Dans la fabrication de précision, la sécurité n'est jamais facultative. Les petites servopresses peuvent sembler compactes et propres, mais elles n'en délivrent pas moins une force puissante. En l'absence d'une conception de sécurité appropriée, les opérateurs peuvent être confrontés à des risques tels que des blessures aux mains ou des dommages aux outils. Les systèmes asservis étant de plus en plus rapides et programmables, une conception et une configuration sûres deviennent encore plus cruciales.
Un petit système de servopresse sûr comporte plusieurs niveaux de protection. Il s'agit notamment de protections physiques, de capteurs, de verrouillages et de boutons d'arrêt d'urgence. Chaque élément travaille de concert pour éviter les accidents, détecter les conditions inhabituelles et protéger à la fois l'opérateur et la machine. Lorsqu'un système est conçu dans un souci de sécurité, il reste fiable et réduit les temps d'arrêt.
Les presses modernes sont plus intelligentes, mais cela ne les rend pas automatiquement plus sûres. L'essentiel est de concevoir une installation de servopresse qui garantisse la sécurité des personnes et de la productivité.
Comprendre la sécurité dans les systèmes de servopresses
La sécurité des systèmes de presses asservies dépend à la fois de la précision du contrôle et de la solidité de la conception mécanique. Contrairement aux anciennes presses, les modèles servo-motorisés se déplacent grâce à des programmes de mouvement numériques.
Qu'est-ce qui différencie les servopresses des presses traditionnelles？ ?
Les servopresses utilisent des moteurs électriques au lieu de systèmes hydrauliques ou pneumatiques. Cette configuration élimine le risque de fuites d'huile ou de pertes de pression d'air. Cependant, elle pose un nouveau problème : chaque mouvement dépend de commandes logicielles. Chaque course, vitesse et force suit des instructions programmées.
Cette commande numérique offre une excellente précision. Toutefois, une erreur de programmation mineure peut entraîner des mouvements dangereux. Pour éviter cela, les servopresses s'appuient sur un retour d'information constant provenant d'encodeurs, de capteurs de couple et de moniteurs de position. Ces capteurs vérifient que le RAM se déplace exactement comme prévu au cours de chaque cycle.
La sécurité dépend fortement de la précision du retour d'information. Un codeur à haute résolution (20 bits ou plus) peut détecter des changements de position de l'ordre de 0,001 mm. Lorsque le système détecte un mouvement anormal, il peut l'arrêter immédiatement.
⚙️ Exemple : Dans une servopresse de 5 kN utilisée pour l'assemblage de connecteurs de smartphones, la limite de couple peut arrêter le vérin dans les 8 millisecondes qui suivent la détection d'une surcharge. Cela permet d'éviter d'endommager à la fois la matrice et la pièce.
Défis communs en matière de sécurité dans les systèmes de presse compacts
Les servopresses compactes sont généralement installées à proximité des opérateurs ou intégrées dans des installations d'essai. Leur petite taille pose des problèmes de sécurité particuliers, notamment lorsque l'espace disponible pour les protections ou les couvercles est limité.
Les points de pincement constituent le danger le plus fréquent. Le faible écart de glissement et la course courte permettent aux mains ou aux outils d'atteindre facilement les zones à risque. Des écrans transparents, des rideaux de lumière ou des commandes bimanuelles permettent d'éviter les accidents.
Les surcharges se produisent lorsque les pièces sont mal alignées ou trop serrées, ce qui les empêche de s'ajuster correctement. Les servopresses gèrent ce problème à l'aide de limites de couple, généralement fixées à environ 110-120% de la capacité nominale. Si la limite est atteinte, le mouvement s'arrête et le système enregistre l'événement à des fins de contrôle.
Les erreurs de mouvement, telles que la dérive du codeur ou la perte de synchronisation, peuvent être dues aux vibrations ou au bruit électrique. Les ingénieurs ajoutent souvent des capteurs de secours ou effectuent des contrôles de référence pour s'assurer de la précision des relevés.
Conception de la sécurité mécanique
La sécurité mécanique est le fondement de la fiabilité d'une servopresse. Chaque élément de la structure doit pouvoir supporter des contraintes répétées, contrôler les vibrations et éviter les déformations.
