Réducteur RV pour positionneurs de soudage : sélection et calcul du couple pour les applications de soudage intensives

Introduction

Un positionneur de soudage est un composant de mouvement essentiel dans les systèmes de soudage automatisés. En faisant tourner et en repositionnant une pièce, il permet au robot de soudage ou à l'opérateur de maintenir un angle de soudage approprié tout au long du processus. Toutefois, pour les positionneurs de soudage à usage intensif, l'entraînement rotatif doit assurer bien plus qu'une simple réduction de vitesse. Il doit fournir un couple de sortie suffisant, une rigidité torsionnelle élevée, une rotation stable à basse vitesse, un positionnement précis et des performances fiables lors d'accélérations, de décélérations et d'inversions fréquentes.

C'est pourquoi unréducteur RVest largement considéré comme une solution de transmission adaptée aux positionneurs de soudage de moyenne et forte capacité. Par rapport aux réducteurs à engrenages conventionnels, unréducteur à engrenages RVpeut offrir une densité de couple élevée, une grande rigidité, un faible jeu et une forte résistance aux charges de choc dans un ensemble relativement compact.

Cet article explique comment sélectionner un réducteur RV et un servomoteur pour un positionneur de soudage en tenant compte de la masse de la pièce, du rayon de rotation, de la vitesse de sortie, du couple de charge, de l'inertie, de l'accélération et des exigences de positionnement.

Pourquoi utiliser un réducteur RV pour un positionneur de soudage ?

Un positionneur de soudage fonctionne généralement à une vitesse de sortie relativement faible tout en exigeant un couple élevé sur l'axe de rotation. Dans le même temps, la pièce peut peser des centaines, voire des milliers de kilogrammes.

Le système d'entraînement doit donc convertir la sortie à grande vitesse et à couple relativement faible d'un servomoteur en un mouvement rotatif contrôlé à couple élevé.

Un réducteur RV est particulièrement adapté à cette application, car il combine plusieurs caractéristiques importantes pour les positionneurs de soudage :

• Rapports de réduction élevés

• Couple de sortie élevé

• Rigidité torsionnelle élevée

• Faible jeu

• Densité de couple élevée

• Bonne résistance aux charges de choc

• Fonctionnement stable lors de la rotation à basse vitesse

• Compatibilité avec les systèmes de positionnement par servomoteur

Le réducteur RV approprié ne doit toutefois pas être sélectionné uniquement en fonction du poids de la pièce. Le calcul réel doit prendre en compte l'ensemble du profil mécanique et de mouvement du positionneur de soudage.

Paramètres de conception typiques pour un positionneur de soudage

Considérons un positionneur de soudage à tête et contre-pointe présentant les spécifications préliminaires suivantes :

L'objectif de ce calcul est de déterminer le rapport de réduction approximatif, le couple moteur et la capacité de couple du réducteur RV requis pour l'axe de rotation.

Dans une machine réelle, les valeurs doivent être remplacées par la géométrie réelle de la pièce, la position du centre de gravité, la masse du montage, l'inertie, le temps d'accélération et le cycle de fonctionnement.

Sélection du réducteur RV et calcul du couple

Étape 1 : Calculer la vitesse de sortie requise

La vitesse de rotation maximale est spécifiée comme suit :

70°/s

Conversion de la vitesse angulaire en tours par minute :

nL = 70 / 360 × 60

Par conséquent :

nL ≈ 11.67 rpm

Le positionneur de soudage nécessite donc une vitesse de sortie d'environ 11.7 rpm à la vitesse de fonctionnement maximale.

Cette faible vitesse de sortie est l'une des principales raisons pour lesquelles un réducteur à rapport élevé est requis entre le servomoteur et l'axe de rotation.

Étape 2 : Déterminer le rapport du réducteur RV

En supposant un servomoteur ayant une vitesse nominale de 3000 rpm :

i = nM / nL

En remplaçant par les valeurs :

i = 3000 / 11.67 ≈ 257

Par conséquent, un rapport de réduction d'environ 250:1 est adapté du point de vue de l'adaptation de vitesse.

