Servomoteur à entraînement direct pour une manutention de précision : pourquoi l’élimination du jeu est essentielle pour les applications de prélèvement et de placement de haute précision

TL;DR

Les systèmes d'automatisation de prélèvement et de placement utilisés dans l'assemblage électronique, le conditionnement pharmaceutique et la manutention de précision exigent une répétabilité de positionnement de 10 à 50 microns à des cadences de 60 à 120 prélèvements par minute. Les servomoteurs à engrenages traditionnels introduisent un jeu dans la transmission (généralement de 3 à 10 minutes d'arc pour les réducteurs planétaires et de 1 à 3 minutes d'arc pour les réducteurs harmoniques), ce qui limite la précision de positionnement et crée une incertitude qui doit être compensée par des routines de correction logicielle. Servomoteur à entraînement directLes servomoteurs à entraînement direct éliminent totalement le réducteur en couplant directement le rotor du moteur à l'axe de charge, transmettant le couple par une liaison magnétique sans jeu plutôt que par des engrenages mécaniques. Cet article présente une comparaison technique des performances des servomoteurs à entraînement direct et à engrenages dans les applications de prélèvement et de placement, incluant une comparaison de la densité de couple, de la capacité d'accélération, des exigences de résolution de l'encodeur pour un positionnement au micron près, des considérations de gestion thermique pour un fonctionnement continu à haute vitesse et une méthodologie de sélection basée sur la masse de la charge utile, la cadence de cycle et les exigences de précision de positionnement. Les données comparatives proviennent de la gamme de moteurs à entraînement direct de Vicks Servo, utilisés dans les machines de placement de composants électroniques et les systèmes automatisés d'emballage pharmaceutique.

Le problème du jeu dans les systèmes servo à engrenages

Dans une machine de placement de composants typique, Entraînement du servomoteurLa tête de positionnement est entraînée par un réducteur — soit un réducteur planétaire sur l'axe de rotation, soit un réducteur harmonique sur les articulations du bras. Ce réducteur remplit deux fonctions : la multiplication du couple pour déplacer la charge et l'adaptation de l'inertie entre le rotor du moteur et la charge. En contrepartie, un jeu mécanique apparaît : l'espace entre les dents des engrenages crée une zone morte dans la transmission où le moteur peut tourner sans que la charge ne se déplace.

Réducteurs planétairesLes vis de précision, les plus courantes dans les applications d'automatisation, présentent un jeu typique de 3 à 10 minutes d'arc (0,05 à 0,17 degré) pour les modèles à un étage et de 8 à 15 minutes d'arc pour les modèles à deux étages. À l'extrémité d'un bras de prélèvement et de placement d'un rayon de 300 mm, un jeu de 5 minutes d'arc correspond à une incertitude de position d'environ 0,4 mm au centre de l'outil. Pour les applications de prélèvement et de placement de composants électroniques avec un pas de 0,4 à 1,0 mm, ce jeu est particulièrement important.espacement des conducteurs, ce jeu est trop important pour permettre un positionnement fiable sans routines de stabilisation lentes ou sans correction de position basée sur la vision.

Les réducteurs harmoniques réduisent le jeu à 1-3 minutes d'arc (environ 0,1-0,3 mm à un rayon de 300 mm), mais à un coût nettement plus élevé et avec un rendement mécanique inférieur (60-75 % contre 85-95 % pour les réducteurs classiques). Réducteurs planétairesLe réducteur harmonique introduit également une souplesse torsionnelle (enroulement) qui engendre des erreurs de positionnement supplémentaires sous différentes conditions de charge. Les deux types de réducteurs nécessitent une lubrification et un remplacement des joints périodiques, ce qui alourdit la maintenance en fonctionnement continu.

