Précharge du guide linéaire : pourquoi votre axe CNC semble difficile à manipuler après l’installation

J'ai reçu un appel il y a quelque temps d'un constructeur de machines persuadé que ses guides linéaires avaient une précharge incorrecte. Les chariots semblaient fluides à la réception, mais après avoir boulonné les rails à la base, l'un d'eux s'est avéré nettement plus dur.

Il voulait rendre les guides.

Ce n'était pas la première fois que je voyais ça. Et dans la plupart des cas, le préchargement n'était pas le véritable problème.

Mais le préchargement a son importance. Simplement, son importance diffère de ce que beaucoup de gens imaginent.

La précharge n'est pas un réglage de serrage

Dans un catalogue de systèmes de guidage linéaire, la précharge est généralement présentée sous forme de classes : précharge légère, précharge moyenne, précharge forte. On peut facilement interpréter cela comme « la sensation de fermeté du chariot ».

Ce n'est pas tout à fait exact.

La précharge est la force interne appliquée aux éléments roulants à l'intérieur du wagon pour qu'ils restent en contact avec les chemins de roulement. Elle supprime le jeu interne. L'objectif est d'empêcher le wagon de se déplacer légèrement lorsque la direction de la charge change.

Un axe de machine CNC nécessite ce type de réglage. Si la charge s'inverse pendant la coupe, il faut éviter que le chariot ne se déplace intérieurement avant que la force de coupe ne soit transmise au rail.

Mais si la précharge est trop élevée, les éléments roulants sont pressés plus fortement contre les chemins de roulement que nécessaire. Cela crée un frottement excessif. Sur un axe à grande vitesse, ce frottement se transforme en chaleur. Sur un axe à basse vitesse, cela peut se traduire par un mouvement saccadé ou une augmentation du courant d'asservissement.

La vraie question n'est donc pas « dois-je utiliser plus de précharge ? » mais « de quoi cet axe a-t-il réellement besoin ? »

Quand une précharge plus élevée est utile

Un centre d'usinage lourd en est un bon exemple. Le chariot sur l'axe X peut supporter un dispositif de fixation, une pièce à usiner et des forces de coupe qui changent constamment de direction.

Dans ce cas, une précharge moyenne ou élevée peut s'avérer utile car elle réduit les mouvements internes et confère à l'axe un comportement mécanique plus constant sous charge. Le frottement supplémentaire est généralement acceptable car l'axe ne fonctionne pas à grande vitesse en permanence.

Il en va de même pour les axes soumis à des moments de renversement importants. Si la charge utile est montée loin du chariot, le guide doit résister à un moment, et non seulement à une force verticale descendante. Une précharge plus élevée peut contribuer à la stabilité du chariot.

Mais même dans ce cas, on ne passe pas automatiquement à la précharge maximale disponible. On vérifie d'abord si le guide est adapté à l'instant précis, si la surface de montage est suffisamment rigide et si la vitesse est suffisamment faible pour que le frottement supplémentaire n'entraîne pas de problèmes thermiques.

Quand une précharge élevée fait mal

J'ai également vu le cas inverse : un axe de transfert léger spécifié avec une précharge importante parce que quelqu'un pensait que cela améliorerait la précision.

L'axe se déplaçait rapidement, parfois à plus de 60 cycles par minute. Après quelques heures, le courant du moteur commençait à augmenter. Le guide chauffait. La précision du positionnement diminuait, au lieu de s'améliorer.

Le problème ne venait pas du réglage du servo. C'était le guide qui luttait contre lui-même.

Dans ce type d'application, la charge utile est légère, la vitesse élevée et les forces de coupe externes quasi nulles. Il est donc inutile de surcharger la machine en frottements pour obtenir une rigidité superflue.

Si le chariot nécessite plus de force pour se déplacer, le moteur doit fournir plus d'efforts. Le servomoteur interprète cela comme une charge supplémentaire. Le guide génère davantage de chaleur. La lubrification se dégrade plus rapidement. Tout cela nuit au bon fonctionnement de la machine.

