Le retour en arrière se produit lorsqu’une force externe ou une masse en mouvement entraîne en retour un entraînement linéaire. Le mouvement ne provient alors pas du moteur, mais de la charge elle-même. Ce phénomène se produit régulièrement, en particulier sur les axes verticaux et avec les vis à billes à haut rendement. Sous l’effet de la gravité, la masse peut provoquer un mouvement dès que le couple moteur disparaît. Mais quels facteurs déterminent le backdriving et comment en tenir compte lors de la conception ? Nous vous l’expliquons dans l’article ci-dessous.
Qu’est-ce que le retour en arrière (backdriving) ?
Lors d’un retour en arrière (backdriving), un entraînement linéaire est entraîné en retour par la charge. Une force axiale externe met par exemple en mouvement l’écrou d’une vis. Ce mouvement linéaire entraîne ensuite la rotation de la vis ou de l’arbre moteur. Le sens normal de transmission des forces dans la chaîne d’entraînement est ainsi inversé.
Un exemple bien connu est celui d’un axe vertical équipé d’une vis à billes. Lorsque le couple moteur disparaît, la masse présente sur le chariot continue d’exercer une force vers le bas. En raison du rendement élevé et des frottements internes relativement faibles d’une vis à billes, cette force peut être suffisante pour provoquer un retour en arrière.
La sensibilité au backdriving n’est donc pas uniquement une caractéristique de la vis. C’est l’ensemble formé par l’entraînement, la charge, la transmission, la construction et la direction du mouvement qui détermine la réaction du système.
Backdriving et backlash
Les termes backdriving et backlash sont régulièrement utilisés dans le même contexte. Ils décrivent pourtant deux phénomènes différents. Le backlash correspond à un jeu qui devient visible lors d’un changement de direction du mouvement. Le moteur peut par exemple déjà commencer à tourner dans le sens inverse alors que le chariot est encore immobile. Le jeu mécanique présent doit d’abord être rattrapé. Ce n’est qu’ensuite que le déplacement réel du chariot commence.
Ce jeu peut apparaître à différents endroits. Il peut notamment se situer dans l’ensemble vis-écrou, les engrenages, les entraînements par courroie, les accouplements ou les guidages linéaires. L’usure, une précharge incorrecte et un mauvais alignement peuvent également influencer le comportement du mouvement.
Par ailleurs, tout retard lors d’un changement de direction ne correspond pas nécessairement à un véritable jeu mécanique. Un accouplement flexible, une courroie ou une structure peut d’abord se déformer élastiquement avant que le mouvement ne devienne visible à la sortie.
Le backdriving concerne donc un autre phénomène. Dans ce cas, l’entraînement est entraîné en retour par la charge elle-même. Une vis à billes préchargée peut réduire le jeu axial, mais cela n’empêche pas automatiquement une force externe de mettre l’entraînement en mouvement.
Une quantité limitée de backlash ne constitue d’ailleurs pas toujours un problème. Lorsque la précision de positionnement est moins critique et que le mouvement s’effectue principalement dans une seule direction, une quantité de jeu prévisible peut être acceptable. Dans les applications comportant de nombreux changements de direction et des exigences élevées en matière de positionnement, ce même jeu devient beaucoup plus important.
Quels facteurs déterminent la sensibilité au retour en arrière ?
Le fait qu’un entraînement soit réellement entraîné en retour dépend de plusieurs caractéristiques techniques.
- Rapport de transmission. Une réduction mécanique plus élevée rend généralement le backdriving plus difficile.
- Pas de la vis. Un pas important est généralement plus sensible à l’entraînement en retour qu’un pas plus fin.
- Rendement de l’entraînement. Une vis à billes efficace présente relativement peu de pertes. Une charge externe peut donc plus facilement mettre l’entraînement en mouvement.
- Force externe et masse. Plus la force axiale ou la masse est importante, plus la force disponible pour vaincre les résistances dans l’entraînement est élevée.
- Orientation de l’axe. Sur un axe vertical, la gravité agit directement sur la masse en mouvement.
