Un curseur linéaire ne contrôle pas sa propre décélération.La commande de décélération est générée par un contrôleur de mouvement ou un API et exécutée par un servomoteur, un moteur et un mécanisme de transmission. Le curseur assure le guidage et le support de charge pendant que la table mobile ralentit.
Le termecurseur linéairepeut faire référence à un rail profilé avec un bloc de guidage adapté, ou à un arbre rond avec un bloc de roulement linéaire tel qu'une unité coulissante SCS, SBR ou TBR. Aucune des deux structures ne décide quand ni à quelle vitesse l’axe doit s’arrêter.
Dans la plupart des équipements servocommandés, la décélération normale est contrôlée avec un profil de mouvement trapézoïdal ou en forme de S. Le profil correct dépend de la vitesse de déplacement, de la masse en mouvement, de la distance d'arrêt disponible, des exigences de positionnement, de la rigidité de la machine et de la charge admissible sur le chariot, la transmission et le système d'entraînement.
Les butées mécaniques et les amortisseurs peuvent fournir une protection supplémentaire en fin de course, mais ils ne doivent normalement pas remplacer une décélération contrôlée à chaque cycle de production.
Que fait un curseur linéaire pendant la décélération ?
Un curseur linéaire est un composant de guidage passif. Ses fonctions principales sont de contraindre la table mobile à une trajectoire définie, de supporter les forces et les moments, et de maintenir un mouvement linéaire stable.
Dans un système de rails profilés, des billes ou des rouleaux en recirculation se déplacent entre le bloc de guidage et les chemins de roulement rectifiés avec précision. Dans un système à arbre rond, un roulement linéaire ou un bloc de roulement se déplace le long d'un arbre cylindrique. Les systèmes SBR et TBR utilisent des arbres ronds supportés pour améliorer la rigidité par rapport à un arbre totalement non supporté.
Bien que ces structures aient des capacités de charge et des rigidités différentes, le principe de contrôle est le même : le curseur guide la table tandis que d'autres parties de la machine génèrent la force de décélération.
Quel composant contrôle réellement la décélération ?
Un axe de mouvement linéaire complet contient normalement plusieurs composants qui travaillent ensemble pendant la décélération.
| Composant | Rôle lors de la décélération |
|---|---|
| Contrôleur de mouvement ou PLC | Génère la commande de vitesse, d'accélération, de décélération et d'à-coup |
| Servomoteur et moteur | Produire le couple nécessaire pour réduire la vitesse de l'axe |
| Vis à billes, courroie, crémaillère ou moteur linéaire | Transmettre la force contrôlée à la table mobile |
| Glissière à rail profilé ou à arbre rond | Guide la table et supporte les forces et moments générés lors de la décélération |
| Encodeur ou capteur de position | Fournit un retour de position et de vitesse à la boucle de contrôle |
| Fin de course et protection d'extrémité | Protéger le mécanisme lorsque le mouvement commandé dépasse la zone de déplacement normal |
Le changement du bloc linéaire, du boîtier de roulement ou du support d'arbre à lui seul ne crée pas un profil d'arrêt contrôlé. La commande de mouvement et la force de freinage doivent provenir du système d'entraînement.
Qu'est-ce qu'un profil de décélération trapézoïdale ?
Un profil de vitesse trapézoïdal utilise des segments d'accélération, de vitesse constante et de décélération constante à peu près constants. Lors de la décélération, l'accélération commandée passe de zéro à une valeur négative, reste approximativement constante et revient à zéro lorsque l'axe atteint sa position cible.
Ce profil est largement utilisé car il est simple et peut fournir des temps de cycle relativement courts. Il peut bien fonctionner lorsque la charge mobile est modérée, la structure de la machine est rigide et la transmission a un jeu ou une élasticité limités.
Le principal inconvénient est le changement rapide de l'accélération au début et à la fin de la rampe. Étant donné que l'à-coup est la vitesse à laquelle l'accélération change, un profil trapézoïdal idéal produit un à-coup élevé à ces points de transition.
Les secousses élevées peuvent provoquer des vibrations dans la table mobile, la pièce à usiner, les supports d'arbre, les blocs de guidage, l'accouplement ou le châssis de la machine. L'axe peut atteindre la position commandée mais nécessite toujours un temps de stabilisation supplémentaire avant que l'opération suivante puisse commencer.
Un profil trapézoïdal n'est pas forcément dur si la décélération programmée est modérée. Les problèmes apparaissent généralement lorsque des réglages agressifs sont combinés à une table lourde, une structure flexible, une longue portée d'arbre, un porte-à-faux important ou un espacement insuffisant des curseurs.