Avant de choisir le préchargement, je pose généralement quelques questions de base :

• L'axe effectue-t-il une découpe ou se contente-t-il de transférer des pièces ?

• À quelle vitesse court-il ?

• La charge est-elle principalement verticale ou est-elle décalée sur le côté ?

• Combien de temps fonctionne-t-il en continu ?

Cela offre un meilleur point de départ que de consulter une classe préchargée dans un catalogue.

Le piège à erreurs d'installation

Revenons-en maintenant au constructeur de machines et à son chariot serré.

Je lui ai demandé : « Avez-vous vérifié le rail avant de le boulonner ? »

Il l'avait fait. Le wagon se déplaçait librement sur le rail avant l'installation.

J'ai alors demandé : « Avez-vous vérifié la surface de montage ? »

Il ne l'avait pas fait.

C'est une étape souvent négligée. Un rail de guidage linéaire n'est pas une barre rigide. Si la surface de montage n'est pas plane, le rail épousera cette irrégularité lors du serrage des boulons. Il peut paraître droit, mais présenter une légère ondulation ou torsion.

Le wagon ne se rend pas compte que le rail présente une surface irrégulière. Il perçoit simplement la variation de résistance au fur et à mesure de son déplacement.

Si la base est une structure soudée ou une plaque d'aluminium mal usinée, le rail peut se déformer suffisamment pour modifier le comportement du chariot. Dans certains cas, le chariot se déplacera sans à-coups au milieu de sa course, mais présentera une résistance en fin de course. C'est un signe typique d'un problème d'installation, et non de précharge.

Avant de modifier le guide, je vérifie :

• La surface de montage est-elle plane, conformément aux tolérances du fabricant du guide ?

• Les deux rails sont-ils parallèles ?

• L'épaule de référence est-elle droite ?

• Les boulons sont-ils serrés dans le bon ordre ?

• Y a-t-il des débris ou des bavures sous le rail ?

Vous seriez surpris de voir à quelle fréquence un petit grain de poussière sous la rambarde provoque un passage étroit.

Un contrôle rapide que vous pouvez effectuer sans instruments

Si vous mettez en service une machine et que le chariot vous semble difficile à manœuvrer, il existe une séquence simple que j'utilise.

Avant de serrer complètement le rail, déplacez d'abord le chariot à la main le long de celui-ci. Si le déplacement est fluide, notez la sensation.

Serrez ensuite les boulons du rail au couple prescrit, en commençant par l'épaulement de référence et en progressant vers l'extérieur. Déplacez à nouveau le chariot.

Si la résistance change radicalement après la fixation du rail, je ne soupçonnerais pas d'abord la précharge, mais plutôt la géométrie de montage.

Si la résistance est lisse à une extrémité et ferme à l'autre, il est encore plus probable qu'il s'agisse d'un problème d'alignement.

Si le chariot semble rigide partout, vous pouvez commencer à vous demander si la précharge est trop élevée pour l'application.

Cela ne remplace pas une mesure précise, mais cela vous aide à décider dans quelle direction regarder en premier.

Le préchargement et le réglage des servos sont liés.

Il arrive souvent qu'un problème mécanique soit masqué par le réglage du servomoteur.

Si l'axe présente un frottement important, le servomoteur peut nécessiter un courant plus élevé pour démarrer. À basse vitesse, le mouvement peut devenir irrégulier. Un ingénieur en contrôle-commande peut compenser ce phénomène en augmentant les gains ou en modifiant les paramètres d'anticipation.

Parfois, ça fonctionne. Mais si le chariot traîne physiquement, le système de commande ne fait que contourner un défaut mécanique.

J'ai vu des machines où les paramètres du servomoteur étaient tellement ajustés que l'axe semblait fonctionner correctement lors des tests, mais le guide chauffait après quelques heures de production. La dilatation thermique engendrait alors davantage de frottements, et la machine commençait à se dérégler.

