Quand le système à crémaillère et pignon l'emporte sur les vis à billes et les moteurs linéaires pour les axes à grande course

Un système composé d'un réducteur, d'un pignon et d'une crémaillère assure le 7e axe, c'est-à-dire le déplacement latéral, d'un robot articulé. (Image : GAM.)

Déroulez un mètre ruban de quelques pouces : le ruban est rigide. Continuez à le dérouler et, à un certain moment, il commence à fléchir et à vaciller, puis finit par se déformer. C’est un problème que les ingénieurs connaissent bien lorsqu’ils conçoivent des axes à longue course.

Il existe trois méthodes principales pour obtenir un mouvement rectiligne précis dans les machines : le système à crémaillère et pignon, les vis à billes et les moteurs linéaires. Dans cet article, nous verrons dans quels cas le système à crémaillère et pignon est le meilleur choix, et quand d’autres solutions pourraient s’avérer plus adaptées.

Comprendre les trois technologies

Un système à crémaillère et pignon fonctionne grâce à l’engrènement d’un pignon rotatif contre une barre dentée appelée crémaillère. Selon la configuration, soit la crémaillère se déplace tandis que le pignon reste fixe, soit l’ensemble pignon se déplace le long d’une crémaillère fixe.

Une vis à billes fonctionne selon un principe similaire. Il s’agit essentiellement d’une tige filetée de haute précision sur laquelle coulisse un écrou. En faisant tourner la tige, l’écrou se déplace linéairement d’avant en arrière ; en maintenant l’écrou fixe, c’est la tige qui se déplace à sa place.

Un moteur linéaire adopte une approche différente. Imaginez un moteur électrique ouvert et disposé à plat. Une partie contient des aimants permanents et des électroaimants, tandis que la partie mobile comporte des aimants correspondants. Grâce aux signaux d’un servocontrôleur, l’interaction magnétique déplace la charge en ligne droite.

Crémaillère et pignon vs vis à billes

Sur de courtes distances, les crémaillères et pignons et les vis à billes se font concurrence ; en effet, les vis à billes peuvent offrir une plus grande précision. Leur orientation peut également s’intégrer plus facilement dans certaines conceptions de machines, selon la disposition de celles-ci.

Cependant, à l’instar du mètre ruban, la vis à billes présente une longueur (environ 2 à 3 mètres) au-delà de laquelle des problèmes apparaissent, cette distance dépendant de la taille de la vis.

« Lorsque l’on atteint des distances plus longues avec des vis à billes, on observe un phénomène appelé “fouettement” », explique Matt Ruggles, ingénieur concepteur senior chez GAM, un fabricant américain de réducteurs servo et d’autres composants de contrôle de mouvement. « En gros, la vis à billes se transforme en corde à sauter, ce qui peut entraîner toutes sortes de problèmes dans votre système : usure prématurée, vibrations, voire parfois des défaillances catastrophiques. »

Contrairement aux vis à billes, les systèmes à crémaillère et pignon sont très faciles à adapter en longueur.

« L’avantage, c’est que le système à crémaillère et pignon peut en principe s’adapter à l’infini », explique M. Ruggles. « On peut raccourcir un morceau de crémaillère ou assembler plusieurs morceaux pour obtenir une course beaucoup plus longue. »

Crémaillère et pignon vs moteurs linéaires

Les moteurs linéaires présentent deux avantages principaux : la vitesse et un contrôle de haute précision. Cependant, comme un moteur linéaire repose sur un flux magnétique, la rigidité peut être plus difficile à gérer. Les aimants introduisent également d’autres complications.

« J’ai déjà vu des cas où, lors d’installations, les clés que les techniciens avaient dans leurs poches se magnétisaient », raconte M. Ruggles. « Cela peut être très gênant quand, tout à coup, la montre-bracelet commence à attirer des objets. Cela peut avoir des répercussions sur l’environnement de travail, où des copeaux et autres débris peuvent s’accumuler au fur et à mesure que le système se déplace. »

Les deux technologies peuvent s’adapter à de plus longues distances, mais le coût au mètre de l’extension d’un moteur linéaire est bien plus élevé : les aimants permanents et les électroaimants utilisés sont coûteux, comparés à l’ajout d’une section supplémentaire de crémaillère. Les moteurs linéaires ont également besoin d’une alimentation constante rien que pour maintenir leur position, et leur consommation d’énergie est directement liée à l’intensité de leur force d’avance.

À l’inverse, un système à crémaillère et pignon n’est pas magnétisé. Grâce aux forces de rétro-entraînement, le système maintient sa position dès que le moteur s’arrête, et le frein intégré au moteur se charge du reste sans consommation d’énergie continue. Les composants ont également tendance à être moins onéreux.

« Il faut certes acheter le pignon et la crémaillère, ainsi qu’un réducteur et un moteur en général, mais ce coût combiné est généralement inférieur à celui d’une solution à moteur linéaire », explique M. Ruggles. « On obtient ainsi un système beaucoup plus rigide et des forces d’avance bien supérieures, tout en bénéficiant d’un coût, d’un encombrement et d’une consommation d’énergie réduits. »

Le système à crémaillère et pignon présente toutefois une limite dans un environnement particulier : les salles blanches. Les dents des engrenages ont besoin d’être lubrifiées pour fonctionner correctement, ce qui implique la présence de graisse exposée à l’environnement. Ce problème peut être atténué à l’aide de capots, de joints d’étanchéité et d’un choix judicieux de lubrifiant, mais cela ajoute à la complexité du système.

Les vis à billes présentent le même problème, bien qu’elles puissent être protégées par des soufflets ou des solutions similaires. Les moteurs linéaires ne comportent aucune pièce mobile exposée ; il n’y a donc rien à étanchéifier ni à recouvrir, ce qui en fait la solution la mieux adaptée aux environnements de salles blanches, comme ceux de l’industrie médicale ou de la fabrication de semi-conducteurs.

GAM commercialise des crémaillères sous forme de barres standard d’un mètre pouvant être assemblées entre elles, et peut également découper les crémaillères à des longueurs plus courtes. Des barres plus longues sont disponibles sur commande spéciale. Pour les ingénieurs chargés de la sélection des composants, l’équipe de GAM peut les aider à identifier les composants et les quantités adaptés afin de répondre aux exigences de chaque application.

« C’est le genre de situation où l’on récolte ce que l’on sème », explique M. Ruggles. « Si vous prenez votre temps et que vous procédez à une installation précise et soignée, vous obtiendrez un système à crémaillère et pignon, une vis à billes, etc. fonctionnant parfaitement. Si vous assemblez les éléments à la va-vite, vous risquez de rencontrer des problèmes. »

Pour en savoir plus sur les crémaillères et pignons, rendez-vous sur le site de GAM.