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Swarm Robotics: s’inspirer des abeilles et des oiseaux

Pourquoi existe-t-il autant de codeurs angulaires différents sur le marché? Pourquoi utilisent-ils différentes méthodes de numérisation et de mesure? Et lequel doit choisir un designer?

Pour répondre à ces questions, les ingénieurs d’Heidenhain ont mis en place un moteur couple commandé par un contrôleur CNC relié à quatre codeurs angulaires différents pour voir en quoi ils diffèrent. Les quatre codeurs angulaires absolus comprenaient un codeur optique scellé pour les tables rotatives et les têtes pivotantes; un codeur optique modulaire avec un tambour de balance en acier pour des tables rotatives à grand axe et des têtes pivotantes; un codeur magnétique modulaire tolérant à la contamination; et un codeur à bande graduée inductif compact.

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Le contrôleur a simulé des tâches de positionnement pour chaque codeur angulaire tandis que les techniciens analysaient comment la qualité du signal affecte les performances dynamiques et comment le principe de mesure affecte la précision. Ils ont également examiné comment l’utilisation des données du moteur, du codeur et du capteur pouvait améliorer la fiabilité du processus.

Cet appareil a été utilisé pour tester et évaluer les différents codeurs à l'aide d'un moteur couple TMB + d'ETEL.  La coupe montre les positions des différents codeurs angulaires absolus: (a) un Heidenhain RCN 8311, un codeur scellé typique pour tables rotatives et têtes pivotantes dans des machines-outils de haute précision;  (b) un Heidenhain ECA 4410, un codeur optique typique avec un tambour de balance en acier pour tables rotatives à grand axe et têtes pivotantes;  (c) un codeur magnétique Heidenhain ECM 2410;  et (d) le codeur inductif WMxA 1010 d'AMOS, une version à bande graduée compacte et tolérante à la contamination.Cet appareil a été utilisé pour tester et évaluer les différents codeurs à l’aide d’un moteur couple TMB + d’ETEL. La coupe montre les positions des différents codeurs angulaires absolus: (a) un Heidenhain RCN 8311, un codeur scellé typique pour les tables rotatives et les têtes pivotantes dans les machines-outils de haute précision; (b) un Heidenhain ECA 4410, un codeur optique typique avec un tambour de balance en acier pour tables rotatives à grand axe et têtes pivotantes; (c) un codeur magnétique Heidenhain ECM 2410; et (d) le codeur inductif WMxA 1010 d’AMOS, une version à bande graduée compacte et tolérante à la contamination.

Qualité du signal

Dans les moteurs à entraînement direct, la qualité du signal du codeur joue un rôle critique dans la quantité de bruit de courant électrique, qui affecte les performances dynamiques du moteur et la dissipation de puissance possible. Le bruit est un effet rétroactif des erreurs d’interpolation et affecte les performances dynamiques d’un axe. Les erreurs d’interpolation, à leur tour, sont des changements rapides de la valeur de position qui provoquent des erreurs dans le calcul du calcul de la vitesse. Ces erreurs conduisent à un bruit plus courant. Pour éviter l’instabilité du système d’entraînement, l’augmentation du bruit doit être contrecarrée en réduisant le gain de boucle, ce qui diminuera à son tour les performances dynamiques du moteur.

Le bruit affecte également un moteur comportement thermique. Les faibles niveaux de bruit se traduisent par une dissipation de puissance et des températures du moteur plus faibles. Les niveaux de bruit élevés, en revanche, augmentent la dissipation de puissance du moteur et augmentent considérablement sa température.

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L'image thermique en haut montre la température inférieure du moteur pour un codeur d'angle optique utilisé pour le contrôle de position par rapport aux températures plus élevées créées par un codeur non optique, comme on le voit en bas.L’image thermique en haut montre la température inférieure du moteur pour un codeur d’angle optique utilisé pour le contrôle de position par rapport aux températures plus élevées créées par un codeur non optique, comme on le voit en bas.

La comparaison du bruit de différents encodeurs révèle leurs différences de comportement. Les codeurs optiques produisent un bruit faible et constant, tandis que les codeurs magnétiques et inductifs produisent un bruit plus élevé et beaucoup plus hétérogène, même avec un filtre passe-bas. Cela fait des encodeurs optiques le meilleur choix pour tirer le meilleur parti du potentiel de performance d’un moteur et obtenir la meilleure qualité de surface.

Ce graphique montre les niveaux de bruit générés par les quatre codeurs différents.Ce graphique montre les niveaux de bruit générés par les quatre codeurs différents.

