20 moteurs linéaires, principes version 06/2001 siemens ag 1999. all rights reserved. © siemens...
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Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001
Siemens AG 1999. All rights reserved.©
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Moteurs Linéaires1FN1 / 1FN3
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Les Moteurs Linéaires C’est Quoi ?
Différents types de moteur linéaire...
Types
- Synchrone
- Asynchrone
- Courant Continu
- Réluctance
Types
- Synchrone
- Asynchrone
- Courant Continu
- Réluctance
Montages
- primaire plus petit que secondaire)
- secondaire plus petitque primaire
Montages
- primaire plus petit que secondaire)
- secondaire plus petitque primaire
constructions
- solénoïde
- Simple face
- double face
constructions
- solénoïde
- Simple face
- double face
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Qu‘apportent les Moteurs linéaires ?
Précision grâce à : • A la mesure directe des
mouvements• A une grande réactivité
Dynamique grâce à : • De grandes vitesses et de
fortes accélérations
Montage et maintenanceMaintenance grâce à :• Moteurs sans pièces
d‘usures
Montage simplifié grâce à :• Réduction des composants
mécaniques• Bonne tolérance de montage
Flexibilité grâce à : • Pas de limite théorique de
longueur• Moteurs modulaires• Toutes géométrie d’axes
Précision et Dynamique Flexibilité
Production
PrécisionFlexibilité Montage et maintenance
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Les domaines d’application
Machine Outil • Centre d‘usinage • Tour• Rectifieuse• Poinçonnage grignotage• Machine UGV (HSC)• Laser• etc.
Machine Outil • Centre d‘usinage • Tour• Rectifieuse• Poinçonnage grignotage• Machine UGV (HSC)• Laser• etc.
Application de mécaniquegénérale• Machine de collage• Perçage et fraisage des circuits imprimés • Mesure• Machine de process pour le papier, plastique, bois, verre• etc.
Application de mécaniquegénérale• Machine de collage• Perçage et fraisage des circuits imprimés • Mesure• Machine de process pour le papier, plastique, bois, verre• etc.
Automatisation
• Manutention• Report de composants • Emballage• Machine de test• Impression• etc.
Automatisation
• Manutention• Report de composants • Emballage• Machine de test• Impression• etc.
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Comparaisons:Moteur Linéaire / Vis à Bille + Moteur Rotatif
*La combinaison de certaine valeur maximum n’est pas possible.
Moteur LinéaireVis à Billes
(h=10mm)
*Force maximum <20 000 N (par moteur) <240 000 N
*Accélération max. <320m/s2 <15m/s2
*Vitesse maximum <830m/min <80m/min
*Longueur maximum <50m <6m
<
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Caractéristiques des Moteurs Linéairesen Comparaison des systèmes vis à billes
Pas de démultiplication de la poussée possible
Pas de réducteur de vitesse Dans la plupart des cas un
refroidissement par eau est nécessaire La rigidité de l’axe ne dépend plus que
de la qualité des boucles de régulations Source de chaleur à l’intérieur de la
machine
Avantages Inconvénients Seule l’inertie de l’axe est à prendre en
compte, il est possible d’obtenir de forte accélération
Pas de restriction concernant la vitesse et la longueur des axes
Mécanique simplifiée, plus rigide et plus fidèle
Augmentation des gains des régulations Annulation de l’écart de poursuite Augmentation de la précision au contour
Suppression d’éléments mécaniques Axes plus légers et plus rigides Axes fiables, Moins de maintenance
Plus grande précision de la machine grâce aux règles de mesures
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Augmenter et Distribuer la Poussée en Utilisant Plusieurs Moteurs Linéaires pour un AxeExemple : 6 x 1FN3900-4WC00 = 6 x 20 700 N = 124 200 N de poussée
Les avantages procurés par l’utilisation de plusieurs moteurs pour un seul axe
Augmentation de la poussée maximum
Les élasticités mécaniques peuvent être compensées (gantry)
Meilleure répartition des forces de poussée dans la structure mécanique
Plus de liberté pour la conception de la machine (moteur plus petit, compensation des forces d'attraction magnétique)
Quels sont les différents types de couplage possible ? Plusieurs Moteurs Raccordés Sur Un Seul Variateur
Fonctionnement en Gantry
Fonctionnement en Maître/Esclave
Combinaison des différents principes
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Plusieurs Moteurs Raccordés Sur Un Seul Variateur
Montage mécanique en série ou en parallèle de moteurs identiques
Une liaison rigide entre les moteurs est nécessaire
Une seule règle est nécessaire La distance entre moteur est
un entier du pas polaire Les primaires moteur sont
connectés en parallèle sur le variateur
Les capteurs de température sont câblés en série sur le variateur
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
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N
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N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
Montage en séries Montage en parallèle
p
d
2n +d
p2n
règle
secondaire
primaire
p
Paspolaire
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Fonctionnement en Gantry
Plusieurs règles de mesure et variateurs sont nécessaires
La liaison mécanique entre les moteurs ne doit pas être rigide
Toutes les fonctions habituelles des axes en gantry sont disponibles
Deux règles sont nécessaires, ainsi que deux variateurs
La distance entre moteur est un entier du pas polaire
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
primaire
d
2n +d
secondaire
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Fonctionnement en Maître/Esclave, Principe de fonctionnement
Bus variateur 64MBit/s
Boucle devitesse
Boucle deposition
Consigne deposition
Boucle decourant
Moteurs linéaire
CNC 611DMoteur et
règle
Règle linéaire
Mesure de position
1-k
k
Maître
Esclave
Equilibrage
Pré-contrainte
Coefficient de couplage
Référence de vitesse
Règle linéaireRéférence de vitesse
Mesure de position
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Source de chaleur à l’intérieur de la machine ?
