Moteur à entraînement direct ou plateforme rotative creuse : comment choisir la solution de mouvement rotatif adaptée aux équipements d’automatisation

Dans les secteurs de la fabrication 3C, des équipements pour semi-conducteurs, du contrôle de précision, du traitement laser, des machines-outils et des systèmes d'assemblage automatisés, le choix d'un axe rotatif ne se résume pas au choix d'un moteur.

Un système de mouvement rotatif complet doit prendre en compte le couple, la vitesse, la précision de positionnement, l'inertie de la charge, la rigidité, le temps de réponse, le cheminement des câbles, l'espace d'installation et la stabilité de fonctionnement à long terme.

C’est pourquoi les concepteurs d’équipements sont souvent confrontés à une question fondamentale :

La charge rotative doit-elle être entraînée directement par un moteur à entraînement direct , ou faut-il utiliser une plateforme rotative creuse pour obtenir un couple de sortie plus élevé grâce à un mécanisme de réduction de précision intégré ?

Pour certaines applications, d'autres solutions telles que les actionneurs rotatifs harmoniques et les réducteurs planétaires de précision peuvent également être envisagées.

La bonne approche consiste à ne pas décider d'avance qu'une machine doit utiliser un moteur à entraînement direct ou une plateforme rotative creuse. Il convient plutôt d'analyser d'abord les exigences du mouvement rotatif, puis de sélectionner l'architecture mécanique appropriée.

Commencez par définir ce que l'axe rotatif doit réaliser.

Un axe rotatif peut sembler similaire de l'extérieur, mais sa fonction réelle peut être complètement différente selon la machine.

Par exemple, une platine rotative dans un équipement d'inspection de semi-conducteurs peut exiger un positionnement angulaire extrêmement stable et un balayage à grande vitesse. Une table rotative multi-stations dans une machine d'assemblage 3C peut privilégier le temps de cycle, la capacité de charge et la répétabilité. Un système de traitement laser peut nécessiter une rotation continue et un contrôle précis de la trajectoire, tandis qu'une machine-outil à quatre axes peut privilégier la rigidité, la capacité de charge et la résistance aux forces de coupe.

Tous ces systèmes nécessitent un mouvement rotatif, mais ils ne requièrent pas nécessairement la même solution.

La première étape du choix d'un axe rotatif doit donc consister à établir un profil de mouvement complet.

Le concepteur de l'équipement doit comprendre la charge, le moment d'inertie, l'angle de rotation requis, la vitesse maximale, le temps d'accélération, le temps de stabilisation et les heures de fonctionnement quotidiennes.

Une fois ces paramètres clarifiés, le choix entre un moteur à entraînement direct et une plateforme rotative creuse devient beaucoup plus pertinent.

Lorsque la priorité est une réponse dynamique élevée, le moteur à entraînement direct présente un avantage certain.

L'avantage fondamental d'un moteur à entraînement direct réside dans le fait que le moteur est directement connecté à la charge.

Il n'y a ni boîte de vitesses, ni courroie de distribution, ni transmission par engrenage intermédiaire entre le moteur et le composant entraîné.

Cette architecture est particulièrement adaptée aux équipements où la trajectoire de mouvement elle-même est cruciale.

Prenons l'exemple d'une platine rotative qui doit effectuer des balayages répétés à grande vitesse :

rotation, décélération, inversion, puis nouvelle accélération.

Plus le trajet de transmission mécanique est court, plus le système de commande peut agir directement sur la charge.

Pour les mouvements alternatifs à haute fréquence, un moteur à entraînement direct peut réduire l'influence du jeu mécanique, de la déformation élastique et de la dynamique de transmission sur le contrôle du mouvement.

C’est l’une des principales raisons pour lesquelles les moteurs à entraînement direct sont envisagés pour les axes rotatifs de haute précision dynamique.

Cependant, la valeur d'un moteur à entraînement direct ne réside pas uniquement dans sa « haute précision ».

Plus important encore, il permet au moteur, à l'encodeur et à la charge de former un système de contrôle de mouvement en boucle fermée plus direct.

Cette architecture peut s'avérer particulièrement précieuse lorsqu'une machine nécessite un balayage continu, un indexage à grande vitesse ou des mouvements bidirectionnels fréquents.

