Riz. 3. Un outil monobloc à godet et à changement rapide, rangé dans l'armoire de gauche, permet de contrôler l'orientation et la séparation du matériel (garantissant un alignement et un positionnement corrects). L'armoire de droite contient diverses enclumes et navettes.
Ron Boggs, directeur des ventes et du service après-vente chez Haeger Amérique du Nord, continue de recevoir des appels similaires de la part des fabricants pendant la reprise suite à la pandémie de 2021.
« Ils n'arrêtaient pas de nous dire : "Il nous manque des fixations" », raconte Boggs. « En fait, c'était dû à un problème de personnel. » Lorsque les usines embauchaient de nouveaux employés, elles confiaient souvent la pose des équipements aux personnes inexpérimentées et non qualifiées sur les machines. Il arrivait qu'elles oublient les attaches, ou qu'elles mettent les mauvaises. Le client revenait ensuite pour finaliser les réglages.
De manière générale, l'insertion de pièces semble être une application mature de la robotique. À terme, une usine pourrait être entièrement automatisée pour le poinçonnage et le formage, incluant des tourelles, l'éjection de pièces et peut-être même le pliage robotisé. Toutes ces technologies bénéficieraient alors à une grande partie du secteur de l'installation manuelle. Dès lors, pourquoi ne pas placer un robot devant une machine pour installer les équipements ?
Au cours des 20 dernières années, Boggs a collaboré avec de nombreuses usines utilisant des équipements d'insertion robotisés. Plus récemment, avec son équipe, notamment Sander van de Bor, ingénieur en chef chez Haeger, il s'est efforcé de simplifier l'intégration des cobots au processus d'insertion (voir figure 1).
Cependant, Boggs et VanderBose soulignent tous deux que se concentrer uniquement sur la robotique peut parfois occulter le problème plus vaste de l'insertion du matériel. Des opérations d'installation fiables, automatisées et flexibles nécessitent de nombreux éléments constitutifs, notamment la constance et la flexibilité des processus.
Le vieil homme est mort dans d'atroces souffrances. Nombreux sont ceux qui appliquent cet adage aux presses à poinçonner mécaniques, mais il s'applique également aux presses à alimentation manuelle, principalement en raison de sa simplicité. L'opérateur positionne les fixations et les pièces sur le support inférieur avant de les insérer manuellement dans la presse. Il appuie sur la pédale. Le poinçon descend, entre en contact avec la pièce et exerce une pression pour insérer l'équipement. C'est assez simple – jusqu'à ce qu'un problème survienne, bien sûr.
« Si l'opérateur n'est pas attentif, l'outil risque de tomber et de toucher la pièce sans exercer de pression », explique van de Bor. Pourquoi ? « L'ancien équipement ne comportait pas de retour d'information et l'opérateur n'en avait pas conscience. » L'opérateur ne pouvait pas maintenir son pied sur les pédales pendant tout le cycle, ce qui pouvait déclencher le système de sécurité de la presse. « L'outil supérieur est alimenté en six volts, l'outil inférieur est mis à la terre, et la presse doit détecter la conductivité avant de pouvoir exercer une pression. »
Les presses à insérer plus anciennes sont également dépourvues de la « plage de pression », c'est-à-dire la plage de pressions dans laquelle l'équipement peut être correctement inséré. Les presses modernes peuvent juger cette pression trop faible ou trop élevée. Comme les presses plus anciennes n'ont pas de plage de pression, explique Boggs, les opérateurs ajustent parfois la pression à l'aide d'une vanne pour résoudre le problème. « Certains la règlent trop haut, d'autres trop bas », précise Boggs. « Le réglage manuel offre une grande flexibilité. Si la pression est trop faible, c'est que la visserie est mal installée. » « Une pression excessive peut déformer la pièce ou la fixation elle-même. »
« Les machines plus anciennes n'avaient pas non plus de compteurs », ajoute van de Boer, « ce qui pouvait entraîner la perte de fixations par les opérateurs. »
L'insertion manuelle de pièces peut paraître simple, mais le processus est difficile à corriger. De plus, ces opérations interviennent souvent tard dans la chaîne de valeur, une fois l'espace comblé et la pièce formée. Les problèmes d'équipement peuvent perturber considérablement le revêtement en poudre et l'assemblage, souvent parce qu'un opérateur consciencieux et assidu commet de petites erreurs qui se transforment en véritables casse-têtes.
