Comment sélectionner un moteur pour votre module linéaire

Sélection d'un moteur pour unmodule linéaireil ne s’agit pas simplement de choisir une puissance plus élevée. Le moteur, le variateur, le système de rétroaction et la transmission mécanique doivent fonctionner ensemble comme un seul système de mouvement.

Un moteur trop petit peut ne pas atteindre l'accélération requise ou surchauffer lors de cycles répétés. Un moteur inutilement gros peut augmenter l’inertie du rotor, le coût et les difficultés de réglage sans améliorer la machine. Le correctsélection du moteur du module linéairecommence donc par l'exigence de mouvement, et non par une taille de moteur préférée.

Ce guide explique comment choisir entre les servomoteurs et les moteurs pas à pas, comment adapter le couple et la vitesse du moteur au module, quand le retour de l'encodeur est important et quels détails de contrôle doivent être vérifiés avant de finaliser le système d'entraînement.

Commencez par les exigences de mouvement, pas par le catalogue de moteurs

Avant de comparer les types de moteurs, définissez ce que l'axe doit réellement faire.

Les informations minimales doivent inclure :

• Type d'entraînement du module linéaire
• Accident vasculaire cérébral
• Masse en mouvement
• Orientation de montage horizontale, verticale ou autre
• vitesse maximale
• Accélération et décélération
• Temps de déplacement et temps de cycle complet
• Précision et répétabilité de positionnement requises
• Force de processus externe
• Comportement de maintien requis
• Contrôleur et interface de communication disponibles

Règle de sélection :le moteur doit être sélectionné à partir du profil de mouvement complet. La charge utile à elle seule ne détermine pas la taille du moteur.

Servo ou Stepper : la première décision

Les servomoteurs et les moteurs pas à pas peuvent piloter des modules linéaires industriels, mais leurs caractéristiques de fonctionnement sont différentes.

Quand un servomoteur est généralement le meilleur choix

UNservomoteur à module linéaireest souvent préféré lorsque l’application nécessite :

• Fortes accélérations et décélérations
• Large plage de vitesse de fonctionnement
• Inversions de direction fréquentes
• Surveillance de position en boucle fermée
• Taux de cycle élevé
• Mouvement multi-axes coordonné
• Surveillance de couple ou de force
• Profils de mouvement plus avancés

Les systèmes d'asservissement sont particulièrement utiles lorsque l'axe doit fonctionner près de ses limites dynamiques tout en conservant un contrôle stable.

Pourquoi les systèmes d'asservissement gèrent bien les mouvements dynamiques

L'encodeur signale en permanence la position et la vitesse du moteur au variateur. Le servocontrôleur compare le mouvement réel avec la commande et ajuste le courant du moteur en conséquence.

Ce comportement en boucle fermée permet au variateur de corriger l'erreur de traînage et d'adapter le couple moteur tout au long de l'accélération, du mouvement à vitesse constante et de la décélération.

Quand un moteur pas à pas peut être le meilleur choix

UNmoteur pas à pas de module linéairepeut être une solution pratique lorsque l'application présente des charges prévisibles, une vitesse modérée et des exigences de positionnement relativement simples.

Les applications typiques incluent :

• Indexage
• Ajustement des luminaires
• Mouvement de sélection et de placement léger
• Matériel de distribution
• Positionnement des inspections
• Automatisation à vitesse faible à moyenne

Les systèmes pas à pas sont attrayants car la structure de contrôle peut être simple et le maintien du couple à l'arrêt peut être utile dans certaines applications.

La principale limitation des systèmes pas à pas en boucle ouverte

Un contrôleur pas à pas en boucle ouverte suppose que le moteur suit chaque étape commandée. Si la charge dépasse le couple disponible ou si l'accélération est trop agressive, le moteur peut perdre la synchronisation sans que le contrôleur connaisse directement la véritable position de l'arbre.

C'est pourquoi les moteurs pas à pas ne doivent pas être sélectionnés uniquement en fonction de leur couple de maintien à faible vitesse.

Qu'est-ce qu'un moteur pas à pas en boucle fermée ?

