Passez en revue cinq maillons de la chaîne d’éléments de conception si essentiels au fonctionnement de précision.

Un système de mouvement linéaire n’est aussi solide que les maillons les plus compromettants de sa chaîne d’éléments mécaniques et électromécaniques. Comprendre chaque composant et fonctionnalité (et leur impact sur le résultat de la conception) améliore les décisions et les chances que la conception finale réponde pleinement aux exigences de l'application. Après tout, le jeu, la précision et d'autres aspects de performance du système peuvent être attribués à des éléments de la conception et de la fabrication de la vis mère, de l'écrou anti-jeu, des accouplements, du moteur et de la stratégie de contrôle.

Travailler avec des fournisseurs de mouvements linéaires possédant une expertise dans tous les maillons d'une conception est le meilleur moyen d'obtenir des performances de conception optimales. En fin de compte, les systèmes de contrôle de mouvement optimisés sont comme une voiture de sport haute performance avec tous ses éléments bien équilibrés… pour laquelle le moteur de bonne taille + la bonne transmission + les bons pneus + d'excellentes fonctionnalités de contrôle (telles que les freins antiblocage et l'antipatinage) = génial performance.

Prenons quelques exemples de conceptions nécessitant des performances optimales. Dans certains types d’impression 3D, les résolutions de couche sont poussées jusqu’à 10 µm par couche. Dans les dispositifs médicaux, les unités de distribution doivent produire des médicaments vitaux et contrôler les doses jusqu’au microlitre. Le même type de précision élevée peut être observé dans les équipements optiques et de numérisation, les équipements de traitement des puces et des plaquettes dans l’industrie des semi-conducteurs et dans le domaine de l’automatisation des laboratoires.

Seules les conceptions de mouvements linéaires construites avec une approche holistique de la sélection et de l'intégration des composants peuvent satisfaire ces exigences de performances toujours plus élevées. Souvent, la solution la plus adaptée à ces constructions est une vis et un écrou motorisés avec une architecture de contrôle appropriée. Examinons donc les principales considérations et caractéristiques de performances de chaque maillon de ce type d'assemblage linéaire.

Premier lien : qualité de la vis mère et de l'écrou

Les vis-mères existent depuis des décennies sous diverses formes avec une gamme de conceptions et de matériaux d'écrous. Pendant une grande partie de cette période, les machines utilisées pour fabriquer les vis-mères étaient réglées manuellement, limitant la qualité aux capacités de la machine et au niveau de compétence de l'opérateur. Aujourd'hui, la plupart des fabricants utilisent encore ce type d'équipement, mais les processus automatisés modernes font passer la qualité des vis-mères à un niveau supérieur.

Par exemple, de telles opérations utilisent une alimentation contrôlée par CNC, un réglage de l'inclinaison et des contrôles de pression pour le processus de filetage par rouleau afin d'obtenir les formes de filetage de vis-mère les plus cohérentes. La finition de surface de ces vis-mères est constamment lisse et exempte d'abrasions de surface susceptibles de déchirer les écrous en polymère… pour une précision et une durée de vie sans précédent du système.

Dans le même temps, les techniques avancées de métrologie et d'inspection qui tracent la forme des filetages des vis-mères donnent des résultats avec des précisions de pas point à point jusqu'à trois fois supérieures à celles des méthodes manuelles traditionnelles. Cela maintient systématiquement la précision du pas à 0,003 po/pied sur la longueur d'une vis.

Pour les applications de type transport déplaçant un objet point à point le long d'un axe, la méthode traditionnelle de vérification de la précision du pas tous les 300 mm ou six pouces est adéquate. Mais pour les applications de plus haute précision, la précision de chaque filetage d'arbre est importante. Un écart par rapport à la géométrie appropriée du filetage est appelé ivresse du filetage.

Les nouveaux équipements de fabrication CNC automatisés, les nouveaux processus et les méthodes d'inspection détaillées produisent un contrôle et une qualité plus stricts, de sorte que les points hauts et bas d'un filetage individuel présentent une précision de sous-rotation considérablement améliorée, en d'autres termes, moins d'ivresse. Cela aide à son tour les vis-mères à maintenir la répétabilité du positionnement sur une seule rotation à 1 µm. Il s'agit d'une mesure de performance particulièrement critique dans des applications telles que le traitement de plaquettes et de puces coûteuses pour l'industrie des semi-conducteurs et la distribution précise de médicaments dans une pompe à seringue.

