Cet article explique les principes de base de la conception d'un système linéaire, notamment la structure porteuse, les technologies de guidage et d'entraînement, ainsi que l'étanchéité, la lubrification et les accessoires. Il aborde d'abord les avantages et les inconvénients des différentes technologies, telles que les entraînements par vis-mère, vis à billes, courroie, guidages à billes, guidages à glissières et guidages à galets. L'article compare ensuite les avantages et les inconvénients de la conception et de la construction d'un système linéaire sur mesure par rapport à la configuration d'un système à partir de composants standard. Enfin, il décrit une procédure en ligne détaillée pour dimensionner et sélectionner un système linéaire à partir de composants standard économiques.

Les éléments constitutifs d'un système linéaire sont le système de support structurel, le système d'entraînement, le système de guidage, le système d'étanchéité, le système de lubrification et les accessoires. Le composant principal du système de support structurel est généralement un profilé en aluminium extrudé, disponible en longueurs allant jusqu'à 12 mètres. La surface de montage du socle peut être usinée pour les applications exigeant un positionnement précis. Les profilés de socle destinés aux applications de transport nécessitant une précision moindre ne sont généralement pas usinés. Les socles utilisés pour les applications de transport sont optimisés pour résister à la flexion sous charge et à la déformation lors du processus d'extrusion, ce qui permet au système d'être supporté uniquement à ses extrémités.

Les principaux types de guidages sont les guidages à billes, les guidages à roues et les guidages à glissement (ou prismatiques). Les guidages à billes supportent des charges utiles élevées, jusqu'à 38 000 newtons (N), et des moments de force importants, jusqu'à 27,60 newtons-mètres (Nm). Ils présentent également l'avantage d'un faible frottement et d'une grande rigidité. Les guidages à billes sont disponibles en configurations à un ou deux rails. Leurs inconvénients résident dans leur coût relativement élevé et leur niveau sonore important. L'un des principaux atouts des guidages à roues est leur capacité à fonctionner à des vitesses exceptionnellement élevées, jusqu'à 10 mètres par seconde (m/s). Ils offrent également un faible frottement et une très grande rigidité. En revanche, leur résistance aux chocs est relativement faible. Les guidages à glissement utilisent des bagues en polymère de forme prismatique, frottant directement sur la surface du profil, pour un fonctionnement très silencieux et une résistance aux chocs importants. Leur principal avantage est leur capacité à fonctionner dans des environnements contaminés. Les guidages à glissement ont une vitesse et une capacité de charge inférieures à celles des guidages à billes ou à roues.

Les technologies d'entraînement les plus courantes sont les entraînements à vis à billes, les entraînements à vis-mère et les entraînements par courroie. Un entraînement à vis à billes se compose d'une vis à billes et d'un écrou à billes avec des roulements à billes à recirculation. Les vis à billes rectifiées et préchargées offrent une précision de positionnement exceptionnellement élevée. La charge sur la vis à billes est répartie sur un grand nombre de roulements à billes, de sorte que chaque bille est soumise à une charge relativement faible. Il en résulte une précision absolue élevée de l'ordre de 0,005 mm, une capacité de poussée élevée jusqu'à 40 kN et une grande rigidité. La précision absolue est définie comme l'erreur maximale entre la position attendue et la position réelle. Les entraînements à vis à billes offrent généralement un rendement mécanique de 90 %, ce qui compense souvent leur coût plus élevé par une consommation d'énergie réduite. La vitesse critique d'une vis à billes est déterminée par le diamètre à l'embase de la vis, sa longueur libre et la configuration de ses supports. Les supports de vis à billes permettent l'utilisation d'unités entraînées par vis jusqu'à 12 mètres de course et une vitesse d'entrée de 3 000 tr/min. Les entraînements à vis-mère ne peuvent égaler la précision de positionnement absolue des entraînements à vis à billes, mais ils offrent une excellente répétabilité de 0,005 mm. La répétabilité se définit comme la capacité d'un système de positionnement à revenir à une position initiale en cours de fonctionnement, en s'approchant de la même direction à la même vitesse et avec le même taux de décélération. Les entraînements par vis-mère sont utilisés dans les applications de positionnement à cycle de service faible à moyen et fonctionnent avec un faible niveau sonore. Les entraînements par courroie sont utilisés dans les applications de transport à haute vitesse et à haut débit, avec des vitesses allant jusqu'à 10 m/s et une accélération allant jusqu'à 40 m/s². Le système de guidage et le système d'entraînement nécessitent généralement une lubrification. Un accès facile aux graisseurs simplifie la maintenance préventive. Une solution efficace consiste à utiliser des graisseurs Zerk sur le chariot, alimentant un réseau qui lubrifie à la fois la vis à billes et le système de roulement linéaire lors de l'installation et lors des opérations de maintenance périodiques. Le système de guidage prismatique ne nécessite aucun entretien. Outre la lubrification intrinsèque du polymère, des racleurs en feutre lubrifiés renouvellent le lubrifiant à chaque course. L'étanchéité est un élément important dans de nombreuses applications. Un joint magnétique est constitué d'une bande magnétique en acier inoxydable maintenue sous tension par un ressort. Les deux extrémités sont fixées aux plaques d'extrémité du système et la bande de recouvrement ou le joint d'étanchéité passe par une cavité du chariot. Lorsque les chariots parcourent la longueur du système, la bande est soulevée des aimants pour permettre le passage du chariot.

