Le choix de la plateforme de mouvement linéaire en granit la plus adaptée à une application donnée dépend de nombreux facteurs et variables. Il est essentiel de comprendre que chaque application possède ses propres exigences, qui doivent être identifiées et hiérarchisées afin de concevoir une solution efficace en matière de plateforme de mouvement.
L'une des solutions les plus répandues consiste à installer des plateformes de positionnement distinctes sur une structure en granit. Une autre solution courante intègre directement les composants constituant les axes de mouvement dans le granit lui-même. Le choix entre une plateforme sur granit et une plateforme de mouvement intégrée au granit (IGM) est l'une des premières décisions à prendre lors du processus de sélection. Il existe des différences notables entre ces deux types de solutions, et chacune présente bien sûr ses propres avantages et inconvénients qu'il convient de bien comprendre et de prendre en compte.
Pour mieux comprendre ce processus de décision, nous évaluons les différences entre deux conceptions fondamentales de plateformes de mouvement linéaire — une solution traditionnelle sur socle en granit et une solution IGM — d'un point de vue à la fois technique et financier, sous la forme d'une étude de cas sur paliers mécaniques.
Arrière-plan
Afin d'explorer les similitudes et les différences entre les systèmes IGM et les systèmes traditionnels de culture sur granit, nous avons généré deux conceptions de cas tests :
- palier mécanique, étage sur granit
- Roulement mécanique, IGM
Dans les deux cas, chaque système comporte trois axes de mouvement. L'axe Y, d'une course de 1000 mm, est situé sur la base de la structure en granit. L'axe X, situé sur le pont de l'ensemble et d'une course de 400 mm, supporte l'axe vertical Z, d'une course de 100 mm. Cette configuration est représentée par un pictogramme.
Pour la conception de la plateforme sur granit, nous avons sélectionné une platine à corps large PRO560LM pour l'axe Y en raison de sa capacité de charge supérieure, courante pour de nombreuses applications de mouvement utilisant cette configuration « pont divisé Y/XZ ». Pour l'axe X, nous avons choisi une PRO280LM, fréquemment utilisée comme axe de pont dans de nombreuses applications. La PRO280LM offre un compromis idéal entre son encombrement et sa capacité à supporter une charge utile sur l'axe Z.
Pour les conceptions IGM, nous avons fidèlement reproduit les concepts et les agencements fondamentaux des axes ci-dessus, la principale différence étant que les axes IGM sont intégrés directement dans la structure en granit et ne comportent donc pas les bases à composants usinés présentes dans les conceptions de scène sur granit.
Dans les deux configurations, l'axe Z est commun et a été choisi comme étant une platine motorisée à vis à billes PRO190SL. Cet axe est très répandu pour une utilisation verticale sur un pont de microscopie grâce à sa capacité de charge élevée et à son format relativement compact.
La figure 2 illustre les systèmes spécifiques de stade sur granite et IGM étudiés.
Comparaison technique
Les systèmes IGM sont conçus à l'aide de diverses techniques et composants similaires à ceux des scènes traditionnelles sur granit. De ce fait, ils partagent de nombreuses propriétés techniques. En revanche, l'intégration directe des axes de mouvement dans la structure du granit confère aux systèmes IGM plusieurs caractéristiques distinctives.
Facteur de forme
La similitude la plus évidente réside peut-être dans les fondations de la machine : le granit. Bien que des différences existent au niveau des caractéristiques et des tolérances entre les modèles à platine sur granit et les modèles IGM, les dimensions globales de la base, des colonnes et du pont en granit sont équivalentes. Ceci s'explique principalement par le fait que les courses nominales et limites sont identiques pour les deux types de modèles.
Construction
L'absence de bases d'axes usinées dans la conception IGM offre certains avantages par rapport aux solutions à platine sur granit. En particulier, la réduction du nombre de composants dans la boucle structurelle de l'IGM contribue à accroître la rigidité globale de l'axe. Elle permet également de réduire la distance entre la base en granit et la surface supérieure du chariot. Dans cette étude de cas, la conception IGM offre une hauteur de surface de travail inférieure de 33 % (80 mm contre 120 mm). Cette hauteur de travail réduite permet non seulement une conception plus compacte, mais elle diminue également les décalages machine entre le moteur, l'encodeur et le point de travail, ce qui réduit les erreurs d'Abbe et améliore ainsi la précision du positionnement du point de travail.
