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

La solidité d'un système de mouvement linéaire dépend des maillons les plus critiques de sa chaîne d'éléments mécaniques et électromécaniques. Comprendre chaque composant et chaque caractéristique (et son impact sur la conception) améliore les décisions et augmente 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 conception et de fabrication de la vis-mère, de l'écrou anti-jeu, des accouplements, du moteur et de la stratégie de commande.

Travailler avec des fournisseurs de systèmes de mouvement linéaire maîtrisant tous les maillons d'une conception est le meilleur moyen d'obtenir des performances optimales. En fin de compte, des systèmes de contrôle de mouvement optimisés sont comparables à une voiture de sport haute performance dont tous les éléments sont bien équilibrés… pour laquelle un moteur de taille adaptée, une transmission adaptée, des pneus adaptés et des systèmes de contrôle performants (comme l'antiblocage des freins et l'antipatinage) sont synonymes de performances exceptionnelles.

Prenons quelques exemples de conceptions exigeant des performances optimales. Dans certains types d'impression 3D, la résolution des couches peut atteindre 10 µm. Dans les dispositifs médicaux, les unités de distribution doivent délivrer des médicaments vitaux et contrôler des doses de l'ordre du microlitre. On retrouve ce même niveau de précision dans les équipements optiques et de numérisation, les équipements de traitement des puces et des wafers de l'industrie des semi-conducteurs, ainsi que dans les laboratoires d'automatisation.

Seules les conceptions de mouvement linéaire, élaborées avec une approche globale de la sélection et de l'intégration des composants, peuvent répondre à ces exigences de performance toujours plus élevées. La solution la plus adaptée à ces configurations est souvent un ensemble vis-écrou motorisé avec une architecture de contrôle adaptée. Examinons donc les points clés et les caractéristiques de performance de chaque maillon 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 de conceptions d'écrous et de matériaux. Pendant une grande partie de cette période, les machines utilisées pour leur fabrication étaient réglées manuellement, limitant la qualité à la capacité de la machine et au niveau de compétence de l'opérateur. La plupart des fabricants utilisent encore aujourd'hui ce type d'équipement, mais les processus automatisés modernes propulsent la qualité des vis-mères à un niveau supérieur.

Par exemple, ces opérations utilisent une alimentation à commande numérique par ordinateur, un réglage de l'inclinaison et des contrôles de pression pour le filetage par roulage, afin d'obtenir des formes de filetage de vis-mère extrêmement uniformes. La finition de surface de ces vis-mères est uniformément lisse et exempte d'abrasions superficielles susceptibles de se rompre au niveau des écrous en polymère… pour une précision et une durée de vie du système inégalées.

Parallèlement, les techniques avancées de métrologie et d'inspection, qui permettent de suivre la forme des filetages des vis-mères, affichent des précisions de pas point par point jusqu'à trois fois supérieures à celles des méthodes manuelles traditionnelles. Ces techniques permettent de maintenir systématiquement la précision de pas à 0,003 po/pi sur toute la longueur de la vis.

Pour les applications de 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 (6 pouces) est adéquate. Mais pour les applications de plus haute précision, la précision de chaque filetage d'arbre est importante. Tout écart par rapport à la géométrie du filetage est appelé « déformation du filetage ».

De nouveaux équipements de fabrication CNC automatisés, des procédés et des méthodes d'inspection détaillées permettent un contrôle et une qualité plus stricts, de sorte que les points haut et bas d'un filetage individuel présentent une précision de sous-rotation considérablement améliorée, autrement dit, une réduction de l'encrassement. Cela permet aux vis-mères de maintenir une répétabilité de positionnement sur une seule rotation à 1 µm. Il s'agit d'un indicateur 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 des filets, les fournisseurs de vis de pointe redressent les arbres de vis à l'aide d'un système automatisé afin de minimiser les erreurs et les faux-ronds, sources de vibrations, de bruit et d'usure prématurée. La rectitude de l'arbre de vis est essentielle, car toute erreur est accentuée lors de l'assemblage avec le moteur. En revanche, les méthodes traditionnelles (manuelles) de redressement des vis peuvent produire un effet de cône de neige dans la géométrie de l'arbre de vis, sous la forme d'une ou de plusieurs arches qui s'enroulent autour de l'axe longitudinal de l'arbre. Là encore, le redressement et l'inspection automatisés éliminent ces erreurs, ce qui assure des performances stables de la vis.