Solidité et stabilité du cadre
Le bâti de la presse est le cœur de la sécurité. Il supporte toute la force générée par le servomoteur. Si le cadre se plie ou se déplace, la précision diminue et les risques pour la sécurité augmentent.
Petites servopresses travaillent généralement entre 1 et 30 kN. Même une déviation de 0,1 mm à pleine charge peut modifier l'alignement de l'outil et endommager les pièces. Pour éviter cela, les ingénieurs utilisent de l'acier à haute résistance, des rails de guidage usinés avec précision et des soudures renforcées lorsqu'ils construisent des machines de levage. cadres.
L'analyse par éléments finis (FEA) permet de simuler la façon dont le cadre gère les contraintes. Les concepteurs s'efforcent de maintenir les niveaux de contrainte en dessous de 60% de la limite d'élasticité, ce qui garantit une rigidité à long terme, même après des millions de cycles.
⚙️ Exemple : Une presse de table de 10 kN avec un bâti en C a conservé une précision de formage de ±0,005 mm après un million de cycles continus. Cela montre que la rigidité contribue directement à la précision et à la sécurité.
Systèmes de protection contre les surcharges
La protection contre les surcharges agit comme une soupape de sécurité intégrée pour la presse. Les servopresses modernes utilisent un contrôle du couple en temps réel, des limites de courant et parfois des embrayages mécaniques pour arrêter le mouvement avant qu'il ne soit endommagé.
Lorsque la résistance dépasse le couple prédéfini - généralement 110-120% de la capacité nominale - le système s'arrête immédiatement et rétracte le coulisseau. Cela protège à la fois l'outillage et le corps de la presse.
Certains systèmes intègrent des embrayages mécaniques qui se désengagent automatiquement lorsque le couple dépasse la limite. Cette fonction est utile dans les opérations à grande vitesse où chaque milliseconde compte.
⚙️ Exemple : Dans une installation d'assemblage de connecteurs, un déclenchement de surcharge a arrêté une presse de 3 kN en seulement 6 ms. Cet arrêt rapide a permis d'éviter la casse de l'outil et de limiter le temps d'arrêt à moins de 10 minutes.
Gardiennage et clôtures
Les protections physiques constituent la première ligne de défense. Ils séparent l'opérateur des pièces mobiles tout en maintenant une grande visibilité.
Les servopresses compactes utilisent souvent des protections en polycarbonate transparent. Ceux-ci sont résistants aux chocs et permettent aux opérateurs de voir clairement l'espace de travail. Les panneaux et les portes sont équipés de dispositifs de verrouillage de sécurité, de sorte qu'en cas d'ouverture d'un protecteur, l'alimentation du moteur est immédiatement coupée.
Les barrières immatérielles et les scanners de zone offrent une protection supplémentaire. Si une main ou un objet rompt le faisceau, la presse s'arrête en 10 à 20 millisecondes. Ces systèmes sont particulièrement efficaces dans les opérations qui nécessitent des chargements et déchargements manuels fréquents.
⚙️ Exemple : Un rideau lumineux placé à 300 mm de la surface de la matrice a arrêté une presse de 5 kN avant que le coulisseau n'ait bougé de plus de 4 mm - un espace suffisant pour éviter les blessures.
Sécurité des systèmes électriques et de contrôle
Une fois le cadre et la mécanique sécurisés, la ligne de défense suivante est le système électrique et de contrôle. Ces systèmes empêchent les mouvements indésirables, détectent les défauts en temps réel et isolent l'alimentation en toute sécurité pendant la maintenance ou en cas d'urgence.
Arrêt d'urgence et arrêt sécurisé du couple (STO)
L'arrêt d'urgence (E-stop) est le dispositif de sécurité le plus direct sur une servopresse. Lorsqu'il est actionné, il coupe les signaux du moteur et arrête le coulisseau instantanément. La plupart des presses réagissent en moins de 10 millisecondes, ce qui ne laisse pas le temps de poursuivre le mouvement.
