Conception électrique

La conception d’une machine 100 % électrique repose sur le choix d’actionneurs pour satisfaire toutes les contraintes cinématiques du procédé. La définition des motorisations des trois axes de la machine est abordée ci-dessous.

5.2.2.1. Rotation

Le mouvement de rotation appliqué à l’outil doit habituellement satisfaire la simple exigence d’une vitesse de rotation constante réglable. La solution technique classique adoptée est l’emploi d’un motoréducteur couplé à la broche avec une transmission par chaîne. Les performances de ce type de moteur conviennent pour les systèmes courants. Le tableau 18 présente les principales caractéristiques nécessaires au bon fonctionnement de la machine prototype pour les cycles spéciaux.

Tableau 18 : Cahier des charges actionneur de rotation.

Performances des systèmes courants Cahier des charges du prototype

Fréquence de rotation 100 à 350 tr/min Fréquence de rotation 0 à 450 tr/min

Couple nominal 50 Nm Couple nominal 120 Nm

Couple maximal 90 Nm Couple maximal 150 Nm

Accélération démarrage/arrêt 370 rad/s²

Les contraintes du fonctionnement de l’asservissement de l’angle de rodage sont les plus rudes. La suppression des traces d’inversion passe par la synchronisation de la vitesse de battement et

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de la vitesse de rotation pour respecter l’angle. Dans le cas d’une synchronisation maître- esclave, l’axe de rotation esclave doit ralentir momentanément à chaque ralentissement de l’axe de battement. La différence entre les deux modes de fonctionnement de la rotation est schématisée figure 126.

Figure 126 : Contraintes dynamiques de l’actionneur de rotation.

Pour satisfaire les besoins des méthodes de rodage avec pilotage de la trajectoire des pierres, le moteur de rotation doit disposer d’un couple maximum à petite vitesse. La solution technique la mieux adaptée réside dans l’implantation d’un moteur couple directement sur l’axe de la broche sans réducteur. Ce type de moteur, décrit figure 127, permet de disposer du couple maximal même à rotation nulle. Le positionnement est extrêmement précis et la vitesse maximale de rotation est suffisante pour notre application.

Figure 127 : Principe du moteur couple.

Le choix entre les différents moteurs couple du marché a été réalisé parmi trois fournisseurs. Les trois fournisseurs proposant dans leur gamme un produit adapté à nos exigences sont mentionnés dans le comparatif des devis en ANNEXE VIII.

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5.2.2.2. Battement

La loi de mouvement qui régit le battement est particulièrement dynamique, l’inversion de la vitesse en bout de course implique une forte accélération. Traditionnellement, l’actionneur linéaire est un vérin hydraulique piloté en position. Ce système performant implique l’implantation d’un groupe hydraulique qui génère la pression. Les performances techniques des systèmes courants sont recensées dans le tableau 19. D’une part, cette technologie n’est pas appropriée au pilotage en trajectoire des axes de rotation et de battement, d’autre part elle ne satisfait pas l’exigence d’une machine 100 % électrique. Deux types d’actionneurs électriques peuvent générer ce type de mouvement : les vérins électromécaniques équipés d’une vis à billes ou à rouleaux et les moteurs linéaires.

Tableau 19 : Cahier des charges de l’actionneur linéaire de battement. Performances des systèmes courants Cahier des charges du prototype

Vitesse de battement De 5 à 35 m/min Vitesse de battement De 0 à 60 m/min

Force nominale 1000 N Force nominale 1000 N

Accélération d’inversion Maximum 25 m/s²

Accélération d’inversion Jusqu’à 50 m/s² Précision positionnement 0,01 mm

Les vis à billes ne sont pas adaptées à une sollicitation aussi élevée. La vis doit être dimensionnée pour supporter les charges à l’inversion. Le compromis entre résistance et inertie révèle que l’emploi de vis hautes capacités ne permettra pas d’atteindre les performances désirées.

Les moteurs linéaires se présentent sous deux formes comme le montre la figure 128. Finalement, la solution technique adoptée est le moteur linéaire à noyau ferreux et rail d’aimant permanent. Il satisfait pleinement le cahier des charges et va même au-delà des performances désirées. La vitesse linéaire peut atteindre 120m/min. Pour la machine expérimentale, l’emploi d’un moteur linéaire standard avec guidage et capteur intégré dans un boitier facilite grandement l’intégration mécanique et le coût de développement.

Figure 128 : Principe du moteur linéaire.

Le choix entre les différents moteurs linéaires du marché a été réalisé parmi 3 fournisseurs. Les trois fournisseurs proposant dans leur gamme un produit adapté à nos exigences sont mentionnés dans le comparatif des devis en ANNEXE VIII.

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5.2.2.3. Expansion

L’axe d’expansion requiert des performances particulières pour satisfaire le cahier des charges de la machine prototype. Il doit pouvoir réaliser les deux fonctions des deux systèmes courants reportés dans le tableau 20. Les contraintes physiques de l’expansion au cours d’un cycle de rodage sont représentées figure 129.

Tableau 20 : Cahier des charges de l’actionneur d’expansion. Performances des systèmes

électromécaniques courants Cahier des charges du prototype

Vitesse de sortie de tige De 1 à 8000 µm/s Vitesse de sortie de tige De 0 à 3000 µm/s

Incrément minimal 1,2 µm Incrément minimal 0,3 µm

Force maximale 9000 N Force poussée de tige De 15 à 9000 N

Performances des systèmes hydrauliques courants

Écart sur la force toléré +/- 10 N Force poussée de tige De 15 à 5000 N

Vitesse à vide De 20 à 3000 µm/s

Figure 129 : Contraintes dimensionnant l’actionneur d’expansion.

Le cahier des charges de l’actionneur d’expansion a été défini lors de la conception de la broche de rodage dont la démarche est présentée en ANNEXE VI. La solution matérielle existante consiste à combiner un vérin électromécanique et un capteur de force en bout de celui-ci. Le pilotage en force s’effectue en bouclant la commande sur le capteur de force comme le montre la figure 130.

Figure 130 : Principe de l’asservissement de la force de rodage.

Le choix entre les différents vérins électromécaniques du marché a été réalisé parmi trois fournisseurs. Les trois fournisseurs proposant dans leur gamme un produit adapté à nos exigences sont mentionnés dans le comparatif des devis en ANNEXE VIII.