Servocommandes de taille réduite : De grandes choses dans de petits paquets

Un sentiment de rétrécissement

Gordon Moore devant des plaquettes de semi-conducteurs

Gordon Moore, créateur de la loi de Moore

En ce moment, il y a de fortes chances que vous ayez sur vous un smartphone de moins d'un centimètre d'épaisseur, doté d'une puissance de traitement supérieure à celle des ordinateurs qui ont servi à guider les astronautes sur la lune. Comment en sommes-nous arrivés là ?

En 1965, Gordon Moore, cofondateur d'Intel, a déclaré que le nombre de transistors placés dans un circuit intégré dense de PCB doublait tous les deux ans. La "loi de Moore", comme on l'a appelée, a tenu bon pendant plus de 50 ans d'innovation.

Bien que le taux de rétrécissement ait commencé à se stabiliser ces dernières années, les circuits électroniques continuent à se densifier de manière constante. Pour ceux d'entre nous qui travaillent dans le domaine du contrôle du mouvement, cela signifie qu'il faut fournir aux ingénieurs des solutions de servocommande de taille micro plus légères, plus petites et plus puissantes.

 

Pourquoi avons-nous besoin de servocommandes plus petites ?

Oui, l'innovation nous a permis de créer des servomoteurs de très petite taille. Ces variateurs sont non seulement plus compacts et plus intelligents que les amplificateurs volumineux qui les précédaient, mais ils ont également une densité de puissance plus élevée, ce qui leur permet de fournir le couple et la vitesse nécessaires aux moteurs. Mais nous ne fabriquons pas des servocommandes de très petite taille juste parce que nous le pouvons ; il y a des avantages à avoir des solutions de servocommandes compactes.

Les robots devenant de plus en plus petits, élégants et complexes, nous avons besoin de solutions de servocommande plus petites qui s'intègrent dans les robots tout en offrant les mêmes performances. Ce n'est pas seulement une question d'esthétique, les servo drives plus petits et plus légers sont meilleurs pour les performances.

Prenons l'exemple d'un bras cobot simple avec des liaisons multiples. Chaque segment supplémentaire signifie un moteur et un entraînement de plus dans chaque articulation. Chaque fois qu'un moteur dans une articulation tourne, il doit fournir un couple suffisant pour soulever les liens qui sont plus éloignés du point de base du cobot. Par conséquent, la seule réduction du poids des servomoteurs permet de réduire la consommation d'énergie nécessaire au robot et de le rendre plus efficace.

Bras de robot jaune avec servocommandes poids indiqué dans les articulations

Le fait d'avoir des servomoteurs plus légers dans les articulations réduit le couple nécessaire pour soulever le bras.

On pourrait se demander pourquoi ne pas monter tous les servomoteurs à la base du robot plutôt que dans les articulations ? C'est théoriquement possible, mais pas très pratique. L'installation des servomoteurs et de leurs moteurs respectifs dans chaque articulation est non seulement pratique pour la maintenance, mais elle évite également d'avoir à faire passer des câbles de phase de moteur et des câbles de retour de différentes longueurs dans tout le bras du robot. Cela permet non seulement d'éviter le cauchemar de la maintenance consistant à tracer un ensemble de câbles dans tout le bras, mais aussi d'éviter les problèmes de rétroaction liés au bruit électrique.

Pour des raisons de fabricabilité et de fiabilité, il est préférable d'avoir des servomoteurs compacts et légers qui peuvent être montés avec les moteurs dans chaque articulation.

Plusieurs robots orange dans un entrepôt avec des icônes de batterie indiquant le niveau de charge

Des servomoteurs plus petits signifient moins de poids mort pour l'usure des robots.

Au-delà de la robotique fixe, les servomoteurs plus petits sont également utiles dans les applications robotiques mobiles. Comme dans l'exemple du cobot, le fait d'avoir des servomoteurs petits et légers à bord permet de réduire le poids inutile pour améliorer l'efficacité et/ou de laisser plus de place pour une batterie plus grande. Dans tous les cas, le résultat final est un robot qui peut travailler plus dur et plus longtemps tout au long de la journée.

