Mécatronique : Top 5 des considérations électriques pour les ingénieurs en mécanique

Jun 25, 2023

Par Design Monde Personnel | 9 août 2010

Par Dan Throne, directeur des ventes et du marketing, Commandes et commandes électriques

Auparavant, nous avons couvert les considérations mécaniques pour les ingénieurs électriciens. Maintenant, nous donnons à l'autre côté une chance de parler. Voici cinq conseils ciblés pour les ingénieurs mécaniciens responsables de systèmes électromécaniques, du point de vue d'un ingénieur électricien.

Une conception épurée équilibre la masse et le mouvement : un cadre robuste et durable résiste à des années de vibrations et de chocs, combiné à des composants plus légers, aide à réduire la masse et permet l'utilisation de composants moteur/entraînement plus petits.

Les systèmes mécatroniques intègrent intelligemment des éléments mécaniques et électriques pour exécuter des fonctions de plus en plus complexes et exigeantes. Lors de la conception de systèmes électromécaniques, les ingénieurs mécaniciens et les ingénieurs électriciens peuvent avoir tendance à mettre l'accent sur les technologies, les composants et les principes de conception de leur domaine d'expertise unique, ce qui peut conduire à des systèmes avec des coûts d'exploitation plus élevés, des exigences de maintenance accrues et des performances moins qu'optimales. En tant qu'ingénieur électricien impliqué dans la conception et la construction de systèmes mécatroniques par les équipementiers et les fabricants, j'ai vu comment des inefficacités et une complexité inutile peuvent être involontairement intégrées dans des machines.

De meilleurs systèmes mécatroniques peuvent être créés lorsque les ingénieurs mécaniciens prennent en compte cinq concepts cruciaux lors de la conception des systèmes de fabrication, afin d'obtenir la plus grande valeur et efficacité que les systèmes électroniques peuvent offrir au processus de fabrication.

1 : Créer une conception propre Une bonne conception mécatronique commence par une bonne conception mécanique - les meilleurs systèmes électroniques et électriques ne peuvent pas compenser une mauvaise conception mécanique. Les conceptions les plus réussies sont "propres". Ils disposent d'un cadre solide et rigide, utilisant des matériaux et des principes structurels pour garantir que, quel que soit le mouvement subi par la machine, sa stabilité à long terme est "conçue".

Assurez-vous que des roulements et des supports rigides sont utilisés lorsque les moteurs sont montés sur des machines ; cela permet d'éviter que les arbres ne soient cisaillés en raison de microfractures qui se produisent parce que l'arbre du moteur est monté hors de l'alignement avec un palier à semelle ou un engrenage planétaire d'entrée de boîte de vitesses. Placez les moteurs sur la machine au meilleur emplacement afin que les opérateurs ne marchent pas accidentellement sur les câbles et les connecteurs et ne causent pas de dommages ; et concevoir une protection de la machine avec des points d'accès faciles pour accéder aux moteurs montés sous la base de l'aile de la machine tout en les protégeant contre les environnements difficiles.

Plus important encore, une conception épurée équilibre la masse et le mouvement : une structure robuste et durable qui résiste à des années de vibrations et de chocs, associée à des composants plus légers pour les pièces mobiles de la machine. Cette combinaison permet de réduire la masse, offre un mouvement plus économe en énergie et facilite le dimensionnement des composants moteur/entraînement plus petits pour la machine. Nous avons vu de nombreuses conceptions de machines mécaniques très innovantes au fil des ans, et une conception épurée apporte la plus grande contribution à la longévité, à la robustesse et au coût global de possession le plus bas d'une machine.

2 : Coupler directement le moteur à la chargeUne mécatronique efficace commence par une conception "table rase". Dans le passé, les machines étaient souvent construites autour d'un seul moteur à courant alternatif alimentant un arbre de ligne de machine, auquel étaient attachés des boîtes de vitesses, des poulies, des pignons, des entraînements par chaîne et d'autres dispositifs mécaniques pour déplacer des zones individuelles de la machine en synchronisation - une approche pour alimenter la fabrication qui remonte littéralement à l'aube de la révolution industrielle.

Une conception épurée contribue le plus à la longévité, à la robustesse et au coût global de possession le plus bas d'une machine.

