Limites de vitesse et d'accélération des modules linéaires à courroie de distribution

Les modules linéaires à courroie de distribution sont connus pour leurs mouvements à grande vitesse et à longue course, mais la vitesse maximale indiquée dans un catalogue ne représente qu'une partie de la limite de performance réelle. Dans une machine en fonctionnement, l'accélération, la tension de la courroie, la longueur libre de la courroie, la vitesse de la poulie, la masse du chariot, la rigidité du guide, la résonance structurelle et la traînée du câble influencent tous la vitesse à laquelle l'axe peut fonctionner de manière fiable.

C'est pourquoivitesse du module linéaire de la courroie de distributiondoit être évalué comme une condition du système plutôt que comme un numéro isolé. Un axe peut être mécaniquement capable d'atteindre une vitesse de pointe élevée, mais néanmoins souffrir de fouettement de courroie, de vibrations, d'un mauvais réglage ou d'une demande excessive du moteur lorsque l'accélération est trop agressive.

Ce guide explique les limites pratiques de vitesse et d'accélération des modules de courroie de distribution et montre comment diagnostiquer et améliorer les performances à grande vitesse.

La vitesse maximale n'est pas la même que la vitesse de production utilisable

La vitesse maximale d'un fabricant indique généralement la capacité de fonctionnement supérieure d'un module spécifique dans des conditions définies.

La vitesse de production réelle devra peut-être être inférieure pour les raisons suivantes :

• Charge utile
• Exigence d'accélération
• Longueur de course
• Tension de la courroie
• Couple moteur à vitesse
• Dynamique du guidage et du chariot
• Rigidité du châssis de la machine
• Résistance du porte-câble
• Temps de stabilisation requis

Règle pratique :une vitesse maximale utile est la vitesse la plus élevée que l'axe complet peut répéter pendant le cycle de service requis tout en maintenant les objectifs de positionnement, de vibration, de température et de durée de vie.

Qu'est-ce qui limite réellement la vitesse du module de courroie de distribution ?

La vitesse linéaire et la vitesse de la poulie sont directement liées

La vitesse du chariot est déterminée par la vitesse de rotation de la poulie et la circonférence primitive de la poulie.

Conceptuellement :

v = ω × r

ou, en utilisant la vitesse de rotation de la poulie :

v = π × D × n ÷ 60

où:

• v= vitesse linéaire en m/s
• D= diamètre primitif de la poulie en m
• n= vitesse de la poulie en tr/min

Une poulie plus grande produit plus de déplacement linéaire par tour, de sorte que la même vitesse du chariot peut être obtenue à un régime moteur inférieur.

Pourquoi une poulie plus grande ne résout pas automatiquement les problèmes de vitesse élevée

Une poulie plus grande réduit la vitesse de rotation pour la même vitesse linéaire, mais elle augmente également le couple requis pour la même poussée linéaire.

Pour entraînement par courroie :

T = F × r ÷ h

Cela signifie que la taille de la poulie crée un compromis vitesse-couple :

• Poulie plus grande : régime inférieur, demande de couple plus élevée
• Poulie plus petite : régime plus élevé, demande de couple inférieure

La plus petite poulie est également limitée par la fatigue de flexion de la courroie et par les exigences minimales en matière d'engagement des dents.

L'accélération limite souvent le temps de cycle réel avant que la vitesse maximale ne le fasse

De nombreux axes de courroie de distribution fonctionnent sur des courses courtes ou moyennes. Le chariot peut passer peu ou pas de temps à la vitesse maximale avant que la décélération ne commence.

Dans ce cas, l’accélération est plus importante que la vitesse de pointe nominale.

La force d’accélération est :

F_acc= m × une

où la masse mobile comprend la charge utile du chariot, les accessoires, les axes supérieurs, les câbles mobiles et autres équipements attachés.

Un exemple simple

Un équipage mobile de 12 kg accéléré à 5 m/s²nécessite :

F_acc= 12 × 5 = 60 N

Ceci avant d'ajouter la résistance du guide, la traînée du câble ou la force du processus.

Pourquoi une accélération élevée est plus difficile pour la ceinture

Une accélération plus élevée augmente la différence de tension de la courroie entre les côtés entraînement et retour.

