Lineaire Motor Systemen
Komende jaren op 20-30% van alle bewerkingsmachines
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De lineaire directe aandrijving is ondertussen technisch uitgerijpt,
hetgeen bij meer en meer toepassingen bewezen wordt. Desalniettemin is het
marktaandeel bij bewerkingsmachines nog altijd zeer gering. Toch zal zich
hier een verandering aanbieden. Zo zal volgens Siemens, de makers van LMS,
de komen jaren 20 tot 30% van alle bewerkingsmachines uitgerust zijn met
directe lineaire aandrijvingen.
Een tiental jaren geleden stond de hele vakwereld met verbazing te kijken
naar de eerste bewerkingsmachine Ex-Cell-O volledige uitgerust met
lineaire motoren. Ondertussen verrassen fabrikanten zoals Deckel Maho
Gildemeister en Camau Renault Automation eenieder met een breed gamma dat
zich, volgens de fabrikanten, boven de verwachtingen verkoopt. De volgende
stap, de serieproductie, blijkt niet ver meer af en nieuwe
toepassingsgebieden bieden zich aan.
Nadat de lineaire motor zich al gezeteld heeft in bewerkingscentra, HSC-
(High Speed Cutting) en lasersnijmachines, zijn toepassingen in de wereld
van draai- en slijpmachines geen taboe meer. Siemens LMS heeft reeds zijn
eerste toepassingen hier gerealiseerd. In de zogenaamde
“pick-up”-draaimachines is de directe lineaire aandrijving reeds een
aantal jaar vertegenwoordigd. De lange verplaatsingsafstanden en de
vereiste snelle en exacte positionering maken hem hierdoor een optimale
aandrijving. Ook in de universele draaimachines zoals bijvoorbeeld in de
x-sleden van de CTX 320/420 van Gildemeister, heeft de lineaire motor van
Siemens zijn toepassing gevonden. De basis daarvoor is dat beide machines
met directe lineaire aandrijvingen een productiviteitsstijging van
minstens 10% garanderen. Bij toepassingen in de slijpmachines pleitte de
nauwkeurigheid in het voordeel, maar zorgde het fijne slijpstof dat
gegenereerd werd bij de bewerking alsmaar voor problemen. Uiteindelijk
trekt het secundaire deel van de motor dit materiaal magnetisch aan en het
gevaar werd groot dat de luchtspleet tussen het primaire en secundaire
deel kwam dicht te zitten met slijpstof. Het slijpstof is vandaag de dag
nog altijd aanwezig, maar het wordt nu weggehouden van de kritische delen,
waardoor er zich geen problemen meer vormen.
De lineaire motor biedt verschillende integratiemogelijkheden, die
optimaal gekozen wordt in functie van de machine waar de motor moet
gehuisvest worden, zodat er geen vuil in de gevoelige onderdelen kan
komen. De lineaire motor wordt volledig ingekapseld en bijkomstig door
gecombineerde afschermingen zoals vouwbalgen of telescoopafdekkingen
volledig afgeschermd. Ziet het stof dan toch nog een weg om zich door te
zetten in de richting van het secundaire deel van de motor, dan wordt het
in laatste instantie tegengehouden door de sperlucht voor of de overdruk
in dit deel van de motor, zodat deze gevoelige zone ten allen tijde
stofvrij blijft.
Daarmee kunnen de voordelen ook hier in het toepassingsgebied van
bijvoorbeeld slijpmachines ten volle benut worden. De nauwkeurigheid van
de lineaire motor spreekt natuurlijk voor zich. Speciaal bij toepassingen
in slijpmachines kan bijgevolg een duidelijke reductie van de
bewerkingstijd gerealiseerd worden, zelfs tot een factor 5. Interessant is
ook de mogelijkheid van twee in een: een gecombineerde bewerking van
harddraaien en slijpen. Daarbij komt de dynamiek van de motor bij het
draaien en daarbij de nodige nauwkeurigheid voor het slijpen helemaal tot
zijn recht.
“Impulse decoupling”
Op gebied van Hightech ontwikkelden de lineaire motorspecialisten van
Siemens het gepatenteerde “impulse decoupling”. De magnetische
interactieve kracht tussen het primaire, beweegbare deel en het
secundaire, stationaire deel zorgen voor de beweging. De kracht stuwt de
slede voorwaarts, maar de reactiekracht die conventioneel direct op de
machinestructuur overgebracht wordt, passeert nu eerst door een
veer/demper systeem in de lineaire motor. Hiermee wordt de kracht
opgevangen die door de hoge dynamiek normaal gezien op het machinebed
inwerkt. Reeds bij de draaimachines bij een niet ronde bewerking wordt
deze techniek ingezet. Hierbij kunnen versnellingen van 30g en meer bij
een beweging van 100.000 m/s³ bereikt worden. Niet onbelangrijk is wel de
zware opgave die men moet bevechten met betrekking tot de regeltechniek en
constructie, om dergelijk resultaat te bekomen. Voor zover zijn deze
oplossingen vandaag enkel interessant voor bijzonder hoogdynamische
toepassingen. Een duidelijke vereenvoudiging door nieuwe ontwikkelingen
laat zich verhopen.
