Servopress 101 :un guide de base

L'automatisation industrielle peut sembler magique, surtout lorsqu'elle est utilisée dans les opérations d'assemblage. Découvrez ce dont vous avez besoin sur les bases pour vous aider dans votre prochain projet d'automatisation.

Les servomécanismes sont au cœur de l'automatisation du XXIe siècle. Les éléments de base sont un servomoteur; un dispositif pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire ; une suite de capteurs pour fournir la rétroaction requise ; un contrôleur pour convertir les données de rétroaction en signaux de commande ; et logiciel d'activation. C'est la « magie » des opérations d'assemblage de précision à grande vitesse. Avec les progrès du 21e siècle dans leurs composants de base, les servopresses sont une technologie qui change la donne.

Ils ne sont pas seulement rapides et précis, ils ont également pris de l'ampleur. Dans les industries du formage et de l'emboutissage des métaux, des servopresses sont disponibles avec des capacités allant jusqu'à 5 000 tonnes (4 536 tonnes métriques) et des unités plus grandes sont en cours de développement. Ces presses changent la façon dont les utilisateurs abordent la conception de processus en offrant aux ingénieurs un contrôle précis de la force, de la vitesse et de la position en temps réel pendant toute la durée d'un processus.

Il y a trente ans, les pionniers de l'industrie ont combiné une vis à billes de précision avec un servomoteur, un encodeur rotatif et une cellule de charge pour produire la première presse d'assemblage électromécanique (EMAP) conçue spécifiquement pour les opérations d'assemblage.

Premiers utilisateurs à succès

Les premiers utilisateurs ont découvert que la possibilité de mesurer les paramètres du processus lors de l'assemblage leur permettait de littéralement "cloner" les produits en comparant la "signature" force/position de chaque opération à celle d'un bon cycle connu et en ajustant les paramètres de la presse en temps réel pour la dupliquer. Ce concept de base a été utilisé dans des centaines d'applications d'assemblage différentes, du simple rivetage à l'installation d'électronique de grande valeur. Voici quelques exemples.
Assemblage de joint universel :Un joint universel de type Cardan a une croix centrale ou « araignée » qui est fixée à une paire de bras en forme de U en appuyant sur une cuvette de roulement à travers un trou dans le bras. pour capturer un tourillon usiné sur "l'araignée". Une fois assemblées, les cuvettes de roulement sont fixées au bras pour les maintenir en place.

Le défi consiste à maintenir l'araignée centrée dans le bras pendant que les cuvettes de roulement sont enfoncées et plantées. Ceci est accompli avec une paire d'EMAP qui sont synchronisés pour appliquer la même force à chaque cuvette de roulement pendant son insertion. Une fois les coupelles en place, l'araignée est centrée avec précision et les EMAP effectuent simultanément l'opération de jalonnement. Puisqu'une force égale est appliquée aux pattes opposées de l'araignée, elle reste centrée et le résultat est un bon assemblage à chaque fois.

Cette application fonctionne parce que les EMAP sont surveillés pendant l'opération et ajustés pour la force et la position en temps réel par le contrôle. Les données de l'ensemble du processus peuvent être capturées et stockées pour l'assurance qualité, offrant une traçabilité à 100 % pour chaque assemblage. Ces données sont également utiles pour identifier et corriger les anomalies dans les pièces en cours d'assemblage, ce qui améliore la qualité de l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement ainsi que le processus d'assemblage.

Assemblage du cathéter médical :L'opération critique est un processus de sertissage qui attache un tube métallique de petit diamètre à un tube plus grand qui est attaché à la partie flexible du cathéter. Si le sertissage n'est pas parfait, soit il se détachera lorsqu'il sera tiré, soit il fermera complètement le tube, rendant le cathéter inutile. Sertir systématiquement un petit tube métallique sur un autre qui n'est que légèrement plus grand s'est avéré être un défi monumental.

La clé pour maintenir une qualité constante dans l'opération de sertissage du cathéter était de surveiller simultanément la quantité de force appliquée et la position exacte de l'outil de sertissage. Une fois que les deux paramètres d'une bonne opération connue ont été capturés, la "signature" force/position a été utilisée comme référence pour mesurer les opérations suivantes.

