Les fabricants d'équipements d'automatisation industrielle intègrent des pompes hydrauliques à servomoteur pour un contrôle précis des mouvements dans les chaînes d'assemblage robotisées.

Ce que j'ai appris sur l'intégration servohydraulique pour l'assemblage robotisé après 10 ans de spécifications de systèmes de contrôle de mouvement

Lorsque j'ai commencé à spécifier des systèmes hydrauliques pour les applications d'automatisation industrielle et de chaînes de montage robotisées en 2015, le discours dominant dans l'industrie du contrôle de mouvement était que tout était électrique Système servoLes actionneurs électriques étaient incontestablement supérieurs aux systèmes hydrauliques : plus précis, plus efficaces, plus fiables et plus faciles à entretenir. Ce constat était globalement exact pour les applications à faible force, où les actionneurs électriques répondaient aisément aux exigences de force et de vitesse. Cependant, dans les applications d'assemblage robotisé à force élevée – montage par pression de roulements dans des logements à 50-150 kN, rivetage de composants structuraux d'aéronefs à 30-80 kN, insertion d'engrenages automobiles à 20-100 kN –, les avantages des systèmes hydrauliques en termes de densité de force demeurent déterminants, et le choix entre hydraulique et électrique ne se pose même plus.

Le véritable tournant technologique de la dernière décennie n'a pas été le remplacement de l'hydraulique par l'électrique, mais la transformation de la conception des systèmes hydrauliques grâce à la technologie des servomoteurs. Les servopompes à cylindrée variable – qui adaptent leur débit aux besoins réels du profil de mouvement au lieu de fournir un débit maximal fixe – ont fondamentalement modifié l'équation de l'efficacité énergétique des systèmes hydrauliques dans les applications à charge variable. Dans les opérations d'assemblage robotisées, où le cycle de service comprend de longues périodes de positionnement et de serrage à faible force, ponctuées de brèves phases de forte force, la technologie des servopompes permet de réduire la consommation d'énergie hydraulique de 40 à 70 % par rapport aux systèmes de pompes à cylindrée fixe traditionnels.

Dans cet article, j'explique le fonctionnement des systèmes de pompes hydrauliques à servomoteur, leur intégration dans les lignes d'assemblage robotisées et les considérations de conception et de maintenance à prendre en compte par les fabricants d'équipements d'automatisation industrielle qui les spécifient. J'ai mis en service des systèmes hydrauliques servo pour des lignes d'assemblage robotisées dans les secteurs de la fabrication de composants automobiles, de l'assemblage de structures aérospatiales et de la production de machines industrielles en Asie du Sud-Est, et je partage l'expérience pratique acquise lors de ces installations.

Technologie : Comment fonctionnent les pompes hydrauliques à servomoteur ?

Un système de pompe hydraulique à servomoteur se compose d'un servomoteur entraînant une pompe hydraulique à cylindrée variable. Ce système est piloté par un contrôleur de mouvement qui ajuste la vitesse et le couple du servomoteur afin de produire le débit et la pression hydrauliques souhaités. Contrairement à une pompe classique à cylindrée fixe, dont le débit est constant et proportionnel à sa vitesse d'entraînement, une pompe à servomoteur à cylindrée variable peut moduler son débit en ajustant l'angle du plateau oscillant (dans une pompe à pistons axiaux) ou l'excentricité du rotor (dans une pompe à palettes). Ainsi, le débit de la pompe s'adapte instantanément à la demande du système hydraulique.

Le servomoteur est un variateur de moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) à commande vectorielle, assurant un contrôle précis de la vitesse et du couple du moteur de la pompe. Le contrôleur de mouvement définit un débit cible, et le servomoteur ajuste la vitesse du moteur pour l'obtenir, tandis qu'un capteur de pression dans le circuit hydraulique fournit un retour d'information pour la régulation de pression en boucle fermée. Dans les configurations plus sophistiquées, la pompe servo est pilotée directement par l'automate programmable du robot ou le contrôleur de mouvement, dans le cadre d'une séquence de mouvements multiaxes coordonnée.