La fonction Safe Torque Off (STO) ajoute un autre niveau de contrôle. Au lieu de couper toute l'alimentation, la fonction STO supprime la capacité du moteur à produire un couple, mais maintient l'alimentation logique. Cela permet d'éviter les mouvements imprévus tout en permettant un rétablissement rapide du système une fois le problème résolu.
⚙️ Exemple : Dans une servopresse de 2 kN utilisée pour l'assemblage de circuits imprimés, le STO a arrêté instantanément la production de couple tout en conservant les données de position intactes. Le personnel de maintenance a éliminé le bourrage et relancé la production sans avoir besoin d'un redémarrage complet.
Conception de circuits redondants
Les servopresses utilisent des circuits de sécurité à double canal pour tous les signaux clés, y compris les arrêts d'urgence, les verrouillages et les barrières immatérielles. Chaque canal fonctionne indépendamment, et les deux doivent confirmer un état de sécurité avant que le mouvement ne commence.
Si l'un des canaux est défaillant, le système détecte immédiatement le décalage et arrête la presse. Des relais de sécurité surveillent les deux canaux pour s'assurer que la synchronisation et les contacts fonctionnent correctement.
Le câblage suit les principes de la sécurité intégrée, ce qui signifie qu'un fil cassé ou un connecteur desserré met automatiquement le système en état d'insécurité. Cette conception permet d'éviter les défaillances ponctuelles susceptibles de provoquer des accidents.
⚙️ Exemple : Une presse de 10 kN équipée de relais à double canal a détecté un retard de 25 ms d'un côté. L'automate a immédiatement identifié le problème et a bloqué la réactivation jusqu'à ce que le défaut soit résolu.
Mécanismes d'isolation et de verrouillage de l'alimentation
La sécurité de l'entretien dépend de l'isolation complète de l'alimentation électrique. Chaque presse doit être équipée d'un interrupteur principal qui coupe toutes les sources d'alimentation, y compris la tension de commande et l'alimentation des servomoteurs.
Pendant l'entretien, la procédure Lockout/Tagout (LOTO) permet de s'assurer que personne ne peut accidentellement rétablir le courant. Chaque technicien verrouille l'interrupteur et y attache une étiquette portant son nom. Le courant ne peut être rétabli que lorsque tous les verrous ont été retirés.
La charge résiduelle dans les condensateurs peut toujours constituer un danger. Les presses modernes utilisent des circuits de purge pour décharger l'énergie stockée dans les 30 à 60 secondes suivant l'arrêt.
⚙️ Exemple : Un technicien qui ajuste l'outillage coupe le disjoncteur principal, applique le LOTO et attend que le voyant "Décharge du condensateur terminée" s'allume avant de pénétrer dans la zone de garde - une procédure conforme aux normes OSHA et CE.
Contrôle du mouvement et sécurité des logiciels
Le contrôle du mouvement définit la manière dont une servopresse se déplace dans toutes les situations. Étant donné que les systèmes asservis reposent sur un mouvement programmé plutôt que sur la puissance des fluides, la sécurité découle d'une configuration logicielle méticuleuse, de limites vérifiées et d'une détection intelligente des défaillances.
Limites programmables et zones de sécurité
Les servopresses contrôlent la course, la vitesse et la force avec une précision numérique. Ces paramètres fonctionnent dans des zones de sécurité définies par le logiciel, qui servent de limites intégrées. La machine suit en permanence sa position et son couple pour s'assurer que le mouvement reste dans ces limites.
Limites programmables agissent comme des murs invisibles. Si le coulisseau se déplace au-delà de la plage définie ou dépasse la force autorisée, le contrôleur arrête immédiatement le mouvement. Par exemple, une servopresse de 10 kN peut être limitée à une course de 75 mm et à une force de 8,5 kN pendant la configuration afin d'éviter tout contact avec l'outil.
Les zones de sécurité sont utiles lors des changements de pièces ou des opérations manuelles. En mode configuration, des fonctions telles que Safe Limited Speed (SLS) et Safe Position (SP) ralentissent la presse à moins de 10 mm/s, ce qui laisse aux opérateurs le temps de réagir avant qu'un mouvement de pleine force ne se produise.
