Lévitation de masses avec MagSpring
30 septembre 2021
Lorsque des entraînements directs à montage vertical exigent des temps de cycle rapides ou la prévention de la chute d'un axe en cas de coupure de courant, il est nécessaire de compenser le poids propre de l'entraînement. Actuellement, on utilise principalement des ressorts mécaniques ou des systèmes pneumatiques à cet effet, mais ces derniers présentent plusieurs inconvénients. Un ressort magnétique de MagSpring constitue donc souvent une meilleure alternative. Parmi les principaux avantages de cette solution, on peut citer le fait que, composant passif, il ne nécessite aucun raccordement électrique, aucun entretien et délivre une force constante sur toute sa plage de fonctionnement.
Les problèmes liés aux systèmes de contrepoids à ressorts ou pneumatiques sur les axes verticaux des machines-outils et autres systèmes sont récurrents, comme en témoignent les commentaires sur les forums en ligne. Les utilisateurs signalent des affaissements soudains des axes, entraînant des dommages importants aux outils et aux machines. Les causes possibles évoquées sont un dysfonctionnement de la commande d'axe, des coupures de courant et des problèmes au niveau du système de contrepoids lui-même, tels que la rupture d'un ressort ou des fuites. Cependant, la fiabilité des différents systèmes de contrepoids varie considérablement, ce qui justifie une analyse plus approfondie.
La compensation de poids est essentielle pour les mouvements dynamiques et une efficacité énergétique élevée lorsque les moteurs linéaires sont installés verticalement (de gauche à droite : ressort mécanique, système pneumatique, MagSpring) (Graphique : M. Furler)
applications
Lorsqu'on utilise des moteurs linéaires ou servomoteurs électriques pour effectuer des mouvements verticaux, ils doivent exercer une force constante, aussi bien en mouvement qu'à l'arrêt, pour compenser la gravité. L'équilibrage de cette masse par un système approprié réduit la consommation d'énergie du moteur électrique. De ce fait, le moteur peut généralement être plus compact, ce qui réduit la consommation d'énergie requise. Par ailleurs, un système de contrepoids permet une accélération et une décélération plus fluides de la masse mobile (par exemple, le poids des composants de l'axe Z d'une machine-outil, y compris le porte-outil et l'outil), réduit les contraintes sur les paliers, prévient les charges asymétriques lors du mouvement de l'axe et, en définitive, permet des mouvements plus dynamiques. Dans de nombreux cas, les systèmes de contrepoids sont également utilisés pour prévenir efficacement les situations dangereuses pour la pièce, la machine et l'opérateur, dues à une chute brutale de l'axe. Actuellement, l'un des quatre principes suivants est utilisé pour la mise en œuvre du contrepoids, selon l'application :
contrepoids
Dans les grandes machines-outils, l'équilibrage est souvent réalisé à l'aide de contrepoids reliés aux pièces mobiles par des chaînes à rouleaux ou des câbles. Cependant, la miniaturisation croissante des machines réduit souvent l'espace disponible pour ces contrepoids et leurs guides. De plus, ce système est sujet à l'usure mécanique et nécessite donc une maintenance intensive. Toute modification du poids à équilibrer requiert également une reconfiguration. Cette méthode est totalement inadaptée aux applications dynamiques, car l'inertie est considérablement accrue par le doublement de la masse mobile.
Ressort mécanique
Le ressort mécanique est un élément de conception très économique pour la compensation de poids dans une installation verticale. Cependant, l'augmentation linéaire de la force dans sa plage de fonctionnement ne permet pas une compensation optimale de la gravité sur toute sa course. De plus, les ressorts mécaniques s'usent relativement vite. Si d'autres systèmes de ressorts permettent de générer une force constante sur une plage de fonctionnement plus étendue et de minimiser les dommages liés à la rupture du ressort, ils sont plus coûteux et plus encombrants. Enfin, toute modification du poids à compenser nécessite des ajustements.
Compensation de poids pneumatique
Contrairement aux ressorts mécaniques, les vérins pneumatiques peuvent générer des forces constantes et relativement élevées sur une large course. De ce fait, ils sont particulièrement adaptés à la compensation de poids. L'installation d'une vanne de régulation en amont permet un réglage continu de la force afin de compenser les variations de poids. Toutefois, cette solution nécessite un dispositif de commande supplémentaire.
