Analyse des caractéristiques de la transmission sans arbre des presses offset

Tout mouvement mécanique nécessite une force motrice, et la force motrice d'une presse doit remplir les conditions suivantes : stabilité continue ; conformité aux exigences de l'opération d'impression, avec variation continue de la vitesse.

Avant l'introduction de la transmission sans arbre sur les presses, les presses à journaux ont connu deux générations de régulation électrique de la vitesse. Avant les années 1970, les presses à journaux utilisaient largement des moteurs à courant alternatif à bagues pour fournir la puissance ; cette technique de régulation peut être appelée la première génération de commande d'entraînement à vitesse variable des presses à journaux. Après les années 1970, avec les progrès de la régulation à courant continu, la régulation à courant continu et la régulation par moteur à glissement se sont largement répandues sur les presses ; cette technique peut être appelée la deuxième génération de commande d'entraînement à vitesse variable des presses à journaux. En 1992, Rexroth a mis au point le premier système de transmission sans arbre destiné à l'entraînement des presses, SYNAX ; au cours de la décennie suivante, la régulation sans arbre a remplacé les autres modes de régulation de vitesse des presses à journaux.

Première partie : présentation de la transmission sans arbre

La technique de transmission sans arbre est progressivement devenue un nouveau concept de la technique des presses. En franchissant les limites mécaniques, la transmission sans arbre apporte des évolutions et des percées dans la conception et la fabrication des presses. La technique de transmission sans arbre des presses, dont le point de départ est le premier système de transmission sans arbre SYNAX mis au point par Rexroth en 1992 pour l'entraînement des presses, est une technique de commande d'entraînement de presse développée à partir de là ; plusieurs fabricants spécialisés dans les entraînements dans le monde disposent aujourd'hui de cette technique.

1 Normes de la transmission sans arbre des presses

1) Communication de la transmission sans arbre
La technique de transmission sans arbre utilise une technique intelligente décentralisée et est conçue selon la norme internationale de communication d'entraînement SERCOS (Serial Real time Communication System, système de communication série en temps réel) ; les informations de commande sont transmises en temps réel et de manière numérique par fibre optique. Chaque groupe de moteurs utilise une carte intelligente décentralisée capable de commander 40 positions de moteurs ; les informations de commande émises par la carte intelligente décentralisée permettent de commander souplement la position de fonctionnement des moteurs. La technique de communication par fibre optique des cartes intelligentes décentralisées relie 32 cartes entre elles pour former un groupe de commande de moteurs pouvant atteindre 1000 positions.

2) Synchronisation de la transmission sans arbre des presses
La transmission sans arbre d'une presse se compose de trois parties : un variateur de fréquence numérique intelligent, un moteur à courant alternatif et un système de rétroaction en boucle fermée à codeur numérique 32 bits. La synchronisation de la transmission sans arbre de la presse repose sur le système de rétroaction en boucle fermée à codeur numérique 32 bits, qui effectue 4000 corrections de position du moteur à courant alternatif par seconde. Le variateur de fréquence numérique intelligent entraîne le moteur à courant alternatif par pas de 2 millions d'unités ; via la liaison réseau numérique par fibre optique avec interface Ethernet, il satisfait pleinement à la résolution d'impression et à la précision de repérage exigées par la qualité d'impression.

2 Avantages de la transmission sans arbre des presses pour la commande d'impression

1) Décentralisation et modularisation de l'entraînement des presses. Réalisation d'un entraînement miniaturisé pour les configurations d'impression à plusieurs bandes ; par exemple, sur la presse Roland à double diamètre de cylindre en configuration tour H à huit couleurs, la puissance du moteur d'entraînement passe d'un moteur unique de capacité ≥90 kW à un moteur unique de capacité ≤27 kW, et l'impact du démarrage de l'équipement sur le réseau électrique est réduit de plus de 3 fois ;

2) Suppression des erreurs de repérage d'impression dues à la transmission mécanique. Selon certaines statistiques, sur une presse équipée de 8 groupes d'impression, il existe une tolérance de mouvement pour chaque pièce en synchronisation mécanique, et l'erreur entre le 1er et le 8e groupe d'impression est souvent 7 fois supérieure à celle entre le 1er et le 2e groupe. Cette erreur ne peut être éliminée qu'une fois que les engrenages mécaniques et les arbres atteignent un état de mouvement continu ;