Composants de l'axe
En examinant de plus près la conception, on constate que les solutions sur socle en granit et IGM partagent certains composants clés, tels que les moteurs linéaires et les codeurs de position. Le choix d'un système de force et d'un chemin magnétique communs garantit des capacités de force équivalentes. De même, l'utilisation des mêmes codeurs dans les deux conceptions assure une résolution identique pour le retour d'information de positionnement. Par conséquent, la précision linéaire et la répétabilité sont comparables entre les solutions sur socle en granit et IGM. La disposition similaire des composants, notamment l'écartement et le tolérancement des roulements, permet d'obtenir des performances comparables en termes d'erreurs géométriques (rectiligne horizontale et verticale, tangage, roulis et lacet). Enfin, les éléments de support des deux conceptions, tels que la gestion des câbles, les limiteurs électriques et les butées mécaniques, sont fondamentalement identiques dans leur fonctionnement, même s'ils peuvent présenter de légères différences d'aspect.
Roulements
Pour cette conception particulière, l'une des différences les plus notables réside dans le choix des roulements de guidage linéaire. Bien que les roulements à billes à recirculation soient utilisés aussi bien dans les systèmes à platine sur granit que dans les systèmes IGM, le système IGM permet d'intégrer des roulements plus grands et plus rigides sans augmenter la hauteur de travail de l'axe. Puisque la conception IGM repose sur le granit comme base, contrairement à une base usinée séparée, il est possible de récupérer une partie de l'espace vertical qui serait autrement occupé par une base usinée et de remplir cet espace avec des roulements plus grands, tout en réduisant la hauteur totale du chariot au-dessus du granit.
Rigidité
L'utilisation de roulements de plus grande taille dans la conception IGM a un impact considérable sur la rigidité angulaire. Dans le cas de l'axe inférieur (Y) à corps large, la solution IGM offre une rigidité en roulis supérieure de plus de 40 %, une rigidité en tangage supérieure de 30 % et une rigidité en lacet supérieure de 20 % par rapport à une conception équivalente sur plateforme en granit. De même, le pont de l'IGM offre une rigidité en roulis quatre fois supérieure, une rigidité en tangage deux fois supérieure et une rigidité en lacet supérieure de plus de 30 % par rapport à son homologue sur plateforme en granit. Une rigidité angulaire plus élevée est avantageuse car elle contribue directement à l'amélioration des performances dynamiques, un élément clé pour permettre un débit machine plus important.
Capacité de charge
Les roulements plus larges de la solution IGM permettent une capacité de charge utile nettement supérieure à celle d'une plateforme sur granit. Alors que l'axe de base PRO560LM de la plateforme sur granit supporte une charge de 150 kg, la solution IGM correspondante peut accueillir une charge utile de 300 kg. De même, l'axe de pont PRO280LM de la plateforme sur granit supporte 150 kg, tandis que celui de la solution IGM peut supporter jusqu'à 200 kg.
Masse en mouvement
Bien que les roulements plus grands des axes IGM à paliers mécaniques offrent de meilleures performances angulaires et une capacité de charge supérieure, ils sont également associés à des chariots plus volumineux et plus lourds. De plus, la conception des chariots IGM s'affranchit de certaines usinages nécessaires à un axe sur granit (mais non requis pour un axe IGM), afin d'accroître la rigidité des pièces et de simplifier la fabrication. Ces facteurs impliquent que l'axe IGM possède une masse mobile supérieure à celle d'un axe sur granit équivalent. Un inconvénient majeur réside dans la réduction de l'accélération maximale de l'IGM, à puissance moteur égale. Cependant, dans certaines situations, une masse mobile plus importante peut s'avérer avantageuse, car son inertie accrue offre une meilleure résistance aux perturbations, ce qui peut se traduire par une stabilité de position améliorée.
Dynamique des structures
La rigidité accrue des roulements et la plus grande rigidité du chariot du système IGM offrent des avantages supplémentaires qui se révèlent après une analyse modale réalisée à l'aide d'un logiciel d'analyse par éléments finis (FEA). Dans cette étude, nous avons examiné la première résonance du chariot mobile en raison de son influence sur la bande passante du servomoteur. Le chariot du PRO560LM présente une résonance à 400 Hz, tandis que le chariot IGM correspondant présente le même mode à 430 Hz. La figure 3 illustre ce résultat.