Warmteontwikkeling
Naast de vele voordelen die een directe lineaire aandrijving met zich
meebrengen, zijn ook de probleemgebieden niet onbekend. Zo kent men
bijvoorbeeld het hoge energiegebruik, zoals verder in dit artikel zal
worden aangehaald, en de warmteontwikkeling die op basis van de hoge
prestaties ontstaan en die lange tijd een argument waren van een aantal
sceptici.
Ondertussen hebben de fabrikanten van lineaire motoren de warmte onder
controle. Siemens LMS heeft bijvoorbeeld een zogenaamde
thermosandwich-opbouw ontwikkeld. Deze bestaat uit een vermogenkoeling
enerzijds, die het gros van de warmte afvoert, en een precisiekoeling
anderzijds die voor de rest zorgt. Op deze manier is het mogelijk de door
de lineaire motor bij duurgebruik ontwikkelde warmte (meer als 100°C) te
koelen.
Energieverbruik
Een lineaire motor ontwikkelt veel warmte, hetgeen altijd een meter is
voor onbenutte energie. De motor komt daarom dikwijls ter discussie als
energieverslinder. Weliswaar heeft de lineaire motor relatief hoge
verliezen, maar men mag echter geen vergelijking maken tussen de nominale
verliezen van een lineaire motor en een spindelaandrijving. Het is
aangewezen een vergelijk te maken van het totale energieverbruik van het
gehele proces van de machine, waardoor de warmte-energieverliezen zich
relatiever laten beoordelen.
Men moet daarbij natuurlijk appelen met appelen vergelijken. Niet voor
niets worden vandaag de dag vele kogel-spindel-aandrijvingen met
waterkoeling aangeboden, want als deze conventionele aandrijvingen een
snelheid van 120m/min ontwikkelen en daarbij krap 2g versnellen, dan kan
men niet meer om de waterkoeling omheen.
Overigens bij deze prestatiegegevens en snelheden begint het
toepassingsgebied van de lineaire motoren pas echt aan te vangen en komen
zijn troeven pas echt tot uiting. <<
ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
Moteurs linéaires
Sur 20 à 30% de toutes les machines d’usinage
L’entraînement linéaire direct a pris de la maturité et a prouvé ses
qualités dans de nombreuses applications. Pourtant, sa part de marché dans
les machines d’usinage est encore très faible. Cette situation devrait
toutefois évoluer. Selon Siemens, le constructeur de moteurs linéaires, 20
à 30% de toutes les machines d’usinage seront équipées d’entraînements
linéaires directs dans les prochaines années.
Il y a une dizaine d’années, le monde professionnel tout entier regardait
avec stupeur la première machine d’usinage Ex-Cell-O entièrement équipée
de moteurs linéaires. Depuis, des constructeurs comme Deckel Maho
Gildemeister et Camau Renault Automation surprennent tout le monde avec
une large gamme de produits qui se vendent, selon les constructeurs,
au-delà de toutes les espérances. La prochaine étape, la production en
série, ne semble plus très loin et de nouveaux champs d’applications se
profilent déjà. Maintenant que le moteur linéaire s’est installé dans les
centres d’usinage, les machines HSC (High Speed Cutting) et les machines
de découpe au laser, les applications dans le monde des machines de
tournage et de polissage ne sont plus taboues. Siemens LMS (moteurs
linéaires) y a déjà réalisé ses premières applications. L’entraînement
linéaire direct est déjà présent depuis plusieurs années dans les machines
de tournage de type ‘pick-up’. La longueur des déplacements, de même que
la vitesse et la précision exigées du positionnement font de lui l’entraînement
par excellence. Le moteur linéaire de Siemens a également trouvé sa place
dans les machines de tournage universelles, par exemple dans les chariots
x du CTX 320/420 de Gildemeister. La raison de cette percée est à trouver
dans la hausse de productivité d’au moins 10% garantie par les deux
machines équipées d’entraînements linéaires directs. Dans les applications
des machines de polissage, la précision plaidait aussi en sa faveur mais
la présence de fines poussières dues au polissage posait de gros problèmes
lors de l’usinage. En effet, la partie secondaire du moteur attire
magnétiquement le matériau, créant ainsi le danger que la fente d’aération
entre la partie primaire et secondaire ne finisse par être bouchée par la
poussière de polissage. Aujourd’hui, la poussière de polissage est
toujours présente mais elle est tenue à l’écart des zones critiques et ne
peut donc plus engendrer ces problèmes. Afin qu’aucune crasse ne puisse se
déposer sur les parties sensibles, le moteur linéaire propose maintenant
différentes possibilités d’intégration parmi lesquelles il faut choisir la
meilleure en fonction de la machine dans laquelle vient se loger le moteur.