Lorsque l'inertie, la rigidité et l'intégration modulaire sont importantes, une plateforme rotative creuse peut s'avérer plus appropriée.

Tous les axes rotatifs ne nécessitent pas des performances dynamiques extrêmes.

De nombreuses machines automatisées suivent une séquence de mouvements relativement simple :

La pièce entre dans le poste, pivote jusqu'à un angle spécifié, s'arrête, effectue l'assemblage ou le contrôle, puis passe au poste suivant.

Pour ce type d'équipement, les exigences réelles peuvent être les suivantes :

grande capacité de charge, inertie élevée, rigidité élevée, acheminement centralisé des câbles et temps de développement des équipements plus court.

Une plateforme rotative creuse peut constituer une solution plus pratique dans ces situations.

Une plateforme rotative creuse intègre généralement l'interface moteur, le mécanisme de réduction de précision, le roulement de sortie et la structure creuse dans un module compact.

Au lieu de concevoir l'ensemble :

• structure de montage du moteur

• mécanisme de réduction

• palier de sortie

• système de support rotatif

Le fabricant de l'équipement peut sélectionner une plateforme adaptée en fonction de la charge, de la vitesse, du rapport de réduction et des dimensions d'installation requis.

Ceci est particulièrement précieux pour les équipements automatisés qui doivent être reproduits en grande quantité.

Pour les fabricants d'équipements, la véritable préoccupation ne se limite souvent pas au prix d'achat des composants, mais inclut également :

• temps de conception mécanique

• temps d'assemblage

• temps de mise en service

• Délai de livraison final du matériel.

De ce point de vue, une plateforme rotative creuse est essentiellement une solution de mouvement rotatif modulaire.

Ne jugez pas la solution uniquement sur sa précision.

Une erreur fréquente dans le choix d'un axe rotatif consiste à supposer :

« Plus les exigences de précision sont élevées, plus un moteur à entraînement direct doit être approprié. »

Ce n'est pas toujours vrai.

Par exemple, une machine d'assemblage 3C à plusieurs stations peut avoir besoin de pivoter vers plusieurs positions et de rester stable à chaque station.

Ses véritables priorités pourraient être :

• répétabilité

• stabilité de la charge

• rigidité rotative

• temps de cycle.

Si une plateforme rotative creuse peut déjà répondre à ces exigences, il peut y avoir peu de justification à ajouter de la complexité au système simplement pour atteindre des performances dynamiques théoriques plus élevées.

En revanche, si la machine doit maintenir un mouvement très précis lors d'une rotation continue, comme pour la numérisation, l'inspection visuelle ou le traitement laser, l'architecture à entraînement direct d'un moteur à entraînement direct peut offrir des avantages significatifs.

Par conséquent, la question de sélection devrait être modifiée comme suit :

« Quel produit offre la plus grande précision ? »

à:

« L’axe rotatif assure-t-il principalement le positionnement, ou effectue-t-il un contrôle de mouvement continu ? »

Ce sont des exigences de conception fondamentalement différentes.

Pour les charges rotatives à forte inertie, évaluer l'ensemble du système de mouvement.

Supposons qu'une machine automatisée doive entraîner une table rotative relativement grande.

La table elle-même n'est peut-être pas extrêmement lourde, mais comme une partie importante de sa masse est située loin du centre de rotation, son moment d'inertie peut devenir considérable.

Dans cette situation, se baser uniquement sur le couple nominal du moteur ne suffit pas.

Le système doit être évalué sur la base des critères suivants :

inertie de la charge, accélération, temps d'accélération et temps de cycle cible.

Un moteur à entraînement direct doit générer directement le couple d'accélération requis ; par conséquent, la taille du moteur peut augmenter rapidement avec l'inertie de la charge.

Une plateforme rotative creuse peut utiliser un mécanisme de réduction pour réduire l'inertie de la charge réfléchie côté moteur tout en augmentant le couple de sortie.

Par conséquent, pour les grandes tables rotatives, les dispositifs lourds et les mécanismes rotatifs à plusieurs stations, le moteur, le mécanisme de réduction, le système de roulement et la structure de sortie doivent être évalués comme un système intégré.

C’est l’une des raisons pour lesquelles les plateformes rotatives creuses restent très compétitives dans de nombreuses applications d’automatisation.

Une structure creuse est bien plus qu'un simple cheminement pratique des câbles.

