Aperçu pratique de la charge, de la précharge, de l'installation, de la rigidité et de la précision à long terme

Lors de la conception d'une nouvelle machine CNC, on retient rarement beaucoup d'attention le bloc de guidage linéaire.

On aborde la question de la vis à billes. On dimensionne le servomoteur. On spécifie avec précision le contrôleur et l'encodeur.

Le bloc guide ?

Il est souvent choisi en fonction de la largeur des rails et de la capacité de charge, puis oublié.

Ça marche généralement… jusqu’à ce que ça ne marche plus.

Un guide qui semble parfaitement fluide lors de sa mise en service peut développer une résistance au roulement accrue, des vibrations ou des erreurs de positionnement après des milliers d'heures de fonctionnement. Dans certains cas, le guide lui-même n'est même pas défectueux ; le problème provient de sa sélection ou de son installation initiale.

Après avoir travaillé avec des systèmes de mouvement linéaire, j'ai constaté que la plupart des problèmes de guidage se résument à une poignée de décisions prises avant même que la machine ne fonctionne.

Voici sept des plus courantes.

1. Sélection d'un guide uniquement en fonction de sa charge utile

C'est probablement l'erreur la plus facile à commettre.

Supposons qu'un axe d'automatisation CNC supporte un dispositif de fixation de 40 kg.

Il est tentant de consulter un catalogue, de trouver un guide avec une capacité de charge largement supérieure à 40 kg, et de considérer la sélection comme terminée.

Mais le guide ne se contente pas de voir une charge verticale de 40 kg.

Le chargement effectif peut comprendre :

• Force d'accélération
• force de coupe
• Charge utile décalée
• moment décisif
• Choc lors des arrêts d'urgence
• Répartition inégale de la charge entre les wagons

Par exemple, si le centre de gravité se trouve à 150 mm du plan de guidage, le moment résultant peut devenir plus important que la charge utile de base.

Un calcul de départ simple est :

M = F × L

où M est le moment, F est la force appliquée et L est la distance de décalage.

C’est pourquoi je n’approuverais jamais une sélection de guide basée uniquement sur la charge utile pour un axe CNC.

2. Choisir une précharge plus élevée sans vérifier le profil de mouvement

Une précharge plus élevée semble attrayante.

Une précharge plus importante signifie moins de jeu interne et une rigidité accrue.

Mais il y a un hic.

Un guide préchargé en grande quantité peut également contenir :

• résistance au roulement plus élevée
• Friction plus élevée
• Plus de chaleur
• Charge moteur plus importante

Pour un axe d'usinage lent supportant un dispositif lourd, ce compromis peut être parfaitement acceptable.

Pour un petit axe de transfert à grande vitesse, ce choix peut s'avérer inapproprié.

C'est l'une de ces situations où les spécifications d'un catalogue ne disent pas tout.

Si la machine passe la plupart de son temps à accélérer et à décélérer plutôt qu'à couper, je porterais une attention particulière à la résistance au fonctionnement et au couple moteur au lieu de sélectionner automatiquement la précharge maximale disponible.

3. Supposer qu'un guide plus grand implique automatiquement une machine plus précise

Non.

Un guide linéaire plus grand peut offrir une plus grande rigidité et une capacité de charge supérieure, mais la précision de la machine dépend de l'ensemble du système mécanique.

J'ai vu des machines équipées de guides linéaires haut de gamme et coûteux avoir des performances inférieures aux attentes car la structure de montage n'était pas suffisamment précise.

Le guide ne peut suivre que la surface sur laquelle il est fixé.

Si la base est déformée, le rail peut être forcé dans cette déformation lors de l'installation.

Le résultat peut être :

• résistance au transport inégale
• Charge servo plus élevée
• usure prématurée
• Variation de positionnement

Ainsi, lorsque vous comparez un guide de 15 mm, 20 mm ou 25 mm, ne vous contentez pas de poser les questions suivantes :

« Lequel est le plus précis ? »

Demander:

« La structure de la machine peut-elle réellement supporter la précision de ce guide ? »

Voilà une question beaucoup plus utile.

