Les fabricants de presse sont confrontés à deux aspects indissociables : une exigence technologique de plus en plus élevée avec des coûts réduits. Les utilisateurs de presses recherchent à la fois une mesure rapide et toujours plus précise. Les presses doivent être constamment améliorées. La précision de la mesure de force est donc très importante, l’emplacement de la mise en place des systèmes de mesure doit être minimal. La méthode de mesure de shunt de force est alors une solution parfaitement adaptée pour satisfaire cette précision. L’emploi d’une électronique performante complète l’instrumentation qui permet ainsi d’équiper ou de ré-équiper facilement les machines existantes.

Plus la force appliquée dans les presses est précise plus la qualité des pièces moulées est élevée. Pour les fabricants des presses, l'augmentation de l'exactitude de leurs presses est réellement un des défis les plus importants, notamment pour les presses à mouler. Le marché exige des presses de plus en plus rapides qui, en même temps, doivent disposer d’une largeur de bande plus élevée pour augmenter la production dans les systèmes actuels. Les solutions de mesure modernes dites intelligentes aident à rendre ses machines plus rapides, meilleures et plus efficaces.

Les facteurs clés de réussite sont essentiellement les suivants:

  • Mesure fiable et précise de la force dans la presse
  • Utilisation d’une électronique performante avec raccordement rapide et facile aux environnements industriels à l’aide d’une liaison Ethernet
  • Logiciel de mesure pour piloter la surveillance du process.

De nombreuses applications exigent ce type de mesure, comme la production de pièces de monnaie, l’assemblage de pièces mécaniques ou de véhicules et la transformation des métaux.

Les dimensions des presses et leur fonctionnement peuvent être différents. Nous pouvons voir que les forces exercées par la presse, le nombre de coups de frappe par minute et la qualité recherchée des produits finis deviennent des données très importantes pour définir les presses.

Dans les presses modernes, le système de mesure permet deux choses, il surveille les paramètres machine mais il identifie également les produits défectueux et les retire de la chaine de production. Un autre aspect essentiel à l’analyse d’efficacité du processus de fabrication est l’évaluation des temps d’arrêt panne et de production.  

Mesure fiable des forces

Généralement pour surveiller les presses, une mesure de force est employée. Il y a deux méthodes différentes possibles pour cette surveillance :

  • Mesure directe de la force dans l’axe de l’outil de la presse
  • Mesure du shunt de force, par exemple, à l'aide d’extensomètres

Dans les deux cas, il est vraiment essentiel que les efforts soient pris en compte rapidement et avec précision à l’aide des capteurs et que les signaux soient transmis à l’amplificateur. Les capteurs et les amplificateurs doivent particulièrement répondre à des exigences élevées en termes de robustesse et de fiabilité dans le fonctionnement. Le montage facile est un critère de choix significatif  des appareils de mesure devant être intégrés dans les machines existantes.

Les deux méthodes de mesure de la force ont certains inconvénients et de nombreux avantages spécifiques. Généralement en mesurant la force directement dans l'axe d’outillage  il faut garder à l'esprit que le capteur de force devient un élément intégral de l'outil et qu’il impacte ainsi de manière significative sur ses propriétés. Pour des efforts élevés, les capteurs de force doivent avoir une capacité de chargement suffisamment haute. De tels capteurs peuvent alors être assez lourds. Avantage énorme : Les capteurs de force HBM peuvent être étalonnés en usine et n'ont donc pas besoin dans ce cas d'être étalonnés sur sites. La force peut être directement déterminée dans sa grandeur mécanique en N.  

Capteur de force U5. Un montage sur le dessus du capteur est possible grâce à sa forme de bride, il est particulièrement facile à utiliser. Une force nominale jusqu'à 500 kN est disponible. Les forces peuvent être mesurées en compression et traction.

 

En solution alternative, il existe des capteurs de déformation construits sur le principe des jauges de contrainte. Chaque presse est constituée d’une structure qui est mécaniquement sollicitée pendant le fonctionnement. La déformation est invisible puisque infime. Les extensomètres SLB700A de HBM se déforment proportionnellement à la force agissant dans la  presse. L'avantage de cette solution est que le même capteur peut être utilisé, quel que soit l’effort. La mesure, à l'aide de ces capteurs, est une bonne alternative économique, en particulier avec les presses haute performance. Cependant, une très grande exactitude de mesure ne pas être obtenue, en effet l’extensomètre ne peut pas être étalonné. Toutefois, ils répondent généralement aux exigences recherchées dans certaines applications de presse. Un étalonnage sur site est en tous cas obligatoire pour déterminer la relation entre le signal de sortie et la force appliquée.