Isolation thermique du moteur par Thermo Sandwich® (principe breveté)
Circuit de refroidissement de précision
Circuit de refroidissement de puissance
Therm
o iso
lati
on
Deux circuits derefroidissementindépendants
10 K
0 K
Température au contact du moteur
T < 2Kmax
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Sans Isolation Thermique
Ort
Incr
ea
se o
f te
mp
era
ture
vs.
tem
per
atu
re o
f co
olin
g m
ed
ia
10 K
0 K
Refroidisseur de précision
Température sur la surface du moteur
Pas
de b
arr
iére
therm
ique
Sans isolation thermiqueRefroidissement uniquementPar la plaque moteur
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Répartition typique pour les moteurs 1FN1 et 1FN3(Thermo-Sandwich ®)
T maximum 2 °CT maximum 2 °C
Refroidisseur de précisionca. 9%
Refroidisseur de précisionca. 9%
Refroidisseur de puissanceca. 85%Température d’entrée 35°C
Refroidisseur de puissanceca. 85%Température d’entrée 35°C
SecondaireRefroidisseur de précisionca. 6%
SecondaireRefroidisseur de précisionca. 6%
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Branchement des circuits de refroidissement
Les deux circuits de refroidissement (de précision et de puissance) permettent une grande souplesse dans la réalisation du circuit de refroidissement
2K d’élévation de température maximum avec le circuit de précision
Faible puissance nécessaire pour celui-ci (~10%)
Large plage de température (20°C à 35°C) pour l’entrée d’eau du circuit de puissance
Pression maximum, 10 bar pour chaque circuit
Montage rapide par connecteurs hydrauliques
Mise en série pourplusieurs moteurs
Mise en série du circuit de refroidissement de précisionet de puissance
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Rigidité des Axes à Moteurs Linéaires
Grâce à la mesure de position directe la rigidité statique de ce type d’axes est excellente, elle dépend principalement de la boucle de position (kv)
la rigidité dynamique dépend de la rapidité des boucles de commandes
la rigidité dynamique est compensée par une grande dynamique de la boucle de régulation de vitesse(kp, TN, les masses en mouvement influence le kp)
delta x
1/dyn. Rigidité dynamique sdyn
1/ Rigidité statique sst
L’écart maximum dépendde la boucle vitesse
L’amortissement dépendde la boucle de position
Le gradient dépendde l’inertie et de la force
appliquée
s kT
k
kN
m sT s k
sv
dyn pN
v
p N in ; in ; in
1
1
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La rigidité de l’axe ne dépend plus que de la qualité des boucles de régulations ?Le choix de l’ensemble digital SINUMERIK 840D et SIMODRIVE 611D
Commutation précise des phases moteur grâce aux signaux de la règle
Evaluation de la vitesse par interpolation (2048 X) des signaux de la règle
Fréquence d ’échantillonnage très rapide des boucle de courant et de vitesse, large bande passante de ces régulations pour obtenir une bonne rigidité
synchronisation exacte de tous les éléments digitaux par le bus entraînement afin d'éviter les erreurs dynamiques de contour
(10s d'erreur de synchronisation engendre une erreur de 2.5m à 30m/min.)
Système flexible pour tout type de moteurs, possibilité de filtres numériques sur les différentes boucles de régulation
Fonction de mise en service et d’optimisation intégrée (générateur de fonction, fonction oscilloscope, analyse en FFT, CNA, aide en ligne)
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Résumé sur la rigidité
Rigidité statique
A l’aide du coefficient intégral du régulateur de vitesse (coefficient Tn) et du système
de mesure direct il est possible d ’atteindre une rigidité statique importante
(> 1000N/µm)
Rigidité dynamique
La rigidité dynamique d ’un entraînement direct est essentiellement influencée par :
la masse du mobile
la dynamique du régulateur de l’entraînement, donc par les coefficients Kv et Kp
Pour obtenir une rigidité maximale il est important de maximiser la dynamique de la
boucle de régulation. En règle générale, ces limites sont fixées par la fréquence de
résonance du bâtit machine.
