Technologie d'entraînement sans arbre dans les presses d'impression : moteurs, synchronisation et contrôle de vitesse
Chaque mouvement mécanique nécessite une source d'énergie, et l'entraînement d'une presse d'impression doit faire plus que faire tourner un arbre. Il doit maintenir une vitesse constante, répondre à l'opérateur et offrir un réglage continu de la vitesse en fonction des changements de travail. Avant l'arrivée des entraînements sans arbre, les presses de presse écrite ont connu deux générations de contrôle électrique de vitesse. Les moteurs à courant alternatif à bagues collectrices ont dominé jusqu'aux années 1970 et peuvent être considérés comme la première génération. À partir des années 1970, les progrès dans le contrôle de vitesse à courant continu ont conduit à l'utilisation généralisée des entraînements à courant continu et des moteurs à bagues, constituant la deuxième génération. Le paysage a changé en 1992, lorsque Rexroth a construit SYNAX, le premier système d'entraînement sans arbre conçu pour une presse d'impression. En une décennie, le contrôle de vitesse sans arbre avait remplacé les méthodes plus anciennes sur les presses de presse écrite.
Les entraînements sans arbre comme nouveau concept de presse
La transmission sans arbre est devenue un concept nouveau dans l'ingénierie des presses. Elle brise les limites qu'un arbre mécanique commun impose à la disposition des machines et ouvre la voie à de nouvelles conceptions dans le développement et la fabrication des presses. La technologie date de ce système SYNAX de 1992 et s'est depuis répandue chez un certain nombre de spécialistes des entraînements dans le monde.
Normes de communication au sein d'un entraînement sans arbre
Le système est construit sur une intelligence distribuée et suit SERCOS, le Serial Real time Communication System, une norme internationale de communication pour entraînements. Les informations de contrôle circulent numériquement en temps réel sur fibre optique. Chaque groupe de moteurs utilise une carte intelligente distribuée capable de gérer 40 positions de moteur, et les cartes peuvent être reliées par fibre pour former un groupe de contrôle couvrant jusqu'à 1000 positions à partir de 32 cartes connectées.
Comment les unités restent synchronisées
La synchronisation repose sur trois éléments : un convertisseur de fréquence numérique intelligent, des moteurs à courant alternatif et un encodeur numérique 32 bits avec retour en boucle fermée. Le système d'encodeur corrige la position du moteur 4000 fois par seconde, tandis que le convertisseur de fréquence fait avancer le moteur à courant alternatif par unités de deux millions. La transmission numérique par fibre optique via une interface Ethernet transporte ces données avec la résolution et la précision de repérage exigées par la qualité d'impression.
Ce que l'entraînement sans arbre apporte au contrôle de la presse
Conception d'entraînement distribuée et modulaire. Les configurations multi-bandes peuvent utiliser des unités d'entraînement plus petites. Sur une presse Roland à simple circonférence et double diamètre à huit couleurs, par exemple, les moteurs d'entraînement sont passés d'un moteur unique de 90 kW ou plus à des moteurs individuels de 27 kW ou moins, et la surcharge sur le réseau électrique au démarrage a diminué de plus de trois fois.
L'erreur de repérage due à la transmission mécanique disparaît. Les chiffres publiés pour une presse avec huit unités d'impression montrent que la variation entre l'unité 1 et l'unité 8 peut être sept fois plus grande que la variation entre l'unité 1 et l'unité 2, car chaque pièce synchronisée mécaniquement porte sa propre tolérance. Cette erreur ne s'estompe qu'une fois que les engrenages et les arbres atteignent une rotation continue.
Le temps de calage diminue. Chaque unité de couleur peut être entraînée indépendamment, de sorte que plusieurs personnes peuvent préparer la presse en même temps. Une presse Roland à tour huit couleurs utilise quatre moteurs d'entraînement, et une presse KBA à tour huit couleurs en utilise huit.
Le contrôle devient interchangeable. Parce que le système utilise une norme internationale de communication pour entraînements, aucune presse sans arbre ne porte de restriction de brevet sur le transfert d'informations.
Le diagnostic des pannes est fiable. Avec SERCOS, le fabricant peut stocker les paramètres de fonctionnement standard dans le système, collecter les paramètres en direct de la presse et comparer les deux pour localiser une panne.
La régulation de vitesse sur les rouleaux d'entraînement atteint une précision de 0,01 pour cent, ce qui permet un contrôle précis de la vitesse des rouleaux de traction, un défilement stable de la bande, une tension uniforme et une coupe régulière sur plusieurs bandes.
