Backlash (définition initiale : jeu mécanique) est le jeu libre dans un système de transmission mécanique, mesuré comme la distance ou l’angle qu’un composant peut déplacer sans entraîner le composant suivant. Pour les machines-outils CNC, ce phénomène se produit principalement dans les systèmes d’entraînement linéaires (vis à billes, crémaillères) et rotatifs (engrenages, poulies, mandrins).
Plus précisément, ce que nous mesurons ou contrôlons est le décalage de position du composant entraîné par rapport à la position commandée par le système CNC, lors d’un changement de direction de déplacement. Par exemple : si une vis à billes tourne dans le sens horaire pour déplacer la table d’une machine, puis s’arrête et tourne dans le sens anti-horaire, la table ne commencera pas à se déplacer immédiatement dans la nouvelle direction : il y a un petit délai pendant lequel la vis tourne pour éliminer le jeu entre ses filets et ceux de l’écrou. Ce décalage est la backlash.
Il est important de distinguer la backlash du décalage de positionnement (écart entre la position commandée et la position réelle du composant) : la backlash est un composant du décalage de positionnement qui n’apparaît que lors de changements de direction.
La backlash affecte directement la qualité des pièces usinées, la précision des assemblages et les coûts de production, selon le type de machine et l’application :
Précision dimensionnelle et géométrique des pièces Lors de l’usinage de profils fermés (ex: un carré, un cercle) ou de contours qui nécessitent des changements de direction, la backlash crée des décalages de position qui se traduisent par des erreurs dimensionnelles. Par exemple, sur un centre d’usinage vertical GA-DV750 (précision de positionnement 0,003 mm) usinant un carré de 100 mm de côté, une backlash de 0,01 mm sur l’axe X peut entraîner un écart de 0,01 mm sur la longueur du côté opposé, car le changement de direction de l’axe X à la fin du premier côté n’est pas compensé.
Pour les applications de haute précision comme l’usinage de moules ou de pièces aéronautiques, des backlash non compensées peuvent rendre une pièce non conforme.
Précision des assemblages Lorsque des pièces usinées sur différentes machines ou sur différentes axes d’une même machine doivent être assemblées, des variations de backlash peuvent entraîner des écarts d’alignement. Par exemple, sur un centre d’usinage 5 axes GA-FA500, une backlash sur l’axe rotatif A peut entraîner un décalage de l’angle d’une surface usinée, rendant l’assemblage avec une autre pièce impossible sans ajustement.
Coûts de production Des backlash non compensées augmentent le taux de rebuts, nécessitent des opérations de retouche et réduisent la durée de vie des outils. Par exemple, une backlash non compensée sur un centre de perçage et taraudage GA-VT540 (précision de positionnement 0,006 mm) peut entraîner des tarauds cassés lors de changements de direction pendant l’usinage de filetages, augmentant les coûts de remplacement des outils et les temps d’arrêt machine.
La mesure de la backlash sur les machines-outils CNC est réalisée par des méthodes pratiques en atelier, adaptées au type d’axe (linéaire ou rotatif) et à la précision requise :
Méthode du comparateur à cadran (méthode de base) C’est la méthode la plus utilisée en atelier pour sa simplicité. Elle consiste à :
Précision et limites : La précision dépend de la résolution du comparateur : 0,001 mm pour les comparateurs standard, 0,0001 mm pour les comparateurs de haute précision. Cependant, cette méthode est sensible à l’alignement du comparateur et à la rigidité de la machine. Par exemple, sur un centre d’usinage vertical GA-MV856 (précision de positionnement 0,010 mm), cette méthode peut mesurer une backlash de 0,005 mm avec une incertitude de ±0,002 mm.
Méthode du laser interferomètre (méthode de haute précision) Pour des mesures de haute précision, on utilise un laser interferomètre (outil de mesure de déplacement linéaire avec une précision de l’ordre de 0,0001 mm). Cette méthode consiste à :
Précision et limites : Cette méthode permet de mesurer la backlash avec une précision de ±0,0002 mm, mais elle est plus complexe à mettre en œuvre et nécessite un environnement stable (température, vibration). Elle est utilisée pour des machines de haute précision comme le centre d’usinage 5 axes GA-UHD500 (précision de positionnement 0,006 mm).
Pour les axes rotatifs (ex: axes A, B, C des machines 5 axes), la backlash est mesurée en angle, généralement en secondes d’arc (1 seconde d’arc = 1/3600 de degré). Les méthodes utilisées sont similaires à celles des axes linéaires, mais avec des outils adaptés :
La compensation de la backlash est une fonction logicielle du système CNC qui corrige le décalage de position lors de changements de direction. Elle consiste à ajouter ou soustraire la valeur mesurée de la backlash à la position commandée par le système CNC lors d’un changement de direction.
Par exemple, si la backlash mesurée sur l’axe X est de 0,01 mm, le système CNC ajoutera 0,01 mm à la position commandée lors d’un changement de direction de l’axe X, pour compenser le jeu mécanique.
Les valeurs mesurées de la backlash et les compensations associées sont affectées par plusieurs sources d’erreur :
Usure des composants mécaniques La backlash augmente progressivement avec l’usure des composants mécaniques : vis à billes, écrous, engrenages, poulies. Par exemple, une vis à billes d’un centre d’usinage vertical GA-DV750 peut avoir une backlash de 0,003 mm à l’origine, qui augmente à 0,01 mm après 5 ans d’utilisation intensive.
