Le choix de la plateforme de mouvement linéaire en granit la mieux adaptée à une application donnée dépend de nombreux facteurs et variables. Il est essentiel de reconnaître que chaque application possède des exigences spécifiques, qu'il est essentiel de comprendre et de prioriser afin de trouver une solution efficace en matière de plateforme de mouvement.
L'une des solutions les plus répandues consiste à monter des platines de positionnement discrètes sur une structure en granit. Une autre solution courante consiste à intégrer les composants des axes de mouvement directement dans le granit lui-même. Le choix entre une platine sur granit et une plateforme de mouvement intégré au granit (IGM) est l'une des premières décisions à prendre lors du processus de sélection. Il existe des distinctions claires entre ces deux types de solutions, et chacune présente bien sûr ses propres avantages – et ses propres limites – qui doivent être soigneusement compris et pris en compte.
Pour offrir un meilleur aperçu de ce processus de prise de décision, nous évaluons les différences entre deux conceptions fondamentales de plates-formes de mouvement linéaire — une solution traditionnelle de scène sur granit et une solution IGM — d'un point de vue technique et financier sous la forme d'une étude de cas de roulement mécanique.
Arrière-plan
Pour explorer les similitudes et les différences entre les systèmes IGM et les systèmes traditionnels de scène sur granit, nous avons généré deux modèles de cas de test :
- Palier mécanique, étage sur granit
- Roulement mécanique, IGM
Dans les deux cas, chaque système est composé de trois axes de mouvement. L'axe Y, situé à la base de la structure en granit, offre une course de 1 000 mm. L'axe X, situé sur le pont de l'assemblage avec une course de 400 mm, porte l'axe Z vertical avec une course de 100 mm. Cette disposition est représentée par un pictogramme.
Pour la conception de la platine sur granit, nous avons sélectionné une platine large PRO560LM pour l'axe Y en raison de sa capacité de charge supérieure, courante dans de nombreuses applications de mouvement utilisant cette configuration « pont divisé Y/XZ ». Pour l'axe X, nous avons opté pour une platine PRO280LM, couramment utilisée comme axe pont dans de nombreuses applications. La PRO280LM offre un équilibre pratique entre son encombrement et sa capacité à accueillir un axe Z avec la charge utile du client.
Pour les conceptions IGM, nous avons reproduit fidèlement les concepts de conception fondamentaux et les dispositions des axes ci-dessus, la principale différence étant que les axes IGM sont intégrés directement dans la structure en granit et ne disposent donc pas des bases de composants usinés présentes dans les conceptions sur scène en granit.
L'axe Z, commun aux deux conceptions, a été choisi pour être une platine à vis à billes PRO190SL. Cet axe est très utilisé en orientation verticale sur un pont en raison de sa capacité de charge utile généreuse et de son format relativement compact.
La figure 2 illustre les systèmes spécifiques de scène sur granit et d’IGM étudiés.
Comparaison technique
Les systèmes IGM sont conçus à l'aide de diverses techniques et composants similaires à ceux des systèmes traditionnels à étages sur granit. De ce fait, ils partagent de nombreuses propriétés techniques. À l'inverse, l'intégration directe des axes de mouvement dans la structure granitique offre plusieurs caractéristiques distinctives qui distinguent les systèmes IGM des systèmes à étages sur granit.
Facteur de forme
La similitude la plus évidente réside peut-être dans la base de la machine : le granit. Malgré des différences de caractéristiques et de tolérances entre les modèles à platine sur granit et à IGM, les dimensions globales de la base, des contremarches et du pont en granit sont équivalentes. Cela s'explique principalement par le fait que les courses nominales et limites sont identiques entre les modèles à platine sur granit et à IGM.
Construction
L'absence de bases d'axes usinées dans la conception IGM offre certains avantages par rapport aux solutions 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 ce cas d'étude, 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 aussi de réduire les décalages machine entre le moteur et le codeur et le point de travail, ce qui réduit les erreurs d'Abbe et donc les performances de positionnement du point de travail.
Composants de l'axe
En examinant la conception de plus près, on constate que les solutions platine sur granit et IGM partagent certains composants clés, tels que les moteurs linéaires et les codeurs de position. La sélection commune de la force et de la piste magnétique permet d'obtenir des capacités de sortie de force équivalentes. De même, l'utilisation des mêmes codeurs dans les deux conceptions offre une résolution fine identique pour le retour de positionnement. Par conséquent, la précision linéaire et la répétabilité ne diffèrent pas significativement entre les solutions platine sur granit et IGM. Une disposition similaire des composants, notamment la séparation des roulements et le tolérancement, permet d'obtenir des performances comparables en termes d'erreurs géométriques (rectitude horizontale et verticale, tangage, roulis et lacet). Enfin, les éléments de support des deux conceptions, notamment la gestion des câbles, les limites électriques et les butées d'arrêt, fonctionnent fondamentalement de manière identique, même si leur aspect physique peut varier légèrement.