Après le roulage du filetage, les fournisseurs de vis avancés redressent les arbres de vis avec un système automatisé pour minimiser les erreurs et les faux-ronds qui peuvent provoquer des vibrations, du bruit et une usure prématurée. La rectitude de l'arbre de vis est critique car toute erreur est accentuée lors de son assemblage avec le moteur. En revanche, les méthodes traditionnelles (manuelles) de redressage des vis peuvent produire un effet de cône de neige dans la géométrie de l'arbre de vis – sous la forme d'un seul arc ou de plusieurs arcs qui se tirent en bouchon autour de l'axe long de l'arbre. Encore une fois, le redressage et l'inspection automatisés éliminent ces erreurs, ce qui permet d'obtenir des performances de vis stables.

La dernière étape de la production des vis-mères est l'application d'un revêtement PTFE. Seule une finition lisse et constante assure une longue durée de vie et des performances du système. Une application incohérente du PTFE (résultant d'un environnement ou d'un équipement de revêtement sous-optimal) peut provoquer des piqûres, des fissures, des bulles, des écailles ou une rugosité de surface qui provoquent une usure prématurée de l'écrou et une durée de vie raccourcie de l'assemblage.

Deuxième lien : Interaction de l'écrou et de la vis

Les écrous anti-jeu traditionnels utilisent une conception en plusieurs pièces qui nécessite un ressort hélicoïdal pour déplacer une pince linéairement le long de l'écrou afin de fermer les doigts et de contrôler l'ajustement entre la vis et l'écrou.

Les problèmes qui contribuent à l'échec de ces conceptions sont la force sporadique et variable du ressort, le stick-slip de la pince sur l'écrou et la pression fluctuante à mesure que le matériau de l'écrou s'use. En revanche, un écrou alternatif conçu pour fournir une force constante comprend une conception simplifiée en deux pièces qui applique une pression sur les doigts de l'écrou de manière radiale, direction nécessaire pour contrôler le jeu ou le jeu entre l'écrou et la vis.

Considérez la conception conventionnelle du ressort hélicoïdal et de la pince pour un écrou de vis sans jeu. Ici, un ressort hélicoïdal à force variable génère une force axiale qui est convertie en force radiale par interférence mécanique. La conception repose sur des composants moulés par injection pour appliquer une force égale aux doigts. Les tests de référence confirment que la précharge change considérablement au cours des 1 000 premiers cycles.

En revanche, certains écrous de vis sans jeu à force constante offrent des performances de jeu deux à quatre fois supérieures à celles des conceptions conventionnelles, comme l'ont validé les tests FDA des clients d'automatisation de laboratoire. Une conception à ressort à force constante garantit une précharge constante tout au long de la durée de vie de l'axe. Matériau d'écrou autolubrifiant avec PTFE pour un pouvoir lubrifiant et une efficacité améliorée.

L'un des plus grands avantages des écrous de vis sans jeu à force constante est leur capacité à être adaptés à une application avec des ajustements du ressort et d'autres paramètres. Ce réglage permet d'optimiser la précharge, le jeu, la force de traînée et le jeu de fonctionnement pour répondre aux spécifications requises. Chaque combinaison de vis et d'écrou, ainsi que chaque ensemble moteur et vis complet, peut être testé pour chacune de ces caractéristiques de performance lors de la validation et de l'inspection finale.

Troisième lien : connexion couplée ou directe au variateur

Le maillon suivant de la chaîne est la façon dont la vis se fixe au moteur. Il existe trois manières fondamentales d’y parvenir.

La première est la méthode la plus traditionnelle dans laquelle un coupleur est introduit dans l'assemblage en tant que composant entre la vis et un moteur construit avec un goujon extensible. Cette conception nécessite plus d'espace pour la longueur du coupleur et de tout boîtier de fixation associé, et elle également peut créer des problèmes d’alignement. En raison du nombre croissant de composants, il est plus difficile de tout maintenir sur l’axe central. Si un ou plusieurs composants ne sont pas ronds ou alignés, il peut en résulter un effet de type came qui affecte grandement les performances et la durée de vie du système.

La deuxième méthode insère la vis dans un alésage conique pour la fixer mécaniquement en place (par l'arrière) avec un boulon. Un tel assemblage est courant sur les moteurs qui nécessitent un entretien fréquent et une méthode rapide de démontage et de remontage. L'inconvénient est que l'alignement est difficile à maintenir et peut provoquer un effet de cône de neige qui amplifie les imprécisions sur la longueur de la vis. De plus, cette oscillation en forme de cône de neige dans la vis crée des points d'usure qui peuvent nécessiter un entretien et entraîner une défaillance prématurée du système.

