Nous savons qu’il peut être difficile de trouver le produit piézoélectrique adapté à vos besoins. Il existe de nombreuses options proposées par différents fabricants. Et comme si cela ne suffisait pas, les fabricants d’actionneurs et de platines ont tendance à utiliser une terminologie différente dans leurs spécifications, ce qui rend difficile la comparaison entre deux modèles de marques différentes.
Comme nous pensons que vous devriez pouvoir choisir le produit qui vous convient le mieux, nous avons créé ce guide pour vous aider à sélectionner l’actionneur ou la platine piézoélectrique adapté à votre projet.
Résolution du capteur
Le terme « résolution du capteur » désigne le plus petit mouvement détectable par le capteur de position. Cette valeur correspond à la limite inférieure de la résolution de l’actionneur/de la platine. La résolution du capteur est également appelée « sensibilité du capteur ». Elle ne donne aucune indication sur les spécifications du mouvement, mais uniquement sur la détection du mouvement. Il s’agit d’une différence importante.
➜ Ne vous y trompez pas, il s’agit d’une spécification du capteur, mais pas de l’actionneur/de la platine. C’est un moyen facile d’impressionner les clients, mais cela ne dit pas grand-chose sur les performances de l’actionneur ou de la platine.
Précision du capteur
La précision d’un capteur de position représente l’écart absolu par rapport à une norme calibrée et traçable métrologiquement. La précision du capteur n’est pas nécessairement liée à la résolution du capteur. L’imprécision du capteur est principalement due à l’imperfection de l’échelle du capteur et à l’erreur d’alignement de l’échelle du capteur lors de l’assemblage. L’erreur de précision du capteur est, dans une large mesure, répétitive et peut être compensée à l’aide d’une table de consultation.
➜ C’est un point délicat et souvent mal compris. Vous constaterez généralement que ces spécifications sont bien moins bonnes que les spécifications de précision d’un actionneur ou d’une platine. Mais cela ne devrait pas trop vous inquiéter, car l’erreur est très répétitive une fois l’encodeur installé. Le calibrage de votre système permet généralement de résoudre ce problème. Dans 99 % des cas, cette spécification n’est pas très importante.
Résolution de l’actionneur/de la platine (= taille minimale du pas)
La résolution est définie comme le plus petit déplacement mécanique contrôlé d’un actionneur/d’une platine de positionnement piézoélectrique. La résolution est influencée par la résolution du capteur, les influences mécaniques (friction, compliance, non-linéarités des points de contact…) et les performances de contrôle de position. Cette valeur correspond à la limite inférieure de la répétabilité de l’actionneur/de la platine. La résolution d’un étage / actionneur est également appelée taille de pas minimale ou mouvement incrémental minimal (MIM).
➜ Les choses deviennent maintenant intéressantes. Lorsque les gens parlent de précision, c’est ce qu’ils veulent dire : la plus petite taille de pas qu’un actionneur ou un étage peut prendre. Dans certains cas, il peut y avoir des différences importantes entre la résolution de l’actionneur / étage et la résolution du codeur. Avec la répétabilité de l’actionneur / étage, c’est le paramètre le plus important.
Répétabilité de l’actionneur/de la platine
La répétabilité est définie comme la plage de positions atteintes lorsque l’actionneur/la platine est commandé(e) à plusieurs reprises vers un emplacement spécifique dans des conditions identiques. Il existe deux types de répétabilité.
- Répétabilité unidirectionnelle : c’est-à-dire la capacité d’un actionneur/d’une platine à revenir à un point donné, en partant toujours du même point défini précédemment. La valeur indiquée correspond à l’écart type de nombreux déplacements vers le même point.
- Répétabilité bidirectionnelle : la capacité d’un actionneur/d’une platine à revenir à un point donné en partant d’un point précédent aléatoire. La valeur indiquée correspond à l’écart type de nombreux déplacements depuis des directions aléatoires vers le même point. Les valeurs indiquées dans les spécifications Xeryon se réfèrent à la répétabilité bidirectionnelle, sauf indication contraire.
➜ Comme indiqué ci-dessus, une petite taille de pas minimale est appréciable. Mais vous voulez également être sûr que lorsque vous vous déplacez vers une certaine position à un moment donné ou à partir d’une position de départ quelconque, vous vous retrouvez toujours exactement à la même position. Les systèmes en boucle ouverte ont du mal à y parvenir, car l’erreur de pas est cumulative. Cependant, il peut également y avoir d’énormes différences entre les systèmes en boucle fermée, principalement en raison du contrôle du système.
La situation empire encore lorsque l’on se déplace dans deux directions, car la qualité des roulements commence alors à interférer également. Plus la distance est longue, plus l’effet est important. C’est donc la deuxième spécification la plus importante à prendre en compte : la répétabilité bidirectionnelle.
Précision de l’actionneur / de la platine
La précision d’un actionneur ou d’une platine est directement liée à la précision du capteur. Cela résulte du principe d’entraînement direct d’un actionneur / d’une platine et de la faible distance entre le capteur de position et la surface de montage.
