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5 considérations mécaniques pour les ingénieurs électriciens

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Essayer de dimensionner et d'espacer les composants électriques avant de définir la mécanique peut entraîner des pertes de temps et des retouches.

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Les systèmes mécatroniques de haute performance nécessitent une interaction complexe des systèmes électriques et mécaniques pour accomplir des tâches de plus en plus exigeantes. Le problème ? Les ingénieurs mécaniciens et les ingénieurs électriciens sont souvent formés dans leur seul domaine d'expertise et ne communiquent tout simplement pas autant qu'ils le devraient lorsqu'ils conçoivent des systèmes électromécaniques - une surveillance qui peut entraîner des coûts plus élevés et un rendement moins fiable.

La plupart des ingénieurs impliqués dans le dimensionnement, la sélection et la mise en service des systèmes mécatroniques rencontreront ces problèmes tant pendant la phase de conception que sur le terrain. Pour aider à combler le fossé entre les ingénieurs électriciens et les ingénieurs mécaniciens, voici cinq éléments importants dont les ingénieurs électriciens doivent tenir compte lors de la conception des systèmes mécatroniques.

Considération no 1 : Le coût total de possession est tout ce qui compte

Il va de soi que les systèmes mécatroniques doivent être conçus pour obtenir les meilleures performances possibles au meilleur coût et à long terme. Cependant, la nécessité de documenter les économies de coûts sur une base annuelle (plutôt que sur la durée de vie du système) peut être une puissante motivation pour les ingénieurs à rechercher des composants moins coûteux pour maintenir le coût initial du système mécatronique à un bas niveau.

En effet, des éléments apparemment simples qui peuvent sembler des décisions faciles à prendre à l'époque peuvent causer des maux de tête douloureux plus tard. Par exemple, l'utilisation d'accouplements à soufflet moins coûteux entre le moteur ou le réducteur et l'arbre d'entrée de l'actionneur est un choix parfaitement approprié dans de nombreuses applications avec moteur pas à pas. En fait, un accouplement légèrement plus spongieux peut fournir une certaine quantité d'amortissement dans les applications de prise et de pose de charges plus lourdes. Le sacrifice, bien sûr, est la précision, et dans de nombreux systèmes mécatroniques, qui sont généralement entraînés par servomoteur, il est préférable d'utiliser des accouplements plus rigides de type élastomère.

L'utilisation d'accouplements moins coûteux peut vous faire économiser de l'argent à court terme, mais si vous n'obtenez pas la rigidité requise, la reconception et la modernisation du système de montage du moteur peuvent facilement vous coûter trois fois ou plus l'argent économisé au départ avec l'accouplement économique. De plus, vous aurez le coût supplémentaire des temps d'arrêt et de la perte de production, ce qui n'est pas un bon compromis. Le coût total de possession (TCO) est vraiment la considération la plus importante dans toute conception de système mécatronique, et les quatre points restants contribueront également, en fin de compte, à réduire le TCO.

Considération #2 : Toujours regarder d'abord la mécanique

Il est très important pour les ingénieurs électriciens de s'impliquer dans la conception mécanique d'un système mécatronique, ou du moins de comprendre sa conception, avant de passer à la conception électrique et aux commandes. Essayer de dimensionner et de spécifier les composants électriques avant de définir la mécanique peut entraîner des pertes de temps et des retouches, car des paramètres tels que l'inertie et le couple sont fortement influencés par le choix des composants mécaniques.

Les ingénieurs Bosch Rexroth utilisent un système appelé LOSTPED pour les aider à dimensionner et sélectionner les composants mécaniques les mieux adaptés aux exigences de performance de l'application. LOSTPED est simplement un acronyme qui signifie Charge, Orientation, Vitesse, Déplacement, Précision, Environnement et Cycle de fonctionnement. En bref, il s'agit d'un examen systématique de tous les attributs de performance et de conception qui doivent être pris en compte, l'objectif final étant la conception optimale du système pour chaque application.

Si vous ne suivez pas ce processus, vous risquez d'obtenir des systèmes mécaniques plus grands ou plus coûteux que ce qui est nécessaire. Par exemple, si l'équipementier ou l'utilisateur final force la conception à s'adapter à un moteur spécifique sans tenir compte des critères LOSTPED, des composants mécaniques plus gros peuvent être nécessaires pour gérer le couple ou l'inertie du moteur que ceux réellement nécessaires pour l'application. Il en va de même pour les systèmes de contrôle. Si un actionneur à vis à billes peut atteindre une répétabilité de 0,01 mm, vous devez vous assurer que le codeur peut respecter ou dépasser cette spécification, sinon vous ne pourrez pas profiter de la précision de la vis à billes.

