Réduire le temps de conception des systèmes de mouvement linéaire

Système de portique cartésien 3 axes

Le temps de conception peut être réduit tout en garantissant durabilité et hautes performances.

Capturez autant d'informations pertinentes que possible sur l'application dès le début pour éviter d'avoir à revenir en arrière et à répéter des parties, voire l'intégralité du processus de conception. Soyez prudent et préparez-vous à un changement de portée. Utilisez des calculs et des analyses théoriques pour déterminer les meilleures conceptions initiales, puis comparez-les avec des mesures de test des attributs de performance clés sur des équipements réels. Confirmez les résultats des tests au banc en effectuant des tests de cycle dans des conditions réelles sur le terrain.

IDENTIFIER LES EXIGENCES

La première étape, très critique, de presque tout processus d’ingénierie consiste à identifier les exigences de l’application. Chaque produit peut avoir un ensemble unique de critères qui affecteront ses performances. L’utilisation d’une liste de contrôle contribuera à garantir la prise en compte de paramètres qui pourraient autrement être négligés.

Les données d’informations clés sur l’application dans un exemple de liste de contrôle peuvent inclure :

• Charge/vitesse (dynamique et statique)
• Tension : 12, 24, 36, 48 VCC, 110, 220, VCA
• Direction de la charge
• Longueur de course
• Cycle de vie/service
• Environnemental
• Protection fin de course : Embrayage ? Des interrupteurs de fin de course ?
• Comment l'actionneur sera-t-il contrôlé ?
• Retour
• UL, CSA, CE
• Autre : consultez votre ingénieur d'application d'actionneur pour des considérations de conception supplémentaires.

La sélection du bon ensemble de vis à billes pour une application spécifique peut nécessiter un processus itératif pour déterminer l'enveloppe la plus petite et la solution la plus rentable. Les exigences de conception en matière de charge, de vitesse linéaire et de précision de positionnement sont utilisées pour calculer le diamètre, l'avance et la capacité de charge de l'ensemble de vis à billes approprié. Les composants individuels des vis à billes peuvent ensuite être sélectionnés en fonction de leur durée de vie, des contraintes dimensionnelles, de la configuration de montage et des conditions environnementales.

Un bon point de départ est de définir la direction et l’ampleur de la charge. L'orientation du système peut être très importante. Avec une orientation horizontale, la charge d'entraînement est égale au poids de la charge utile multiplié par le coefficient de frottement. Avec une orientation verticale, la charge d'entraînement est égale au poids. Les charges agissant sur les roulements et les guides linéaires peuvent être des charges verticales, des charges horizontales ou des charges de moment de tangage, de roulis ou de lacet, ou toute combinaison de celles-ci. Les charges peuvent également varier dans leur ampleur et leur direction.

Les vecteurs de charge résultants sur chaque roulement doivent être établis à partir de la combinaison appropriée des différents vecteurs de charge auxquels le système de roulements linéaires est soumis, car la durée de vie ne peut pas être estimée sur la seule base des vecteurs de charge globaux du système. La charge à laquelle chaque roulement linéaire est soumis est appelée charge équivalente pour ce roulement donné. Le système est ensuite dimensionné en fonction du dimensionnement du roulement le plus chargé. Pour plus d'informations sur les méthodes de calcul d'une charge équivalente, se référer aux catalogues des fournisseurs de roulements linéaires et de guides.

Un ensemble vis à billes, par exemple, est destiné à supporter des charges axiales, traduisant le mouvement de rotation en mouvement axial. La capacité de la vis à billes à résister au flambement sous des charges de compression est appelée résistance de sa colonne. La vis supporte une charge axiale qui est effectivement égale en ampleur et dans la direction opposée à la charge imposée à l'écrou à bille - sa partie complémentaire - et est liée par les géométries de conception au couple du moteur d'entraînement. En général, la résistance du poteau est le paramètre de conception limitant car pour des longueurs plus longues, elle peut être bien inférieure à la résistance réelle à la compression du matériau. Étant donné que le rapport longueur libre/diamètre est intimement lié au flambement de la colonne, il s'ensuit que pour un diamètre donné, la capacité de charge axiale d'une vis à billes dépend de sa longueur libre.

