 |
|
Introduction au matériel de positionnement
|
Cette introduction aux bases de la conception des composants opto-mécaniques a pour but de familiariser le lecteur avec les éléments à prendre en considération lors du choix des composants les plus utilisés sur table d'expérience. Elle s'intéresse aux aspects pratiques et non aux descriptions mathématiques.
|
| Paramètres d'évaluation |
Pour guider le choix d'un composant de positionnement particulier, les paramètres d'évaluation sont multiples. La compréhension de leurs caractéristiques et de leurs effets sur les résultats est essentielle pour faciliter ce choix.
|
| Matériaux et stabilité |
La majorité des composants opto-mécaniques sont en aluminium, en laiton ou en acier inoxydable. Les propriétés de ces matériaux font donc l'objet d'une comparaison directe ci-dessous.
Les matériaux sont parfois choisis pour une seule de leurs propriétés, comme le coefficient de dilatation. Or le matériau ainsi choisi peut se révéler inapproprié pour l'usage général qui en est fait. Il faut donc prendre en considération toutes les propriétés qui peuvent avoir une importance.
|
| Rigidité |
La rigidité est une mesure de la force qu'il faut appliquer pour obtenir une flexion donnée. La force et la flexion sont proportionnelles et liées par l'équation F = kx, où F et x sont respectivement la force et la flexion, et où k est la constante de proportionnalité. k dépend du matériau et s'appelle le module d'élasticité. Plus k est élevé, plus le matériau est rigide. Le module d'élasticité de l'acier inoxydable est approximativement le triple de celui de l'aluminium et le double de celui du laiton (voir le tableau). Il faut toutefois noter que la rigidité spécifique (rigidité divisée par la masse volumique) est plus importante lorsqu'il faut se protéger des vibrations. Les composants de même rigidité spécifique ont la même fréquence de résonance fondamentale. Une rigidité spécifique élevée procure une meilleure isolation des vibrations.
|
| Dilatation thermique |
Les variations de température provoquent des modifications de la taille et de la forme de tout composant. Ces modifications dépendent de la taille du composant, de la variation de température et du matériau. La variation dimensionnelle est fonction de la variation de température, par l'équation DL = aLDT, où a est le coefficient de dilatation du matériau. Celui de l'acier inoxydable est environ la moitié de celui de l'aluminium. Cela peut être important lorsque le composant est utilisé dans une application exigeant une stabilité interférométrique. Remarquons que l'aluminium est le meilleur choix lorsque les variations de température sont non uniformes sur le composant. Cela se produit lors du montage d'une source d'énergie, comme une diode laser. Comme la diode est plus chaude que l'environnement, elle dissipe sa chaleur au travers du montage, ce qui crée un gradient de température dans le composant. La conductivité thermique de l'aluminium est dix fois plus élevée que celle de l'acier inoxydable ; par conséquent, il dissipe la chaleur plus efficacement, ce qui réduit le gradient thermique et la déformation. La déformation due aux variations non uniformes de température est proportionnelle au coefficient de dilatation divisé par le coefficient de conductivité thermique. Dans un environnement où la température n'est pas uniforme, l'aluminium présente trois fois moins de déformation que l'acier inoxydable. Le laiton, dont le coefficient de dilatation est presque égal à celui de l'aluminium, présente un coefficient de conductivité thermique presque deux fois moins élevé, ce qui fait de lui un matériau moins approprié dans cette situation.