Figure 1. Le cobot présente la pièce en insérant l'équipement dans la presse, qui comporte quatre cuves et quatre navettes indépendantes acheminant l'équipement vers la presse. Image : Hagrid
Au fil des ans, les technologies d'insertion de matériel ont permis de résoudre ces problèmes en identifiant et en éliminant ces sources de variabilité. Les installateurs d'équipements ne devraient pas être à l'origine de tant de problèmes simplement parce qu'ils baissent un peu leur concentration en fin de journée.
La première étape de l'automatisation de la pose des raccords, l'alimentation par godet (voir fig. 2), élimine la partie la plus fastidieuse du processus : la saisie et le positionnement manuels des raccords sur la pièce. Dans une configuration traditionnelle à alimentation supérieure, une presse à godet achemine les fixations vers une navette qui les transmet à l'outil supérieur. L'opérateur place la pièce sur l'outil inférieur (enclume) et appuie sur la pédale. Le poinçon est abaissé par dépression pour extraire les fixations de la navette et les rapprocher de la pièce. La presse applique ensuite la pression et le cycle est terminé.
Cela paraît simple, mais en y regardant de plus près, on découvre quelques subtilités. Tout d'abord, l'équipement doit être introduit dans l'espace de travail de manière contrôlée. C'est là qu'intervient l'outil d'amorçage. Cet outil se compose de deux éléments : l'un, dédié au positionnement, garantit que l'équipement sortant du bol est correctement positionné ; l'autre assure la segmentation, l'alignement et le placement corrects de l'équipement. De là, l'équipement circule dans un tuyau jusqu'à une navette qui l'achemine vers l'outil supérieur.
Voici la difficulté : les outils d’avance automatique (outils d’orientation et de division, et navettes) doivent être remplacés et maintenus en état de fonctionnement à chaque changement d’équipement. Les différents types de matériel influent sur l’alimentation électrique de la zone de travail ; par conséquent, l’utilisation d’outils spécifiques à certains matériels est inévitable et ne peut être exclue de la conception.
L'opérateur n'ayant plus à manipuler (et éventuellement abaisser) ni à installer la presse à gobelets, le temps entre les insertions est considérablement réduit. De plus, grâce à ces outils spécifiques, la trémie d'alimentation offre des possibilités de conversion. Les outils pour écrous autobloquants 832 ne conviennent pas aux écrous 632.
Pour remplacer l'ancien distributeur à bol en deux parties, l'opérateur doit s'assurer que l'outil d'orientation est correctement aligné avec l'outil de séparation. « Il faut également vérifier les vibrations du bol, le calage de l'air et le positionnement du tuyau », a expliqué Boggs. « Il faut contrôler l'alignement de la navette et du système d'aspiration. En bref, l'opérateur doit effectuer de nombreux contrôles d'alignement pour garantir le bon fonctionnement de l'outil. »
Les opérateurs de tôlerie ont souvent des exigences particulières en matière d'équipement, dues à des problèmes d'accès (insertion d'équipement dans des espaces restreints), à des équipements inhabituels, ou aux deux. Ce type d'installation nécessite un outil monobloc spécialement conçu. C'est sur cette base, explique Boggs, qu'un outil tout-en-un pour une presse à emboutir standard a finalement été développé. Cet outil comprend des éléments d'orientation et de sélection (voir Fig. 3).
