Moteurs Linéaires 1FN1 / 1FN3

Différents types de moteur linéaire... SIEMENS Linear Motor Systems GmbH & Co. KG Handout S21/WW/99-10-07 Les Moteurs Linéaires C’est Quoi ? Différents types de moteur linéaire... Types - Synchrone - Asynchrone - Courant Continu - Réluctance Montages - primaire plus petit que secondaire) - secondaire plus petit que primaire constructions - solénoïde - Simple face - double face Page / 36

Précision et Dynamique Qu‘apportent les Moteurs linéaires ? Production Flexibilité Montage et maintenance Précision Montage et maintenance Précision et Dynamique Flexibilité Précision grâce à : A la mesure directe des mouvements A une grande réactivité Flexibilité grâce à : Pas de limite théorique de longueur Moteurs modulaires Toutes géométrie d’axes Maintenance grâce à : Moteurs sans pièces d‘usures Montage simplifié grâce à : Réduction des composants mécaniques Bonne tolérance de montage Dynamique grâce à : De grandes vitesses et de fortes accélérations

Les domaines d’application Machine Outil Centre d‘usinage Tour Rectifieuse Poinçonnage grignotage Machine UGV (HSC) Laser etc. Automatisation Manutention Report de composants Emballage Machine de test Impression 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.

Comparaisons: Moteur Linéaire / Vis à Bille + Moteur Rotatif Vis à Billes (h=10mm) *Force maximum <20 000 N (par moteur) <240 000 N *Accélération max. <320m/s 2 <15m/s *Vitesse maximum <830m/min <80m/min *Longueur maximum <50m <6m < *La combinaison de certaine valeur maximum n’est pas possible.

Caractéristiques des Moteurs Linéaires en Comparaison des systèmes vis à billes 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 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

Augmenter et Distribuer la Poussée en Utilisant Plusieurs Moteurs Linéaires pour un Axe Exemple : 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

Plusieurs Moteurs Raccordés Sur Un Seul Variateur Montage en séries Montage en parallèle 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 Pas polaire N  d 2n  +d p S N règle N N S S S N N N S S S N N N S primaire S S N N N S S p S N N N S S S N N S 2n  N p S S N N N S S S N N N S S S N N N S S S N N N S secondaire S S N N N S S S N N S S

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 d 2n  +d N N S S N N S S N N S primaire S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S N N S S secondaire

Fonctionnement en Maître/Esclave, Principe de fonctionnement Moteur et règle CNC 611D Mesure de position Bus variateur 64MBit/s Maître Règle linéaire Référence de vitesse 1-k Consigne de position Equilibrage Boucle de position Pré-contrainte Boucle de vitesse Boucle de courant Moteurs linéaire k Coefficient de couplage Référence de vitesse Esclave Règle linéaire Mesure de position

Isolation thermique du moteur par Thermo Sandwich® (principe breveté) 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 Thermo isolation Deux circuits de refroidissement indépendants 10 K 0 K Température au contact du moteur D T < 2K max

Sans Isolation Thermique SIEMENS Linear Motor Systems GmbH & Co. KG Handout S21/WW/99-10-07 Sans Isolation Thermique Ort Increase of temperature vs. temperature of cooling media 10 K 0 K Température sur la surface du moteur Sans isolation thermique Refroidissement uniquement Par la plaque moteur Pas de barriére thermique Refroidisseur de précision Page / 36

Répartition typique pour les moteurs 1FN1 et 1FN3 (Thermo-Sandwich ®) DT maximum 2 °C Refroidisseur de précision ca. 9% Refroidisseur de puissance ca. 85%Température d’entrée 35°C Secondaire Refroidisseur de précision ca. 6%

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 pour plusieurs moteurs Mise en série du circuit de refroidissement de précision et de puissance

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) Le gradient dépend de l’inertie et de la force appliquée L’écart maximum dépend de la boucle vitesse 1/dyn. Rigidité dynamique sdyn delta x L’amortissement dépend de la boucle de position 1/ Rigidité statique sst

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 (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 d’optimisation intégrée (générateur de fonction, fonction oscilloscope, analyse en FFT, CNA, aide en ligne)

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.

Comparaison: Moteurs Linéaires Synchrones et Asynchrones

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. Aimants (alternativement pôle Nord et pôle Sud) Sens du mouvement primaire secondaire

Schéma de principe: Exemple de configuration Moteurs linéaires 1FN Primaire Chaîne porte câble CN Sinumerik 840D Capteur à effet hall (optionl) refroidisseur (option) Secondaires Profibus Variateur Simodrive 611 U Variateur Simodrive 611 D Règle de mesure boîtier de connexions

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

Règles compatibles Règle absolue Règles incrémentales 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.

Règles Heidenhain type

Recommandations pour la conception de la machine Entraînement moteur linéaire Entraînement vis à bille Masse Moteur linéaire Règle de mesure Codeur Masse Vis à bille Moteur Accouplement Bâti machine Axe machine Bâti 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

Exemple: Centre d’Usinage 3 Axes à Moteur Linéaires 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 Test de circularité entre X et Y avec R=100mm, F=30m/min 2µm max. de déviation