{{{sourceTextContent.title}}}

Choisissez le meilleur dispositif de positionnement linéaire pour votre application

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Système de manutention cartésien de type « pick-and-place »

{{{sourceTextContent.description}}}

Passer en revue les principes fondamentaux des dispositifs de positionnement linéaire les plus courants aidera les utilisateurs à les choisir de manière appropriée pour leurs applications.

Les systèmes d'entraînement linéaire sont utilisés depuis des milliers d'années ; on remonte même aux Égyptiens de l'Antiquité, qui utilisaient des troncs d'arbres pour déplacer de lourds blocs de pierre, préfigurant ainsi les solutions de mouvement linéaire telles que les vis à billes et les systèmes à pignon à rouleaux. Aujourd’hui, la technologie de mouvement linéaire est utilisée pour supporter, positionner, guider et déplacer des composants de machines dans un large éventail d’applications, notamment dans les secteurs de l’aérospatiale, des machines-outils, du médical, de l’automatisation industrielle et de l’emballage. Si les exigences fondamentales de cette technologie consistent à offrir une capacité de charge et un mouvement précis, d’autres critères revêtent également une grande importance dans de nombreux cas.

La technologie d’entraînement linéaire utilisée dans un produit joue un rôle essentiel dans la fourniture des fonctionnalités, des performances, de la durabilité, de la consommation d’énergie et d’autres caractéristiques qui permettent au produit de surpasser la concurrence. Les ingénieurs peuvent choisir parmi une gamme de technologies d’entraînement linéaire telles que les vis sans fin, les vis à billes, les systèmes à crémaillère et pignon, les transmissions par courroie, les moteurs linéaires et les systèmes à pignon à rouleaux. Il est essentiel d’étudier attentivement toutes les options disponibles afin d’éviter les problèmes courants tels que le manque de précision, le jeu/les vibrations, le coût élevé, les conditions de fonctionnement en milieu sale, un entretien important, une faible capacité de charge, un bruit excessif, une vitesse réduite, etc. Un processus de sélection systématique permet de s’assurer que la technologie d’entraînement linéaire choisie répond aux exigences de l’application. Le choix de la technologie appropriée permet également de réduire la complexité de la conception, d’améliorer les performances et de diminuer le coût global d’assemblage.

1. Vis sans fin
Les vis sans fin utilisent l’angle d’hélice d’un filetage pour convertir un mouvement rotatif en mouvement linéaire. La grande surface de contact glissant entre les éléments mâle et femelle du filetage génère des pertes par frottement relativement élevées. Il en résulte que les vis sans fin sont moins efficaces et moins précises que les vis à billes. Les vis sans fin offrent une capacité de charge relativement élevée, bien que généralement inférieure à celle des vis à billes. L’un de leurs principaux avantages réside dans leur faible coût : elles ne représentent généralement qu’un dixième du prix des vis à billes équivalentes. Les vis sans fin sont disponibles dans une gamme de pas variés, ce qui permet de choisir le pas offrant le bon compromis entre précision de positionnement et vitesse. Elles produisent généralement très peu de bruit, à condition de maintenir une lubrification suffisante. Cependant, leur utilisation peut s’avérer difficile pour les déplacements sur de longues distances, car la vis n’est généralement pas soutenue entre ses deux extrémités.

2. Vis à billes
L'entraînement par vis à billes se compose d'une vis à billes et d'un écrou à billes, avec des roulements à recirculation dont les billes roulent dans les rainures formées par la vis et l'écrou. La vis à billes répartit la charge sur un grand nombre d'éléments roulants, ce qui se traduit par une capacité de charge élevée. L’utilisation d’un grand nombre d’éléments roulants de précision garantit également un haut niveau de précision. De plus, les vis à billes présentent un faible coefficient de frottement. Cela se traduit par un rendement mécanique élevé et une consommation d’énergie réduite. Le cycle de service des vis à billes est assez élevé car elles génèrent relativement peu de chaleur par frottement. Cependant, comparées à d’autres technologies d’entraînement linéaire, les vis à billes ont tendance à être coûteuses et nécessitent un entretien régulier de la lubrification pour garantir une durée de vie raisonnable. Enfin, les vis à billes sont sujettes au bruit, principalement causé par la recirculation des billes.