Une autre technologie d'étanchéité consiste à utiliser des bandes de recouvrement en plastique. Ces bandes sont constituées d'un joint en caoutchouc souple qui s'emboîte dans l'extrusion de base, à la manière d'un sac Ziploc. L'assemblage par rainure et languette crée un joint labyrinthe extrêmement efficace pour empêcher la pénétration de particules. Les supports moteur flexibles simplifient l'intégration des systèmes linéaires dans les ensembles automatisés. Les utilisateurs peuvent commander un support moteur NEMA standard, fournir les informations de montage spécifiques à leur moteur ou encore indiquer le nom du fabricant et la référence du moteur. Le boîtier et l'accouplement sont usinés à partir d'ébauches standard pour s'adapter aux caractéristiques clés du moteur du client : diamètre des boulons et diamètre du cercle de boulonnage sur la bride du moteur ; diamètre du pilote du moteur ; diamètre et longueur de l'arbre moteur. Ceci permet un montage aisé des glissières, horizontalement, verticalement, inclinées ou inversées, sur quasiment tous les moteurs, avec un alignement garanti.

Toutes les combinaisons de type d'entraînement et de guidage ne sont pas pertinentes. Les sept groupes technologiques utilisés en pratique comprennent : entraînement par vis-mère et guidage à billes, entraînement par vis-mère et guidage à glissière, entraînement par vis à billes et guidage à billes, entraînement par vis à billes et guidage à glissière, entraînement par courroie et guidage à billes, entraînement par courroie et guidage à glissière, et entraînement par courroie et guidage par roue. Les diagrammes en étoile illustrent les avantages et les inconvénients relatifs de chacune de ces technologies. La technologie d'entraînement par vis à billes et guidage à billes offre une grande répétabilité, une rigidité élevée et une capacité à supporter des forces et des moments importants. Elle est utilisée dans les applications de positionnement de précision avec des charges et des cycles de service élevés, comme le système linéaire utilisé pour charger et décharger les ébauches d'engrenages sur une machine-outil. Les unités à entraînement par courroie et guidage à billes sont conçues pour les applications à haute vitesse et accélération avec des charges utiles importantes et des moments de force élevés. Ce groupe technologique convient aux applications qui couvrent un espace et sont supportées aux extrémités ou de manière intermittente. Une application typique est la palettisation de boîtes de conserve. Les systèmes linéaires à entraînement par courroie et guidage à glissière offrent une capacité de vitesse et d'accélération modérée. Les guidages à glissière peuvent supporter des charges d'impact, mais leurs vitesses linéaires sont quelque peu limitées. Cette combinaison offre une solution économique et silencieuse nécessitant peu d'entretien. L'ajout d'une bande de recouvrement magnétique la rend idéale pour les environnements à forte concentration de particules et exigeant un nettoyage fréquent, comme lors d'une application de traitement par projection thermique de tôles. Les unités à entraînement par courroie et guidage par roue offrent une vitesse linéaire et une accélération élevées, tout en présentant un coût modéré, un faible niveau sonore et des besoins d'entretien relativement faibles. Une application typique est la machine d'emballage et de remplissage.

Fabriquer ou acheter ? Lorsqu'il s'agit de choisir entre fabriquer ou acheter un système linéaire, il est essentiel de prendre en compte le temps et l'expertise en ingénierie nécessaires à sa conception. Celle-ci inclut des calculs d'ingénierie tels que la durée de vie des roulements linéaires et radiaux, la durée de vie de la vis à billes, sa vitesse critique, la déflexion du profil de support, le choix de la lubrification, la conception du couvercle, etc. L'approche consistant à surdimensionner le système linéaire pour réduire le temps de conception présente l'inconvénient d'augmenter le coût et l'encombrement, et nécessite toujours une ingénierie de base pour s'assurer qu'aucun élément fondamental n'a été négligé. Lors de l'achat de systèmes linéaires, il arrive que les produits standard du catalogue ne répondent pas aux exigences de l'application. Dans ce cas, des modifications importantes des produits standard ou des conceptions sur mesure constituent des alternatives viables. Un partenaire disposant d'une large gamme de produits et de solides compétences en ingénierie peut vous accompagner dans la résolution de votre problème, tout en vous faisant gagner du temps et de l'argent et en accélérant le cycle de développement.