Grande variance lors du montage de composants de culasse de moteur

Montage de composants de culasse de moteur

| Auteur / Rédacteur: Source : Liebherr Machines Bulle SA et INSYS Industriesysteme AG / Jean-René Gonthier

Systèmes de serrage et préhension, automation, robotique. Porteoutils pour l’horlogerie, étaux de serrage, systèmes de posage à point zéro. Préhenseurs et accessoires robots (changement rapide, unités de compliance et anti-collision, capteurs de force et torque. Axes linéaires.
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Systèmes de serrage et préhension, automation, robotique. Porteoutils pour l’horlogerie, étaux de serrage, systèmes de posage à point zéro. Préhenseurs et accessoires robots (changement rapide, unités de compliance et anti-collision, capteurs de force et torque. Axes linéaires. (Source : Schunk Intec AG)

Lorsqu’il faut faire face à une diversité croissante des modèles à produire, un manque de personnel et des exigences toujours plus élevées en termes de sécurité, il faut envisager une automatisation complète des sous-processus.

Pour répondre à ce besoin, la société INSYS Industriesysteme AG de Münsingen a développé une cellule de montage des guides et des sièges de soupape qui permet une production sans intervention humaine sur quatorze variantes de culasses différentes dans l’usine Liebherr de Bulle, dans le canton de Fribourg en Suisse. Les composants de systèmes de préhension de la société Schunk garantissent une manipulation des pièces fiable ainsi qu’un positionnement précis des culasses dans le processus entièrement automatisé. Depuis 2007, la société Liebherr Machines Bulle SA élargit en permanence le réseau de distribution de ses moteurs. Si par le passé, les groupes moteurs étaient destinés exclusivement aux entreprises du groupe Liebherr, les clients externes peuvent maintenant profiter de la compétence du spécialiste des moteurs diesel. Cette nouvelle demande crée une augmentation progressive de la gamme de ses produits : de plus en plus de clients ont besoin d'ajustements individuels des standards d'origine. Un surplus de travail qui, au départ, pouvait être absorbé en montage manuel, a dû être automatisé quand la demande a augmenté. Les tâches manuelles, la contrainte ergonomique pour les ouvriers, les dangers potentiels liés à la manipulation de l'azote liquide et les besoins urgents en personnel à d’autres postes de production ont conduit à une automatisation complète. « Notre objectif est d'automatiser les opérations qui sont toujours identiques » explique Sébastien Bussard, ingénieur du projet. « En termes d'automatisation, cela signifie la chose suivante : nous avons besoin de solutions toujours plus flexibles que nous pouvons adapter de manière individuelle et paramétrer nous-mêmes pour de nouvelles variantes. » Quatorze variantes de culasses différentes sont déjà intégrées dans le programme, mais de nouvelles suivront.

Quatorze variantes

La société INSYS Industriesysteme AG de Münsingen, dans le canton de Berne, a relevé le défi et développé une cellule robotisée entièrement automatisée capable d’équiper en guides et en sièges de soupape 14 variantes de culasses. L'opérateur doit uniquement disposer les culasses sur des palettes et scanner la commande. L'installation s'occupe de tout le reste : les culasses sont dépalettisées une par une par un robot, disposées sur des palettes porte-pièces et placées sous une presse. Un autre robot s’occupe de retirer les pièces à assembler d’un système cryogénique, à -200°C, pour les placer précisément dans la culasse, sous une presse.

Elles sont ensuite introduites dans leurs positions finales à l’aide de forces pouvant atteindre l’équivalent d’une tonne. Huit pièces doivent être montées sur chaque culasse, sur un ou sur deux côtés, en fonction de son utilisation ultérieure. Ensuite, les culasses complétement équipées sont retirées de la palette porte-pièces et mises de côté. La durée d’un cycle complet est de 15 % inférieure à la valeur demandée à l'origine par la société Liebherr.

Du point de vue d'Urs Künzi, ingénieur d'application et chef de projet dans la société INSYS Industriesysteme AG, c’est surtout le degré de variance qui représentait un défi : « C’est l’automatisation qui a mis en évidence la diversité des modèles. Nous avons solutionné la manipulation des diverses pièces ayant un diamètre compris entre 40 et 50 mm avec un seul jeu de mors, donc sans aucun changement d’outil ». Les pinces universelles Schunk PGN-plus à guidage multi-crans garantissent une sécurité de processus élevée et durable. « Les pinces Schunk sont idéales lorsque la fiabilité est primordiale », souligne M. Künzi, « car nous savons que ça fonctionne ». Les fluctuations permanentes de la température ne posent aucun problème aux pinces parallèles, surtout que le froid se dissipe rapidement via les grandes surfaces des doigts de la pince. « Les pièces se détachent très bien du mors, de sorte qu'une grande stabilité de processus est garantie », explique le spécialiste en automatisme.