⚙️ Exemple : Dans une ligne d'assemblage de connecteurs, le mode SLS a ralenti le mouvement du 90% pendant l'étalonnage de la fixation, permettant des ajustements manuels sûrs sans couper l'alimentation.
💡 Conseil : Revérifiez toujours les réglages de la course et de la force après les changements de programme. Même un léger changement de coordonnées peut faire sortir le vérin de sa plage de sécurité.
Ces limites programmables assurent un contrôle total de la presse, garantissant que chaque mouvement suit la bonne trajectoire et que le système réagit instantanément en cas d'anomalie.
Contrôle force-déplacement
Chaque cycle de presse asservie produit une courbe force-déplacement, illustrant l'évolution de la force tout au long de la course. En comparant cette courbe à une référence enregistrée, la presse peut détecter des écarts mineurs avant qu'ils n'entraînent des dommages ou des risques pour la sécurité.
Si la courbe réelle diffère de plus de ±3-5%, le système arrête le mouvement et alerte l'opérateur. Cette comparaison en temps réel permet d'identifier l'usure précoce de l'outil, les changements de matériau ou les erreurs d'alignement.
⚙️ Exemple : Au cours d'un processus d'insertion de goupille, un déplacement progressif de 0,15 mm de la courbe de déplacement sur 200 cycles a révélé une bague usée. La maintenance l'a remplacée avant qu'elle ne cause des dommages.
Intégration d'automates de sécurité
Au centre de la sécurité logicielle se trouve l'automate de sécurité, un contrôleur spécialisé qui gère toute la logique de sécurité, à l'exception de la commande de mouvement primaire.
Un automate de sécurité utilise deux processeurs et un logiciel certifié pour répondre aux normes ISO 13849 (PL e) ou IEC 62061 (SIL 3). Il surveille les entrées telles que les arrêts d'urgence, les verrouillages et les capteurs, et réagit immédiatement en cas d'apparition d'une condition dangereuse.
Outre les fonctions d'arrêt de base, il permet des modes de mouvement sécurisés avancés tels que
- SLS (Safe Limited Speed) : Limite la vitesse lorsque les opérateurs travaillent à l'intérieur de zones protégées.
- SOS (Safe Operating Stop) : Maintient la position pendant que le couple reste désactivé pour l'inspection.
- SDI (Safe Direction) : Permet de se déplacer dans une seule direction lors de certaines opérations.
⚙️ Exemple : Au cours d'un essai de fonctionnement, l'automate de sécurité a détecté un retour d'information irrégulier de l'encodeur et a activé le mode SOS. La presse s'est arrêtée en plein mouvement, évitant ainsi une collision entre l'outil et la pièce.
Interface opérateur et ergonomie
L'interface opérateur est l'endroit où la technologie se connecte à l'homme. Une bonne ergonomie et des commandes simples font de la sécurité une habitude naturelle.
Interface homme-machine (IHM) Caractéristiques de sécurité
L'IHM doit simplifier les opérations en toute sécurité. Une présentation claire, des indicateurs de couleurs vives et un déroulement logique de l'écran aident les opérateurs à réagir rapidement et correctement.
Les servopresses modernes utilisent souvent des IHM à écran tactile qui affichent l'état de la machine d'un seul coup d'œil :
- Vert - "Prêt"
- Jaune - "Avertissement"
- Rouge - "Stop"
Ces signaux sont complétés par des alertes sonores pour les événements clés tels que les surcharges ou l'ouverture d'un portillon. Des messages de confirmation en deux étapes empêchent les démarrages accidentels de cycles en demandant aux opérateurs de vérifier leurs actions avant de continuer.
⚙️ Exemple : Dans une ligne d'assemblage de connecteurs, l'ajout d'une confirmation en deux étapes à l'IHM a permis de réduire les démarrages accidentels de 35%.
Conception et accessibilité des postes de travail
La conception ergonomique permet aux opérateurs de rester à l'aise et vigilants. Des pédales, des interrupteurs ou des surfaces de travail mal placés peuvent entraîner de la fatigue et une altération des réactions dans les moments critiques.