La percée en matière d'efficacité énergétique

L'avantage en termes d'efficacité énergétique des pompes hydrauliques à servomoteur provient de l'élimination des pertes par étranglement inhérentes aux systèmes de pompes à cylindrée fixe classiques. Dans un système classique, la pompe fournit son débit maximal en continu, et une soupape de décharge proportionnelle ou une soupape de détection de charge réduit le débit excédentaire et le renvoie au réservoir, convertissant ainsi l'énergie de ce débit étranglé en chaleur. Lors d'un cycle d'assemblage à charge variable — où l'actionneur hydraulique passe 60 à 70 % du temps de cycle en positionnement à faible force ou en serrage à 5-10 % de la force maximale —, ces pertes par étranglement peuvent représenter 50 à 70 % de l'énergie totale consommée par le système hydraulique.

Un système de servopompe élimine les pertes par étranglement en adaptant le débit de la pompe à la demande réelle à chaque étape du cycle de mouvement. Lors d'un positionnement à faible effort, la servopompe fournit uniquement le faible débit nécessaire au déplacement de l'actionneur, et le moteur ne consomme que la puissance proportionnelle. Lors d'un serrage ou d'un emmanchement à force élevée, la servopompe augmente son débit pour fournir le débit plus important requis par l'effort actif. Il en résulte une consommation d'énergie proportionnelle au travail réellement effectué, et non au travail maximal potentiel.

Intégration de systèmes pour les chaînes d'assemblage robotisées

L'intégration de systèmes de pompes hydrauliques à servomoteurs dans les lignes d'assemblage robotisées exige une attention particulière à l'interface entre le système hydraulique et le contrôleur du robot, ainsi qu'entre la commande de la pompe à servomoteurs et la séquence d'assemblage globale. J'ai constaté des problèmes d'intégration, parfois suffisamment graves pour endommager l'équipement, dus à une spécification insuffisante de ces interfaces lors de la conception.

Conception de groupe hydraulique

Le groupe hydraulique d'un système de servopompe pour l'assemblage robotisé doit être dimensionné avec un débit instantané suffisant pour répondre à la demande de pointe lors de l'opération d'assemblage la plus rapide, tout en maintenant la température de l'huile dans des limites acceptables en fonctionnement continu. Je préconise généralement un groupe hydraulique dont le réservoir d'huile est dimensionné 3 à 5 fois le débit minute maximal, ce qui offre une masse thermique suffisante pour absorber la chaleur lors des pics de consommation et permet à l'échangeur de chaleur de dissiper l'énergie entre les opérations.

Le débit maximal de la servopompe doit être choisi de manière à dépasser d'au moins 20 % le débit de pointe requis lors du cycle d'assemblage le plus rapide, afin de compenser l'usure du système et les variations d'étalonnage. La pression nominale de la pompe doit être supérieure d'au moins 25 % à la pression de service maximale requise par le processus d'assemblage, afin de compenser les variations de pression lors des commutations rapides des vannes et d'éviter un fonctionnement continu à la pression limite, ce qui réduirait sa durée de vie.

Interface de contrôle avec contrôleur robotique

L'interface de commande entre la servopompe et l'automate programmable ou le contrôleur de mouvement du robot est généralement réalisée à l'aide de signaux analogiques (0-10 V ou 4-20 mA pour la commande de débit ou de pression) ou d'une communication numérique par bus de terrain (Profinet, EtherCAT ou CANopen pour une commande coordonnée plus sophistiquée). L'intégration la plus simple utilise une commande analogique de l'automate programmable pour définir le débit ou la pression cible, le contrôleur interne de la servopompe maintenant la valeur commandée grâce à ses propres capteurs de retour d'information.

Pour les systèmes d'assemblage multi-stations plus complexes, où plusieurs actionneurs hydrauliques doivent être coordonnés avec les mouvements du bras robotisé, je recommande l'intégration directe du bus de terrain entre le contrôleur de la servopompe et le contrôleur de mouvement du robot. Cette intégration permet de programmer le débit de la pompe dans le cadre du profil de mouvement, plutôt que par une commande hydraulique distincte. Cette approche de contrôle coordonné élimine le délai de communication entre l'automate programmable et le système hydraulique et assure des transitions de mouvement plus fluides entre les opérations d'assemblage.

Critères de sélection des servopompes pour les applications d'assemblage robotisé

Le choix de la pompe hydraulique à servomoteur adaptée à une application d'assemblage robotisé dépend des exigences de force et de vitesse du processus d'assemblage, de la précision requise du profil de mouvement et du cycle de service de la séquence d'assemblage. J'évalue systématiquement chacun de ces facteurs avant de recommander un modèle et une configuration de pompe spécifiques.