Température La température affecte la dilatation des composants mécaniques, ce qui modifie la backlash. Par exemple, une augmentation de la température de 10°C peut entraîner une dilatation de la vis à billes de 0,01 mm par mètre de longueur, ce qui modifie la valeur de la backlash.
Charge La charge appliquée sur la machine (ex: poids de la pièce, force de coupe) affecte la rigidité des composants mécaniques, ce qui modifie la backlash. Par exemple, une charge de 500 kg sur la table d’un centre d’usinage vertical GA-MV856 (charge maximale 500 kg) peut entraîner une déformation de la table et de la vis à billes, augmentant la backlash de 0,005 mm.
Vitesse de déplacement La vitesse de déplacement affecte la dynamique des composants mécaniques, ce qui modifie la backlash. Par exemple, un déplacement rapide (ex: 36 m/min sur le GA-DV750) peut entraîner des vibrations des composants mécaniques, augmentant la backlash par rapport à un déplacement lent.
La compensation de la backlash a des limites importantes, qu’il est essentiel de connaître pour éviter des erreurs de production :
La compensation ne corrige que la backlash moyenne La compensation de la backlash est basée sur une valeur moyenne mesurée de la backlash. Cependant, la backlash peut varier en fonction de la position sur l’axe, de la température, de la charge et de la vitesse. Par exemple, la backlash sur l’axe X d’un centre d’usinage vertical GA-MV856 peut être de 0,005 mm à la position 0 mm, et de 0,01 mm à la position 800 mm (fin de course de l’axe X). La compensation basée sur la valeur moyenne de 0,0075 mm ne corrigera pas parfaitement la backlash à ces deux positions.
La compensation ne corrige pas d’autres sources d’erreur La compensation de la backlash ne corrige pas d’autres sources d’erreur de positionnement, comme la déformation des composants mécaniques, l’erreur de pas de la vis à billes, l’erreur de positionnement du système de mesure (ex: codeur linéaire) ou les vibrations. Par exemple, une erreur de pas de la vis à billes de 0,002 mm par mètre ne sera pas corrigée par la compensation de la backlash.
La compensation ne fonctionne pas pour les déplacements très lents ou très rapides La compensation de la backlash est optimisée pour des vitesses de déplacement typiques. Pour des déplacements très lents (ex: 1 m/min) ou très rapides (ex: 110 m/min sur le centre d’usinage 5 axes GA-FMB3020D), la dynamique des composants mécaniques change, et la compensation ne sera pas aussi efficace.
La compensation ne corrige pas la backlash des axes rotatifs pour des angles grands Pour les axes rotatifs, la compensation de la backlash est généralement mesurée pour des changements de direction de petits angles (ex: 10 degrés). Pour des changements de direction de grands angles (ex: 180 degrés), la backlash peut être différente, et la compensation ne sera pas efficace.
Risque de sur-compensation Si la valeur de la backlash utilisée pour la compensation est trop élevée, la compensation peut entraîner un décalage de position dans la direction opposée. Par exemple, si la backlash mesurée est de 0,01 mm, mais que la valeur utilisée pour la compensation est de 0,02 mm, le système CNC ajoutera 0,02 mm à la position commandée lors d’un changement de direction, entraînant un décalage de 0,01 mm dans la nouvelle direction.
| Méthode de mesure | Précision | Effort de mise en œuvre | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| Comparateur à cadran (0,001 mm) | ±0,002 mm | Faible (10-15 min par axe) | Maintenance préventive, ajustements en atelier |
| Comparateur à cadran (0,0001 mm) | ±0,0005 mm | Moyen (20-30 min par axe) | Machines de précision, ajustements de production |
| Laser interferomètre (linéaire) | ±0,0002 mm | Élevé (1-2 heures par axe) | Calibration initiale, machines de haute précision |
| Laser interferomètre (rotatif) | ±0,1 seconde d’arc | Élevé (2-3 heures par axe) | Machines 5 axes, applications de haute précision |
Pour appliquer la compensation de la backlash correctement, suivez cette checklist :
Quelle est la valeur acceptable de la backlash pour une machine CNC ? La valeur acceptable dépend de la précision de la machine et de l’application. Par exemple, pour un centre d’usinage vertical GA-DV750 (précision de positionnement 0,003 mm), une backlash de 0,002-0,005 mm est acceptable. Pour un centre d’usinage 5 axes GA-UHD500 (précision de positionnement 0,006 mm), une backlash de 0,001-0,003 mm est acceptable.
La compensation de la backlash est-elle nécessaire pour toutes les applications ? Non. Pour des applications de faible précision (ex: usinage de pièces de structure avec des tolérances de 0,1 mm ou plus), la compensation de la backlash peut ne pas être nécessaire. Pour des applications de haute précision (ex: usinage de moules, pièces aéronautiques), la compensation est essentielle.
Comment savoir si la compensation de la backlash est efficace ? Vous pouvez vérifier l’efficacité de la compensation en usinant une pièce test (ex: un carré de 100 mm de côté) et en mesurant ses dimensions. Si la différence entre les dimensions mesurées et les dimensions commandées est inférieure à la précision de la machine, la compensation est efficace.
La compensation de la backlash affecte-t-elle la durée de vie des composants mécaniques ? Non. La compensation de la backlash est une fonction logicielle qui ne modifie pas les composants mécaniques. Elle corrige seulement le décalage de position lors de changements de direction.
Est-ce que toutes les machines CNC ont une fonction de compensation de la backlash ? Oui. Toutes les machines CNC modernes ont une fonction de compensation de la backlash intégrée dans leur système CNC. Cependant, la qualité de la compensation dépend du système CNC et de la précision de la mesure de la backlash.
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