Une bonne installation s'adapte à l'opérateur, et non l'inverse. Des tables réglables en hauteur (850-950 mm), des fixations inclinées et des plateaux inclinables permettent aux travailleurs de conserver des postures naturelles pendant les périodes de travail prolongées.
L'éclairage est également essentiel. Un éclairage LED doux à proximité de la presse réduit l'éblouissement et les ombres, améliorant la visibilité lors de la mise en place ou de l'inspection des pièces. Des sols antidérapants et un espace libre pour les pieds permettent d'éviter l'activation accidentelle des pédales.
⚙️ Exemple : Le réaménagement d'un poste de travail pour une presse d'établi de 5 kN a permis d'améliorer la vitesse du cycle de 12% et d'éliminer presque totalement les plaintes liées à la tension du poignet.
Niveaux de formation et d'autorisation
La formation transforme les dispositifs de sécurité intégrés en une protection absolue. Les opérateurs doivent comprendre non seulement comment faire fonctionner la presse, mais aussi comment interpréter ses signaux, ses alarmes et ses voyants d'état.
Une formation complète doit comprendre
- Démarrage et arrêt en toute sécurité
- Procédures d'essai des arrêts d'urgence et des STO
- Lire et comprendre les courbes force-déplacement
- Réponses correctes aux défauts de surcharge ou de mouvement
Le contrôle d'accès par paliers permet également d'éviter les erreurs. Les opérateurs exécutent des programmes approuvés, les techniciens s'occupent de la configuration et les ingénieurs ajustent les paramètres du système. L'accès est garanti par des mots de passe ou des cartes RFID, qui assurent la traçabilité et empêchent les modifications non autorisées.
⚙️ Exemple : Un système d'accès à trois niveaux - Opérateur, technicien, ingénieur - a réduit les erreurs de programmation de 40% et les temps d'arrêt dus à des réglages incorrects.
Pratiques de maintenance et de réduction des risques
Une servopresse ne reste sûre que si ses systèmes de sécurité sont entretenus régulièrement. La maintenance préventive et prédictive garantit que la presse fonctionne en toute sécurité et avec précision tout au long de sa durée de vie.
Inspections de routine et étalonnage des capteurs
Des contrôles réguliers sont la base d'un système sûr. Les opérateurs doivent inspecter tous les arrêts d'urgence, les verrouillages et les barrières immatérielles au début de chaque période de travail.
Les pièces mécaniques, telles que les glissières, les boulons et les axes de guidage, doivent être vérifiées pour s'assurer qu'elles ne sont pas desserrées, rayées ou soumises à une usure inhabituelle. Un test de vibration rapide est également utile : toute valeur supérieure à 0,3 mm/s RMS peut indiquer un désalignement ou un déséquilibre.
Les capteurs et les encodeurs doivent également faire l'objet d'un étalonnage régulier pour conserver leur précision. Pour la plupart des presses à usage léger, un cycle de 6 à 12 mois fonctionne bien. Pour les systèmes à usage intensif, l'étalonnage est recommandé tous les trois mois.
⚙️ Exemple : Une installation effectuant 25 000 cycles par semaine réétalonne les capteurs de couple tous les trimestres. La dérive des capteurs est passée de 0,4% à moins de 0,05%, ce qui maintient la précision de la force dans les limites de sécurité.
Surveillance prédictive et enregistrement des données
La surveillance numérique permet d'aller plus loin dans la maintenance. La servopresse enregistre en permanence le courant du moteur, la température et les données de force-déplacement. En étudiant ces données, les ingénieurs peuvent repérer les problèmes mineurs avant qu'ils ne se transforment en pannes majeures.
L'analyse prédictive recherche les tendances - une augmentation progressive du couple du moteur ou un temps de réponse plus lent sont souvent le signe d'une usure ou d'un défaut d'alignement. Lorsqu'un relevé s'écarte de plus de 5% de la plage normale, le système alerte le personnel de maintenance pour qu'il procède à une analyse.
⚙️ Exemple : Une servopresse de 3 kN présentait une augmentation lente des relevés de couple. L'équipe de maintenance a trouvé un roulement de vis à billes usé et l'a remplacé pendant le temps d'arrêt prévu, évitant ainsi un arrêt complet de la production.
