Axe vertical d'un portique de dépose : choix technologique et dimensionnement
Un intégrateur doit concevoir l'axe vertical d'un portique de dépose de cartons dans un atelier de conditionnement. La pince et le carton représentent ensemble 12 kg. La course utile est de 600 mm, la précision de positionnement exigée est de ±0,5 mm et le déplacement le plus long doit être réalisé en 2 s. Le cahier des charges impose 900 cycles par heure, soit 4 s par cycle, et une accélération maximale de 5 m/s² pour ne pas décoller le carton. L'armoire existante peut recevoir un variateur 400 V triphasé ; l'atelier dispose d'air comprimé à 6 bar. Le client hésite entre un vérin pneumatique à butées réglables, un moteur asynchrone freiné associé à une vis à billes de pas 10 mm (rendement 0,9, frottements estimés à 50 N) et un servomoteur. Un opérateur accède à la zone située sous le portique toutes les 20 min pour recharger les cartons, et aucun protecteur fixe n'est possible.
1. Comparer les trois solutions d'actionnement vis-à-vis de la précision, de la tenue du cycle et de la repetabilité, puis justifier un choix argumenté pour le client.
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Vérin pneumatique : rapide et économique, mais il ne positionne que sur butées ; le jeu des guidages, la compressibilité de l'air et la détente en fin de course donnent typiquement ±1 à ±2 mm, hors tenue de ±0,5 mm. Il ne permet pas de position intermédiaire et son comportement varie avec la pression et la charge, donc la repetabilité se dégrade à 900 cycles/h.
Moteur asynchrone freiné + vis à billes : la vis donne une bonne résolution mécanique et le frein tient la charge à l'arrêt, mais sans codeur le positionnement se fait sur capteur, ce qui ramène la précision au capteur et au temps d'arrêt ; à faible vitesse le moteur asynchrone manque de couple et chauffe. C'est viable en boucle ferméeavec codeur et variateur vectoriel, avec un surcoût d'intégration non négligeable.
Servomoteur + vis à billes : boucle fermée, couple disponible dès 0 tr/min, positionnement programmable, prise en compte de la charge par le variateur. C'est la seule solution qui garantit ±0,5 mm de façon répétable sur des milliers de cycles.
Conclusion : retenir servomoteur + vis à billes. Le pneumatique est écarté pour la précision et l'absence de position intermédiaire ; l'asynchrone n'est retenu que si le budget interdit le servo et si un codeur est ajouté.
2. Pour la solution vis à billes (pas 10 mm, rendement 0,9, frottements 50 N), calculer la vitesse de rotation et le couple moteur nécessaires au mouvement de montée, puis conclure sur le choix du moteur et du réducteur.
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Profil de vitesse : avec une accélération limitée à a = 5 m/s², un profil triangulaire sur 0,6 m demanderait une pointe de 5 m/s, impossible. Le profil est donc trapézoïdal : d = v·(t − v/a), soit v²/5 − 2v + 0,6 = 0, d'où v_max ≈ 0,31 m/s.
Vitesse de rotation : n = v/pas = 0,31/0,010 = 31 tr/s ≈ 1 860 tr/min. Un moteur 4 pôles à 2 000 tr/min nominal associé à la vis directement (sans réducteur) convient ; un réducteur n'apporterait que du jeu et de l'inertie.
Effort et couple : en montée, F = m(g + a) + frottements = 12 × 14,81 + 50 ≈ 228 N. Couple à la vis : C = F·pas/(2π·η) = 228 × 0,01/(2π × 0,9) ≈ 0,40 N·m. En descente, il faut vérifier le couple de freinage, car la charge est entraînante : F = m(g − a) + frottements ≈ 108 N, le moteur doit retenir.
Conclusion : retenir un servomoteur d'environ 0,75 à 1 kW, 2 000 tr/min, couple permanent ≥ 1 N·m (marge pour l'inertie de la vis, les à-coups et le vieillissement), avec frein de maintien et codeur. Le dimensionnement se valide ensuite sur le couple efficace du cycle, pas seulement sur le couple de pointe.
3. L'opérateur accède à la zone toutes les 20 min. Proposer une démarche de prévention et une architecture de sécurité chiffrée, en justifiant le niveau de performance visé et la distance d'implantation du dispositif.
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Démarche : appliquer l'ISO 12100 dans l'ordre - supprimer le risque (repousser le stock hors zone, rechargement par l'extérieur), puis protéger (dispositif de protection), puis informer. Un protecteur fixe étant exclu, le risque de écrasement par l'axe en descente impose un dispositif de protection détectant la présence : barrière immatérielle type 4 ou scanner de sécurité.
Niveau de performance : l'analyse de risque (gravité, fréquence d'exposition élevée toutes les 20 min, possibilité d'évitement faible sur un axe de 12 kg) conduit à une fonction « empêchement du mouvement dangereux » en PL d selon l'ISO 13849-1, soit architecture de catégorie 3 : deux voies, surveillance de cohérence, test des sorties, relais de sécurité ou automate de sécurité, redémarrage manuel hors zone.
Distance : selon l'ISO 13855, S = 1 600 × T + 8(d − 14) avec d la capacité de détection. Avec T = 0,03 s (réponse barrière) + 0,35 s (arrêt de l'axe) = 0,38 s et d = 30 mm : S = 608 + 128 = 736 mm, arrondi à 750 mm au sol devant la zone. À vérifier avec le temps d'arrêt mesuré, frein compris.
Point de vigilance : la fréquence d'accès élevée incite l'opérateur à contourner. Prévoir un mode de rechargement sans franchissement, sinon le risque de neutralisation rend le dispositif inefficace.