 

Capteur de déformation piézoélectrique CST/300. Montage avec une seule vis. Sensibilité de 50 pC/µm/m.

Jauges de contrainte ou technologie piézoélectrique : quel est le principe de mesure le plus approprié ?

HBM offre deux technologies de capteurs : les jauges de contrainte (SLB700A) et les piézoélectriques (CST/300). Les deux modèles peuvent être employés dans de très nombreux cas de figure. Les capteurs piézoélectriques offrent l'avantage d'avoir une sensibilité très élevée et d’être très compactes, de ce fait ils peuvent être utilisés également pour de faibles déformations, solution idéale pour les structures très raides. En outre, la fixation du capteur se fait avec seulement une vis.

Les capteurs construits sur le principe des jauges de contrainte sont également disponibles avec une électronique intégrée. Cette configuration est le choix parfait quand une solution économique est demandée. De plus, les capteurs à jauges n'ont aucune dérive, ce qui facilite grandement les opérations de surveillance. Ils permettent également de détecter tous changements permanents de déformation de la presse. Les moments de flexion peuvent être compensés par un câblage astucieux, de ce fait l'exactitude sera améliorée.

Utilisation de capteurs de déformation pour compenser les moments de flexion

Avec les capteurs de déformations équipés de jauges de contrainte, des moments éventuels de flexion peuvent être facilement compensés quand des éléments sont impliqués d’une manière symétrique. Il suffit d’installer deux capteurs à la même hauteur, mais en vis-à-vis. La flexion occasionne une déformation dans le sens positif sur un capteur et dans le sens négatif sur l’autre capteur.  Quand les capteurs sont reliés en parallèle, le signal de sortie est à « zéro ». Toutes les contraintes de chargement sur les deux sondes dans la même direction sont mesurées sans aucun problème. Dans les applications de presse, cela permet de garantir que seules les déformations en traction /compressions sont mesurées.

Une faible hauteur du capteur et une sensibilité uniforme sont des caractéristiques techniques nécessairement recherchées. Pour cette raison, les extensomètres HBM sont ajustés sur une sensibilité uniforme en employant un procédé spécial. La résistance de sortie est équilibrée, ce qui est une obligation pour un raccordement parallèle. Une résistance du pont de jauges de 700 ohms a été choisie pour pouvoir fonctionner avec l'amplificateur, en effet en montage parallèle la résistance chute. Quatre capteurs reliés en parallèle donnent une résistance globale de 175 ohms. Les amplificateurs modernes sont capables de mesurer des signaux d’un seul capteur ou de plusieurs capteurs montés en parallèle.

Extensomètres à jauges de contrainte installés symétriquement sur un élément. La flexion occasionne une déformation sur les deux SLB700 de même valeur absolue, amis avec des signes différents. Quand ils sont électriquement reliés en parallèle, il n’y a aucun signal de sortie. La flexion est compensée, seules les déformations de traction ou de compressions rentrent dans le résultat de mesure.

Comme déjà mentionné ci-dessus, les extensomètres doivent être étalonnés pour donner la mesure de force.

La procédure d’étalonnage exige que la force soit appliquée en deux points de chargement  moins ; par exemple : force = zéro et force maximum. Il est important de savoir qu'il n'est pas absolument nécessaire de mesurer à la force maximum. Il est en effet possible d’étalonner la chaîne de mesure, par exemple à la moitié de la force du process, particulièrement lorsqu’une grande exactitude est exigée.

Le processus est le suivant :

  • Mesure du signal de sortie du capteur à force nulle. L'amplificateur devrait être paramétré sans échelle, en fait le signal de sortie est exprimé en mV/V.
  • Mesure du signal de sortie à la force d’étalonnage choisie. Dans ce cas-là, la mesure est aussi en mV/V.

Il est maintenant facile de calculer la sensibilité de la chaîne de mesure :

S = (sortie à la force mesure – sortie du point zéro) / (force mesure - force à zéro)

Quand un capteur piézoélectrique est utilisé la valeur est en  pC/N. La même chose s'applique pour les capteurs à jauges, cependant, la valeur est exprimée en mV/V/N.

