Considérations relatives aux performances de mouvement lors de la sélection de câbles VFD pour la robotique

Plusieurs facteurs clés doivent être pris en compte pour garantir une solution de taille minimale à fiabilité maximale lors de la spécification de câbles de variateurs de fréquence (VFD) pour la robotique industrielle. Il n'existe pas de solution universelle et une analyse minutieuse des exigences de mouvement spécifiques est nécessaire pour déterminer le câble le mieux adapté pour chaque application.

Certains types de câbles conviennent aux robots portiques, tandis que d'autres excellent dans les robots articulés multi-axes, les applications d'assemblage automatisé ou d'autres solutions robotiques.

Les spécifications à prendre en compte incluent le rayon de courbure minimum, la torsion maximum, la structure de toronnage, la capacité de flexion continue (basée sur le rayon de courbure, la distance, l'accélération, la vitesse et le poids), les matériaux d'isolation et de gaine, ainsi que le niveau de blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI).

Cet article détaille certaines subtilités à prendre en compte lors de la spécification de câbles pour la robotique industrielle et montre comment les câbles ÖLFLEX® VFD 1XL et VFD 1XL avec signal de LAPP, répertoriés pour supporter jusqu'à deux millions de cycles de courbure, conviennent à de nombreux types de robots, y compris les robots portiques. Il examine ensuite les exigences des robots articulés multi-axes dotés de mouvements de torsion et de flexion complexes qui peuvent bénéficier de l'utilisation des câbles ÖLFLEX ROBOT F1.

L'article présente ensuite brièvement le modèle ÖLFLEX SERVO FD 7DSL, un câble hybride composé de fils extra-fins de classe 6 et conçu pour supporter jusqu'à 10 millions de cycles de courbure pour une utilisation dans les applications robotiques, telles que le transfert et l'assemblage automatisé. Il conclut en examinant l'importance des presse-étoupes pour garantir la fiabilité des mouvements des robots et des câbles.

Principes de base du mouvement

Le principal facteur de différenciation entre les câbles VFD destinés aux applications industrielles générales et ceux destinés à la robotique industrielle réside dans la capacité à prendre en charge des mouvements rapides, répétitifs et précis, susceptibles d'exposer les câbles à de fortes contraintes.

La plupart des câbles VFD sont répertoriés pour offrir un certain niveau de flexibilité. Souvent, cela signifie qu'ils peuvent être courbés pour faciliter l'acheminement lors de l'installation. Cela peut être utile dans les applications fixes, mais s'avère insuffisant pour la robotique.

Les facteurs qui ont un impact sur la flexibilité du câble incluent notamment le type d'isolant, l'ajout de gaines ou de blindages, la taille des conducteurs et la structure de toronnage. Pour atteindre un nombre élevé de cycles de flexion, il convient de porter une attention particulière à chaque aspect de la structure du câble, y compris le matériau de la gaine, qui doit être à la fois fin et résistant à l'abrasion.

Le rayon de courbure du câble est une spécification de base qui indique le degré de courbure maximum que le câble peut accepter sans dommage, mais qui ne spécifie pas le nombre de cycles de flexion que le câble peut supporter. Il est essentiel de comprendre le type de mouvement qui sera subi pour sélectionner le câble approprié et garantir le cycle de vie requis.

Le rayon de courbure est un aspect de la flexion continue, qui constitue une spécification importante pour les applications robotiques. La flexion torsionnelle est un autre type de flexibilité qui est crucial dans certains types de robots ; dans certains cas, le câble peut tourner autour de son axe de ±360° (Figure 1).

Figure 1 : La flexibilité de courbure est importante dans la plupart des installations de câbles industriels. Des capacités de flexion continue et de flexion torsionnelle sont requises pour la robotique industrielle. (Source de l'image : LAPP)

La flexion continue fait référence au mouvement de va-et-vient linéaire et répété d'un câble, fréquent dans les applications telles que les équipements automatisés, les robots portiques ou les systèmes de chemins de câbles. Dans ce type de flexion, le câble est soumis à une abrasion et à des contraintes constantes, et il doit pouvoir résister à des mouvements continus sans défaillance.

Les câbles conçus pour la flexion torsionnelle peuvent résister à une torsion constante. Dans un robot, le câble peut également être tiré d'avant en arrière, combinant une flexion continue linéaire avec une flexion torsionnelle rotationnelle. Les câbles utilisés dans les applications telles que les robots articulés multi-axes, les robots de peinture industriels (en particulier dans leurs effecteurs terminaux) et les systèmes d'assemblage automatisé peuvent subir une flexion torsionnelle.

Contrairement à de nombreux autres domaines du contrôle des processus industriels, il n'existe pas de terminologie normalisée pour décrire ou quantifier les différents types de flexibilité des câbles. Chaque fabricant doit développer son propre système de classification, généralement basé sur une série de normes CEI, telles que la norme CEI 60228 relative aux conducteurs de câbles isolés.

