Les techniques économiques de compensation du désalignement permettent d'éviter la surcharge des roulements et la défaillance prématurée du portique.

Outils d'alignement de portique

Lors de la construction d'un système de portique, les fabricants de systèmes de positionnement utilisent généralement des outils d'alignement spéciaux pendant le processus d'assemblage afin de garantir le respect des spécifications en matière de force, de précision et de durée de vie.

Les interféromètres laser sont fréquemment utilisés pour l'alignement de machines avec une précision de l'ordre du micron et de la seconde d'arc. Par exemple, un interféromètre laser de Renishaw permet de contrôler la planéité, la rectitude et l'équerrage des rails de portique.

D'autres outils, comme les lasers d'alignement Hamar, utilisent des faisceaux laser rotatifs comme plans de référence précis dans l'espace, avec des capteurs placés sur le chariot mobile. Le réglage des vis de nivellement des rails, ou l'insertion de cales sous les rails, permet d'orienter le rail ou la platine selon l'orientation souhaitée. Le nivellement des rails avec une grande précision peut prendre plusieurs jours, voire plusieurs semaines, selon le niveau de précision requis, la taille et la configuration de la machine.

Pour les alignements nécessitant une précision moindre, divers composants mécaniques sont utilisés, notamment des niveaux électroniques, des comparateurs à cadran, des règles et des parallélépipèdes. Grâce à ces outils, les techniciens alignent le rail principal à l'aide d'un comparateur à cadran contre une surface de montage de précision ou une règle. Une fois le premier rail serré à la précision requise, un coulisseau est mis en place pendant que les boulons du second rail flottant sont serrés, toujours à l'aide d'un comparateur à cadran ou d'un coulisseau.

Quelle que soit la méthode d'alignement, il est impératif de garantir qu'un défaut d'alignement résiduel n'exerce pas de forces sur les rails de la platine, ce qui pourrait entraîner une durée de vie réduite ou une défaillance catastrophique.

Les systèmes à portique, parfois appelés robots cartésiens, sont des systèmes de positionnement idéaux pour les lignes de transfert automatisées. Dans ce type de processus de fabrication, un convoyeur continu ou indexé transfère les pièces d'une station à portique à une autre. Chaque station à portique, le long de la ligne de convoyage, manipule un outil par rapport à une pièce pour réaliser des opérations de fabrication telles que l'usinage, le collage, l'assemblage, le contrôle, l'impression ou le conditionnement. Les portiques sont couramment utilisés pour le positionnement des produits sur les lignes de transfert automatisées.

Il est clair que la fiabilité de chaque machine d'une ligne de transfert doit être extrêmement élevée afin de minimiser les temps d'arrêt, car l'arrêt d'une seule machine peut immobiliser l'ensemble de la ligne, engendrant des coûts importants. De plus, les portiques comprennent de nombreux éléments critiques, tels qu'un contrôleur, un amplificateur, un moteur, un accouplement, un actionneur (vis à billes, courroie ou moteur linéaire), des rails, un chariot, une base, des butées, un codeur et des câbles. La fiabilité de l'ensemble du système de portique correspond à la somme statistique des fiabilités de tous ses composants.

Pour une fiabilité système élevée, chaque composant doit être dimensionné de manière à ce que sa charge en fonctionnement ne dépasse pas ses valeurs nominales. Si le dimensionnement de chaque composant peut constituer une tâche d'ingénierie relativement simple, conformément aux recommandations du fabricant, les modes de défaillance des rails linéaires sont plus complexes. Ils dépendent, outre de la capacité de charge, des dimensions et de la précision, de leur orientation précise dans l'espace.

Problèmes de désalignement

Presque tous les fabricants de rails linéaires s'accordent à dire qu'un mauvais alignement est source de problèmes. Parmi tous les facteurs contribuant à la défaillance prématurée des roulements linéaires, le mauvais alignement figure parmi les plus importants.

Il s'agit de défaillances classées comme désalignements de rails, notamment :flac: enlèvement de matière de la surface du rail ;porter: résultats d'un frottement excessif ;échancrure: les boules déforment les rails; etpièces endommagées: rails déformés suite à la chute des billes hors des rainures.

