Conception d'actionneur linéaire servo pour plates-formes de mouvement 6-DOF

1. Introduction

Six degrés de liberté (6-DOF) les plates-formes de mouvement nécessitent actionneurs linéaires servo hautes performances pour obtenir un mouvement précis et dynamique dans tous les axes. Ce guide de conception technique couvre les aspects critiques du développement d'actionneurs servo-linéaires pour les applications 6-DOF, notamment :

• Exigences cinématiques

• Configuration de l'actionneur

• Conception mécanique

• Intégration du système de contrôle

• Optimisation des performances

2. Analyse des exigences du système

2.1 Spécifications de la plateforme de mouvement

Paramètre	Gamme typique	Facteurs critiques
Capacité de charge utile	100kg - 5000kg	Force nominale de l'actionneur
Vitesse maximale	0,5 - 2 m/s	Puissance du moteur, pas de vis
Accélération	5 - 20 m/s²	Couple moteur, inertie
Précision du positionnement	±0,01 - ±0,1 mm	Résolution de l'encodeur
Répétabilité	±0,005 - ±0,05 mm	Jeu mécanique
Fréquence de fonctionnement	50 - 200 Hz	Contrôler la bande passante

2.2 Exigences en matière de degrés de liberté

• Translation : surtension (X), balancement (Y), soulèvement (Z)

• Rotation : roulis (φ), tangage (θ), lacet (ψ)

3. Conception mécanique de l'actionneur

3.1 Options de configuration

Configuration de la plateforme Stewart (hexapode) :

• 6 actionneurs linéaires disposés en parallèle

• Plateformes supérieure et inférieure reliées par des joints sphériques/universels

• Fournit une rigidité et un espace de travail optimaux

Configurations alternatives :

• Systèmes planaires à 3 degrés de liberté

• Hybrides série-parallèle

3.2 Composants critiques

A. Sélection du mécanisme d'entraînement :

Tapez	Avantages	Limites
Vis à billes	Haute efficacité, précision	Vitesse limitée par un régime critique
Vis à rouleaux	Capacité de charge plus élevée	Plus cher
Entraînement par courroie	Capacité à grande vitesse	Rigidité inférieure
Moteur linéaire	Entraînement direct, dynamique la plus élevée	Coût, gestion de la chaleur

B. Critères de sélection du moteur :

• Exigence de couple continu

• Couple maximal pour l'accélération

• Caractéristiques vitesse-couple

• Besoins en matière de gestion thermique

C. Système de roulement et de guidage :

• Guidages à recirculation de billes (haute rigidité)

• Roulements à rouleaux croisés (conception compacte)

• Rails linéaires (applications à course longue)

4. Conception du système de contrôle

4.1 Architecture de contrôle

[PC hôte/Contrôleur de mouvement]
↓
[Boucle de contrôle en temps réel (1 kHz+)]
↓
[Amplificateurs de servocommande]
↓
[Moteurs d'actionneurs]
↓
[Retour de l'encodeur]
↑
[Capteurs de force/couple (en option)]

4.2 Algorithmes de contrôle clés

Solveur de cinématique inverse

♦ Convertit la pose de la plate-forme (X, Y, Z, φ, θ, ψ) en longueurs d'actionneur

♦ Doit fonctionner en temps réel (

Génération de profil de mouvement

♦ Profils d'accélération en courbe en S

♦ Limitation des secousses pour un mouvement fluide

Techniques de contrôle avancées:

♦ PID adaptatif avec compensation de friction

♦ Contrôle prédictif de modèle (MPC)

♦ Techniques d'observation des perturbations

5. Optimisation des performances

5.1 Analyse de rigidité

• Cible de rigidité structurelle minimale : 100 N/μm

• La rigidité des articulations est essentielle pour les performances dynamiques

• Analyse par éléments finis (FEA) recommandée

5.2 Simulation dynamique

• Simulation de dynamique multi-corps (ADAMS, Simulink)

• Analyse de fréquence naturelle (cible > 30 Hz)

• Analyse du mode de vibration

5.3 Gestion thermique

• Surveillance de la température des enroulements du moteur

• Refroidissement air/liquide forcé pour les cycles de service élevés

• Compensation de croissance thermique

6. Étude de cas de mise en œuvre

Spécifications de l’actionneur du simulateur de vol:

► Course : ±300 mm

► Vitesse maximale : 1,2 m/s

► Force continue : 2000N

► Force maximale : 6000N (2 sec)

► Résolution : 0,01 mm

► Bande passante : 100 Hz (-3 dB)

Sélection des composants:

→ Moteur : Servomoteur CA 3 kW (3000 tr/min)

→ Entraînement : Vis à billes (pas de 16 mm)

→ Encodeur : 23 bits absolus

→ Roulements : type à rouleaux croisés

→ Boîtier : Alliage d'aluminium (7075-T6)

7. Tests et validation

Tests critiques:

→ Analyse de réponse étape

→ Réponse en fréquence (tracés de Bode)

→ Mesure du jeu

→ Vérification de la capacité de charge

→ Test de durabilité (10⁷ cycles)

8. Tendances de développement futures

Actionneurs intelligents intégrés :

• Surveillance d'état intégrée

• Capacités d'auto-étalonnage

Matériaux avancés :

• Structures en fibre de carbone

• Roulements en céramique

Contrôle amélioré par l'IA :

• Compensation basée sur les réseaux neuronaux

• Algorithmes de maintenance prédictive

9. Conclusion

La conception de servoactionneurs linéaires pour les plates-formes 6-DOF nécessite :

⇒ Analyse cinématique et dynamique minutieuse

⇒ Sélection optimale des composants d'entraînement

⇒ Implémentation d'un système de contrôle robuste

⇒ Validation rigoureuse des performances

La méthodologie de conception présentée assure le développement de systèmes de mouvement haute performance capable de répondre aux exigences exigeantes des applications modernes de simulation et de mouvement de précision.

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