L'air comprimé étant l'une des sources d'énergie les plus coûteuses en production, les coûts énergétiques des systèmes de contrepoids pneumatiques ont un impact considérable sur leur rentabilité. Ces systèmes sont également fréquemment sujets aux fuites, ce qui peut entraîner un abaissement inattendu de l'axe vertical. De plus, ils nécessitent une maintenance importante et ne peuvent être utilisés que là où un raccordement approprié est disponible, ou bien ils limitent la mobilité des machines et des équipements.
Structure du ressort magnétique MagSpring de LinMot (Image : LinMot)
Ressort magnétique
Le MagSpring, un « ressort magnétique » développé par LinMot, spécialiste des moteurs linéaires, exploite la répulsion magnétique pour générer une force, ce qui le rend sans entretien et d'une fiabilité exceptionnelle. La conception spécifique des composants conducteurs de flux et des aimants transforme la relation non linéaire entre la force et le déplacement, caractéristique des systèmes aimant-fer, en un profil de force constant. Selon la classe de puissance du MagSpring, les aimants permanents sont situés soit dans le stator (en fer nickelé), soit dans le rotor, soit dans les deux (Figure 2). Le rotor, en acier au chrome-nickel (1.4301), est supporté par un guide coulissant intégré, permettant ainsi d'utiliser les ressorts magnétiques LinMot de manière similaire aux ressorts à gaz, mais avec une durée de vie nettement supérieure. Les MagSprings étant des composants passifs, ils ne nécessitent aucune alimentation électrique et peuvent donc être utilisés sans problème dans des applications critiques pour la sécurité. Grâce à leur génération de force indépendante du déplacement, les MagSprings sont parfaitement adaptés à la compensation des forces de poids dans les systèmes d'entraînement verticaux. Grâce à leur caractéristique force-déplacement constante, les ressorts magnétiques offrent un large éventail d'applications supplémentaires, comme la génération d'une force de contact constante quelle que soit la position, l'application d'une force de maintien constante sur une large course ou le support unilatéral d'une force dans les applications d'entraînement. En tant qu'élément passif, les ressorts magnétiques peuvent également servir à maintenir ou à déplacer des axes de machine ou d'autres composants, tels que des pinces ou des glissières, dans une position définie lorsqu'ils sont hors tension.
La gamme de produits à ressorts magnétiques MagSpring comprend actuellement plus de 30 variantes (Photo : LinMot)
Plage de fonctionnement du ressort magnétique
Contrairement à un ressort mécanique, le MagSpring offre une force constante sur toute la plage de course de travail (SP = point de départ) (Graphique : LinMot)
Au repos, le rotor est situé approximativement au centre du stator, son extrémité active dépassant légèrement de celui-ci. Cependant, les deux extrémités du rotor peuvent être utilisées pour la fixation d'une charge. À partir de cette position de repos, le rotor peut être tiré ou poussé hors du stator dans les deux sens. La force est progressivement augmentée de zéro à sa valeur nominale sur une courte distance. La course active commence alors avec une force constante. La position initiale correspond à la distance entre l'extrémité active du rotor et l'extrémité du stator au début de la plage de force constante. LinMot propose deux séries MagSpring dans son catalogue : l'une pour une force de 11 à 22 N et une course jusqu'à 290 mm, et l'autre pour une force de 40 à 60 N et une course jusqu'à 275 mm (figure 3). Une version encore plus puissante, d'une force nominale allant jusqu'à 120 N, est en cours de développement et sera disponible dès 2014. En raison des tolérances liées aux matériaux et à la fabrication, la force effective se situe dans une plage de +/- 5 % de la force nominale. Des brides et des adaptateurs de montage sont disponibles pour l'installation des ressorts magnétiques. Ces accessoires permettent de fixer les MagSprings directement sur les guides linéaires H01 ou les guides de pont B01 de la marque. Grâce à leur faible diamètre (20 ou 37 mm seulement), les ressorts magnétiques peuvent également être utilisés dans des espaces restreints.
Conclusion
Un ressort magnétique compense passivement le poids d'un axe vertical entraîné par un servomoteur ou un moteur linéaire. Ce ressort génère une force constante sur toute la course, indépendamment de la position, de la vitesse ou de l'orientation de montage. Le moteur n'a plus qu'à fournir les forces dynamiques et peut donc fonctionner plus rapidement et être plus compact. Si la force du ressort magnétique est supérieure au poids de la charge, celle-ci peut être déplacée vers une position sûre en cas de panne de courant. Les ressorts magnétiques sont également sans entretien, résistants à l'usure et compacts. Grâce à leurs propriétés quasi idéales, ils surpassent les autres systèmes de compensation de poids (contrepoids, ressort mécanique et compensation pneumatique) dans de nombreuses applications.