« Il est conçu pour des changements rapides », explique van de Boer. « Tous les paramètres de contrôle, y compris l'air et les vibrations, le temps et tout le reste, sont gérés par l'ordinateur, de sorte que l'opérateur n'a pas besoin d'effectuer de commutation ou de réglage. »
Grâce aux goujons, tout reste parfaitement aligné (voir fig. 4). « L’opérateur n’a pas à se soucier de l’alignement lors de la conversion. Tout est toujours parfaitement de niveau grâce au verrouillage automatique », explique Boggs. « Les outils sont simplement vissés. »
Lorsqu'un opérateur place une tôle sur une presse à fixer, il aligne les trous avec une enclume conçue pour des fixations d'un diamètre précis. Le fait que chaque nouveau diamètre nécessite un nouvel outil d'enclume a engendré des difficultés de production en série au fil des ans.
Imaginez une usine équipée des technologies de découpe et de pliage les plus récentes, d'un système de changement d'outils automatique et rapide, capable de gérer des petites séries ou même une production en série. La pièce est ensuite insérée dans un support de visserie. Si nécessaire, l'opérateur passe à la production en série. Par exemple, il peut insérer un lot de 50 pièces, changer les enclumes, puis insérer la nouvelle visserie dans les trous correspondants.
Une presse à outils équipée d'une tourelle change la donne. Les opérateurs peuvent désormais insérer un type d'équipement, faire pivoter la tourelle et ouvrir un conteneur à code couleur pour y insérer un autre type d'équipement, le tout dans une seule configuration (voir figure 5).
« Selon le nombre de pièces, vous avez moins de risques de rater une connexion », a déclaré van de Bor. « Vous réalisez toute la section en une seule passe, ce qui vous évite d'oublier une étape à la fin. »
L'association d'un système d'alimentation par godet et d'un porte-pièces sur une presse à insérer permet une gestion simplifiée des kits dans l'atelier d'assemblage. Dans une installation standard, le fabricant réserve l'alimentation par godet aux équipements de grande taille et place les pièces moins fréquemment utilisées dans des conteneurs à code couleur à proximité de la zone de travail. Lorsqu'un opérateur sélectionne une pièce nécessitant plusieurs éléments de fixation, il procède à l'insertion en écoutant le signal sonore de la machine (indiquant qu'il est temps d'insérer un nouvel élément), en faisant tourner le plateau tournant de l'enclume, en visualisant une image 3D de la pièce sur le contrôleur, puis en insérant l'élément suivant.
Imaginez un opérateur insérant les pièces une à une, grâce à l'avance automatique et à la rotation du plateau tournant de l'enclume. L'opération s'arrête lorsque l'outil supérieur saisit la fixation à alimentation automatique dans la navette et la dépose sur la pièce à usiner sur l'enclume. Le contrôleur avertit alors l'opérateur que les fixations sont de longueur incorrecte.
Comme l'explique Boggs, « En mode de réglage, la presse abaisse lentement le curseur et enregistre sa position. Ainsi, lorsqu'elle fonctionne à pleine vitesse et que le dispositif de fixation entre en contact avec l'outil, le système garantit que sa longueur correspond à la tolérance spécifiée. Des mesures hors plage, trop longues ou trop courtes, entraînent une erreur de longueur de fixation. Ceci est dû à la détection de la fixation (absence de vide dans l'outil supérieur, généralement due à des erreurs d'alimentation du matériel) et à la surveillance et à la maintenance de la plage de tonnage (au lieu du réglage manuel d'une vanne par l'opérateur), créant ainsi un système d'automatisation fiable et éprouvé. »
« Les presses matérielles dotées d'une fonction d'autodiagnostic peuvent constituer un atout considérable pour les modules robotisés », a déclaré Boggs. « Dans une configuration automatisée, le robot positionne le papier correctement et envoie un signal à la presse, lui indiquant en substance : "Je suis au bon endroit, vous pouvez démarrer la presse." »
La presse à métaux maintient propres les broches de l'enclume (installées dans les trous de la pièce de tôle). Le vide dans le poinçon supérieur est normal, ce qui indique la présence de fixations. Forte de ces informations, la presse a envoyé un signal au robot.
