Les techniques économiques de compensation de désalignement empêchent la surcharge des roulements et la défaillance prématurée du portique

Outils d'alignement de 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, comme les lasers d'alignement Hamar, utilisent des faisceaux laser rotatifs comme plans de référence de précision dans l'espace, grâce à des capteurs placés sur la glissière mobile. Le réglage des vis de mise à niveau des rails, ou le calage sous les rails, permet d'orienter le rail ou la platine dans l'orientation souhaitée. La mise à niveau des rails avec une grande précision peut prendre des jours, voire des semaines, selon le niveau de précision, la taille et la configuration de la machine.

Pour les exigences d'alignement de faible précision, divers composants mécaniques sont utilisés, notamment des niveleurs électroniques, des comparateurs à cadran, des règles et des poutres parallèles. Grâce à ces composants, 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 un rail serré à la précision requise, une glissière est guidée pendant le serrage des boulons du second rail flottant, à l'aide d'un comparateur à cadran ou d'une glissière de guidage.

Quelle que soit la méthode d'alignement, elle doit 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 processus de fabrication, un convoyeur continu ou à indexation transfère les pièces d'un poste à portique à un autre. Chaque poste de portique le long de la ligne de convoyage manipule un outil par rapport à une pièce pour effectuer des opérations de fabrication telles que l'usinage, le collage, l'assemblage, le contrôle, l'impression ou l'emballage. Les portiques sont couramment utilisés pour positionner les produits sur les lignes de transfert automatisées.

Il est évident 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 entraîner un arrêt coûteux de toute 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 (vis à billes, courroie ou moteur linéaire), des rails, un coulisseau, une base, des butées, un codeur et des câbles. La fiabilité de l'ensemble du système de portique est la somme statistique des fiabilités de tous les composants.

Pour une fiabilité élevée du système, 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 être une tâche d'ingénierie simple, conformément aux recommandations du fabricant, les modes de défaillance des rails linéaires sont plus complexes. Ils dépendent, outre de la capacité de charge, de la taille 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 en tête de liste.

Il s'agit de défaillances classées par désalignement des rails qui comprennent :flac:enlèvement de matière de la surface du rail;porter:résultats d'un frottement excessif ;échancrure: les billes déforment les rails ; etpièces endommagées:rails déformés en raison de billes tombant des rainures du rail.

Les causes courantes de désalignement 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, qui minimisent la surcharge des rails. Parmi les autres causes de défaillance des rails linéaires, on peut citer une lubrification insuffisante et la pénétration de particules étrangères, qui peuvent être atténuées par une étanchéité adéquate et une lubrification périodique. Bien qu'importantes, ces causes dépassent le cadre de cet article.

Principes de base de l'alignement

Les rails de portique sont généralement équipés de roulements à billes à recirculation préchargés dans leurs rainures de roulement pour une rigidité élevée. Une rigidité élevée et une faible masse en mouvement sont des caractéristiques essentielles du portique, car elles définissent la fréquence naturelle la plus basse du système. Une fréquence naturelle élevée, de l'ordre de 150 Hz, est nécessaire pour une bande passante de positionnement élevée. Une bande passante de positionnement élevée, de l'ordre de 40 Hz, est nécessaire 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 faible, de l'ordre de quelques millisecondes avec une fenêtre de stabilisation submicronique, sont nécessaires pour une qualité de pièce élevée et un rendement élevé, respectivement. Ces caractéristiques de performance sont généralement requises dans des conditions de forte accélération et de fluidité de mouvement dans des processus tels que l'inspection de circuits imprimés, l'impression jet d'encre et le marquage laser.

Afin de garantir une rigidité élevée du portique, de l'ordre de 100 N/µm, les roulements sont préchargés. Cependant, tout désalignement de quelques dizaines de microns entre les deux côtés du portique, que ce soit en orientation verticale (planéité) ou horizontale (rectiligne), peut augmenter considérablement la charge du roulement. Ceci peut entraîner une défaillance catastrophique due à la chute des billes hors des rainures du roulement ou à des empreintes profondes dans les rails. De faibles déformations du roulement peuvent néanmoins réduire considérablement sa durée de vie.

