Comparaison de la vis d entraînement hydrostatique au moteur linéaire et à la vis d entraînement à billes

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1 Comparaison de la vis d entraînement hydrostatique au moteur linéaire et à la vis d entraînement à billes Les déficiences des vis d entraînement à billes ont conduit la société HYPROSTATIK Schönfeld GmbH à mettre au point des moteurs linéaires et des vis d entraînement hydrostatiques, inusables à haute capacité de charge. La vis d entraînement hydrostatique est présentée ci-après et comparée tant au moteur linéaire qu à la vis d entraînement à billes. Alors qu un certain nombre d utilisateurs de moteurs linéaires ont déjà déchanté après la vague d enthousiasme initiale, voire exprimé leur déception, toutes les vis d entraînement hydrostatiques parmi les quelques centaines employées en partie depuis 1996 fonctionnent avec une précision et une fiabilité optimales même sur un mode continu (3 x 8). 1. La vis d entraînement hydrostatique À l image d une vis d entraînement à billes, la vis d entraînement hydrostatique transforme le mouvement de rotation d un servomoteur en un mouvement linéaire. L écrou de la vis d entraînement flotte sur un film lubrifiant hydrostatique et il ne subit ainsi absolument aucune usure. L épaisseur du film lubrifiant est maintenue quasiment constante indépendamment de la vitesse et de la contrainte exercée par les flux d huile contrôlés par le régulateur de débit proportionnel. Exempt de jeu, l écrou hydrostatique est très rigide tout en présentant cependant une infime friction. Le frottement est presque nul à de faibles vitesses, lors d un positionnement par exemple. La précision du positionnement, la course de déplacement la plus petite et la vitesse la plus lente ne dépendent plus ainsi que du système de mesure et de la commande. La vis d entraînement hydrostatique agit comme un excellent amortisseur pour absorber la contrainte dynamique qui lui est appliquée. Il fonctionne sans aucun bruit et les vibrations indissociables des vis d entraînement à billes ne se produisent pas. La vis d entraînement hydrostatique est disponible avec une broche rotative ou un écrou rotatif dans des diamètres de 40 à 160 mm pour fonctionner sous des forces axiales comprises entre 10 et 300 kn à une vitesse maximale de 120 m/mn sur une longueur de broche maximale de 4 mètres présentant divers pas de filetage et des extrémités réalisées d après les prescriptions du client. Les vis d entraînement hydrostatiques sont complétées par des paliers hydrostatiques, fixes et libres, ainsi que par des éléments de guidage. 2. Fondements physiques que avec un très bon rendement moyennant des efforts relativement réduits et à des vitesses élevées. C est pourquoi des moteurs rapides et des vis d entraînement sont couramment mis en œuvre sur des actionneurs d avance électriques pour générer des vitesses de chariot lentes et de grandes forces d avancement. La force du moteur est ainsi transmise au chariot par l intermédiaire d un très grand levier. Le chariot est réglable avec une infinie précision sans appliquer d efforts considérables, si les organes de transmission offrent une qualité appropriée. Le moteur linéaire s écarte de ce principe de fonctionnement. Des champs magnétiques très puissants doivent être générés pour produire directement de grandes forces, ce qui ne peut être obtenu que par des courants électriques et/ou des bobines d une haute inductance. Étant donné que des bobines traversées par un courant constituent une masse électrique, il convient d accélérer alternativement une grande masse électrique lors de changements de char- 16

2 ge dynamiques, même lorsque le chariot ne doit être maintenu qu en position. Même si des tensions élevées sont appliquées pour modifier le flux magnétique, le changement de la force motrice se fait donc progressivement. Le problème ne se pose que dans une moindre mesure avec une vis d entraînement et un servomoteur, vu que les courants électriques à contrôler sont nettement inférieurs à ceux requis par un moteur linéaire. 