Dans beaucoup de cas, la sensibilité du capteur est admise comme valeur d'échelle pour les instruments avec la technologie des jauges de contrainte. Cela demande seulement que le signal de sortie nominale du capteur de force soit connu. Vous pouvez directement écrire les paires de valeurs de la force et du signal de sortie dans votre dispositif.  Beaucoup d'instruments permettent ces réglages avec seulement les quatre valeurs mentionnées ci-dessus qui peuvent être assignées dans un tableau :

Force = 0 N  Signal = xy mV/V  

Force = Force de mesure    Signal = AB mV/V

Les amplificateurs exécutent alors le réglage. L’échelle est effectuée après. Ce processus  «Teach-In » est mis en œuvre dans les amplificateurs modernes qui permettent un étalonnage automatisé.

Les conseils suivants sont importants :

  • Une vérification est toujours recommandée, c.-à-d. que le système doit être chargé à nouveau et les valeurs d'affichage comparées.
  • Charger le système trois fois avec la charge maximum avant de procéder à l’étalonnage des capteurs
  • Pour obtenir une exactitude optimale il est essentiel de mesurer exactement à la même force à laquelle les mesures seront prises plus tard.
Extensomètre SLB700A/06VA. Le capteur a été thermiquement compensé. Grâce à son impédance élevée, il est possible de monter en parallèle plusieurs capteurs.

Electroniques intégrées ou amplificateurs intelligents avec le prétraitement des données de mesure ?

Les extensomètres avec électronique intégrée sont prédestinés aux opérations simples de surveillance des presses ; ils délivrent un signal de sortie soit en courant (4… 20 mA) ou en tension (0… 10 V) avec une bande passante élevée (2 kHz, -3dB). Avec cette solution, le système de contrôle de la presse doit assurer le traitement des signaux de mesure. Ce sont donc pour lui des tâches additionnelles sans compter sa fonction première qui est de commander le fonctionnement de la presse.

L'amplification est ajustée en conformité avec l'approche décrite ci-dessus : Premièrement, la mesure est faite à chargement nul point zéro puis à la force maximale. Avec ces deux forces une tension peut être appliquée à une entrée du SLB. L'amplification est automatiquement ajustée de telle sorte qu’à la force 0 correspond 1 V et à la force maximum la tension 9 V. Une plage de mesure de 1 à 9 V est recommandée pour permettre de pouvoir détecter des forces en dessous du zéro (absolu) ou au-dessus de la force maximale «Reach-In ». Comme la plage de sortie est de 0 … 10 V, le capteur dispose d’buffer de 10% de la gamme de mesure.

Contrairement aux capteurs classiques avec électronique intégrée, cet amplificateur permet que la gamme maximum soit toujours disponible en sortie, indépendamment de la contrainte appliquée sur la machine. Avec une basse résolution de la prochaine étape c'est un avantage qui ne devrait pas être sous-estimé.

Le « Teach-In » est lancé par l'intermédiaire d'une impulsion de commande et peut donc être automatisé. Indépendamment de cela, le point de mesure peut être mis à zéro. La configuration de l'amplificateur reste toujours disponible après une panne de courant.

Exigences croissantes vis-à-vis des systèmes de surveillance des presses modernes

Au cours des dernières années, les opérateurs ont des exigences de plus en plus strictes en ce qui concerne les presses. Sans compter de nombreux points qui deviennent essentiels aujourd’hui, comme la nécessité de réduire les coûts, le besoin d’améliorer la qualité et l’obligation d’augmenter les taux de rendement. D'autre part, prolonger la durée de vie des produits et minimiser les périodicités de maintenance sont aussi recherché. La seule manière de répondre à ces exigences est d'utiliser des amplificateurs modernes qui puissent mesurer les  forces, les déplacements ou angles de rotation avec précision et sans faillir.

Ces amplificateurs sont caractérisés par une très grande immunité aux bruits allant bien au-delà des conditions  requises par les normes concernées. Les amplificateurs offrent un  prétraitement des données de mesure. De ce fait, ils soulagent considérablement le travail des systèmes de commande des presses. De plus, ils sont extrêmement fiables et permettent ainsi de réduire sensiblement les temps d’arrêt machine. Ces amplificateurs universels, peuvent être  équipés du nombre approprié de modules de mesure, selon les besoins de la presse, quel que soit le nombre et le type de capteurs à raccorder. Grâce à sa très grande flexibilité, le système de mesure peut également recevoir des cartes de sortie pour exploiter les signaux en externe. Les encombrements sont assez réduits et en cas de problème les cartes peuvent être facilement et rapidement changées. Le système industriel d’amplification PMX est la référence mondiale qui répond en tous points à ces exigences.