Les pinces magnétiques et le couplage robot-palettes apportent de la flexibilité

Pour la manipulation des culasses, la société INSYS a choisi un principe en deux étapes : d’abord, la dépalettisation et la palettisation des différents modèles de culasses avec un poids compris entre 20 et 25 kg sont prises en charge par les pinces magnétiques Schunk EGM. Ensuite, les culasses sont placées sur des palettes porte-pièces spécifiques au modèle et sont introduites dans la station de montage à l'aide du couplage robot-palettes Schunk NSR-A. La raison d’une manipulation en deux étapes : un accès de l'extérieur n'est pas possible pour dépalettiser les composants qui sont conditionnés très serrés et les alésages des culasses ne doivent pas être abimés. « Nous avons des surfaces fraisées et des parties ferromagnétiques. La pince magnétique Schunk convient donc parfaitement », explique Urs Künzi. En collaboration avec la société Schunk, des essais ont été réalisés pendant la phase de planification du projet pour vérifier si les forces de maintien magnétiques étaient suffisantes lors de l'accélération et du freinage du robot. « Le résultat des essais était convaincant. La manipulation a fonctionné sans problème » se félicite Urs Künzi. Finalement, on a décidé d'utiliser deux pinces magnétiques Schunk EGM-M avec une surface polaire de 50 mm2, qui sont placées de façon à ne pas toucher les alésages fragiles des culasses.

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Simple et efficace
Ce système de changement de palette est constitué d'une tête de changement (NSR-A) et d'un axe de serrage (NSR-SPA).

Risque de collision minimisé

Les pinces monopôles Schunk sont un véritable concentré de puissance : le plus petit format (26 mm x 98 mm) peut déjà manipuler des pièces jusqu'à 7 kg. Le format moyen qui est employé pour la société Liebherr est conçu pour des charges utiles atteignant 32 kg. Sa surface magnétique s’étend jusqu’au bord de la pince, aucun contour de collision ne doit donc être pris en compte. Les pinces peuvent être positionnées à n’importe quel emplacement sur les pièces et combinées de façon modulable à des unités de grande taille. Comme toutes les pinces magnétiques de la gamme EGM de Schunk, les pinces monopôles EGM-M sont électro-permanentes avec aimant permanent intégré qui consomment peu d’énergie. Seules leur activation et leur désactivation nécessitent une impulsion électrique pendant 300 ms. Hormis ces impulsions, aucune alimentation en énergie n'est nécessaire. Les pièces continuent d’être maintenues en toute sécurité même en cas d’arrêt d’urgence ou de panne d’électricité. Les pinces magnétiques de Schunk sont donc en mesure de manipuler, sans interruption de la production, les pièces à usiner les plus diverses sans nécessiter d’équipement supplémentaire et sans prise en compte de contours de collision des doigts des pinces.

Système rigide

Immédiatement après la dépalettisation, la culasse est placée sur une palette porte-pièces (préparée auparavant et stockée dans un magasin) par la pince magnétique assistée par une caméra. La palette de support est ensuite couplée avec le robot via le couplage robot Schunk NSR-A et envoyée dans la presse. Le couplage robot compact, qui permet à la fois une grande sécurité et une flexibilité de manipulation des pièces, avait déjà fait ses preuves chez Liebherr dans les machines-outils où les palettes de support étaient placées sur un système de bridage au point zéro Schunk VERO-S. La société INSYS va désormais encore plus loin avec cette presse : elles sont positionnées et fixées durant tout le déroulement du processus exclusivement par le robot. « Le couplage robot est extrêmement stable et précis », explique Urs Künzi, « ce qui est nécessaire car lors de l'insertion des guides et des sièges de soupape, une haute précision est nécessaire. Le couplage robot nous permet de travailler dans les espaces de construction les plus étroits et nous pouvons à tout moment élargir la gamme des pièces », explique Urs Künzi.

Le design très plat du module de changement rapide NSR-A, aux contours de collision minimisés, permet une manœuvre de robot directement sur la table de montage ou d'usinage. Avec un poids propre de seulement 1,6 kg (taille 160), le NSR-A génère une force de verrouillage de 14'000 N ce qui permet d’obtenir un système extrêmement rigide. Il convient à la manipulation fiable de palettes pesant jusqu’à 350 kg (avec 400 x 400 mm). C’est ce système de verrouillage breveté, mis au point par Schunk, qui permet la manipulation de charges aussi importantes. La fixation est ajustée et autobloquante. Pour obtenir un rapport optimal entre la rigidité, la robustesse et le poids, le corps est réalisé en un alliage d’aluminium, revêtu dur. Toutes les pièces fonctionnelles sont en acier inoxydable trempé. La répétabilité de couplage est de 0,02 mm.

Depuis sa mise en service chez Liebherr, l'installation a fait ses preuves d’après Francis Rossat, responsable de la préparation du travail. « Le processus fonctionne très bien, sans aucun problème. Nous pouvons désormais produire chaque type de culasse l'un après l'autre, sans intervention manuelle et sans générer de temps d'équipement ou temps d'arrêt ». MSM

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