3. La rigidité en présence de contraintes statiques et dynamiques La rigidité du moteur linéaire découle exclusivement du réglage de la position du système d entraînement assuré en concomitance avec l indispensable règle graduée linéaire. Sans circuit de réglage de position, la rigidité du moteur linéaire est nulle! La rigidité du moteur linéaire est infiniment grande par rapport à une contrainte statique. Cette règle s applique toutefois aussi à un actionneur assisté par une règle graduée linéaire et pourvu d une vis d entraînement hydrostatique. La rigidité «dynamique» du moteur linéaire est minime du fait des temporisations provoquées par la mesure de déviation, du temps de réaction de la commande et de l établissement du champ magnétique. D après les indications fournies par un fabricant de moteurs linéaires, la rigidité dynamique se situe entre 30 N/µm (dans le cas d un chariot pesant 100 kg) et 120 N/µm au maximum (en présence d un chariot de 600 kg) sans spécifications des fréquences. Du fait que les vibrations causées par la contrainte exercée sur le chariot ne sont pas amorties dans le sens du déplacement, il risque de se produire des oscillations de résonance. La rigidité d un actionneur doté d une vis d entraînement hydrostatique d un diamètre nominal de 50 mm seulement atteint une valeur de 350 à 400 N/µm avec une longueur de broche de 400 mm, voire bien supérieure encore sur une broche serrée de part et d autre. Cet actionneur permet d obtenir des déplacements vibratoires et des écarts de position dynamiques bien plus petits que ceux engendrés par le moteur linéaire du fait de l ample amortissement et de la masse totale supérieure, liée à la masse d inertie de la broche, résultant de l axe d avancement de la vis d entraînement hydrostatique. Les vibrations dues au déplacement de la vis d entraînement hydrostatique s amenuisent également plus rapidement à la faveur de l excellent amortissement procuré. 4. L accélération maximale Il n existe aucune limite d accélération dépendant de la pièce considérée lors de l utilisation de la vis d entraînement hydrostatique et du moteur linéaire. L accélération maximale est restreinte par les forces massiques et d avancement. La durée de vie de la vis d entraînement hydrostatique n est pas amoindrie par l accélération. Le servomoteur doit accélérer conjointement son propre moment d inertie et celui de la vis d entraînement. Des servomoteurs modernes peuvent néanmoins propulser des chariots lourds de 500 à 1000 kg sur une longueur de déplacement de 500 à 1000 mm en leur imprimant une accélération de 16 à 34 m/s². Des valeurs d accélération encore bien supérieures peuvent être également atteintes avec des chariots à faible course optimisés. 5. La force d avancement La force d avancement continue maximale du plus grand moteur linéaire qui s élève à environ 8 kn ne saurait suffire à la majeure partie des applications de la construction de machines-outils. Par contre, les vis d entraînement d un diamètre de 50 mm permettent de transmettre une force maximale de 20 kn, celles d un diamètre de 125 une force maximale de 300 kn! La vis d entraînement hydrostatique s avère donc de loin supérieure au moteur linéaire quant aux forces d avancement possibles. Des contraintes élevées n altèrent aucunement le fonctionnement ni la durée de vie de la vis d entraînement hydrostatique, même lors d un mouvement oscillant, extrêmement rapide ou très lent. Chariot à moteur linéaire Chariot Vis d entraînement hydrostatique F = 100% Banc de machine 6. La vitesse de chariot maximale La vitesse maximale atteinte à l aide d une vis d entraînement hydrostatique atteint approximativement 40 m/mn avec un pas de filetage de 10 mm, 17

3 jusqu à 80 m/mn avec un pas de filetage de 20 mm, jusqu à 120 m/mn avec un pas de filetage de 30 mm. Si la vitesse de rotation maximale est limitée par le nombre de tours critique sur une broche rotative, elle ne l est toutefois à peine si un écrou rotatif est employé. La vitesse maximale du chariot imprimée par le moteur linéaire est indiquée pour une contrainte nominale avec des valeurs comprises entre 60 et 200 m/mn. Lors de l utilisation du moteur linéaire, elle est restreinte cependant pour assurer la maîtrise de l énergie cinétique du chariot même dans le cas d une panne de courant, pour éviter le danger de destruction encouru en cas de collision ainsi qu un éventuel risque d accident. 