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 recirculation de billes soient utilisés dans les systèmes à platine sur granit et IGM, ce dernier permet d'intégrer des roulements plus grands et plus rigides sans augmenter la hauteur de travail de l'axe. Comme la conception IGM repose sur le granit, et non sur une base usinée séparée, il est possible de récupérer une partie de l'espace vertical autrement occupé par une base usinée et de l'occuper avec des roulements plus grands, tout en réduisant la hauteur totale du chariot au-dessus du granit.
Rigidité
L'utilisation de roulements plus grands dans la conception IGM a un impact considérable sur la rigidité angulaire. Pour l'axe inférieur (Y) du 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 % à celle d'une conception correspondante à étage sur granit. De même, le pont de l'IGM offre une rigidité en roulis quadruple, une rigidité en tangage deux fois supérieure et une rigidité en lacet supérieure de plus de 30 % à celle de son homologue à étage sur granit. Une rigidité angulaire plus élevée est avantageuse, car elle contribue directement à l'amélioration des performances dynamiques, essentielles à une cadence machine plus élevée.
Capacité de charge
Les roulements plus grands de la solution IGM permettent une capacité de charge utile nettement supérieure à celle d'une solution sur plateforme. Bien que l'axe de base PRO560LM de la solution sur plateforme ait une capacité de charge de 150 kg, la solution IGM correspondante peut supporter une charge utile de 300 kg. De même, l'axe de pont PRO280LM de la plateforme sur plateforme supporte 150 kg, tandis que celui de la solution IGM peut supporter jusqu'à 200 kg.
Masse en mouvement
Si les roulements plus grands des axes IGM à paliers mécaniques offrent de meilleures performances angulaires et une plus grande capacité de charge, ils sont également équipés de chariots plus grands et plus lourds. De plus, les chariots IGM sont conçus de manière à supprimer certains éléments usinés nécessaires à un axe à platine sur granit (mais non requis par un axe IGM) afin d'accroître la rigidité de la pièce et de simplifier la fabrication. Ces facteurs signifient que l'axe IGM a une masse mobile plus importante que son homologue à platine sur granit. Un inconvénient indéniable est que l'accélération maximale de l'IGM est plus faible, à force motrice inchangée. Cependant, dans certaines situations, une masse mobile plus importante peut être avantageuse, car son inertie plus importante offre une meilleure résistance aux perturbations, ce qui peut se traduire par une meilleure stabilité en position.
Dynamique structurelle
La rigidité accrue des paliers et la rigidité accrue du chariot du système IGM offrent des avantages supplémentaires, mis en évidence après l'utilisation d'un logiciel d'analyse par éléments finis (FEA) pour réaliser une analyse modale. Dans cette étude, nous avons examiné la première résonance du chariot en mouvement afin d'évaluer son effet sur la bande passante du servomoteur. Le chariot PRO560LM rencontre une résonance à 400 Hz, tandis que le chariot IGM correspondant rencontre le même mode à 430 Hz. La figure 3 illustre ce résultat.
La résonance plus élevée de la solution IGM, comparée à celle d'une platine sur granit traditionnelle, peut être attribuée en partie à la rigidité accrue du chariot et de ses roulements. Une résonance plus élevée du chariot permet d'obtenir une bande passante servo plus large et donc de meilleures performances dynamiques.
Environnement d'exploitation
L'étanchéité des axes est presque toujours indispensable en présence de contaminants, qu'ils soient générés par le processus de l'utilisateur ou présents dans l'environnement de la machine. Les solutions platine sur granit sont particulièrement adaptées à ces situations en raison de la nature 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 raisonnablement les composants internes de la platine de la contamination. Ces platines peuvent également être configurées avec des racleurs de table optionnels pour éliminer les débris du capot supérieur lors du déplacement de la platine. En revanche, les plateformes de mouvement IGM sont intrinsèquement ouvertes, exposant les roulements, les moteurs et les codeurs. Bien que cela ne pose pas de problème dans des environnements plus propres, cela peut poser problème en présence de contamination. Il est possible de remédier à ce problème en intégrant un capot de guidage spécial à soufflet à la conception d'un axe IGM pour assurer une protection contre les débris. Cependant, s'il n'est pas correctement installé, le soufflet peut influencer négativement le mouvement de l'axe en appliquant des forces externes au chariot lors de son déplacement sur toute sa course.
Entretien
La facilité d'entretien est un facteur de différenciation entre les plateformes de mouvement à platine sur granit et les plateformes IGM. Les axes à moteur linéaire sont réputés pour leur robustesse, mais une maintenance est parfois nécessaire. Certaines opérations de maintenance sont relativement simples et peuvent être réalisées sans démontage de l'axe concerné, mais un démontage plus approfondi est parfois nécessaire. Lorsque la plateforme de mouvement est composée de platines distinctes montées sur granit, l'entretien est relativement simple. Il suffit de démonter la platine du granit, puis d'effectuer les travaux de maintenance nécessaires et de la remonter. Ou bien, il suffit de la remplacer par une platine neuve.
