Bases et standard de positionnement

Importance des spécifications

Une platine a pour fonction de guider un déplacement dans un sens donné. Pour une platine de translation, le déplacement désiré se fait le long d'une ligne droite idéale. Tout mouvement dans un sens prédéfini contribue à créer un écart par rapport à la trajectoire ou à la position idéales. Parmi les autres causes d'écart, on peut citer les forces exercées par les charges. Comme il n'existe ni machines-outils, ni matériaux parfaits, la conception et la construction d'une platine parfaite restent du domaine de l'utopie. Il va sans dire que les systèmes de positionnement à hautes performances sont naturellement complexes, et l'ignorance d'un détail apparemment mineur, tant au niveau de la conception que de l'application, peut entraîner des résultats indésirables. Il convient donc de passer en revue de manière approfondie l'utilisation prévue d'un produit et d'en mesurer les performances.
Malheureusement, les nombreux termes utilisés par les fournisseurs et par les utilisateurs de systèmes de positionnement sont interprétés de manières différentes selon les individus. Dans le but d'éviter toute confusion ou malentendu, nous utilisons les termes et définitions des normes ASME B5.57 et ISO-230. En cas d'incohérences ou de lacunes, nous avons opté pour les termes les plus couramment utilisés dans le domaine du positionnement. Avant de choisir un système destiné à accomplir une tâche précise, il est recommandé de bien cerner la terminologie employée et de discuter de l'application prévue avec nos services commerciaux. Pour le développement des procédures de test, nous nous sommes référés aux normes citées.
Nota: Sauf indications contraires, les données de performances présentées dans ce catalogue sont fournies par axe et ne concernent pas les performances des montages composés de plusieurs platines. Pour les applications de montages multi-axes, consultez toujours notre service commercial.

Système de coordonnées de positionnement

Tout déplacement dans l’espace peut être défini dans un système à six degrés de liberté: trois linéaires, sur les axes x, y et z, ainsi quet trois rotatifs autour de ces mêmes axes (figure 1). Tous les mouvements décrits ici font appel à une convention de système de coordonnées suivant la main droite. Le produit complémentaire des axes +X et +Y (l'index et le majeur) est l'axe +Z (le pouce). Si le pouce de la main droite pointe dans la direction positive de l'axe, les doigts s'envelopperont autour de l'axe dans la direction positive de la rotation de l'axe. On peut donc dire que tout mouvement est composé de translations le long des axes de coordonnées et/ou de rotations autour de ces mêmes axes. En règle générale, les axes X et Y sont horizontaux (le sens de la course de la première platine ou de la platine du bas étant aligné sur l’axe X) et l’axe Z est vertical.

Résolution

Egalement appelée résolution d'affichage ou résolution du codeur, il s'agit du plus petit incrément théorique calculé d'après la chaîne cinématique d'un ensemble de positionnement. A ne pas confondre avec le mouvement incrémental minimum. Un système peut être capable ou ne pas être capable d'effectuer de manière constante des déplacements incrémentaux équivalents à la résolution. Parmi les facteurs susceptibles d'affecter un mouvement, on peut citer le frottement, la charge, les forces externes, la dynamique du système, le contrôleur, les vibrations et l'inertie. (Voir les commentaires sur le "Mouvement incrémental minimum").

