Machine à refendre les rubans : analyse comparative d’un modèle à servomoteur et d’un modèle traditionnel

Introduction

Dans le domaine de la production de consommables d'impression par transfert thermique, la machine à refendre les rubans est un équipement essentiel dont les performances influent directement sur la précision de la découpe, l'efficacité de la production et le rendement des rubans. Ces dernières années, avec les progrès de l'automatisation industrielle, les systèmes d'entraînement par servomoteurs remplacent progressivement les moteurs asynchrones ou les moteurs pas à pas des modèles traditionnels. Cet article compare systématiquement ces deux solutions techniques sous différents angles, afin de fournir des éléments de référence pour le choix des équipements et la modernisation des technologies.

1. Architecture du système d'alimentation et de contrôle

Modèles traditionnels

Les machines traditionnelles de refendage de rubans utilisent principalement des moteurs asynchrones triphasés et des variateurs de fréquence comme entraînement principal, associés à des freins à embrayage mécanique pour le contrôle de la tension. Les arbres d'enroulement et de déroulement sont généralement équipés d'un embrayage/frein à poudre magnétique permettant de modifier le couple de sortie par réglage manuel du courant. Le système de commande est souvent constitué d'un automate programmable (PLC) et d'un écran tactile, mais il ne dispose pas de mécanisme de synchronisation en temps réel entre les axes, la synchronisation des vitesses s'effectuant par des arbres de transmission mécaniques ou des réducteurs.

Modèles à servocommande

Le système d'asservissement utilise un servomoteur et un servovariateur indépendants pour former un système de contrôle en boucle fermée. Chaque axe (arbre de déroulement, galet de traction, arbre d'enroulement) est équipé d'un servomoteur indépendant, interconnecté à un réseau Ethernet industriel temps réel haut débit (EtherCAT ou Profinet) pour un contrôle synchrone à la microseconde. Le système intègre des capteurs de tension ou utilise la boucle de rétroaction du courant des servomoteurs pour un contrôle de tension en boucle fermée, sans composants mécaniques à friction.

2. Comparaison des indicateurs clés de performance

3. Différences dans les principes de fonctionnement

mécanisme de contrôle de la tension

Les modèles conventionnels utilisent une méthode à boucle ouverte avec amortissement mécanique. Côté déroulement, un frein à poudre magnétique assure un couple d'amortissement constant, tandis que côté enroulement, la tension est contrôlée par un embrayage à poudre magnétique ou un moteur couple. Lorsque le diamètre du cylindre varie, l'opérateur doit effectuer un réglage manuel ou indirect à l'aide de la barre de tension pendulaire, ce qui engendre un temps de réponse important.

Le modèle servo utilise une régulation de tension constante en boucle fermée. Le servomoteur de déroulement fonctionne en mode couple et calcule et fournit le couple inverse en fonction du diamètre de la bobine en temps réel. Le servomoteur du galet de traction fonctionne en mode vitesse et sert de référence pour la vitesse du système. L'arbre d'enroulement fonctionne également en mode couple et ajuste dynamiquement le couple de sortie en fonction de la tension de consigne et du diamètre de la bobine en temps réel. Ces trois éléments sont synchronisés par un bus haute vitesse, ce qui permet de supprimer les fluctuations de tension en temps réel durant les phases de démarrage, d'accélération, de décélération et d'arrêt.

Méthode de calcul du diamètre du rouleau

Les modèles traditionnels mesurent généralement le diamètre de la bobine indirectement par le biais de capteurs ultrasoniques ou de détecteurs de proximité associés à des bras oscillants mécaniques, et leur précision et leur fiabilité dépendent de la précision d'installation du capteur et du matériau utilisé.

Le modèle servo utilise l'algorithme d'intégration du retour d'information de l'encodeur moteur et de l'épaisseur du matériau pour calculer le diamètre du rouleau en temps réel, et prend en charge la fonction d'étalonnage adaptatif du diamètre du rouleau, qui est automatiquement corrigée à chaque changement ou raccordement du rouleau, et la précision de calcul peut atteindre moins de 0,1 mm.

4. Comparaison du fonctionnement et de la maintenance

paramétrage du processus

Les paramètres de processus (valeur de tension, largeur de refente, dureté d'enroulement) des modèles traditionnels doivent être réglés manuellement sur le panneau de commande ou l'écran tactile, la corrélation des paramètres entre les différents axes est faible et la dépendance à l'égard de l'expérience de l'opérateur est élevée.

Le modèle servo intègre un système de gestion des recettes et permet d'accéder à tous les paramètres de processus en un seul clic. Le système dispose d'une fonction de contrôle de tension progressive intégrée, qui ajuste automatiquement la tension d'enroulement en fonction du diamètre de la bobine, garantissant ainsi une tension interne uniforme même pour les grandes bobines et évitant tout phénomène de « noyau de chrysanthème » ou d'« affaissement de la bobine ».

coûts d'entretien

L'embrayage et le frein à poudre magnétique des modèles traditionnels sont des pièces d'usure. La poudre magnétique se dégrade sous l'effet de l'oxydation à haute température ou de l'usure après une utilisation prolongée, généralement tous les 6 à 12 mois. Les composants de transmission mécanique tels que les boîtes de vitesses, les accouplements universels, les courroies de distribution, etc., doivent être lubrifiés et calibrés régulièrement.

