennées, ce qui permet d'obtenir des écarts angulaires inférieurs à 1 seconde d'arc et une rectitude supérieure à 0,25 micron sur 200 mm.

Il est difficile de fournir des valeurs numériques précises, car elles dépendent de nombreux facteurs. Par exemple, la précision de positionnement dépend non seulement des roulements ou des guides, mais aussi du système de mesure de position et du contrôleur. Le frottement dans un système de positionnement dépend non seulement du système d'entraînement choisi, mais aussi du réglage des roulements, de l'étanchéité de la table, de la lubrification, etc. Par conséquent, les valeurs exactes atteignables dépendent fortement 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 rectifiée avec précision et moteur linéaire), seuls les deux derniers sont envisagés pour la plupart des systèmes de positionnement de haute précision.

Les entraînements à vis à billes offrent différentes résolutions, précisions et rigidités, et peuvent atteindre des vitesses élevées (supérieures à 250 mm/s). Cependant, la vitesse de rotation critique de la vis limite leur fonctionnement ; une vitesse plus élevée requiert donc un pas plus petit, un avantage mécanique moindre et un moteur plus puissant. Cela implique généralement l'utilisation d'un moteur d'entraînement plus puissant avec une tension d'alimentation plus élevée. Malgré leur large utilisation, les entraînements à vis à billes peuvent également souffrir de jeu mécanique, d'emballement, d'erreurs cycliques de pas et de frottement. La rigidité de l'accouplement mécanique reliant le moteur et le variateur est également souvent négligée.

Avec un servomoteur linéaire, la force électromagnétique agit directement sur la masse mobile, sans liaison mécanique. Il n'y a ni hystérésis mécanique ni erreur cyclique de pas. La précision dépend entièrement du système de roulements et du système de contrôle par rétroaction.

La rigidité dynamique indique la capacité d'un système d'asservissement à maintenir sa position en réponse à une impulsion. En général, une bande passante plus large et un gain plus élevé offrent une meilleure rigidité dynamique. Celle-ci peut être quantifiée en divisant l'impulsion mesurée par la distance de déflexion.

Rigidité dynamique = ΔF/ΔX

La grande rigidité et la fréquence naturelle élevée garantissent un excellent fonctionnement du servomoteur avec des temps de stabilisation très courts. Le coulisseau réagit instantanément aux changements de position grâce à l'absence de liaison mécanique entre le moteur et le coulisseau. De plus, l'absence d'oscillations de la vis à billes permet d'obtenir des temps de déplacement et de stabilisation rapides.

Un moteur linéaire sans balais se compose d'un ensemble d'aimants permanents fixé à la base de la machine et d'un ensemble de bobines fixé au chariot. Un entrefer d'environ 0,5 mm est maintenu entre la bobine et les aimants. Il n'y a aucun contact physique entre les deux ensembles.

Le cœur du système à bobine mobile renferme une série de bobines de cuivre isolées et imbriquées. Ces bobines sont bobinées avec précision et dimensionnées pour un fonctionnement triphasé. La commutation électronique est assurée par des capteurs à effet Hall. La conception de l'électronique de commutation garantit un mouvement avec une ondulation de force négligeable. La commutation étant électronique et non mécanique, les arcs électriques sont éliminés.

Ces propriétés rendent un servomoteur linéaire utile dans les applications exigeant une forte accélération (par exemple 2,5 m/s² ou plus), une vitesse élevée (par exemple 2 m/s ou plus) ou un contrôle précis de la vitesse, même à très basse vitesse (par exemple quelques mm/s). De plus, un tel moteur ne nécessite aucune lubrification ni entretien et ne présente aucune usure. Comme pour tout 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.

Les servomoteurs linéaires sont disponibles avec des forces d'entraînement continues allant de 25 à plus de 5 000 N. La plupart des moteurs de grande taille 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.

En l'absence de liaison mécanique entre le moteur et le chariot, il n'y a pas de réduction mécanique, contrairement à ce qui se produit avec une vis à billes. La charge est transmise au moteur dans un rapport de 1:1. Avec une vis à billes, l'inertie de la charge sur le chariot est réduite au carré du rapport de réduction. De ce fait, l'entraînement par moteur linéaire est moins adapté aux applications avec des variations de charge fréquentes, à moins d'opter pour un contrôleur programmable avec différents ensembles de paramètres de commande moteur correspondant à différentes charges, afin d'obtenir une compensation efficace.

Pour de nombreuses applications verticales, une vis à billes est plus simple et plus économique : le moteur linéaire doit être alimenté en permanence pour compenser la gravité. De plus, un frein électromécanique permet de bloquer la table en cas de coupure de courant. Il est toutefois possible d'utiliser un moteur linéaire en le déportant et en ajoutant une charge à l'aide d'un ressort, d'un contrepoids ou d'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 moteur, accouplements, roulements, paliers et vis à billes. En général, un moteur linéaire à balais est légèrement moins cher qu'un entraînement par vis à billes, tandis que les versions sans balais sont généralement un peu plus onéreuses.

Il ne faut pas se limiter au coût initial. Une comparaison plus réaliste inclut la maintenance, la fiabilité, la durabilité et les coûts de remplacement, main-d'œuvre comprise. Sur ce point, le moteur linéaire se distingue.

La deuxième partie portera sur les systèmes de mesure de position.