Comment une courbe en S réduit-elle les chocs mécaniques ?
Un profil de courbe en S limite la rapidité avec laquelle l'accélération change. Au lieu d'appliquer la décélération complète presque immédiatement, il augmente progressivement la décélération, la maintient selon les besoins, puis la ramène progressivement à zéro.
Le jerk s'exprime comme suit :
j = da/dt
Où j est l'à-coup en m/s³, a est l'accélération ou la décélération en m/s² et t est le temps en secondes.
La limitation des à-coups réduit les changements brusques de la force d'inertie. Ceci est utile pour l'automatisation à grande vitesse, les équipements d'inspection, les pièces fragiles, la manipulation de liquides, les charges élevées et les systèmes avec des cadres flexibles ou de longs porte-à-faux.
Les systèmes à arbre rond peuvent également bénéficier d'une courbe en S lorsque des changements d'accélération rapides provoquent une déflexion ou des vibrations de l'arbre. Ceci est particulièrement pertinent lorsque l'arbre a une longue portée non supportée ou lorsque la charge mobile est positionnée bien au-dessus de l'axe central de l'arbre.
Le compromis est qu'une courbe en S peut nécessiter plus de temps ou de distance qu'un profil trapézoïdal lorsque les deux sont limités à la même décélération maximale. Il doit donc être calculé dans la course disponible au lieu d'être sélectionné uniquement parce qu'il produit un mouvement plus fluide.
Comment calculer le temps de décélération et la distance d’arrêt ?
Pour un premier calcul à décélération constante, le temps d’arrêt peut être estimé avec :
t = v / une
La distance de décélération correspondante est :
s = v² / (2a)
Ici, v est la vitesse initiale en m/s, a est l'ampleur de la décélération en m/s², t est le temps de décélération en secondes et s est la distance en mètres.
Considérons un axe se déplaçant à 1 m/s avec une décélération programmée de 2 m/s² :
t = 1 / 2 = 0,5 s
s = 1² / (2 × 2) = 0,25 m
La distance de décélération théorique est donc de 250 mm. Ce calcul n'inclut pas le délai de réponse du contrôleur, le délai du capteur, la réponse du variateur, l'erreur de poursuite du servo, la conformité mécanique ou une marge de conception.
Si le délai de réponse combiné avant le début de la décélération contrôlée est de 30 ms, la table mobile parcourt :
sretard= v × tretard= 1 × 0,03 = 0,03 m = 30 mm
Le total préliminaire est déjà passé de 250 mm à 280 mm avant d'ajouter une marge de conception. Un profil en courbe en S peut nécessiter une distance supplémentaire car la valeur de décélération complète n'est pas appliquée immédiatement.
Comment la décélération affecte-t-elle la charge du curseur ?
La décélération génère une force d'inertie proportionnelle à la masse totale en mouvement :
F = m × une
Si une table de 100 kg décélère à 2 m/s², la force d'inertie idéale est :
F = 100 × 2 = 200 N
Ces 200 N ne se répartissent pas automatiquement de manière égale entre les curseurs. La répartition réelle de la charge dépend du nombre de rails ou d'arbres, de l'espacement des curseurs, de la position du centre de gravité, de la position de la force motrice, de la rigidité de la table et de la précision du montage.
Si le centre de gravité est situé à une distance verticale h au-dessus du plan de guidage, la force d'inertie crée un moment de tangage :
M = F × h
Pour la même force de 200 N et une hauteur du centre de gravité de 0,30 m, le moment de tangage est :
M = 200 × 0,30 = 60 N·m
Ce moment peut charger les curseurs avant et arrière de manière très différente. Une sélection basée uniquement sur le poids vertical de la table ne prendrait pas en compte la charge de décélération supplémentaire.
Systèmes coulissants à rail profilé
Dans un système de rails profilés, la force et le moment d'inertie doivent être répartis entre les blocs de guidage en fonction de l'espacement des rails, de l'espacement des blocs et de la position du centre de gravité. Les charges calculées doivent être comparées à la charge statique nominale du bloc correspondant et aux moments statiques admissibles.
Un bloc peut avoir une capacité de charge radiale suffisante mais être néanmoins inadapté à un moment de tangage, de lacet ou de roulis important. L'augmentation de la distance entre les blocs peut souvent réduire la charge provoquée par un moment donné.
Systèmes coulissants à arbre rond
Dans un système à arbre rond, la même force d'inertie agit sur les roulements linéaires, les boîtiers en aluminium, les supports d'arbre et les arbres. Le système doit être vérifié pour la charge des roulements, la rigidité du boîtier, la flexion de l'arbre et la charge des boulons de support.