Politiques en matière de pièces détachées et de remplacement
Même la presse la mieux conçue dépend de la qualité de ses pièces. L'utilisation de composants non certifiés ou mal assortis peut réduire les niveaux de sécurité et compromettre la conformité aux réglementations.
Toutes les pièces de rechange - capteurs, relais et variateurs - doivent correspondre au niveau de performance (PL) ou au niveau d'intégrité de sécurité (SIL) d'origine. Maintenir un inventaire clair des pièces de rechange certifiées, y compris celles dont le numéro de série est traçable et qui sont accompagnées d'une documentation, afin de garantir un remplacement précis et en temps voulu.
Les pièces de sécurité critiques telles que les relais d'arrêt d'urgence et les barrières immatérielles doivent être remplacées tous les 3 à 5 ans, ou plus tôt si elles sont exposées à la chaleur, aux vibrations ou à la poussière.
⚙️ Exemple : Un établissement a remplacé tous les relais de sécurité tous les quatre ans. En conséquence, les défaillances inattendues des circuits ont diminué de 70% par rapport au remplacement des relais uniquement en cas de défaillance.
Conclusion
La sécurité dans les petites servopresses est plus qu'un ajout - c'est la base qui soutient la fabrication de précision. Chaque couche, de la conception mécanique au logiciel de mouvement, contribue à la stabilité des performances et à la protection de l'opérateur. Lorsque ces systèmes sont correctement contrôlés, entretenus et utilisés, ils fonctionnent ensemble pour créer une installation de production à la fois sûre et fiable.
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FAQ
Quelles sont les normes de sécurité auxquelles une petite servopresse doit satisfaire ?
Une petite servopresse doit être conforme à la norme ISO 12100 pour l'évaluation des risques, à la norme ISO 13849 ou CEI 62061 pour la fiabilité des commandes, et à la norme OSHA 1910/ANSI B11 pour la protection et la sécurité opérationnelle, en fonction de la région où elle est installée.
Comment le Safe Torque Off (STO) protège-t-il les opérateurs ?
La fonction STO coupe instantanément le couple du moteur tout en maintenant la puissance de commande active. Cela permet d'arrêter le mouvement en toute sécurité sans arrêter l'ensemble du système, ce qui permet une maintenance ou des changements d'outils rapides et sûrs.
Quelle est la différence entre la sécurité mécanique et la sécurité logicielle ?
La sécurité mécanique repose sur la structure de la machine et les protections physiques pour éviter tout contact ou blessure. La sécurité logicielle gère les limites programmables, la surveillance des forces et la logique de l'automate de sécurité pour empêcher les mouvements dangereux dans des zones définies.
Les servopresses peuvent-elles être utilisées en toute sécurité avec des cobots ou des systèmes automatisés ?
Oui. Les servopresses fonctionnent en toute sécurité avec des robots collaboratifs lorsqu'elles sont équipées de variateurs homologués SIL 3, de protocoles de communication sûrs tels que PROFIsafe ou EtherCAT Safety, et d'une surveillance par zone qui permet aux humains et aux robots de partager un espace de travail en toute sécurité.
À quelle fréquence les inspections de sécurité doivent-elles être effectuées ?
Des contrôles fonctionnels quotidiens sont essentiels avant le début de la production. L'étalonnage complet, la validation et l'examen des données doivent être effectués tous les 3 à 6 mois, ou à chaque fois que des modifications sont apportées au matériel ou au logiciel.
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Au cours des dix dernières années, j'ai été immergé dans diverses formes de fabrication de tôles, partageant ici des idées intéressantes tirées de mes expériences dans divers ateliers.
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Kevin Lee
J'ai plus de dix ans d'expérience professionnelle dans la fabrication de tôles, avec une spécialisation dans la découpe au laser, le pliage, le soudage et les techniques de traitement de surface. En tant que directeur technique chez Shengen, je m'engage à résoudre des problèmes de fabrication complexes et à favoriser l'innovation et la qualité dans chaque projet.