Mouvement incrémental minimum

Il s'agit du plus petit mouvement mesurable qu'un dispositif est capable d'effectuer de manière constante et fiable. A ne pas confondre avec la résolution indiquée qui repose en règle générale sur la plus petite valeur affichée par le contrôleur ou le plus petit incrément du codeur. La résolution peut être significativement plus petite que le plus petit mouvement possible, distinction importante, mais malheureusement rarement considérée. Newport spécifie le mouvement incrémental minimum sur la plupart de ses produits. Deux méthodes de mesure différentes sont utilisées pour le définir selon les capacités du produit.
Avec les platines où le mouvement incrémental minimum est limité par les frictions de la chaîne cinématique, un grand nombre de mouvements incrémentaux sont commandés en aller/retour. Le déplacement réel de chaque mouvement est mesuré avec un organe externe tel un laser interférométrique ou une lunette autocollimatrice. Il est important d'utiliser un élément extérieur pour effectuer la mesure du fait que l'affichage du codeur pourrait indiquée une position donnée alors que le chariot de la platine ne s'y trouverait pas. D'une manière générale, Newport spécifie comme mouvement incrémental minimum, la quantité de mouvement la plus petite dont l'écart type à 3 sigmas est plus petit que le déplacement incrémental demandé. Cela assure qu'un mouvement incrémental demandé se traduira par un déplacement réel avec une certaine tolérance. La Figure 2 présente les résultats d'une mesure effectuée sur une platine de translation MFA-CC. Sur le graphique, on montre la répartition du déplacement réel. Cette méthode permet d'effectuer en même temps, une analyse détaillée du jeu et de l'erreur de réversibilité (hystérésis) dues au friction de la chaîne cinématique.

Pour les platines où le mouvement incrémental minimum est limité au bruit, une méthode alternative est utilisée. On effectue un plus petit nombre de mouvements icrémentaux en "aller", puis en "retour" et les positions sont relevées à haute fréquence. De même, la mesure faite à l'aide d'un organe extérieur, peut être différente de la position indiquée par le codeur. La haute fréquence de la prise des mesures permet une analyse précise de la position réelle de la platine et une exacte détermination du bruit. En règle générale, le mouvement incrémental minimum est de l'ordre de 2 fois la valeur du bruit crête/crêtes. La Figure 3 montre une telle mesure éffectuée sur une platine de translation M-IMS-LM.

Répétabilité

Il existe deux types de répétabilité : unidirectionnelle et bidirectionnelle. Cette notion est différente de celle de précision. Ainsi, un système peut avoir une répétabilité élevée tout en manquant de précision. La Figure 4 représente, sous forme graphique, la différence entre précision et répétabilité.

Répétabilité uni-directionnelle
Mesure de la capacité d'un système, à atteindre plusieurs fois une position visée lorsque l'approche se fait dans le même sens. Chaque déplacement doit être supérieur à la valeur de réversibilité (hystérésis) pour obtenir une image exacte de la répétabilité. La Figure 5 est la représentation graphique de données unidirectionnelles. Toutes les positions sont visées cinq fois dans le même sens. Les points représentent l'étendue des données à chaque position. (Remarque : Parfois, la superposition des points peut donner l'impression que le nombre de valeurs est inférieur à cinq.)

Répétabilité bidirectionnelle
Mesure de la capacité d'un système, à atteindre plusieurs fois une position visée lorsque l'approche se fait indifféremment dans les deux sens. Chaque déplacement doit être supérieur à la valeur de réversibilité (hystérésis) pour obtenir une image exacte de la répétabilité . La Figure 6 est la représentation graphique de données bidirectionnelles. L’écart vertical est lié à l’erreur de réversibilité. Chaque position représente dix valeurs : cinq dans chaque sens. Comme pour la répétabilité unidirectionnelle, les points représentent l'étendue des valeurs à chaque position. Chaque déplacement doit être supérieur à la valeur de réversibilité (hystérésis). Remarque: Parfois, la superposition des points peut donner l'impression que le nombre de valeurs est inférieur à cinq.
Les données représentées dans les Figures 5 et 6 peuvent aussi servir à évaluer la précision et la répétabilité d'une platine.

