Les avantages souvent négligés de l'intégration sur un seul arbre d'un mouvement à grande vitesse et sur plusieurs axes
Lorsque les concepteurs de systèmes de mouvement ont besoin de mouvements complexes, à grande vitesse et sur plusieurs axes, ils peuvent penser en premier lieu à des bras robotiques élaborés et pré-emballés. Ils peuvent aussi, s'ils n'ont besoin que de quelques axes, penser à configurer un profil séparé ou un rail rond pour chaque axe. Mais entre ces options se cache la technologie simple et éprouvée, mais souvent oubliée, des cannelures à billes. Cette solution de mouvement sur plusieurs axes existe depuis des années et reste très pertinente pour de nombreux schémas de mouvement complexes actuels. Les cannelures à billes utilisent une architecture unique qui intègre le mouvement rotatif et linéaire sur un seul arbre, ce qui confère davantage de flexibilité pour mettre en œuvre des schémas de mouvement complexes dans des espaces plus restreints, en proposant une offre 2-en-1 en termes de contrôle de mouvement. (Figure 1)
Figure 1. Les cannelures à billes Thomson, qui permettent un mouvement rotatif et linéaire sur un seul arbre, garantissent une excellente fiabilité et une longue durée de vie dans diverses conditions d'exploitation. Image reproduite avec l'autorisation de Thomson Industries, Inc.
Intégration du mouvement rotatif et linéaire
Les cannelures à billes permettent de traduire les mouvements linéaires comme rotatifs. Cette action est obtenue par la mise en œuvre d'un arbre commun pour effectuer deux mouvements indépendants. (Figure 2) L'observation de l'arbre montre qu'il comprend des rainures axiales rectifiées appelées « cannelures » sur toute sa longueur. Cette disposition comprend également un écrou à cannelure à billes qui se déplace le long des rainures axiales rectifiées et verrouille le mouvement de rotation ou les moments radiaux. Chaque écrou est supporté par un palier et, le plus souvent, par un point d'ancrage commun, comme un tube rond, fixé à un support soutenu par le mécanisme. Chaque écrou sera entraîné indépendamment par un moteur (souvent entraîné par courroie) chargé de contrôler son axe de mouvement respectif.
Pour entraîner la rotation axiale, l'écrou à cannelure à billes est tourné. Cet écrou abrite une série de billes qui permettent un mouvement libre le long de l'axe (c'est-à-dire que l'écrou peut glisser le long de l'arbre avec un minimum de frottements). Lorsqu'elles tournent, ces mêmes billes appliquent une force perpendiculaire sur l'arbre par le biais des rainures creusées dans la cannelure, faisant ainsi tourner l'arbre.
Pour entraîner un mouvement linéaire, l'arbre cannelé est déplacé vers l'avant ou vers l'arrière par un actionneur linéaire, comme un piston hydraulique, pneumatique ou électrique. Lorsque l'écrou cannelé se déplace sur toute la longueur de l'arbre, les roulements à billes roulent dans les rainures. Le roulement en lieu et place du glissement présente un coefficient de frottement et d'usure plus faible et permet un mouvement linéaire fluide et précis et des vitesses plus élevées. Les roulements à billes circulent à l'intérieur de l'écrou, assurant ainsi un contact de roulement continu avec l'arbre.
Du fait de l'ancrage/du support, cette disposition est également très résistante aux charges de torsion (c'est-à-dire que l'arbre résiste à la rotation à moins d'être entraîné par le moteur). Si une charge de torsion est appliquée à l'extérieur de l'arbre alors qu'il est en phase d'extension/de rétractation/fixe, elle est supportée par l'écrou cannelé et l'arbre résiste à cette charge. Outre un mouvement « 2 en 1 » sur l'arbre, cette fonctionnalité est tout aussi importante pour son utilité dans la conception d'applications.