Les causes principales du défaut d'alignement des rails sont le manque de planéité, de rectitude, de parallélisme et de coplanarité des rails linéaires. Ces causes peuvent être minimisées, voire éliminées, par des techniques d'assemblage et d'alignement appropriées, ce qui réduit d'autant la surcharge des rails. Parmi les autres causes de défaillance des rails linéaires figurent une lubrification insuffisante et la pénétration de particules étrangères, problèmes qui peuvent être atténués par une étanchéité adéquate et une lubrification périodique. Bien qu'importantes, ces questions dépassent le cadre de cet article.

Principes de base de l'alignement

Les rails de portique comportent généralement des roulements à billes à recirculation préchargés dans leurs rainures de guidage pour une rigidité élevée. Une rigidité élevée et une faible masse mobile sont des caractéristiques essentielles du portique, car elles déterminent la fréquence naturelle la plus basse du système. Une fréquence naturelle élevée, de l'ordre de 150 Hz, est nécessaire pour une large bande passante de positionnement. Cette dernière, de l'ordre de 40 Hz, est requise pour une précision dynamique élevée. Une précision dynamique élevée, telle qu'une vitesse constante avec une erreur de position de quelques microns, ou un temps de stabilisation très court, de l'ordre de quelques millisecondes à une précision submicronique, est respectivement indispensable pour une qualité de pièces élevée et un débit élevé. Ces performances sont généralement requises malgré les effets contradictoires d'une forte accélération et d'un mouvement fluide dans des processus tels que l'inspection de circuits imprimés, l'impression jet d'encre et la gravure laser.

Pour garantir une rigidité élevée du portique (de l'ordre de 100 N/µm), les roulements sont précontraints. Cependant, tout défaut d'alignement entre les deux côtés du portique, de l'ordre de quelques dizaines de microns, que ce soit verticalement (planéité) ou horizontalement (rectitude), peut considérablement augmenter la charge sur les roulements. Ceci peut entraîner une défaillance catastrophique, les billes pouvant sortir des gorges des roulements ou les rails pouvant se creuser profondément. Même de faibles déformations des roulements peuvent réduire sensiblement leur durée de vie.

L'alignement de rails linéaires avec une précision de l'ordre de la dizaine de microns sur de longues courses (de l'ordre de 1 à 3 mètres) exige des outils coûteux, tels qu'un interféromètre laser et des dispositifs de fixation spécifiques. Ces outils ne sont généralement pas accessibles à l'utilisateur final ou à l'intégrateur système. Sans eux, un défaut d'alignement des rails peut être à l'origine d'une faible fiabilité du système, de coûts de maintenance élevés, de temps d'arrêt et d'une durée de vie réduite.

Heureusement, il existe diverses solutions éprouvées sur le terrain pour compenser les défauts d'alignement. Ces solutions ne nécessitent pas forcément d'outils d'alignement complexes et offrent un avantage considérable en réduisant les effets potentiellement néfastes d'un mauvais alignement des rails. Ces dispositifs de compensation s'intègrent à la structure du portique et offrent la liberté de mouvement nécessaire pour prévenir les surcharges des roulements, quelle que soit la configuration des rails et des axes d'entraînement.

Cinématique du désalignement

Pour comprendre le fonctionnement d'un compensateur de désalignement, il est nécessaire de comprendre ses caractéristiques cinématiques au sein de son système de portique. À titre d'exemple, le schéma 3D du portique ci-joint présente quatre supports. Les bases des étages X₁(lien connecté 10) et X₂(lien 1) sont représentés avec un désalignement exagéré en tangage, lacet et roulis les uns par rapport aux autres, ainsi qu'en planéité et en parallélisme. Supposons que le X de gauche₁Le chariot (9) est le maître motorisé et possède une articulation sphérique (j) qui supporte l'étage Y (4). Le chariot droit motorisé opposé X₂L'étage (3) comporte une articulation sphérique (b) et une articulation linéaire (c) qui supportent l'axe Y. Les autres chariots X (7 et 6) sont des galets libres et supportent également l'axe Y par une articulation sphérique et une articulation linéaire.