La structure creuse d'une plateforme rotative est parfois considérée comme une caractéristique secondaire.

Dans les équipements d'automatisation, cependant, elle peut influencer directement l'architecture mécanique globale.

Imaginez une plateforme rotative qui doit acheminer :

• câbles d'alimentation

• câbles d'encodeur

• tubes pneumatiques

• conduites d'aspiration

• câblage du capteur

Dans le cas d'un arbre rotatif rigide, ces conduites devront peut-être être acheminées à l'extérieur.

Comme la plateforme tourne en continu, des composants supplémentaires tels que des porte-câbles, des raccords tournants ou des mécanismes de protection des câbles peuvent être nécessaires.

Une structure creuse permet à ces lignes de passer par le centre de l'axe de rotation.

Cela permet de réduire les interférences entre les câbles tout en rendant l'équipement plus compact.

Par conséquent, pour les tables rotatives multi-stations, les équipements d'assemblage automatisés, les plateformes d'inspection et les dispositifs de fixation rotatifs, une structure creuse n'est pas simplement une spécification supplémentaire. Elle peut constituer un avantage important en matière de conception mécanique.

La solution appropriée doit être évaluée sur l'ensemble du cycle de vie de l'équipement.

Si l'on ne considère que le prix d'achat initial, une solution peut paraître moins coûteuse.

Pour les fabricants d'équipements, cependant, le calcul le plus pertinent est celui du coût total du cycle de vie.

Par exemple, la conception d'un moteur à entraînement direct sans cadre peut nécessiter des travaux d'ingénierie supplémentaires :

• le système de roulement

• support de rotor

• structure de montage de l'encodeur

• alignement mécanique.

L'investissement initial en ingénierie mécanique peut donc être plus élevé.

Toutefois, pour les équipements à grand volume, cette architecture peut offrir des performances de mouvement suffisantes pour justifier l'effort d'ingénierie supplémentaire.

Une plateforme rotative creuse, en revanche, peut réduire considérablement le travail de développement mécanique.

Un module standardisé permet de raccourcir les délais de conception, d'assemblage et de mise en service.

Pour un fabricant d'équipements, cette valeur peut ne pas figurer directement dans le prix d'achat du composant. Elle peut apparaître sous la forme suivante :

• cycles de développement plus courts

• livraison plus rapide

• Réduction des coûts d'ingénierie.

C’est pourquoi une véritable comparaison de solutions devrait prendre en compte :

Coût des composants + Coût d'ingénierie + Coût d'assemblage + Coût de mise en service + Coût de maintenance

plutôt que de simplement comparer les prix d'achat de deux composants.

Différents axes rotatifs peuvent utiliser différentes solutions

Une machine complexe n'a pas nécessairement besoin d'utiliser la même technologie rotative pour chaque axe.

Par exemple, une machine d'automatisation 3C peut contenir :

un axe de balayage visuel à grande vitesse, un axe rotatif multi-stations, un axe de positionnement de précision et plusieurs axes rotatifs auxiliaires.

Ces axes ont des exigences de mouvement complètement différentes.

Un axe de balayage à grande vitesse peut bénéficier d'un moteur à entraînement direct.

Un axe rotatif chargé d'entraîner une table à grande inertie ou un mécanisme d'indexage multi-stations peut être mieux adapté à une plateforme rotative creuse.

Un joint rotatif robotisé fonctionnant dans un espace d'installation limité peut nécessiter un actionneur à entraînement harmonique ou un module de joint harmonique pour atteindre un rapport de réduction élevé et une densité de couple élevée.

Pour les axes de transmission où il est nécessaire d'équilibrer efficacité, vitesse et coût, un réducteur planétaire de précision associé à un servomoteur peut constituer une autre option pratique.

Cette approche est plus proche de la conception de machines réelles.

L’objectif n’est pas d’utiliser un seul produit pour chaque axe rotatif, mais de sélectionner la solution de mouvement la plus appropriée pour chaque axe en fonction de ses conditions de fonctionnement.

Sélectionnez la solution rotative en partant des exigences de la machine.

Le processus de sélection peut être simplifié en commençant par quelques questions fondamentales.

Premièrement, l'équipement nécessite-t-il une commande directe du mouvement ou une multiplication du couple par réduction ?

