Un rappel des principes de base concernant les dispositifs de positionnement linéaire les plus courants aidera les utilisateurs à les spécifier correctement dans leurs applications.

Les systèmes d'entraînement linéaire sont utilisés depuis des millénaires, notamment par les anciens Égyptiens qui se servaient de troncs d'arbres pour déplacer de lourds blocs de pierre, préfigurant ainsi les solutions de mouvement linéaire telles que les vis à billes et les systèmes à pignons et rouleaux. Aujourd'hui, la technologie du mouvement linéaire sert à supporter, positionner, guider et déplacer les composants de machines dans de nombreuses applications, notamment dans les secteurs de l'aérospatiale, des machines-outils, du médical, de l'automatisation industrielle et de l'emballage. Si les exigences fondamentales de cette technologie sont la capacité de charge et la précision du mouvement, d'autres critères sont également importants dans bien des cas.

La technologie d'entraînement linéaire utilisée dans un produit joue un rôle essentiel dans sa fonctionnalité, ses performances, sa durabilité, sa consommation d'énergie et autres atouts qui lui permettent de surpasser la concurrence. Les ingénieurs ont le choix entre diverses technologies d'entraînement linéaire, telles que les vis à billes, les vis à crémaillère, les transmissions par courroie, les moteurs linéaires et les systèmes à pignons à rouleaux. Il est crucial d'examiner attentivement toutes les options afin d'éviter les problèmes courants comme une faible précision, le jeu/les vibrations, un coût élevé, un fonctionnement salissant, une maintenance importante, une faible capacité de charge, un bruit excessif, une faible vitesse, etc. Une démarche de sélection systématique garantit que la technologie d'entraînement linéaire choisie correspond aux exigences de l'application. Le choix de la technologie appropriée permet également de simplifier la conception, d'améliorer les performances et de réduire le coût global d'assemblage.

1. Vis à billes
Les vis-mères utilisent l'angle d'hélice d'un filetage pour convertir un mouvement de rotation en mouvement linéaire. La grande surface de contact entre les parties mâle et femelle du filetage génère des pertes par frottement relativement importantes. De ce fait, les vis-mères sont moins efficaces et moins précises que les vis à billes. Elles offrent une capacité de charge relativement élevée, bien que généralement inférieure à celle des vis à billes. Un avantage majeur des vis-mères réside dans leur faible coût : elles coûtent généralement dix fois moins cher que des vis à billes équivalentes. Disponibles avec différents pas, les vis-mères permettent de choisir le pas optimal pour un bon compromis entre précision de positionnement et vitesse. Elles sont généralement peu bruyantes, à condition d'être suffisamment lubrifiées. Cependant, leur utilisation peut s'avérer complexe pour les déplacements de grande amplitude, car la vis n'est généralement pas soutenue entre ses deux extrémités.

2. Vis à billes
Le système à vis à billes se compose d'une vis à billes et d'un écrou à billes, ces derniers étant équipés de roulements à billes qui tournent dans les gorges formées par la vis et l'écrou. La vis à billes répartit la charge sur un grand nombre d'éléments roulants, ce qui lui confère une capacité de charge élevée. L'utilisation d'un grand nombre d'éléments roulants de précision garantit également une grande exactitude. De plus, les vis à billes présentent un faible frottement, ce qui se traduit par un rendement mécanique élevé et une consommation d'énergie réduite. Leur cycle de service est assez élevé car elles génèrent relativement peu de chaleur par frottement. Cependant, comparées à d'autres technologies d'entraînement linéaire, les vis à billes sont généralement plus coûteuses et nécessitent une lubrification régulière pour assurer une durée de vie raisonnable. Enfin, elles sont sujettes au bruit, principalement dû à la recirculation des billes.