Si la température du composant lors de son utilisation est très différente de la température ambiante, il faut prêter attention aux composants constitués de plusieurs matériaux. Par exemple, si une platine de translation composée d'un bloc en aluminium et de roulements en acier est exposée à une variation de température, les matériaux se dilatent différaments. Les guidages peuvent alors perdre leur précontraite, et la platine peut ainsi se déformer.
|
| Propriétés des matériaux |
Aluminium |
Acier inoxydable |
Laiton |
| Rigidité (N/mm²) |
72000 |
193000 |
96000 |
| Masse volumique, r (g/cm3) |
2,67 |
7,65 |
8,47 |
| Rigidité spécifique |
Haute |
Haute |
Faible |
| Coefficient de dilatation, a (10-6/°C) |
23,6 |
10 |
18,4 |
| Conductibilité thermique, c (W/m.K) |
221 |
46 |
110 |
| Déformation thermique relative |
Faible |
Moyenne |
Moyenne |
|
| Instabilité du matériau |
L'instabilité du matériau est la variation de sa dimension physique avec le temps, appelée aussi fluage. Pour l'aluminium, le laiton et l'acier inoxydable, le temps d'apparition du fluage peut être de l'ordre de plusieurs mois ou de plusieurs années.
Habituellement, l'instabilité est plus liée à la conception mécanique des composants qu'au choix du matériau. Dans une butée, par exemple, la migration du lubrifiant peut provoquer à la longue un léger déplacement. De même une platine de translation n'ayant pas fonctionné pendant une longue période, peut se déformer si les chemins de roulements n'ont pas été suffisamment durcis, car les billes marquent leurs empreintes aux points de contact.
|
| Résumé de l'évaluation des matériaux |
Chacun des matériaux utilisés présente des avantages et des inconvénients qui lui sont propres. Malheureusement, il n'existe pas de matériau universel répondant à tous les besoins. Nous résumons ici les caractéristiques des matériaux décrits dans le tableau.
Aluminium : C'est un matériau léger, résistant au fluage, et de bon rapport rigidité/masse. Son coefficient de dilatation est relativement élevé, mais sa conductibilité thermique est également élevée, ce qui en fait un bon choix dans les applications où un gradient thermique est prévisible ou lorsqu'il est nécessaire de s'adapter rapidement à des variations de température. L'aluminium est rapide à usiner, d'un bon rapport qualité/prix, et largement utilisé dans la fabrication des composants. Il ne rouille pas, et son oxydation n'est généralement pas un problème dans un environnement de laboratoire, même lorsque sa surface n'est pas protégée. Sa finition est excellente lorsqu'il est anodisé. Toutefois, les surfaces anodisées sont très poreuses, ce qui les rend inappropriées pour un usage sous vide poussé. Les applications sous vide interdisent tout traitement de surface sur l’aluminium.
Acier inoxydable : l'acier présente un module d'élasticité élevé, ce qui lui donne une très bonne rigidité (environ trois fois celle de l'aluminium), et une bonne stabilité. Son coefficient de dilatation est environ la moitié de celui de l'aluminium, ce qui en fait un excellent choix dans les environnements de laboratoire typiques, où les variations de températures sont uniformes. Son usinage est beaucoup plus difficile que celui de l'aluminium, d'où un coût considérablement plus élevé. La corrosion de l'acier est l’inconvénient majeur de ce matériau. Les alliages d'acier inoxydables permettent d'y remédier. L'acier inoxydable convient pour les applications sous vide poussé, mais la conception du composant doit alors aussi tenir compte d'autres facteurs. (Voir le paragraphe Compatiblité au vide)
Laiton : C'est un matériau lourd, plus dense que l'acier, rapide à usiner, mais dont le rapport rigidité/masse est moins bon que celui de l'aluminium ou de l'acier. Son coefficient de dilatation est comparable à celui de l'aluminium, mais sa conductibilité thermique est presque deux fois moins bonne. Le laiton est toutefois un matériau résistant à l'usure. Il est fréquemment utilisé comme matériau distinct pour éviter l'auto-adhésion avec des vis ou des axes en acier. Le laiton est utilisé dans certaines applications de grande précision demandant une résistance extrêmement grande au fluage ; il peut être usiné au diamant pour obtenir des surfaces extrêmement lisses.
|
| Finition extérieure |
L'aluminium anodisé procure une excellente résistance à la corrosion et une bonne finition. La couleur la plus utilisée sur les supports d’optiques est le noir. La surface anodisée étant très poreuse, seul l'aluminium non anodisé est utilisé dans les applications sous vide poussé. Cette porosité a toutefois l'avantage, pour des supports optiques, de ne pas provoquer de réflexion parasite car les surfaces sont mates. L'anodisation durcie la surface, ce qui améliore la résistance aux rayures et à l'usure.