4. Traitement du rail linéaire et du bloc de guidage comme des produits distincts

Un système de guidage linéaire est un ensemble mécanique adapté.

Par exemple:

Voiture HGH15 + rail HGR15

il s'agit d'un système, et non de deux composants sans lien apparent ayant la même taille nominale.

La sélection comprend également :

• Série de guides
• Géométrie du chariot
• Conception des voies de culture
• Préchargement
• Classe de précision
• Longueur du rail
• Quantité de blocs

Cela devient particulièrement important lors du remplacement d'un guide existant.

Une erreur fréquente consiste à penser :

« L’ancien guide mesure 15 mm, donc n’importe quel chariot de 15 mm devrait convenir. »

Cela peut entraîner des problèmes liés aux dimensions de montage, à la précharge, à la compatibilité des rails ou à la hauteur du chariot.

Pour les projets de remplacement, je recommande de vérifier la désignation complète du modèle plutôt que de se fier uniquement à la largeur du rail.

5. Négliger la distance entre les blocs de guidage

Celui-ci est facile à manquer lors des premières étapes de conception.

Supposons que deux wagons soient montés sur le même rail.

Si elles sont positionnées très près l'une de l'autre, le système offre une résistance limitée au renversement.

Écartez davantage les chariots et l'effet de levier mécanique s'améliore.

Le même principe s'applique à la distance entre deux rails parallèles.

Pour une table CNC large supportant une charge excentrée, l'augmentation de l'espacement des guides peut améliorer considérablement la stabilité.

Cela signifie que parfois la réponse à un problème de moment-charge n'est pas :

«Utilisez un guide plus grand.»

Il se peut que ce soit :

« Modifier la mise en page du guide. »

Cela peut constituer une solution mécanique beaucoup plus efficace.

6. Oublier l'environnement machine

Un guide qui fonctionne bien dans un environnement d'assemblage propre peut avoir une durée de vie très différente à proximité d'une broche CNC.

Réfléchissez à ce qui peut atteindre le guide :

• copeaux métalliques
• liquide de refroidissement
• poussière de broyage
• particules abrasives fines
• Huile de coupe
• Produits de nettoyage

La configuration de l'essuie-glace et du joint est donc importante.

Dans un environnement d'usinage, la contamination peut finir par atteindre les chemins de roulement et accélérer l'usure.

Dans une machine de semi-conducteurs ou d'inspection, les priorités peuvent être presque inverses. Dans ce cas, le choix du lubrifiant, la génération de particules et un fonctionnement à faibles vibrations peuvent être plus importants.

Donc, en général, je ne définis pas d'abord le guide et je ne pense pas à l'environnement ensuite.

L'environnement fait partie des critères de sélection du guide.

7. Traiter l'installation comme un travail d'assemblage plutôt que comme une opération de précision

C’est probablement l’erreur qui cause le plus de frustration lors de la mise en service.

Un guide linéaire peut être fabriqué avec précision et pourtant fonctionner mal après son installation.

Les suspects habituels sont :

Planéité de la surface de montage

Une base déformée peut contraindre le rail à sortir de sa géométrie prévue.

Parallélisme ferroviaire

Deux rails mal alignés peuvent entraîner un conflit entre les wagons.

Précision de référence de l'épaule

Le rail a besoin d'une surface de référence fiable.

séquence de serrage des boulons

Un serrage irrégulier peut engendrer des déformations dans le rail ou la structure de montage.

Contamination sous le rail

Même un petit éclat coincé entre le rail et la surface de montage peut affecter l'alignement.

Une vérification pratique est simple :

Faites tourner le chariot avant de serrer complètement le rail, puis faites-le tourner à nouveau après le serrage final.