Par exemple, avec un rapport de réduction de 250:1 :

nL = 3000 / 250 = 12 rpm

La vitesse de rotation correspondante est :

12 × 360 / 60 = 72°/s

La vitesse de sortie maximale obtenue est d'environ 72°/s, ce qui dépasse légèrement les 70°/s requis.

Le rapport de réduction réel doit finalement être sélectionné selon les rapports de réducteur RV disponibles, la plage de vitesse du servomoteur et le profil de mouvement requis.

Étape 3 : Calculer l'inertie de la pièce

L'inertie de rotation de la pièce a une influence importante sur le couple dynamique requis par le positionneur de soudage.

Pour une estimation technique initiale, la charge peut être simplifiée comme une masse équivalente située à un rayon de rotation donné :

JL = m × R²

Pour une pièce de 500 kg avec un rayon équivalent de 0.6 m :

JL = 500 × 0.6²

Par conséquent :

JL = 180 kg·m²

Il ne s'agit que d'une approximation préliminaire. Dans un positionneur de soudage réel, l'inertie de rotation totale doit également inclure le montage, le mandrin, la plaque de montage, l'accouplement, l'arbre de sortie et les autres composants rotatifs.

Pour les pièces de grande taille ou irrégulières, le calcul du centre de masse réel et du moment d'inertie produira un résultat beaucoup plus fiable.

Étape 4 : Calculer le couple de charge gravitationnelle

Si le centre de gravité de la pièce est décalé par rapport à l'axe de rotation, la gravité crée un couple de charge statique.

La relation de base est :

TL = m × g × e

où m est la masse de la pièce, g est l'accélération gravitationnelle et e est la distance perpendiculaire entre le centre de gravité et l'axe de rotation.

Si le décalage effectif est supposé être de 600 mm :

TL = 500 × 9.81 × 0.6

Par conséquent :

TL ≈ 2943 N·m

Cette valeur représente le couple gravitationnel dans la condition supposée de charge excentrée.

Il est important de distinguer le rayon physique de la pièce du décalage du centre de gravité. Si le centre de gravité de la pièce est proche de l'axe de rotation, le couple gravitationnel réel sera nettement inférieur à celui de cet exemple conservateur.

Cette distinction est importante lors de la sélection d'un réducteur RV pour un positionneur de soudage réel.

Étape 5 : Prendre en compte le couple d'accélération et de décélération

Le couple statique n'est qu'une partie du calcul.

Pendant l'accélération et la décélération, le système rotatif doit également surmonter l'inertie de la pièce.

Le couple inertiel peut être estimé à l'aide de :

TJ = JL × α

où JL est l'inertie de rotation totale et α est l'accélération angulaire du côté de la pièce.

Cela signifie que deux positionneurs de soudage portant la même pièce de 500 kg peuvent nécessiter des réducteurs RV totalement différents si leurs temps d'accélération diffèrent.

Par exemple, un positionneur conçu pour une rotation lente et régulière peut présenter un couple dynamique relativement faible, tandis qu'un positionneur à grande vitesse avec accélération et freinage rapides peut générer un couple de pointe nettement plus élevé.

Le profil d'accélération et de décélération doit donc toujours être inclus dans la sélection finale du réducteur RV.

Étape 6 : Calculer le couple de servomoteur requis

Le couple de sortie du réducteur RV peut être approximé par :

Tout = TM × i × η

Par conséquent, le couple moteur requis est :

TM = Tout / (i × η)

En supposant :

TL = 2943 N·m

i = 250

η = 0.85

Le couple côté moteur devient :

TM = 2943 / (250 × 0.85)

TM ≈ 13.85 N·m

Si un facteur de sécurité préliminaire de 2.0 est appliqué :

TM,rated = 13.85 × 2

TM,rated ≈ 27.7 N·m

Le servomoteur doit donc avoir un couple nominal d'environ 28 N·m ou plus dans cette condition de charge supposée.

