Au sujet des vis...

Les vis sont abondamment utilisées dans nos machines. Celles affectées à la translation des axes occupent une place particulière...

Dans les technologies utilisées pour convertir un mouvement rotatif en mouvement linéaire, il y a les vis. Ce composant permet, avec plus ou moins de précision, de déplacer un élément le long d’un système de guidage.

2 types de conceptions s’affrontent: les vis mécaniques à friction et les vis à billes.

Les vis à billes ont l’avantage d’avoir un grand rendement (entre 90% et 98%) ce qui limite considérablement les efforts nécessaires à leurs rotations. Elles ont aussi l’avantage d’avoir un jeu de fonctionnement réduit, ce qui permet de limiter les pertes dimensionnelles des impressions engendrées par l’inversion de mouvements (trous plus petits par exemple).
Elles ont malheureusement leurs défauts, surtout quand elles sont utilisées dans nos machines.

Le premier est leur prix prohibitif par rapport à ses cousines à friction.

Ensuite, elles ont une mise en oeuvre plus difficile, car elle nécessite des usinages aux extrémités pour recevoir des paliers de positionnement.

La noix (écrou) est volumineuse, et ne doit pas sortir de la vis au risque de devoir courir après les billes.
Elles sont à utiliser de préférence sur des éléments statiques pour limiter les effets négatifs liés à leur inertie. Dans le cas contraire, même si tous les axes sont équipés de vis à billes, leur mise en mouvement nécessitera une structure suffisamment rigide.
On peut noter aussi, du fait de la taille des billes, que le pas minimal disponible et supérieur à celui de vis à friction, ce qui réduit potentiellement la précision de déplacement que l’on peut obtenir.
Dans nos imprimantes, elle est le plus souvent utilisée pour déplacer l’axe Z. Dans ce cas, l’effet pervers de leur faible coefficient de frottement réside dans le fait qu’une fois les moteurs désactivés, le plateau a toutes les chances de descendre par gravité.
Grâce à leur précision géométrique, elles sont parfois utilisées comme guidage conjointement à leur fonction de déplacement. Cela peut éventuellement être envisageable. Par contre, positionner 2 vis, voire 3, en respectant les distances, le parallélisme et la perpendicularité entre elles n’est pas chose aisée, d’autant que contrairement à un guidage, elles sont en rotation. Dans ces conditions, tous les défauts de positionnements et d’excentricités se répercutent sur l’impression.

Attardons-nous maintenant sur les vis à friction.
Utilisées dans nos imprimantes pour le déplacement de l’axe Z, elles se divisent généralement en 2 types: la vis au profil triangulaire ISO (tige filetée) et la vis au profil droit (version simplifiée du profil trapézoïdal).

 

La tige filetée à l’avantage d’avoir un coût réduit et une facilité de mise en oeuvre (coupe à longueur, perçage…). Elle apporte une bonne précision de positionnement à condition de rattraper le jeu entre l’écrou et la vis, ce qui est généralement le cas pour l’axe Z, car le poids du plateau assure cette fonction. Son utilisation nécessite par contre une bonne précision d’alignement pour éviter des frictions trop importantes (rendement <50%).

Si la vis n’a pas un positionnement parallèle au guidage, les efforts générés peuvent considérablement contrarier la puissance du moteur. Pour réduire les efforts, il faut privilégier les couples de matériaux dont le coefficient de frottement est réduit, par exemple: inox / inox ou inox / bronze.
Il faut aussi veiller à contrôler la rectitude de la tige filetée que vous souhaitez utiliser, car leur état qualitatif varie beaucoup, puisqu'elles sont destinées à l'assemblage.