Un système pas à pas en boucle fermée ajoute un retour d'encodeur au moteur pas à pas et au variateur. Le contrôleur peut comparer le mouvement commandé avec la position mesurée du moteur et détecter ou corriger l'erreur de position en fonction de la conception du système.

Cela peut réduire une partie de l'incertitude associée au fonctionnement en boucle ouverte et améliorer les performances utilisables sous des charges changeantes.

Cependant, un moteur pas à pas en boucle fermée n’est pas automatiquement équivalent à un servomoteur. La construction du moteur, le comportement couple-vitesse, l'algorithme de contrôle et la capacité dynamique restent différents.

Moyen utile de décider :choisissez le moteur parmi les performances de mouvement requises, et non parmi l'étiquette « servo », « pas à pas » ou « boucle fermée ».

La puissance du moteur à elle seule n’est pas une méthode de dimensionnement

La puissance du moteur est liée au couple et à la vitesse :

P = T × ω

où:

• P.= puissance mécanique en watts
• T= couple en N·m
• Oh= vitesse angulaire en rad/s

Deux moteurs de puissance nominale similaire peuvent avoir des courbes couple-vitesse, une inertie du rotor et une capacité de couple maximale très différentes. Pour cette raison, sélectionner « un servo de 400 W » sans vérifier le point de fonctionnement réel est incomplet.

Faire correspondre la vitesse du moteur à la transmission du module linéaire

La transmission mécanique détermine la manière dont la rotation du moteur devient une vitesse linéaire.

Module vis à billes

Pour un fil de vispet vitesse linéaire souhaitéev:

n = 60 × v ÷ p

oùvest en m/s,pest en m/tr etnest en tr/min.

Une vis mère de 10 mm se déplaçant à 0,5 m/s nécessite 3 000 tr/min. Le moteur et la vis doivent tous deux être adaptés à cette vitesse.

Module de courroie de distribution

La vitesse du moteur dépend de la circonférence primitive de la poulie et de tout rapport de réduction entre le moteur et la poulie. Les poulies plus grandes déplacent plus de courroie par tour mais nécessitent plus de couple moteur pour la même force linéaire.

Module à crémaillère et pignon

Le diamètre primitif du pignon et le rapport de boîte de vitesses déterminent la relation entre la vitesse du moteur et la course linéaire. Les systèmes à crémaillère à longue course utilisent souvent une réduction à engrenages pour équilibrer la vitesse du moteur, le couple de sortie et l'inertie réfléchie.

Adaptez le couple du moteur au cycle de mouvement complet

Le couple moteur doit couvrir plus que la charge statique.

Les composants de couple importants comprennent :

• Couple nécessaire pour vaincre la résistance linéaire
• Couple requis pour l'accélération
• Inertie de rotation de la vis, de l'accouplement, de la poulie ou du réducteur
• Couple de gravité sur les axes verticaux
• Forces de processus externes
• Résistance à la précharge et au joint

Une fois le profil de couple calculé, vérifiez les deux :

• Couple maximalpour l’accélération et la demande de courte durée
• RMS ou couple continupour l'aptitude thermique sur tout le cycle

Un moteur capable d'effectuer un mouvement avec succès peut encore surchauffer pendant une production continue si le couple RMS est trop élevé.

N'ignorez pas la courbe couple-vitesse

Le couple moteur disponible change avec la vitesse.

Ceci est particulièrement important pour les moteurs pas à pas, dont le couple utilisable diminue généralement de manière significative à mesure que la vitesse augmente. Les servomoteurs ont également des régions de fonctionnement continues et de pointe définies.

Pour chaque moteur candidat, vérifiez que :

• La vitesse maximale requise se situe dans la plage de fonctionnement du moteur.
• Le couple maximal requis est disponible à cette vitesse.
• Le couple continu ou RMS reste dans la zone de fonctionnement continu.
• Le variateur sélectionné peut fournir le courant et la tension requis.

Correspondance d'inertie : pourquoi la charge mécanique est importante à contrôler

Le moteur doit accélérer à la fois son propre rotor et l'inertie réfléchie par le module linéaire.