Cela peut conduire à :

• Plus grande élasticité de la ceinture élastique
• Charge dentaire plus élevée
• Plus de vibrations du chariot
• Charge de roulement de poulie plus élevée
• Demande de couple moteur plus élevée
• Plus de stress lors du renversement

Par conséquent, un module peut atteindre une vitesse constante élevée en toute sécurité, mais avoir du mal à atteindre cette vitesse trop rapidement lorsqu'on lui commande.

Les limites d'accélération sont généralement des limites du système

Il existe rarement une limite d'accélération universelle pour tous les modules de courroie de distribution.

La limite pratique dépend :

• Masse en mouvement
• Largeur et rigidité de la courroie
• Prétension de la ceinture
• Diamètre de la poulie
• Couple maximal du moteur
• Préchargement du guide
• Géométrie du chariot
• Rigidité du cadre
• Porte-à-faux d'outillage

Le même module peut donc avoir des capacités d’accélération très différentes sous différentes charges utiles.

Qu’est-ce que le fouet à ceinture ?

Fouet de ceintureest une oscillation visible ou dynamique d'une portée libre de la courroie lors d'un mouvement à grande vitesse, d'une accélération ou d'une inversion rapide.

Il peut apparaître comme :

• Flottement vertical de la courroie
• Vibration latérale de la ceinture
• Claques ou bourdonnements audibles
• Contact périodique avec les couvertures
• Mouvement instable après inversion

Le fouet de ceinture n'est pas seulement un problème de bruit. Une oscillation importante peut affecter l’engagement des dents, la cohérence du positionnement et la durée de vie de la courroie.

Quelles sont les causes du fouet de ceinture ?

Les causes courantes incluent :

• Longues portées de courroies non supportées
• Tension de courroie insuffisante
• Vitesse de bande très élevée
• Accélération et décélération rapides
• Excitation proche d’une fréquence naturelle
• Désalignement des poulies
• Suivi inégal de la courroie

Une course longue augmente la sensibilité

À mesure que la longueur libre de la courroie augmente, la courroie peut se comporter davantage comme un élément vibrant flexible. C’est l’une des raisons pour lesquelles les axes à course longue nécessitent plus d’attention aux tests de tension et dynamiques.

La tension de la courroie influence fortement la stabilité à grande vitesse

Si la tension est trop faible

Les effets possibles incluent :

• Fouet de ceinture
• Saut de dent
• Mauvaise répétabilité de l'inversion
• Augmentation du bruit

Si la tension est trop forte

Les effets possibles incluent :

• Charge de roulement de poulie plus élevée
• Demande de couple moteur plus élevée
• Fatigue accélérée de la ceinture
• Charge structurelle accrue

Le réglage à grande vitesse ne signifie pas serrer la ceinture autant que possible.Utilisez la prétention spécifiée et confirmez le comportement de manière dynamique.

Les vibrations peuvent provenir de plus que la ceinture

Lorsqu’un axe de courroie à grande vitesse vibre, la courroie n’est qu’une source possible.

D'autres sources incluent :

• Bâtis de machines flexibles
• Longues traverses
• Outillage en porte-à-faux
• câblodistributeurs
• Supports de moteur desserrés
• Préchargement du guide
• Réglage des servos
• Faux-rond de la poulie ou de l'arbre

Un cadre mécaniquement flexible ne peut pas être complètement corrigé par un réglage de contrôle.

La résonance structurelle peut devenir la véritable limite de vitesse

Chaque structure mécanique possède des fréquences naturelles. Si les commandes d’accélération ou les forces périodiques de la courroie excitent l’une de ces fréquences, les vibrations peuvent augmenter fortement.

Cela peut affecter :

• Temps de stabilisation
• Répétabilité des positions
• Bruit
• Qualité du parcours d'outil
• Durée de vie des fixations

Les portiques larges et les bâtis de machines longs sont particulièrement sensibles car leurs premiers modes structurels peuvent se produire à des fréquences relativement basses.

Le temps de stabilisation fait partie des performances à grande vitesse

Un axe à grande vitesse n'est pas utile si la machine doit attendre longtemps après chaque mouvement.

Le temps de cycle effectif est :

Temps de cycle = accélération + déplacement + décélération + stabilisation + temps de processus

Si une accélération plus élevée réduit le temps de déplacement de 50 ms mais ajoute 100 ms de stabilisation des vibrations, la machine devient globalement plus lente.