3. Systèmes d'entraînement par courroie
Les systèmes de mouvement linéaire à courroie avec guidage à billes sont généralement privilégiés lorsque les critères primordiaux sont la vitesse, l'accélération et la course. Les actionneurs linéaires à courroie avec guidage par glissière offrent des performances légèrement inférieures en termes de vitesse et d'accélération, pour un coût moindre. La précision de positionnement linéaire des entraînements par courroie est, comme on peut s'y attendre, inférieure à celle des vis à billes ou des vis à billes. La capacité de charge des entraînements par courroie, qu'ils soient à billes ou à glissière, est également inférieure à celle des vis à billes. L'allongement et la rigidité de la courroie constituent d'autres inconvénients. Les systèmes de mouvement linéaire à courroie sont généralement capables de cycles de service élevés, car ils évitent les problèmes d'échauffement par frottement dans les roulements des vis à billes ou des vis à billes. Parmi les autres avantages des systèmes à courroie, on peut citer leur faible niveau sonore et leur maintenance réduite.

4. Transmissions par chaîne
Les transmissions par chaîne convertissent un mouvement rotatif en mouvement linéaire grâce à une série de maillons qui s'engrènent avec un pignon denté et un coulisseau linéaire. Fabriquées en métal, les transmissions par chaîne présentent des avantages par rapport aux transmissions par courroie. Elles sont également plus compactes et insensibles aux huiles, graisses, rayons du soleil et au vieillissement. Contrairement aux transmissions par courroie, les transmissions par chaîne peuvent fonctionner en milieu humide. En revanche, elles sont généralement plus bruyantes et vibrent davantage que les transmissions par courroie. Leur capacité de charge et leur durée de vie sont également inférieures à celles des transmissions par engrenages.

5. Moteurs linéaires
Les moteurs linéaires reposent sur le principe du déroulement d'un servomoteur rotatif classique : le stator devient un dispositif d'entraînement et le rotor se transforme en bobine ou en rail magnétique. Ils permettent d'obtenir un mouvement linéaire direct sans réducteur. Les moteurs linéaires à balais utilisent des bobines dans le rail linéaire et des aimants dans le dispositif d'entraînement. Les balais de ce dernier entrent en contact avec une barre courant le long du moteur pour assurer la commutation. Dans un moteur pas à pas linéaire, les enroulements et le dispositif d'entraînement sont intégrés à ce dernier. Les avantages des moteurs linéaires incluent des vitesses élevées, une grande précision et une réponse rapide. Leurs inconvénients sont un coût élevé, un encombrement important et une forte dissipation thermique. De plus, leur capacité est faible, comparable à celle des moteurs à entraînement direct par rapport aux moteurs à réducteur : pour une capacité équivalente, le moteur à entraînement direct doit être nettement plus volumineux.

6. Ensembles crémaillère-pignon
Les systèmes pignon-crémaillère sont composés d'une roue dentée circulaire, appelée pignon, qui s'engrène avec les dents d'une roue dentée linéaire, appelée crémaillère, pour convertir un mouvement de rotation en mouvement linéaire. Ces systèmes sont couramment utilisés comme actionneurs linéaires dans une large gamme de machines. Par exemple, ils servent à déplacer les axes des machines-outils à commande numérique (CNC), telles que les centres d'usinage. Les crémaillères hélicoïdales offrent un fonctionnement plus silencieux à haute vitesse et une capacité de charge supérieure grâce à un rapport de contact plus élevé entre les dents. La lubrification est essentielle pour garantir la longévité des systèmes pignon-crémaillère. Composés d'un nombre relativement réduit de pièces, ces systèmes permettent un gain de temps lors de l'installation et une fiabilité accrue. Ils offrent également une grande précision, même sur de longues courses. Parmi leurs inconvénients, on peut citer leur niveau de frottement relativement élevé, qui réduit leur rendement, augmente la consommation d'énergie et limite leur durée de vie. De plus, les entraînements par pignon-crémaillère nécessitent un certain jeu, ce qui peut constituer un inconvénient majeur.

Chaque système d'entraînement linéaire présente ses propres avantages et inconvénients. Pour choisir la technologie de mouvement linéaire la plus adaptée à une application donnée, l'ingénieur concepteur doit examiner attentivement les caractéristiques spécifiques de chaque option. Un choix judicieux permet d'améliorer les performances, de garantir une longue durée de vie et de réduire le coût global de l'ensemble.