Pour une vis à billes, la masse en translation peut être représentée comme une inertie de rotation équivalente au niveau de l'arbre de la vis :

J._trans= m × (p ÷ 2π)²

L'inertie rotative de la vis, de l'accouplement et d'autres composants est ensuite ajoutée.

Si une boîte de vitesses est utilisée, l'inertie de charge réfléchie sur le moteur diminue avec le carré du rapport de réduction.

Pourquoi un moteur surdimensionné peut être contre-productif

Un moteur plus gros a normalement une inertie de rotor plus grande. Si le moteur est sélectionné bien au-dessus de la taille requise, cette inertie supplémentaire peut réduire l'efficacité de l'accélération et rendre le réglage du système plus difficile.

C'est l'une des raisons pour lesquelles le dimensionnement du moteur doit viser une marge opérationnelle appropriée plutôt que de simplement choisir le cadre le plus grand qui convient.

Il n’existe pas de rapport d’inertie universel

Le rapport d'inertie charge/moteur acceptable dépend du moteur, du variateur, de la méthode de contrôle et du profil de mouvement. Suivez les critères de dimensionnement du fabricant du moteur plutôt que d'appliquer une règle fixe à chaque système d'asservissement.

Choix de l'encodeur : que doivent vous dire les commentaires ?

Un encodeur fait plus que fournir un nombre de « résolution ». Il détermine les informations que le contrôleur peut observer sur le moteur ou l'axe.

Codeur incrémental

Un encodeur incrémental signale les changements de position par le biais d'impulsions ou de comptes numériques. Après la mise sous tension, de nombreux systèmes nécessitent une routine de référencement pour établir la référence de la machine.

Codeur absolu

Un codeur absolu conserve ou reconstruit une référence de position unique afin que le système de contrôle puisse connaître la position du moteur après une remise sous tension, en fonction de l'architecture du codeur et du variateur.

Cela peut réduire ou éliminer certaines exigences de référencement et est utile dans les machines où le temps de redémarrage ou le maintien de la position de l'axe sont importants.

Retour d'information monotour et multitours

Le retour absolu à un tour identifie la position de l'arbre en un tour. Les systèmes multitours suivent également le nombre de tours, ce qui peut être utile lorsque la position du moteur doit être préservée sur plusieurs tours.

La résolution de l'encodeur n'est pas la même que la précision linéaire

Un encodeur haute résolution permet au contrôleur de représenter de très petits incréments d'angle du moteur, mais il ne supprime pas automatiquement les erreurs mécaniques dans le module.

L'erreur de pas de vis à billes, l'élasticité de la courroie, le jeu, la rectitude du guide, la déflexion structurelle et la dilatation thermique peuvent tous exister entre l'arbre du moteur et la position réelle de l'outil.

Pour les applications très exigeantes, un retour linéaire direct peut être utilisé pour mesurer plus directement la position du chariot.

Distinction importante :La résolution de l'encodeur décrit la granularité du retour. La précision du positionnement du système décrit le résultat complet de la mécanique et du contrôle.

Encodeur moteur ou échelle linéaire ?

Grâce au retour côté moteur, le contrôleur calcule la position linéaire à partir de la rotation du moteur et de la géométrie de la transmission. Ceci est courant et efficace pour de nombreuses applications d’automatisation.

Une échelle linéaire montée le long de l'axe peut mesurer directement la position du chariot. Il peut ainsi détecter les erreurs de position qui surviennent après le moteur, notamment certains effets de vis, de courroie ou de transmission.

Le retour linéaire direct est précieux dans les systèmes de haute précision, mais il augmente les coûts, les exigences d'installation et la complexité du contrôle. Ce n'est pas nécessaire pour chaque module linéaire.

Les modules linéaires verticaux nécessitent une vérification du moteur différente

Sur un axe vertical, la gravité affecte continuellement l'entraînement.

Le moteur doit être vérifié pour :

• Couple d'accélération vers le haut
• Charge de gravité continue
• Comportement régénérateur vers le bas
• Exigences de maintien à l’arrêt
• Capacité de freinage
• Comportement sûr en cas de panne de courant

Quand un frein moteur est-il nécessaire ?