Un servomoteur typique de 11 kW fonctionnant à 3000 rpm fournit environ :

T = 9550 × P / n

T = 9550 × 11 / 3000

T ≈ 35 N·m

D'après ce calcul préliminaire, un servomoteur de 11 kW et 3000 rpm peut fournir un couple nominal suffisant pour la condition supposée.

Toutefois, la sélection finale du moteur doit également vérifier le couple de pointe, la capacité de surcharge, la capacité thermique, la résolution de l'encodeur et le cycle de service complet.

Étape 7 : Sélectionner le réducteur RV selon le couple de sortie

Le réducteur RV doit être capable de transmettre en continu le couple de charge requis tout en supportant le couple transitoire lors de l'accélération, de la décélération, des arrêts d'urgence et de l'inversion.

En utilisant un facteur de sécurité préliminaire de 2.0 :

Tcontinuous ≥ 2943 × 2

Tcontinuous ≥ 5886 N·m

Pour une vérification conservatrice de la charge de pointe utilisant trois fois le couple de charge statique :

Tpeak ≥ 2943 × 3

Tpeak ≥ 8829 N·m

Par conséquent, pour cette condition supposée de charge excentrée, un réducteur RV avec environ :

Couple de sortie nominal ≥ 6000 N·m

et :

Capacité de couple de pointe ≥ 9000 N·m

constituerait un point de départ raisonnable pour une sélection ultérieure du modèle.

Le réducteur réel doit être sélectionné selon le couple nominal du fabricant, le couple de pointe admissible, le facteur de service, la vitesse d'entrée, la durée de vie nominale et le cycle de service.

Pourquoi le couple de pointe est-il important dans les positionneurs de soudage ?

Un positionneur de soudage fonctionne rarement à vitesse constante.

Un cycle de mouvement typique peut comprendre :

Accélération → rotation à vitesse constante → décélération → arrêt → rotation inverse

Lors de ces transitions, le couple inertiel de la pièce peut devenir important.

Un arrêt d'urgence peut créer des charges transitoires encore plus élevées.

C'est pourquoi sélectionner un réducteur RV uniquement selon son couple nominal continu peut conduire à un système de transmission sous-dimensionné.

Les paramètres suivants doivent être vérifiés ensemble :

• Couple de sortie continu

• Couple de sortie de pointe

• Vitesse d'entrée

• Vitesse de sortie

• Inertie de charge

• Accélération et décélération

• Cycle de service

• Charges radiales et axiales

• Jeu et rigidité torsionnelle

Cette approche fournit une base beaucoup plus fiable pour la sélection d'un réducteur RV.

Jeu du réducteur RV et précision de positionnement

La précision de positionnement est un autre facteur important pour les positionneurs de soudage automatisés.

La chaîne de transmission mécanique se compose normalement de :

Servomoteur → réducteur RV → arbre de sortie → montage → pièce

Toute erreur mécanique dans cette chaîne peut influencer la position finale de la pièce.

Le jeu est particulièrement important, car l'inversion du sens de rotation peut introduire une erreur angulaire entre les côtés entrée et sortie.

Par exemple, en supposant une erreur angulaire de 1 arcmin :

θ = 1 / 60 × π / 180

θ ≈ 0.000291 rad

À un rayon de rotation de 600 mm :

ΔL = θ × R

ΔL ≈ 0.000291 × 600

ΔL ≈ 0.175 mm

Cet exemple montre que lorsque l'application exige une répétabilité linéaire d'environ 0.1 mm au rayon de la pièce, le jeu du réducteur à lui seul peut devenir un facteur important.

Toutefois, la précision de positionnement du système ne peut pas être déterminée à partir du seul jeu du réducteur.