Les axes à course courte et à course longue se comportent différemment

C'est pourquoi un catalogue de vitesse maximale ne peut pas décrire aussi bien toutes les applications.

Applications de prélèvement et de placement à grande vitesse

Les équipements de transfert utilisent souvent des modules de courroie de distribution en raison de leur faible masse en mouvement et de leur capacité d'inversion rapide.

Les principales variables de conception sont :

• Distance de déplacement courte
• Accélération élevée
• Faible masse d'outillage
• Règlement rapide
• Nombre d'inversions élevé

Pour ce type d’application, l’accélération et la rigidité comptent souvent plus que la vitesse de pointe ultime.

Applications de transfert pour longs voyages

Les longs transferts côté convoyeur, les systèmes à portique et les axes de manutention peuvent passer plus de temps à vitesse constante.

Les contrôles importants comprennent :

• Indice de vitesse de la courroie
• Régime poulie
• Capacité du moteur à vitesse continue
• Vibrations de la courroie
• Stabilité du porte-câble
• Support à poutre longue

Impression et numérisation à grande vitesse

Les applications d'impression, de revêtement et d'inspection peuvent nécessiter que le chariot se déplace à une vitesse stable dans une zone de traitement.

Pour ces applications, la qualité de la vitesse compte autant que son ampleur.

Vérifier:

• Ondulation de vitesse
• Erreur de suivi du servo
• Élasticité de la ceinture
• Rectitude du guidage
• Vibrations structurelles

Le couple moteur chute avec la vitesse

La capacité du moteur doit être vérifiée au régime réel requis par la poulie.

Ceci est particulièrement important pour les moteurs pas à pas, dont le couple disponible diminue généralement de manière significative à mesure que la vitesse augmente.

Les systèmes servo ont également des limites de couple continu et maximal et une vitesse maximale finie.

Le dimensionnement à grande vitesse doit donc utiliser :

• Régime de poulie requis
• Courbe couple-vitesse du moteur
• Couple maximal lors de l'accélération
• Couple RMS sur le cycle
• Limites de tension et de courant du variateur

La puissance du moteur seule ne définit pas la vitesse maximale

Un moteur avec plus de watts ne rend pas automatiquement l'axe plus rapide.

La vitesse maximale peut encore être limitée par :

• Régime moteur
• Taille de la poulie
• Indice de vitesse de la courroie
• Dynamique des guides
• Résonance structurelle
• Porte-câble

La largeur et la rigidité de la courroie influencent l’accélération

Une courroie plus large ou plus rigide peut réduire l'allongement élastique sous l'effet d'une force dynamique.

Cela peut améliorer :

• Comportement d'inversion
• Règlement
• Positionnement dynamique
• Stabilité du contrôle

Mais l’augmentation de la largeur de la courroie augmente également la largeur des poulies et peut affecter le coût, l’alignement et la taille des modules.

Le diamètre de la poulie doit équilibrer la vitesse, le couple et la durée de vie de la courroie

La sélection de la poulie doit satisfaire à tous les critères suivants :

• Vitesse linéaire requise
• Capacité de régime du moteur
• Poussée requise
• Rayon de courbure minimum de la courroie
• Dents engagées requises
• Limites de roulement

Il n’existe pas de diamètre de poulie unique qui maximise chaque mesure de performance.

Précharge du guide et résistance au fonctionnement

Une précharge de guide plus élevée peut améliorer la rigidité, mais elle augmente également la résistance au roulement et la chaleur.

À vitesse élevée, une précharge excessive peut augmenter :

• Demande de moteur
• Température de référence
• Porter

Le guide doit être sélectionné en fonction de la rigidité et de la charge requises plutôt que d'utiliser automatiquement la précharge disponible la plus élevée.

Les porte-câbles peuvent devenir une charge dynamique majeure

À faible vitesse, la traînée du câble peut paraître insignifiante. À vitesse et accélération élevées, le support de câble peut devenir une source majeure de force et de vibrations.

Vérifier:

• Masse du porteur
• Rayon de courbure
• Vitesse de déplacement maximale
• Accélération maximale
• Portée non prise en charge
• Remplissage et disposition des câbles

Le plus rapidemodule linéairedans la machine peut toujours être limité par le système de câbles qui y est attaché.