➜ Ne vous attardez pas trop sur ce point. Si vous comprenez la précision du codeur, vous comprenez également la précision de l’actionneur / de la platine. Certains fabricants confondent la précision de l’actionneur / de la platine avec l’erreur de mouvement. Il s’agit d’une spécification distincte, et très importante.
Erreur de mouvement d’une platine rotative
Selon la norme ANSI/ASME B89.3.4, l’erreur de mouvement de l’axe de rotation d’une platine rotative est définie comme un changement de position par rapport aux axes de coordonnées de référence, de la surface d’une pièce parfaite, en fonction de l’angle de rotation, avec l’axe central de la pièce coïncidant avec l’axe de rotation. En d’autres termes, un plateau rotatif a idéalement un degré de liberté, à savoir la rotation autour de l’axe z.
Cependant, comme il n’existe pas de plateaux tournants parfaits, tout mouvement dans les cinq degrés de liberté restants est appelé mouvement d’erreur d’axe de rotation ou simplement mouvement d’erreur. En fonction de la direction de l’erreur, on peut distinguer deux contributions radiales, une contribution axiale et deux contributions d’inclinaison ou d’oscillation. De plus, le mouvement d’erreur d’un plateau tournant peut être séparé en une composante synchrone et une composante asynchrone. Le mouvement d’erreur d’une platine est souvent appelé à tort « faux-rond de la platine ». Vous trouverez ici une explication plus détaillée de ces termes.
➜ Si vous recherchez une platine rotative, veillez à tenir compte du mouvement d’erreur. Un comportement oscillatoire du disque rotatif aura évidemment un impact considérable sur vos résultats.
Précision vs répétabilité
La précision correspond à la proximité avec laquelle une platine peut se positionner par rapport à la valeur réelle (véritable). La répétabilité est une mesure de la capacité de la platine à se positionner de manière séquentielle sur la même valeur cible. Il est important de comprendre que la précision et la répétabilité sont deux propriétés différentes d’un système de positionnement. Dans un certain nombre d’applications, la répétabilité d’un système de mouvement est plus importante que la précision. Les erreurs systématiques peuvent être prises en compte et compensées, mais la répétabilité est la limite ultime qui est atteinte après toute compensation. La précision est également appelée « exactitude ». D’autres termes désignent la répétabilité, tels que la reproductibilité ou, de manière légèrement confuse, la précision.
Mouvement erroné d’un étage linéaire ou d’un actionneur
Le mouvement erroné d’un actionneur/platine linéaire est le mouvement indésirable, en fonction de la position de l’actionneur/platine, dans les cinq degrés de liberté autres que la direction du mouvement. Le mouvement erroné dans le plan horizontal est appelé erreur de rectitude, et l’erreur dans le plan vertical est appelée erreur de planéité. Les composantes angulaires du mouvement erroné dans les différentes directions orthogonales sont appelées tangage, roulis et lacet. Un autre terme pour désigner le mouvement erroné d’un actionneur/platine linéaire est l’erreur de guidage ou l’erreur de déplacement.
Quelques mots sur les actionneurs : alors qu’un étage est conçu pour se rapprocher d’un mouvement sans erreur, même en cas de forces latérales, un actionneur est conçu pour pousser et tirer. Lorsqu’il existe une certaine tolérance sur le mouvement imparfait, un actionneur peut être utilisé sans guidage supplémentaire de la charge utile. Mais lorsque vous utilisez un actionneur et que vous avez également besoin d’un mouvement sans erreur, vous devrez ajouter des guidages à la charge utile pour la maintenir sur la bonne voie. N’oubliez donc pas : un actionneur sert à effectuer un mouvement de poussée/traction, mais une platine peut également supporter la charge utile dans d’autres directions.
➜ Même remarque que pour le mouvement d’erreur rotatif. À quoi sert une grande précision si l’actionneur/la platine présente des mouvements indésirables ? Les spécifications de mouvement d’erreur d’un actionneur/d’une platine sont très importantes, car même de petits mouvements d’erreur peuvent avoir un effet considérable sur vos résultats finaux. Important pour des projets spécifiques, mais souvent pas le paramètre décisif.
Vitesse de déplacement
Vitesse maximale de déplacement de la platine ou de l’actionneur.
➜ Ce n’est pas difficile, mais souvent négligé. Si vous souhaitez effectuer de nombreuses mesures, la vitesse de l’actionneur/de la platine peut avoir un impact considérable sur votre débit. Pour les mesures par balayage (mesures pendant le mouvement), la stabilité de la vitesse est très importante. Si vous utilisez des platines ou des actionneurs longs, une vitesse de déplacement élevée est indispensable pour éviter de longs temps d’attente.
Durée de vie
La durée de vie typique des platines et actionneurs piézoélectriques à glissement intermittent est d’environ 20 à 30 km. Lorsque vous effectuez de nombreux mouvements, ce seuil est atteint en quelques mois. Les produits piézoélectriques ultrasoniques Xeryon ont une durée de vie supérieure à 1 000 km. Il est important de noter que l’usure de la céramique piézoélectrique génère des particules de poussière céramique. C’est le cas pour tous les types de systèmes piézoélectriques, mais beaucoup moins pour les piézoélectriques à ultrasons.