Le signal de l'amplificateur de mesure à fréquence porteuse coupe systématiquement les parasites.

Insensibilité aux bruits accrue pour des valeurs de mesure fiables

Le système peut « être modernisé » pour évoluer avec les nombreuses exigences qui ne cessent de changer dans le monde de l’industrie, et c’est souvent le cas pour les presses. Pour le meilleur des cas de figure, le module amplificateur à fréquence porteuse PX455 est employé pour mesurer avec une très grande fiabilité les forces et les contraintes. Avec cet amplificateur à fréquence porteuse, les signaux de mesure sont prélevés à des vitesses allant jusqu’à 19.2 kHz, modulés puis amplifiés et ensuite démodulés. Cette méthode permet de disposer d’une bande passante de 2 kHz et, en même temps, cela évite de transmettre des signaux bruités par les ondulations du réseau et les influences causées par les moteurs électriques ou les convertisseurs de fréquence. Cela joue sensiblement sur la durée de vie de la machine.

 

De quelle intelligence avez-vous besoin ?

Les voies de calcul internes au PMX permettent des taux d’échantillonnage de 19.2 kHz par voie sont capables prendre en compte tous les signaux de mesure de la presse et de les traiter  rapidement. Des taux d’échantillonnage élevés permettent une acquisition fiable de pics de force jusqu'à 50 µ/s. Ces valeurs de crête sont utiliser à la fois pour faire une analyse de la qualité et pour commander la presse. Les voies internes de calcul permettent de mesurer en temps réel les forces totales en plus des forces individuellement prises dans les différentes colonnes qui constituent la presse. De ce fait, il est donc possible de vérifier le positionnement et l’état des matrices de la presse.

 

Diagnostics préventifs

En plus de l'acquisition de valeurs crêtes, il est possible de fixer des seuils limites. Ces valeurs limites permettent de détecter à l'avance si les forces exercées par la presse se décalent en dehors de la plage de tolérance et/ou atteignent un niveau critique qui exige l’arrêt de la presse de manière à la protéger contre d’éventuels dommages. Comme tous les signaux calculés dans le PMX, ces valeurs sont également déterminées en temps réel, toutes les 50 ms. C'est essentiel pour assurer un arrêt d’urgence. Il y a, toutefois, d'autres méthodes de diagnostics préventifs pour les presses. Des capteurs d'accélération sont installés pour mesurer les vibrations de la presse. Les vibrations sont générées par le comportement mécanique des différents éléments de la presse. Elles sont acceptables dans des limites bien spécifiques. Seulement lorsque les vibrations deviennent excessives, il y a un risque de dommages il est donc important d’être informé et de pouvoir les détecter avant. L’amplificateur PMX est utilisé pour ce type d’analyse et de détection de valeurs limites, il correspond parfaitement à l’idée que l’on se fait des amplificateurs rapides. Il en est de même pour les mesures de températures dans les presses ou les systèmes de refroidissement.

HBM propose le logiciel catman pour faire une acquisition sûre et rapide des données, il suffit de raccorder le PMX au PC via l’interface Ethernet, par exemple. Les enregistrements peuvent être archivés et utilisés ultérieurement en support. Les outils de visualisation offrent des options souples et détaillées pour afficher et analyser les signaux dès le réglage. Le logiciel fournit également des fonctions de déclenchement pour lancer les mesures et les sauvegardes uniquement après la génération d’un défaut.

Quel type d’automation peut être choisi ?

Tous les signaux sont disponibles en temps réel dans le centre de calcul du PMX. De là, les valeurs peuvent être envoyées au système de contrôle de la presse, de façon analogique en +/- 10 V par l'intermédiaire du module de sortie PX787. Le module de sortie PMX878 possède des sorties numériques rapides qui peuvent détecter et transmettre les valeurs limites dans un délai de la milliseconde. Les systèmes de contrôle des presses modernes, comportent souvent un contrôleur programmable. Les signaux sont transmis par des bus de terrain standards. Ceux-ci ont deux avantages importants.