Les pièces en acier sont généralement plaquées ou peintes. Le placage est souvent en chrome, en nickel, en rhodium ou en cadmium. Une finition par un oxyde noir est souvent utilisée pour évitée la rouille sur les vis et le matériel. Les composants peints sont à éviter, car la peinture finit par s'écailler, contaminant les optiques et les pièces mobiles.
Les alliages d'acier inoxydables ne rouillent pas, contrairement aux autres aciers. Ce sont des matériaux très propres qui ne nécessitent pas de protection particulière de leur surface. Une surface microbillée présente une finition mate qui ne produit pas de réflexion parasite.
Pour une utilisation en optique, le laiton est habituellement teint en noir. Dans certains cas, il peut être plaqué avec du chrome ou du nickel pour améliorer sa surface.
|
| Compatiblité au vide |
De nombreux produits de ce catalogue peuvent êtres préparés pour une utilisation sous vide. Cela est signalé par la mention “Utilisable sous vide” sur la page de description du produit. Les produits “utilisables sous vide” sont préparés pour 10-6 hPa. Si vous avez besoin de produits préparés spécialement pour 10-3 hPa, ou pour un vide meilleur que 10-6 hPa, consultez notre service commercial.
Les produits sans mention peuvent éventuellement être préparés pour l'utilisation sous vide, mais cela doit faire l'objet d'un devis spécifique. Contactez notre service commercial pour évaluer vos besoins.
|
| Préparation pour une utilisation sous vide |
La préparation dépend du vide auquel vous souhaitez soumettre le composant. Le mot “vide” ne décrit pas précisément les conditions d'une application donnée. Les niveaux acceptables de dégazage et de perte de masse, peuvent varier avec l'application, le débit de pompage, la température, etc. Il est donc essentiel que les besoins spécifiques soient examinés et compris avant de placer un composant sous vide.
Environnements à 10-3 hPa : En général, un vide de 10-3 hPa demande peu de modifications à la plupart de nos produits ; seuls les lubrifiants doivent être compatibles. Dans ces environnements, les pièces anodisées ne sont pas rares, et le plastique peut être utilisé sans excès.
Environnements 10-6 hPa : Les composants utilisés sous un vide à 10-6 hPa sont spécialement préparés. De nombreux matériaux utilisés dans les composants standard dégazent sous un vide poussé, ce qui provoque une sorte de fuite qui limite la capacité de maintenir le vide. Les surfaces en aluminium anodisées très poreuses peuvent contenir de grandes quantités de molécules d'air, causant un dégazage significatif. Pour les composants de ce catalogue comportant la mention “Utilisable sous vide”, nous effectuons la préparation suivante :
|
Les produits en aluminium sont réalisés sans anodisation. Nous utilisons seulement l'aluminium non anodisé, l'acier inoxydable ou des matériaux équivalents.- Les boutons et les poignées en plastique sont retirés ou remplacés par des pièces dont le matériau est compatible avec un vide poussé, comme l'acier ou le Delrin.
- Les trous sont tous débouchants, et les vis percées à cet effet.
- La visserie et les lubrifiants sont remplacés par des composants compatibles sous vide.
- Les produits finis sont complètement nettoyés et emballés de façon appropriée.
|
Certaines étapes supplémentaires de la préparation au vide, ou la préparation à des vides plus poussés que 10-6, demandent des manipulations spéciales, comme l’étuvage sous vide. Si vous avez des exigences de ce type, contactez notre service commercial pour en discuter.
|
|
| Supports Trait-Point-Plan |
La position d'un support d’optique est définie par six coordonnées indépendantes : trois translations et trois rotations par rapport à un système de coordonnées donné. Un support est dit “kinematic” lorsque son nombre de degrés de liberté (axes de déplacement libre) plus le nombre de contraintes physiques qui lui sont appliquées vaut six. Cela est équivalent à l'indépendance (la non-redondance) de chacune des contraintes physiques appliquées. Un support optique “kinematic” a donc six contraintes indépendantes.
