Réduire le temps de conception des systèmes de mouvement linéaire

Système de portique cartésien à 3 axes

Le temps de conception peut être réduit tout en garantissant la durabilité et des performances élevées.

Collectez dès le départ un maximum d'informations pertinentes sur l'application afin d'éviter de devoir revenir en arrière et de répéter certaines parties, voire l'intégralité du processus de conception. Soyez vigilant et préparé aux modifications de périmètre. Utilisez des calculs et des analyses théoriques pour déterminer les meilleures conceptions initiales, puis comparez-les aux mesures d'essai des principaux attributs de performance sur des équipements réels. Confirmez les résultats des essais au banc en effectuant des cycles d'essai en conditions réelles de terrain.

IDENTIFICATION DES BESOINS

La première étape, cruciale dans presque tous les processus d'ingénierie, consiste à identifier les exigences de l'application. Chaque produit peut avoir des critères spécifiques qui influencent ses performances. L'utilisation d'une liste de contrôle permet de prendre en compte des paramètres qui pourraient autrement être négligés.

Les données d’information 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/de service
• Environnemental
• Protection de fin de course : Embrayage ? 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 de la vis à billes adaptée à une application spécifique peut nécessiter un processus itératif afin de déterminer la solution la plus compacte et la plus rentable. Les exigences de charge nominale, de vitesse linéaire et de précision de positionnement sont utilisées pour calculer le diamètre, le pas et la capacité de charge de la vis à billes adaptée. Chaque composant de la vis à billes peut ensuite être sélectionné en fonction de sa durée de vie, des contraintes dimensionnelles, de la configuration de montage et des conditions environnementales.

Un bon point de départ consiste à définir la direction et l'intensité de la charge. L'orientation du système peut être très importante. En orientation horizontale, la charge d'entraînement est égale au poids de la charge utile multiplié par le coefficient de frottement. En orientation verticale, la charge d'entraînement est égale au poids. Les charges agissant sur les roulements et guides linéaires peuvent être verticales, horizontales, ou des moments de tangage, de roulis ou de lacet, ou toute combinaison de ces éléments. Les charges peuvent également varier en intensité et en direction.

Les vecteurs de charge résultants pour chaque roulement doivent être établis à partir de la combinaison appropriée des différents vecteurs de charge auxquels le système de roulement linéaire est soumis, car la durée de vie ne peut être estimée uniquement à partir 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, consultez les catalogues des fournisseurs de roulements linéaires et de guides.

Un assemblage de vis à billes, par exemple, est conçu pour supporter des charges axiales, transformant un mouvement de rotation en mouvement axial. La capacité de la vis à résister au flambage sous des charges de compression est appelée résistance de la colonne. La vis supporte une charge axiale d'intensité égale et de direction opposée à celle appliquée à l'écrou à billes (sa pièce complémentaire) et est liée, par les géométries de conception, au couple du moteur d'entraînement. En général, la résistance de la colonne est le paramètre de conception limitant, car pour des longueurs plus importantes, elle peut être bien inférieure à la résistance réelle à la compression du matériau. Le rapport longueur libre/diamètre de la colonne étant intimement lié au flambage 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 d'un système de mouvement linéaire peut être prédite en fonction de son profil opérationnel, c'est-à-dire le nombre d'heures par jour, de jours par semaine et de semaines par an pendant lesquelles la vis à billes fonctionnera. Pour des applications plus complexes ou une prédiction de durée de vie plus précise, il est nécessaire d'établir un profil de mouvement détaillé et complet, décomposant les mouvements en segments rectilignes. Chaque segment du profil de mouvement nécessite des informations sur la vitesse au début et à la fin du segment, sa durée 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 nuances : Precision et Precision Plus. Les vis à billes Precision sont utilisées pour les applications nécessitant un mouvement relativement grossier ou utilisant un retour linéaire pour le positionnement. Les vis à billes Precision Plus sont utilisées lorsqu'un positionnement répétable au micron près est essentiel et qu'aucun dispositif de retour linéaire n'est utilisé. Alors que les vis Precision présentent une variation cumulative plus importante sur toute la longueur utile, les vis Precision Plus limitent l'accumulation d'erreur de pas, offrant un positionnement plus précis sur toute la longueur utile.

