Concevoir un système pneumatique plus efficace pour l'emballage automatisé

Dans une machine d'emballage à haut rendement, les performances pneumatiques ne se limitent pas au choix d'un vérin offrant une force théorique suffisante. Le vérin, l'îlot de distribution, les tubes, l'alimentation en air comprimé et la stratégie de contrôle doivent fonctionner comme un système complet pour que la machine atteigne de manière constante le temps de cycle requis, sans consommer plus d'air comprimé que nécessaire.

Tel était le défi d'ingénierie d'une nouvelle application d'emballage automatisé développée par BEUMER. Le système exigeait des mouvements pneumatiques compacts et répétables, tout en facilitant l'assemblage et la mise en service de la machine.

Nous avons accompagné BEUMER depuis les premières étapes du développement du circuit pneumatique jusqu'aux essais sur son site. Ensemble, nous avons examiné l'ensemble du système pneumatique, notamment le dimensionnement des vérins, la configuration de l'îlot de distribution, les dimensions des tubes, l'alimentation en air comprimé et les exigences de contrôle.

Pourquoi la conception pneumatique au niveau système est essentielle

Un circuit pneumatique peut comporter des composants individuels correctement spécifiés et pourtant offrir de faibles performances en tant que système complet.

Un vérin peut par exemple fournir une force théorique suffisante, mais un débit de vanne limité, de grandes longueurs de tube ou une perte de charge lors des pics de demande peuvent l'empêcher d'effectuer sa course dans le temps imparti. À l'inverse, augmenter la taille de chaque composant pour créer une marge de conception supplémentaire peut accroître les coûts, l'espace d'installation et la demande en air comprimé, sans résoudre la contrainte sous-jacente.

Pour l'application BEUMER, nous avons donc considéré le chemin pneumatique complet, plutôt que de traiter les vérins, les vannes et les tubes comme des tâches de spécification distinctes.

Partir du mouvement et de la charge requis

Le choix du vérin doit partir de la tâche que le mécanisme doit accomplir. Cela comprend la charge à déplacer, la course requise, l'orientation de montage et le temps disponible pour effectuer chaque mouvement.

Le calcul doit également tenir compte de la pression disponible au niveau de l'actionneur, et pas seulement de la pression nominale du système. Les frottements, l'accélération, les résistances externes, l'alignement mécanique et l'amortissement de fin de course peuvent tous influer sur les performances réelles.

En collaboration avec BEUMER, nous avons accompagné le choix des vérins à partir des exigences de charge et de force de l'application. Nous avons également pris en compte le temps de cycle nécessaire et la manière dont le mécanisme devait réagir en cas de coupure de l'alimentation électrique ou de l'air comprimé.

Cette approche fondée sur l'application permet d'éviter deux problèmes de spécification courants : choisir un vérin qui peine en conditions dynamiques, ou surdimensionner l'actionneur et consommer plus d'air comprimé que le mouvement ne l'exige.

Adapter la capacité de débit des vannes à la demande réelle

L'îlot de distribution doit fournir un débit suffisant au moment où la machine en a besoin. C'est particulièrement important lorsque plusieurs actionneurs fonctionnent simultanément.

Les données nominales de débit des vannes constituent un bon point de départ, mais elles ne reflètent pas toujours la pression disponible au niveau de chaque actionneur lors d'un pic de demande. Le nombre d'emplacements de vannes alimentés par une même entrée, la séquence de fonctionnement et la demande de débit cumulée peuvent tous influer sur la réponse du système.

Avec BEUMER, nous avons défini la configuration de l'îlot de distribution, dimensionné les vannes et déterminé la répartition de l'alimentation pneumatique dans le système.

Cela nous a permis de concilier deux exigences : fournir un débit suffisant pour une réponse constante des actionneurs, tout en évitant une capacité superflue qui augmenterait l'encombrement, le coût ou la complexité.

Regrouper plusieurs fonctions de vannes dans un îlot de distribution configuré permet également d'obtenir une architecture pneumatique mieux organisée, en réduisant la tuyauterie séparée et le câblage nécessaires dans la machine.

Dimensionner les tubes en fonction du débit, de la distance et du volume d'air

Les tubes tubes sont un élément important du circuit pneumatique, mais ils sont souvent considérés comme une décision secondaire.

Des tubes trop restrictifs peuvent générer une perte de charge et limiter la vitesse de l'actionneur. Pour autant, augmenter le diamètre du tube n'est pas toujours la solution. Des tubes plus gros ou inutilement longs augmentent le volume interne qui doit être mis sous pression puis mis à l'échappement à chaque cycle.

Le bon choix dépend du besoin en débit de l'actionneur, de la distance entre la vanne et l'actionneur, de la pression de service, des restrictions liées aux raccords et aux connexions, du temps de mouvement requis et du volume d'air consommé à chaque cycle.

Avec BEUMER, nous avons examiné les dimensions des tubes et les chemins de débit plutôt que d'appliquer une règle de surdimensionnement systématique. L'objectif était d'obtenir la réponse requise des actionneurs tout en limitant le volume d'air comprimé superflu.

Lorsque c'est possible, rapprocher les vannes des actionneurs permet également de réduire le volume des tubes et la perte de charge. Toutefois, l'accessibilité, les conditions ambiantes et les exigences de maintenance doivent être prises en compte au même titre que l'efficacité pneumatique.

Prendre en compte l'ensemble de l'alimentation en air comprimé

Le fonctionnement fiable d'un système pneumatique dépend de la pression, de la qualité et de l'état de l'alimentation en air comprimé.