- Dynamique et état du système. L’accélération, l’énergie stockée, l’élasticité, l’usure et les variations de frottement influencent le comportement tout au long de la durée de vie.
Le frottement nécessite ici une certaine nuance. Un frottement plus important peut limiter le retour en arrière, mais cette résistance n’est pas toujours constante. La lubrification, la température, l’usure et l’état des composants peuvent modifier le comportement.
Le frottement ne constitue donc pas, à lui seul, une méthode fiable pour maintenir en position un axe fortement chargé ou vertical.
Retour en arrière vertical et horizontal
Sur un axe vertical, la gravité reste présente même lorsque le moteur ne fournit plus de couple. Une charge peut donc, après l’arrêt, une coupure de courant ou une défaillance, entraîner l’entraînement en retour. Le chariot peut alors se déplacer vers le bas tandis que la vis est entraînée par la charge.
Cela ne signifie pas que chaque axe vertical à vis descendra automatiquement. Le comportement réel dépend notamment de la masse, du pas de la vis, du rapport de transmission, des résistances internes et des dispositifs de maintien présents. C’est précisément cette combinaison qui rend important le fait de ne pas se fier à une seule caractéristique d’un composant. Sur un axe où un retour en arrière peut entraîner un mouvement indésirable, un frein moteur, un verrouillage mécanique ou un autre dispositif de maintien peut être nécessaire.
Le backdriving ne concerne d’ailleurs pas uniquement une charge immobile. Une masse en mouvement possède de l’énergie cinétique. Lorsqu’un entraînement est désactivé ou s’arrête brutalement, cette énergie peut encore provoquer un mouvement. Les éléments élastiques ajoutent un second effet. Les accouplements, les courroies et les éléments de structure peuvent se déformer sous charge et emmagasiner de l’énergie. Lorsque la charge change, cette énergie peut ensuite être libérée.
Le comportement d’un système d’entraînement peut donc être plus complexe que la simple question de savoir si une vis peut ou non être entraînée en retour.
Quelles sont les conséquences d’un retour en arrière indésirable ?
Un retour en arrière involontaire peut signifier qu’un axe perd sa position dès que le moteur n’est plus activement commandé. Dans le cas d’une charge verticale, le chariot peut descendre. Selon la machine, cela peut entraîner des collisions, des dommages au produit ou à l’outil, ou encore un mouvement indésirable pendant les opérations de maintenance.
Les conséquences dynamiques méritent également une attention particulière. Lorsqu’un jeu est présent et qu’il est soudainement rattrapé, des claquements, des vibrations et des charges de choc peuvent apparaître. Ces phénomènes sont techniquement davantage liés au backlash, mais ils peuvent, en combinaison avec le backdriving, influencer le comportement de l’ensemble de l’axe. Sur les axes servo-commandés, un écart peut également apparaître entre ce que la commande prévoit et ce qui se passe réellement sur le plan mécanique. Le moteur peut par exemple déjà réagir alors que la sortie ne bouge pas encore. En particulier pour les positionnements précis, la différence entre la position du moteur et la position réelle est donc importante.
Lorsque des mouvements inattendus peuvent avoir des conséquences pour les personnes, la fonction de sécurité complète doit être évaluée séparément. La commande normale du moteur n’est alors pas nécessairement suffisante à elle seule.
Comment limiter le backdriving ?
Le backdriving peut être limité au mieux en adaptant correctement l’entraînement à la charge. Le pas de la vis, le rapport de transmission et la masse des éléments mobiles influencent particulièrement la sensibilité au retour en arrière. Ce point mérite une attention supplémentaire sur les axes verticaux. Un frein moteur ou un autre dispositif de maintien peut être nécessaire afin d’éviter que la charge ne se mette involontairement en mouvement après l’arrêt ou une coupure de courant.
La solution la plus adaptée dépend de la configuration complète de l’entraînement. LM Systems peut vous conseiller sur le choix de la vis à billes appropriée ainsi que des composants correspondants pour votre application linéaire. Pour cela, prenez contact avec nous.