La dernière étape de la production des vis-mères est l'application d'un revêtement PTFE. Seule une finition lisse et uniforme garantit une longue durée de vie et de bonnes performances du système. Une application irrégulière du PTFE (résultant d'un environnement de revêtement ou d'un équipement non optimal) peut entraîner des piqûres, des fissures, des bulles, un écaillage ou une rugosité de surface, provoquant une usure prématurée de l'écrou et réduisant la durée de vie de l'assemblage.

Lien deux : 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 de manière linéaire le long de l'écrou afin de fermer les doigts et de contrôler l'ajustement entre la vis et l'écrou.

Les problèmes contribuant aux défaillances de ces conceptions sont la force sporadique et variable du ressort, le glissement saccadé de la pince sur l'écrou et les fluctuations de pression liées à l'usure du matériau de l'écrou. En revanche, un autre écrou conçu pour fournir une force constante est une conception simplifiée en deux pièces qui applique une pression radiale sur les doigts de l'écrou, direction nécessaire pour contrôler le jeu entre l'écrou et la vis.

Prenons l'exemple d'un ressort hélicoïdal et d'une pince de serrage conventionnels pour un écrou de vis-mère anti-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 la force uniformément aux doigts. Les tests de performance confirment que la précharge varie considérablement au cours des 1 000 premiers cycles.

En revanche, certains écrous de vis-mère anti-jeu à force constante offrent des performances de jeu deux à quatre fois supérieures à celles des modèles conventionnels, comme l'ont confirmé les tests FDA effectués par les clients du secteur de l'automatisation en laboratoire. La conception à ressort à force constante assure une précharge constante tout au long de la durée de vie de l'axe. L'écrou est autolubrifiant avec du PTFE pour une lubrification et une efficacité accrues.

L'un des principaux avantages des écrous à vis sans fin à force constante et anti-jeu réside dans leur adaptabilité à l'application grâce à 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 afin de répondre aux spécifications requises. Chaque combinaison vis-écrou, ainsi que chaque ensemble moteur-vis complet, peut être testé pour chacune de ces caractéristiques de performance lors de la validation et de l'inspection finale.

Lien trois : Connexion couplée ou directe à l'entraînement

Le maillon suivant de la chaîne est la fixation de la vis au moteur. Il existe trois méthodes principales pour y parvenir.

La première méthode, la plus traditionnelle, consiste à insérer un coupleur dans l'assemblage, entre la vis et un moteur équipé d'un arbre à goujon extensible. Cette conception nécessite plus d'espace pour le coupleur et son logement de fixation, et peut également engendrer des problèmes d'alignement. En raison du nombre croissant de composants, il est plus difficile de maintenir l'ensemble dans l'axe. Si un ou plusieurs composants sont décalés ou mal alignés, un effet de came peut se produire, ce qui affecte considérablement les performances et la durée de vie du système.

La deuxième 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 d'assemblage est courant sur les moteurs nécessitant un entretien fréquent et constitue une méthode rapide de démontage et de remontage. L'inconvénient est que l'alignement est difficile à maintenir et peut entraîner un effet de cône de neige qui amplifie les imprécisions sur toute la longueur de la vis. De plus, ce vacillement de la vis crée des points d'usure pouvant nécessiter des interventions de maintenance et entraîner une défaillance prématurée du système.

