FAQ sur les systèmes linéaires - Principes de base pour les ingénieurs concepteurs

Système de guidage de robot portique à mouvement linéaire CNC pour l'agriculture.

Cet article explique les bases de la conception d'un système linéaire, y compris le système de support structurel, la technologie de guidage, la technologie d'entraînement, l'étanchéité, la lubrification et les accessoires. Il examine tout d'abord les avantages et les inconvénients des différentes technologies telles que les entraînements par vis à billes, les entraînements par courroie, les guides à billes, les guides à glissière et les guides à roue. L'article examine ensuite les avantages et les inconvénients de la conception et de la construction de votre propre système linéaire par rapport à la configuration d'un système à partir de blocs de construction standard. Enfin, l'article décrit un processus en ligne, étape par étape, pour le dimensionnement et la sélection d'un système linéaire basé sur des composants standard économiques.

Les éléments constitutifs d'un système linéaire sont le système de support structurel, le système d'entraînement, le système de guidage, l'étanchéité, la lubrification et les accessoires. Le composant principal du système de support structurel est généralement une extrusion d'aluminium disponible dans des longueurs allant jusqu'à 12 mètres. La surface de montage de la base peut être usinée pour les applications nécessitant un positionnement précis. Les bases extrudées pour les applications de transport de moindre précision ne sont généralement pas usinées. Les bases utilisées dans les applications de transport sont optimisées pour résister à la flexion sous charge et à la déformation pendant le processus d'extrusion, ce qui permet au système d'être soutenu uniquement aux extrémités.

Les principaux types de guides sont les guides à billes, les guides à roues et les guides à glissière ou à prisme. Les guides à billes supportent des charges utiles élevées allant jusqu'à 38 000 Newtons (N) et des moments de charge importants allant jusqu'à 27,60 Newton-mètres (Nm). Les guides à billes présentent d'autres avantages, notamment un faible frottement et une grande rigidité. Les guides à billes sont disponibles dans des configurations à un ou deux rails. Les inconvénients des guides à billes sont un coût relativement élevé et des niveaux sonores importants. L'un des principaux avantages des guides de roue est leur capacité à fonctionner à des vitesses exceptionnellement élevées, jusqu'à 10 mètres par seconde (m/s). Les guides de roue offrent également une faible friction et une très grande rigidité. En revanche, les guides de roue ont une résistance relativement faible aux chocs. Les guides à glissière utilisent des coussinets en polymère en forme de prisme qui se déplacent directement sur la surface du profil pour offrir un fonctionnement très silencieux et résister à des charges de choc élevées. L'un des principaux avantages des guides à glissière est leur capacité à fonctionner dans des environnements contaminés. Les guides à glissière ont une vitesse et une capacité de charge inférieures à celles des guides à billes ou à roues.

Les technologies d'entraînement les plus populaires sont les entraînements par vis à billes, les entraînements par vis à billes et les entraînements par courroie. L'entraînement par 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 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 prévue et la position réelle. Les entraînements par vis à billes offrent généralement un rendement mécanique de 90 %, de sorte que leur coût plus élevé est souvent compensé par la réduction des besoins en énergie. La vitesse critique d'une vis à billes est déterminée par le diamètre du pied de la vis, la longueur non supportée et la configuration du support d'extrémité. Les supports de vis à billes permettent d'utiliser des unités entraînées par vis jusqu'à 12 mètres de course et une vitesse d'entrée de 3 000 tr/min. Les entraînements par vis à billes ne peuvent pas atteindre la précision de positionnement absolue des entraînements par vis à billes, mais ils offrent une excellente répétabilité de 0,005 mm. La répétabilité est définie comme la capacité d'un système de positionnement à revenir à un endroit donné en cours de fonctionnement lorsqu'il est approché dans la même direction à la même vitesse et au même taux de décélération. Les entraînements à vis sans fin sont utilisés dans les applications de positionnement à cycle de service faible à moyen et fonctionnent à des niveaux de bruit faibles. Les transmissions par courroie sont utilisées dans les applications de transport à grande vitesse et à haut débit, avec des vitesses allant jusqu'à 10 m/s et des accélérations allant jusqu'à 40 m/s2 . Le système de guidage et le système d'entraînement ont généralement besoin d'être lubrifiés. Un accès facile aux raccords de lubrification simplifie la maintenance préventive. Une approche efficace consiste à utiliser des raccords Zerk sur le chariot qui alimentent un réseau par lequel la vis à billes et le système de roulement linéaire sont lubrifiés pendant l'installation et aux intervalles de maintenance périodiques. Le système de guidage du prisme ne nécessite aucune maintenance. En plus de la lubrification inhérente au polymère, des racleurs en feutre lubrifiés réapprovisionnent le lubrifiant à chaque course. La technologie d'étanchéité est importante dans de nombreuses applications. Un joint à bande magnétique se compose d'une bande magnétique en acier inoxydable, dont la tension est maintenue par un ressort. Les deux extrémités sont fixées aux plaques d'extrémité du système et la bande de recouvrement ou bande d'étanchéité est acheminée à travers une cavité dans le chariot. Lorsque les chariots parcourent la longueur du système, la bande est soulevée des aimants pour permettre au chariot de passer.