L'alignement de rails linéaires avec une précision de l'ordre de quelques dizaines de microns sur de grandes longueurs de course (de l'ordre de 1 à 3 mètres) nécessite des outils coûteux, tels qu'un interféromètre laser et des dispositifs de fixation spécifiques. Ces outils peuvent être difficiles à obtenir pour l'utilisateur final ou l'intégrateur système. Sans ces outils, le désalignement 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 options de compensation de désalignement éprouvées sur le terrain, qui ne nécessitent pas forcément d'outils d'alignement complexes, mais offrent une grande valeur ajoutée en réduisant les effets potentiellement néfastes du désalignement des rails. Ces dispositifs de compensation de désalignement s'intègrent parfaitement au châssis du portique et offrent les degrés de liberté nécessaires pour éviter les surcharges des roulements dans divers montages de rails et configurations d'entraînement d'axes.

Cinématique du désalignement

Pour comprendre le fonctionnement d'un compensateur de désalignement, il est essentiel de comprendre ses caractéristiques cinématiques au sein de son système de portique. À titre d'exemple, le schéma 3D du portique ci-joint illustre 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 gauche₁Le chariot (9) est le maître motorisé et possède une articulation sphérique (j) qui supporte la platine Y (4). Le chariot X droit motorisé opposé₂L'étage (3) possède une articulation sphérique (b) et une articulation coulissante 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 articulation sphérique et une glissière linéaire.

En comptant ensuite le nombre total de degrés de liberté et en soustrayant le nombre total de contraintes, on obtient 1 degré de liberté. Cela signifie que seul l'axe X maître peut se déplacer indépendamment et que tous les autres axes suivront. Dans ce cas, si un autre moteur indépendant entraîne l'autre axe X, une charge excessive sur les rails peut en résulter. Cette configuration est indésirable pour les axes Y longs ; les ingénieurs doivent donc apporter des modifications correctives pour permettre au deuxième axe X de se déplacer indépendamment du premier.

Ajouter un degré de liberté supplémentaire au système, comme pour l'esclave X, revient à ajouter un degré de liberté supplémentaire à l'une des articulations. Une solution courante dans de telles configurations consiste à laisser à une glissière libre un degré de liberté dans la direction Z, par exemple entre les articulations sphériques d et l'articulation coulissante e.

Le résultat sera un montage cinématique pour l'étage Y aux articulations b, j et i, prenant en compte l'orientation 3D du plan de l'étage 4 sans aucune contrainte. Cependant, pour éviter que l'étage 4 ne soit supporté qu'à trois points d'angle, il est courant d'ajouter une certaine souplesse dans la direction Z entre l'articulation d et la glissière e afin de reprendre une partie de la charge. Dans certains cas, la flexibilité de la liaison 4 peut être suffisante ; dans d'autres cas, une rondelle Belleville souple peut être utilisée.

Conceptions de compensateurs

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

Examinons deux conceptions de compensateurs de désalignement. L'une est un joint rotoïde composé avec un joint coulissant linéaire, pour une configuration de portique 3D. La seconde est un joint rotoïde intégré avec un joint de flexion linéaire, pour une configuration de portique 2D. Dans la version 2D, supposons que les rails du portique sont en X.₁et X₂sont coplanaires.

Conception de joints composés.Prenons l'exemple d'un portique dans un processus de fabrication de boîtes de conserve. Le portique utilise deux étages entraînés par courroie qui supportent un robuste châssis soudé sur quatre glissières. Un servomoteur entraîne chaque étage selon une configuration maître-esclave. Une courroie entraîne une glissière de chaque étage, l'autre glissière étant un galet tendeur.

Les platines, assemblées par l'utilisateur final, ont connu une défaillance prématurée au niveau du palier. Le problème a été corrigé en ajoutant quatre joints sphériques standard, facilement disponibles, montés sur quatre glissières linéaires aux quatre glissières des deux platines linéaires à portique. Pour adapter la configuration au portique décrit précédemment, une glissière a été fixée à la terre par une plaque de verrouillage. Cette nouvelle conception a complètement résolu le problème.

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

Conception de joints intégrés.Un compensateur de désalignement intégré peut être utilisé dans les configurations de portique 2D. Ce système comprend deux plaques. L'une est percée de trous de fixation sur la glissière X du portique, et l'autre est percée de trous de fixation sur la base de la platine Y de l'axe transversal. Un palier central relie les deux plaques.

De plus, une plaque comprend une flexion offrant un degré de liberté linéaire dans la direction Y. Pour utiliser le même composant pour toutes les assemblages, deux boulons peuvent être utilisés pour « ancrer » le degré de liberté linéaire de flexion et ne conserver que la liberté de rotation entre les deux plaques. La flexion est conçue pour fonctionner à une déflexion maximale inférieure à 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 comprennent des composants intégrés, un profil bas, une taille compacte et une facilité d'assemblage sur les portiques existants en moins de 15 minutes.