Une station de sertissage basée sur EMAP, complète avec des transducteurs de position externes, est utilisée pour effectuer l'opération de sertissage sur les cathéters. L'EMAP fournit une force de sertissage reproductible et les transducteurs surveillent l'outillage pour s'assurer que le sertissage n'est ni trop peu profond ni trop profond. Le résultat est une certification de test d'effort à 100 % pour chaque cathéter produit et l'élimination virtuelle des échecs de sertissage sur le terrain.

Assemblage de rotules rivetées :les assemblages de rotules automobiles sont des composants critiques pour la sécurité qui sont généralement fixés aux bras de commande supérieur et inférieur avec des rivets. Il existe trois modes de défaillance possibles :1) un rivet peut être trop long ou trop court, 2) un rivet peut être trop dur ou trop mou, et 3) un rivet peut être complètement absent. Étant donné que l'assemblage est essentiel pour la sécurité, une inspection post-rivetage à 100 % est traditionnellement effectuée.

L'utilisation d'un système basé sur EMAP au lieu d'une presse hydraulique traditionnelle élimine l'exigence d'une inspection à 100 % en surveillant le processus pendant son exécution et en comparant la « signature » ​​à une bonne opération connue. Trois cellules de charge individuelles sont montées dans l'outillage pour mesurer indépendamment la force appliquée à chaque rivet, tandis qu'un transducteur à position unique mesure la distance de déplacement du vérin. Les rivets trop durs ou mous, ou trop courts ou longs, produiront un changement distinct dans la signature, tout comme les détails hors tolérance tels que les diamètres des trous.

Le système fournit :la détection de rivets longs, courts, durs, mous et/ou manquants; Certification à 100 % de chaque assemblage ; acquisition de données intégrée ; et un enregistrement des données de force et de position pour chaque pièce produite, le tout en temps réel pendant le cycle de traitement. Les résultats sont cohérents, précis et traçables, ce qui signifie que les inspections post-traitement de chaque pièce ne sont plus nécessaires pour garantir la qualité.

Aller au-delà de l'essentiel

Il n'a pas fallu longtemps aux premiers utilisateurs pour se rendre compte que les données de processus détaillées générées par un système basé sur EMAP avaient des utilisations bien au-delà de la simple comparaison des « signatures » et des assemblages de « clonage ». Les fournisseurs EMAP étaient également occupés à améliorer les capacités matérielles et logicielles pour prendre en charge des applications plus avancées.

L'une des premières applications à tirer parti de ces avancées a été l'assemblage de bras de commande automobiles, un produit qui nécessite une précision géométrique pour fonctionner correctement, mais qui est constitué de composants qui ne peuvent pas être produits économiquement avec des tolérances très étroites. Le bras de commande est composé d'un estampage ou d'un moulage à usage intensif avec des bagues enrobées de caoutchouc pressées en place, ce qui n'est clairement pas un candidat pour une précision dimensionnelle extrême.

Ce que font généralement les ingénieurs automobiles, c'est définir la géométrie requise dans l'assemblage et laisser la partie "comment y parvenir" au fournisseur. Les fournisseurs appellent cela une dimension "fantôme", et c'est assez courant dans une variété d'industries.

L'approche conventionnelle pour répondre à la spécification d'une dimension "fantôme" consiste à construire des outils et des montages précis, puis à les ajuster en permanence pour faire face aux variations constantes et imprévisibles des pièces. D'autres fournisseurs choisissent de « presser et espérer », puis de « mesurer et trier » et d'accepter les coûts de rebut et de retravail. Pour relever ce défi à la place avec un système basé sur EMAP, il faut un logiciel avancé pour gérer des capteurs supplémentaires en dehors des cellules de charge intégrées dans la presse. Le montage se fait avec deux EMAP et deux sondes numériques. Ces sondes sont nécessaires car les douilles élastiques fléchissent lors de l'installation, ce qui rend difficile la connaissance de leur emplacement précis. Les sondes compensent également la déviation de la machine et de la cellule de pesée.

Pour assembler le bras de commande, les bagues sont pressées dans une position initiale, la force est supprimée et l'emplacement est mesuré par les sondes numériques. Une douille est pressée à une dimension relative au joint à rotule. La sonde mesure la position et renvoie les informations au contrôleur, qui indique à la presse jusqu'où appuyer. Cette séquence se répète jusqu'à ce que la douille soit en place. L'autre douille utilise la même séquence d'installation mais est pressée à une dimension relative à la première douille. Il s'agit de la dimension "fantôme" et le système peut l'atteindre de manière efficace et répétée, quelles que soient les variations du bras de commande et/ou des bagues.