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Comparaison: Moteurs Linéaires Synchrones et Asynchrones
Moteur synchrone Moteur asynchrone
Poussée Le rapport poids / poussée et de 50 à 100%plus important
Le courant magnétisant doit être fourni par levariateur (30% de In)
Echauffement Le secondaire est faiblement échauffé Le secondaire est fortement échauffé par lecourant magnétisant
Contrôle du moteur Une évaluation absolu de la position despôles magnétiques est nécessaire à la misesous tension
Seule une évaluation relative est nécessaireà la mise sous tension
Force d'attraction Force d'attraction constante (précautions demontage, mais machine fidèle)
Force d'attraction variable (fidélité machine ?)
Algorithmes derégulations
Algorithmes simples, permettants unéchantillonnage plus rapide
Algorithmes complexes (contrôle de fluxvectoriel en boucle fermé)
Effets perturbateurs Couplages magnétiques simples àcompenser
Diminution de la poussée disponible àgrande vitesse du faite des couplagesmagnétiques
Prix Eléments secondaires en terres rares pluschers, en partie compensé par un primaire etun variateur plus petit
Eléments secondaires simples, avantageuxpour les axes de grande longueur
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Principes de base des moteurs linéaires 1FN1 / 1FN3
Les moteurs SIMODRIVE 1FN1 / 1FN3 sont des moteurs triphasés synchrone à aimants permanents
Les moteurs sont livrés sous la forme de :
Un primaire triphasé et son système de refroidissement (l’équivalent du stator moteur).
Un secondaire à aimants permanents (l’équivalent du rotor). Plusieurs secondaires sont nécessaires en fonction de la longueur de l’axe.
Le constructeur de la machine complétera la fourniture par des guidages linéaires et une règle de mesure linéaire.
En principe le primaire est fixé sur la partie mobile de l’axe. Pour les axes de faible longueur l’inverse est admis.
secondaire
primaireAimants(alternativementpôle Nord et pôle Sud)
Sens du mouvement
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Schéma de principe:Exemple de configuration Moteurs linéaires 1FN
Secondaires
Capteur à effet hall(optionl)
Primaire Chaîne porte câble
CN
Sinumerik 840D
Variateur
Simodrive611 U
boîtier de connexions
refroidisseur(option)
Variateur
Simodrive611 D
Profibus
Règle de mesure
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Préconisations pour la règle de mesure
Les signaux de règle ne servent pas uniquement à la mesure de position de l’axe, mais sont essentiels à la détermination de la vitesse du moteur et aux commutations des phases du moteur
Une règle avec une bonne résolution, signaux analogiques sinusoïdaux, est nécessaire pour permettre une bonne évaluation de la vitesse de l’axe
Elle doit être compatible avec les vitesses et accélérations de l’axe
Le montage du curseur de la règle doit être rigide
Elle doit être installée de façon rigide sur la machine
Pour les moteurs synchrones une mesure de la position des pôles magnétiques est nécessaire à la mise sous tension
Avec une règle incrémentale on utilisera l’identification automatique des pôles ou un capteur à effet hall (moteur 1FN3)
Avec les règles absolues le calage est fait une fois pour toutes
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Règles compatibles
Règle absolue Heidenhain protocole EnDat (LC181, jusqu’à 3040mm de longueur)
Règles incrémentales Signaux analogiques 1Vcc
A un ou plusieurs tops zéro codés
Position des pôles magnétiques par capteur à effet
Position des pôles magnétiques par identification automatique
Grande longueur possible
Très large choix (Heidenhain, Zeiss, Renishaw, Optodyne, AMO) optique, magnétique, etc.
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Règles Heidenhain type
type LS486 LS186 LC181 LIDA185
construction fermée fermée fermée ouverte
division 20m 20m 16m 40m
Signaux sin/cos,1Vcc
incrementaux
sin/cos,1Vcc
incrementaux
sin/cos,1Vcc
absolus
sin/cos,1Vcc
Incrementaux
Acc. max. 50m/s2 100m/s2 50m/s2 100m/s2
Vitesse max. 120m/min 120m/min 120m/min 480m/min
Long. max. 2040mm 3040mm 3040mm 30040mm
Rigidité 0,07m/g 0,1m/g 0,05m/g -------
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Recommandations pour la conception de la machine
Du fait de la grande dynamique des moteurs linéaires les élasticités de la machine doivent être étudiées avec le plus grand soin
Particulièrement le montage de la règle et la réalisation des fondations de la machine
Avoir un petit rapport masse en mouvement / masse fixe
Rigidifiez autant que possible les montages mécaniques
De façon idéale travaillez par éléments finis, calculez et simulez la machine
Bâti machine
Axe machine
Règle de mesureMasseMoteur linéaire Codeur
Masse
Vis à bille
Moteur
Accouplement
Bâti machine
Entraînement moteur linéaire Entraînement vis à bille
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Exemple: Centre d’Usinage 3 Axes à Moteur Linéaires
Test de circularité entre X et Y avec R=100mm, F=30m/min 2µm max. de déviation
Axe X:1800kg, 2 Moteurs, 10600N de poussé chacun en Gantry
Axe Y:850kg, 4 Moteurs, 3450N de poussé chacun en parallèle
Axe Z:380kg, 1 Moteur, 7920N
Règles absolues
Vitesse maximum 120m/min
kv = 30m/min/mm pour tout les axes