TAILLE ET SÉLECTION

Les tableaux fournis par les fournisseurs de systèmes de mouvement linéaire permettent de gagner du temps pour dimensionner et sélectionner correctement les systèmes de mouvement linéaire. Nous utiliserons l'exemple d'un portique de soudage trois axes pour illustrer la sélection et le dimensionnement 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 supportée à chaque extrémité par des paliers. Par souci de simplicité, nous définirons le montage de l'écrou comme à bride, le matériau comme acier allié, le sens du filetage comme à droite et la série du produit comme métrique. Dans cette application, le système est orienté horizontalement, avec une conception à vis et une longueur de l'axe X de 6 mètres. Les extrémités seront fixes et la bride sera stable thermiquement.

Une charge de 2 668,9 Newtons (600 lb) est appliquée par un chariot monté sur des rails profilés. La course est de 4,5 m (177,165 po) et la longueur non supportée de 5,818 m (229,055 po). La vitesse requise est de 0,1 mètre par seconde (3,927 po/s) 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. L'utilisation d'un moteur pas à pas est également requise, conformément à la préférence du département de génie électrique.

Nous avons ensuite sélectionné les roulements linéaires pour l'axe X. Les principales exigences de cette application sont une capacité de charge élevée et une rigidité élevée. La course de déplacement est relativement longue (5 500 mètres) ; cependant, la disponibilité de vis de 6 mètres de long élimine le besoin d'assemblage bout à bout. La faible maintenance est une exigence importante pour cette application. Le choix s'est donc porté sur des guidages linéaires à rails à billes série 500.

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

Ensuite, la durée de vie est vérifiée. La durée de vie est généralement fixée à L10, ce qui représente le temps après lequel 90 % des vis à billes fonctionnent encore. Dans cette application, la durée de vie est de 1 035 752,6 ans. Cette durée de vie élevée s'explique par le choix de la vis à billes en fonction de sa vitesse critique plutôt que de sa durée de vie.

TESTER LA CONCEPTION PROPOSÉE

Une fois votre conception sélectionnée sur la base des calculs, vous devez la tester pour vous assurer qu'elle est conforme à vos prémisses. Ces tests visent à valider la réalisation du projet proposé et, si tel n'est pas le cas, à guider les éventuelles mesures correctives nécessaires. Les tests de validation doivent répondre à des questions telles que :

• Le produit fini est-il conforme aux spécifications de conception ?
• Les performances sont-elles cohérentes, dans les limites expérimentales, avec les calculs théoriques, et si non, de combien varient-elles 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 systèmes et machines de grande taille, il peut être judicieux de commencer par tester les composants avant de passer aux essais sur banc des sous-ensembles, puis à ceux de l'assemblage complet. À chaque phase de test, les résultats doivent être examinés et comparés aux calculs théoriques afin de s'assurer que la conception est sur la bonne voie ou d'envisager des pistes d'amélioration raisonnables. Les tests visent à révéler ce qui aurait pu être omis dans nos calculs et notre modélisation.

SYSTÈMES DE MOUVEMENT LINÉAIRE CONFIGURÉS

Il est également important, tout au long du processus, de se demander 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 communiquerez 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 charge, les exigences de déplacement et toute considération particulière. L'intégrateur utilisera ensuite généralement un système de dimensionnement et de sélection en ligne pour concevoir et configurer un système de mouvement linéaire personnalisé à partir 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 généralement inférieur à celui des composants individuels.

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

En résumé, exploitez toutes les ressources utiles pour gagner du temps de conception. Ne négligez pas la capacité des fournisseurs de systèmes de mouvement linéaire à fournir des assemblages configurés qui peuvent vous aider à réduire vos coûts d'ingénierie et d'assemblage. Évaluez l'impact de l'achat de composants, de modules ou de systèmes complets sur les délais de conception et d'assemblage. Utilisez à votre avantage tous les outils de conception disponibles, tels que les tableaux, les formules, les systèmes de sélection en ligne et les modèles 3D. Enfin, faites appel au support technique pour bénéficier de son expertise produit en matière de solutions standard, standard modifiées et spécialisées. Assurez-vous que le fournisseur dispose de données de vérification, de tests et d'analyse de conception pour étayer ses revendications et ses positions de conception. Cette approche permet de réduire au minimum les délais de conception tout en garantissant que les systèmes de mouvement linéaire répondent aux exigences de performance et de durabilité.

Date de publication : 28 mars 2022

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