7. Utilité d accélérations et de vitesses élevées La plupart des machines-outils ne requièrent des vitesses de chariot et des accélérations élevées non durant le procédé d usinage, mais uniquement pour réduire les temps morts. La minimisation des temps morts obtenue à l aide d une accélération supérieure à 10 m/s² ne se justifie guère dans le cadre d un cycle d usinage d une durée moyenne. Des accélérations plus élevées ne devraient être alors cependant envisagées que si le procédé d usinage l exige ou que les temps d usinage sont très brefs. Il est judicieux d augmenter la vitesse du chariot de 20 à 40 m/mn. Si elle est encore accrue et portée de 40 à 60 m/mn, il convient de parcourir un trajet rapide, régulier d environ 400 mm. Une amplification jusqu à 80 m/mn ne s avère précieuse qu en présence de courses rapides régulières sur plus de 800 mm approximativement. La vis d entraînement hydrostatique permet d atteindre une accélération de 20 m/s² et une vitesse de 120 m/mn. Il est utile de régler des vitesses et des accélérations légèrement inférieures sur la plupart des machines-outils pour parvenir à de meilleurs résultats d usinage, à une durée de vie accrue, à une meilleure stabilité thermique, à des coûts de maintenance et d électricité réduits. 8. Consommation d énergie, apport de chaleur et refroidissement Durant les périodes d activité de la machine qui occupent l essentiel du temps sollicité, la plupart des opérations d usinage impliquent une faible vitesse du chariot d environ 0,1 à 0,4 m/mn et une force d avancement élevée. La capacité de refroidissement d un moteur linéaire considéré à titre de comparaison s élève à 5,4 kw même à ces faibles vitesses d avancement pour une force nominale de N selon les indications fournies par son fabricant. Le refroidissement en circuit fermé de la puissance ainsi délivrée exige que le groupe frigorifique fournisse encore une puissance approximative de 2,1 kw. Au total, quelque 18

4 7,5 kw sont donc ainsi consommés pour générer une force d avancement de N seulement! Destinée à des vitesses supérieures, une vis d entraînement hydrostatique typique nécessite un flux d huile débité à env. 2,0 l/mn pour une pression de la pompe de 50 bars par exemple. L entraînement de la pompe foulante et de l échangeur de chaleur air-huile absorbe une puissance de près de 0,45 kw, tandis que le servomoteur consomme 0,14 kw moyennant une vitesse d avancement de 400 mm/mn, une force d avancement de N et un rendement de 50%. Il en résulte une puissance nécessaire d à peu près 0,6 kw. En comparaison avec le moteur linéaire, la force d avancement est bien supérieure, mais la puissance dissipée est réduite de 6,9 kw! Dans le cas d une utilisation moyenne, un seul et unique axe engendre un surcoût estimé à 750 euros par an en considérant un tarif de courant de 0,08 E/kW et heures de service/an, à E/an lors d un fonctionnement continu (en 3X8). Si ces coûts sont capitalisés à un taux d intérêt et d amortissement de 12%, ils équivalent respectivement à des investissements de E et de E par axe. Même si peu de machines sont équipées de moteurs linéaires, elles engendrent vraisemblablement des coûts supplémentaires pour installer un poste de transformation séparé, par exemple. Toute analyse comparative doit impérativement prendre en compte par conséquent les coûts énergétiques. Le moteur linéaire doit être normalement disposé sous le chariot. L énorme puissance de chauffage du moteur impose de protéger le chariot par un refroidissement à eau et une isolation, sous peine que l apport de chaleur n entraîne des imprécisions inacceptables. Par contre, le servomoteur de la vis d entraînement hydrostatique est aménagé en principe en dehors de l axe, ce qui minimise le transfert de chaleur à l axe. Un ventilateur extérieur suffit, en règle générale, à refroidir le moteur et un refroidissement par eau n est requis que dans des cas particuliers. L apport d énergie fourni à l huile par la pompe et le frottement de l écrou hydrostatique ne s élève habituellement qu à une valeur comprise entre 60 et 120 Watt même lors de déplacements rapides du chariot et il est évacué principalement avec l huile. L huile modère la température de la broche filetée et la nettoie en continu. Un échangeur de chaleur eau-huile n est indispensable qu à de grandes vitesses du chariot et / ou pour répondre à des exigences poussées quant à la stabilité thermique de la machine. 