La précision de positionnement augmente la fiabilité du changement de plaque automatique et raccourcit le temps de réaction du repérage d'impression et de découpe, ce qui réduit les rebuts.
Contrôle de vitesse à fréquence variable et moteur triphasé
L'entraînement sans arbre d'une presse dépend étroitement du contrôle de vitesse à fréquence variable. Cette technique exploite les caractéristiques principales d'un moteur asynchrone triphasé, dont la vitesse suit n = 60f/p. La vitesse n est déterminée par la fréquence du courant f et le nombre de paires de pôles magnétiques p, et les paires de pôles ne peuvent plus être modifiées une fois le moteur construit. La vitesse du moteur est donc proportionnelle à la fréquence, et un variateur de fréquence utilise exactement cette relation pour fixer la vitesse de sortie.
Le variateur de fréquence alternatif sur une presse
À la fin des années 1980, un nouveau transistor à effet de champ, l'IGBT, a amélioré le comportement des moteurs à fréquence variable, et les presses ont commencé à adopter le contrôle par variateur de fréquence. L'ensemble associe un onduleur à un moteur asynchrone triphasé et utilise le plus souvent le type de tension alternatif-continu-alternatif. Ce type convient au contrôle à courant constant, qui correspond à la demande de couple constant d'une presse, et il fonctionne à faible puissance, ce qui fait aussi appeler ce procédé contrôle servo alternatif en commande industrielle. Le cycle comporte deux étapes. D'abord, l'alimentation triphasée à fréquence fixe est redressée en courant continu. Ensuite, le courant continu est inversé à nouveau en courant alternatif, et le contrôle de la fréquence de cette sortie inversée contrôle la vitesse du moteur. Le pont onduleur d'un entraînement sans arbre utilise des circuits IGBT, qui sont des dispositifs commandés en tension avec une faible puissance de commande et des fréquences de commutation allant jusqu'à 20 kHz. Le résultat est une forme d'onde de courant plus proche du réseau d'alimentation, un moteur qui conserve davantage son comportement triphasé, moins de bruit électromagnétique, un circuit plus simple, une meilleure gestion autonome des défauts courants, un taux de panne plus faible et moins de pertes dans l'onduleur lui-même.
Trois méthodes de contrôle du variateur de fréquence alternatif
La structure de la presse rend la charge irrégulière, mais l'aptitude à l'impression exige une marche régulière pour une qualité constante. Deux questions pratiques en découlent : le passage de l'entraînement continu à l'entraînement alternatif modifie-t-il le résultat imprimé, et comment les moteurs sont-ils synchronisés lorsque certains portent des codeurs et d'autres non ?
Contrôle vectoriel. Un moteur à courant continu tourne sur deux champs magnétiques perpendiculaires, et le contrôle d'un champ contrôle à la fois la vitesse et le comportement mécanique. Un moteur asynchrone triphasé ne maintient un champ perpendiculaire que pendant un instant. Le contrôle vectoriel agit sur le pont onduleur de sorte que le champ perpendiculaire instantané soit contrôlé. La première étape décompose le signal de consigne en deux composantes continues tournantes, la composante de champ magnétique iM et la composante de couple iT. La deuxième étape transforme ces composantes, à l'aide des paramètres du moteur, en signaux de commande iA, iB et iC pour le pont onduleur triphasé.
Contrôle vectoriel sans retour. Un type de moteur courant sur les presses sans arbre ne porte pas de codeur, mais il ne fonctionne pas en boucle ouverte sans régulation de vitesse. La synchronisation provient de la mesure de la tension et du courant aux bornes, du calcul du flux rotorique et de la vitesse angulaire du rotor, et de l'utilisation de ces valeurs avec les paramètres du moteur dans la même transformation. La réponse dynamique est légèrement plus faible, et une presse qui utilise ce contrôle sur ses moteurs de repérage couleur peut présenter de petits écarts de repérage lorsque la vitesse change.
Contrôle vectoriel avec retour. Lorsque l'aptitude à l'impression exige un contrôle exact de la vitesse, comme le réglage de la vitesse de production ou le maintien de la vitesse de repérage couleur, un codeur est monté directement sur le moteur. Il transmet la vitesse du rotor pour la transformation et maintient la vitesse du moteur étroitement alignée sur la consigne. La réponse dynamique est forte, et le repérage ne se décale pas lorsque la vitesse change.