3) Réduction du temps de préparation au démarrage de la presse. La technique de transmission sans arbre permet même d'entraîner indépendamment chaque groupe couleur du groupe d'impression, et l'ensemble de la presse peut être préparé par plusieurs personnes. Par exemple, la presse tour à huit couleurs Roland utilise 4 moteurs d'entraînement, la presse tour à huit couleurs KBA utilise 8 moteurs d'entraînement ;

4) Interchangeabilité de la commande des presses. La technique de transmission sans arbre utilise une norme internationale de communication d'entraînement pour assurer la transmission des informations ; aucune presse à transmission sans arbre n'est soumise à une restriction de brevet ;

5) Diagnostic de panne fiable. Grâce au système de communication série en temps réel, le fabricant peut définir dans le système les paramètres de fonctionnement standard de la presse, puis acquérir les paramètres de fonctionnement réels et les comparer pour connaître la position de la panne ;

6) La précision de régulation de vitesse des rouleaux d'entraînement par transmission sans arbre atteint 0,01 %, ce qui permet de contrôler précisément la vitesse des rouleaux de traction de la bande imprimée, de maîtriser efficacement la stabilité d'avance du papier, l'uniformité de la tension et la régularité de coupe en impression à plusieurs bandes, ainsi que l'incertitude du processus d'impression ;

7) L'application de la précision de positionnement de la transmission sans arbre améliore la fiabilité du changement de plaque automatique, accélère la réaction du repérage d'impression et du repérage de coupe, et réduit fortement le taux de rebut.

Deuxième partie : technique de variation de fréquence

La réalisation de l'entraînement sans arbre des presses est étroitement liée au développement et à l'application de la technique de variation de fréquence. La technique de variation de fréquence exploite les principales caractéristiques du moteur asynchrone triphasé pour réguler la vitesse du moteur.

1 Caractéristique de vitesse du moteur asynchrone triphasé
Vitesse du moteur asynchrone triphasé : n=60f/p, c'est-à-dire que la vitesse n du moteur asynchrone triphasé dépend de la fréquence f du courant et du nombre de paires de pôles p du champ magnétique ; or, une fois le moteur fabriqué, le nombre de paires de pôles du champ magnétique ne peut plus être modifié. La vitesse du moteur asynchrone triphasé est donc proportionnelle à la fréquence du courant, et la technique de variation de fréquence utilise cette propriété particulière pour réguler la vitesse de sortie du moteur.

2 Principe de la régulation de fréquence AC de l'entraînement sans arbre des presses
À la fin des années 1980, un nouveau type de transistor à effet de champ (IGBT) est apparu, les caractéristiques du moteur à variation de fréquence se sont améliorées et les presses ont commencé à introduire la technique d'entraînement à vitesse variable par variation de fréquence. La technique de variation de fréquence du moteur asynchrone triphasé se compose d'un variateur de fréquence et d'un moteur asynchrone triphasé ; la forme de variation de fréquence largement utilisée est du type tension « alternatif-continu-alternatif ». Comme le type « alternatif-continu-alternatif » permet facilement une régulation à courant constant, il est proche de la caractéristique de régulation à couple constant des presses. La commande de variation de fréquence des presses adopte cette forme de commande « alternatif-continu-alternatif ». Cette forme de commande a une puissance faible ; en commande industrielle, on l'appelle aussi commande servo à courant alternatif ou commande AC.

Le fonctionnement du variateur de fréquence se divise en deux étapes. Première étape : l'alimentation alternative triphasée (ou monophasée) à fréquence fixe est convertie en courant continu par un pont redresseur. Deuxième étape : le courant continu est converti en courant alternatif, opération appelée « ondulation » du courant continu. Le processus de variation de fréquence consiste à commander la fréquence de sortie de l'« ondulation » du courant continu pour réguler la vitesse du moteur. Le processus d'« ondulation » du courant continu est le processus inverse du redressement en pont ; le circuit de redressement est aussi appelé circuit en pont d'« ondulation ». Le circuit en pont d'« ondulation » de la transmission sans arbre des presses utilise un circuit à transistor à effet de champ pour l'ondulation du courant continu, comme le montre la figure 2. Il s'agit d'un composant commandé en tension, à faible puissance de commande, circuit de commutation à haut rendement dont la fréquence de commutation est ≤20 kHz, présentant les caractéristiques suivantes : forme d'onde de courant plus proche de l'alimentation alternative, le moteur commandé conserve davantage de caractéristiques du moteur triphasé ; bruit électromagnétique faible ; circuit simple ; capacité d'auto-traitement des pannes courantes élevée, taux de panne faible ; pertes propres du variateur de fréquence faibles.