Ce type de support est le plus courant et appelé le “trait-point-plan”,il correspond à la figure 1. Considérons que l'optique est représentée par le système de coordonnées et qu'elle est liée à l'ensemble des trois sphères ; considérons que son support est lié au V (trait), au cône (point) et à la plaque (plan). Si l'optique est d'abord placée dans le cône, trois degrés de liberté (les translations en x, y et z) sont éliminés sans redondance.
A ce moment, l'optique peut encore tourner librement autour de chacun des axes. Ensuite, la deuxième sphère est placée dans la gorge en V, laquelle est dirigée vers le cône. Cette contrainte élimine deux degrés de liberté supplémentaires, le tangage et le lacet tels qu'ils sont définis sur la figure 1. Il est important que la gorge soit orientée vers le cône afin de ne par surcontraindre un ou plusieurs degrés de liberté en translation. Enfin, il reste à contraindre le dernier degré de liberté, le roulis autour de l'axe x. Pour cela, plaçons la troisième sphère sur un plan. Ces six contraintes non redondantes constituent un support “kinematic”.
Les avantages d'un support “kinematic” sont : une meilleure stabilité, un montage de l'optique sans déformation, et, si la base est “kinematic”, un positionnement répétable. Il est facile d'imaginer, avec le support de la figure 1, que la pièce représentée par le cône, le V et le plan peut se dilater dans une proportion différente de celle de l'optique sans introduire de charge de déformation sur l'optique : le support se dilate simplement autour de la sphère centrée dans le cône. Les deux autres sphères glissent, l'une dans la gorge, l'autre sur le plan. Si en revanche le support n'était pas “kinematic”, (si par exemple la gorge n'était pas orientée vers le cône) la dilatation ou la contraction dans la direction de x aurait tendance à fausser l'optique, car la deuxième sphère ne pourrait plus glisser dans la gorge.
|
Figure 1 : Contraintes Trait-Point-Plan
|
| Supports à pivot central |
Les supports “kinematic” sont rendus réglables en plaçant des vis de réglage aux emplacements des 2e et 3e sphères (figure 1), afin de pouvoir ajuster les angles de l'optique par rapport à la base. Un inconvénient de ce type de support est la position et l'orientation de ses axes de rotation. Ils sont généralement derrière l'optique, et ils se déplacent à chaque réglage. Cela cause deux problèmes :
Premièrement, comme les axes se déplacent, ils ne restent pas orthogonaux à l'axe optique, et un réglage dans une direction perturbe le réglage dans l'autre direction. Pour effectuer une rotation autour d'une seule des directions orthogonales à l'axe optique, il faut régler les deux axes du support “kinematic”.
Deuxièmement, comme les axes de rotation sont derrière l'optique, un réglage provoque à la fois une rotation et une translation de l'optique.
L'utilisation d'un support à pivot central résout ces deux problèmes. Les supports de miroir ou de lame à pivot central présentent l’avantage contrairement aux autres types de supports de conserver le centre du miroir fixe dans l’espace. Sur les supports à pivot central les mouvements sont réellement indépendants. Les systèmes à cardan fonctionnent sur le principe suivant :
Le miroir est tenu dans un barillet mobile autour de deux axes croisés qui déterminent un point fixe central. Chaque droite passant par ce point fixe central et l’une des butée micrométrique sert d’axe de rotation au mouvement généré par l’autre butée micrométrique. Le centre du cardan est à proximité du plan de réflexion sans variation de la longueur du trajet optique. Le plan de rotation du support est confondu avec la face utile du miroir, comme illustré sur la figure 2.