Le moteur linéaire est entièrement encapsulé et protégé, de surcroît par
des protections combinées comme des soufflets ou des recouvrements
télescopiques. Si la poussière trouve quand même le moyen de se frayer un
chemin en direction de la partie secondaire du moteur, elle sera retenue
en dernière instance par l’air comprimé avant ou par la surpression créée
dans cette partie du moteur. Cette zone sensible reste ainsi, à tout
instant, exempte de poussière. Tout cela permet également d’exploiter
pleinement les avantages des moteurs linéaires dans le domaine d’application
des machines de polissage par exemple. La précision du moteur linéaire est
évidente. Elle permet dès lors surtout d’atteindre une réduction évidente,
d’un facteur allant jusqu’à 5, du temps d’usinage dans les applications de
polissage. La possibilité de deux en un est également intéressante : un
usinage combiné de tournage dur et de polissage. La dynamique du moteur
lors du tournage et la précision nécessaire pour le polissage sont alors
pleinement exploitées.
‘Impulse decoupling’
En matière de Hightech, les spécialistes de moteurs linéaires de Siemens
ont développé et breveté l’impulse decoupling. La force magnétique
agissant entre la partie primaire mobile et la partie secondaire
stationnaire assure le mouvement. La force pousse le chariot en avant mais
la force de réaction, qui est traditionnellement directement transférée au
bâti de la machine, passe maintenant d’abord par un système de ressort/amortisseur
implanté dans le moteur linéaire. La force due à la dynamique élevée qui
agit normalement sur le lit de la machine est ainsi compensée. Cette
technique est d’ailleurs déjà utilisée pour les machines de tournage dans
le cadre d’usinages non ronds. Cela permet d’atteindre des accélérations
de 30 g et plus pour un déplacement de 100.000 m/s³. La lourde tâche qui
doit être abattue en matière de technique de réglage et de construction
pour obtenir un tel résultat n’est pas négligeable. Ces solutions sont
aujourd’hui uniquement intéressantes pour des applications à haute
dynamique. Nous pouvons nous attendre à une simplification évidente
poussée par de nouveaux développements.
Développement de chaleur
Malgré les nombreux avantages qu’apporte l’entraînement linéaire direct,
les problèmes ne sont pas non plus inexistants. Nous connaissons par
exemple déjà la grande consommation d’énergie, mentionnée plus loin dans
l’article, et le développement de chaleur se manifestant lors de
prestations exigeantes. Il constitua d’ailleurs longtemps un argument émis
par de nombreux détracteurs. Entre-temps, les fabricants de moteurs
linéaires ont réussi à contrôler la chaleur. Siemens LMS a par exemple
développé une construction thermosandwich qui se compose, d’une part, d’un
refroidisseur de puissance qui évacue la majeure partie de la chaleur et,
d’autre part, d’un refroidisseur de précision qui se charge du reste. Cela
permet d’évacuer la chaleur développée par le moteur linéaire lors d’une
utilisation intensive (plus de 100°C).
Consommation d’énergie
Un moteur linéaire dégage beaucoup de chaleur, ce qui constitue toujours
une mesure de l’énergie inutilisée. De ce fait, le moteur est souvent
considéré comme un dévoreur d’énergie. Il est vrai que le moteur linéaire
a des pertes assez élevées mais nous ne pouvons pas comparer les pertes
nominales d’un moteur linéaire à celles d’un entraînement à broche. Il est
plus indiqué de comparer la consommation d’énergie globale de l’ensemble
du processus de la machine car elle permet une estimation plus relative
des pertes d’énergie en chaleur. Il faut naturellement comparer des choses
semblables. Ce n’est pas pour rien que l’on propose aujourd’hui de
nombreux entraînements à broche à vis à billes dotée d’un refroidissement
à l’eau. De fait, lorsque ces entraînements conventionnels développent une
vitesse de 120m/min et accélèrent à 2g, le refroidissement à l’eau devient
incontournable. De plus, ce n’est qu’à ces performances et vitesses que
commence réellement le champ d’application des moteurs linéaires et que
ses atouts se manifestent effectivement. <<
Ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