Exigences en matière de débit et de pression

Le débit requis est déterminé par la vitesse maximale de l'actionneur (débit = surface du piston x vitesse souhaitée) et le nombre d'actionneurs pouvant fonctionner simultanément. La pression requise est déterminée par la force maximale divisée par la surface effective du piston, plus les pertes de charge dans les conduites d'alimentation et de retour. Je calcule ces deux valeurs pour le point le plus critique du cycle d'assemblage, puis j'ajoute une marge de 20 % pour la pression et de 20 % pour le débit avant de sélectionner la capacité de la pompe.

Pour une application typique d'assemblage de composants automobiles avec un vérin hydraulique de 100 mm d'alésage nécessitant une vitesse d'extension maximale de 50 mm/s et une force de serrage de 80 kN, le débit requis est d'environ 24 L/min (pour une vitesse de 50 mm/s sur un alésage de 100 mm) et la pression requise d'environ 11 MPa (pour une force de 80 kN sur une surface de piston de 7 850 mm² et un alésage de 100 mm). Avec une marge de 20 %, cette application nécessiterait une servopompe d'un débit d'environ 30 L/min et d'une pression de 16 à 20 MPa.

Temps de réponse et bande passante de contrôle

La bande passante de commande du système de servopompe — la fréquence maximale à laquelle le système peut répondre à une modification de consigne — détermine le cycle d'assemblage le plus rapide pouvant être contrôlé de manière fiable. Cette bande passante est limitée par les constantes de temps mécaniques de la pompe et du système hydraulique, ainsi que par les constantes de temps électriques du servomoteur et de son variateur. Les systèmes de servopompes classiques atteignent une bande passante de commande de position de 5 à 15 Hz, principalement déterminée par le gain de débit du système hydraulique et la compliance du fluide hydraulique.

Pour les opérations d'assemblage exigeant des cadences très élevées — comme l'assemblage de petits composants électroniques à des fréquences supérieures à 20 Hz — la bande passante limitée du système hydraulique peut constituer une contrainte favorisant la technologie servo tout électrique. Cependant, pour la majorité des opérations d'assemblage mécanique — emmanchement à la presse, insertion, rivetage, serrage — la cadence atteignable est limitée par le processus d'assemblage mécanique lui-même (le temps nécessaire à la mise en place des pièces, par exemple) plutôt que par la bande passante de commande de l'actionneur, et un système servo hydraulique peut aisément répondre aux exigences de commande.

Planification de la maintenance des systèmes servohydrauliques dans les opérations robotiques continues

Les exigences de maintenance des systèmes de pompes hydrauliques à servomoteur utilisés dans les opérations d'assemblage robotisées en fonctionnement continu sont nettement inférieures à celles des systèmes de pompes à cylindrée fixe classiques. En effet, la pompe à servomoteur fonctionne à une pression et un débit moyens plus faibles, avec moins d'étranglement et une moindre production de chaleur. Toutefois, le programme de maintenance doit être plus rigoureux, car les tolérances plus strictes requises pour la commande par servomoteur sont plus sensibles à la contamination de l'huile et à l'usure des composants que pour les systèmes hydrauliques conventionnels.

Contrôle de la contamination par les hydrocarbures

La contamination de l'huile est la principale cause de défaillance des servovalves et des servopompes dans les systèmes hydrauliques. La sensibilité à la contamination des servovalves est plus élevée que celle des systèmes conventionnels, car les jeux dans les servovalves (généralement de 1 à 5 micromètres) sont plus faibles que dans les vannes hydrauliques conventionnelles (généralement de 10 à 50 micromètres). Je préconise une filtration de l'huile hydraulique de β 10 (10 micromètres absolus) pour les systèmes hydrauliques conventionnels, mais de β 3 (3 micromètres absolus) pour les servovalves afin de protéger les jeux plus faibles des composants.

Le programme d'analyse d'huile pour les systèmes servohydrauliques doit inclure le comptage des particules (à l'aide d'un compteur de particules automatique conforme à la norme ISO 4406), la teneur en humidité (par titrage Karl Fischer ou indicateur d'humidité) et l'indice d'acide (par titrage ASTM D664). Pour un fonctionnement continu des servomoteurs, les limites d'acceptation sont fixées à 18/15 (norme ISO 4406) ou moins, et une vidange est préconisée lorsque le comptage des particules dépasse 20/17 ou lorsque l'indice d'acide augmente de plus de 0,3 mg KOH/g par rapport à l'huile neuve.