La meilleure solution consiste à régler d'abord la partie mécanique. Si le guide se déplace librement et de manière constante, le réglage du servomoteur devient beaucoup plus simple.

Cela signifie vérifier la précharge, l'alignement, la lubrification et la contamination avant d'effectuer des modifications de commande.

La chaleur, c'est ce que les gens oublient.

Le frottement dans un guide linéaire ne reste pas confiné au guide. Il se transforme en chaleur.

Sur un axe court fonctionnant par intermittence, cette chaleur n'aurait peut-être pas d'importance. Mais sur une machine CNC à grande course fonctionnant en continu, elle peut devenir un véritable problème.

Le guide, la vis à billes et la structure de la machine chauffent. Chacun de ces éléments se déforme légèrement en longueur, mais pas à la même vitesse. Par conséquent, la position que le servomoteur détecte peut ne pas correspondre à la position réelle de l'outil.

C'est pourquoi je ne considère pas la précharge comme une spécification isolée. Je la prends en compte conjointement avec la vitesse, le rapport cyclique, la lubrification et le comportement thermique de l'ensemble de l'axe.

Un guide avec une précharge importante peut sembler une bonne idée sur le papier, mais s'il génère suffisamment de chaleur pour déplacer la structure de la machine, il peut finir par nuire à la précision plus qu'il ne l'améliore.

Comment je choisis le préchargement en pratique

Je commence rarement par choisir une classe de préchargement.

Je commence par le chargement.

• Quelle est la masse en mouvement ?

• Où se situe le centre de gravité ?

• Des forces extérieures sont-elles présentes lors de la découpe ou de la manipulation ?

• Quelles sont l'accélération et la décélération ?

• Existe-t-il un bras de levier ?

Ensuite, j'examine la rigidité requise. Un axe d'usinage et un axe de prélèvement et de placement à grande vitesse nécessitent des caractéristiques différentes.

Ensuite, je m'intéresse à l'aspect thermique. Si l'axe fonctionne en continu, je veux limiter les frottements pour éviter tout problème de surchauffe.

Ce n'est qu'après avoir suivi ces étapes que je consulte le catalogue des guides et que je décide si une précharge légère, moyenne ou forte est appropriée.

L'ordre est important. Il est facile de se retrouver bloqué sur une spécification dès le départ et d'essayer ensuite de faire en sorte que le reste de la machine s'y adapte.

Une simple comparaison

Prenez deux machines.

Le premier est un centre d'usinage à commande numérique (CNC). L'axe X supporte un dispositif de fixation lourd et une pièce à usiner. Il accélère fréquemment, mais à une vitesse modérée. Les forces de coupe changent de direction. Le guidage doit être rigide.

Dans ce cas, une précharge moyenne ou importante est souvent justifiée.

La seconde machine est un chargeur portique à grande vitesse. Le chariot se déplace rapidement sur de longues distances, la charge utile est légère et il n'y a pas de forces de coupe importantes. Le cycle de service est élevé.

Dans ce cas, une précharge importante pourrait s'avérer une erreur. Le frottement supplémentaire générerait de la chaleur et nécessiterait un courant moteur plus élevé, sans gain significatif en rigidité.

Les deux machines peuvent utiliser le même guide, mais la précharge doit être différente.

C'est pourquoi un numéro de catalogue seul ne vous apprend pas grand-chose.

Erreurs courantes de préchargement

J'en ai fait quelques-uns moi-même, surtout au début.

La première erreur consiste à croire qu'une précharge plus importante se traduit systématiquement par une meilleure précision. Ce n'est pas le cas. Elle engendre davantage de force interne, de frottement et de chaleur. L'utilité de ces effets dépend de l'application.

La deuxième erreur consiste à choisir la précharge en se basant uniquement sur la charge utile. La vitesse, l'accélération, le couple et le rapport cyclique sont tout aussi importants.