9. Comparaison avec la vis d entraînement à billes Il n est pas possible de parvenir à une accélération très élevée, ni à une très grande vitesse de rotation ni encore à un mouvement oscillant avec des vis d entraînement à billes, notamment en raison de la déviation des billes, tout en garantissant une durée de vie acceptable. La vis d entraînement à billes ne dispose que d un pouvoir d amortissement minimal et elle s use de sorte que des divergences liées à sa position en découlent eu égard au frottement, à la rigidité et à la discontinuité due à l inversion du sens de marche. En cas de collision, des impacts imputables à l enfoncement des billes risquent de se produire sur les pistes de roulement et d imposer alors le changement prématuré de la broche filetée à billes. La précontrainte de l écrou induit une nette discontinuité du couple transmis en cas d inversion du sens de déplacement. Le couple de friction des vis d entraînement à billes varie en fonction du va-et-vient des billes. Du fait de cette discontinuité du couple et de sa grandeur divergente, un positionnement précis, le déplacement sur de petits trajets bien définis et à de faibles vitesses ne sont réalisables avec la vis d entraînement à billes que sous certaines conditions. Tous ces inconvénients n apparaissent pas sur une vis d entraînement hydrostatique! L accélération n est soumise à aucune restriction sur la vis d entraînement hydrostatique et l écrou hydrostatique peut être dimensionné d une manière optimale d après chaque application en choisissant la viscosité de l huile, la pression et le débit en conséquence. La vis d entraînement hydrostatique ne présente aucune usure et les mouvements lents (même sous une charge élevée et soumis à des oscillations) ne lui posent aucun problème aux fréquences et aux vitesses d oscillation les plus hautes. L écrou hydrostatique amortit parfaitement les oscillations générées lors du déplacement. Si la sécurité anti-collision s avère bien supérieure à celle de la vis d entraînement à billes, la vis d entraînement hydrostatique risque néanmoins d être endommagée par n importe quel heurt. Comme il ressort des mesures effectuées par l Institut des machines-outils et de la technique d exploitation («Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik») à l université de Karlsruhe, la rigidité de la vis d entraînement hydrostatique est nettement meilleure que celle de vis d entraînement à billes comparables et elle n est pas modifiée sous l effet de l usure. Le frottement de la vis d entraînement hydrostatique est cependant très faible et de plus proportionnel à la vitesse de rotation, d où l absence de toute discontinuité de couple lors de l inversion du sens de déplacement. Si des paliers hydrostatiques sont également aménagés aux extrémités de la vis d entraînement et que le chariot est guidé par un système hydrostatique, le servomoteur ne doit vaincre aucune force de friction, même à des vitesses réduites et lors de l inversion du sens de la marche. 19

5 Le système de guidage et d entraînement hydrostatique permet donc aussi de déplacer progressivement le chariot avec des oscillations sur d infimes tronçons de l ordre du µm et de le mouvoir très lentement, indépendamment de la contrainte exercée. 10. Axes verticaux, panne de courant Le ralentissement du moteur linéaire même avec un chariot-frein se révèle problématique dans le cas d une panne de courant ou de la défaillance du moteur. Le frein intégré au servomoteur permet d appliquer, par contre, des forces de freinage bien supérieures sur la vis d entraînement hydrostatique. De plus, la vis d entraînement à pas de filetage normal (soit 10 mm pour un diamètre nominal de 50) présente l avantage par rapport à la vis d entraînement à billes d exercer une action autobloquante lorsque la lubrification hydrostatique est désactivée. En présence d axes verticaux dynamiques sans équilibrage de poids, le moteur linéaire a besoin de quantités d énergie nettement supérieures pour retenir la masse que l actionneur à vis d entraînement (voir point 8). 11. Guidages Le système de guidage des axes du moteur linéaire est fortement sollicité par des forces magnétiques intenses à tel point que les forces agissent même quand la machine est à l arrêt. Cette contrainte varie et atteint plusieurs fois la force maximale du moteur, soit environ 40 kn à titre de comparaison. La durée de vie des guidages par roulement en est réduite de ce fait, en combinaison avec des vitesses et des accélérations élevées. C est pourquoi un système de guidage hydrostatique est souvent employé pour déplacer un chariot à moteur linéaire de préférence à des surfaces de guidage par roulement. Á l image de la vis d entraînement, les éléments de guidage hydrostatiques fonctionnent absolument sans aucune usure et présentent une force de frottement de 20 à 1000 fois plus petite, indépendante de la contrainte et proportionnelle à la vitesse. Lors de l inversion du sens de déplacement, il ne se produit aucune discontinuité de la force exercée, imputable au guidage. Des mouvements circulaires sont possibles avec des écarts de trajectoire de l ordre de 0,1 µm avec un chariot à mouvements croisés pourvu d un équipement «entièrement hydrostatique» en présence d actionneurs et de commandes d une qualité appropriée, ce qui permet de réaliser des conceptions mécaniques totalement novatrices, telles que des aléseuses, des rectifieuses par coordonnées. 