Examinez cinq maillons de la chaîne des éléments de conception essentiels à un fonctionnement précis.

La robustesse d'un système de mouvement linéaire dépend de la qualité de ses maillons les plus critiques, tant mécaniques qu'électromécaniques. La compréhension de chaque composant et caractéristique (et de son impact sur le résultat de la conception) permet d'optimiser les décisions et d'accroître les chances que la conception finale réponde pleinement aux exigences de l'application. En effet, le jeu, la précision et les autres performances du système sont directement liés à la conception et à la fabrication de la vis-mère, de l'écrou anti-jeu, des accouplements, du moteur et de la stratégie de commande.

Collaborer avec des fournisseurs de systèmes de mouvement linéaire maîtrisant tous les aspects d'une conception est la meilleure façon d'obtenir des performances optimales. En définitive, un système de commande de mouvement optimisé est comparable à une voiture de sport haute performance dont tous les éléments sont parfaitement équilibrés : un moteur de taille adaptée, une transmission adaptée, des pneus adaptés et d'excellentes fonctionnalités de contrôle (comme l'ABS et l'antipatinage) garantissent des performances exceptionnelles.

Prenons quelques exemples de conceptions exigeant des performances optimales. Dans certains types d'impression 3D, la résolution des couches atteint des niveaux aussi bas que 10 µm. Dans le domaine des dispositifs médicaux, les unités de distribution doivent délivrer des médicaments vitaux et contrôler les doses au microlitre près. On retrouve ce même niveau de précision dans les équipements optiques et de numérisation, les équipements de traitement des puces et des plaquettes dans l'industrie des semi-conducteurs, ainsi que dans le secteur de l'automatisation des laboratoires.

Seuls les systèmes de mouvement linéaire conçus selon une approche globale de la sélection et de l'intégration des composants peuvent satisfaire ces exigences de performance toujours plus élevées. Souvent, la solution la plus adaptée est un système vis-écrou motorisé avec une architecture de commande appropriée. Examinons donc les points clés et les caractéristiques de performance de chaque élément de ce type d'assemblage linéaire.

Lien 1 : Qualité de la vis-mère et de l’écrou

Les vis-mères existent depuis des décennies sous diverses formes, avec une grande variété d'écrous et de matériaux. Pendant longtemps, les machines servant à leur fabrication étaient réglées manuellement, ce qui limitait la qualité aux capacités de la machine et au savoir-faire de l'opérateur. La plupart des fabricants utilisent encore ce type d'équipement, mais les procédés automatisés modernes permettent d'améliorer considérablement la qualité des vis-mères.

Par exemple, ces opérations utilisent une commande numérique pour l'avance, le réglage de l'inclinaison et le contrôle de la pression lors du filetage par laminage, afin d'obtenir des filetages de vis-mère d'une régularité optimale. La finition de surface de ces vis-mères est parfaitement lisse et exempte d'abrasions susceptibles d'endommager les écrous en polymère… pour une précision et une durée de vie du système sans précédent.

Parallèlement, les techniques de métrologie et d'inspection avancées, qui analysent la forme et le profil des filets de vis-mère, permettent d'obtenir une précision de pas jusqu'à trois fois supérieure à celle des méthodes manuelles traditionnelles. Ceci garantit une précision de pas constante de 0,076 mm/m sur toute la longueur de la vis.

Pour les applications de transport, consistant à déplacer un objet d'un point à un autre le long d'un axe, la méthode traditionnelle de contrôle de la précision du pas tous les 300 mm (ou six pouces) est suffisante. Cependant, pour les applications de très haute précision, la précision de chaque filet de l'arbre est essentielle. Tout écart par rapport à la géométrie du filetage est appelé « ivresse ».

De nouveaux équipements de fabrication CNC automatisés, des procédés de fabrication optimisés et des méthodes d'inspection détaillées permettent un contrôle et une qualité accrus, améliorant considérablement la précision des points hauts et bas d'un filetage individuel, autrement dit, réduisant les variations de position. Ceci contribue à garantir une répétabilité de positionnement des vis-mères à 1 µm sur une rotation complète. Il s'agit d'un critère de performance particulièrement critique pour des applications telles que le traitement de plaquettes et de puces coûteuses pour l'industrie des semi-conducteurs et le dosage précis de médicaments dans une pompe à seringue.