3. Systèmes d’entraînement par courroie
Les systèmes de mouvement linéaire à entraînement par courroie avec guidages à billes sont généralement choisis lorsque les vitesses élevées, les taux d’accélération élevés et les courses longues constituent les critères les plus importants. Les actionneurs linéaires à entraînement par courroie et guidage par glissière offrent des capacités de vitesse et d’accélération légèrement inférieures, pour un coût en conséquence plus bas. Comme on peut s’y attendre, la précision de positionnement linéaire des entraînements par courroie n’est pas aussi élevée que celle des vis sans fin ou des vis à billes. La capacité de charge des entraînements par courroie, qu’ils soient à guidage à billes ou à glissières, est légèrement inférieure à celle des vis à billes. L’allongement de la courroie et sa rigidité constituent d’autres inconvénients. Les systèmes de mouvement linéaire à entraînement par courroie sont généralement capables de cycles de service élevés, car ils évitent les problèmes liés à l’accumulation de chaleur par frottement dans le roulement d’une vis à billes ou d’une vis sans fin. Parmi les autres avantages des systèmes à entraînement par courroie, on peut citer le fait qu’ils génèrent relativement peu de bruit et qu’ils nécessitent relativement peu d’entretien.

4. Entraînements à chaîne
Les entraînements à chaîne convertissent un mouvement rotatif en mouvement linéaire grâce à une série de maillons de chaîne qui s'engrènent avec un pignon denté et un chariot linéaire. Étant en métal, les entraînements à chaîne présentent un avantage par rapport aux entraînements à courroie. Ils occupent également moins d’espace que ces derniers et ne sont pas sensibles aux dommages causés par l’huile, la graisse, la lumière du soleil ou le vieillissement. Contrairement aux entraînements par courroie, les entraînements par chaîne peuvent également fonctionner dans des conditions humides. En revanche, les entraînements par chaîne génèrent généralement plus de bruit et ont davantage tendance à vibrer que les entraînements par courroie ; ils offrent également une capacité de charge et une durée de vie inférieures à celles des entraînements par engrenages.

5. Moteurs linéaires
Les moteurs linéaires reposent sur le concept consistant à « dérouler » un servomoteur rotatif classique, le stator devenant un forcer et le rotor se transformant en bobine ou en rail magnétique. Les moteurs linéaires permettent d’obtenir un mouvement linéaire direct sans aucun dispositif de transmission rotatif-linéaire. Les moteurs linéaires à balais utilisent des bobines dans le rail linéaire et des aimants dans l’élément d’entraînement. Les balais de l’élément d’entraînement entrent en contact avec une barre s’étendant sur toute la longueur du moteur pour assurer la commutation. Les enroulements et l’élément d’entraînement sont tous deux contenus dans l’élément d’entraînement d’un moteur pas à pas linéaire. Les avantages des moteurs linéaires comprennent des vitesses élevées, un haut niveau de précision et une réponse rapide. Les limites de cette approche comprennent un coût élevé, un encombrement important et la génération de quantités considérables de chaleur. Les moteurs linéaires ont également une faible capacité, à l’instar de la comparaison entre les moteurs à entraînement direct et les moteurs équipés d’un réducteur : le moteur à entraînement direct doit être nettement plus grand pour offrir la même capacité.

6. Ensembles crémaillère et pignon
Les ensembles à crémaillère et pignon se composent d’un engrenage circulaire appelé pignon qui s’engrène avec les dents d’un engrenage linéaire appelé crémaillère afin de convertir un mouvement rotatif en mouvement linéaire. Les engrenages à crémaillère et pignon sont couramment utilisés comme actionneurs linéaires dans une large gamme de machines. Par exemple, ils servent à déplacer les axes de machines-outils à commande numérique (CNC), telles que les centres d’usinage. Les crémaillères hélicoïdales offrent un fonctionnement plus silencieux à grande vitesse et une capacité de charge plus élevée grâce à un rapport de contact des dents plus important. La lubrification est essentielle pour garantir une longue durée de vie aux ensembles à crémaillère et pignon. Comme ces ensembles comportent relativement peu de composants, ils permettent de gagner du temps lors de l’installation et d’améliorer la fiabilité. Ils offrent également un haut niveau de précision, même sur de longues courses. Parmi les inconvénients des ensembles à crémaillère et pignon, on peut citer leur niveau de frottement relativement élevé, qui réduit leur rendement, augmente la consommation d’énergie et limite leur durée de vie. De plus, les entraînements à crémaillère et pignon doivent fonctionner avec un jeu, ce qui fait du jeu axial un inconvénient majeur.

Tous ces systèmes d’entraînement linéaire présentent leur propre combinaison unique d’avantages et d’inconvénients. Pour choisir le type de technologie de mouvement linéaire adapté à une application particulière, l’ingénieur concepteur doit examiner attentivement les capacités spécifiques de chaque alternative. Le choix de la technologie appropriée peut améliorer les performances, garantir une longue durée de vie et réduire le coût global de l’ensemble.