Utilisation d'un module linéaire de courroie de distribution pour un mouvement vertical

Un timingmodule linéaire à courroiepeut être installé verticalement, mais le fonctionnement vertical nécessite une sélection plus minutieuse que le mouvement horizontal. Dans un axe vertical, le moteur doit vaincre la gravité lors du mouvement ascendant et contrôler la charge descendante lors du mouvement descendant. Le système doit également empêcher le chariot et la charge utile de tomber lorsque le moteur s'arrête, que le servo perd de la puissance ou que la courroie de distribution tombe en panne.

C'est pour cette raison qu'un module linéaire à courroie dentée verticale nécessite normalement un moteur-frein, un couple moteur suffisant, un facteur de sécurité approprié et des mesures fiables de prévention des chutes. Des dispositifs de contrepoids peuvent également être utilisés lorsque la charge utile est lourde ou que l'axe fonctionne à haute fréquence.

Un module linéaire de courroie de distribution peut-il être installé verticalement ?

Oui. Courroie de distributionmodules linéairessont largement utilisés comme axes de levage verticaux dans les systèmes de prélèvement et de placement, les équipements d'emballage, les machines de chargement et de déchargement,robots à portique, équipements d'inspection et lignes de production automatisées.

Cependant, tous les modules de courroie de distribution ne sont pas automatiquement adaptés à une installation verticale. Les conditions suivantes doivent être vérifiées avant la sélection :

• La courroie de distribution doit avoir une résistance à la traction suffisante.
• Le moteur doit fournir suffisamment de couple pour soulever la charge contre la gravité.
• Le moteur doit inclure un frein électromagnétique.
• Le rail de guidage et le chariot doivent résister à la charge et au moment appliqués.
• La structure doit inclure une protection contre les coupures de courant et des mesures de prévention des chutes.
• La charge sélectionnée doit rester inférieure à la charge verticale autorisée du module.
• L'accélération, la vitesse, la course et la fréquence de fonctionnement doivent être considérées ensemble.

Un module avec une charge nominale horizontale élevée peut avoir une charge admissible beaucoup plus faible lorsqu'il est installé verticalement, car la gravité agit en permanence sur l'ensemble mobile.

En quoi l'installation verticale diffère de l'installation horizontale

Dans une application horizontale, la gravité est principalement supportée par le guidage linéaire. Le moteur surmonte principalement la force d'accélération, la friction et la résistance externe du processus.

Dans une application verticale, le moteur doit supporter ou contrôler en permanence le poids du chariot, de l'outillage et de la charge utile. La force nécessaire à l’accélération vers le haut est donc nettement plus élevée.

Facteur de sélection	Axe horizontal	Axe vertical
Influence de la gravité	Porté principalement par le guide	Agit directement contre le système d'entraînement
Frein moteur	Généralement facultatif	Normalement requis
Risque de mise hors tension	Le chariot reste normalement en position	Le chariot peut tomber
Couple moteur	Basé principalement sur l'accélération et la friction	Doit inclure la gravité, l'accélération et la friction
Conception de sécurité	Protection contre les mouvements standard	Frein, butée mécanique et protection antichute
Contrepoids	Rarement requis	Utile pour les charges lourdes ou à cycle élevé

Calculer la charge de l'axe vertical

La masse mobile d’un module de courroie de distribution verticale comprend plus que la charge utile du client. La masse totale en mouvement doit comprendre :

• Poids de la pièce ou du produit
• Poids de fixation, de pince ou d'outillage
• Poids du chariot mobile
• Capteurs, câbles et supports montés
• Tout mécanisme de déplacement supplémentaire

La force de gravité de base est calculée comme suit :

F_g= m × g

Où:

• F_gest la force de gravité en newtons.
• mest la masse totale en mouvement en kilogrammes.
• gest l'accélération gravitationnelle, d'environ 9,81 m/s².

Par exemple, si la masse totale en mouvement est de 20 kg :

F_g= 20 × 9,81 = 196,2 N

Le moteur doit fournir plus de 196,2 N car une force supplémentaire est nécessaire pour les pertes d'accélération, de friction et de transmission.

Force requise pendant l'accélération vers le haut

La force motrice ascendante approximative peut être calculée comme suit :

F_{en haut}= m × (g + a) + F_f+F_e

Où:

• unest l’accélération vers le haut.
• F_fest la résistance de frottement estimée.
• F_eest une force de processus externe supplémentaire.

