Systèmes d´entraînement – le succès des approches interdisciplinaires

La technologie des entraînements est un facteur essentiel de la performance des machines, des robots et des appareils portatifs. Cependant, de nombreux aspects doivent être pris en considération en plus de la simple conception et du choix du moteur. Une réflexion interdisciplinaire, des connaissances spécifiques en ingénierie, une expérience poussée et une compréhension claire des exigences sont des facteurs essentiels.

Tout progrès technologique, quel qu´il soit, doit être axé sur l´application qu´il a en ligne de mire. À un certain point, l´amélioration des caractéristiques de performance ou les nouvelles technologies doivent déboucher sur des résultats sous la forme d´une qualité améliorée et/ou de coûts réduits. En matière de technique d´entraînement destinée aux machines et aux appareils portatifs, cela signifie:

• Une dynamique améliorée augmente le rendement de production.
• Une commande d´entraînement plus rapide améliore la précision et la qualité du produit.
• Un système d´entraînement plus efficace augmente l´efficacité énergétique de l´ensemble du système.

Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire de sélectionner les systèmes d´entraînement en fonction de l´application et de ses exigences.

La vue globale

La première étape de la spécification et de l´optimisation d´un système d´entraînement consiste à analyser et à hiérarchiser les exigences techniques et commerciales du système final, qu'il s'agisse d'une machine, d'un robot ou d'un appareil portatif. Il est difficile d'éviter de se focaliser sur son propre domaine d´expertise, ce qui éclipse alors la vue d´ensemble. Normalement, la sélection de l´entraînement s´effectue en ingénierie. Mais la performance, le coût et les limites d´une solution d´entraînement dépendent d´une multitude de facteurs ainsi que d´autres composants du système. Il est donc essentiel de conjuguer le savoir-faire d´experts de différents domaines pendant la phase de développement et de conceptualisation.

Des pôles d´expertise

L´approche systémique et l´interdisciplinarité sont deux facteurs clés du succès qu'il s'agit de prendre en compte depuis l´élaboration du concept jusqu´à sa mise en œuvre dans la production de masse. Il est souvent impossible de couvrir tous les domaines de compétences en interne de la même manière. Des partenaires externes disposant d´une vaste expérience permettent alors un échange d´idées large et interdisciplinaire. Idéalement, le partenaire doit être également en mesure d´assumer la responsabilité du développement et de la production de systèmes partiels, de réduire les risques de développement et d´accélérer la mise sur le marché.

maxon = systèmes d´entraînement et ingénierie

Avec plus de 50 ans d´expérience et de 2 800 collaborateurs dans le monde entier, maxon dispose d´un savoir-faire qui dépasse largement le moteur d´entraînement «pur». Avec un développement et une production en interne, la gamme maxon comprend des moteurs à courant continu avec et sans balais, des réducteurs, des broches, des codeurs, des contrôleurs de moteurs, des contrôleurs maîtres et des systèmes de gestion de batteries. Les composants maxon et les systèmes d´entraînement personnalisés sont utilisés dans la robotique, la technique médicale et de laboratoire, l´automation industrielle, l´industrie automobile et les applications spatiales de la Terre à Mars. Dans de nombreux projets, le facteur clé n´est pas uniquement l'étendue de la gamme de produits, mais aussi l´interdisciplinarité et l´expérience approfondie des équipes de maxon, et la possibilité de développer des solutions d´entraînement entièrement nouvelles. Les experts maxon des moteurs, des réducteurs, de l'électronique et de commande sont à l´écoute dès les premières étapes de la discussion et connaissent les exigences de tous les domaines d´application. En examinant les différents composants et leurs facteurs d´influence, vous comprendrez pourquoi il est important de couvrir différents domaines d´expertise pour un système d´entraînement.

Le maître

Une «intelligence» de niveau supérieur, appelée maître, transmet les ordres de mouvement au contrôleur moteur et interroge les informations de processus (par ex. le couple, la vitesse, la position, l'état).

• La répartition des tâches entre le maître et le contrôleur moteur est essentielle pour évaluer les performances requises et sélectionner le maître, le contrôleur de moteur et l´interface de communication.
• Si un échange de données cyclique rapide (par ex. toutes les millisecondes) est nécessaire dans les machines, un maître à système d´exploitation en temps réel (par ex. API) et une interface rapide (par ex. CAN, EtherCAT) s´imposent.
• Si des séquences de mouvements complexes peuvent être préconfigurées et exécutées de manière autonome dans le contrôleur moteur, il suffit d´utiliser un PC (courant dans l´automatisation de laboratoire) ou un microcontrôleur (comme dans les appareils portatifs, par exemple les tournevis et les forets d´automatisation industrielle ou de génie médical).

maxon: moteurs DC/BLDC et contrôleurs de positionnement.