Un arbre rond non supporté peut fléchir plus sensiblement lors d'une décélération rapide, en particulier lorsque sa portée est longue ou que la charge est décalée par rapport à l'axe de l'arbre. Les rails SBR ou TBR supportés offrent généralement une plus grande rigidité en flexion car l'arbre est soutenu de manière continue ou étroite sur toute sa longueur.
Pour les deux structures, le fournisseur a besoin de la masse mobile réelle, de la vitesse, de l'accélération, de l'espacement des curseurs et de la position du centre de gravité. Le nom du produit à lui seul ne suffit pas à vérifier son adéquation.
Pourquoi la vitesse a-t-elle un effet important sur les exigences d’arrêt ?
L'énergie cinétique augmente avec le carré de la vitesse :
ETk= ½mv²
Doubler la masse en mouvement double l'énergie cinétique de translation. Doubler la vitesse l’augmente d’un facteur quatre. Une augmentation relativement faible de la vitesse de fonctionnement peut donc créer une demande beaucoup plus importante sur le moteur, l'entraînement, la transmission et la protection de fin de course.
Pour un axe entraîné par vis à billes, l'inertie de rotation de la vis, de l'accouplement et du moteur doit également être prise en compte. Une vis à billes longue ou de grand diamètre peut stocker une énergie de rotation substantielle même lorsque la table mobile est relativement légère.
Quel est le rôle du freinage et de la régénération des servos ?
Lors d'une décélération contrôlée, un servomoteur peut agir comme un générateur. L'énergie renvoyée par le moteur augmente la tension du bus CC dans le servovariateur. Selon la conception du variateur, cette énergie peut être dissipée via une résistance de freinage, partagée avec d'autres axes ou renvoyée vers l'alimentation électrique par une unité de récupération.
Cette gestion de l'énergie électrique est importante lorsque la masse en mouvement est importante, la vitesse est élevée, l'axe est vertical ou les décélérations sont fréquentes. Il s'agit d'un problème de système d'entraînement plutôt que d'une caractéristique du bloc de guidage linéaire ou du curseur à roulement à arbre rond.
Un frein de maintien du moteur ne doit pas automatiquement être traité comme un frein de service. Sur de nombreux systèmes d'asservissement, le frein est conçu pour maintenir une charge verticale stationnaire une fois le mouvement arrêté. Sa capacité à effectuer un arrêt dynamique doit être confirmée à partir des spécifications du moteur et du frein.
Qu’en est-il des systèmes coulissants pneumatiques et hydrauliques ?
Tous les systèmes de curseurs linéaires ne sont pas servocommandés. Un curseur peut être déplacé par un vérin pneumatique ou un actionneur hydraulique. Dans ces systèmes, la décélération peut être influencée par le contrôle des soupapes, la restriction du débit, l'amortissement des cylindres et les amortisseurs externes.
Le curseur ne génère toujours pas la commande de décélération. Il guide ou soutient la charge en mouvement tandis que le vérin et le système de contrôle du débit réduisent sa vitesse.
La compressibilité pneumatique peut rendre le comportement d'arrêt sensible à la charge, à la pression et à la vitesse. L'amortissement de l'extrémité du cylindre peut réduire l'impact vers la fin de la course, mais il doit être ajusté en fonction de la masse mobile réelle et de la pression de fonctionnement. Les systèmes hydrauliques offrent généralement une plus grande rigidité mais nécessitent néanmoins un contrôle approprié du débit et de la pression.
Les amortisseurs et les butées mécaniques sont-ils des contrôles de décélération ?
Un amortisseur industriel peut convertir l'énergie cinétique en chaleur sur une course contrôlée. Il est souvent utilisé comme protection de fin de course ou dans le cadre d'un mécanisme spécialement conçu pour l'arrêt mécanique.
Une butée mécanique rigide fournit une limite de déplacement finale mais dissipe l'énergie sur une très courte distance. L'enfoncement répété d'une table dans une butée rigide peut endommager les chemins de roulement, augmenter la déflexion de l'arbre, desserrer les boulons de montage et réduire la précision du positionnement.
Pour un axe de positionnement asservi, les arrêts normaux de production doivent généralement être complétés par le profil de mouvement programmé avant que le curseur n'atteigne la protection d'extrémité. Un amortisseur doit être sélectionné en fonction de la masse mobile effective, de la vitesse d'impact, de l'énergie par cycle, de la fréquence du cycle et de la course d'absorption disponible.