Le système qui vient d'être décrit améliore sensiblement la qualité fonctionnelle du bras de commande qu'il assemble sans modification des spécifications dimensionnelles des pièces constitutives. En fait, il est tout à fait possible que les tolérances sur ces composants soient assouplies pour réduire les coûts de fabrication sans impact sur la qualité fonctionnelle du produit fini. La fonction est la mesure de qualité du consommateur, et avec le type d'assemblage intelligent mis au point par le système de bras de commande, elle peut également être celle du fabricant.

Une technologie mature

Au fur et à mesure que les applications d'assemblage intelligent se sont multipliées, les systèmes matériels et logiciels nécessaires pour les activer ont également proliféré. Aujourd'hui, les EMAP sont disponibles avec des sorties de force allant de 0,2 kN à 500 kN et peuvent être équipées d'une large gamme de capteurs intégrés et externes. Ils sont disponibles en tant que composants individuels pour les constructeurs de systèmes, presses à châssis en H et postes de travail autonomes flexibles pour les utilisateurs finaux.

Des ingénieurs innovants ont rendu les EMAP suffisamment légers pour être utilisés comme effecteurs terminaux de robot et même des modèles portatifs humains sont disponibles. Ces deux produits sont destinés à des applications dans lesquelles la presse est amenée à la pièce, ce qui signifie que la force de réaction de l'opération de pressage ne peut pas être transmise au robot ou à l'opérateur humain.

Une solution développée par Promess pour les applications robotiques est sa Robot Press, qui intègre une butée arrière intégrée. Lors de l'opération, la presse est positionnée sur la pièce par le robot et l'outillage est engagé. Le robot passe alors en flottement libre sur deux axes pour maintenir la position tout en se déplaçant dans le troisième axe pour s'adapter au mouvement de la presse jusqu'à ce que la presse atteigne la butée arrière intégrée. Les mouvements de la presse sont entièrement programmables et les presses peuvent être équipées de capteurs de force et de position pour prendre en charge les opérations d'assemblage intelligentes.

Combiné EMAP linéaire/actionneur rotatif

Une autre tendance est la combinaison d'un EMAP linéaire avec un actionneur rotatif pour faciliter les tests fonctionnels lors de l'assemblage. Par exemple, un loquet de capot automobile est assemblé avec un rivet à l'aide d'un EMAP. Pendant que le rivet est martelé, le loquet est actionné et la force requise mesurée en continu jusqu'à ce qu'elle atteigne un niveau spécifié, moment auquel le processus est arrêté. Le processus produit des verrous avec une force d'actionnement uniforme quelles que soient les variations des rivets ou des estampages. Des systèmes similaires sont utilisés pour assembler des verrous de siège automobile, des pinces et même pour vérifier le jeu des engrenages sous charge dans les différentiels automobiles.

Toutes ces applications dépendent de contrôleurs et de logiciels sophistiqués pour gérer et intégrer plusieurs entrées de données en temps réel et générer les commandes d'asservissement nécessaires. Des commandes sont désormais disponibles avec la possibilité de synchroniser plusieurs EMAP entraînant les coins d'une presse à plateau afin que chacun génère la force nécessaire pour maintenir les plateaux parallèles, même si la charge n'est pas uniforme.

Le logiciel de contrôle a évolué avec le matériel, et les systèmes d'aujourd'hui sont beaucoup plus faciles à programmer que leurs prédécesseurs d'il y a quelques années à peine. Les fournisseurs ont investi beaucoup de temps et de talent dans des systèmes qui simplifient le processus au point où les ingénieurs de contrôle professionnels ne sont souvent pas nécessaires.

Au fur et à mesure que la technologie EMAP a mûri, les concepts d'assemblage intelligent et d'assemblage selon une spécification fonctionnelle plutôt que dimensionnelle sont devenus de plus en plus pratiques dans un large éventail d'industries. La maturité, cependant, n'implique pas la stagnation. La technologie continue de se développer en permettant des solutions véritablement innovantes aux défis qui affligent les fabricants depuis des décennies, voire des siècles.