Comment les profils de mouvement affectent les vibrations

Un profil de vitesse trapézoïdal abrupt peut exciter plus de vibrations qu’un profil plus lisse.

Une courbe en S ou un mouvement limité par à-coups peuvent réduire le taux de changement d’accélération et contribuer à diminuer :

• Excitation du cadre
• Vibrations de la courroie
• Oscillation de l'outil
• Temps de stabilisation

Le meilleur profil dépend du temps de cycle et de la sensibilité du processus.

Comment augmenter la stabilité à grande vitesse

1. Réduire la masse en mouvement

Utilisez des outils légers, des supports compacts et un acheminement optimisé des câbles.

2. Utilisez la bonne tension de courroie

Maintenez la prétension spécifiée plutôt que de serrer au toucher.

3. Augmenter la rigidité structurelle

Renforcez les bases, les traverses et les supports d'outillage.

4. Utilisez une largeur de courroie et une rigidité à la traction appropriées

Cela réduit la réponse élastique sous accélération.

5. Sélectionnez la taille de la poulie comme variable système

Équilibrez le régime du moteur, la poussée, l’engagement des dents et la durée de vie en flexion.

6. Améliorer la correspondance du moteur et du servo

Vérifiez les performances couple-vitesse et l'inertie plutôt que la puissance du moteur uniquement.

7. Optimiser le profil de mouvement

Utilisez un contrôle des à-coups ou une accélération plus douce là où les vibrations limitent la productivité.

8. Améliorer la gestion des câbles

Réduisez la variation de traînée et évitez la résonance du porte-câble.

9. Test à pleine course et charge réelle

Le comportement des courroies longues peut ne pas apparaître lors des essais au banc à course courte.

Signes que l’Axe est géré de manière trop agressive

• Flottement ou fouet visible de la ceinture
• Événements répétés de sauts de dents
• Augmentation du courant moteur
• Alarmes de suivi des servos
• Temps de stabilisation plus long
• Nouvelle vibration ou résonance
• Usure du bord de la ceinture
• Bruit de roulement de poulie
• Guider la montée en température
• La répétabilité du positionnement devient dépendante de la charge

Ces symptômes doivent être étudiés avant d’augmenter davantage la vitesse.

Comment déterminer une vitesse maximale pratique

1. Confirmez l'indice de vitesse du fabricant du module.
2. Calculez le régime de la poulie à la vitesse linéaire cible.
3. Vérifiez le couple et le régime du moteur à ce point de fonctionnement.
4. Vérifiez la vitesse de la courroie et les limites de la poulie.
5. Vérifiez les limites de vitesse et d'accélération du porte-câble.
6. Exécutez l'axe avec la masse réelle en mouvement.
7. Testez la course complète.
8. Mesurez les vibrations, la stabilisation et la demande du moteur.
9. Répétez sur le cycle de service réel.
10. Définissez la limite de production en dessous du début du comportement instable.

Comment déterminer une limite d'accélération pratique

1. Calculez la force d'accélération requise.
2. Vérifiez le couple maximal du moteur.
3. Vérifiez la dent de la courroie et sa capacité de traction.
4. Vérifiez les charges des poulies et des roulements.
5. Évaluez l’étirement et le positionnement de la ceinture.
6. Mesurez les vibrations et le tassement.
7. Vérifier la rigidité du guide et de la structure.
8. Confirmez les performances répétées au cours du cycle de service.

Ce dont QRXQ a besoin pour évaluer le mouvement de la courroie à grande vitesse

• Course requise
• Masse en mouvement
• Vitesse maximale cible
• Accélération cible
• Temps de cycle
• Fréquence d'inversion
• Profil et largeur de la bande
• Nombre de dents de poulie ou diamètre primitif
• Modèle de moteur
• Installation horizontale, verticale ou sur portique
• Répétabilité requise
• Configuration du porte-câble

La véritable limite de vitesse élevée d'un module de courroie de distribution est une limite du système.La vitesse de la bande, le régime du moteur, la force d'accélération, les vibrations, la structure et la dynamique du câble doivent tous rester dans une fenêtre de fonctionnement stable.

QRXQ évalue le timingmodule linéaire à courroiela vitesse et l'accélération à partir du profil de mouvement complet plutôt que de compter uniquement sur la vitesse la plus élevée indiquée dans un catalogue.