Position réelle par rapport à la position souhaitée

Le fait que la position réelle d’une table rotative coïncide ou non avec la position souhaitée peut être évalué sur la base d’une mesure statistique de la précision de positionnement conformément à la norme ISO 230-2. Cela nécessite cinq tours dans le sens des aiguilles d’une montre et cinq dans le sens inverse des aiguilles d’une montre de la table rotative, avec 12 mesures prises à 30 degrés. étapes sur chaque révolution.

Les paramètres clés pour l’évaluation des codeurs sont le paramètre A (la précision de position bidirectionnelle) et le paramètre M (la plage de l’écart de position bidirectionnel moyen). Le paramètre A est comparable à la précision d’un codeur angulaire et le paramètre M à la précision de la graduation, chacun prenant en compte l’erreur de l’application.

Ce graphique compare la précision bidirectionnelle du positionnement des codes et la plage de l'écart de position bidirectionnel moyen.  Les codeurs d'angle optiques RCN et ECA présentent un écart beaucoup moins important entre la position réelle et souhaitée que les codeurs magnétiques (ECM) et inductifs (WMxA).Ce graphique compare la précision bidirectionnelle du positionnement des codes et la plage de l’écart de position bidirectionnel moyen. Les codeurs d’angle optiques RCN et ECA présentent un écart beaucoup moins important entre la position réelle et souhaitée que les codeurs magnétiques (ECM) et inductifs (WMxA).

Pour évaluer la précision du contour à une vitesse maximale donnée, l’évaluation est allée au-delà des critères ISO 230-2 et a ajouté une précision dynamique de positionnement (désignée par la lettre D). Comme dans l’ISO 230-2, les mesures sont à nouveau effectuées sur cinq tours dans le sens des aiguilles d’une montre et cinq dans le sens inverse des aiguilles d’une montre de la table rotative. Cette fois, cependant, les mesures sont effectuées à une vitesse de balayage de 5 kHz et à une vitesse de 20 tr / min.

La mesure de la précision de positionnement dynamique à la précision de contournage révèle des écarts importants pour les codeurs angulaires inductifs. (La précision de contournage fait référence aux changements de précision mesurés à la vitesse en comparant la position souhaitée à la position réelle.) L’écart est un sous-produit du balayage inductif qui fait varier la précision avec la vitesse. En revanche, les codeurs optiques ne présentent pratiquement aucun écart entre les positions souhaitées et réelles. L’encodeur magnétique a montré des performances de niveau intermédiaire sans déviation extrême.

Ce graphique compare la précision dynamique du positionnement des codeurs, un paramètre qui détermine leurs précisions de contournage réalisables.  Il montre l'écart élevé pour le codeur inductif.Ce graphique compare la précision dynamique du positionnement des codeurs, un paramètre qui détermine leurs précisions de contournage réalisables. Il montre l’écart élevé du codeur inductif.

Protection du moteur

Les moteurs couple offrent des performances élevées dans un appareil compact. Mais la surchauffe est un risque si la distribution du courant dans les enroulements devient asymétrique lors de certaines opérations d’usinage, provoquant une montée en température d’un seul enroulement. L’envoi de données de capteur sur le comportement thermique autour du moteur au contrôleur protège le moteur et augmente la fiabilité et l’efficacité des processus d’usinage.

Le boîtier de capteur EIB 5200 de Heidenhain offre une protection intelligente du moteur pour le processus d'usinage.  Avec un câblage minimal, les données supplémentaires du système moteur sont immédiatement utilisables.Le boîtier de capteur EIB 5200 de Heidenhain offre une protection intelligente du moteur pour le processus d’usinage. Avec un câblage minimal, des données supplémentaires du système moteur sont immédiatement utilisables.

Le boîtier de capteur utilisé dans l’évaluation surveille les trois enroulements du moteur, fournissant les données de température pour une utilisation immédiate. Le boîtier est installé à côté du moteur et entre l’encodeur et le contrôleur. Si le modèle thermique du moteur est déjà connu, comme c’est le cas avec le moteur couple, le boîtier du capteur détecte rapidement les augmentations soudaines de température et évite d’endommager les enroulements du moteur et protège le moteur contre la surchauffe.

Le choix du bon codeur et l’utilisation des différentes données disponibles du processus d’usinage sont importants pour la fiabilité, la stabilité et la précision des processus d’usinage. Connaître les caractéristiques des différents encodeurs permet aux concepteurs et aux développeurs de choisir l’encodeur le plus adapté à une application. Après tout, choisir le bon encodeur n’est pas seulement une question de performances dynamiques et de précision; les concepteurs et les développeurs doivent également prendre en compte les facteurs liés à la conception tels que le diamètre de l’arbre et le montage, sans parler de la rentabilité.

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