Après le roulage du filetage, les fournisseurs de vis de pointe redressent les tiges de vis à l'aide d'un système automatisé afin de minimiser les erreurs et le faux-rond susceptibles d'engendrer vibrations, bruit et usure prématurée. La rectitude de la tige de vis est essentielle, car toute erreur est amplifiée lors de l'assemblage avec le moteur. À l'inverse, les méthodes traditionnelles (manuelles) de redressage des vis peuvent engendrer un effet de cône de neige dans la géométrie de la tige – sous la forme d'une ou plusieurs arches s'enroulant autour de l'axe longitudinal de la tige. Là encore, le redressage et le contrôle automatisés éliminent ces erreurs, garantissant ainsi des performances stables de la vis.

La dernière étape de la production des vis-mères consiste en l'application d'un revêtement en PTFE. Seule une finition lisse et uniforme garantit une longue durée de vie et des performances optimales du système. Une application irrégulière du PTFE (due à un environnement ou un équipement de revêtement non optimal) peut engendrer des piqûres, des fissures, des bulles, un écaillage ou une rugosité de surface, provoquant une usure prématurée de l'écrou et une réduction de la durée de vie 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 contribuant à la défaillance de ces conceptions sont la force irrégulière et variable du ressort, le jeu de la bague de serrage sur l'écrou et la pression fluctuante due à l'usure du matériau de l'écrou. En revanche, un écrou alternatif, conçu pour exercer une force constante, présente une structure simplifiée en deux parties qui applique la pression sur les ailettes de l'écrou de manière radiale, direction nécessaire pour contrôler le jeu entre l'écrou et la vis.

Prenons l'exemple d'un écrou de vis-mère anti-jeu classique utilisant un ressort hélicoïdal et une pince. Dans ce système, un ressort hélicoïdal à force variable génère une force axiale convertie en force radiale par serrage mécanique. La conception repose sur des composants moulés par injection pour appliquer la force uniformément sur les doigts. Des tests de référence confirment que la précharge varie considérablement au cours des 1 000 premiers cycles.

En revanche, certains écrous de vis-mère à force constante offrent des performances de jeu deux à quatre fois supérieures aux conceptions classiques, comme l'ont validé les tests FDA réalisés par un client spécialisé en automatisation de laboratoire. La conception à ressort à force constante garantit une précharge stable tout au long de la durée de vie de l'axe. L'écrou est fabriqué en PTFE autolubrifiant pour une lubrification optimale et une efficacité accrue.

L'un des principaux avantages des écrous de vis sans fin à force constante réside dans leur capacité d'adaptation à une application grâce au réglage du ressort et d'autres paramètres. Ce réglage permet d'optimiser la précharge, le jeu, la force de frottement et le jeu de fonctionnement afin de répondre aux spécifications requises. Chaque combinaison vis-écrou, ainsi que chaque ensemble moteur-vis complet, peut être testée pour chacune de ces caractéristiques de performance lors de la validation et de l'inspection finale.

Troisième liaison : Connexion couplée ou directe à l'entraînement

L'étape suivante consiste à fixer la vis au moteur. Il existe trois méthodes principales pour y parvenir.

La première méthode, la plus traditionnelle, consiste à insérer un coupleur entre la vis et un moteur doté d'un arbre à tige extensible. Cette conception nécessite davantage d'espace pour le coupleur et son boîtier de fixation, et peut engendrer des problèmes d'alignement. Le nombre accru de composants complique le maintien de l'axe central. Un ou plusieurs composants présentant un défaut de circularité ou d'alignement peuvent provoquer un effet de came, affectant considérablement les performances et la durée de vie du système.

La seconde méthode consiste à insérer la vis dans un alésage conique pour la fixer mécaniquement (par l'arrière) à l'aide d'un boulon. Ce type de montage est courant sur les moteurs nécessitant un entretien fréquent et offre une méthode rapide de démontage et de remontage. Son inconvénient réside dans la difficulté à maintenir l'alignement, ce qui peut engendrer un effet de cône de neige amplifiant les imprécisions sur toute la longueur de la vis. De plus, ce jeu dans la vis crée des points d'usure susceptibles d'accélérer la maintenance et de provoquer une défaillance prématurée du système.

