Et comment l’éviter…

Les portiques diffèrent des autres types de systèmes multi-axes (tels que les robots cartésiens et les tables XY) en utilisant deux axes de base (X) en parallèle, avec un axe perpendiculaire (Y) les reliant. Bien que cette disposition à double axe X offre une empreinte large et stable et permette aux systèmes de portique d'offrir une capacité de charge élevée, de longues longueurs de déplacement et une bonne rigidité, elle peut également conduire à un phénomène communément appelé rayonnage.

Chaque fois que deux axes linéaires sont montés et connectés en parallèle, il existe un risque que les axes ne se déplacent pas en parfaite synchronisation. En d’autres termes, pendant le mouvement, l’un des axes X peut « être en retard » sur l’autre, et l’axe principal tentera de tirer son partenaire en retard. Lorsque cela se produit, l'axe de connexion (Y) peut devenir asymétrique et ne plus être perpendiculaire aux deux axes X. La condition dans laquelle les axes X et Y perdent leur orthogonalité est appelée arrachage, et elle peut entraîner un blocage lorsque le système se déplace dans la direction X ainsi que des forces potentiellement dommageables sur les axes X et Y.

Le rayonnage dans les systèmes à portique peut être provoqué par divers facteurs de conception et d'assemblage, mais l'un des facteurs les plus influents est la méthode d'entraînement des axes X. Avec deux axes X en parallèle, les concepteurs ont le choix de piloter chaque axe X indépendamment, ou de piloter un axe et de traiter l'autre comme un axe « esclave » ou suiveur.

Dans les applications à faible vitesse avec une distance relativement faible entre les deux axes X (course courte de l'axe Y), il peut être acceptable de piloter un seul axe X et de permettre au deuxième axe X d'être suiveur, sans mécanisme d'entraînement. Dans cette conception, une préoccupation majeure est la rigidité de la connexion entre les axes – en d’autres termes, la rigidité de l’axe Y.

Étant donné que l'axe entraîné « tire » effectivement le long de l'axe non entraîné, si la connexion entre eux subit une flexion, une torsion ou tout autre comportement non rigide, toute différence de frottement ou de charge entre les deux axes X peut immédiatement conduire à un arrachement et obligatoire. Et plus l’axe Y est long, moins il sera rigide. C'est pourquoi la disposition « entraîné-suiveur » est généralement recommandée pour les applications où la distance entre les axes X est inférieure à un mètre.

La solution d'entraînement la plus sophistiquée consiste à utiliser un moteur séparé sur chaque axe, les moteurs étant synchronisés selon une configuration maître-esclave via le contrôleur. Dans cet agencement, cependant, les erreurs de déplacement des entraînements mécaniques doivent être parfaitement (ou presque) adaptées – sinon, les embrochages et les blocages peuvent être provoqués par de légers écarts dans la distance parcourue par chaque axe par tour de moteur.

Pour les applications de portique de précision et à grande vitesse, les mécanismes d'entraînement de choix sont généralement des vis à billes et des entraînements à crémaillère et pignon. Ces deux technologies peuvent être sélectivement adaptées pour fournir une erreur linéaire similaire sur chaque axe, évitant ainsi une partie de l'accumulation d'erreurs qui peut se produire dans des ensembles d'entraînement inégalés. Étant donné que les entraînements par courroie et par chaîne présentent des erreurs de pas difficiles à faire correspondre et à compenser, ils ne sont généralement pas recommandés pour les systèmes à portique lorsque les axes X sont entraînés indépendamment. D'autre part, les moteurs linéaires constituent un excellent choix pour les axes parallèles dans les systèmes à portique, car ils ne présentent aucune erreur mécanique et peuvent fournir de grandes longueurs de déplacement et des vitesses élevées.

Une autre solution – une sorte de compromis entre les deux options décrites ci-dessus – consiste à utiliser un seul moteur pour entraîner les deux axes X. Cela peut être réalisé en reliant la sortie de l'axe motorisé à l'entrée du deuxième axe via un accouplement à distance (également appelé arbre de liaison). Cette configuration élimine le deuxième moteur (et la synchronisation qui serait nécessaire).

Cependant, la rigidité en torsion de l'accouplement à distance est importante. Si le couple transféré entre les axes provoque un « enroulement » de l'accouplement, un arrachement et un grippage peuvent toujours se produire. Cette configuration est souvent une bonne option lorsque la distance entre les axes X est comprise entre un et trois mètres, avec des exigences de charge et de vitesse modérées.

Un autre facteur pouvant provoquer des embrochages dans les systèmes à portique est le manque de précision de montage et le manque de parallélisme entre les deux axes X. Chaque fois que deux guides linéaires sont montés et utilisés en parallèle, ils nécessitent une certaine tolérance en termes de parallélisme, de planéité et de rectitude pour éviter de surcharger les roulements d'un ou des deux guides. Dans les systèmes à portique, où les axes X ont tendance à être très espacés (en raison de la longue course sur l'axe Y), le montage et le parallélisme des axes X deviennent encore plus critiques, les erreurs angulaires étant amplifiées sur de longues distances.

Différentes technologies de guidage nécessitent différents niveaux de précision en termes de parallélisme, de planéité et de rectitude. Dans les applications sur portique, la meilleure technologie de guidage linéaire pour les axes X parallèles est généralement celle qui offre le plus de « tolérance » en matière d'erreurs de montage et d'alignement tout en offrant la capacité de charge et la rigidité requises.

Les guidages sur rail profilé à recirculation de billes ou de rouleaux offrent généralement la capacité de charge et la rigidité les plus élevées de toutes les technologies de guidage linéaire, mais lorsqu'ils sont utilisés dans une configuration parallèle, ils nécessitent des tolérances de hauteur de montage et de parallélisme très précises pour éviter tout grippage. Certains fabricants proposent des versions « à alignement automatique » de roulements à recirculation de billes capables de compenser certains désalignements, même si la rigidité et la capacité de charge peuvent être réduites.

D’un autre côté, les roues de guidage qui roulent sur des rails de précision nécessitent moins de précision de montage et d’alignement que les guides sur rails profilés. Ils peuvent même être montés sur des surfaces moyennement imprécises sans provoquer de problèmes de fonctionnement tels que des vibrations et des grippages, même lorsque deux chenilles sont utilisées en parallèle.

Bien que l'alignement puisse être effectué avec des outils simples tels que des indicateurs à cadran et des câbles, les grandes longueurs impliquées dans les systèmes à portique rendent souvent cela peu pratique. De plus, l’alignement de plusieurs axes parallèles et perpendiculaires augmente de façon exponentielle la complexité ainsi que le temps et le travail requis.

C'est pourquoi un interféromètre laser est souvent le meilleur outil pour garantir la rectitude, la planéité et l'orthogonalité entre les axes du portique.