La troisième méthode consiste à installer directement la vis sur un arbre creux à l'intérieur du moteur et à fixer la vis avec une soudure laser à l'arrière du moteur. Cette méthode garantit un engagement maximal dans l'ajustement de la vis avec le moteur, ce qui permet un alignement de la plus haute précision possible. Dans certains cas, la soudure peut être remplacée par un adhésif industriel qui crée une liaison permanente entre la vis et le moteur. Cette méthode d'assemblage offre également le plus haut niveau de précision en fournissant le moins de faux-rond dans la vis, ce qui prolonge la durée de vie et minimise le besoin de maintenance.

L'optimisation de l'alignement de la vis mère, de l'écrou et de l'accouplement prolonge la durée de vie de l'ensemble du système. Comme référence pour la comparaison avec d'autres éléments du système, tests dans diverses orientations avec différents câbles et avec une gamme de charges et de vitesses. Les résultats ont montré une durée de vie supérieure de 40 fois à la durée de vie standard des roulements L10.

En d’autres termes, les configurations traditionnelles de moteur et de vis mère comprennent plusieurs composants qui nécessitent un assemblage et sont difficiles à aligner. Ils introduisent un jeu et un empilement de tolérances qui dégradent la précision et augmentent le risque d'échec. Un nombre élevé de composants entraîne également un coût d’assemblage global plus élevé. Mais les configurations d'actionneurs linéaires hybrides intégrés incluent une vis-mère alignée et fixée directement avec le moteur, pour moins de composants. Cela améliore la rigidité, la précision et la fiabilité… ainsi que la valeur globale de la conception.

Lien quatre : Sélection du type et de la conception du moteur

Les actionneurs linéaires sont livrés avec un choix d'options de moteur, les choix de moteur les plus courants étant un moteur pas à pas en boucle ouverte, une version en boucle fermée utilisant soit une commande montée sur carte, soit un moteur pas à pas intelligent dans un boîtier industriel, et enfin un moteur à courant continu sans balais (bldc). Chacun a sa propre proposition de performances ou de vitesses et de capacités de charge, et chacun présente également son propre ensemble d'avantages et d'inconvénients en termes de coût, d'intégration, de contrôle et bien plus encore, que nous aborderons plus tard.

L'impact le plus important sur les performances de mouvement linéaire d'un moteur nécessite un examen sous le capot de la conception interne du moteur. Les moteurs à usage général typiques utilisent une rondelle ondulée pour maintenir les roulements et l'ensemble en place. Ceci est généralement suffisant pour les applications rotatives et peut souvent également être appliqué aux applications linéaires. Cependant, les rondelles ondulées assurent une certaine souplesse au sein du moteur qui peut provoquer de petites quantités de jeu axial ou linéaire qui se traduisent par des imprécisions de position linéaire.

Pour atténuer ce problème, l'un ou les deux éléments peuvent être modifiés dans la conception. Des roulements plus grands peuvent être insérés pour augmenter la capacité de charge de poussée de l'assemblage, et un écrou de clé peut être ajouté et ajusté à une spécification de couple prédéterminée pour éliminer le jeu du système.

Lien cinq : Choix des options de contrôle

Le dernier lien qui rassemble tous les éléments est la manière dont le mouvement linéaire physique doit être dirigé et contrôlé. Traditionnellement, cela nécessiterait plusieurs pièces distinctes, notamment un amplificateur et un contrôleur. Chacun aurait besoin d'une armoire et du matériel, du câblage, de l'encodeur et des capteurs associés pour le retour d'informations. Ces configurations peuvent devenir compliquées et fastidieuses à installer, à dépanner et à utiliser.

L'émergence de solutions de moteurs intelligents prêtes à l'emploi a permis de simplifier le câblage et de réduire le nombre de connecteurs et de capteurs associés à l'obtention de performances et d'un contrôle de type servo pas à pas. Cela permet de réaliser des économies grâce à un nombre de composants inférieur ainsi qu'à moins de temps et de main d'œuvre associés à l'installation. Ces moteurs sont également livrés dans des boîtiers industrialisés préassemblés qui scellent et protègent la carte et le contrôle contre les abus ou la contamination avec des indices IP65 ou IP67.

Lorsqu'une application nécessite des fonctionnalités personnalisées spécifiques, a des considérations d'espace et de taille minimisées, ou si le faible coût est un pilote essentiel, une carte de contrôle personnalisée IP20 non encapsulée montée sur moteur est une option utile. Cela est particulièrement vrai pour les applications à grand volume placées dans des boîtiers ou des équipements stylisés. De tels actionneurs confèrent les avantages des moteurs intelligents (généralement avec des économies substantielles) et le contrôle s'effectue directement au niveau du moteur pour une communication plus facile et plus rapide avec le maître ou l'automate.