Envisagez de remplacer cette architecture par des servomoteurs individuels couplés directement à la charge que vous déplacez. Cette idée présente de multiples avantages en matière de conception, de coût de la machine et d'exploitation (qu'un nombre surprenant de conceptions de machines n'utilisent pas). D'abord, considérez le coût : chaque fois que vous ajoutez une boîte de vitesses, vous ajoutez de multiples coûts : c'est un point de défaillance supplémentaire, il doit être lubrifié et il a besoin de pièces de rechange. De plus, vous ajoutez un jeu mécanique qui doit être compensé lors de la mise en service de la machine chaque fois que vous avez un changement de produit - une complexité de mouvement et de synchronisation des axes que les variateurs et servomoteurs intelligents d'aujourd'hui éliminent.

Lorsque vous placez stratégiquement des servomoteurs aussi près que possible de la zone de mouvement qu'ils desservent, le coût supplémentaire des composants d'entraînement électrique est presque entièrement compensé en éliminant le coût des composants mécaniques et de la main-d'œuvre qui doivent être achetés, usinés, assemblés et configurés. En particulier, ne pas avoir à stocker plusieurs ensembles de pignons, engrenages et cames, ainsi que le temps nécessaire aux changements avec les entraînements mécaniques, peut réellement réduire le coût total de possession de la machine.

En fin de compte, cette approche de conception réduit considérablement l'enroulement et le jeu, tout en améliorant le temps de mise en service de la machine ; et les entraînements directs, les moteurs directs et les moteurs linéaires à la pointe de la technologie vous permettent d'augmenter les gains et d'améliorer les performances de la machine.

Considération n° 3 : utiliser des engrenages et des cames électroniques Les entraînements électroniques et les plates-formes de contrôle de mouvement d'aujourd'hui offrent aux ingénieurs en mécanique un outil puissant et flexible pour améliorer la précision et les performances des machines que vous concevez. Cette technologie vous permet de créer un "arbre de transmission électronique" virtuel qui peut synchroniser électroniquement tous les entraînements et moteurs de la machine, éliminant ainsi l'arbre de transmission mécanique. Dans le processus, vous pouvez considérablement améliorer la synchronisation et la précision des axes - de 1/16e ou 1/32e de pouce typique avec les arbres de ligne mécaniques, jusqu'à une précision de mouvement plus proche des centièmes ou même des millièmes de pouce avec les arbres de ligne électroniques.

Et cette synchronisation peut être réalisée sans aucun jeu mécanique – et moins de bourrages de produits. Il élimine également une foule de réglages mécaniques pour mettre la machine en ligne, ainsi que les réglages de l'opérateur à chaque arrêt et redémarrage de la machine.

L'engrenage et la came électroniques rendent le changement de machine entièrement programmable : par exemple, l'utilisation de la technologie FlexProfile permet aux opérateurs de charger les recettes de la machine d'une simple pression sur un bouton sur l'écran de l'IHM, et les modifications sont apportées au système de commande et d'asservissement pour exécuter le produit suivant. .

La technologie de came FlexProfile permet de créer des profils de came multisegments basés sur des profils de position, de vitesse ou de mouvement basés sur le temps. Lorsque vous modifiez une section de la came électronique avec un changement de recette via l'IHM, la plate-forme de commande optimise automatiquement le reste du profil de la came sur tous les éléments de mouvement de la machine. Cela permet à la machine d'exécuter un temps de cycle plus court ou de fournir une dynamique plus fluide pour la machine, même si un changement s'est produit, tel qu'un temps de scellage de sac différent ou une position de came de repliage de rabat sur une encartonneuse.

Considération #4 : Intégrer une technologie économe en énergieL'énergie est l'un des coûts qui augmentent le plus rapidement pour toute opération de fabrication - et une bonne conception mécatronique peut aider à contrôler ces coûts grâce à l'application de systèmes d'entraînement et de moteurs électriques conçus pour économiser l'énergie.

Dans les machines qui utilisent des servomoteurs directement couplés à des axes de mouvement critiques, et qui utilisent également la synchronisation et la came électroniques, le dimensionnement approprié du système d'asservissement peut créer une machine à haute efficacité énergétique.

Un dimensionnement correct nécessite une évaluation précise de plusieurs facteurs de mouvement (moteur par moteur) : la vitesse à laquelle l'axe doit accélérer, la taille de la masse que vous essayez de déplacer et la précision de l'accélération et de la décélération. Un sous-dimensionnement entraînera des contraintes sur les variateurs et les moteurs ; le surdimensionnement consommera trop de puissance pour faire trop peu de travail.

