Système Robotisé ABB Révolutionne la Fabrication de Composants Électriques
Une avancée majeure vers une fabrication plus intelligente et plus efficace a été réalisée avec le déploiement réussi d’un nouveau système d’automatisation robotisée qui révolutionne la production des connecteurs de réservoir d’eau pour véhicules électriques. Développé par une équipe collaborative du Collège Technique Professionnel de Xianning, de l’Université des Sciences et Technologies de Changsha et de Hubei Qingtuo Precision Machinery Co., Ltd., ce système intègre un seul robot industriel pour gérer les opérations automatiques de chargement et de déchargement sur trois tours à commande numérique. Cette innovation augmente considérablement le débit de production et redéfinit les standards de fabrication rentable, de haute précision et sûre pour l’humain dans la production de composants en grande série.
Alors que l’industrie automobile mondiale accélère sa transition vers l’électrification, la demande de composants pour véhicules électriques de précision a considérablement augmenté. Parmi ceux-ci, les connecteurs de réservoir d’eau – essentiels pour les systèmes de gestion thermique des groupes motopropulseurs électriques – exigent une qualité constante, des tolérances serrées et des cycles de production ininterrompus. Traditionnellement, ces pièces étaient usinées manuellement, les opérateurs chargeant fréquemment les ébauches brutes et retirant les pièces finies des machines CNC. Ce processus répétitif et laborieux augmente non seulement le risque de blessures au travail mais introduit aussi des variations dans les temps de cycle et la qualité des pièces.
Reconnaissant ces défis, l’équipe de recherche dirigée par Jean Haiping, Jin Yan, Chen Xiaomin, Qiu Weiguang et Li Xiaowei a conçu une solution pouvant s’intégrer de manière transparente dans les configurations d’usine existantes tout en maximisant l’efficacité de l’automatisation. Leur percée réside dans le développement d’une station de travail robotisée à installation fixe capable de desservir plusieurs machines sans nécessiter d’espace au sol supplémentaire ni de systèmes de rails complexes. Le résultat est une cellule d’automatisation flexible, fiable et évolutive qui offre des améliorations mesurables de la productivité, de la sécurité et de l’économie opérationnelle.
Au cœur du système se trouve le robot industriel ABB IRB1410 – un manipulateur articulé à six axes reconnu pour sa précision, sa vitesse et son encombrement compact. Avec une charge utile nominale de 5 kg et une précision de positionnement répétable de ±0,02 mm, l’IRB1410 est idéalement adapté pour la manipulation de composants de petite à moyenne taille comme les connecteurs de réservoir d’eau pour VE. Contrairement aux plates-formes robotiques mobiles qui nécessitent des rails linéaires ou des systèmes à portique, cette installation maintient le robot stationnaire, monté au centre d’un arrangement triangulaire de trois tours CNC S-30. Ce positionnement stratégique minimise la distance de déplacement et optimise le temps de cycle, permettant au robot de desservir efficacement les trois machines en succession rapide.
La disposition originale de l’usine présentait une configuration « triangulaire » ou en forme de pin des trois tours, une conception déjà optimisée pour l’utilisation de l’espace. Plutôt que de reconfigurer toute la ligne de production, l’équipe d’ingénierie a préservé les positions existantes des machines et a modernisé la cellule avec l’automatisation robotisée. Cette approche a considérablement réduit les coûts de mise en œuvre et les temps d’arrêt, rendant la mise à niveau plus accessible aux petites et moyennes entreprises cherchant à adopter les technologies de l’Industrie 4.0 sans investissements majeurs.
Pour permettre un flux de matériaux continu, deux convoyeurs à bande ont été intégrés au système – l’un dédié à l’alimentation des pièces brutes vers la station de prise du robot, et l’autre au transport des pièces finies hors de la zone d’usinage. Les deux convoyeurs sont entraînés par un seul moteur électrique connecté par une paire d’engrenages identiques, assurant un fonctionnement synchronisé et éliminant les déséquilibres de vitesse pouvant entraîner des bourrages ou des désalignements. Cette synchronisation mécanique réduit la consommation d’énergie et simplifie la maintenance, car un seul moteur nécessite une surveillance et un entretien.
L’un des aspects les plus innovants du système est l’effecteur terminal à double station, ou pince robotisée, conçue spécifiquement pour le chargement et le déchargement simultanés. La pince comporte deux mâchoires de serrage indépendantes, chacune capable de maintenir une pièce. Dans son état initial, la première station contient une ébauche brute tandis que la deuxième station est vide. Lorsque le robot s’approche d’un tour CNC venant de terminer son cycle d’usinage, il utilise la deuxième mâchoire pour récupérer la pièce finie. Après extraction, le poignet pivote de 180 degrés, positionnant l’ébauche brute pour l’insertion dans le mandrin de la machine. Ce mouvement « d’échange et de rotation » permet au robot d’effectuer le déchargement et le chargement en un seul mouvement continu, réduisant considérablement les temps d’arrêt et maximisant l’utilisation des machines.
La pince est actionnée par un vérin pneumatique à deux doigts, alimenté par de l’air comprimé filtré et régulé par une unité de préparation d’air standard. Le circuit d’air est divisé en trois branches via un collecteur : l’une contrôle le raccord à changement rapide permettant l’échange d’outils, tandis que les deux autres actionnent indépendamment les deux stations de préhension. Le contrôle directionnel est réalisé à l’aide de distributeurs 5/3 voies, qui gèrent précisément le flux d’air pour ouvrir et fermer les mâchoires de la pince. Des capteurs magnétiques intégrés dans la pince fournissent un retour en temps réel sur la position des mâchoires, confirmant si chaque station est ouverte ou fermée. Cette vérification en boucle fermée assure la fiabilité opérationnelle et prévient les collisions ou les erreurs d’alimentation.