Ces particules peuvent être nocives pour votre expérience ou votre équipement.
➜ La durée de vie est souvent oubliée, mais vous ne voulez pas acheter trop souvent de nouveaux équipements ni vous retrouver avec de la poussière de céramique dans votre installation. Si vous ne déplacez la platine ou l’actionneur que de manière sporadique, ce paramètre n’est pas très important.
Son et vibrations
Les produits piézoélectriques fonctionnent sur le principe des vibrations. Voici le principe de base : les vibrations de l’élément piézoélectrique sont converties en un mouvement net.
Si ces vibrations se situent dans le spectre audible par l’oreille humaine (20 Hz à 20 kHz), le moteur piézoélectrique émettra un bruit gênant et audible.
Un deuxième problème lié à la fréquence de vibration de l’élément piézoélectrique est qu’il peut générer une résonance dans son environnement. De nombreux petits composants ont une fréquence de résonance comprise entre 1 et 5 kHz et peuvent commencer à résonner lorsque la platine ou l’actionneur piézoélectrique est activé. Les systèmes piézoélectriques à ultrasons (comme les produits Xeryon) vibrent dans un spectre compris entre 80 kHz et 180 kHz. Ils sont silencieux et le risque de résonance dans votre installation est quasi nul.
➜ Le bruit peut être gênant pour certaines applications. Si vous utilisez le moteur piézoélectrique en permanence, c’est un élément à prendre en compte. La résonance dans votre expérience peut être un problème plus important que le bruit : soyez prudent avec les basses fréquences de résonance !
Force de maintien et force motrice
La force motrice explique la force avec laquelle la platine ou l’actionneur peut pousser ou tirer dans le sens du mouvement. Il est important de faire la distinction entre les mouvements horizontaux et verticaux. En théorie, dans le sens horizontal, toute charge utile peut être déplacée, à condition que le frottement (et l’inertie) le permettent. Plus la masse de la charge utile est élevée, plus l’accélération est faible (F=m*a). En raison du frottement dans les guidages, la vitesse maximale diminuera également avec des charges utiles lourdes.
Dans le sens vertical, c’est une autre histoire : une platine ou un actionneur ne peut soulever qu’une charge utile dont la force verticale est inférieure à la force motrice du moteur. Ainsi, en théorie, une platine de 3 N peut soulever une charge utile de 300 grammes. En réalité, la force de levage est considérablement inférieure à cela, en raison de la perte de force lors de l’atterrissage sur la position cible. Horizontalement, cela ne pose pas de problème, car la gravité est perpendiculaire à l’axe d’entraînement. Ce problème peut généralement être résolu en introduisant un système de compensation de masse, qui compense la gravité de la charge utile. Cela peut être fait de manière magnétique ou mécanique (avec des ressorts ou des contrepoids).
La force de maintien est la force que vous devez exercer sur la platine ou l’actionneur pour le déplacer lorsqu’il est fixé sur une position. Il convient de faire la distinction entre la force de maintien active et la force de maintien passive. La force de maintien active signifie que le moteur piézoélectrique est toujours actif et que lorsque l’actionneur/la platine est déplacé(e), le moteur commence à exercer une force contraire. Dans ce cas, la force de maintien est donc égale à la force d’entraînement. La force de maintien passive est pertinente lorsque le moteur piézoélectrique n’est plus alimenté. Dans ce cas, la force de maintien est générée par le frottement entre l’élément piézoélectrique et la bande d’entraînement en céramique de la platine ou de l’actionneur. L’élément piézoélectrique est poussé contre la bande avec une certaine force, ce qui confère au système une force de maintien mécanique lorsque l’alimentation est coupée.
➜ La force motrice est un paramètre important lorsque des accélérations élevées sont nécessaires. Lorsque la vitesse n’est pas un problème, de grandes masses peuvent être déplacées à l’aide de petits moteurs piézoélectriques. Si vous soulevez une charge utile, vous devez accorder beaucoup plus d’attention à la force motrice, car la gravité entre en jeu. La force de maintien passive (lorsque l’appareil est hors tension) peut être très importante lorsque vous souhaitez éliminer toutes sortes de vibrations et de distorsions de votre installation ou lorsque vous souhaitez réduire la consommation d’énergie.
Boucle ouverte ou boucle fermée
Dans le contrôle de position, on parle souvent de contrôle en boucle ouverte ou en boucle fermée. En général, le contrôle en boucle ouverte dans les systèmes de mouvement signifie qu’il n’y a pas de retour d’information sur la position d’un objet en mouvement. Le contrôle en boucle fermée signifie qu’il existe une sorte d’information sur la position qui est renvoyée au contrôleur de mouvement d’un système pour aider au positionnement. Vous trouverez ici une explication détaillée sur le contrôle en boucle ouverte et en boucle fermée.
