Des techniques économiques de compensation du désalignement évitent la surcharge des roulements et la défaillance prématurée du portique.

Outils d'alignement du portique

Lorsque les fabricants de systèmes de positionnement construisent un système de portique, ils utilisent généralement des outils d'alignement spéciaux pendant le processus d'assemblage pour garantir qu'ils répondent aux spécifications de force, de précision et de durée de vie.

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

D'autres outils, tels que les lasers d'alignement de Hamar, utilisent des faisceaux laser rotatifs comme plans de référence de précision dans l'espace avec des capteurs placés sur le coulisseau mobile. Le réglage des vis de nivellement des rails ou le calage sous les rails amènent le rail ou la scène dans l'orientation souhaitée. Le nivellement des rails avec une haute précision peut prendre des jours ou des semaines selon le niveau de précision, la taille et la configuration d'une machine.

Pour les exigences d'alignement de moindre précision, divers composants mécaniques sont utilisés, notamment des niveleurs électroniques, des indicateurs à cadran, des bords droits et des poutres parallèles. Avec ceux-ci, les techniciens alignent le rail principal avec un comparateur à cadran contre une surface de montage de précision ou une règle droite. Une fois qu'un rail est serré avec la précision requise, une glissière est guidée tandis que les boulons du deuxième rail flottant sont serrés, à l'aide d'un indicateur à cadran ou d'une glissière de guidage.

Quelle que soit la méthode d'alignement, il faut garantir qu'un désalignement résiduel n'exercera pas de forces sur les rails de la scène, ce qui pourrait entraîner une courte durée de vie 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 procédé de fabrication, un convoyeur continu ou à indexation transfère les pièces d'un poste de portique à un autre. Chaque station de portique le long de la ligne de convoyeur manipule un outil par rapport à une pièce pour effectuer des opérations de fabrication telles que l'usinage, le collage, l'assemblage, l'inspection, l'impression ou l'emballage. Les portiques sont couramment utilisés pour positionner des produits sur des lignes de transfert automatisées.

De toute évidence, la fiabilité de chaque machine dans une opération de ligne de transfert doit être extrêmement élevée pour minimiser les temps d'arrêt, car le temps d'arrêt d'une machine peut entraîner un arrêt coûteux de l'ensemble de la ligne de transfert. De plus, les portiques comprennent de nombreux éléments critiques, tels qu'un contrôleur, un amplificateur, un moteur, un accouplement, un actionneur (tel qu'une vis à billes, une courroie ou un moteur linéaire), des rails, un coulisseau, une base, des butées, un encodeur et des câbles. La fiabilité de l'ensemble du système de portique est la somme statistique de la fiabilité de tous les composants.

Pour une fiabilité élevée du système, chaque composant doit être dimensionné pour garantir que sa charge pendant le fonctionnement ne dépassera pas ses valeurs nominales. Bien que le dimensionnement de chaque composant puisse être une tâche d'ingénierie simple, comme le recommande le fabricant du composant, les modes de défaillance des rails linéaires sont un peu plus complexes. Ils dépendent, outre leur capacité de charge, leur taille et leur précision, de leur orientation précise dans l’espace.

Problèmes de désalignement

Presque tous les fabricants de rails linéaires conviennent que le désalignement entraîne des problèmes. Parmi tous les facteurs qui contribuent à la défaillance prématurée des roulements linéaires, le désalignement figure en tête de liste.

Il s'agit de défauts d'alignement de rail classés qui comprennent :flaquer: enlèvement de matière de la surface du rail ;porter: résultats d'un frottement excessif ;échancrure: les billes déforment les rails ; etpièces endommagées: rails déformés suite à la chute de billes hors des rainures du rail.

Les causes profondes courantes du désalignement des rails comprennent le manque de planéité, de rectitude, de parallélisme et de coplanarité des rails linéaires. Ces causes pourraient être minimisées ou éliminées par des techniques d'assemblage et d'alignement appropriées, qui, à leur tour, minimisent la surcharge des rails. Parmi les autres causes profondes de défaillance des rails linéaires figurent une lubrification insuffisante et la pénétration de particules étrangères, qui peuvent être atténuées grâce à une étanchéité appropriée et une lubrification périodique. Bien qu’importants, ils dépassent le cadre de cet article.

Bases de l'alignement

Les rails de portique comprennent généralement des roulements à recirculation de billes préchargés dans leurs rainures de roulement pour offrir une rigidité élevée. Une rigidité élevée et une faible masse mobile sont des caractéristiques essentielles du portique, car elles définissent la fréquence propre du système la plus basse. Une fréquence naturelle élevée, de l’ordre de 150 Hz, est requise pour une bande passante de position élevée. Une bande passante de position élevée, 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 faible temps de stabilisation, de l'ordre de quelques millisecondes jusqu'à une fenêtre de stabilisation submicronique, sont requises respectivement pour une qualité de pièce élevée et un débit élevé. Ces caractéristiques de performance sont généralement requises sous les effets contradictoires d'une accélération élevée et d'un mouvement fluide dans des processus tels que l'inspection des PCB, l'impression à jet d'encre et le traçage laser.

Pour garantir une rigidité du portique élevée, de l'ordre de 100 N/µm, les roulements sont préchargés. Cependant, tout désalignement entre les deux côtés du portique de l'ordre de 10 s de microns, que ce soit en orientation verticale (planéité) ou horizontale (rectitude), peut augmenter considérablement la charge de roulement. Cela, à son tour, peut conduire à une défaillance catastrophique en raison de la chute des billes des rainures des roulements ou de profondes empreintes dans les rails. De plus petites déformations des roulements peuvent néanmoins réduire considérablement leur durée de vie.