Valeur de réversibilité

Différence entre les valeurs obtenues pour une position donnée si on l’atteint venant d’un sens ou de l’autre. Cette valeur est une combinaison du jeu et de l'hystérésis. Dans les systèmes de positionnement composés de plusieurs éléments interdépendants, il est extrêmement difficile d'isoler totalement jeu et hystérésis. La valeur de réversibilité affecte à la fois la répétabilité bi-directionnelle et la précision. La Figure 2 représente le Jeu et l'Hystérésis.
Jeu
Composante de la valeur de réversibilité. Le jeu résulte du mouvement relatif entre les pièces mécaniques interdépendantes d'un système d'entraînement, ce mouvement ne produisant pas de déplacement. Les facteurs qui favorisent le jeu sont notamment l'espace entre pièces mécaniques, telles que les dents d’un réducteur, et les déformations mécaniques. Cela affecte la répétabilité bidirectionnelle et la précision. Toutefois, comme le jeu se répète généralement de manière identique, il peut être compensé par nos contrôleurs dans bon nombre d'applications. Le jeu perturbe aussi les alignements de précision et les applications de suivi de trajectoire, il affecte la position à l'inversion de sens lors du déplacement. Cependant, les compensations ne sont pas utile dans 100% des cas.
Hystérésis
Composante de la valeur de réversibilité qui dépend de l'utilisation récente du système. On peut l'observer en tant que force agissant sur le sens d'inversion d'un système. Elle est le résultat de forces élastiques présentes dans les divers composants. La valeur de réversibilité affecte à la fois la répétabilité et la précision bidirectionnelles. L' hystérésis perturbe aussi les alignements de précision et les applications de suivi de trajectoire, il affecte la position à l'inversion de sens lors du déplacement. Différent du jeu, l'hystérésis est présente dans tout systême mécanique même si sa valeur est faible.

Précision

Différence entre un déplacement donné, linéaire ou rotatif, et un déplacement prédéfini. La précision d'un système de positionnement peut être fortement influencée par la configuration du test, par l'environnement et par la procédure utilisée pour mesurer le déplacement. Au niveau micronique et submicronique, l'expansion thermique, notamment lorsque les températures ne sont pas constantes ou ne sont pas suffisamment bien contrôlées, peut avoir un impact important sur la précision. Parmi les autres paramètres courants qui ont une influence négative, on peut citer les erreurs de lacet et de tangage. Par ailleurs, tout mouvement parasite sur l'un ou l'autre des six degrés de liberté génère une imprécision supplémentaire. Pour les systèmes multi-axes, il faut tenir compte du montage des platines.
Il y a parfois confusion entre précision et mouvement incrémental. Prenons l'exemple d’une platine entraînée par un ensemble vis/écrou. Si la vis d'entraînement a un pas de 1 mm et est directement entraînée par un moteur pas-à-pas de 200 pas par tour, cela ne signifie pas nécessairement que cette platine a une précision de 0,005 mm (équivalente à un pas du moteur). Dans l'analyse de la précision, il faut inclure les variations du pas de la vis et de l'angle du pas moteur. De même, une platine équipée d'une règle optique à lecture directe a des caractéristiques qui lui sont propres et il faut tenir compte de: la précision de la règle, l'alignement de la règle sur l'axe de mouvement de la platine (erreurs de lacet et de tangage), l'alignement de la tête de lecture sur la règle et l'interpolation du signal, par exemple.
Les mesures de la précision et d'autres performances sont menées en environnement contrôlé (20°C avec corrections de la pression locale et l'humidité ambiante). Certains essais sont réalisés conformément à une procédure écrite qui régit l'installation, la méthode, le matériel et l'analyse des données. Cette procédure est inspirée de normes nationales et internationales, dont l'ISO-230 et l'ASME B5.57. Tout le matériel approprié est soigneusement entretenu et calibré régulièrement conformément à des procédures homologuées, reposant sur des normes officielles.
Précision absolue
Positionnement réel d'un système par opposition à la valeur idéale ou à la valeur visée. On parle plus spontanément d'inexactitude. Ainsi, si l'on ordonne à un système de positionnement d'effectuer un déplacement de 10 mm et que le déplacement réel n’est que de 9,99 mm (celui-ci étant mesuré à l'aide d'une règle parfaite et d'une procédure de test conforme aux normes en vigueur), l'écart par rapport à la position visée est de 0,01 mm. La précision peut être exprimée par unité de longueur ou par rapport à la course maximale de la platine. Prenons comme exemple une platine d'une course de 200 mm. Sa précision spécifiée peut être de 5 mm par 100 mm de course ou de 8 mm sur sa course maximale. Nos spécifications indiquent la manière dont il convient d'interpréter la précision pour chaque produit.
Précision dans l'axe avec compensation d'erreur linéaire
Ecart par rapport à la précision absolue le long de l'axe de course défini après compensation des erreurs linéaires. Les erreurs à croissance linéaire ou monotonique sont notamment les erreurs de lacet et de tangage, l'inexactitude du pas de la vis d'entraînement, la déviation angulaire au point de mesure (erreur Abbe) et les effets de la dilatation thermique. Sous forme graphique, ces erreurs peuvent être représentées approximativement par la pente d'une courbe de position (Figure 7). Connaissant la pente de cette ligne (erreur/course), il est possible d'évaluer la précision absolue par la formule suivante :
Précision absolue = Précision dans l'axe + (pente x course)
Avec nos platines et nos contrôleurs, la compensation des erreurs linéaires peut se faire en y intégrant le facteur de compensation. Pour plus d’informations détaillées, consultez le manuel d'utilisation du contrôleur concerné.