12.Particularités des moteurs linéaires et des vis d entraînement hydrostatiques Les copeaux magnétiques sont attirés par les forts champs magnétiques des pièces du moteur linéaire et risquent d occasionner par la suite des défaillances. Il convient donc de pourvoir les moteurs linéaires d un capotage plus efficace. Le montage, l entretien et le changement du moteur linéaire intégré à la machine sont nettement plus onéreux que ceux d un servomoteur installé à l extérieur et remplaçable sans démonter l axe. En raison des forts champs magnétiques exercés par le moteur linéaire, il convient de prendre des mesures supplémentaires pour protéger certains groupes de personnes (par exemple munies d un stimulateur cardiaque, d implants métalliques ou enceintes) et les objets susceptibles de subir l influence de champs magnétiques (supports de données, montres, cartes bancaires). Les forces magnétiques élevées agissant en permanence suscitent des problèmes même au moment du montage: les fournisseurs de moteurs recommandent par conséquent de toujours tenir à disposition quelques cales non magnéti- 20

6 ques lors de la mise en place, afin que les pièces du moteur puissent être désassemblées en cas d accident! En outre, le fabricant de la machine est lié au fabricant du moteur linéaire ce qui sous-entend aussi souvent la dépendance d un seul fabricant de commande. L huile nécessaire au fonctionnement de la vis d entraînement hydrostatique doit être ramenée dans le groupe de pompage. Elle est alors réintroduite dans une conduite par un écrou pourvu de racleurs ou bien reflue dans le réservoir avec l huile du système de guidage hydrostatique. La même huile est utilisable en provenance du même groupe à la même pression pour alimenter tant le système de guidage, la vis d entraînement et ses paliers, tout en pouvant servir également à d autres tâches hydrauliques ou lubrifiantes. Les machines doivent faire l objet d une mise au point totalement remaniée en vue d exploiter des moteurs linéaires. Les vis d entraînement hydrostatiques peuvent être employées à la place de vis d entraînement à billes sans solliciter de grands moyens. Si la nouvelle construction prend en considération l écrou légèrement plus grand de la vis d entraînement hydrostatique, le client peut alors choisir une vis d entraînement à billes ou la vis d entraînement hydrostatique en option. 13. Comparaison des prix Pour être correcte, la comparaison des prix doit tenir compte des détails. Par rapport à la vis d entraînement à billes, la vis d entraînement hydrostatique induit des coûts supplémentaires imputables à la vis d entraînement proprement dite et dans une moindre mesure au groupe de pompage et au capotage. Dans la plupart des cas, la vis d entraînement équipée d un servomoteur s avère bien meilleur marché que le moteur linéaire qui occasionne des coûts nettement supérieurs du fait que les pièces de moteur, les plaques de refroidissement, les dispositifs périphériques, la règle graduée linéaire, la commande, les amples groupes de pompage se révèlent onéreux au même titre que la transformation de la machine ou sa nouvelle réalisation. La majeure partie des vis d entraînement hydrostatiques employées jusqu à présent ont considérablement abaissé les coûts encourus par les utilisateurs de machine vu qu elles se trouvent encore à l état neuf même après plus de cinq ans et soumises à un fonctionnement continu (3x8), alors que des vis d entraînement à billes devraient être déjà remplacées plusieurs fois durant cette période, le cas échéant. En présence de longues courses de déplacement, le moteur linéaire présente un prix renchéri par les aimants permanents. 