Le problème de jeu n'est pas éliminé par le réglage du servomoteur ni par la résolution de l'encodeur. Un encodeur haute résolution sur l'arbre moteur (20 bits ou plus) peut résoudre la position de l'arbre moteur à 0,001 degré près, mais cette résolution est inutile pour le positionnement de la charge si le réducteur introduit un jeu de 3 à 10 minutes d'arc entre la position de l'encodeur et la position réelle de la charge. Le jeu du réducteur crée une zone morte de positionnement. Contrôleur de servo Il est impossible de mesurer ou de corriger cette erreur car le codeur moteur est situé côté entrée du réducteur, et non côté sortie. La seule solution pour éliminer ce défaut de positionnement est de déplacer le codeur côté charge du réducteur, ou de supprimer complètement le réducteur grâce à une transmission directe.

Conception et caractéristiques de performance des servomoteurs à entraînement direct

Un servomoteur à entraînement direct élimine le réducteur grâce à une conception de moteur à couple élevé et à basse vitesse, dont le rotor est directement couplé à l'axe de charge. Le couple du moteur est transmis par le champ magnétique entre les aimants permanents du rotor et les enroulements du stator — une liaison sans jeu qui répond instantanément aux commandes de position, sans la zone morte des engrenages mécaniques. La précision de positionnement est uniquement limitée par la résolution de l'encodeur et la rigidité structurelle du système de roulements du moteur, et non par le jeu de transmission.

Le paramètre de performance clé des moteurs à entraînement direct dans les applications de prélèvement et de placement est le rapport couple/inertie. Ces moteurs doivent produire un couple suffisant pour accélérer directement la charge, sans multiplication par un réducteur. Un moteur à entraînement direct pour une charge utile de 5 kg à un rayon de 300 mm — typique des applications de prélèvement et de placement de taille moyenne — requiert un couple continu de 15 à 25 Nm et un couple de pointe de 40 à 70 Nm. NmL'inertie du rotor du moteur est typiquement de 0,005 à 0,020 kg·m² pour cette plage de couple, ce qui se traduit par une constante de temps mécanique (temps nécessaire pour atteindre 63 % de la vitesse maximale) de 5 à 15 millisecondes. Cette constante de temps est comparable, voire plus rapide, que celle d'un servomoteur à engrenages planétaires, car l'inertie et la souplesse de la boîte de vitesses sont éliminées du système dynamique.

La capacité d'accélération des moteurs à entraînement direct est limitée par leur couple maximal et l'inertie totale de la charge (rotor + charge). Pour une charge utile de 5 kg et un rayon de 300 mm, l'inertie de la charge est d'environ 0,45 kg·m². Un moteur à entraînement direct avec un couple maximal de 60 Nm peut atteindre une accélération angulaire de 125 rad/s², ce qui correspond à une accélération linéaire de 37,5 m/s² (3,8 g) au centre de l'outil. Ce niveau d'accélération est suffisant pour des cadences de 80 à 120 prises par minute dans les applications d'assemblage électronique. gamme de servomoteurs comprend des modèles à entraînement direct couvrant un couple continu de 3 Nm à 200 Nm pour différentes tailles de charge utile de prélèvement et de placement.

Résolution de l'encodeur et précision de positionnement

Dans un système à entraînement direct, la résolution de l'encodeur détermine directement la précision de positionnement, car l'encodeur mesure directement la position de la charge ; aucun réducteur n'intervient entre l'encodeur et la charge. Pour les applications de prélèvement et de placement nécessitant une répétabilité de ±10 microns au centre de l'outil sur un bras de 300 mm de rayon, la résolution angulaire requise sur l'axe de rotation est calculée à l'aide de la formule de la longueur d'arc : résolution angulaire = résolution linéaire / rayon du bras. Pour ±10 microns à 300 mm : résolution angulaire = 0,010 mm / 300 mm = 0,0000333 radians = 0,00191 degré = environ 6,9 secondes d'arc. Cette résolution angulaire requiert un encodeur avec une plage de mouvements d'au moins 360 degrés / 0,00191 degré par impulsion = environ 188 335 impulsions par tour, ce qui équivaut à une résolution de 18 bits (262 144 impulsions par tour) avec marge.