Si une réponse dynamique élevée, un balayage continu et une réponse rapide sont essentiels, un moteur à entraînement direct doit être envisagé.

Si un couple de sortie élevé et une grande capacité de charge sont plus importants, une plateforme rotative creuse peut être plus appropriée.

Deuxièmement, la machine nécessite-t-elle un acheminement centralisé des câbles ?

Si des tubes pneumatiques, des câbles, des conduites de vide ou des capteurs doivent traverser l'axe de rotation, l'intérêt d'une structure creuse devient beaucoup plus important.

Troisièmement, l'axe de rotation présente-t-il une inertie de charge importante ou une charge externe ?

Si le système subit des charges radiales, axiales ou des moments de renversement importants, il convient d'évaluer soigneusement le palier de sortie et la rigidité mécanique plutôt que de se concentrer uniquement sur le couple moteur.

Enfin, il convient également de tenir compte des capacités d'ingénierie et des exigences de livraison propres au fabricant de l'équipement.

Si l'équipe d'ingénierie a besoin d'un axe rotatif hautement personnalisé, un moteur à entraînement direct sans cadre offre une plus grande liberté d'intégration mécanique.

Si l'objectif est de développer rapidement des équipements standardisés, une plateforme rotative creuse peut réduire considérablement le travail de conception mécanique et de mise en service.

Moteur à entraînement direct, plateforme rotative creuse et autres technologies peuvent constituer une solution de mouvement complète.

Du point de vue des solutions machines, les moteurs à entraînement direct et les plateformes rotatives creuses ne doivent pas être considérés comme des produits isolés.

Elles peuvent compléter d'autres technologies de mouvement.

Pour les axes rotatifs de haute précision dynamique, un moteur à entraînement direct peut assurer un contrôle direct de la charge.

Pour les mécanismes rotatifs automatisés nécessitant une rigidité élevée, une grande capacité d'inertie et un acheminement centralisé des câbles, une plateforme rotative creuse peut fournir une solution hautement intégrée.

Pour les articulations robotiques nécessitant un rapport de réduction élevé, une densité de couple élevée et des dimensions compactes, un actionneur à entraînement harmonique ou un module d'articulation harmonique peut être plus approprié.

Pour les systèmes de transmission qui nécessitent un équilibre entre efficacité, vitesse d'entrée, couple de sortie et coût, un réducteur planétaire de précision peut constituer une autre solution pratique.

Ensemble, ces technologies forment un ensemble plus vaste :

Solution de mouvement rotatif

plutôt qu'une simple collection de composants individuels.

Conclusion : Il n'existe pas de solution unique optimale pour les axes rotatifs.

Les moteurs à entraînement direct et les plateformes rotatives creuses ne doivent pas être considérés comme de simples produits concurrents.

Ils résolvent différents problèmes d'ingénierie.

Un moteur à entraînement direct est particulièrement adapté aux axes rotatifs qui privilégient l'entraînement direct, une réponse dynamique élevée, un mouvement continu et un contrôle précis du mouvement.

Une plateforme rotative creuse est particulièrement adaptée aux équipements automatisés nécessitant une multiplication du couple, une rigidité élevée, la gestion de charges à forte inertie, un acheminement centralisé des câbles et une intégration modulaire rapide.

Dans les machines plus complexes, les moteurs à entraînement direct, les plateformes rotatives creuses, les actionneurs rotatifs harmoniques et les réducteurs planétaires de précision peuvent tous être utilisés au sein d'un même système.

Par conséquent, la question la plus utile pour un ingénieur en équipement n'est pas :

« Lequel est le meilleur : un moteur à entraînement direct ou une plateforme rotative creuse ? »

La question la plus pertinente est :

« Quel problème cet axe rotatif doit-il réellement résoudre ? »

Une fois que les exigences en matière de charge, d'inertie, de vitesse, de précision, de rigidité, de temps de cycle, d'espace d'installation et de cheminement des câbles sont clairement définies, la solution rotative appropriée devient beaucoup plus facile à identifier.

C’est également dans cette direction que HONPINE peut mettre l’accent dans sa gamme de produits de mouvement : non pas en fournissant simplement un composant de transmission unique, mais en aidant les clients à sélectionner la solution de mouvement rotatif appropriée en fonction des conditions de fonctionnement réelles de leur équipement.