La norme CEI 60228:2023 spécifie les sections nominales des conducteurs dans les câbles et cordons électriques de divers types et applications. Les exigences relatives au nombre et à la taille des fils, ainsi qu'aux valeurs de résistance, sont également indiquées.

Elle classe les conducteurs en différentes catégories en fonction de leur flexibilité et de leur structure, y compris les conducteurs pleins (classe 1), toronnés (classe 2), flexibles (classe 5) et hautement flexibles (classe 6). Les conducteurs plus flexibles ont un plus grand nombre de fils plus fins dans les torons.

En plus de se référer à diverses normes CEI, la méthodologie de test de flexion continue de LAPP a fait l'objet d'une vérification UL sur la base d'un audit détaillé. L'audit incluait des exigences en matière d'équipements spécialisés étalonnés, de personnel correctement formé et de documentation contrôlée, en conformité avec la norme ISO/CEI 17025, une norme internationale qui définit les exigences de compétences des laboratoires d'essais et d'étalonnage.

LAPP a défini une série de cinq niveaux de performances de flexion continue et de deux niveaux de performances de flexion torsionnelle (Tableau 1). LAPP a également défini trois niveaux de flexibilité de courbure pour les câbles industriels de base et trois niveaux de flexibilité torsionnelle pour les câbles spéciaux utilisés dans les éoliennes.

Tableau 1 : Niveaux de performances de flexion continue et de flexion torsionnelle tels que définis par LAPP. (Source du tableau : Lapp)

Le faible poids est également un facteur important à prendre en compte lors de la sélection de câbles robotiques. Les robots industriels connaissent des accélérations et des freinages rapides, et les câbles légers minimisent la quantité de masse, facilitant les mouvements rapides et améliorant la capacité du câble à résister de manière fiable aux rigueurs de millions de cycles de flexion et de torsion.

Mouvement robotique de base

Le câble ÖLFLEX VFD 1XL de LAPP présente un indice de flexion continue CF-01, ce qui le rend adapté aux applications telles que les robots portiques. Ces câbles sont résistants aux huiles et aux UV, et sont blindés. L'isolant en polyéthylène réticulé (XLPE) amélioré, également connu sous le nom de XLPE plus, possède les propriétés mécaniques requises pour la robotique et présente un diamètre extérieur réduit, favorisant l'installation dans les espaces restreints tout en conservant la flexibilité CF-01.

Le câble ÖLFLEX VFD 1XL illustre parfaitement l'importance de la structure du câble sur la flexibilité. Les modèles de base, comme le 701703 avec des fils en cuivre étamé fins, un blindage composé d'un ruban barrière et d'un ruban métallique triple couche (couverture à 100 %) et une tresse en cuivre étamé (couverture à 85 %), sont répertoriés pour la flexibilité CF-01 avec une durée de vie nominale de 1 à 2 millions de cycles et des longueurs de chaîne atteignant 4,5 mètres.

L'ajout d'une paire de fils individuellement blindés pour la connexion de signal avec un conducteur de drainage TC non isolé peut simplifier les installations en permettant à un seul câble de gérer à la fois l'alimentation et le signal, mais au prix d'une flexibilité réduite. Les câbles ÖLFLEX VFD 1XL avec signal présentent un indice de flexibilité FL-02 et conviennent aux applications industrielles générales.

Par exemple, le modèle ÖLFLEX VFD 1XL 701715 avec signal est répertorié FL-02 et est hautement flexible grâce à ses caractéristiques de flexion continue. Cependant, il n'a pas de durée de vie nominale, ce qui le rend inadapté à la plupart des applications robotiques (Figure 2).

Figure 2 : Avec des fils de signal ajoutés, ce câble ÖLFLEX VFD 1XL présente un indice de flexibilité FL-02, convenant aux applications industrielles générales. Sans fils de signal, son indice de flexibilité passe à CF-01, ce qui en fait le câble idéal pour les applications robotiques de base. (Source de l'image : DigiKey)

Mouvement robotique maximum

Pour les applications robotiques les plus exigeantes, les concepteurs peuvent compter sur le câble ÖLFLEX ROBOT F1, qui présente un indice de flexibilité torsionnelle élevé de TCF-01. Ce niveau de flexibilité torsionnelle est atteint à la fois par les modèles de base, tels que le 0029591, et par les modèles blindés, tels que le 0029689. Les deux modèles sont dotés de fils en cuivre extra-fins, comme spécifié dans la norme CEI 60228 et d'un isolant en élastomère thermoplastique (TPE).