La force de conception doit alors inclure un facteur de sécurité :

F_conception=F_{en haut}×S

Pour un axe vertical typique, un facteur de sécurité de 1,5 à 2,0 est généralement considéré. Un facteur plus élevé peut être nécessaire pour les charges de choc, les démarrages et arrêts fréquents, les charges utiles incertaines ou les équipements critiques pour la sécurité.

Force pendant le mouvement vers le bas

La gravité facilite le mouvement vers le bas, mais cela ne signifie pas que le fonctionnement vers le bas ne nécessite aucun couple moteur. Le moteur doit contrôler la masse descendante et éviter la survitesse.

Lors d'une décélération rapide, le moteur peut fonctionner dans un état régénérateur. Le servo variateur peut donc nécessiter une résistance de freinage ou une unité régénérative, notamment lorsque la masse en mouvement, la vitesse ou la course sont importantes.

Calcul du couple moteur

Après avoir déterminé la force linéaire requise, le couple au niveau de la poulie de distribution peut être estimé à l'aide de :

T_poulie=F_conception× r ÷ n

Où:

• T_poulieest le couple de poulie requis.
• rest le rayon primitif de la poulie de distribution.
• ouest l’efficacité de la transmission.

Si une boîte de vitesses est utilisée, le couple moteur requis peut être estimé comme suit :

T_moteur=T_poulie÷ (je × n_g)

Où:

• jeest le rapport de réduction de la boîte de vitesses.
• ou_gest le rendement de la boîte de vitesses.

La sélection du moteur ne doit pas être basée uniquement sur le couple nominal. Les valeurs suivantes doivent également être vérifiées :

• Couple nominal du moteur
• Couple moteur maximal
• Couple d'accélération requis
• Vitesse de fonctionnement maximale
• Inertie du moteur et rapport d'inertie de la charge
• Couple efficace sur tout le cycle de fonctionnement
• Énergie régénérative pendant la décélération vers le bas
• Couple de maintien du frein

Un servomoteur est généralement préféré pour les applications de courroie de distribution verticale car il offre une accélération contrôlée, un positionnement précis, une surveillance de la vitesse et une protection contre les surcharges.

Pourquoi un axe vertical a besoin d'un moteur de frein

Un frein moteur électromagnétique est l’un des composants les plus importants d’un système à mouvement vertical. Lorsque le servo est désactivé ou que l'alimentation électrique est interrompue, la gravité peut faire descendre le chariot. Le frein maintient l'arbre du moteur et aide à maintenir l'axe vertical en position.

Le frein doit être un modèle normalement fermé, actionné par un ressort et desserré électriquement. Cela signifie que le frein s'enclenche automatiquement lorsque l'alimentation électrique est coupée.

Le couple de maintien statique requis au niveau de la poulie peut être estimé comme suit :

T_prise= m × g × r ÷ n

Un facteur de sécurité de maintien doit alors être appliqué :

T_frein≥T_prise×S_b

Le couple de freinage sélectionné doit dépasser le couple de maintien calculé. Le frein doit également tenir compte du chariot, de l'outillage et de tous les autres composants mobiles.

Séquence de commande de freinage recommandée

1. Activez le servo et établissez le couple de maintien du moteur.
2. Relâchez le frein électromagnétique.
3. Confirmez le desserrage des freins avant de commencer le mouvement.
4. Terminez le mouvement et arrêtez l'axe à l'aide du servomoteur.
5. Commandez au frein de s'enclencher.
6. Confirmez que le frein est engagé.
7. Désactivez le servo uniquement une fois que le frein a sécurisé la charge.

Un délai doit être inclus dans le programme de contrôle pour tenir compte du temps d'ouverture et de fermeture mécanique du frein.

Options de contrepoids pour le mouvement vertical

Un contrepoids réduit la charge de gravité effective agissant sur le moteur. Il peut réduire le couple du moteur, réduire la consommation d'énergie, diminuer l'usure des freins et améliorer la stabilité de l'axe vertical.

Les méthodes de contrepoids courantes comprennent :

Contrepoids

Un contrepoids est relié au chariot mobile via un système de courroie, de poulie ou de câble. Il peut compenser une grande partie de la masse en mouvement.

