Les moteurs linéaires permettent l'innovation dans les pinces robotiques
19 septembre 2022
En remplaçant les vérins pneumatiques par des moteurs linéaires, le fabricant de machines et d'installations Keller HCW a mis au point une innovation majeure : des pinces robotisées universelles à haute capacité de charge, capables de saisir, de séparer et de déplacer avec précision et sécurité des produits, même fragiles. La motorisation électrique directe assure non seulement la grande flexibilité de la pince, mais garantit également la répétabilité, la dynamique, la précision et, surtout, l'efficacité énergétique, des performances impossibles à atteindre avec des entraînements pneumatiques.
La pince robotisée à moteurs linéaires développée par Keller HCW est universellement applicable et permet de saisir avec précision et délicatesse même des produits fragiles, en les regroupant avant leur mise en place. (Source de l'image : Keller HCW)
Briques creuses, verres, emballages de nourriture pour chats, tuiles à queue de castor, paquets de mouchoirs, balles de tennis : la nouvelle pince robotisée de Keller HCW manipule tous ces objets en toute sécurité et avec une force optimale. Le fabricant de machines et d'installations a récemment fait la démonstration de ce système lors du salon Automatica de Munich, qui a suscité un vif intérêt. Les pinces robotisées de Keller HCW ont fait leurs preuves depuis des années dans les briqueteries et autres entreprises de l'industrie céramique lourde. Elles servent, par exemple, à saisir des briques crues (briques moulées) et à les positionner à une distance précise afin d'assurer un séchage et une cuisson optimaux. Les briques sont acheminées vers la pince par un convoyeur à tapis continu, sous forme de bande d'environ 20 à 30 briques. La pince saisit la bande entière, positionne chaque brique à la distance optimale lors du déplacement du robot, puis les replace en groupe sur des supports ou des convoyeurs spéciaux. « La difficulté réside dans la variabilité de la résistance des briques moulées, ce qui limite la force de préhension et la vitesse d'approche. De plus, le temps de préhension des briques sur le convoyeur d'alimentation est très court », explique Reinhold Ungruhe, responsable de l'automatisation et de l'ingénierie électrique chez Keller HCW GmbH. À ce jour, les pinces robotisées à entraînement pneumatique sont majoritairement utilisées pour le tri des briques, ainsi que pour d'autres opérations de manutention dans l'industrie de la céramique lourde.
Plages de réglage auparavant limitées à 10 mm par pneumatique
En raison de la course limitée et de la vitesse de réglage relativement lente des vérins pneumatiques, les plages de réglage ne doivent pas excéder 10 mm. Ceci représente un inconvénient lorsque des tuiles de formes et de dimensions différentes sont traitées sur une même ligne, une pratique de plus en plus courante. Ainsi, dans les pays industrialisés, il est désormais fréquent de produire en une seule série, sur une seule ligne, les quelques milliers de tuiles nécessaires à la couverture d'une maison, y compris les tuiles spéciales (telles que les tuiles de rive et de faîtage), selon les spécifications du client.
En pratique, cela signifie que les briqueteries doivent souvent acquérir plusieurs pinces par robot – généralement des robots à 6 axes – et les utiliser en alternance pour couvrir tous les formats et types de briques. Cependant, avec un coût d'acquisition d'environ 50 000 € par pince, cela immobilise un capital important pour les entreprises. Une autre solution consiste à n'acheter qu'une seule pince par robot et à la reconfigurer à chaque changement de format ou de type. Afin de minimiser ces reconfigurations fastidieuses pour l'utilisateur, Keller a développé une pince hybride dont les pinces à entraînement pneumatique sont ajustées par un servomoteur rotatif, permettant ainsi de regrouper davantage de formats et de types de briques avec une seule pince.
Le réglage du système pneumatique requiert une grande délicatesse.
« Le réglage pneumatique est assez délicat en pratique », souligne Reinhold Ungruhe. « Ceci est dû en partie au fait que les actionneurs pneumatiques se comportent différemment selon la température ambiante, ce qui limite la précision du réglage du point de préhension et de la force. » La condensation et autres contaminants présents dans l’air comprimé compliquent encore la situation. Les vérins pneumatiques nécessitent également un entretien : ils doivent être lubrifiés, par exemple. Les joints peuvent aussi s’encrasser ou fuir, notamment à haute fréquence de fonctionnement, ce qui peut nécessiter le remplacement du vérin entier.
