La rectilignité a ses avantages

Les servomoteurs linéaires: précision, dynamique et efficacité

Les servomoteurs linéaires sont capables d'effectuer des mouvements rectilignes précis avec une force élevée, une grande densité de puissance et un minimum de friction, de jeu ou d'usure (ces derniers étant les soucis propres aux systèmes à engrenages ou à courroies). Leur champ d'application s'étend de l'automatisation et de la robotique à la logistique et à l'industrie automobile. Les développements futurs se concentreront sur une plus grande précision, des performances plus rapides, l'efficacité énergétique et l'intégration intelligente, et il y a encore beaucoup de progrès à faire grâce à des éléments tels que la conception fonctionnelle et l'intégration avec des technologies intelligentes.

Lineaire servomotoren 2 — Grâce à des systèmes de contrôle de plus en plus sophistiqués et à une technologie de capteurs innovante, l'utilisation des servomoteurs dans les systèmes robotiques est en pleine expansion (photo: Faulhaber)

Servomoteurs

Les servomoteurs linéaires sont des moteurs électriques compacts; le mot 'servo' est dérivé du mot latin servus qui signifie esclave ou serviteur. Ce type de moteur fait partie d'un système de contrôle fermé, où il y a un retour d'information continu. Le moteur suit les ordres et remplit un rôle de serviteur, d'où son nom. Grâce à l'entraînement direct - aucune conversion mécanique du mouvement rotatif en mouvement linéaire n'est nécessaire -, ce type de moteur souffre moins du frottement, du jeu ou de l'usure, qui sont les points problématiques avec les systèmes à engrenages ou à courroies.

Des performances puissantes

Les servomoteurs linéaires sont capables d'effectuer des mouvements rectilignes précis avec une grande force et une grande densité de puissance, et se caractérisent par une précision, une dynamique et une efficacité élevées. Voici les composants qui y contribuent.

Mécanisme de rétroaction

Ce mécanisme - généralement un codeur linéaire, également appelé échelle linéaire - fait partie d'un système dit en boucle fermée (voir encadré). L'ensemble des fonctions comprend

la détermination de la position: le mécanisme fournit des informations en temps réel sur la position du moteur (voir ci-dessous) et veille à ce que le moteur s'arrête au bon endroit;
la correction des écarts: toute inexactitude concernant la position et/ou la vitesse est détectée par le mécanisme de rétroaction. Un signal est alors envoyé au contrôleur, qui effectue les corrections nécessaires.

Contrôle en boucle fermée (illustration: Rotero)
Dans ce système de contrôle, il y a une comparaison continue entre la situation en temps réel et la valeur cible souhaitée (le point de consigne). Les principaux composants du système sont
- l'actionneur, un composant mécanique qui effectue les ajustements calculés par le contrôleur;
- le contrôleur qui compare la valeur mesurée à la valeur de consigne. En cas de différence, le contrôleur calcule les ajustements nécessaires pour le rétablissement prévu;
- le mécanisme de rétroaction, chargé de surveiller la valeur réelle de l'exécution et de fournir un retour d'information au contrôleur.

Les avantages de cette forme de contrôle sont sa grande précision, sa capacité d'adaptation en cas de perturbations, ainsi que la stabilité et le contrôle qu'elle procure. Les inconvénients sont la complexité du système et le temps de réponse qui dépend de la vitesse de réaction des composants.

Guides

Ils garantissent que le moteur se déplace avec précision le long d'une trajectoire définie et que la force ne s'exerce que dans une direction linéaire. En outre, les guides fournissent un support mécanique à la charge à positionner, qui reste donc stable, ne vibre pas et ne présente pas de déviations de trajectoire. Cela permet de minimiser les frottements et d'augmenter l'efficacité du moteur. Les guides assurent également un espace d'air continu entre le moteur et les stators.

Le choix des matériaux - aciers trempés et inoxydables, polymères, plastiques, céramiques, paliers à air sans frottement - dépend de facteurs tels que les conditions environnementales, la capacité de charge requise et la résistance à l'usure.

Les servomoteurs linéaires sont capables d'effectuer des mouvements rectilignes précis avec une densité de puissance et un couple élevés

Moteur

La partie mobile du moteur convertit les forces électromagnétiques en force mécanique, ce qui permet au moteur de déplacer et de positionner une charge. Les aimants permanents ou les matériaux ferromagnétiques généralement présents dans le moteur réagissent aux variations du champ magnétique généré par le stator. La quantité de courant et la manière dont il traverse les bobines du stator sont réglables. Comme le moteur fait partie d'un système d'asservissement, sa position et sa vitesse peuvent être contrôlées avec précision à l'aide des systèmes de rétroaction prévus à cet effet.

Lineaire servomotoren 3 — Clean room track avec moteur linéaire: grâce au fonctionnement sans contact, la contamination est réduite au minimum (photo: Vansichen Linear Technology)

Servo-commande

Ce dispositif électronique, également appelé servo-contrôleur, veille à ce que le courant et la tension nécessaires soient fournis au servomoteur par le biais d'un signal de référence, afin qu'il se déplace vers la position souhaitée avec la vitesse et la force correctes. Le contrôleur reçoit des signaux du mécanisme de rétroaction concernant la position et la vitesse réelles du moteur, envoie du courant au moteur et influence son interaction avec le stator.

Stator

Le stator est constitué d'une série d'électroaimants (bobines) connectés en parallèle ou en série, qui fournissent ensemble les forces nécessaires à un mouvement linéaire précis et efficace. Lorsqu'un courant électrique traverse les bobines, un champ magnétique est créé. En réponse, le moteur se déplace le long du stator sans déformation. Un contrôle approprié des bobines - le courant électrique dans les bobines du stator est réglable - permet au moteur d'effectuer un mouvement linéaire extrêmement précis et contrôlé.