La décélération normale n'est pas la même chose qu'un arrêt d'urgence
La décélération normale fait partie du mouvement de production commandé. Le contrôleur connaît la position cible et planifie un profil de vitesse reproductible dans les limites mécaniques normales.
Un arrêt d'urgence répond à une condition anormale ou dangereuse. Son comportement dépend de l'évaluation des risques de la machine, de l'architecture de contrôle, des fonctions de sécurité de conduite, de la disposition des freins et de la distance d'arrêt disponible. Il ne faut pas le concevoir en entrant simplement la valeur de décélération la plus grande possible.
Pour une discussion détaillée des conditions d'arrêt anormales, lisezComment garantir les performances d'arrêt d'urgence dans un système de guidage linéaire ?
Comment sélectionner un profil de décélération ?
Commencez par la vitesse de fonctionnement maximale, la masse totale en mouvement et la distance disponible entre le point de décélération normale et la limite de déplacement. Calculez la distance d'arrêt théorique, puis incluez la réponse du contrôleur, la réponse du variateur, la distance de transition de la courbe en S, la conformité mécanique et une marge d'ingénierie appropriée.
Ensuite, calculez la force et le moment d'inertie provoqués par le décalage du centre de gravité. Vérifiez les charges des curseurs, la force de transmission, le couple du moteur, la rigidité de l'arbre ou du rail, la structure de support, la charge d'accouplement et la capacité de traitement d'énergie du variateur.
Les réglages finaux doivent être vérifiés sur la machine assemblée. Observez le courant du moteur, l'erreur de suivi, la position d'arrêt, les vibrations et le temps de stabilisation. Vérifiez également si les curseurs produisent un bruit anormal ou si les arbres, rails, supports ou table de montage bougent lors de la décélération.
Si l'axe s'arrête dans la distance requise mais oscille après avoir atteint la cible, une courbe en S limitée aux à-coups, une décélération plus faible, une rigidité structurelle améliorée, une portée d'arbre plus courte ou un espacement plus large des curseurs peuvent être plus efficaces que la simple augmentation du gain du servo.
Quelles informations sont nécessaires pour sélectionner le curseur ?
Un fournisseur de curseurs n'a pas besoin de programmer le système de contrôle pour évaluer les composants mécaniques. Cependant, le fournisseur a besoin des paramètres de mouvement car la décélération modifie la charge appliquée à la structure de guidage.
- Rail profilé, arbre rond, arbre supporté ou structure modulaire
- Vitesse de déplacement maximale
- Accélération et décélération
- Masse totale en mouvement
- Position du centre de gravité
- Espacement des rails ou des arbres
- Distance entre les curseurs
- Course et distance d'arrêt disponible
- Type de variateur et orientation de montage
- Précision requise et environnement opérationnel
DLY fournit différentscurseur linéairestructures, y compris les blocs de guidage sur rail profilé, les patins à roulements linéaires et les unités de roulements SBR, TBR et SCS. La direction correcte du produit doit être confirmée à partir de la structure du rail ou de l'arbre avant de calculer la capacité de charge.
Réponse finale
La méthode habituelle de contrôle de décélération pour un système de curseur linéaire servo-entraîné est un profil de mouvement trapézoïdal ou en forme de S programmé. Le contrôleur définit la décélération et les à-coups, tandis que le moteur et la transmission génèrent la force nécessaire pour ralentir la table en mouvement.
Dans les systèmes pneumatiques ou hydrauliques, la décélération est contrôlée par l'actionneur, la vanne, le contrôle de débit, l'amortissement ou un dispositif externe d'absorption d'énergie. Le curseur lui-même ne fournit pas la commande de freinage.
Que la machine utilise un bloc de rail profilé ou un patin à roulement à arbre rond, les composants de guidage doivent résister aux forces d'inertie, aux moments, à la déflexion et aux vibrations produits lors de l'arrêt. Une conception fiable nécessite donc que le curseur, l'entraînement, la transmission, la charge mobile et le profil de commande soient évalués comme un seul système.
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Zhejiang DLY Automation Manufacturing Co., Ltd. fournit des blocs de guidage sur rail profilé, des curseurs à roulement linéaire, des unités à arbre rond supportées, des vis à billes et des composants à mouvement linéaire associés. Pour la sélection des composants, veuillez fournir le type de rail ou d'arbre, la masse en mouvement, la vitesse maximale, l'accélération et la décélération, la course, l'espacement des curseurs, la position du centre de gravité, la précision requise et l'environnement d'exploitation. La programmation des commandes et les fonctions de sécurité de la machine doivent être confirmées avec les concepteurs du système de contrôle et de la machine.