La troisième méthode consiste à insérer directement la vis dans un arbre creux du moteur et à la fixer par soudure laser à l'arrière de ce dernier. Cette méthode garantit un ajustement parfait de la vis au moteur, assurant ainsi un alignement d'une précision optimale. Dans certains cas, la soudure peut être remplacée par un adhésif industriel créant une liaison permanente entre la vis et le moteur. Cette méthode d'assemblage offre également une précision maximale en minimisant le faux-rond de la vis, ce qui prolonge sa durée de vie et réduit les besoins 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. Afin d'établir une base de comparaison avec les autres éléments du système, des essais ont été réalisés dans diverses orientations, avec différents pas de vis, et sous différentes charges et vitesses. Les résultats ont démontré une durée de vie 40 fois supérieure à celle du roulement standard L10.

En d'autres termes, les systèmes traditionnels moteur-vis-mère comprennent de nombreux composants qui nécessitent un assemblage et sont difficiles à aligner. Ils introduisent du jeu et une accumulation de tolérances qui dégradent la précision et augmentent le risque de panne. Un nombre élevé de composants engendre également un coût d'assemblage global plus important. En revanche, les systèmes d'actionneurs linéaires hybrides intégrés comprennent une vis-mère alignée et fixée directement au moteur, ce qui réduit le nombre de composants. Il en résulte une rigidité, une précision et une fiabilité accrues, ainsi qu'une meilleure valeur ajoutée pour la conception globale.

Lien 4 : Sélection du type et de la conception du moteur

Les actionneurs linéaires offrent un large choix de moteurs, les plus courants étant le moteur pas à pas à boucle ouverte, la version à boucle fermée (avec commande intégrée ou moteur pas à pas intelligent industriel) et le moteur CC sans balais (BLDC). Chaque type présente des performances spécifiques en termes de vitesse et de capacité de charge, ainsi que des avantages et des inconvénients liés au coût, à l'intégration, à la commande, etc., que nous aborderons plus loin.

Pour comprendre l'impact majeur sur les performances de mouvement linéaire d'un moteur, il est essentiel d'examiner sa conception interne. Les moteurs d'usage général utilisent généralement une rondelle ondulée pour maintenir les roulements et l'ensemble en place. Cette solution est généralement suffisante pour les applications rotatives et souvent applicable aux applications linéaires. Cependant, les rondelles ondulées présentent une certaine flexibilité au sein du moteur, ce qui peut engendrer de légers jeux axiaux ou linéaires et, par conséquent, des imprécisions de positionnement linéaire.

Pour remédier à ce problème, un ou les deux éléments suivants peuvent être modifiés : des roulements plus grands peuvent être insérés pour augmenter la capacité de charge axiale de l’ensemble, et un écrou à sertir peut être ajouté et serré à un couple prédéterminé afin d’éliminer le jeu du système.

Lien cinq : Choix des options de contrôle

Le dernier élément qui relie tous les composants est la manière dont le mouvement linéaire physique est dirigé et contrôlé. Traditionnellement, cela nécessitait plusieurs pièces distinctes, notamment un amplificateur et un contrôleur. Chacune nécessitait une armoire et les composants associés : câblage, codeur et capteurs de retour d'information. Ces systèmes peuvent s'avérer complexes et difficiles à installer, à dépanner et à utiliser.

L'arrivée sur le marché de solutions de moteurs intelligents prêts à l'emploi a permis de simplifier le câblage et de réduire le nombre de connecteurs et de capteurs nécessaires pour obtenir des performances et un contrôle de type servo-moteur pas à pas. Il en résulte des économies grâce à un nombre réduit de composants, ainsi qu'à une réduction du temps et de la main-d'œuvre liés à l'installation. Ces moteurs sont également disponibles en boîtiers industriels préassemblés qui assurent l'étanchéité et la protection de la carte et du système de commande contre les chocs et la contamination, avec des indices de protection IP65 ou IP67.

Lorsqu'une application requiert des fonctionnalités personnalisées spécifiques, que l'espace et la taille sont des contraintes minimales, ou que le faible coût est un facteur déterminant, une carte de commande moteur IP20 non encapsulée est une solution pertinente. C'est notamment le cas pour les applications de grande série intégrées dans des boîtiers ou équipements spécifiques. Ces actionneurs offrent les avantages des moteurs intelligents (généralement à un coût considérablement réduit) et la commande est effectuée directement au niveau du moteur, pour une communication plus simple et plus rapide avec le contrôleur ou l'automate programmable.