Erreur de guidage linéaire d'une platine de translation

Partie linéaire (par opposition à angulaire) d'un écart par rapport à l'axe. C'est l'écart par rapport au mouvement en ligne droite idéal, il comprend deux composantes orthogonales. Dans les normes ISO 230 et ASME B5.57, l’erreur de guidage linéaire est défini par rapport à la rectitude ou au manque de rectitude. Toutefois, dans l'industrie du positionnement, elle est définie par rapport à la planéité et à la rectitude selon les définitions ci-dessous.

Planéité
Dans la Figure 8, le mouvement linéaire idéal est représenté sur l'axe X. L'écart de planéité est le mouvement le long de l'axe Z.
Rectitude
Dans la Figure 8, le mouvement linéaire idéal est représenté sur l'axe X. L'écart de rectitude est le mouvement le long de l'axe Y.

Erreur de guidage angulaire

Déviation angulaire entre un mouvement en ligne droite idéal et le mouvement réel mesuré. L'erreur de guidage angulaire comporte trois composantes orthogonales couramment appelées lacet, tangage et roulis (Figure 9).
Une bonne compréhension de l'erreur de guidage angulaire dans un systême donné peut être complexe, surtout dans les montages multi-axes, our dans les applications où le point de mesure est loin du guidage.Dans ces cas, l'erreur due au porte-à-faux est amplifiée par les déviations angulaires de chaque axe (voir aussi l'erreur Abbe). Pour cette raison, Newport caractérise trés précisement les déviations angulaires sur la plupart de ses platines, et la planéité et la rectitude sur un certain nombre d'autres.

Erreur croisée

Dans les systèmes multi-axes, ce terme désigne un changement sur un axe résultant d'une action sur un autre axe.

Erreur Abbe

Erreur de déviation linéaire générée par l'inclinaison d’un point de mesure excentré (Figure 10). Ce type d'erreur devient particulièrement gênant quand le point à mesurer est relativement loin de l'axe de mouvement. Cette erreur est de l'ordre de 0,02 mm par 20 mm de décalage par microradian.

Erreur de lacet et de tangage

Le défaut d'alignement entre l'axe idéal et l’axe de déplacement réel produit une erreur de lacet et de tangage. Celle-ci dépend directement de l'angle formé entre ces deux axes (Figure 11). Cette erreur disparaît lorsque l'axe idéal et l'axe de déplacement sont parallèles.

Concentricité d'un plateau tournant

Ecart radial (perpendiculaire à l'axe de rotation) du centre de rotation par rapport à sa position médiane lorsque le plateau effectue un tour complet (Figure 13). Un plateau parfaitement centré avec des guidages parfaits n'aurait aucune excentration.

Voilage d'une platine de rotation

Déplacement, sur un tour, de l'axe de rotation par rapport à l'axe idéal (Figure 12). Il se manifeste principalement par une inclinaison cyclique de la surface de rotation ou du plateau d'une platine. Tout comme la concentricité, il résulte généralement de l'imperfection des guidages.

Stabilité de position

Capacité de conserver une position dans une plage spécifiée pendant un certain temps. L'écart par rapport à une position stable est également appelé dérive. Cette dérive est aussi favorisée par l'usure des pièces, les vibrations, la migration du lubrifiant et les variations thermiques.