La durée de vie du système de mouvement linéaire peut être prédite en fonction de son profil opérationnel ; simplement, combien d'heures par jour, de jours par semaine et de semaines par an la vis à billes fonctionnera. Pour des applications plus complexes ou une prévision de durée de vie plus raffinée, il faut créer un profil de mouvement détaillé et complet décomposant les mouvements en segments essentiellement droits. Chaque segment du profil de mouvement nécessiterait des informations sur la vitesse au début et à la fin du segment, la durée du segment et le couple pendant le segment.

Déterminez la précision de positionnement et la répétabilité requises par votre application. Par exemple, les vis à billes en pouces sont généralement produites en deux qualités : Precision et Precision Plus. Les vis à billes de précision seraient utilisées dans les applications nécessitant un mouvement relativement grossier ou dans celles utilisant un retour linéaire pour la localisation de la position. Des vis à billes de qualité Precision Plus seraient utilisées lorsqu'un positionnement répétable à quelques microns près est critique et qu'aucun dispositif de rétroaction linéaire n'est utilisé. Alors que les vis de qualité Précision présentent une plus grande variation cumulative sur la longueur utile de la vis, les vis de qualité Précision Plus limitent l'accumulation d'erreurs de pas, offrant un positionnement plus précis sur toute la longueur utile de la vis.

DIMENSIONNEMENT ET SÉLECTION

Les graphiques fournis par les fournisseurs de systèmes de mouvement linéaire peuvent permettre de gagner du temps en matière de dimensionnement et de sélection appropriés des systèmes de mouvement linéaire. Nous utiliserons une application de portique de soudage à trois axes comme exemple pour démontrer comment sélectionner et dimensionner des vis à billes à l'aide des formules du catalogue (Figure 2). La vis à billes s'étend sur toute la longueur de l'axe X et est soutenue à chaque extrémité par des supports de roulement. Pour plus de simplicité, nous définirons le montage de l'écrou comme étant à bride, le matériau comme l'acier allié, le sens du filetage comme étant à droite et la série de produits comme métrique. L'orientation du système dans cette application est horizontale, avec une conception à vis et la longueur de l'axe x étant de 6 mètres. Il utilisera des extrémités fixes avec un montant de bride thermiquement stable.

Une charge de 2 668,9 Newtons (600 lb) est appliquée par un chariot roulant sur des rails profilés. La longueur de déplacement est de 4,5 m (177,165″) et la longueur non supportée est de 5,818 mètres (229,055″). La vitesse requise est de 0,1 mètre par seconde (3,927 po/sec) et une accélération de ±2,5 m/s2 (98,4 po/s2) est nécessaire. Le cycle de service est de 8 heures par jour, 5 jours par semaine et 50 semaines par an avec une moyenne de 10 cycles par heure. La durée de vie requise est de 20 ans pour la vis à billes et de 5 ans pour les composants. Une exigence supplémentaire est qu'un moteur pas à pas soit utilisé en raison d'une préférence du département d'électrotechnique.

Ensuite, nous sélectionnons les roulements linéaires pour l'axe x. Les principales exigences de cette application sont une capacité de charge élevée et une rigidité élevée. L'application a une longueur de déplacement relativement longue de 5 500 mètres (18 pieds) ; cependant, la disponibilité de vis de 6 mètres de longueur élimine le besoin d'assemblage bout à bout. Une faible maintenance est une exigence importante de cette application. Le résultat a été la sélection de guides linéaires sur rail à profil à billes de la série 500.

Une fois cette sélection effectuée, la charge sur les vis à billes peut être calculée. Sur la base de cette charge, l'écrou à bille NEFF KGF-D est sélectionné comme point de départ. Cet écrou à bille est doté d'une bride intégrée, d'un racleur intégré et d'un montage DIN 69051. La vis à billes a une précision de ±50 μm/300 mm.