La résonance plus élevée de la solution IGM, comparée à celle des systèmes traditionnels sur socle en granit, s'explique en partie par la conception plus rigide du chariot et des paliers. Cette résonance accrue du chariot permet une plus grande bande passante des servomoteurs et, par conséquent, des performances dynamiques améliorées.
Environnement d'exploitation
L'étanchéité des axes est presque toujours indispensable en présence de contaminants, qu'ils proviennent du processus de l'utilisateur ou de l'environnement de la machine. Les solutions de type platine sur granit sont particulièrement adaptées à ces situations grâce à la conception intrinsèquement fermée de l'axe. Les platines linéaires de la série PRO, par exemple, sont équipées de capots rigides et de joints latéraux qui protègent efficacement les composants internes de la platine contre la contamination. Ces platines peuvent également être configurées avec des racleurs de table optionnels pour éliminer les débris du capot supérieur lors des déplacements. En revanche, les plateformes de mouvement IGM sont par nature ouvertes, les roulements, les moteurs et les codeurs étant exposés. Bien que cela ne pose pas de problème dans les environnements propres, cela peut s'avérer problématique en présence de contamination. Il est possible de remédier à ce problème en intégrant un soufflet spécial dans la conception d'un axe IGM afin de le protéger des débris. Cependant, s'il n'est pas correctement mis en œuvre, le soufflet peut nuire au mouvement de l'axe en exerçant des forces externes sur le chariot lors de ses déplacements sur toute sa course.
Entretien
La facilité d'entretien est un facteur de différenciation entre les plateformes de mouvement sur granit et les plateformes IGM. Les axes à moteur linéaire sont réputés pour leur robustesse, mais la maintenance s'avère parfois nécessaire. Certaines opérations sont relativement simples et peuvent être réalisées sans démontage de l'axe concerné, tandis que d'autres requièrent un démontage plus approfondi. Lorsque la plateforme de mouvement est constituée de platines individuelles montées sur du granit, la maintenance est relativement simple. Il suffit de démonter la platine du granit, d'effectuer la maintenance nécessaire et de la remonter. On peut également la remplacer par une neuve.
Les solutions IGM peuvent parfois présenter des difficultés de maintenance. Si le remplacement d'un seul axe magnétique du moteur linéaire est relativement simple dans ce cas, les opérations de maintenance et de réparation plus complexes impliquent souvent le démontage complet de la plupart, voire de la totalité, des composants de l'axe. Cette opération est plus chronophage lorsque les composants sont fixés directement sur le granit. Le réalignement des axes fixés sur le granit après maintenance est également plus difficile, contrairement à une opération beaucoup plus simple avec des plateaux distincts.
Tableau 1. Un résumé des différences techniques fondamentales entre les solutions à paliers mécaniques sur granit et les solutions IGM.
| Description | Système Stage-on-Granite, palier mécanique | Système IGM, palier mécanique | |||
| Axe de base (Y) | Axe du pont (X) | Axe de base (Y) | Axe du pont (X) | ||
| Rigidité normalisée | Verticale | 1.0 | 1.0 | 1.2 | 1.1 |
| Latéral | 1.5 | ||||
| Pas | 1.3 | 2.0 | |||
| Rouler | 1.4 | 4.1 | |||
| Embardée | 1.2 | 1.3 | |||
| Capacité de charge utile (kg) | 150 | 150 | 300 | 200 | |
| Masse mobile (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Hauteur du plateau (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| étanchéité | Le couvercle rigide et les joints latéraux offrent une protection contre les débris qui pourraient pénétrer dans l'axe. | L'IGM est généralement de conception ouverte. L'étanchéité nécessite l'ajout d'un couvercle de soufflet ou d'un dispositif similaire. | |||
| disponibilité | Les différents étages des composants peuvent être retirés et facilement entretenus ou remplacés. | Les haches sont intrinsèquement liées à la structure du granit, ce qui rend l'entretien plus difficile. | |||
Comparaison économique
Bien que le coût absolu de tout système de mouvement varie en fonction de plusieurs facteurs, notamment la longueur de déplacement, la précision des axes, la capacité de charge et les capacités dynamiques, les comparaisons relatives des systèmes de mouvement analogues IGM et sur plateforme en granit effectuées dans cette étude suggèrent que les solutions IGM sont capables d'offrir un mouvement de précision moyenne à élevée à des coûts modérément inférieurs à ceux de leurs homologues sur plateforme en granit.