Certains des systèmes les plus avancés d'aujourd'hui, tels que les systèmes d'entraînement/moteur intégrés Rexroth IndraDrive Mi, incluent une fonctionnalité hautement économe en énergie : le partage de bus. Plusieurs disques sont connectés en guirlande et partagent l'alimentation du même bus ; dans de nombreuses machines multi-axes, alors que certains moteurs accélèrent jusqu'à la vitesse (puissance de tirage), d'autres décélèrent (puissance de régénération). Avec le partage de bus, plutôt que d'avoir à fournir une puissance maximale aux moteurs en accélération et à purger les moteurs en décélération en chaleur à travers une résistance de purge, la puissance est partagée, de sorte que la consommation d'énergie de la machine est considérablement réduite.

Une autre technologie économe en énergie est appelée alimentations électriques régénératives. Dans de nombreuses machines, plusieurs servomoteurs décélèrent en même temps, augmentant la tension à des niveaux excessifs sur le bus d'alimentation. Les entraînements électriques d'ancienne génération dissiperaient cet excès d'énergie électrique sous forme de chaleur, ce qui gaspillerait de l'énergie et augmenterait la production de chaleur de l'usine, nécessitant un refroidissement supplémentaire de l'armoire. Avec des alimentations électriques régénératives couplées à un système de bus partagé, ce qui était autrefois de l'énergie gaspillée peut désormais être réinjecté via le bus partagé et revendu à la compagnie d'électricité.

L'utilisation d'entraînement direct, de moteurs directs et de moteurs linéaires par rapport aux accouplements mécaniques vous permet de concevoir un système pour exécuter des gains plus élevés.

Considération #5 : Utilisez les IHM pour un meilleur dépannage L'intelligence conviviale est désormais disponible via les IHM à écran tactile d'aujourd'hui. Les dessins et schémas de configuration de la machine peuvent être intégrés dans les menus de commande et les outils de diagnostic, afin de mieux gérer le fonctionnement et le dépannage quotidiens de la machine. Les dessins et les outils pédagogiques interactifs peuvent non seulement montrer le point précis où se situe un problème, mais ils peuvent également guider l'opérateur à travers les tâches pour redémarrer la production.

Des graphiques avancés comme celui-ci peuvent être combinés avec l'intelligence distribuée inhérente aux machines à servomoteur, pour prévenir les pannes ou les défauts de la machine avant qu'ils ne surviennent. Avec une telle maintenance prédictive, cette capacité vous permet, à vous ou aux concepteurs de machines, de définir des bandes de tolérance aux pannes dans les disques, puis de surveiller les performances des disques. Les entraînements et moteurs électriques permettent de surveiller un large éventail de conditions – conditions qui sont directement associées aux performances mécaniques ; les variations de charge, de température, de vibration, de couple, de tension de la courroie, d'engrènement des engrenages sont tous des événements mécaniques qui génèrent des changements dans le profil de couple d'un entraînement électrique et d'un moteur déplaçant ces éléments de la machine. Les ingénieurs mécaniciens peuvent définir des bandes de tolérance pour ces composants, et s'ils les dépassent, des alertes de maintenance prédictive peuvent être affichées clairement et intelligemment via l'IHM aux opérateurs, ainsi que des conseils spécifiques sur les prochaines étapes à suivre pour corriger le problème avant qu'il ne devienne grave. problème de production ou quelque chose qui peut endommager la machine.

Avec le système moteur/variateur intégré IndraDrive Mi de Rexroth, plusieurs variateurs sont connectés en guirlande et partagent l'alimentation du même bus, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie.

Combiner les technologies pour une valeur optimaleChaque système électromécanique doit exécuter sa fonction conçue avec une utilisation minimale d'énergie, de mouvement et de composants nécessaires pour faire le travail - c'est l'objectif fondamental de tout ingénieur. Les systèmes d'entraînement électrique et de servomoteurs offrent désormais une multitude de plates-formes fiables, économes en énergie et intelligentes numériquement pour propulser la vision intégrée de la mécatronique vers une plus grande valeur et des solutions de fabrication et d'automatisation plus innovantes.

Espérons que les cinq considérations décrites ici démontrent les avantages qu'offrent les entraînements et commandes électriques d'aujourd'hui, vous aidant à simplifier certains défis de conception et d'ingénierie mécaniques et à fournir de nouvelles ressources pour stimuler l'innovation et la créativité dans la conception de machines.

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Bosch Rexroth AG www.boschrexroth-us.com

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