La troisième méthode consiste à ajuster directement la vis sur un arbre creux du moteur et à la fixer par soudure laser à l'arrière du moteur. Cette méthode garantit un engagement maximal de la vis dans le moteur, pour un alignement d'une précision optimale. Dans certains cas, la soudure peut être remplacée par un adhésif industriel qui assure une liaison permanente entre la vis et le moteur. Cette méthode d'assemblage offre également une précision optimale grâce à un faux-rond minimal, ce qui prolonge la durée de vie et minimise 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. Des tests effectués dans différentes orientations, avec différents pas et sous différentes charges et vitesses, servent de base de comparaison avec d'autres éléments du système. Les résultats ont montré que la durée de vie en course est 40 fois supérieure à la durée de vie standard du roulement L10.

En d'autres termes, les configurations traditionnelles moteur-vis comprennent de nombreux composants à assembler et difficiles à aligner. Elles introduisent du jeu et des tolérances qui dégradent la précision et augmentent le risque de défaillance. Un nombre élevé de composants entraîne également un coût d'assemblage global plus élevé. En revanche, les configurations d'actionneurs linéaires hybrides intégrés incluent une vis-mère alignée et fixée directement sur le moteur, ce qui réduit le nombre de composants. Cela améliore la rigidité, la précision et la fiabilité, ainsi que la valeur de conception globale.

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

Les actionneurs linéaires sont proposés avec un large choix de moteurs, les plus courants étant un moteur pas à pas en boucle ouverte, une version en boucle fermée utilisant une commande intégrée ou un moteur pas à pas intelligent en boîtier industriel, et enfin un moteur à courant continu sans balais (BLDC). Chacun offre des performances, des vitesses et des capacités de charge spécifiques, ainsi que des avantages et des inconvénients en termes de coût, d'intégration, de contrôle, et bien d'autres aspects que nous aborderons plus loin.

L'impact le plus important sur les performances du mouvement linéaire d'un moteur repose sur une analyse approfondie de sa conception interne. Les moteurs à usage général utilisent généralement une rondelle ondulée pour maintenir les roulements et l'assemblage en place. Ce dispositif est généralement adapté aux applications rotatives et peut souvent être appliqué aux applications linéaires. Cependant, les rondelles ondulées assurent une certaine souplesse au sein du moteur, ce qui peut entraîner de légers jeux axiaux ou linéaires, sources d'imprécisions de positionnement linéaire.

Pour pallier ce problème, il est possible de modifier l'un ou les deux éléments de la conception. Des roulements plus grands peuvent être insérés pour augmenter la capacité de charge axiale de l'ensemble, et un écrou de serrage peut être ajouté et ajusté selon un couple de serrage prédéterminé pour éliminer le jeu du système.

Lien cinq : Choix des options de contrôle

Le dernier maillon qui relie tous les éléments est la manière dont le mouvement linéaire physique doit être dirigé et contrôlé. Traditionnellement, cela nécessitait plusieurs éléments distincts, dont un amplificateur et un contrôleur. Chacun nécessitait une armoire et le matériel, le câblage, l'encodeur et les capteurs associés pour le retour d'information. Ces configurations peuvent s'avérer complexes 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 nécessaires pour obtenir des performances et un contrôle de type servomoteur pas à pas. Cela permet de réaliser des économies grâce à la réduction du nombre de composants et à la réduction du temps et de la main-d'œuvre nécessaires à l'installation. Ces moteurs sont également proposés dans des boîtiers industriels pré-assemblés qui scellent et protègent la carte et le système de commande contre les abus et la contamination, avec des indices de protection IP65 ou IP67.

Lorsqu'une application nécessite des fonctionnalités personnalisées spécifiques, que l'espace et la taille sont minimisés, ou que le faible coût est un critère essentiel, une carte de commande de moteur IP20 non encapsulée et personnalisée est une option intéressante. Cela est particulièrement vrai pour les applications à grand volume placées dans des boîtiers ou des équipements stylisés. Ces actionneurs offrent les avantages des moteurs intelligents (généralement avec des économies substantielles) et le contrôle est directement au niveau du moteur pour une communication plus simple et plus rapide avec le maître ou l'automate programmable.