Elle dépend également de :

• Résolution de l'encodeur servo

• Performances de commande servo

• Précision de transmission du réducteur RV

• Déformation torsionnelle

• Rigidité de l'arbre de sortie

• Rigidité du montage

• Précision d'installation

• Déformation de la pièce

Par conséquent, un encodeur haute résolution ne garantit pas automatiquement une grande précision mécanique de positionnement.

Comment améliorer les performances de positionnement d'un positionneur de soudage ?

Utiliser un réducteur RV à faible jeu et à grande rigidité

Un réducteur présentant un faible jeu et une grande rigidité torsionnelle aide à réduire le mouvement angulaire causé par les changements de charge et les mouvements d'inversion.

Utiliser un encodeur absolu haute résolution

Un encodeur absolu fournit un retour précis au système servo et peut réduire l'incertitude de positionnement.

Pour les applications nécessitant le maintien de la position après une coupure de courant, un encodeur absolu multitour peut également être envisagé.

Augmenter la rigidité structurelle côté sortie

Même un réducteur RV haute performance ne peut pas compenser une déformation excessive de l'arbre de sortie, de la plaque de montage, du montage ou du bâti de machine.

La structure mécanique doit donc être conçue avec une rigidité suffisante pour la charge réelle de la pièce.

Envisager un retour de position côté sortie

Pour les positionneurs de soudage de haute précision, un retour direct de position sur l'axe de sortie peut fournir des informations plus précises sur la position réelle de la pièce que le recours exclusif à l'encodeur côté moteur.

Positionneurs de soudage à entraînement unique ou double entraînement

Les positionneurs de soudage à tête et contre-pointe peuvent utiliser soit un seul entraînement rotatif, soit une configuration à double entraînement.

Positionneur de soudage à entraînement unique

Dans une conception à entraînement unique, un système d'entraînement fournit le couple rotatif principal. Le réducteur RV, l'arbre de sortie, l'agencement des roulements et le bâti de machine doivent donc être conçus pour supporter l'ensemble des conditions de charge.

Positionneur de soudage à double entraînement

Une configuration à double entraînement utilise des servomoteurs et des réducteurs aux deux extrémités de la pièce.

Si la charge est répartie uniformément, chaque entraînement peut théoriquement supporter environ la moitié du couple moyen total.

Toutefois, la charge totale ne peut pas être simplement divisée par deux lors de la conception technique finale.

Des différences d'alignement mécanique, de synchronisation servo, de rigidité, de frottement et de répartition de charge peuvent entraîner un partage inégal du couple entre les deux systèmes d'entraînement.

Un positionneur de soudage à double entraînement nécessite donc à la fois une synchronisation mécanique et une commande servo coordonnée.

Principaux avantages des réducteurs RV pour les positionneurs de soudage

Rigidité torsionnelle élevée

Une rigidité torsionnelle élevée aide à maintenir un positionnement stable de la pièce pendant le soudage et réduit la déflexion angulaire causée par les variations de charge.

Densité de couple élevée

Un réducteur à engrenages RV peut délivrer un couple de sortie élevé dans un carter relativement compact, ce qui le rend adapté aux axes rotatifs à usage intensif où l'espace d'installation est limité.

Faible jeu

Un faible jeu contribue à améliorer la précision d'inversion et le positionnement répétable, ce qui est particulièrement important pour les applications de soudage robotisé.

Forte résistance aux charges de choc

Les grandes pièces peuvent générer des charges transitoires importantes lors de l'accélération, de la décélération, du chargement et de l'arrêt d'urgence. Un réducteur RV correctement dimensionné peut offrir la robustesse mécanique requise pour ces conditions de fonctionnement.

Adapté aux mouvements contrôlés par servomoteur

Les réducteurs RV peuvent être associés à des servomoteurs AC et à des encodeurs haute résolution afin de créer des systèmes de positionnement rotatif en boucle fermée pour les équipements de soudage automatisés.