Un frein est généralement envisagé lorsqu'une charge verticale doit rester en position après la coupure de l'alimentation du moteur. Cependant, les freins de maintien du moteur ont des caractéristiques spécifiques et des fonctions prévues.

Si une descente involontaire peut créer un risque pour la sécurité, la machine peut nécessiter des mesures mécaniques de sécurité supplémentaires plutôt que de compter uniquement sur un frein moteur standard.

Comment les boîtes de vitesses affectent la sélection du moteur

Une boîte de vitesses peut augmenter le couple de sortie et réduire l'inertie de charge réfléchie sur le moteur, mais elle modifie également la vitesse et ajoute ses propres caractéristiques mécaniques.

Les raisons potentielles d’utiliser une boîte de vitesses incluent :

• Augmentation du couple de sortie
• Améliorer le rapport d'inertie charge/moteur
• Permettre à un moteur plus petit de fonctionner à une vitesse plus adaptée
• Adaptation de la géométrie d'installation

Les compromis incluent :

• Perte d'efficacité
• Contrecoup
• Inertie supplémentaire
• Bruit
• Coût
• Entretien

L’interface de contrôle est importante avant la construction de la machine

Un moteur mécaniquement adapté peut toujours être un mauvais choix s’il ne s’intègre pas au contrôleur de la machine.

Confirmez comment l'axe recevra les commandes :

• Pouls et direction
• Commande analogique de vitesse ou de couple
• Ethernet industriel ou bus de terrain
• Commandes d'indexation intégrées
• Contrôleur de mouvementréseau

Vérifiez également si le système nécessite un mouvement synchronisé, un engrenage électronique, une came, un enregistrement, un contrôle de couple ou une interpolation coordonnée.

Avez-vous besoin d'un contrôle de position, d'un contrôle de vitesse ou d'un contrôle de couple ?

Contrôle de position

La plupart des applications de positionnement linéaire utilisent le contrôle de position. Le contrôleur commande une position cible et un profil de mouvement.

Contrôle de vitesse

Le contrôle de vitesse peut être utile lorsque l'axe doit maintenir une vitesse définie tandis qu'un autre mécanisme contrôle la position ou le timing du processus.

Contrôle du couple

Le contrôle du couple peut être utilisé pour les processus de pressage, de tension, de serrage ou de contact. Cependant, le couple du moteur n'est pas toujours identique à la force linéaire réelle du processus, car l'efficacité de la transmission, la friction et la conformité mécanique affectent la relation.

Pour la mesure de force critique, une cellule de pesée ou un capteur de force dédié peut toujours être nécessaire.

Le réglage des servos fait partie de la sélection du moteur

Un moteur techniquement suffisamment gros peut néanmoins fonctionner mal si le système est difficile à régler.

Le réglage du servo est influencé par :

• Inertie de charge
• Rigidité structurelle
• Rigidité d'accouplement
• Élasticité de la ceinture
• Contrecoup
• Résonance
• Profil d'accélération

Un système mécanique flexible ne peut pas être transformé en un axe de précision rigide uniquement en augmentant le gain du servo. La conception mécanique et la conception des commandes doivent se soutenir mutuellement.

Sélection du moteur par type de module linéaire

Module linéaire à vis à billes

Vérifiez la vitesse du moteur par rapport au pas de vis et à la vitesse linéaire requise. Vérifiez ensuite le couple d'accélération, l'inertie de la vis, la vitesse critique de la vis et toute exigence de maintien vertical.

Les servomoteurs sont courants pour le positionnement de précision à grande vitesse, tandis que les moteurs pas à pas peuvent convenir aux applications à vitesse modérée avec des charges prévisibles.

Module linéaire de courroie de distribution

Modules de courroie de distributionfonctionnent souvent à une vitesse linéaire et une accélération élevées. La sélection du moteur doit tenir compte du diamètre de la poulie, de la tension de la courroie, de la masse en mouvement et des inversions de direction fréquentes.