Keller a donc franchi une étape supplémentaire en développant une pince de démonstration entièrement électrique, exempte de ces inconvénients. Douze moteurs linéaires LinMot PS01-37Sx120-HP-N actionnent les mâchoires de préhension montées directement sur la pince. Ils se caractérisent par une course maximale de 120 mm, une force maximale de 122 N et une conception particulièrement compacte.
Le moteur linéaire LinMot PS01-37Sx120-HP-N de la série PS01 est compact et se caractérise par une grande course et une force maximale élevée. (Source de l'image : LinMot)
Dynamique et répétabilité élevées grâce aux moteurs linéaires
« Les moteurs linéaires offrent un contrôle plus précis et une dynamique supérieure aux entraînements pneumatiques. Ils permettent également de couvrir des distances de déplacement bien plus importantes en un temps réduit », résume le spécialiste en automatisation et génie électrique de Keller. La disposition des briques peut être préréglée via l'interface utilisateur du système et modifiée d'une simple pression sur un bouton, sans modifications fastidieuses ni changement de pince. Contrairement aux entraînements pneumatiques, la force de préhension est également contrôlable directement. Cette capacité, associée à la grande course et à la dynamique élevée, explique en grande partie la haute dynamique et la répétabilité offertes par les moteurs linéaires, conférant à la pince une grande polyvalence et la capacité de manipuler avec la même fiabilité des produits fragiles comme des bocaux en verre ou des boîtes en carton que des produits robustes. La nouvelle pince utilise 12 servocontrôleurs ProfiNet de la série C1100 de LinMot pour piloter les moteurs linéaires. Ces contrôleurs ont été spécialement conçus pour les applications où les vérins pneumatiques sont remplacés par des moteurs linéaires. Très compacts et légers, ils mesurent seulement 146 mm de hauteur, 26,6 mm de largeur et 106 mm de profondeur. « Ceci est important pour la charge utile de la pince, car nous souhaitions placer les contrôleurs directement sur celle-ci afin de minimiser le nombre de câbles traversant le robot », explique Reinhold Ungruhe. Le surpoids est généralement largement compensé par la suppression des collecteurs de vannes, des composants mécaniques et des capteurs auparavant nécessaires, ainsi que par la flexibilité et la répétabilité accrues des entraînements électriques. « Pour la production en série, l'utilisation des modules multi-axes de LinMot ou des moteurs décentralisés de l'entreprise avec électronique de commande intégrée serait également avantageuse pour réduire davantage le poids et l'encombrement », ajoute l'expert en automatisation.
Écologique et économique
Dans les pays développés, un autre aspect des entraînements électriques directs attire l'attention des utilisateurs : l'efficacité énergétique. « De plus en plus de fabricants de produits en céramique grossière découvrent que l'efficacité énergétique de leurs procédés de production constitue un facteur de différenciation et un atout marketing majeur », rapporte Reinhold Ungruhe.
L'air comprimé ne trouve pas sa place dans ce contexte, car il s'agit de l'une des sources d'énergie les moins efficaces et donc les plus coûteuses. Seuls 5 % environ de l'énergie consommée sont disponibles pour l'actionneur. En particulier avec les vérins à grande vitesse, le niveau sonore élevé à lui seul démontre le gaspillage d'énergie considérable. L'investissement initial plus important dans un entraînement électrique est rapidement amorti. Même avec des calculs prudents, son rendement d'environ 97 % permet un retour sur investissement en trois ans maximum. Il n'est donc pas surprenant que de plus en plus d'entreprises cherchent à éliminer complètement l'air comprimé de leurs processus de production. Keller a récemment mis en œuvre un système de remplissage de blocs de béton creux avec de la laine de roche, entièrement sans pneumatique. « Le vif intérêt suscité par la pince lors du salon Automatica de Munich confirme notre analyse : de nombreux secteurs, au-delà de la céramique lourde, suivent cette tendance et recherchent une solution de préhension et de séparation flexible et fiable, basée sur des moteurs linéaires », déclare Reinhold Ungruhe, optimiste quant à l'avenir proche.