Pour les normes hydrauliques en robotique industrielle, consultez le ISO 9283 norme d'évaluation des performances des robots industriels et le Association pour le développement de l'automatisation (A3) Ressources techniques sur l'intégration des systèmes d'assemblage robotisés.

Foire aux questions

Quelle précision de positionnement atteignent les pompes hydrauliques à servomoteur dans les applications de chaînes de montage robotisées ?

Les systèmes de pompes hydrauliques à servomoteur modernes atteignent une précision de positionnement de 0,01 à 0,05 mm et une répétabilité de 0,005 à 0,02 mm pour les applications de chaînes d'assemblage robotisées. Ces performances sont comparables à celles des systèmes servo entièrement électriques, à un coût nettement inférieur pour les applications nécessitant une force élevée supérieure à 2-5 kN. Le temps de réponse typique du système est de 20 à 50 millisecondes pour une variation de vitesse de 100 %, avec une précision de contrôle de la vitesse de 0,5 à 1 % de la consigne sur toute la plage de fonctionnement.

Quels sont les avantages des pompes hydrauliques à servomoteur par rapport aux systèmes servo entièrement électriques pour l'assemblage robotisé ?

Trois avantages clés : (1) Densité de force — les actionneurs hydrauliques délivrent une force 5 à 10 fois supérieure par unité de poids par rapport aux actionneurs électriques, un atout essentiel pour les opérations d’assemblage à force élevée (emmanchement à la presse, rivetage, pressage d’engrenages à 10-200 kN) dans des espaces réduits ; (2) Coût — pour les applications à force élevée supérieures à 10 kN, les systèmes hydrauliques coûtent généralement 30 à 50 % moins cher que les systèmes tout électriques équivalents ; (3) Simplicité mécanique — les vérins hydrauliques sont mécaniquement plus simples que les ensembles d’actionneurs électriques avec réducteurs et ne nécessitent pas d’intégration mécanique complexe.

Comment la consommation d'énergie des pompes hydrauliques à servomoteur se compare-t-elle à celle des systèmes de pompes à cylindrée fixe ?

Les pompes hydrauliques à servomoteur réduisent la consommation d'énergie de 40 à 70 % par rapport aux systèmes de pompes à cylindrée fixe dans les applications de lignes d'assemblage robotisées à profils de charge variables. Dans un cycle typique comprenant 60 à 70 % du temps en positionnement à faible effort et 30 à 40 % en application de force active, la solution de pompe à servomoteur à cylindrée variable permet d'économiser 40 à 60 % de l'énergie qu'une pompe à cylindrée fixe consommerait lors des phases de faible demande du cycle. Le retour sur investissement est généralement atteint en 12 à 18 mois en fonctionnement continu sur plusieurs équipes.

Quels sont les intervalles de maintenance applicables aux systèmes de pompes hydrauliques à servomoteur dans les opérations d'assemblage robotisé ?

Mensuellement : prélèvement et analyse d’huile selon la norme ISO 4406 (nombre de particules, teneur en humidité et indice d’acidité). Tous les 3 000 heures de fonctionnement ou tous les 6 mois : vidange d’huile et remplacement du filtre avec une huile hydraulique ISO VG 32 ou VG 46. Tous les 10 000 heures de fonctionnement ou tous les 2 ans : inspection complète du système incluant l’évaluation de l’usure de la pompe, l’étalonnage des servovalves et la vérification de la précharge de l’accumulateur. Surveillance continue de la température de l’huile avec alarme à 60 °C afin de prévenir la dégradation de l’huile due à la surchauffe.

Quels sont le temps de réponse et la bande passante de contrôle typiques des systèmes de pompes hydrauliques à servomoteur ?

Le temps de réponse typique du système est de 20 à 50 millisecondes pour une variation de vitesse de 100 %, avec une bande passante de 5 à 15 Hz pour les boucles de contrôle de position. Ce temps de réponse est plus long que celui des servomoteurs entièrement électriques (bande passante de 100 à 200 Hz), mais suffisant pour la plupart des opérations d'assemblage robotisées, notamment l'emmanchement, l'insertion et le bridage, où les constantes de temps mécaniques du processus d'assemblage limitent la bande passante atteignable à moins de 10 Hz.