Pour absorber des défauts d’alignement, il y a la possibilité d’utiliser un accouplement souple entre moteur et vis, mais attention, car ils se comportent comme un ressort. Veillez donc à avoir un contact physique entre la vis et l’axe moteur pour empêcher les dérives d’élasticité quand ils travaillent en pression. En traction, un effort peut allonger l’accouplement et donc engendrer une dérive de positionnement.
Il faut noter aussi que le diamètre extérieur des tiges filetées est toujours plus petit de quelques dixièmes de millimètres par rapport à sa cote nominale. Cela occasionne souvent des problèmes de serrage et de concentricité, car le trou de positionnement de l’accouplement est précis.


Les vis à profils ISO ont un pas plus réduit que les vis à billes, ce qui diminue la vitesse de translation, mais augmente la précision de déplacement. Par exemple, pour une vis M8, le déplacement pour 1 rotation complète est de 1,25mm. La précision dans ce cas, avec un moteur de 200 pas contrôlé par un pilote générant 16 micros pas, est de: (1,25/(200x16) = 0,0004 mm. Même si ce niveau de précision n’est pas nécessaire, il est parfois intéressant d’utiliser un driver comme le DRV8825 (qui offre 32 micros pas), car il délivre un courant plus important. Cela permet d’optimiser la puissance des moteurs, surtout quand ils sont 2 à être alimentés par un seul pilote (ce qui est fréquent). Dans ce cas le couple est presque divisé par 2.

Pour récupérer de la vitesse tout en conservant le couple, pensez à réduire le nombre de pas en agissant sur les switchs / cavaliers sur la carte. La précision dans ce cas décroît proportionnellement à la diminution des pas. Le gain de vitesse lui n'est pas toujours proportionnel, car il dépend du moteur utilisé, des composants et des réglages. Pour déterminer la vitesse la plus importante disponible pour chaque palier, quelques tests sont donc nécessaires.

La précision perdue avec cette réduction de pas n’aura aucun impact sur la qualité d’impression si elle reste en dessous de 0,01mm, valeur qui ne sera jamais atteinte avec une tige filetée M8 par exemple.

 

Les vis à profil droit, elles, sont des versions simplifiées des vis à profil trapézoïdal (il est plus facile de maîtriser les cotes sur des dents parallèles que sur des dents en angles). Ces vis sont normalement dédiées au transfert de charges importantes, ce qui n’est pas justifié pour nos imprimantes. Alors, pourquoi les utiliser?
Bien qu’étant plus chères que les tiges filetées, elles offrent quelques avantages par rapport à cette dernière:

Une meilleure rectitude.

Elles disposent d’un écrou (noix) plus long, souvent en laiton, qui est plus facile à fixer qu’un simple écrou.
Leur denture, au sommet plat, garantit une qualité dimensionnelle du diamètre. Cela permet un meilleur centrage avec les accouplements élastiques et les roulements.
Elles offrent aussi un choix de pas allant généralement de 2mm à 8mm.
Attention, il faut toujours avoir à l’esprit que plus le pas est important, plus le couple moteur nécessaire à la rotation l’est aussi. Il est donc inutile de prendre une valeur importante si vous devez ensuite réduire la vitesse pour permettre au moteur de faire tourner la vis.
Prenez aussi en compte qu’avec un pas important, le plateau risque de descendre quand les moteurs sont désactivés.


Pour ceux qui en auraient besoin pour optimiser la vitesse de l'axe Z, voici un petit rappel concernant la modification des micros pas sur les cartes (pensez à adapter les valeurs en conséquence dans le firmware):



Pilote A4988

M0 M1 M2 Résolution du micro pas
0 0  0  Pas complet (valeur moteur)
1 0 0 1/2 pas
0 1 0 1/4 de pas
1 1 0 1/8 de pas
1 1 1 1/16 de pas

Pilote DRV8825

M0 M1 M2 Résolution du micro pas
0 0  0  Pas complet (valeur moteur)
1 0 0 1/2 pas
0 1 0 1/4 de pas
1 1 0 1/8 de pas
0 0 1 1/16 de pas
1 0 1 1/32 de pas
0 1 1 1/32 de pas
1 1 1 1/32 de pas



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