Parvenir à cette réalisation sur un seul arbre présente de nombreux avantages. Cela offre une meilleure utilisation de l'espace, augmente la capacité de charge, la vitesse et la précision avec un frottement négligeable tout en améliorant la durabilité avec un entretien minimal.
Figure 2. En permettant un mouvement linéaire et rotatif sur un seul arbre, les cannelures à billes offrent de nombreux avantages aux conceptions robotiques, notamment une compacité, une capacité de charge, une vitesse et une précision accrues. Image reproduite avec l'autorisation de Thomson Industries, Inc.
Meilleure utilisation de l'espace
En comprimant plusieurs axes sur un seul arbre, les cannelures à billes sont beaucoup plus efficaces en termes d'espace que les solutions de roulements traditionnelles. Cette conception se traduit par moins de composants et de pièces mobiles, mais également par une capacité de charge dans cet espace plus importante que ce qui serait possible avec des roulements linéaires comparables.
Capacité de charge plus élevée
Les rainures larges rectifiées avec précision augmentent les capacités de charge et renforcent la raideur et la rigidité nécessaires pour gérer des moments supérieurs, jusqu'à deux fois plus que les ensembles de roulements traditionnels. Les cannelures à billes répartissent également davantage de charge sur toute la longueur de l'arbre. Cela leur permet de supporter des charges plus élevées que les roulements traditionnels, qui risquent davantage de subir des concentrations localisées des contraintes. Les cannelures à billes sont également plus efficaces avec les charges décentrées, comme celles qui sont courantes dans les applications de changement d'outils et de placement (pick-and-place).
Frottements négligeables
Le système de guidage à billes assure un mouvement sans frottement ou presque grâce à un contact précis avec les points tangentiels des billes roulantes guidées par les rainures de l'arbre cannelé et la bague à l'intérieur de l'écrou.
Vitesses plus élevées
Les cannelures à billes nécessitent de petites forces seulement pour déplacer l'écrou cannelé sur le plan axial tout en transmettant le couple et en minimisant les frottements. Cela contribue à accroître la vitesse d'environ 20 % par rapport à une vis à billes traditionnelle tout en offrant un fonctionnement plus fluide. Les cannelures à billes peuvent supporter des vitesses allant jusqu'à 2 m/s.
Niveaux élevés de précision et d'exactitude
Les cannelures à billes offrent des niveaux élevés de précision et d'exactitude dans le positionnement, ce qui les rend idéales pour les applications nécessitant un contrôle précis. Le jeu nul garantit qu'il n'y a pas de jeu de rotation ou de perte de mouvement lors des changements de direction. Les cannelures à billes maintiennent cette précision et ce faible frottement même sous de lourdes charges, garantissant un mouvement précis et cohérent.
Installation et entretien faciles
Facile, l'installation nécessite généralement un alésage brut et des trous de montage percés et taraudés pour fixer l'écrou à bride, ou un alésage brut et une rainure de clavette pour un écrou rond. La simplicité de leur conception rend les cannelures à billes plus faciles à dépanner et à entretenir. L'équipe de maintenance peut simplement retirer la cannelure de l'arbre, la lubrifier et la remettre en place, contrairement aux exigences d'entretien plus élevées des rails profilés et des vis à billes.
Grande durabilité
Les cannelures à billes ont une durée de vie plus longue que certains roulements traditionnels du fait des contacts accrus des points de roulement à billes, ce qui réduit les contraintes et accroît la capacité de charge. Moins les billes sont sollicitées, plus la charge qu'elles peuvent supporter est lourde tout en résistant à l'usure et en offrant des performances constantes dans le temps.
Les cannelures à billes peuvent souvent être conçues avec des joints et des couvercles de protection qui protègent les roulements à billes des contaminants comme la poussière et les débris, prolongeant ainsi encore leur durée de vie. L'architecture à cannelures à billes offre une capacité de charge sûre sous tous les angles, à la différence d'un roulement radial, dans lequel les billes doivent être positionnées de manière appropriée et méticuleuse pour équilibrer la charge.