Les servomoteurs sont souvent avantageux dans les systèmes de portique ou de transfert à cycle élevé, tandis que les moteurs pas à pas peuvent bien fonctionner dans les axes de transfert à faible dynamique.

Module à crémaillère et pignon

Les longs débattements et les charges plus élevées rendent souvent le choix de la boîte de vitesses important. Le couple moteur, le rapport de démultiplication, le diamètre du pignon et la vitesse souhaitée doivent être évalués ensemble.

Module moteur linéaire

Un moteur linéaire produit directement une force et ne nécessite pas de transmission moteur rotatif-linéaire. Dans ce cas, le dimensionnement se concentre sur la force continue, la force maximale, la vitesse, l'accélération, la charge thermique et le retour plutôt que sur le couple du moteur rotatif.

Une séquence pratique de sélection de moteur

1. Définissez le profil de mouvement complet.Incluez la course, la vitesse, l’accélération, la décélération et le maintien.
2. Calculez la masse réelle en mouvement.Inclure l'outillage, les axes supérieurs et les porte-câbles, le cas échéant.
3. Déterminez la force linéaire requise.Incluez la gravité, la friction et la force du processus.
4. Convertissez la charge en couple et en vitesse du moteur.
5. Calculez l'inertie réfléchie.
6. Vérifiez le couple maximal et efficace.
7. Comparez les options de servomoteur, de moteur pas à pas et de moteur pas à pas en boucle fermée.
8. Sélectionnez le type de commentaire.
9. Vérifiez les exigences en matière de freinage et d’axe vertical.
10. Vérifier la courbe couple-vitesse du moteur.
11. Confirmez le courant, la tension et la capacité de régénération du variateur.
12. Confirmez les fonctions de communication et de mouvement du contrôleur.
13. Vérifiez les interfaces mécaniques et électriques avant la sortie.

Erreurs courantes de sélection de moteur

Choisir par puissance uniquement

La puissance du moteur n'indique pas si le couple requis est disponible à la vitesse de fonctionnement réelle.

Choisir un stepper parmi le couple de maintien

Le couple de maintien est mesuré à l'arrêt et ne représente pas un couple de fonctionnement à grande vitesse.

Surdimensionner « pour la sécurité »

Un moteur beaucoup plus gros peut augmenter l’inertie et le coût et compliquer le réglage. La marge d’ingénierie est utile ; le surdimensionnement incontrôlé ne l’est pas.

Ignorer la charge verticale

Les axes verticaux nécessitent de prendre en compte la gravité, le freinage, le maintien et la régénération.

En supposant que la résolution de l'encodeur est égale à la précision du positionnement

L'axe linéaire complet contient toujours des erreurs de transmission, structurelles et thermiques.

Ignorer la compatibilité du lecteur et du contrôleur

Le moteur n'est qu'une partie du système. La tension du variateur, le protocole de communication, les E/S, la résistance de freinage et le mode de contrôle peuvent déterminer si l'intégration de la solution est réussie.

Quelles informations devez-vous fournir pour la correspondance des moteurs ?

Pour que QRXQ recommande un moteur pour un module linéaire, fournissez :

• Type de module et transmission
• Accident vasculaire cérébral
• Masse totale en mouvement
• Orientation de montage
• vitesse maximale
• Temps d’accélération ou de déplacement
• Temps de cycle complet
• Force externe
• Exigence de précision et de répétabilité
• Marque préférée de servo ou de moteur pas à pas
• Contrôleur et protocole de communication
• Exigence de freinage
• Durée de fonctionnement quotidienne et cycle de service

Le moteur final doit satisfaire quatre choses à la fois :exigences de couple, de vitesse, d’inertie et de contrôle. Si l'un de ces éléments est ignoré, l'axe peut fonctionner lors d'un simple test mais ne pas parvenir à fournir des performances de production stables.

Un moteur bien adapté n’a pas besoin d’être le plus gros moteur adapté au module. Il doit fournir le mouvement requis avec une marge suffisante, un contrôle stable et un comportement thermique acceptable sur le cycle réel de la machine.