Notre étude économique comprend trois composantes de coûts fondamentales : les pièces de machines (y compris les pièces fabriquées et les composants achetés), l’assemblage du granit et la main-d’œuvre et les frais généraux.
Pièces de machines
Une solution IGM permet de réaliser des économies substantielles par rapport à une solution sur table en granit, notamment en ce qui concerne les pièces mécaniques. Ceci s'explique principalement par l'absence, dans le système IGM, de bases de table usinées avec précision sur les axes X et Y, qui complexifient et renchérissent les solutions sur table en granit. De plus, les économies sont attribuables à la simplification relative d'autres pièces usinées dans la solution IGM, telles que les chariots mobiles, qui peuvent présenter des caractéristiques plus simples et des tolérances moins strictes lorsqu'ils sont conçus pour un système IGM.
Assemblages de granit
Bien que les ensembles base-colonne-pont en granit des systèmes IGM et platine sur granit présentent une forme et un aspect similaires, l'ensemble en granit de l'IGM est légèrement plus cher. Ceci s'explique par le fait que le granit, dans la solution IGM, remplace les bases de platine usinées de la solution platine sur granit. De ce fait, le granit doit présenter des tolérances généralement plus strictes dans les zones critiques, et même comporter des caractéristiques supplémentaires, telles que des découpes extrudées et/ou des inserts filetés en acier. Cependant, dans notre étude de cas, la complexité accrue de la structure en granit est largement compensée par la simplification des pièces usinées.
Main-d'œuvre et frais généraux
En raison des nombreuses similitudes dans l'assemblage et les tests des systèmes IGM et sur granit, il n'y a pas de différence significative en termes de coûts de main-d'œuvre et de frais généraux.
Une fois tous ces facteurs de coût combinés, la solution IGM à paliers mécaniques spécifique examinée dans cette étude est environ 15 % moins coûteuse que la solution à paliers mécaniques sur dalle de granit.
Bien entendu, les résultats de l'analyse économique dépendent non seulement de caractéristiques telles que la longueur de déplacement, la précision et la capacité de charge, mais aussi de facteurs comme le choix du fournisseur de granit. De plus, il est judicieux de prendre en compte les coûts d'expédition et de logistique liés à l'acquisition d'une structure en granit. Particulièrement avantageux pour les systèmes en granit de très grande envergure, mais valable pour toutes les tailles, le choix d'un fournisseur de granit qualifié, situé à proximité du lieu d'assemblage final, peut également contribuer à minimiser les coûts.
Il convient également de noter que cette analyse ne prend pas en compte les coûts postérieurs à la mise en œuvre. Par exemple, supposons qu'il soit nécessaire d'effectuer la maintenance du système de mouvement en réparant ou en remplaçant un axe. Un système sur socle en granit peut être entretenu par simple démontage et réparation/remplacement de l'axe concerné. Grâce à la conception plus modulaire de ce type de système, l'opération est relativement facile et rapide, malgré un coût initial plus élevé. Bien que les systèmes IGM soient généralement moins coûteux que leurs homologues sur socle en granit, leur démontage et leur maintenance peuvent s'avérer plus complexes en raison de leur construction intégrée.
Conclusion
Chaque type de plateforme de mouvement — sur socle granité ou IGM — présente des avantages distincts. Toutefois, le choix de la solution idéale pour une application donnée n'est pas toujours évident. C'est pourquoi il est fortement conseillé de collaborer avec un fournisseur expérimenté de systèmes de mouvement et d'automatisation, tel qu'Aerotech, qui propose une approche consultative et axée sur l'application pour explorer et fournir des solutions alternatives pertinentes aux applications complexes de contrôle et d'automatisation de mouvement. Comprendre non seulement la différence entre ces deux types de solutions d'automatisation, mais aussi les aspects fondamentaux des problèmes qu'elles doivent résoudre, est essentiel pour choisir un système de mouvement répondant aux objectifs techniques et financiers du projet.
De la part d'AEROTECH.
Date de publication : 31 décembre 2021