14. Applications Neuf ans après la toute première livraison, quelque 250 vis d entraînement sont utilisées de nos jours chaque année en référence dans de nombreux pays européens importants sur des rectifieuses polyvalentes, de vilebrequins, de cames d engrenages et de très haute précision. Des rectifications de défauts d ovalisation ont été réalisées sur des pièces à plus de 60 Hz et à une vitesse de tours par minute. Des vis d entraînement animées d une force radiale de 340 kn et longues de 3,5 m usinent les intérieurs d engrenages destinés à des boîtes de vitesses automatiques sur des machines à brocher. Le centre de recherche sur la machine-outil «Machine Tool Research center» situé en Floride exploite une fraiseuse qui est équipée d une vis d entraînement et d un système de guidage hydrostatiques. L institut de physique Fraunhofer IPT d Aix-la-Chapelle met en œuvre des vis d entraînement hydrostatiques, des paliers fixes et libres ainsi qu un système de guidage hydrostatique sur une machine ultra-précise. 15. Résumé Les vis d entraînement à billes sont limitées en termes de précision de positionnement, de rigidité, d accélération, de vitesse, de capacité de charge et de durée de vie. Pour des raisons tant techniques qu économiques, il convient de préférer la vis d entraînement hydrostatique au moteur linéaire dans le large champ des applications qui imposent des vitesses d usinage et des déplacements rapides pouvant atteindre 80 m/mn. La vis d entraînement hydrostatique constitue une véritable alternative à la vis d entraînement à billes et au moteur linéaire. Elle parvient en effet à des vitesses de 120 m/mn, elle accélère comme un moteur linéaire, mais elle consomme 10 fois moins d énergie pour effectuer les opérations d avance typiques des machines-outils. À accélération égale, la vis d entraînement hydrostatique offre en comparaison des forces d avancement décuplées. Elle assure un excellent amortissement et elle n exige pas obligatoirement une règle graduée linéaire. La rigidité dynamique du moteur linéaire s avère très basse puisqu elle varie entre 30 et 120 N/µm. La rigidité de l écrou d une vis d entraînement hydrostatique d un diamètre nominal de 50 mm et du palier fixe se situe respectivement entre et N/mm, tandis que la rigidité dynamique est encore supérieure. Les flux d huile de 1 à 2 l/mn indispensables à la lubrification de l écrou hydrostatique peuvent être remis en circuit sans d énormes moyens. Des systèmes de guidage hydrostatiques permettent de positionner les deux actionneurs avec une très grande 21

7 précision, mais le moteur linéaire présente toutefois l inconvénient de ne pouvoir conserver sa position en cas de chocs et de contraintes dynamiques. L énorme dissipation de puissance des moteurs linéaires génère une très forte température sous le chariot et elle implique donc l emploi de vastes groupes frigorifiques onéreux. Les copeaux métalliques sont retenus par les aimants permanents et ils risquent alors de détériorer tant des pièces primaires que secondaires. Les mêmes copeaux sont par contre écartés de sur la broche filetée, vu qu elle est trempée et non magnétique. L écrou hydrostatique nettoie et modère la température de la vis d entraînement en continu. Les forces exercées par l aimant permanent du moteur linéaire sur les surfaces de guidage par roulement aboutissent à une usure prématurée, si aucun système de guidage hydrostatique n est utilisé. Des dangers considérables découlent des pièces du moteur linéaire au moment du montage. Le servomoteur d une vis d entraînement hydrostatique peut être remplacé simplement et en déployant beaucoup moins de moyens que si un moteur linéaire défectueux doit l être. Les vis d entraînement permettent d exploiter les moteurs et les commandes de différents fabricants sur la même machine. Mis à part quelques machines d usinage à grande vitesse (UGV) qui requièrent des vitesses et des accélérations élevées, les valeurs d accélération supérieures à 10 m/s² ne se traduisent que par d infimes gains de temps, tandis que des vitesses extrêmes comprises entre environ 20 et 40 m/mn n entraînent que de petits gains de temps (ce temps économisé ne justifie pas souvent le surcoût de machines appropriées, notamment de celles prévues pour générer des accélérations supérieures). L euphorie avec laquelle les moteurs linéaires électriques ont été vantés n est absolument pas compréhensible au vu du constat dressé précédemment. Nous conseillons donc en guise d alternative au moteur linéaire de prendre aussi en considération l actionneur d avance classique et de le munir d une vis d entraînement et d un écrou hydrostatique ainsi que d un palier axial hydrostatique destiné à la broche filetée! 22