Il est dans la nature humaine de vouloir utiliser des composants qui sont en stock ou que l'utilisateur connaît bien, comme des moteurs, des entraînements et des commandes qui ont été utilisés sur d'autres machines, mais chaque système mérite son propre examen pour s'assurer que les composants et le système dans son ensemble sont optimisés en termes de coût et de performance. Sinon, vous risquez de laisser de l'argent sur la table ou de ne pas obtenir les performances dont vous avez besoin.

Considération #3 : N'essayez pas d'insérer une cheville carrée dans un trou rond

Le dernier exemple est assez courant qu'il vaut la peine de le souligner comme une considération importante en soi : N'essayez pas d'insérer une cheville carrée dans un trou rond. De nombreux ingénieurs électriciens connaissent bien certains moteurs et entraînements, ou sont contraints d'économiser de l'argent en utilisant des composants qu'ils possèdent déjà. L'utilisation d'un moteur physiquement trop gros, cependant, peut causer des problèmes de montage. Il pourrait fournir trop de couple pour que le module linéaire puisse le manipuler (causant une défaillance mécanique ou une rupture), ou il pourrait causer de l'inertie et des problèmes de tassement.

Un tassement imprévisible peut être un problème particulier dans les applications de précision, telles que la distribution, l'insertion de broches ou l'assemblage de précision dans les semi-conducteurs et les applications médicales. Si le moteur est surdimensionné et a trop d'inertie, l'actionneur peut avoir du mal à atteindre la position souhaitée, ce qui entraîne des temps de cycle globaux plus longs que nécessaire.

Particulièrement dans les applications de précision, vous devriez essayer de dimensionner les composants mécaniques et électriques afin d'obtenir un rapport d'inertie aussi proche que possible de 1 pour 1. Maintenir la consommation d'énergie au minimum requis pour l'application est également important pour les clients qui cherchent à réduire leur impact environnemental et à rendre leurs opérations de fabrication plus écologiques.

Considération #4 : N'oubliez pas "crétin"

"Jerk" est le taux de variation de l'accélération, ou l'accumulation de l'accélération de l'axe. Pensez à la sensation que vous ressentez lorsque vous décollez de la prochaine colline sur une montagne russe. C'est la limitation du paramètre jerk (vitesse à laquelle vous accélérez) qui vous permet d'expérimenter l'accélération des montagnes russes sans développer de coup du lapin.

L'accélération est importante dans les applications mécatroniques pour obtenir le mouvement désiré dans le temps requis, mais si le choc (la vitesse d'accélération du système) est trop élevé, des vibrations peuvent en résulter et entraîner une perte de positionnement ou une usure prématurée des composants. D'un autre côté, si les concepteurs du système électrique ne tiennent pas compte de l'amplitude de la secousse requise pour l'application, le moteur peut être sous-dimensionné et ne pas permettre d'atteindre les performances requises.

Considération no 5 : Les câbles doivent être gérés

La gestion des câbles est l'un des attributs les plus souvent négligés dans les systèmes mécatroniques. Ne faites pas cette erreur, elle peut être coûteuse. Les câbles et les chemins de câbles nécessitent de l'espace physique et un mouvement rapide et multiaxial nécessite souvent des câbles capables de supporter des virages serrés et des cycles de service élevés.

Particulièrement lors de la conception du système de gestion des câbles, l'utilisation théorique et les besoins en espace peuvent être très différents de ce qui est requis dans le monde réel. Une fois installé dans la machine ou l'usine, l'environnement actif du système peut inclure des machines adjacentes, les murs, poteaux ou poutres de l'usine, et d'autres pièces ou outillages qui causent des interférences avec le système de gestion des câbles. Une décharge de traction appropriée pour les câbles est également critique car les câbles pliés et tordus au-delà de leurs spécifications présentent un risque d'incendie ou de courts-circuits.

Tout s'additionne au TCO

L'objectif ultime dans la conception de tout système électromécanique doit être d'atteindre la performance optimale, mécaniquement et électriquement, pour réaliser le travail avec le coût total le plus bas. Dans le monde réel, bon nombre de ces systèmes sont conçus par des équipes d'ingénieurs des deux disciplines, travaillant en tandem.

C'est le modèle idéal, mais la mécatronique étant une discipline relativement jeune, les problèmes décrits ici se posent trop souvent, car peu d'ingénieurs en mécanique ou en électricité ont l'expérience ou la compréhension de leur homologue dans l'autre discipline. Les cinq conseils ci-dessus ont pour but d'aider à combler cette lacune et d'éviter les surprises coûteuses, malvenues et fastidieuses. Et des milliers de dollars d'économies à long terme en réduisant le coût total de possession ? Qui peut s'y opposer ?