La réduction du poids est souvent essentielle dans les secteurs médical et militaire également, en particulier pour les équipements qui doivent être portables. Dans les applications aérospatiales, il est essentiel de trouver des solutions légères pour réduire la consommation de carburant dans la lutte contre la gravité.

Produit phare : FlexPro®

Servomoteur FlexPro

Servomoteur numérique FlexPro FE060-25-EM

FlexPro® est la toute nouvelle famille de servocommandes numériques de ADVANCED Motion Controls. La plupart de ces servocommandes sont de taille "micro". Grâce à une ingénierie de pointe, FlexPro est destiné à étendre les capacités de la sélection de produits déjà puissante et diversifiée d'AMC à des applications aux contraintes d'espace réduites.

Avec ses dimensions de 38 x 25 x 16 mm (1,5 x 1 x 0,6 pouces), l'encombrement d'un servomoteur FlexPro de taille réduite est approximativement égal à celui de deux timbres-poste standard. En d'autres termes, quatre de ces variateurs peuvent tenir sur une carte de visite standard. Par exemple, le FE060-60C-EM peut alimenter des servomoteurs à balais, sans balais, pas à pas et linéaires avec un courant continu allant jusqu'à 60 ampères.

Petit circuit imprimé de servomoteur à côté d'un crayon.

Les caractéristiques des modèles FlexPro de taille réduite sont les suivantes :

  • Courant nominal de pointe et continu jusqu'à 60 ampères
  • Entrée 10-55 VDC ou 20-90 VDC
  • Servomoteurs à haute densité de puissance de ADVANCED Contrôles de mouvement à ce jour
  • EtherCAT, Ethernet/IP, CANopen, RS485/232 Communication
  • Prise en charge de l'encodeur incrémental, du mode C de BISS, d'EnDat, de Tamagawa et de la rétroaction du capteur de hall.
  • Modes de fonctionnement couple, vitesse et position

Ok, alors pourquoi les servocommandes ne sont-elles pas toutes petites ?

groupe de variété de servo drives

Malgré les progrès réalisés en matière de densité de puissance, les servocommandes sont toujours disponibles en différentes tailles.

Avec de nombreux servomoteurs de taille réduite disponibles et leurs avantages évidents, vous vous demandez peut-être pourquoi ADVANCED Motion Controls et d'autres sociétés de servomoteurs continuent à commercialiser et à vendre des servomoteurs plus grands. C'est une question pertinente, et il y a plusieurs raisons.

Limites de la densité de puissance

Comme le montre la loi de Moore, l'électronique devient de plus en plus compacte. Cependant, contrairement à la plupart des composants informatiques, les servomoteurs ne doivent pas se contenter d'exécuter des fonctions logiques - ils doivent en fait transmettre suffisamment de puissance à travers le circuit imprimé pour entraîner un moteur.
Pour les moteurs de forte puissance, cela nécessite beaucoup de courant, et il n'y a qu'une quantité limitée de courant que vous pouvez pomper à travers un petit circuit imprimé sans que les composants soient endommagés par la surchauffe, même avec des ventilateurs de refroidissement, des dissipateurs thermiques et d'autres techniques de gestion thermique.

En outre, à mesure que la tension augmente, l'espacement requis entre les traces sur une carte de circuit imprimé doit également augmenter pour éviter les interférences sonores, voire les arcs électriques.

Même si la densité de puissance possible au sein du circuit imprimé lui-même s'améliore, trouver des connecteurs de moteur et d'alimentation fiables, capables de supporter un courant de sortie élevé sans fondre, tout en s'adaptant parfaitement aux servomoteurs, devient un facteur limitant.

Pour les applications de contrôle de mouvement à usage intensif, vous avez tout simplement besoin de servomoteurs plus grands et à usage intensif.

Coût ou nécessité ?