3 Modes fondamentaux de la commande de variation de fréquence AC des presses
La structure de la presse détermine une charge non uniforme, tandis que les exigences d'impression imposent un fonctionnement régulier pour que la qualité d'impression soit stable et atteigne l'effet de reproduction d'impression. Savoir si le passage de l'entraînement à régulation à courant continu à l'entraînement à régulation à courant alternatif modifie l'effet de reproduction d'impression, ou comment surmonter les insuffisances de la commande à variation de fréquence AC, est ce que nous cherchons le plus à comprendre. Lors de l'utilisation et de la maintenance d'une presse, on remarque que, sur une presse à entraînement sans arbre, certains moteurs sont équipés d'un codeur et d'autres non ; pour comprendre comment ces deux types de moteurs se synchronisent, il faut d'abord connaître les modes fondamentaux de la commande de variation de fréquence AC.

1) Méthode de commande vectorielle
Le moteur à courant continu possède deux champs magnétiques perpendiculaires qui entraînent la rotation du moteur ; en régulant l'amplitude du champ perpendiculaire, on réalise la régulation de vitesse tout en régulant les caractéristiques mécaniques du moteur. Le moteur asynchrone triphasé à courant alternatif ne présente un champ perpendiculaire que de manière instantanée. Le point fondamental de la commande de variation de fréquence AC est de commander le pont d'« ondulation » triphasé pour maîtriser le champ perpendiculaire instantané et améliorer les caractéristiques mécaniques de l'entraînement à variation de fréquence AC. Ce processus de commande du champ perpendiculaire instantané par le pont d'« ondulation » triphasé est appelé méthode de commande vectorielle équivalente, comme le montre la figure 3. La méthode de commande vectorielle équivalente comporte deux étapes :
Première étape : traitement du signal de consigne. Le circuit de commande du variateur de fréquence décompose fictivement le signal de consigne en deux signaux continus perpendiculaires en rotation, appelés respectivement composante de champ iM et composante de couple iT ; ils simulent les deux champs magnétiques du moteur à courant continu.
Deuxième étape : conversion équivalente. Selon les paramètres du moteur, les signaux de champ continu perpendiculaires en rotation subissent une série de transformations équivalentes pour être convertis en signaux de commande iA, iB, iC du pont d'ondulation triphasé.

2) Commande vectorielle sans rétroaction
Un type courant de moteur sur les presses à entraînement sans arbre n'est pas équipé de codeur, mais il ne s'agit pas pour autant d'une commande en boucle ouverte sans régulation de vitesse. La synchronisation de ce type de moteur s'obtient en mesurant la tension et le courant aux bornes du moteur, en calculant le flux rotorique et la vitesse angulaire du rotor, puis en déduisant la commande vectorielle sans rétroaction qui combine la composante de champ iM et la composante de couple iT de la figure 3 avec les paramètres spécifiques du moteur pour une transformation équivalente. Ce type de commande a une capacité de réponse dynamique légèrement inférieure ; lorsque le moteur d'entraînement du repérage de l'ordre des couleurs l'utilise, le repérage de la presse présente de légères différences selon les variations de vitesse.

3) Commande vectorielle avec rétroaction
Selon les exigences d'impression, les presses à entraînement sans arbre nécessitent une régulation précise de leur vitesse, par exemple la détermination de la vitesse de production de la presse, la commande de la vitesse de repérage de l'ordre des couleurs, etc. Ce type de moteur est directement équipé d'un codeur qui acquiert la vitesse du rotor, effectue la transformation équivalente et réalise la commande vectorielle, régulant strictement la vitesse du moteur en synchronisation avec la vitesse de consigne. Ce type de commande possède une forte capacité de réponse dynamique ; lorsque le moteur d'entraînement du repérage de l'ordre des couleurs l'utilise, le repérage de la presse ne varie pas avec la vitesse.