Systèmes redondants intégrés
Ce type de système implique des solutions techniques ou informatiques dans lesquelles plusieurs composants ou systèmes fonctionnent en parallèle pour garantir une fiabilité et une disponibilité accrues. Si un composant tombe en panne, un autre prend le relais sans intervention humaine supplémentaire (automatic failover mechanism). Cela rend le système tolérant aux pannes et minimise les temps d'arrêt. La redondance peut être intégrée dans
- le matériel, par exemple sous la forme de plusieurs serveurs ou connexions réseau;
- le logiciel, sous la forme de processus de sauvegarde et/ou de réplication des données;
- l'infrastructure, par exemple dans les alimentations électriques ou les systèmes de refroidissement.

Les systèmes redondants intégrés sont essentiels dans les secteurs où un haut degré de fiabilité et de continuité est requis.

Applications

Comme indiqué précédemment, un servomoteur linéaire est utilisé partout où la précision, la vitesse et le contrôle d'un mouvement linéaire sont nécessaires.

Automatisation et robotique

Dans les chaînes de production automatisées, les moteurs assurent le déplacement précis des différentes pièces. Dans les systèmes robotiques (robots et cobots) et dans l'industrie des puces, ils sont fréquemment utilisés pour les axes linéaires qui doivent effectuer des mouvements de précision.

Évolution(s) récente(s): leur utilisation dans les systèmes robotiques a pris de l'ampleur, notamment grâce à l'émergence de systèmes de contrôle de plus en plus sophistiqués et à une technologie de capteurs innovante (capteurs intelligents).

Industrie automobile

Dans les bancs d'essai des véhicules, les moteurs sont utilisés pour tester, par exemple, les systèmes de suspension des véhicules ou les amortisseurs, et dans les chaînes d'assemblage pour le placement et la fixation précis des pièces.

Développements récents: en partie grâce à l'avènement des véhicules électriques, la demande d'équipements d'essai pour les capteurs, les amortisseurs et les batteries des véhicules a fortement augmenté. Un servomoteur linéaire est approprié pour les mouvements linéaires précis requis à cet effet.

Lineaire servomotoren 4 — Regroupement du stator et du rotor des moteurs (illustration: Festo)

Construction de machines

Dans les machines-outils CNC de pointe, on utilise généralement plusieurs servomoteurs linéaires, un pour chaque axe de mouvement. La synchronisation des mouvements permet de réaliser des opérations d'usinage complexes où plusieurs axes se déplacent simultanément.

Développements récents: l'impression 3D est en plein essor et continue d'évoluer. Les imprimantes 3D professionnelles et industrielles utilisent des servomoteurs linéaires pour le déplacement précis de la tête d'impression et du lit.

Logistique

Dans les systèmes de stockage automatisés, les centres de distribution et les usines, les moteurs sont utilisés pour déplacer des marchandises rapidement et avec précision sur des distances courtes ou longues.

Développements récents: avec la forte croissance du commerce électronique et la nécessité d'une logistique rapide et efficace, les entrepôts et systèmes de stockage automatisés ont pris leur essor.

Aérospatiale

Les souffleries et autres installations d'essai utilisées dans ce secteur, comme dans l'industrie automobile, nécessitent des mouvements linéaires précis et donc l'utilisation de servomoteurs linéaires.

Développements récents: grâce aux servomoteurs linéaires avancés, les simulateurs de vol sont capables de simuler les mouvements et les vibrations de manière encore plus réaliste qu'auparavant, en particulier grâce aux innovations en matière de logiciels de simulation et de mécatronique.

Lineaire servomotoren 5 — Les machines-outils CNC de pointe utilisent généralement plusieurs servomoteurs linéaires, un pour chaque axe de mouvement (photo: Batchforce)

Tendances

Les développements futurs seront principalement axés sur une plus grande précision, des performances plus rapides, l'efficacité énergétique et l'intégration intelligente, et plusieurs facteurs y contribueront.

Conception fonctionnelle

Les moteurs deviennent plus petits grâce à l'utilisation de fibres de carbone et de polymères avancés, entre autres. L'intégration de systèmes de capteurs avancés améliorera également la précision et la résolution du positionnement.

Un servomoteur linéaire est utilisé lorsque la précision, la vitesse et le contrôle du mouvement linéaire sont nécessaires

Intégration aux technologies intelligentes

Les moteurs feront de plus en plus partie de réseaux intelligents où l'échange de données en temps réel rendra les performances, les besoins de maintenance et les pannes plus faciles à gérer. L'intégration avec l'IA et l'apprentissage automatique permet une optimisation supplémentaire.

Lineaire servomotoren 6 — Les servomoteurs permettent de déplacer les marchandises rapidement et avec précision (photo: Maschinenbau Kitz)

Temps de réaction et vitesse

Le temps de réaction sera réduit tandis que les performances dynamiques seront améliorées. Cela répond à la demande de vitesses plus élevées sans perte de précision, ce qui est particulièrement important pour les cycles courts.

Systèmes de sécurité et résistants aux pannes

La croissance des systèmes automatisés et autonomes a entraîné une demande croissante de moteurs dotés de capacités intégrées de détection et de récupération des défaillances. Les systèmes redondants intégrés (voir encadré) augmenteront encore la sécurité des moteurs dans les applications critiques.

En collaboration avec Faulhaber, Festo, Rem-B Hydraulics, Rotero et Vansichen Linear Technology.