Les servomoteurs Vicks à entraînement direct sont équipés en standard d'encodeurs absolus 23 bits (8 388 608 impulsions par tour), offrant une résolution angulaire de 0,000043 degré (0,15 seconde d'arc), soit environ 12 fois plus fine que la résolution requise pour un positionnement de ±10 microns à un rayon de 300 mm. Au centre de l'outil, cette résolution d'encodeur correspond à une résolution de position théorique d'environ 0,2 micron, largement inférieure à la limite de répétabilité mécanique imposée par le jeu des roulements, la dilatation thermique et la flexibilité structurelle de la tête de placement. La position absolue de l'encodeur est disponible immédiatement à la mise sous tension, sans procédure de mise à l'origine, ce qui réduit le temps de démarrage de la machine en production.

La fréquence de retour de l'encodeur est un autre paramètre critique pour les applications de prélèvement et de placement. À une cadence de 100 prélèvements par minute, avec un temps de déplacement et d'établissement de 300 millisecondes par prélèvement, le servocontrôleur doit traiter le retour de position et générer des commandes de courant à une fréquence de boucle de 4 à 8 kHz afin de maintenir la précision de trajectoire requise. Nos moteurs à entraînement direct s'intègrent à des servovariateurs prenant en charge une fréquence de mise à jour de la boucle de courant de 8 kHz et une fréquence de mise à jour de la boucle de position de 4 kHz, offrant une bande passante suffisante pour les profils de mouvement à haute vitesse et à course courte caractéristiques des applications de prélèvement et de placement. gamme de servomoteurs est conçu avec la commande de courant à large bande passante requise pour le fonctionnement du moteur à entraînement direct.

Gestion thermique en fonctionnement continu à haute vitesse

Dans les applications de prélèvement et de placement, les moteurs à entraînement direct sont confrontés à un défi thermique que les servomoteurs à engrenages ne rencontrent pas. Dans un système à engrenages, le réducteur multiplie le couple, permettant au moteur de fonctionner à une vitesse supérieure et un couple inférieur à celui requis par la charge. La taille réduite du moteur dissipe la chaleur sur une surface plus petite, mais le rendement inférieur du réducteur génère une chaleur supplémentaire lors de la réduction. Dans un système à entraînement direct, le moteur fonctionne à la vitesse de la charge et doit fournir directement le couple de charge, ce qui implique une taille de moteur plus importante et une densité de courant plus élevée dans les enroulements au couple maximal.

La gestion thermique des moteurs à entraînement direct est assurée par trois caractéristiques de conceptionPremièrement, l'isolation des enroulements du stator est généralement de classe H (fonctionnement continu jusqu'à 180 °C) ou de classe N (fonctionnement continu jusqu'à 200 °C), ce qui permet une densité de courant plus élevée sans dégradation de l'isolation. Deuxièmement, le bâti du moteur intègre un canal de refroidissement par eau : une rainure en spirale usinée dans le carter du stator assure la circulation d'eau à un débit de 5 à 15 litres par minute afin d'évacuer la chaleur des enroulements. Ce système de refroidissement par eau réduit la résistance thermique du moteur de 40 à 60 % par rapport à un refroidissement par convection naturelle, permettant ainsi d'obtenir un couple continu 2 à 3 fois supérieur pour un bâti de même taille. Troisièmement, les aimants permanents du rotor sont conçus pour fonctionner jusqu'à 150 °C sans démagnétisation ; il s'agit généralement d'aimants samarium-cobalt (SmCo) ou néodyme-fer-bore (NdFeB) haute température.

Dans une application de prélèvement et de placement typique fonctionnant à 100 cycles par minute avec un facteur de marche de 50 % (temps de déplacement égal au temps de stabilisation), la dissipation de puissance du moteur est d'environ 200 à 500 watts pour un moteur à entraînement direct de milieu de gamme avec un couple continu de 20 Nm. Avec un refroidissement par eau de 8 litres par minute et une température d'eau d'entrée de 20 °C, la température du carter moteur se stabilise entre 55 et 70 °C, largement inférieure aux limites de la classe d'isolation. Pour les applications où le refroidissement par eau n'est pas disponible, le couple continu nominal du moteur doit être réduit de 30 à 50 %, et la fréquence de cycle peut devoir être diminuée pour éviter une surcharge thermique. Pour les applications refroidies par air, notre machine intégrée à entraînement direct Cette série comprend des modèles dotés de boîtiers à ailettes optimisés pour un refroidissement par convection naturelle.