En soustrayant le nombre total de contraintes du nombre total de degrés de liberté, on obtient 1 degré de liberté. Cela signifie que seul l'axe X principal peut se déplacer indépendamment, les autres axes étant liés. Dans ce cas, si un autre moteur indépendant actionne l'autre axe X, une charge excessive sur les rails risque d'apparaître. Cette configuration est à proscrire pour les longues étapes Y ; les ingénieurs doivent donc apporter des modifications correctives afin que la seconde étape X puisse se déplacer indépendamment de la première.

L'ajout d'un degré de liberté supplémentaire au système, par exemple pour l'esclave X, revient à ajouter un degré de liberté à l'une des articulations. Dans ce type de configuration, une solution courante consiste à conférer un degré de liberté à un galet tendeur selon l'axe Z, par exemple entre les articulations sphériques d et l'articulation de glissement e.

On obtient ainsi un support cinématique pour la platine Y aux articulations b, j et i, permettant une orientation 3D libre du plan de la platine 4. Cependant, pour éviter que la platine 4 ne repose que sur trois points d'appui, il est courant d'ajouter une certaine souplesse dans la direction Z entre l'articulation d et le coulisseau e afin de répartir la charge. Dans certains cas, la flexibilité de la liaison 4 est suffisante ; dans d'autres, une rondelle Belleville souple peut être utilisée.

Conception de compensateurs

Les compensateurs de désalignement intégrés sont destinés aux configurations de portique 2D. Leur conception comprend deux plaques entourant une poutre flexible qui offre un degré de liberté linéaire dans la direction Y.

Examinons deux conceptions de compensateurs de désalignement. La première est une articulation rotative composée d'une articulation coulissante linéaire, pour une configuration de portique 3D. La seconde est une articulation rotative intégrée avec une articulation flexible linéaire, pour une configuration de portique 2D. Dans la version 2D, supposons que les rails du portique X₁et X₂sont coplanaires.

Conception à joints composés.Prenons l'exemple d'un portique utilisé dans un processus de fabrication de boîtes de conserve. Ce portique est composé de deux étages entraînés par courroie qui supportent un châssis soudé robuste sur quatre glissières. Chaque étage du portique est actionné par un servomoteur en configuration maître-esclave. Une courroie entraîne une glissière de chaque étage, l'autre glissière étant une poulie libre.

Les platines, assemblées par l'utilisateur final, ont subi une défaillance prématurée au niveau des paliers. Le problème a été résolu en ajoutant quatre rotules sphériques standard, facilement disponibles, montées sur quatre glissières linéaires, aux quatre glissières des deux platines linéaires du portique. Afin d'assurer la compatibilité avec le portique décrit précédemment, une glissière a été immobilisée à l'aide d'une plaque de verrouillage. Cette nouvelle conception a permis de résoudre définitivement le problème.

L’inconvénient de l’utilisation d’un tel compensateur réside toutefois dans une augmentation substantielle de la hauteur, qui peut nécessiter des modifications au niveau de l’étage Z.

Conception à joints intégrés.Un compensateur de désalignement intégré peut être utilisé dans les configurations de portique 2D. Sa conception comprend deux plaques : l’une est percée de trous de fixation sur le chariot X du portique, l’autre sur la base de la platine Y de l’axe transversal. Un palier central assure la liaison entre les deux plaques.

De plus, une plaque comporte une pièce flexible offrant un degré de liberté linéaire selon l'axe Y. Afin d'utiliser le même composant pour tous les assemblages, deux boulons peuvent être utilisés pour bloquer la pièce flexible et ne conserver que la liberté de mouvement en rotation entre les deux plaques. La pièce flexible est conçue pour fonctionner à une flèche maximale inférieure à la limite de fatigue.

Enfin, pour éviter, dans le cas des configurations de portique 2D, de charger la flexion dans un moment de flexion autour de l'axe Y, quatre boulons de retenue reprennent les charges de moment.

Les avantages de cette conception comprennent des composants intégrés, un profil bas, une taille compacte et une facilité d'assemblage sur les portiques existants en moins de 15 minutes.