3 hommes travaillant sur une machine

Dans les grandes machines, les servomoteurs de taille micro ne sont pas nécessaires et sont parfois peu pratiques.

L'autre facteur est le coût par rapport à la nécessité. Dans de nombreux cas, les lecteurs moins compacts sont en fait plus faciles et moins coûteux à fabriquer, et leur prix est donc naturellement plus bas. Les petits disques peuvent être très intéressants, mais si l'application n'a pas de contraintes d'espace, un disque plus grand mais moins cher peut suffire.

Si vous concevez un grand système de portique qui dispose de beaucoup d'espace pour le montage d'un gros servomoteur, il est inutile de payer un supplément pour avoir un servomoteur minuscule qui n'aura pratiquement aucun effet sur les performances.

Parfois, avoir un servomoteur plus volumineux n'est pas seulement acceptable, c'est même préférable. Imaginez que vous deviez enfoncer le haut de votre corps dans une grande machine de fabrication pour la maintenance. Voulez-vous passer 10 minutes penché pour essayer de connecter des dizaines de petits connecteurs à clip avec des broches serties, en les tripotant dans le mauvais éclairage, ou voulez-vous simplement visser les câbles d'alimentation et quelques connecteurs D-Sub et avoir terminé en 30 secondes ?

La demande et les utilisations de disques plus petits sont certainement en expansion, mais le besoin de disques plus grands ne disparaît pas non plus.

Produit phare : µZ

Un sous-ensemble de la famille des variateurs AxCent, les variateurs µZ (Micro-Z) sont de minuscules variateurs analogiques montés sur circuit imprimé. Pour ceux qui recherchent une solution particulièrement légère pour des applications avec des schémas de contrôle centralisés, ces petits variateurs sont la solution.

Les servovariateurs µZ sont conçus pour piloter des moteurs CC sans balais et à balais à une fréquence de commutation élevée. Pour augmenter la fiabilité du système et réduire les coûts de câblage, les variateurs sont conçus pour une intégration directe dans votre PCB. Avec un poids de seulement 8,5 grammes, les µZ Drives délivrent 10A en crête et 5A en continu et fonctionnent avec une tension de bus de 10-36VDC.

minuscule servomoteur à microcircuit

μZ AZBDC10A4 servomoteur analogique

Les caractéristiques comprennent :

  • Conçu pour une intégration directe carte à carte.
  • L'absence de dissipateur thermique et le fait de ne pas avoir besoin d'un dissipateur supplémentaire permettent d'obtenir le plus petit volume installé.
  • Poids de la plume, 8,5 grammes
  • Dimensions : 1,50 x 1,50 x 0,29 in (38,1 x 38,1 x 7,34 mm)
  • Compatible avec les moteurs à faible inductance
  • ±10V ou signaux de commande PWM/Direction
  • Fréquence de commutation de 40 kHz

Réflexions finales

FlexPro Servo Drive PCB et groupe de montage machineLes micro-variateurs sont parfaits pour les cobots (robots collaboratifs), les AGV, la robotique fixe, la robotique mobile, l'animatronique, les dispositifs portables, l'automatisation des laboratoires, les équipements militaires, l'aérospatiale, les équipements médicaux et toute application nécessitant une solution embarquée compacte et/ou légère.

Vous travaillez sur un projet qui pourrait utiliser un servomoteur de taille micro ? Contactez-nous et nous trouverons le variateur qui vous convient le mieux. Les servomoteurs µZ et FlexPro™ de ADVANCED Motion Controls sont tous des produits standard, mais si vous recherchez une solution de taille micro, vos options ne se limitent pas à ceux-ci. Nous sommes heureux de développer des servomoteurs personnalisés de taille micro, y compris ceux qui utilisent la même architecture IMPACT™ qui rend FlexPro™ possible.

Le besoin de servomoteurs plus petits ne fera qu'augmenter dans les années à venir, et tous ceux qui nous connaissent savent que nous sommes toujours prêts à relever le défi. C'est parti !

 

par Jackson McKay, ingénieur marketing

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