Autre technologie de scellement, les bandes de recouvrement en plastique utilisent une bande de caoutchouc souple qui s'emboîte dans l'extrusion de base, un peu à la manière d'un sac Ziploc. Les profils "languettes et rainures" créent un joint labyrinthe extrêmement efficace pour empêcher la pénétration de particules. Les supports de moteur flexibles simplifient l'intégration des systèmes linéaires dans les assemblages automatisés. Les utilisateurs peuvent simplement demander un support de moteur NEMA standard ou fournir des informations de montage spécifiques à leur moteur ou encore indiquer le nom et le numéro de pièce du fabricant du moteur. Le boîtier et l'accouplement sont usinés à partir d'ébauches communes pour s'adapter aux principales caractéristiques du moteur du client : taille et diamètre du cercle de boulons sur la bride du moteur ; diamètre du pilote du moteur ; diamètre et longueur de l'arbre du moteur. Cela permet aux glissières de se monter facilement, horizontalement, verticalement, inclinées ou inversées, sur pratiquement n'importe quel moteur, avec un alignement garanti.

Toutes les combinaisons de type d'entraînement et de type de guidage ne sont pas forcément judicieuses. Les sept groupes technologiques utilisés dans les applications pratiques comprennent l'entraînement par vis à billes et le guidage à billes, l'entraînement par vis à billes et le guidage à glissière, l'entraînement par vis à billes et le guidage à glissière, l'entraînement par courroie et le guidage à billes, l'entraînement par courroie et le guidage à glissière, ainsi que l'entraînement par courroie et le guidage à roue. Les diagrammes en araignée décrivent les forces et les faiblesses relatives de chacune de ces technologies. La technologie de l'entraînement par vis à billes et du guidage à billes offre une grande répétabilité, une grande rigidité et la capacité de supporter des forces et des moments élevés. Elle est utilisée dans les applications de positionnement de précision avec des charges et des cycles d'utilisation élevés, comme le système linéaire utilisé pour charger et décharger les ébauches d'engrenages sur une machine-outil. Les unités entraînées par courroie et guidées par billes sont conçues pour des applications à grande vitesse et à forte accélération avec des charges utiles lourdes et des moments de charge élevés. Ce groupe de technologies convient aux applications qui s'étendent sur un espace et sont supportées soit aux extrémités, soit de manière intermittente. Une application typique est la palettisation de boîtes de conserve. Les systèmes linéaires à entraînement par courroie et à guidage par glissière offrent une vitesse et une capacité d'accélération modérées. Les guides à glissière peuvent gérer les charges d'impact mais sont quelque peu limités dans leurs vitesses linéaires. Cette combinaison constitue une solution rentable, peu bruyante et nécessitant peu d'entretien. L'ajout d'une bande de recouvrement magnétique rend cette solution idéale pour les environnements à forte teneur en particules et les exigences de lavage, comme les applications de traitement par pulvérisation de la tôle. Les unités entraînées par courroie et guidées par roue offrent des capacités de vitesse linéaire et d'accélération élevées, ainsi qu'un coût modéré, un faible niveau de bruit et des besoins de maintenance relativement réduits. Les machines d'emballage et de remplissage constituent une application typique.

Fabriquer ou acheter ? Lorsque l'on se demande s'il faut fabriquer ou acheter un système linéaire, il est important de tenir compte du temps et de l'expertise nécessaires à la conception d'un système linéaire. La conception d'un système comprend des calculs techniques tels que la durée de vie des roulements linéaires et radiaux, la durée de vie de la vis à billes, la vitesse critique de la vis à billes, la déviation du profilé de support, la sélection 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'enveloppe, et l'ingénierie de base est toujours nécessaire pour s'assurer que rien de fondamental n'a été oublié. Lors de l'achat de systèmes linéaires, il arrive que les produits du catalogue standard ne répondent pas aux exigences de l'application. Dans ce cas, des modifications significatives des produits standard ou des conceptions de feuilles blanches sont des alternatives viables. Un partenaire disposant d'une large gamme de produits et de capacités d'ingénierie peut travailler avec vous pour résoudre votre problème tout en économisant du temps et de l'argent et en accélérant le cycle de développement.