Économies sur les coûts
Les économies initiales sont substantielles pour cette méthode alternative d'obtention des deux axes de mouvement et les économies se multiplient dans le cas de volumes plus importants. Par rapport aux systèmes sur plusieurs axes emballés, les cannelures à billes sont nettement moins chères. Elles sont également plus économiques que les ensembles de rails profilés du fait de leur petit nombre de composants et de leur nombre moins important de pièces mobiles. Elles affichent une plus grande résistance aux moments pour le même prix et elles nécessitent moins de préparation de surface pour l'installation. Par rapport aux ensembles de rails ronds, le coût des cannelures à billes est similaire, mais avec un encombrement moindre et des axes moins nombreux. De plus, sur le long terme, un nombre moins important de composants nécessitent un entretien, ce qui permet de gagner du temps et d'économiser de l'argent.
Applications
Les concepteurs de mouvements intégrant à la fois des mouvements linéaires et rotatifs doivent évaluer la technologie des cannelures à billes pour voir si leur configuration sur le même arbre serait un avantage. Voici quelques exemples d'applications dans les domaines de l'automatisation industrielle, du transport, des soins de santé et de la recherche, qui ont bénéficié de la fonctionnalité des cannelures à billes :
Automatisation industrielle
- Ensemble de placement (pick and place) répétable, comme le positionnement d'objets semi-conducteurs à grande vitesse pour lequel un bras prélève depuis l'étape d'assemblage, se tourne et effectue le placement pour une autre étape.
- Positionnement d'outils CNC dans les opérations d'usinage et de fraisage.
- Équipement d'emballage pour un contrôle précis des mécanismes de remplissage et d'obturation.
Transports
- Commandes d'avion, comme le déploiement des volets et le réglage de la manette des gaz.
- Véhicules militaires pour faciliter la rotation, l'élévation du canon et la direction du véhicule.
Santé et recherche
- Robots chirurgicaux pour guider les interventions chirurgicales assistées par robot.
- Dispositifs d'imagerie médicale pour faciliter le mouvement précis des tomodensitomètres ou d'autres dispositifs d'acquisition d'images de haute précision.
- Analyses en laboratoire, comme le positionnement de la platine du microscope et des échantillons.
Les avantages des cannelures à billes en font la solution idéale pour un certain nombre d'applications, notamment (de gauche à droite) l'usinage CNC, les tambours de papeterie, le placement (pick and place) et l'automatisation des machines. Image reproduite avec l'autorisation de Thomson Industries, Inc.
Pour permettre aux concepteurs de machines d'optimiser les cannelures à billes pour leurs applications, certains fournisseurs offrent des conseils en ligne. Un outil de sélection de cannelures à billes disponible sur le marché, par exemple, utilise des aides visuelles qui permettent aux utilisateurs d'accéder à la meilleure configuration en quelques minutes seulement.
Trouver leur place
Les cannelures à billes sont une solution intéressante pour les concepteurs de machines qui ont besoin de mouvement sur plusieurs axes. Par rapport aux systèmes sur plusieurs axes emballés, les cannelures à billes nécessitent moins d'espace et peuvent être déployées à des vitesses plus élevées, avec moins de frottements, une plus grande précision, une durée de vie plus longue et plus prévisible et un entretien simplifié. Elles peuvent également être moins chères.
Même si une cannelure à billes peut remplacer des bras robotisés emballés, son efficacité spatiale et son jeu nul la rendent utilisable comme composants de ces ensembles, en prolongeant éventuellement une course verticale ou en aidant à supporter des charges radiales et axiales plus lourdes.
Au fur et à mesure que les opérations commerciales se complexifient et que la numérisation, l'IA et les progrès de la mobilité intègrent davantage d'axes de mouvement dans les stratégies d'automatisation, les performances et la polyvalence uniques de la cannelure à billes peuvent enfin recevoir le respect qu'elles méritent.