Comme l'explique Boggs : « La presse analyse tout et indique au robot : “OK, tout est en ordre”. Elle lance le cycle d'emboutissage, vérifiant la présence des fixations et leur longueur. Une fois le cycle terminé, elle s'assure que la pression d'insertion est correcte, puis envoie un signal au robot indiquant la fin du cycle. Le robot reçoit ce signal, sait que tout est propre et peut déplacer la pièce vers le trou suivant. »
Tous ces contrôles machine, initialement conçus pour les opérateurs manuels, constituent une base solide pour une automatisation plus poussée. Boggs et van de Boor décrivent d'autres améliorations, comme certaines conceptions qui empêchent les tôles de coller à l'enclume. « Il arrive que les fixations restent collées après un cycle d'emboutissage », explique Boggs. « C'est un problème inhérent à la compression de matériaux. Lorsqu'une fixation se coince dans l'outil inférieur, l'opérateur peut généralement faire pivoter légèrement la pièce pour la dégager. »
Figure 4. Boulon navette avec goupille de centrage. Une fois en place, la navette achemine l'équipement vers l'outil supérieur, qui utilise la pression du vide pour fixer et transporter l'équipement jusqu'à la pièce à usiner. L'enclume (en bas à gauche) est située sur l'une des quatre tourelles.
Malheureusement, les robots ne possèdent pas les compétences d'un opérateur humain. « C'est pourquoi on conçoit désormais des presses qui facilitent l'extraction des pièces et l'éjection des fixations, évitant ainsi tout blocage après le cycle de pressage. »
Certaines machines possèdent différentes profondeurs de gorge pour faciliter les manœuvres du robot lors de l'entrée et de la sortie de la pièce dans la zone de travail. Les presses peuvent également comporter des supports permettant aux robots (et aux opérateurs manuels) de positionner leurs pièces en toute sécurité.
En définitive, la fiabilité est primordiale. Les robots et cobots peuvent contribuer à la solution, notamment grâce à leur intégration simplifiée. « Dans le domaine des robots collaboratifs, les fournisseurs ont réalisé d'importants progrès pour faciliter au maximum leur intégration aux machines », a déclaré Boggs, « et les fabricants de presses ont déployé des efforts considérables en matière de développement afin de garantir la mise en place d'un protocole de communication adapté. »
Mais les techniques d'emboutissage et d'atelier, notamment le support des pièces, des instructions de travail claires (et documentées) et une formation adéquate, jouent également un rôle. M. Boggs a ajouté qu'il reçoit encore des appels concernant des fixations manquantes et d'autres problèmes au rayon quincaillerie, dont beaucoup travaillent avec des machines fiables mais très anciennes.
Ces machines sont peut-être fiables, mais leur installation n'est pas à la portée de tous. Rappelez-vous la machine qui a détecté une longueur incorrecte. Ce simple contrôle permet d'éviter qu'une petite erreur ne se transforme en un problème majeur.
Figure 5. Cette presse à visser est équipée d'un plateau tournant avec butée et de quatre stations. Le système comprend également une enclume spéciale permettant d'atteindre les zones difficiles d'accès. Les raccords sont insérés juste sous la bride arrière.
Tim Heston, rédacteur en chef de The FABRICATOR, travaille dans le secteur de la fabrication métallique depuis 1998. Il a débuté sa carrière au sein du magazine Welding de l'American Welding Society. Depuis, ce magazine a couvert tous les procédés de fabrication métallique, de l'emboutissage au polissage, en passant par le pliage, la découpe et le meulage. Il a rejoint The FABRICATOR en octobre 2007.
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