Les contrepoids sont efficaces pour les courses longues et les charges lourdes, mais ils nécessitent un espace d'installation supplémentaire et augmentent l'inertie de mouvement totale du système.

Ressort à gaz

Un ressort à gaz peut fournir une force de soutien vers le haut dans des mécanismes verticaux compacts. C'est relativement simple, mais sa force change avec la course et peut ne pas rester constante tout au long du trajet.

Cylindre pneumatique

Un vérin pneumatique peut être utilisé comme vérin d'équilibrage. La pression de l'air peut être ajustée en fonction de la charge verticale.

Cette méthode convient aux machines disposant déjà d’une alimentation en air comprimé stable. La perte de pression et les fuites d’air doivent être prises en compte dans la conception de sécurité.

Ressort à force constante

Un ressort à force constante peut fournir une force de soutien approximativement uniforme sur sa course de travail. Il est souvent utilisé pour les axes verticaux relativement légers et les équipements compacts.

La force d’équilibrage ne doit normalement pas dépasser la force de gravité totale. Un contrepoids excessif peut faire monter le chariot lorsque le moteur est désactivé.

Tension de la courroie de distribution dans un module vertical

Une tension correcte de la courroie de distribution est essentielle pour un fonctionnement vertical. Si la tension de la courroie est trop faible, le système peut subir :

• Dent qui saute lors d’une accélération ou d’un arrêt d’urgence
• Erreurs de positionnement
• Vibrations et bruits anormaux
• Mouvement descendant instable
• Rigidité de transmission réduite

Si la tension de la courroie est trop élevée, cela peut provoquer :

• Charge moteur excessive
• Augmentation de la charge sur les roulements de poulie
• Friction et température plus élevées
• Usure accélérée des courroies et des roulements
• Durée de vie réduite

La tension de la courroie doit suivre la valeur spécifiée par le fabricant du module. Il ne faut pas l'augmenter arbitrairement pour compenser un couple moteur insuffisant ou une courroie sous-dimensionnée.

La largeur de la courroie, le profil des dents, le matériau de renforcement et la charge de traction admissible doivent tous être adaptés à la force de conception verticale.

Protection contre la mise hors tension et prévention des chutes

Un frein moteur seul peut ne pas fournir une protection suffisante pour chaque application verticale. Le niveau de sécurité approprié dépend de la masse en mouvement, de la hauteur d'installation, de l'environnement d'exploitation et des conséquences d'une chute incontrôlée.

Les mesures possibles de prévention des chutes comprennent :

• Frein moteur normalement fermé
• Dispositif antichute mécanique
• Frein de sécurité monté sur le rail de guidage
• Mécanisme à cliquet ou de verrouillage
• Système de contrepoids
• Butées mécaniques
• Tampons absorbant l'énergie
• Loquet de sécurité ou support secondaire
• Ceinture ou mécanisme de levage redondant
• Alarme servo et surveillance de l'état des freins

Lorsque le personnel peut pénétrer dans la zone située sous l'axe vertical, le système ne doit pas s'appuyer uniquement sur le frein moteur. Une évaluation des risques et un dispositif de maintien mécanique indépendant peuvent être nécessaires.

Protection contre la défaillance de la ceinture

Bien qu'une courroie de distribution correctement sélectionnée ait une longue durée de vie, l'usure de la courroie, une tension incorrecte, une contamination, un désalignement des poulies ou une surcharge peuvent éventuellement provoquer une panne.

Pour les équipements dans lesquels une défaillance de la courroie pourrait créer un danger grave, considérez :

• Un agencement à double ceinture
• Un câble de sécurité secondaire
• Un frein de sécurité sur rail de guidage
• Une goupille de verrouillage mécanique
• Inspection et remplacement programmés de la courroie
• Une enceinte de protection qui empêche l'accès en dessous de l'axe

Considérations sur les rails de guidage et les charges de moment

La charge utile verticale doit être positionnée aussi près que possible du centre du chariot. Une charge utile décalée produit des charges de moment sur le guide linéaire.

Les principaux moments normalement vérifiés sont :

• Moment de pitch
• Moment de lacet
• Moment roulant

Une charge utile légère située loin du chariot peut créer une charge de guidage plus importante qu'une charge utile plus lourde installée à proximité du centre du chariot.

