Et comment l’éviter…

Les portiques se distinguent des autres types de systèmes multiaxes (tels que les robots cartésiens et les tables XY) par l'utilisation de deux axes de base (X) parallèles, reliés par un axe perpendiculaire (Y). Si cette disposition à deux axes X offre une empreinte large et stable et permet aux systèmes de portiques d'offrir une capacité de charge élevée, de grandes courses et une bonne rigidité, elle peut également entraîner un phénomène communément appelé « rayonnage ».

Chaque fois que deux axes linéaires sont montés et connectés en parallèle, il existe un risque que leur synchronisation ne soit pas parfaite. Autrement dit, lors du mouvement, l'un des axes X peut être en retard sur l'autre, et l'axe principal tentera d'entraîner son partenaire en retard. Dans ce cas, l'axe de connexion (Y) peut devenir oblique, perdant sa perpendiculaire aux deux axes X. La perte d'orthogonalité des axes X et Y est appelée « crénelage », et peut entraîner un blocage lors du déplacement du système 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 dû à divers facteurs de conception et d'assemblage, mais l'un des plus influents est la méthode d'entraînement des axes X. Avec deux axes X en parallèle, les concepteurs ont le choix entre entraîner chaque axe X indépendamment, ou entraîner un axe et 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 réduite de l'axe Y), il peut être acceptable de n'entraîner qu'un seul axe X et de laisser le second axe X agir comme suiveur, sans mécanisme d'entraînement. Dans cette conception, la rigidité de la liaison entre les axes, autrement dit la rigidité de l'axe Y, est un facteur clé.

Étant donné que l'axe entraîné « entraîne » l'axe non entraîné, si leur liaison subit une flexion, une torsion ou tout autre comportement instable, toute différence de frottement ou de charge entre les deux axes X peut immédiatement entraîner un arrachement et un grippage. De plus, plus l'axe Y est long, moins il est rigide. C'est pourquoi la configuration « 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 distinct sur chaque axe, synchronisé en mode maître-esclave via le contrôleur. Cependant, dans ce cas, les erreurs de course des entraînements mécaniques doivent être parfaitement (ou presque) synchronisées, faute de quoi de légers écarts dans la distance parcourue par chaque axe par tour de moteur peuvent entraîner des phénomènes de blocage et de blocage.

Pour les applications de portiques de précision à grande vitesse, les mécanismes d'entraînement privilégiés sont généralement les vis à billes et les entraînements à pignon et crémaillère. Ces deux technologies peuvent être adaptées de manière sélective pour obtenir une erreur linéaire similaire sur chaque axe, évitant ainsi une partie de l'accumulation d'erreurs pouvant survenir avec des systèmes d'entraînement non adaptés. Les entraînements par courroie et par chaîne présentant des erreurs de pas difficiles à ajuster et à compenser, ils ne sont généralement pas recommandés pour les systèmes de portiques lorsque les axes X sont entraînés indépendamment. En revanche, les moteurs linéaires constituent un excellent choix pour les axes parallèles des systèmes de portiques, car ils ne présentent aucune erreur mécanique et peuvent offrir de grandes courses et des vitesses élevées.

Une autre solution, un compromis entre les deux options décrites ci-dessus, consiste à utiliser un seul moteur pour entraîner les deux axes X. Cela peut se faire en connectant la sortie de l'axe motorisé à l'entrée du second axe via un accouplement à distance (également appelé arbre de liaison). Cette configuration élimine le second moteur (et la synchronisation qui l'accompagnerait).

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, des phénomènes de crémaillère et de grippage peuvent néanmoins 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 entraîner un empilement dans les systèmes à portique est le manque de précision de montage et de parallélisme entre les deux axes X. Lorsque deux guides linéaires sont montés et utilisés en parallèle, une certaine tolérance de parallélisme, de planéité et de rectitude est requise afin d'éviter de surcharger les roulements de l'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 de l'axe Y), le montage et le parallélisme des axes X deviennent encore plus critiques, les erreurs angulaires étant amplifiées sur de longues distances.

Les différentes technologies de guidage requièrent des niveaux de précision variables en termes de parallélisme, de planéité et de rectitude. Dans les applications à portique, la meilleure technologie de guidage linéaire pour les axes X parallèles est généralement celle qui offre la plus grande tolérance aux erreurs de montage et d'alignement, tout en garantissant la capacité de charge et la rigidité requises.

Les guidages à billes ou à rouleaux profilés offrent généralement la capacité de charge et la rigidité les plus élevées de toutes les technologies de guidage linéaire. Cependant, utilisés en configuration parallèle, ils nécessitent des tolérances de hauteur de montage et de parallélisme très précises pour éviter tout blocage. Certains fabricants proposent des versions « auto-alignantes » de roulements à billes, capables de compenser certains désalignements, mais leur rigidité et leur capacité de charge peuvent être réduites.

En revanche, les galets de guidage sur rails de précision nécessitent moins de précision de montage et d'alignement que les rails de guidage profilés. Ils peuvent même être montés sur des surfaces moyennement imprécises sans entraîner de problèmes de fonctionnement tels que broutage et grippage, même lorsque deux rails sont utilisés en parallèle.

Bien que l'alignement puisse être réalisé avec des outils simples tels que des comparateurs à cadran et des câbles, les grandes longueurs des systèmes à portique rendent souvent cette opération peu pratique. De plus, l'alignement de plusieurs axes parallèles et perpendiculaires augmente considérablement la complexité, le temps et la main-d'œuvre nécessaires.

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.