Capacité de charge

Force admissible maximale que l'on peut appliquer à une platine, dans un sens spécifié, sans dépasser ses caractéristiques techniques propres. La force maximale comprend des forces statiques (masse * gravité) et des forces dynamiques (masse * accélération). Les forces dynamiques doivent inclure toutes les forces externes, telles que les vibrations, qui agissent sur la platine. L'accélération accumulée qu'une platine peut transmettre à une masse est limitée à l'accélération qu’elle peut générer sans dépasser sa capacité de charge. Pour les platines de rotation, le couple (produit de l'accélération angulaire et du moment d'inertie) est synonyme de force. Le couple de rotation sur les platines de translation linéaire est également un facteur important lorsqu'il s'agit d'accélérer des charges en porte-à-faux. Sauf indications contraires, les capacités de charge spécifiées dans ce catalogue concernent la charge normale centrée (Figure 13).

Capacité de charge normale centrée
Pour les platines linéaires, il s'agit de la charge maximale que peut supporter la platine, le centre de la masse étant placé au centre du chariot, perpendiculairement à l'axe de mouvement et à la surface du chariot (Figure 13). Pour les platines de rotation, c'est la charge maximale que le plateau peut entraîner autour de son axe de rotation. Par ailleurs, le moment d'inertie en rotation ne doit pas dépasser les limites spécifiées pour la platine de rotation.
Capacité de charge transversale
Aussi appelée capacité de charge latérale, c'est la charge maximale que l'on peut appliquer perpendiculairement à l'axe de mouvement sur la surface du chariot (Figure 13). Elle est généralement inférieure à la capacité de charge normale.
Capacité de charge dans l'axe
Charge maximale directe dans l'axe du mécanisme d'entraînement (Figure 13). Pour les platines linéaires montées en vertical, la capacité de charge spécifiée est généralement limitée par la capacité de charge axiale. Toutefois, lorsqu'une platine est montée en vertical, il faut aussi tenir compte de la charge en porte-à-faux.

Réduction de la capacité de charge en porte-à-faux

Veuillez noter les équations et paramètres utilisés pour les spécifications des platines. Concernant les charges élevées, il est fortement recommandé d'étudier l'application prévue avec notre service commercial.

Inertie

Mesure de la résistance d'une charge aux variations de la vitesse. Plus l'inertie est importante, plus la force nécessaire pour accélérer ou ralentir la charge est grande. L'inertie est fonction de la masse et de la forme de la charge. Si la force disponible est limitée, il faut ramener l'accélération et la décélération admissible à une valeur acceptable.

Vitesse

Distance parcourue par unité de temps. Les spécifications relatives à la vitesse maximale sont indiquées à la capacité de charge normale de la platine. Des vitesses plus grandes sont possibles éventuellement avec des charges plus faibles. Les vitesses minimales spécifiées dépendent fortement de la stabilité de la vitesse des systèmes de positionnement.

Stabilité de vitesse

Mesure de la capacité d'un système de positionnement à conserver une vitesse constante dans des limites prédéfinies. Elle est généralement spécifiée en tant que pourcentage de la vitesse maximale. Parfois appelé régulation de la vitesse, ce paramètre dépend de l'architecture de la platine, de son mécanisme, du contrôleur, de l'algorithme de contrôle, de l'amplitude de la vitesse et de l'application.

Accélération

Augmentation de la vitesse par unité de temps. Sans indication particulière, Newport fixe l'accélération des platines de telle façon qu'elles atteignent leur vitesse maximum en 250 ms. Donc, l'accélération maximum = vitesse maximum x 4/s.

Mean Time Before Failure: MTBF

Le "Mean Time Before Failure" (MTBF) est une évaluation de la fiabilité d'un produit. Ce paramètre, exprimé en nombre d'heures, s'appuie sur des essais et une analyse statistique des pièces et composants du système. C'est l'une des formes les plus utilisées pour prédire la fiabilité d'un système de positionnement et repose généralement sur un modèle d'analyse reconnu. Il existe plusieurs modèles d'analyse et le choix de l'un d'eux plutôt qu'un autre doit s'appuyer sur les facteurs propres d’un produit et son application.

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