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 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 moteur et d'entraînement et contrôleur) doivent tous fonctionner ensemble aussi bien que possible pour répondre aux critères d'application.

Base et roulement

Pour choisir la configuration optimale du système, il faut d'abord considérer la partie mécanique. Pour les platines linéaires, voici les quatre configurations de base et de palier les plus courantes :
• Base et glissière en aluminium avec roulements à billes boulonnés.
• Base en aluminium ou en acier et côté en aluminium ou en acier avec quatre blocs de roulement à rouleaux à recirculation sur rails en acier.
• Base et glissière en fonte Meehanite avec roulements à rouleaux intégrés.
• Guides en granit avec glissière en granit ou en fonte et paliers à air.

L'aluminium est plus léger que la méthanite ou l'acier, mais moins rigide, moins stable, moins résistant aux chocs et aux contraintes. De plus, l'aluminium est beaucoup plus sensible aux variations de température. La fonte est 150 % plus rigide que l'aluminium et 300 % plus performante en termes d'amortissement des vibrations. L'acier est durable et plus résistant que le fer. Cependant, il présente un tintement prolongé, ce qui nuit aux temps de déplacement et de stabilisation rapides.

Les guides en granit avec paliers à air offrent la combinaison la plus rigide et la plus durable. Le granit peut être poli pour une planéité et une rectitude de l'ordre du submicron. L'inconvénient d'une table en granit est que, du fait de sa masse, elle occupe un espace plus important et pèse plus lourd qu'un système de positionnement en acier ou en fer. Cependant, l'absence de contact entre les paliers et les surfaces de guidage en granit permet une usure minimale et les paliers à air sont largement autonettoyants. De plus, le granit présente d'excellentes caractéristiques d'amortissement des vibrations et de stabilité thermique.

De plus, la conception de la table elle-même est essentielle à sa performance globale. Les tables sont disponibles dans une variété de configurations, allant des unités boulonnées composées de nombreuses pièces aux simples bases et glissières moulées. L'utilisation d'un seul matériau pour l'ensemble de la table assure généralement une réponse plus uniforme aux variations de température, ce qui se traduit par un système plus précis. Des caractéristiques telles que les nervures assurent l'amortissement, ce qui permet une stabilisation rapide.

Les voies intégrales présentent un avantage par rapport aux voies boulonnées dans la mesure où, même après une longue période, aucun réglage des voies pour la précharge n'est nécessaire.

Les roulements à rouleaux croisés présentent un contact linéaire entre le rouleau et le chemin de roulement, tandis que les roulements à billes présentent un contact ponctuel. Cela se traduit généralement par un mouvement plus fluide pour les roulements à rouleaux. La déformation superficielle (et l'usure) est moindre sur la surface de roulement et la surface de contact est plus grande, ce qui permet une répartition plus uniforme de la charge. Des charges allant jusqu'à 4,5 à 14 kg par rouleau sont standard, avec une rigidité mécanique élevée d'environ 150 à 300 Newtons/micron. Les inconvénients incluent le frottement inhérent au contact linéaire.

Cependant, 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 plus longue que les roulements à billes. Cependant, leur coût est plus élevé.

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.

Une configuration à paliers à air est composée de paliers de levage et de guidage préchargés par des paliers à air opposés ou par des aimants aux terres rares à haute force intégrés aux éléments de guidage. Cette conception sans contact évite les frottements des autres types de paliers. De plus, les paliers à air ne subissent aucune usure mécanique. De plus, ils 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 obtenir : elles dépendent de nombreux facteurs. Par exemple, la précision du 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 pouvant être atteintes dépendent fortement de la combinaison de tous les composants, elle-même fonction 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 vis à billes offrent une large gamme de caractéristiques de résolution, de précision et de rigidité, et peuvent atteindre des vitesses élevées (supérieures à 250 mm/s). Cependant, la vitesse de rotation critique de la vis étant limitée, une vitesse plus élevée nécessite un pas plus faible, avec un avantage mécanique moindre et un moteur plus puissant. Cela implique généralement le recours à un moteur plus puissant avec une tension de bus plus élevée. Bien que largement répandues, les vis à billes peuvent également souffrir de jeu mécanique, d'enroulement, d'erreurs cycliques de pas et de frottements. La rigidité de l'accouplement mécanique reliant le moteur et la vis à billes est également négligée.

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

La rigidité dynamique indique la capacité d'un système servo à maintenir sa position en réponse à une charge impulsionnelle. En général, une bande passante et un gain plus importants offrent une rigidité dynamique supérieure. Celle-ci peut être quantifiée en divisant la charge impulsionnelle mesurée par la distance de déflexion :

Rigidité dynamique = ΔF/ΔX

La grande rigidité et la fréquence naturelle élevée assurent un excellent comportement du servomoteur avec des temps de stabilisation courts. Le coulisseau réagit rapidement aux changements de position grâce à l'absence de liaison mécanique entre le moteur et le coulisseau. De plus, l'absence de « sonnerie » de la vis à billes permet des temps de déplacement et de stabilisation rapides.

Un moteur linéaire sans balais est constitué d'un ensemble d'aimants permanents fixé à la base de la machine et d'une bobine fixée au coulisseau. Un espace 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 de l'ensemble de bobines mobiles abrite une série de bobines en cuivre superposées et isolées. Celles-ci sont bobinées avec précision et positionnées pour un fonctionnement triphasé. Une série de capteurs à effet Hall assure la commutation électronique. La conception de l'électronique de commutation assure 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 nécessitant une accélération élevée (disons 2,5 m/s² ou plus), une vitesse élevée (disons 2 m/s ou plus) ou un contrôle précis de la vitesse, même à très faible vitesse (disons quelques mm/s seulement). De plus, un tel moteur ne nécessite ni lubrification ni entretien et est inusable. 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.

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

L'absence de liaison mécanique entre le moteur et le coulisseau entraîne l'absence de réduction mécanique, contrairement à une vis à billes. La charge est transférée au moteur dans un rapport de 1:1. Avec une vis à billes, l'inertie de la charge sur le coulisseau est réduite du carré du rapport de réduction. L'entraînement par moteur linéaire est donc moins adapté aux applications à variations de charge fréquentes, à moins de choisir un contrôleur programmable avec différents jeux de paramètres de contrôle moteur correspondant à différentes charges pour une compensation servo efficace.

Pour de nombreuses applications verticales, une vis à billes est plus simple et plus économique : le moteur linéaire doit être alimenté en continu pour compenser la gravité. De plus, un frein électromécanique peut verrouiller la position de la table lorsque l'alimentation est coupée. Vous pouvez toutefois utiliser un moteur linéaire si vous compensez le moteur et la 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, qui comprend le moteur, les accouplements, les roulements, les paliers et la 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 chères.

Il ne suffit pas de prendre en compte le coût initial. Une comparaison plus réaliste inclut les coûts d'entretien, de fiabilité, de durabilité et de remplacement, main-d'œuvre comprise. Le moteur linéaire est ici particulièrement performant.

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