Lorsque l’outillage présente un porte-à-faux important, pensez à utiliser :

• Un chariot plus long
• Deux blocs de guidage
• Un module plus large
• Deux modules verticaux parallèles
• Une structure de guidage externe

Exigences de conception d'installation verticale

Le module doit être monté sur un châssis de machine rigide et plat. Une rigidité insuffisante du cadre peut provoquer des vibrations, un désalignement des guides et une mauvaise précision de positionnement.

Lors de l'installation :

• Assurez-vous que le module est aligné verticalement.
• Soutenez le module le long des surfaces de montage recommandées.
• Serrez les boulons de montage en utilisant la séquence et le couple spécifiés.
• Évitez de tordre le profilé en aluminium.
• Fournit un guidage de câble flexible pour le chariot mobile.
• Empêchez les câbles de tirer le chariot vers le bas ou sur le côté.
• Installez des capteurs de limite supérieure et inférieure.
• Définissez les limites de déplacement du logiciel à l’intérieur des limites mécaniques.
• Prévoyez une distance de décélération suffisante avant la fin de course.
• Installez des tampons mécaniques en cas de dépassement anormal.

Procédure de sélection du module de courroie de distribution verticale

1. Calculez la masse totale en mouvement.Incluez la charge utile, le luminaire, le chariot et tous les accessoires mobiles.
2. Définissez le trait.Ajoutez des marges de sécurité et une distance de décélération à la course requise.
3. Déterminez la vitesse et l’accélération.Utilisez le profil de mouvement réel plutôt que uniquement la vitesse maximale de la machine.
4. Calculez la force motrice ascendante.Incluez la gravité, l’accélération, la friction et la résistance externe.
5. Appliquez un facteur de sécurité.Augmentez le facteur pour les charges de choc ou les conditions de fonctionnement incertaines.
6. Vérifiez la capacité de la courroie.Vérifiez la tension admissible, la résistance des dents et la largeur de la courroie.
7. Calculer le couple de poulie.Utilisez le rayon de pas de la poulie et l’efficacité de la transmission.
8. Sélectionnez le moteur et la boîte de vitesses.Vérifiez le couple nominal, le couple maximal, la vitesse, l'inertie et le couple RMS.
9. Sélectionnez le frein moteur.Assurez-vous que le couple de maintien du frein dépasse les exigences de maintien par gravité.
10. Vérifiez la charge et les moments du guide.Incluez le surplomb de la charge utile et les dimensions des outils.
11. Évaluer l’énergie régénérative.Ajoutez une résistance de freinage ou une unité régénérative si nécessaire.
12. Conception d'une protection anti-chute.Sélectionnez la protection en fonction de l'évaluation des risques de la machine.
13. Vérifier la durée de vie.Tenez compte de la fréquence des cycles, des heures de fonctionnement quotidiennes et des intervalles de maintenance prévus.

Exemple de calcul de l'axe vertical

Considérons un module de courroie de distribution verticale avec les conditions suivantes :

• Masse totale en mouvement : 20 kg
• Accélération vers le haut : 1,5 m/s²
• Résistance au frottement estimée : 50 N
• Force de processus externe : 0 N
• Facteur de sécurité : 1,5
• Rayon de pas de poulie : 25 mm, soit 0,025 m
• Efficacité de transmission : 90 %

La force ascendante est :

F_{en haut} = 20 × (9.81 + 1.5) + 50

F_{en haut}= 276,2 N

Après application du facteur de sécurité :

F_conception= 276,2 × 1,5 = 414,3 N

Le couple de poulie requis est :

T_poulie = 414.3 × 0.025 ÷ 0.90

T_poulie≈ 11,5 N·m

Le couple de maintien de la gravité statique est :

T_prise = 20 × 9.81 × 0.025 ÷ 0.90

T_prise≈ 5,45 N·m

Le moteur, le réducteur et le frein sélectionnés doivent être vérifiés par rapport à ces valeurs. La sélection finale doit également prendre en compte la vitesse de fonctionnement, le couple maximal, l'inertie du moteur, le temps de cycle et l'énergie régénérative.

Erreurs courantes d'installation verticale

Sélection du moteur uniquement par charge utile

La charge utile à elle seule ne représente pas la masse totale en mouvement. Ignorer le chariot, l'outillage et les accessoires peut entraîner un couple moteur insuffisant.