Si la résistance au fonctionnement change de manière significative, ne commencez pas immédiatement à régler le servomoteur.

Examinez d'abord l'installation mécanique.

Qu’en est-il de l’HGH, du MGN et des autres types de guides ?

Il n'existe pas de bloc de guidage linéaire idéal pour toutes les machines CNC.

Blocs de guidage de type HGH/HG

Ce sont généralement de meilleurs points de départ pour :

• axes de machine CNC
• Automatisation lourde
• Charges de moment plus élevées
• Systèmes de positionnement rigides

Leur construction à profil carré offre une combinaison utile de capacité de charge et de rigidité.

Guides miniatures de type MGN

Ces exemples sont plus pertinents lorsque :

• L'espace d'installation est limité.
• La charge utile est relativement légère.
• Une faible masse en mouvement est importante
• La machine est compacte

Voici quelques exemples typiques :

• petits mécanismes d'inspection
• Équipement pour circuits imprimés
• Automatisation de laboratoire
• Dispositifs de positionnement compacts

Le point important est que l'HGH et le MGN ne doivent pas être comparés simplement par leur taille nominale .

Ils sont conçus pour répondre à des exigences mécaniques différentes.

Une meilleure façon de choisir un guide linéaire CNC

Si je devais tester un nouvel axe CNC, je procéderais dans l'ordre suivant :

Étape 1 — Calculer la masse mobile réelle

Inclure le dispositif de fixation, l'outillage, les câbles, le moteur et les autres composants mobiles.

Étape 2 — Calcul des forces d'accélération

Utilisez le profil d'accélération réel plutôt que la charge utile nominale.

Étape 3 — Calcul des moments fléchissants

Examinez le décalage du centre de gravité et les forces extérieures.

Étape 4 — Examinez la disposition du guide

Vérifier:

• Nombre de rails
• Nombre de blocs
• espacement des rails
• Espacement des blocs

Étape 5 — Déterminer la rigidité requise

L'usinage et l'automatisation lourde nécessitent généralement une rigidité supérieure à celle des mécanismes d'inspection légers.

Étape 6 — Sélectionnez le préchargement

Trouver le juste équilibre entre rigidité, résistance à la course et vitesse.

Étape 7 — Vérifier l'environnement

Choisissez les joints, les racleurs, la lubrification et la protection contre la corrosion.

Étape 8 — Vérifier la précision de l'installation

Assurez-vous que la structure de la machine est capable de supporter les performances prévues du guide.

Ce n'est qu'après ces étapes que je finaliserais le modèle de guide.

Le guide linéaire le plus cher n'est pas toujours le meilleur choix.

Une chose que j'ai apprise de la conception de systèmes de mouvement, c'est que le choix des composants consiste rarement à maximiser chaque spécification.

Un guide à capacité de charge extrêmement élevée peut s'avérer inutile sur un axe d'inspection léger.

Un guide miniature peut être compact et peu coûteux, mais il ne convient pas à une table CNC avec un moment de renversement important.

Et un guide de haute précision ne peut pas compenser une base de montage mal usinée.

La meilleure conception est généralement celle où les caractéristiques du guide correspondent aux charges mécaniques réelles.

Conclusion finale

Lors du choix d'un bloc de guidage linéaire pour l'automatisation CNC, ne commencez pas par :

« Quel modèle possède la capacité de charge la plus élevée ? »

Commencez par :

« Que se passe-t-il exactement avec ce guide à chaque cycle de la machine ? »

Examinez la charge, l'accélération, le moment, l'espacement des guides, la précharge, la précision de montage, la contamination et les heures de fonctionnement prévues.

Une fois ces conditions comprises, le choix entre un système de guidage linéaire de type HGH, MGN ou autre devient beaucoup plus simple.

Et surtout, vous évitez une situation courante dans la construction de machines :

Découvrir six mois après la commande que le guide n'avait jamais eu la bonne taille ni la bonne configuration dès le départ.