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20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG 1999. All rights reserved. © SIEMENS Moteurs Linéaires 1FN1 / 1FN3.

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1 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Moteurs Linéaires 1FN1 / 1FN3

2 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Les Moteurs Linéaires Cest 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 petit que primaire Montages - primaire plus petit que secondaire) - secondaire plus petit que primaire constructions - solénoïde - Simple face - double face constructions - solénoïde - Simple face - double face

3 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Quapportent 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 maintenance Maintenance grâce à : Moteurs sans pièces dusures 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 daxes Précision et DynamiqueFlexibilité ProductionPrécisionFlexibilité Montage et maintenance

4 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Les domaines dapplication Machine Outil Centre dusinage Tour Rectifieuse Poinçonnage grignotage Machine UGV (HSC) Laser etc. Machine Outil Centre dusinage Tour Rectifieuse Poinçonnage grignotage Machine UGV (HSC) Laser etc. Application de mécanique générale Machine de collage Perçage et fraisage des circuits imprimés Mesure Machine de process pour le papier, plastique, bois, verre etc. Application de mécanique générale 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.

5 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Comparaisons: Moteur Linéaire / Vis à Bille + Moteur Rotatif *La combinaison de certaine valeur maximum nest pas possible. Moteur Linéaire Vis à Billes (h=10mm) *Force maximum < N (par moteur)< N *Accélération max. <320m/s 2 <15m/s 2 *Vitesse maximum <830m/min<80m/min *Longueur maximum <50m<6m <

6 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Caractéristiques des Moteurs Linéaires en 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 laxe ne dépend plus que de la qualité des boucles de régulations Source de chaleur à lintérieur de la machine Avantages Inconvénients Seule linertie de laxe est à prendre en compte, il est possible dobtenir 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 lécart de poursuite Augmentation de la précision au contour Suppression déléments mécaniques Axes plus légers et plus rigides Axes fiables, Moins de maintenance Plus grande précision de la machine grâce aux règles de mesures

7 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Augmenter et Distribuer la Poussée en Utilisant Plusieurs Moteurs Linéaires pour un Axe Exemple : 6 x 1FN3900-4WC00 = 6 x N = N de poussée Les avantages procurés par lutilisation 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

8 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS 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 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 N S Montage en séries Montage en parallèle p d 2n +d p 2n règle secondaire primaire p Pas polaire

9 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS 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

10 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Fonctionnement en Maître/Esclave, Principe de fonctionnement Bus variateur 64MBit/s Boucle de vitesse Boucle de position Consigne de position Boucle de courant Moteurs linéaire CNC 611D Moteur et règle Règle linéaire Mesure de position 1-k k Maître Esclave Equilibrage Pré-contrainte Coefficient de couplage Référence de vitesse Règle linéaire Référence de vitesse Mesure de position

11 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Source de chaleur à lintérieur de la machine ? Isolation thermique du moteur par Thermo Sandwich ® (principe breveté) Circuit de refroidissement de précision Circuit de refroidissement de puissance Thermo isolation Deux circuits de refroidissement indépendants 10 K 0 K Température au contact du moteur T < 2K max

12 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Sans Isolation Thermique Refroidisseur de précision Température sur la surface du moteur Pas de barriére thermique Sans isolation thermique Refroidissement uniquement Par la plaque moteur

13 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Répartition typique pour les moteurs 1FN1 et 1FN3 (Thermo-Sandwich ® ) T maximum 2 °C Refroidisseur de précision ca. 9% Refroidisseur de précision ca. 9% Refroidisseur de puissance ca. 85%Température dentrée 35°C Refroidisseur de puissance ca. 85%Température dentrée 35°C Secondaire Refroidisseur de précision ca. 6% Secondaire Refroidisseur de précision ca. 6%

14 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS 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 délévation 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 lentrée deau du circuit de puissance Pression maximum, 10 bar pour chaque circuit Montage rapide par connecteurs hydrauliques Mise en série pour plusieurs moteurs Mise en série du circuit de refroidissement de précision et de puissance

15 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Rigidité des Axes à Moteurs Linéaires Grâce à la mesure de position directe la rigidité statique de ce type daxes est excellente, elle dépend principalement de la boucle de position (k v ) 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 (k p, T N, les masses en mouvement influence le k p ) delta x 1/dyn. Rigidité dynamique s dyn 1/ Rigidité statique s st Lécart maximum dépend de la boucle vitesse Lamortissement dépend de la boucle de position Le gradient dépend de linertie et de la force appliquée

16 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS La rigidité de laxe ne dépend plus que de la qualité des boucles de régulations ? Le choix de lensemble 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 (10 s d'erreur de synchronisation engendre une erreur de 2.5 m 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 doptimisation intégrée (générateur de fonction, fonction oscilloscope, analyse en FFT, CNA, aide en ligne)

17 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Résumé sur la rigidité Rigidité statique A laide 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 lentraînement, donc par les coefficients K v et K p 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.

18 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Comparaison: Moteurs Linéaires Synchrones et Asynchrones

19 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS 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 (léquivalent du stator moteur). Un secondaire à aimants permanents (léquivalent du rotor). Plusieurs secondaires sont nécessaires en fonction de la longueur de laxe. 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 laxe. Pour les axes de faible longueur linverse est admis. secondaire primaire Aimants (alternativement pôle Nord et pôle Sud) Sens du mouvement

20 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Schéma de principe: Exemple de configuration Moteurs linéaires 1FN Secondaires Capteur à effet hall (optionl) Primaire Chaîne porte câble CN Sinumerik 840D Variateur Simodrive 611 U boîtier de connexions refroidisseur (option) Variateur Simodrive 611 D Profibus Règle de mesure

21 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Préconisations pour la règle de mesure Les signaux de règle ne servent pas uniquement à la mesure de position de laxe, 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 laxe Elle doit être compatible avec les vitesses et accélérations de laxe 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 lidentification automatique des pôles ou un capteur à effet hall (moteur 1FN3) Avec les règles absolues le calage est fait une fois pour toutes

22 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Règles compatibles Règle absolue Heidenhain protocole EnDat (LC181, jusquà 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.

23 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Règles Heidenhain type

24 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS 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 mesure Masse Moteur linéaire Codeur Masse Vis à bille Moteur Accouplement Bâti machine Entraînement moteur linéaire Entraînement vis à bille

25 20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG All rights reserved. © SIEMENS Exemple: Centre dUsinage 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 k v = 30m/min/mm pour tout les axes


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