|
Figure 2 : Support à pivot central
|
|
Course morte : absence de réponse l’orsqu’on inverse la consigne. Par exemple, la position affichée par un dispositif de motorisation simple avec codeur monté sur l’arbre peut varier de plusieurs micromètres avant que sa position réelle ne commence à changer. Cette sorte de phénomène est aussi liée à la friction statique (ou stiction).
|
Interactivité des réglages : le réglage selon un axe provoque un déplacement selon un autre axe, dans un système multi-axes comme les platines XY ou les supports de miroirs sans pivot central. Par exemple, pour une platine XY, le réglage selon Y provoque un déplacement selon X.
|
Hystérésis : non-répétabilité lors de l'inversion de la commande. Pour la plupart des appareils de positionnement, la course morte et la friction statique en sont les principaux facteurs. Cependant, Il peut aussi arriver que le système ne revienne pas à l’état initial après élimination de la charge statique, ce qui peut avoir des conséquences pour certaines applications dont la précision est inférieure au micromètre( par exemple,lorsque des matériaux inappropriés sont utilisés pour le positionnement). Dans les systèmes piézo-électriques, l'hystérésis est une propriété caractéristique du matériau.
|
Mouvement incrémental minimum : plus petit déplacement possible d’un appareil. À ne pas confondre avec la résolution, généralement basées sur la lecture d’un vernier et dont l'ordre de grandeur peut être très différent du déplacement minimal obtenu. Le mouvement incrémental minimum est une spécification cruciale, mais rarement communiquée
|
Tangage : rotation autour de l'axe transversal (Y). Appelé aussi élévation, en particulier pour les supports à pivot central.
|
Jeu : mouvement incontrôlé dû à l'espace entre les pièces mécaniques. Il est très petit dans un composant bien conçu, mais peut augmenter avec le temps, surtout s'il est manipulé sans précaution ou surchargé.
|
Précision: Amplitude des déviations en position de sortie constatées pour une même entrée sans erreur. La précision est également connue en tant que répétabilité. Bien qu'ils soient confondus dans le langage courant, la répétabilité et la précision sont deux notions différentes.
|
Répétabilité : capacité d'un système de positionnement à atteindre la même position demandée à plusieurs reprises. À ne pas confondre avec la précision. La répétabilité est donnée comme la demi-longueur de l'intervalle contenant les valeurs de sortie pour une même valeur d'entrée. La répétabilité, est la capacité à répéter un déplacement incrémental dans une direction. Cette propriété n'est pas affectée par la course morte, l'hystérésis, etc.
|
Résolution de l'affichage : plus petite valeur incrémentale pouvant être affichée par un actionneur. La résolution de l'affichage n'est pas nécessairement égale à la résolution de position. Des différences entre ces résolutions peuvent être dues à diverses causes, comme la friction et le jeu entre-dents.
|
Roulis : rotation autour de l'axe longitudinal (X), selon lequel s'effectue le déplacement.
|
Sensibilité : plus petit mouvement pouvant être réalisé. Souvent confondu avec la résolution de l'affichage. La sensibilité de vos doigts leur permet de ressentir une rotation de 1° sur une vis de réglage.
C'est pourquoi lorsque nous spécifions la sensibilité de nos vis d'ajustement de la série AJS, il s'agit de la course associée a une rotation de la vis de 1°.
|
Friction statique (striction) : le coefficient de friction statique est toujours supérieur à celui de friction dynamique. Par conséquent, lorsqu'on commence à appliquer une force croissante à une platine au repos, il n'y a d'abord aucun mouvement. À un certain seuil, le mouvement est soudainement amorcé ; le premier mouvement du composant est donc un saut, non linéaire et non répétable. C'est ce phénomène qui limite le mouvement incrémental minimum.
|
Lacet : rotation dans le plan, autour de l'axe vertical (Z). L'angle qui définit cette rotation est l'azimut. Le terme lacet est également utilisé pour qualifier la rotation des optiques dans leur support.
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|