Le contrôleur moteur

Le contrôleur moteur est le lien entre le maître et les moteurs qui lui sont subordonnés, ainsi que les dispositifs de retour (par ex. les codeurs). Les contrôleurs et l´étage de puissance sont utilisés pour convertir les commandes de courant, de vitesse et de position en tensions et courants, dans les phases du moteur.

• Les cycles de régulation rapides et les algorithmes complexes permettent des mouvements d´entraînement précis et dynamiques.
• Les étages de puissance à la pointe de la technologie fournissent les courants de pointe nécessaires à une accélération rapide. Ils disposent d'une grande efficacité énergétique. Le moteur et les filtres de signaux intégrés améliorent la compatibilité électromagnétique (CEM) et l´immunité au bruit.

Le codeur

Les commandes de vitesse et de positionnement ont besoin de dispositifs de rétroaction (appelés codeurs ou échelles linéaires) pour renvoyer des informations concernant la position réelle du moteur et/ou de l´arbre de sortie.

• La résolution et l´emplacement de ces systèmes de mesure déterminent les limites de précision théoriques du positionnement.

Le moteur

Le moteur convertit l´énergie électrique en énergie mécanique, par exemple en mouvement ou en couple.

• Les moteurs DC ou BLDC à capacité de surcharge élevée peuvent être compacts car des couples élevés sont disponibles à court terme pour les phases d´accélération dynamique.
• Les moteurs à faible inertie de rotor réduisent le couple nécessaire pour accélérer le rotor, augmentant ainsi l´efficacité énergétique et la dynamique.
• Un rendement moteur élevé améliore donc l´efficacité énergétique globale et réduit la production de chaleur, ce qui est un facteur important, en particulier pour les appareils portatifs.

Le réducteur

La précision, le jeu, l´élasticité et l´efficacité du réducteur et des ensembles mécaniques...

• ... déterminent la précision du positionnement de la sortie.
• ... ont un impact sur la dynamique, par exemple le temps nécessaire pour que la position cible soit atteinte et stabilisée.
• ... jouent un rôle dans l´efficacité énergétique.

Le défi de l´intégration

Afin d´intégrer tous les composants dans une unité aussi compacte que possible, il est nécessaire de considérer les contraintes thermiques du chauffage mutuel sous charge. Pour éviter des modifications coûteuses, il est nécessaire d'effectuer les calculs des points de fonctionnement et les évaluations thermiques du moteur électrique et de l´électronique dès le début de la phase de validation du concept.

Le défi du fonctionnement sur batterie

Les applications fonctionnant sur batterie exigent des compétences en matière d´optimisation de l´efficacité énergétique et de gestion des batteries.

maxon Door Drive: moteur BLDC, réducteur, codeur, contrôleur de positionnement intégré dans une unité compacte.

Exemple: système d´entraînement de porte intégré

Des milliards de personnes prennent l´ascenseur chaque jour. Outre l´entraînement principal, les ascenseurs exigent des entraînements de porte compacts installés dans l´espace restreint se trouvant au-dessus de la porte. Ces entraînements «intelligents» reçoivent des commandes d´ouverture et de fermeture via un système de bus. Ils doivent exécuter ces instructions de manière fiable et répondre à des exigences de sécurité strictes.

En collaboration avec un grand fabricant d´ascenseurs, maxon a développé le Door Drive capable de déplacer des portes pesant jusqu´à 400 kg. Ce système d´entraînement silencieux et économe en énergie intègre en une unité compacte un moteur EC 90 flat à couple élevé avec codeur, une transmission par courroie en option ainsi qu´un contrôleur de positionnement EPOS. L´échange de données s´effectue via CAN. Des algorithmes spécifiques de contrôle et de surveillance de la force assurent un mouvement fluide mais dynamique de la porte, un positionnement précis et une protection anti-contusion.

maxon a conçu et développé le système en collaboration avec un client, réunissant le savoir-faire interdisciplinaire d´experts en technique d´application et de sécurité, en construction, en contrôleurs, en développement électronique, en thermodynamique et en informatique. Il est impossible d'obtenir de telles solutions en se contenant de combiner des composants individuels, elles présupposent au contraire la capacité d'élaborer une nouvelle solution d´entraînement pour un cas d´application précis. maxon est le partenaire idéal en ce qui concerne les systèmes d´entraînement, les contrôleurs et la gestion des batteries.

N´hésitez pas à partager vos réactions dans la section des commentaires ci-dessous.