Méthodologie de dimensionnement spécifique à l'application

Le choix du servomoteur à entraînement direct adapté à une application de prélèvement et de placement nécessite le calcul de quatre paramètres : le couple maximal requis, le couple continu requis, l’accélération angulaire maximale et le cycle de service thermique. Le dimensionnement commence par la spécification de la charge : masse de la charge utile, longueur du bras (rayon entre l’axe de rotation et le centre de l’outil), précision de placement requise et fréquence de cycle.

Le couple maximal requis est principalement déterminé par le couple d'accélération lors de la phase de déplacement du cycle de prélèvement et de placement. Pour un déplacement point à point avec un profil de vitesse trapézoïdal (le plus courant en prélèvement et placement), le couple d'accélération est calculé par la formule T_acc = (J_total × ω_peak) / t_acc, où J_total représente l'inertie totale réfléchie (inertie de la charge + inertie du rotor du moteur), ω_peak la vitesse angulaire maximale et t_acc le temps d'accélération. Pour un cycle de prélèvement et de placement typique avec un bras de 300 mm, une charge utile de 3 kg et une cadence cible de 80 prélèvements par minute, le couple maximal est d'environ 40 à 55 Nm. Il est donc nécessaire d'utiliser un moteur à entraînement direct avec un couple maximal de 60 à 80 Nm afin de garantir une marge de couple de 15 à 30 % pour les variations de trajectoire.

Le couple continu requis est calculé à partir du couple efficace (RMS) sur l'ensemble du cycle de prélèvement et de placement, incluant les phases d'accélération, de vitesse constante, de décélération et de stabilisation. La phase de stabilisation, d'une durée typique de 30 à 50 millisecondes pour un positionnement à ±10 microns près, contribue de façon minime au couple moyen, mais allonge la durée du cycle. Le couple efficace (RMS) pour un exemple de 80 prélèvements par minute est d'environ 12 à 18 Nm, ce qui nécessite un moteur avec un couple continu nominal de 15 à 25 Nm à une vitesse de fonctionnement de 100 à 300 tr/min. Le rapport entre le couple de pointe et le couple continu (facteur de surcharge de couple) pour les moteurs à entraînement direct est généralement de 3:1 à 5:1, contre 2:1 à 3:1 pour les servomoteurs à engrenages. Ceci s'explique par la constante de temps thermique plus longue du moteur à entraînement direct (15 à 30 minutes contre 5 à 10 minutes pour les servomoteurs à engrenages) due à la masse plus importante du rotor.

Pour les applications avec des charges utiles supérieures à 10 kg ou des longueurs de bras supérieures à 500 mm, un moteur à entraînement direct de plus grande taille et à couple plus élevé est nécessaire. Une alternative consiste à utiliser un moteur couple : un moteur à entraînement direct de grand diamètre et de forme plate, optimisé pour un couple élevé à basse vitesse. Les moteurs couple fournissent un couple continu de 100 à 2 000 Nm à des vitesses de 10 à 200 tr/min, ce qui convient aux applications de prélèvement et de placement de charges lourdes, telles que la manipulation de circuits imprimés grand format ou le placement de flacons pharmaceutiques. page produit d'automatisation industrielle comprend des conseils de sélection pour les applications de moteurs à entraînement direct et à couple pour différentes plages de charge utile et de précision.

Foire aux questions

Vicks Servo Intelligent Equipment (Ningbo) Co., Ltd. fabrique des servomoteurs à entraînement direct, des servovariateurs et des solutions de contrôle de mouvement pour l'automatisation industrielle, le moulage par injection et les applications de fabrication de précision. Pour obtenir des conseils sur le dimensionnement des moteurs pour des applications de prélèvement et de placement spécifiques, visitez notre site web. catalogue de produits ou page sur les servomoteurs pour les spécifications techniques.