Utiliser un moteur sans frein

Un servomoteur peut maintenir sa position lorsqu'il est sous tension, mais il ne peut pas garantir son maintien lorsque l'alimentation est coupée. Un axe vertical doit normalement utiliser un moteur frein.

Traiter le frein comme un arrêt d'urgence

L'utilisation répétée d'un frein de maintien pour arrêter un axe en mouvement peut provoquer une usure rapide et une défaillance des freins. Le servo doit arrêter le mouvement avant que le frein ne s'enclenche.

Ignorer la régénération vers le bas

Une charge verticale lourde peut restituer de l'énergie au servomoteur pendant la descente. Sans capacité de régénération appropriée, le variateur peut produire une alarme de surtension.

Augmenter excessivement la tension de la courroie

Une prétension excessive ne peut pas corriger une courroie ou un moteur sous-dimensionné. Cela augmente la charge des roulements et peut raccourcir la durée de vie du module.

S'appuyer uniquement sur les limites du logiciel

Les limites logicielles ne peuvent pas protéger la machine en cas de panne du contrôleur, de panne de capteur ou de coupure de courant. Des limites et tampons mécaniques doivent également être fournis.

Ignorer le dépassement de charge utile

Un dispositif décalé peut créer une charge de moment excessive même lorsque le poids de la charge utile est conforme à la valeur nominale.

Foire aux questions

Un module de courroie de distribution peut-il supporter une charge verticale sans alimentation ?

Uniquement lorsqu'un frein approprié ou un dispositif de maintien mécanique est prévu. Le servomoteur lui-même ne peut pas maintenir la charge de manière fiable une fois l'alimentation coupée.

Un moteur pas à pas est-il adapté à un axe à courroie de distribution vertical ?

Un moteur pas à pas peut être utilisé pour des charges verticales légères et à faible vitesse, mais il doit inclure un frein et une marge de couple suffisante. Un servomoteur est généralement préféré pour les vitesses plus élevées, les charges plus lourdes et les applications nécessitant un retour de position.

Chaque axe vertical a-t-il besoin d'un contrepoids ?

Non. Un contrepoids est facultatif lorsque le moteur et le frein peuvent supporter la charge en toute sécurité. Il devient plus utile pour les charges utiles lourdes, les courses longues, les cadences élevées ou les équipements sensibles à l'énergie.

Quel facteur de sécurité faut-il utiliser ?

Un facteur d'environ 1,5 à 2,0 est souvent pris en compte pour la sélection préliminaire. Le facteur réel doit être déterminé en fonction de l'incertitude de charge, des chocs, de la fréquence de fonctionnement et des exigences de sécurité de la machine.

Le frein moteur peut-il arrêter l'axe en cas d'urgence ?

Un frein moteur standard est principalement destiné à maintenir une charge stationnaire. L'arrêt d'urgence doit normalement être géré par le servomoteur, un frein de sécurité dédié ou un autre dispositif d'arrêt de capacité appropriée.

Comment empêcher un module vertical de tomber en cas de rupture de la courroie ?

Les systèmes à haut risque peuvent utiliser un frein de sécurité du rail de guidage, un câble secondaire, une courroie redondante, un mécanisme de verrouillage mécanique ou une enceinte de protection. La méthode appropriée doit être sélectionnée via une évaluation des risques liés à la machine.

Conclusion

Un module linéaire de courroie de distribution peut fournir un mouvement vertical rapide, long et précis lorsqu'il est correctement sélectionné. La conception doit tenir compte de la masse mobile totale, de la force de gravité, de l'accélération, du couple de la poulie, de la capacité de la courroie, des moments de guidage et de l'énergie régénérative.

Un moteur frein est normalement indispensable, mais le frein ne doit pas être considéré comme le seul dispositif de sécurité. Pour les charges lourdes ou les applications où une chute pourrait provoquer des blessures ou des dommages matériels, des systèmes de contrepoids et une protection antichute mécanique indépendante doivent également être envisagés.

En combinant des calculs de charge précis, des marges de sécurité suffisantes, une tension de courroie correcte et une protection fiable contre les coupures de courant, un module de courroie de distribution verticale peut fonctionner en toute sécurité et de manière cohérente tout au long de sa durée de vie prévue.