Même lorsque les composants sont correctement dimensionnés, des restrictions ou des fluctuations de pression ailleurs dans le système peuvent affecter les performances de la machine Le traitement de l'air, la capacité des lignes d'alimentation, l'isolement, la purge et le cheminement des tuyauteries doivent donc être intégrés à la conception globale de la machine.

Dans le cadre de notre collaboration avec BEUMER, nous avons apporté nos conseils sur la disposition de l'alimentation en air comprimé et des lignes pneumatiques, y compris la gestion des condensats dans le système.

Parmi les points de conception importants figurent la pression disponible pendant les périodes de demande maximale, une filtration adaptée à l'application, les points bas potentiels où les condensats pourraient s'accumuler, les dispositifs de purge, le cheminement des tuyauteries et des flexibles, l'isolement et la dépressurisation, ainsi que l'accès pour l'inspection et la maintenance.

Traiter ces questions en amont permet de protéger les composants pneumatiques, de réduire les pertes de charge évitables et de faciliter la maintenance du système final.

Définir le comportement en cas de défaillance dès la conception du circuit

La perte de l'alimentation électrique ou de l'air comprimé doit être prise en compte dès le développement du circuit pneumatique, et non après l'assemblage de la machine.

La réponse requise dépend du mécanisme et de l'appréciation des risques de la machine. Un actionneur peut devoir s'arrêter, se rétracter, sortir ou maintenir une position définie. Lorsque la gravité, une charge externe ou l'énergie pneumatique stockée peuvent provoquer un mouvement, des mesures de contrôle supplémentaires peuvent être nécessaires.

Au cours de la conception avec BEUMER, nous avons étudié la manière dont le circuit pneumatique devait réagir en cas d'interruption de l'alimentation électrique ou de l'alimentation en air comprimé.

À ce stade, il est important de déterminer la position que chaque actionneur doit adopter, si une charge peut se déplacer en cas de perte de pression, si l'énergie pneumatique stockée doit être isolée ou mise à l'échappement, ce qui doit se passer au retour de la pression ou de l'alimentation électrique, et comment le personnel de maintenance isolera le système et en vérifiera l'état.

Définir ces exigences en amont permet de garantir que l'architecture du circuit prend en charge, dès le départ, le comportement prévu de la machine.

Tester l'ensemble du chemin pneumatique

Les calculs et les données des composants constituent la base d'une conception, mais le système pneumatique complet doit tout de même être évalué dans des conditions de fonctionnement représentatives.

Nous nous sommes rendus sur le site de BEUMER pour examiner l'installation assemblée et confirmer que le système respectait la conception pneumatique convenue. Ensemble, nous avons examiné l'agencement, les chemins de débit et les réglages de contrôle, et procédé à des ajustements pour garantir un fonctionnement constant.

Un essai pneumatique pratique doit prendre en compte la pression d'alimentation au repos et lors des pics de débit, le mouvement des actionneurs et le temps de cycle, la répétabilité sur des cycles consécutifs, la demande simultanée des actionneurs, l'amortissement et le comportement en fin de course, les fuites, les réactions à une perte d'alimentation électrique ou d'air comprimé, ainsi que le comportement au redémarrage.

Tester la machine complète peut révéler des problèmes difficiles à identifier à partir des seules données des composants. Le cheminement des tubes, les restrictions des raccords, les conditions d'échappement et les réglages de contrôle peuvent tous influer sur le comportement du système pneumatique en service.

Accompagner BEUMER de la conception aux essais

Grâce à notre collaboration avec BEUMER, nous avons développé un système pneumatique conçu autour des exigences de l'application d'emballage automatisé, plutôt que de partir d'une liste de composants prédéfinie.

Notre travail a consisté à examiner le circuit pneumatique, à accompagner le dimensionnement des actionneurs et des vannes, à configurer l'architecture de l'îlot de distribution, à évaluer les dimensions des tubes et les chemins de débit, à conseiller sur l'alimentation en air comprimé et la gestion des condensats, à étudier la réponse du système en cas de coupure d'électricité ou d'air, et à accompagner les essais sur le site de BEUMER.

Cette approche intégrée a permis de prendre en compte conjointement la conception mécanique, l'architecture pneumatique et les exigences de contrôle.

Enseignements pratiques pour les concepteurs de machines d'emballage

Le projet met en évidence cinq principes applicables à d'autres systèmes d'emballage automatisés.

Spécifier le mouvement avant de choisir le composant

Définissez la charge, la course, l'orientation, le temps de mouvement requis et le comportement prévu en cas de défaillance avant de choisir l'actionneur.

Vérifier les conditions de fonctionnement dynamiques

Évaluez la pression et le débit disponibles lors des pics de demande, et pas seulement la pression d'alimentation statique.

Considérer les tubes comme partie intégrante du circuit pneumatique

Le diamètre, la longueur, les raccords et le volume interne des tubes influent tous sur la réponse des actionneurs et la consommation d'air comprimé.

Définir les critères d'essai en amont

Convenez de la manière dont le temps de cycle, la répétabilité, la consommation d'air et le comportement du système seront évalués avant la mise en service finale.

Contrôler la machine assemblée

Les détails d'installation et les réglages de contrôle peuvent affecter les performances réelles, même lorsque les calculs initiaux et le choix des composants sont corrects.

Parlez-nous de votre application de machine d'emballage

Si vous concevez ou modernisez un système pneumatique pour des équipements d'emballage ou de manutention, parlez-nous de votre charge, de votre profil de mouvement, de votre temps de cycle, de la pression disponible, de vos contraintes d'installation et du comportement attendu de votre machine.

Nous pouvons vous aider à évaluer l'ensemble du chemin pneumatique et à déterminer comment le dimensionnement des actionneurs, la configuration des vannes, le choix des tubes et les essais du système peuvent contribuer à une conception de machine plus efficace et plus constante.