La troisième erreur consiste à incriminer la précharge alors que le rail est mal aligné. Si un chariot semble difficile à manœuvrer après l'installation, la géométrie de montage est généralement le premier élément à vérifier.

La quatrième erreur consiste à utiliser le réglage des servos pour masquer un problème mécanique. Une modification de la commande ne peut pas corriger un rail tordu ou un chariot qui frotte.

La cinquième erreur consiste à négliger la chaleur. Sur un axe de grande course, le frottement dû à la précharge peut devenir une source d'erreur de position plus importante que le jeu interne qu'elle était censée éliminer.

La sixième erreur consiste à considérer la précharge comme une spécification de précision. Ce n'est qu'un facteur parmi d'autres au sein du système global. Un guide à précharge élevée sur une plaque de montage flexible reste un système flexible.

Que vérifier lorsqu'un guide commence à paraître rugueux ?

Si un guide linéaire qui fonctionnait auparavant sans à-coups commence à présenter un comportement différent, je ne remplace pas immédiatement le chariot.

Je suis une séquence approximative :

Vérifiez d'abord la présence de contaminants. Des copeaux, des résidus de liquide de refroidissement ou des essuie-glaces endommagés peuvent engendrer une forte résistance.

Deuxièmement, vérifiez la lubrification. Un guide sec ou une graisse inadaptée peuvent être bien plus problématiques qu'ils ne le sont réellement.

Troisièmement, examinez la charge du servomoteur. Si la machine enregistre le courant, comparez-le aux valeurs précédentes.

Quatrièmement, faites glisser le chariot sur toute sa course. La résistance est-elle constante ou change-t-elle à un certain point ?

Cinquièmement, vérifiez la fixation du rail. Une résistance variable selon la position indique souvent des problèmes d'alignement ou de surface.

Sixièmement, ce n'est qu'après avoir écarté ces éléments que je prendrais en compte la précharge ou l'usure.

Cette commande permet d'éviter beaucoup de travail inutile. On a vite fait de penser que le guide est usé alors que le problème vient en réalité d'un copeau coincé sous un racleur ou d'un rail qui a bougé pendant le transport.

Le préchargement est un paramètre système, et non une spécification autonome.

Au final, je considère la précharge du guidage linéaire comme une partie d'un système mécanique plus vaste.

La précision finale d'un axe CNC dépend du guidage, de la vis à billes, des surfaces de montage, de la structure de la machine, du comportement thermique et de la commande servo, tous fonctionnant de concert.

Si l'un de ces éléments est faible, aucune précharge ne pourra y remédier.

Un guide très rigide sur une base fragile finira par fléchir. Un chariot fortement précontraint sur un rail mal aligné se bloquera. Et un guide parfait ne peut compenser l'usure d'une vis à billes.

C'est pourquoi je ne recommande pas de choisir la précharge isolément. Il faut considérer l'axe dans son ensemble.

À retenir

La précharge du guide linéaire est importante, mais elle est souvent mal comprise.

Il ne s'agit pas d'un réglage de serrage. Il ne s'agit pas d'un raccourci vers la précision. Il s'agit d'un équilibre entre rigidité et résistance au roulement.

Une précharge insuffisante peut entraîner des mouvements internes et réduire la rigidité sous charge. Une précharge excessive peut augmenter la friction, la chaleur et le courant du moteur.

Et lorsqu'un chariot semble difficile à manœuvrer, il ne faut pas toujours incriminer le guide lui-même. Souvent, le problème vient de la surface de montage, de l'alignement, ou d'un simple problème de contamination.

La prochaine fois qu'un axe se comporte différemment, ne modifiez pas immédiatement la précharge. Commencez par déplacer le chariot. Vérifiez le rail. Observez la charge du servomoteur. Ensuite, déterminez la cause du problème.

C'est le genre de vérification qui prend dix minutes et qui peut vous éviter de changer un guide qui n'était jamais la cause du problème.