Ensuite, l'exigence d'espérance de vie est vérifiée. La durée de vie est généralement évaluée à L10, ce qui représente le temps après lequel 90 % des vis à billes continueront de fonctionner. Dans cette application, l’espérance de vie est de 1 035 752,6 ans. La raison pour laquelle la durée de vie est si élevée est que nous avons sélectionné la vis à billes en fonction de sa vitesse critique plutôt que de sa durée de vie.

TEST DE LA CONCEPTION PROPOSÉE

Une fois que vous avez sélectionné votre conception sur la base des calculs, vous devez tester pour vous assurer que vos locaux sont corrects. Les tests sont conçus pour valider que ce qui a été proposé a été effectivement réalisé et, si ce n'était pas le cas, pour guider les actions correctives qui pourraient être nécessaires. Les tests de validation doivent être conçus pour répondre à des questions telles que :

• Le produit fini répond-il aux spécifications de conception ?
• Les performances sont-elles cohérentes, dans les limites expérimentales, avec les calculs théoriques, et sinon, de combien varie-t-elle et pourquoi ?
• Le produit offre-t-il le niveau de fiabilité requis ?
• Quels sont les modes et points de défaillance potentiels du produit ?
• Comment la solution actuelle se compare-t-elle aux alternatives ?

Pour les grands systèmes et machines, vous souhaiterez peut-être commencer par tester les composants avant de passer aux tests au banc des sous-ensembles, puis enfin aux tests de l'ensemble complet. À chaque phase de test, les résultats des tests doivent être examinés et comparés aux calculs théoriques pour s'assurer que la conception est sur la bonne voie ou envisager des opportunités raisonnables d'amélioration. Les tests visent à révéler ce que nous aurions pu manquer dans nos calculs et notre modélisation.

SYSTÈMES DE MOUVEMENT LINÉAIRE CONFIGURÉS

Il est également important, tout au long du processus, de déterminer s'il serait plus judicieux d'acheter un système de mouvement linéaire configuré plutôt que de concevoir et d'assembler le vôtre. Dans ce cas, vous fournirez les exigences de l'application à un intégrateur de mouvement linéaire, telles que la configuration de montage, les exigences de positionnement, les conditions environnementales, les conditions de chargement, les exigences de déplacement et toute considération particulière. L'intégrateur utilise alors généralement un système de dimensionnement et de sélection basé sur le Web pour concevoir et configurer un système de mouvement linéaire personnalisé en fonction de vos informations. L'intégrateur peut souvent fournir un devis et un fichier CAO de la conception proposée dans les 24 heures suivant votre demande. Le coût d’un tel système sera, dans la plupart des cas, inférieur au coût de ses composants individuels.

Cette approche peut généralement réduire le temps d'ingénierie et les coûts d'assemblage de 90 % ou plus et permet souvent de réaliser des économies sur le coût des matériaux de 20 à 30 %. Plus important encore, en réduisant le temps consacré à la conception de systèmes de mouvement linéaire, vos ingénieurs passeront moins de temps à travailler dans un domaine en dehors de leurs compétences principales et plus de temps à se concentrer sur ce qu'ils font de mieux : l'intégration globale du système.

En résumé, profitez de toutes les ressources utiles pour gagner du temps de conception. Ne négligez pas la capacité des fournisseurs de mouvements linéaires à fournir des assemblages à mouvement linéaire configurés qui peuvent vous aider à réduire les coûts d'ingénierie et d'assemblage. Évaluez les alternatives d'achat de composants par rapport à des modules ou à des systèmes complets en termes d'impact sur le temps de conception et d'assemblage. Utilisez, à votre avantage, tous les outils de conception disponibles tels que des graphiques, des formules, des systèmes de sélection en ligne et des modèles 3D. Enfin, faites appel à un support technique pour tirer parti de son expertise produit dans les solutions standard, standard modifiées et spécialisées. Assurez-vous de confirmer que le fournisseur dispose de données de vérification/test/analyse de conception pour étayer les revendications de conception et les positions de conception. Cette approche peut réduire le temps de conception au minimum tout en garantissant que les systèmes de mouvement linéaire répondent aux exigences de performances et de durabilité.

Heure de publication : 28 mars 2022

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