Exemple de sélection d'un réducteur RV pour un positionneur de soudage de 500 kg

Pour l'exemple étudié dans cet article :

Sur la base de ces calculs préliminaires, un réducteur RV avec un couple de sortie nominal d'environ 6000 N·m ou plus et une capacité de couple de pointe suffisante peut être envisagé pour une évaluation plus approfondie.

Le modèle exact de réducteur doit être confirmé après vérification du centre de gravité réel de la pièce, de l'inertie totale, du temps d'accélération, du cycle de fonctionnement, des charges radiales et axiales, de la configuration de montage et de la durée de vie requise.

Erreurs courantes lors de la sélection d'un réducteur RV pour un positionneur de soudage

Sélectionner le réducteur uniquement selon le poids de la pièce

Une pièce de 500 kg ne nécessite pas automatiquement la même spécification de réducteur RV dans toutes les applications.

Le décalage du centre de gravité, l'inertie, l'accélération et la géométrie du montage peuvent modifier considérablement le couple requis.

Ignorer le couple dynamique

Le couple gravitationnel statique ne suffit pas pour les applications impliquant une accélération, un freinage ou une inversion rapides.

Le couple inertiel doit être inclus dans le calcul final.

Sélectionner uniquement selon la puissance moteur

Un servomoteur de 11 kW ne détermine pas automatiquement le bon réducteur RV.

Le réducteur doit être adapté en fonction de la vitesse d'entrée, du couple de sortie, du couple de pointe, du rapport de réduction, de l'inertie, du cycle de service et de la charge mécanique.

Ignorer le jeu

Un réducteur peut fournir un couple suffisant tout en ne satisfaisant pas les performances de positionnement requises si sa précision mécanique et sa rigidité sont insuffisantes pour l'application.

Ignorer le montage et la structure rotative

La pièce n'est pas la seule masse rotative. Les mandrins, montages, plaques de montage, accouplements, arbres et autres composants contribuent également à l'inertie de rotation totale.

Conclusion

La sélection d'un réducteur RVpour un positionneur de soudage exige davantage que l'adaptation du réducteur au poids de la pièce. L'ensemble du système rotatif doit être évalué en fonction du couple de charge, du décalage du centre de gravité, de l'inertie de rotation, de l'accélération, de la vitesse maximale, du couple de pointe, du jeu, de la rigidité torsionnelle et des exigences de positionnement.

Pour l'exemple de positionneur de soudage de 500 kg présenté dans cet article, une vitesse de rotation maximale de 70°/s correspond à une vitesse de sortie d'environ 11.67 rpm. Avec un servomoteur de 3000 rpm, un rapport de réduction d'environ 250:1 fournit une vitesse de sortie d'environ 12 rpm.

Avec le décalage supposé de 600 mm du centre de gravité, le couple gravitationnel calculé est d'environ 2943 N·m. Avec un facteur de sécurité préliminaire, l'exigence de couple de sortie continu atteint environ 5886 N·m, tandis qu'une vérification conservatrice de la charge de pointe donne environ 8829 N·m.

Cela fournit un point de départ utile pour sélectionner un réducteur à engrenages RV à couple élevé et à grande rigidité destiné aux positionneurs de soudage à usage intensif.

Toutefois, pour la conception d'une machine réelle, ces calculs doivent être affinés à l'aide du centre de gravité réel de la pièce, de l'inertie de rotation complète, du profil d'accélération et de freinage, de la masse du montage, des charges radiales et axiales, du cycle de fonctionnement et des données techniques spécifiques du réducteur RV sélectionné.

Un réducteur RV et un servomoteur correctement adaptés peuvent fournir la combinaison de couple élevé, de positionnement précis, de rotation stable à basse vitesse et de rigidité mécanique nécessaire aux positionneurs de soudage robotisés, aux vireurs de soudage et à d'autres équipements rotatifs automatisés à usage intensif.