Les petits câbles de 0,14 mm² à 0,5 mm² ont des fils en cuivre étamé, tandis que les câbles ≥0,75 mm² ont des fils en cuivre nu. La principale différence de performances est l'indice de torsion maximum, qui est de ±360° par mètre pour les câbles non blindés et de ±180° par mètre pour les câbles blindés.

L'indice de torsion maximum indique la quantité de torsion que le câble peut supporter sur une longueur de 1 mètre sans être endommagé. Des câbles de ce type, avec un indice de flexibilité TCF-01, peuvent résister à des mouvements continus et à des contraintes dynamiques élevées pendant 10 millions de cycles de torsion.

Les câbles ÖLFLEX ROBOT F1 sont spécialement conçus pour une utilisation dans des applications telles que les robots articulés multi-axes, les robots soudeurs et les robots de peinture industriels. Par exemple, les robots de peinture sont souvent des conceptions à six axes qui peuvent effectuer des mouvements complexes exigeant des niveaux de torsion importants (Figure 3).

Figure 3 : Robots de peinture industriels. (Source de l'image : LAPP)

Tous les axes d'un robot multi-axes ne sont pas nécessairement exposés au même type ou niveau de flexion. Selon la conception, certains axes peuvent subir une torsion de ±360°, parfois dans des directions opposées, tandis que d'autres axes subissent une flexion continue plus linéaire et peu ou pas de torsion. Les câbles ÖLFLEX ROBOT F1 peuvent être utilisés dans tous les scénarios de mouvement, mais ils sont particulièrement bien adaptés aux applications dans lesquelles des contraintes combinées de torsion et de flexion se produisent, par exemple dans les connexions aux outils effecteurs finaux.

Mouvement robotique intermédiaire

Les câbles servo hybrides à faible capacité ÖLFLEX SERVO FD, tels que le modèle 1023278, sont dotés de brins extra-fins en cuivre nu, conformément à la norme CEI 60228, et d'une gaine extérieure en polyuréthane (PUR), et ils sont conçus pour des applications de chaînes d'alimentation hautement dynamiques. Ils conviennent aux applications exigeant une durée de vie étendue et un niveau de flexibilité intermédiaire, comme certaines conceptions de robots portiques et machines de transfert ou d'assemblage automatisé.

Ces câbles sont répertoriés CF-04 pour une flexion continue et sont destinés aux applications à flexion continue et à nombre de cycles élevé avec de longues distances de câble supportant des chaînes jusqu'à 90 mètres de long. Ils présentent une durée de vie nominale de 8 à 20 millions de cycles. La paire de signaux convient aux interfaces Hiperface DSL et SCS (Single-Cable Solution) open-link. Ils peuvent résister aux contraintes d'une forte accélération.

Importance de la réduction de tension

La protection fournie par la réduction de tension est essentielle dans les applications robotiques où les câbles subissent des contraintes mécaniques importantes. Elle garantit également la longévité des connexions de câbles en empêchant le transfert de forces externes vers les connexions internes, telles que les joints de soudure ou les broches de connecteur. 

Les dispositifs SKINTOP SL/SLR de LAPP sont des presse-étoupes à réduction de tension durables, étanches aux liquides et faciles à assembler, conçus pour les applications robotiques. Par exemple, le S2221 a une plage de serrage de 9 à 16 mm et convient aux câbles VFD de diamètre moyen (Figure 4).

Figure 4 : Les presse-étoupes de ce type permettent de réduire la tension des câbles dans les applications telles que la robotique industrielle. (Source de l'image : LAPP)

La douille en néoprène des presse-étoupes SKINTOP SL/SLR fournit un joint hermétique étanche aux liquides et à la poussière, répertorié IP68. Le mécanisme de verrouillage intégré avec cliquet interne offre une protection contre les vibrations.

Conclusion

Il est important de comprendre les exigences de mouvement lors de la sélection de câbles pour la robotique. Le câble subira-t-il une flexion continue, comme avec un robot portique, une flexion torsionnelle, comme avec un robot de peinture industriel, ou les deux ? Et quel sera le degré de flexion ? Par exemple, certains robots articulés multi-axes peuvent exiger une flexion à ±360°, tandis que d'autres ne nécessitent que ±180°.

L'ajout de fonctionnalités telles que des fils de signal peut réduire la flexibilité d'un câble, comme c'est le cas avec le câble ÖLFLEX VFD 1XL par rapport au VFD 1XL avec fils de signal. D'autres câbles, tels que l'ÖLFLEX SERVO FD, peuvent maintenir de très bons niveaux de flexion continue même avec des câbles de signal intégrés et répondre aux besoins des robots de transfert et d'assemblage. Enfin, l'utilisation de presse-étoupes peut fournir la réduction de tension nécessaire pour protéger à la fois les câbles et les composants électroniques connectés, tout en améliorant la protection environnementale.

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