Aligner des rails linéaires avec une précision de 10 secondes sur de longues distances de déplacement (de l'ordre de 1 à 3 mètres) nécessite des outils coûteux tels qu'un interféromètre laser et des montages spéciaux. Ces outils peuvent ne pas être facilement accessibles à l'utilisateur final ou à l'intégrateur système type. Sans ces outils, le mauvais 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 courte du système.

Heureusement, il existe diverses options de compensation du désalignement éprouvées sur le terrain qui ne nécessitent pas d'outils d'alignement étendus, mais qui offrent une grande valeur en réduisant les effets potentiellement graves du désalignement des rails. Ces dispositifs de compensation de désalignement deviennent partie intégrante du châssis du portique et fournissent les degrés de liberté nécessaires pour éviter les surcharges des roulements dans divers montages sur rails du portique et configurations d'entraînement d'axe.

Cinématique du désalignement

Pour comprendre le fonctionnement d'un compensateur de désalignement, il faut comprendre les caractéristiques cinématiques du compensateur dans le cadre de son système de portique. À titre d'exemple, le diagramme du portique 3D ci-joint montre quatre supports. Les bases des étapes X₁(lien connecté 10) et X₂(lien 1) sont montrés exagérément mal alignés en tangage, lacet et roulis les uns par rapport aux autres ainsi qu'en planéité et parallélisme. Supposons que le X gauche₁le chariot (9) est le maître motorisé et il possède une rotule (j) qui supporte l'étage Y (4). Le droit motorisé opposé X₂l'étage (3) comporte un joint sphérique (b) et un joint coulissant linéaire (c) qui supportent l'étage Y. Les autres chariots X (7 et 6) sont des rouleaux et supportent également l'étage Y par une rotule et un coulisseau linéaire.

En comptant ensuite le nombre total de degrés de liberté et en soustrayant le nombre total de contraintes, le résultat est 1 degré de liberté. Cela signifie que seul l'axe X principal peut se déplacer indépendamment et que tous les autres liens suivront. Dans ce cas, si un autre moteur indépendant entraîne l’autre X, une charge excessive sur les rails peut en résulter. Il s'agit d'une configuration indésirable pour les étages Y longs et, par conséquent, les ingénieurs doivent apporter des modifications correctives pour permettre au deuxième étage X de se déplacer indépendamment du premier étage X.

Ajouter un autre degré de liberté au système, comme pour l'esclave X, signifie ajouter un autre degré de liberté à l'une des articulations. Une solution courante dans de telles configurations permet à une glissière libre d'avoir un degré de liberté dans la direction Z, par exemple entre les joints sphériques d et le joint coulissant e.

Le résultat sera un montage cinématique pour l'étage Y au niveau des articulations b, j et i, s'adaptant à l'orientation 3D du plan de l'étage 4 sans aucune contrainte. Cependant, pour empêcher le support de l'étage 4 au niveau de trois points d'angle seulement, la pratique courante consiste à ajouter une certaine souplesse dans la direction Z entre l'assemblage d et le coulisseau e pour supporter une partie de la charge. Dans certains cas, la flexibilité du lien 4 peut être suffisante ; dans les autres cas, une laveuse Belleville conforme pourra être utilisée.

Conceptions de compensateurs

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

Passons en revue deux conceptions de compensateur de désalignement. L’un est un joint à révolution composé avec un joint coulissant linéaire, pour une configuration de portique 3D. Le second est un joint tournant intégré avec un joint de flexion linéaire pour une configuration de portique 2D. Dans la version 2D, supposons que les rails du portique X₁et X₂sont coplanaires.

Conception à joints composés.Considérez une application de portique dans un processus de fabrication de canettes. Le portique utilise deux platines entraînées par courroie qui supportent un cadre soudé robuste sur quatre glissières. Un servomoteur pilote chaque étage du portique dans une configuration maître-esclave. Une courroie entraîne une glissière de chaque étage et l'autre glissière est une roue libre.

Les platines, assemblées par l'utilisateur final, ont connu une défaillance prématurée au niveau du roulement de la platine. Le problème a été corrigé en ajoutant quatre joints sphériques standards facilement disponibles montés sur quatre glissières linéaires aux quatre glissières des deux platines linéaires à portique. Pour faire correspondre la configuration au portique évoqué précédemment, une glissière a été « mise à la terre » avec une plaque de verrouillage. La refonte a complètement résolu le problème.

L'inconvénient de l'utilisation d'un tel compensateur est cependant une augmentation substantielle de la hauteur, qui peut nécessiter des modifications de l'étage Z.

Conception à joints intégrés.Un compensateur de désalignement intégré peut être utilisé dans les configurations de portique 2D. La conception comprend deux plaques. Une plaque comporte des trous de montage sur la glissière du portique X et l'autre plaque comporte des trous de montage sur la base de la platine Y à axe transversal. Un roulement au centre relie les deux plaques.

De plus, une plaque comprend une flexion qui fournit un degré de liberté linéaire dans la direction Y. Pour utiliser le même composant pour tous les joints, deux boulons peuvent être utilisés pour « rectifier » le degré de liberté linéaire de flexion et conserver uniquement la liberté de mouvement de rotation entre les deux plaques. La flexion est conçue pour fonctionner avec une déflexion maximale en dessous de la limite de fatigue.

Enfin, pour éviter, dans le cas de 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 incluent des composants intégrés, un profil bas, une taille compacte et une facilité d'assemblage sur les étages du portique existant en moins de 15 minutes.