D'une part, un seul câble est nécessaire, ce qui réduit sensiblement les conditions de câblage. D'autre part, en plus des signaux de mesure, les données de diagnostique peuvent être transmises de l'amplificateur au système de contrôle permettant une anticipation plus rapide de la surveillance. Autre avantage du PMX, est que jusqu'à 1000 paramètres peuvent être sauvegardés et chargés selon le besoin. La presse peut ainsi être adaptée pour de nouvelles tâches, rapidement sans délais et à tout instant.

Conçu pour une maintenance intelligente

Le PMX dispose de mécanismes multiples pour le diagnostic et le contrôle de l’entretien. Premièrement, tous les signaux capteurs et composants internes de l'instrument sont   examinés en permanence pour vérifier les hypothèses. Les capteurs défectueux sont immédiatement signalés, c’est la même chose pour un câble coupé ou bien si un élément  du système de contrôle de la presse a un problème. Les valeurs limites et les plages de tolérance réglées dans le PMX identifient et signalent les éventuelles variations du comportement de la machine avant qu’elle ne soit endommagée ou détrite. En cas de problème, il est possible de  détecter ou non si le PMX est opérationnel (Live-Bit) et permettre ainsi un dépannage rapide. Cela signifie également que le PMX donne les signaux de force simultanément sur plusieurs sorties analogiques. Les techniciens sur place peuvent grâce aux instruments de mesure installés de dire si les signaux correspondent à ceux requis. Les risques de problème futurs sont alors écartés.

Le PMX offre bien plus des fonctions utiles pour la maintenance, il propose également un paramétrage et une visualisation de l'instrument par l'intermédiaire d’un serveur web interne, il est aussi possible de transmettre les données par le réseau de la machine ou de l’entreprise pour les afficher, pour cela un protocole standard Ethernet TCP-IP est utilisé. En appliquant des mesures de sécurité avec firewall et un accès contrôlé via un protocole SNMP, les diagnostics à travers le PMX sont possibles pour une télémaintenance dans le monde entier. Dans le PMX, trois niveaux administrateurs autorisent tous les utilisateurs à travailler sur les données qui leurs sont permises et à faire les réglages qui leur sont attitrés. L'opérateur du système peut décider ainsi si le déploiement du service des sièges sociaux est exigé ou si un technicien sur place peut résoudre le problème.

Affichage clair et concis des valeurs de mesure de toutes les voies. Les défauts de production sont immédiatement indiqués.

Les usines existantes peuvent-elles être modernisées avec les systèmes de contrôle de presse ?

Généralement toutes les presses peuvent être modernisées avec les systèmes de surveillance  HBM. En ces périodes de difficultés économiques, il est toujours intéressant de pouvoir moderniser ses machines. Non seulement la qualité des produits manufacturés augmente, mais également la durée de vie de la presse est manifestement prolongée. HBM offre un savoir-faire technique indéniable capable de trouver la position optimale des capteurs de force ou de contrainte grâce à l'analyse par éléments finis. Elles diffèrent pour chaque presse, selon leur conception et sont extrêmement décisives pour la signification des données de mesure. Les ingénieurs HBM sont des experts habiles en matière d'installation des jauges de contrainte dans les presses ou pour monter directement des capteurs. HBM propose également la préparation et la gestion du projet, jusqu’à l'intégration et le raccordement des bus de terrain. Pour l’étalonnage ou le réétalonnage de la chaine de mesure de force, le personnel HBM intervient sur place et délivre les documents.

 

Conclusion

En intégrant des systèmes modernes de surveillances avec des équipements de mesure performants, il est possible d’augmenter l’exactitude des presses et d’accroitre leurs capacités.

L'utilisation de systèmes de mesure dernier cri offrant un raccordement facile et pratique aux standards Ethernet et aux systèmes de contrôle industriels usuels est un autre facteur crucial pour ces systèmes de surveillance modernes. HBM propose des solutions capteurs et  électroniques appropriées pour équiper les presses. Les principaux fabricants dans le monde font confiance aux appareils de mesure HBM pour améliorer les performances et augmenter la rapidité fonctionnelle de leurs presses.

Les auteurs:
Michael Guckes / Thomas Kleckers

En contrôle de process, un amplificateur de mesure conventionnel donne un taux de réjection élevé du faitb d'une mesure imprécise.
En améliorant l'efficacité avec le PMX, les résultats de mesure sont plus précis

Extensomètres de HBM

SLB700A
SLB700A/06VA
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