Les solutions IGM peuvent parfois s'avérer plus complexes lors de la maintenance. Bien que le remplacement d'une seule piste magnétique du moteur linéaire soit très simple dans ce cas, les opérations de maintenance et de réparation plus complexes impliquent souvent le démontage complet de nombreux composants de l'axe, voire de tous, ce qui est plus long lorsque les composants sont montés directement sur le granit. Il est également plus difficile de réaligner les axes sur le granit après la maintenance, une tâche considérablement plus simple avec des étages discrets.
Tableau 1. Résumé des différences techniques fondamentales entre les solutions à palier mécanique sur granit et les solutions IGM.
| Description | Système de scène sur granit, palier mécanique | Système IGM, roulement 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 en mouvement (kg) | 25 | 14 | 33 | 19 | |
| Hauteur du plateau (mm) | 120 | 120 | 80 | 80 | |
| Scellabilité | La couverture rigide et les joints latéraux offrent une protection contre les débris pénétrant dans l'axe. | L'IGM est généralement de conception ouverte. L'étanchéité nécessite l'ajout d'un soufflet ou d'un couvercle similaire. | |||
| Facilité d'entretien | Les étages de composants peuvent être retirés et facilement entretenus ou remplacés. | Les haches sont intrinsèquement intégrées 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 de l'axe, la capacité de charge et les capacités dynamiques, les comparaisons relatives des systèmes de mouvement IGM et de scène sur granit analogues menées 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 de scène sur granit.
Notre étude économique comprend trois éléments de coûts fondamentaux : les pièces de la machine (comprenant à la fois les pièces fabriquées et les composants achetés), l'assemblage du granit, ainsi que la main-d'œuvre et les frais généraux.
Pièces de machines
Une solution IGM permet de réaliser des économies notables par rapport à une solution platine sur granit en termes de pièces d'usinage. Cela s'explique principalement par l'absence de bases de platine usinées de manière complexe sur les axes Y et X, ce qui accroît la complexité et le coût des solutions platine sur granit. De plus, les économies de coûts sont attribuables à la simplification relative des autres pièces usinées sur la solution IGM, comme les chariots mobiles, qui peuvent présenter des caractéristiques plus simples et des tolérances plus souples lorsqu'ils sont conçus pour être utilisés dans un système IGM.
Assemblages de granit
Bien que les assemblages socle-colonne montante-pont en granit des systèmes IGM et scène sur granit semblent présenter une forme et une apparence similaires, l'assemblage en granit IGM est légèrement plus coûteux. En effet, le granit de la solution IGM remplace les bases de scène usinées de la solution scène sur granit, ce qui nécessite des tolérances généralement plus strictes dans les zones critiques, voire 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 d'usinage.
Main-d'œuvre et frais généraux
En raison des nombreuses similitudes dans l’assemblage et le test des systèmes IGM et de scène sur granit, il n’y a pas de différence significative dans les coûts de main-d’œuvre et les frais généraux.
Une fois tous ces facteurs de coût combinés, la solution IGM à palier mécanique spécifique examinée dans cette étude est environ 15 % moins coûteuse que la solution à palier mécanique sur scène sur 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 tels que le choix du fournisseur de granit. De plus, il est prudent de prendre en compte les coûts d'expédition et de logistique liés à l'approvisionnement d'une structure en granit. Particulièrement utile pour les très grands systèmes en granit, bien que valable pour toutes les tailles, le choix d'un fournisseur de granit qualifié, proche 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'entretenir le système de mouvement en réparant ou en remplaçant un axe. Un système à platine sur granite peut être entretenu simplement en retirant et en réparant/remplaçant l'axe concerné. Grâce à sa conception plus modulaire, cette opération est relativement simple et rapide, malgré un coût initial plus élevé. Bien que les systèmes IGM soient généralement moins coûteux que leurs homologues à platine sur granite, leur démontage et leur entretien peuvent être plus difficiles en raison de leur construction intégrée.
Conclusion
Il est évident que chaque type de plateforme de mouvement — scène sur granit et IGM — offre des avantages distincts. Cependant, il n'est pas toujours évident de choisir le choix idéal pour une application de mouvement donnée. Il est donc très avantageux de s'associer à un fournisseur expérimenté de systèmes de mouvement et d'automatisation, tel qu'Aerotech, qui propose une approche consultative et axée sur les applications pour explorer et fournir des informations précieuses sur les solutions alternatives aux applications complexes de contrôle de mouvement et d'automatisation. 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 la clé du succès pour choisir un système de mouvement qui réponde à la fois aux objectifs techniques et financiers du projet.
De AEROTECH.
Date de publication : 31 décembre 2021