Le système d'asservissement élimine l'assemblage de particules magnétiques et la majeure partie de la structure de transmission mécanique, et ne comporte aucune pièce générant des pertes par frottement. La durée de vie des servomoteurs est généralement supérieure à 5 à 8 ans, et les principales opérations de maintenance consistent en le nettoyage de l'encodeur et le remplacement du filtre du ventilateur, ce qui réduit considérablement les coûts d'exploitation à long terme.

5. Comparaison de la consommation d'énergie

Du point de vue de l'efficacité énergétique, le système d'entraînement servo présente des avantages évidents :

• Modèle traditionnelL'embrayage/frein à poudre magnétique est toujours en état de glissement lorsqu'il fonctionne en continu, et une grande quantité d'énergie électrique est convertie en perte de chaleur, et la mesure réelle montre que son taux d'utilisation de l'énergie n'est que de 40 à 55 %.

• Modèle de servomoteur :Le servomoteur peut réinjecter de l'énergie dans le bus CC pour d'autres arbres grâce à la génération d'énergie régénérative lors du freinage ou de la décélération, et le taux d'utilisation global de l'énergie du système peut atteindre 75 % à 85 %.

Prenons comme exemple une machine à refendre les rubans d'une largeur de 300 mm et d'une vitesse nominale de 200 m/min : les économies d'énergie annuelles du modèle servo peuvent atteindre 8 000 à 12 000 kWh en fonction d'un fonctionnement quotidien en deux équipes.

6. Capacités de renseignement et de données

Les systèmes de contrôle traditionnels ne disposent souvent pas d'interfaces d'acquisition et de communication de données, et les données de production doivent être enregistrées manuellement, ce qui rend difficile leur intégration dans un MES (Manufacturing Execution System) ou la mise en œuvre d'une traçabilité de la qualité.

Les solutions d'asservissement s'appuient naturellement sur l'Industrie 4.0. L'asservissement peut transmettre directement et en temps réel les données de couple, de vitesse, de température, de courant et autres données d'état de chaque axe, et peut être combiné à des équipements de calcul en périphérie pour réaliser :

• Surveillance en temps réel des courbes de tension et des alarmes anormales

• Maintenance prédictive de l'usure des pales

• Statistiques de TRS (Taux de Rendement Synthétique) de production automatisée

• Analyse de traçabilité des lots de qualité anormale

7. Analyse du rendement des investissements

Le coût d'achat initial des modèles à servocommande est généralement de 30 à 50 % supérieur à celui des modèles traditionnels, mais la période d'amortissement est généralement de 12 à 18 mois, compte tenu des facteurs suivants :

1. Amélioration de l'efficacitéUne vitesse de fonctionnement plus élevée et un temps de changement de commande plus court peuvent augmenter la production journalière d'une seule machine de 40 à 60 %.

2. Amélioration du rendement :amélioration de la précision de refendage et de la stabilité de la tension, et réduction du taux de rebut de 2 à 5 %.

3. Économies d'énergie :Des économies importantes sur les factures d'électricité annuelles

4. Réduction des coûts de maintenanceLe coût des consommables en poudre magnétique et les coûts de maintenance manuelle sont réduits de plus de 70 %.

5. Optimisation des coûts de main-d'œuvreUne seule personne peut faire fonctionner plusieurs modèles de servomoteurs, et les modèles traditionnels nécessitent souvent la présence de personnel spécialisé.

8. Suggestions de scénarios applicables

Scénarios où les modèles traditionnels restent applicables :

• Petits ateliers avec des budgets très limités

• Rubans ordinaires avec un format de découpe réduit et des exigences de précision faibles (± plus de 0,5 mm).

• Scénarios d'utilisation à faible fréquence avec un temps de démarrage annuel inférieur à 1 000 heures

Les modèles servo sont plus adaptés aux scénarios suivants :

• Production de rubans haut de gamme (rubans pressés latéralement, à base de résine et colorés).

• Fonctionnement continu sur une large largeur (plus de 300 mm) et à haute vitesse (plus de 250 m/min)

• Les entreprises qui doivent se connecter à des systèmes MES pour mettre en œuvre la gestion numérique de leur usine

• Découpe de films de substrat ultra-minces (moins de 4 μm) avec des exigences strictes en matière de stabilité de tension

Conclusion

L'application de la technologie d'entraînement par servomoteur dans les machines de refendage de rubans illustre l'évolution des équipements de refendage, passant d'une approche « dominée par la mécanique et l'intervention manuelle » à une approche « commande électronique et collaboration intelligente ». Bien que l'investissement initial soit plus élevé que pour les modèles traditionnels, cette technologie offre des performances nettement supérieures en termes de précision de refendage, de productivité, de consommation d'énergie, de coûts de maintenance et d'intelligence. Pour les entreprises de fabrication de rubans soucieuses de la qualité de leurs produits et de leur productivité, les solutions d'entraînement par servomoteur sont devenues la solution privilégiée pour les nouvelles lignes de production et la modernisation des équipements existants.

Avec la baisse continue des coûts des systèmes servo et la maturité des alternatives locales, on prévoit que dans les cinq prochaines années, les machines de refendage de rubans servo-motorisées représenteront plus de 80 % de la nouvelle capacité de production, devenant progressivement la configuration standard du secteur.