Pour accommoder d’éventuels changements futurs dans la géométrie des pièces ou les exigences de production, la pince est connectée au bras du robot via un mécanisme de raccordement à changement rapide. Cette conception modulaire permet aux techniciens d’échanger les effecteurs terminaux en quelques minutes, permettant au même robot de traiter différents types de composants sans reprogrammation extensive ni modifications matérielles. Une telle flexibilité est essentielle dans les environnements de fabrication modernes où les cycles de vie des produits sont courts et les demandes de personnalisation croissantes.
Côté machine, les tours CNC ont été modernisés avec des systèmes de mandrinage hydraulique remplaçant les systèmes manuels. Ce changement permet une force de serrage constante et une activation plus rapide, deux éléments critiques pour maintenir la précision dimensionnelle et réduire le temps de cycle. Le système hydraulique est contrôlé directement via l’interface de communication du robot, éliminant le besoin de programmation PLC distincte pour les opérations de mandrinage. De plus, le programme d’usinage a été modifié pour inclure un délai après le placement de la pièce par le robot, garantissant un temps suffisant pour la fermeture complète du mandrin avant la rotation de la broche.
La communication entre le robot, les machines CNC et le système de contrôle central est gérée par une architecture réseau industrielle robuste. Le contrôleur principal est un automate Siemens S7-1214C, choisi pour sa fiabilité, sa puissance de traitement et son support natif de Profinet – un protocole Ethernet industriel largement utilisé dans les systèmes d’automatisation. L’automate coordonne tous les périphériques, y compris les convoyeurs, les verrouillages de sécurité et les indicateurs de statut, tandis que le contrôleur du robot ABB gère les séquences de mouvement et les opérations de la pince. L’échange de données entre les systèmes est facilité par une combinaison de Profinet, de signaux I/O et d’Ethernet industriel, créant un environnement de contrôle étroitement intégré et réactif.
La sécurité a été une considération primordiale dans la conception du système. Compte tenu des mouvements à haute vitesse du robot et de la proximité des opérateurs humains pendant le chargement et le déchargement des matériaux, un enclos de sécurité complet a été mis en œuvre. L’espace de travail du robot est entouré de barrières de sécurité interconnectées et de portes d’accès. Si une porte est ouverte pendant le fonctionnement, le système arrête immédiatement tout mouvement, prévenant les accidents. Des rideaux lumineux et des boutons d’arrêt d’urgence sont également installés aux points d’accès clés, fournissant plusieurs couches de protection. Ces mesures assurent la conformité aux normes de sécurité internationales telles que l’ISO 10218 et la CEI 60204.
Le flux opérationnel suit une séquence soigneusement chorégraphiée. Lorsqu’une machine termine son cycle d’usinage, elle envoie un signal au robot indiquant sa disponibilité pour le déchargement. Le robot se déplace alors vers le convoyeur, saisit une pièce brute et se dirige vers la machine. Il récupère la pièce finie, effectue la rotation de 180 degrés, charge la nouvelle ébauche et quitte la zone de la machine. La pièce usée est ensuite placée sur le convoyeur sortant pour une collecte manuelle. Une fois ce cycle terminé, le robot passe à la machine suivante, répétant le processus. Cette logique séquentielle mais parallélisable permet au robot de maintenir les trois tours en fonctionnement continu, avec un temps d’arrêt minimal entre les cycles.
Pour valider les performances du système, une série de tests sur site a été menée dans l’usine de fabrication partenaire. Avant l’automatisation, la ligne de production reposait sur la main-d’œuvre manuelle, avec des opérateurs travaillant par quarts de 12 heures en rotation double. Le temps de fonctionnement effectif des machines était limité à environ 9 heures par quart en raison des pauses, de la fatigue et des retards logistiques. Le temps manuel total de chargement et de déchargement par cycle était mesuré à 72 secondes, contribuant significativement au temps de cycle global.
Après la mise en service du système robotisé, les résultats ont été transformationnels. Le temps automatisé de chargement et de déchargement a été réduit à seulement 50 secondes – une amélioration de 30%. Plus important encore, le robot fonctionne 24 heures par jour sans fatigue, augmentant l’utilisation des machines de 18 à 24 heures quotidiennement. En conséquence, la capacité de production horaire est passée de 15 pièces par heure à 36 pièces par heure, représentant une augmentation de 140% du débit.
Les besoins en main-d’œuvre ont également été considérablement réduits. Auparavant, six opérateurs étaient nécessaires pour gérer les trois machines selon le modèle à double quart. Après l’automatisation, seulement quatre travailleurs sont requis – un par quart pour surveiller le système et gérer le chargement et le déchargement des matériaux aux stations de convoyeur. Cela représente une réduction de 33% des coûts de main-d’œuvre directe. Sur une année, l’entreprise a réalisé des économies estimées à 500 000 RMB, principalement dues aux salaires réduits, aux taux d’erreur diminués et à une meilleure utilisation des équipements.
Au-delà des avantages financiers immédiats, le système a amélioré la cohérence des produits et la fiabilité du processus. Les opérateurs humains, même hautement qualifiés, peuvent introduire des variations dans le placement des pièces, la force de serrage et le timing. Le robot, en revanche, exécute chaque tâche avec une précision identique à chaque fois, conduisant à des tolérances plus serrées et moins de pièces rejetées. Ce niveau de répétabilité est particulièrement précieux dans les chaînes d’approvisionnement automobiles, où les audits qualité et la traçabilité sont de plus en plus stricts.
Le succès de ce projet souligne également le rôle croissant de la collaboration université-industrie dans l’avancement de la technologie manufacturière. L’équipe de recherche a rassemblé des expertises en conception mécanique, robotique, contrôle d’automatisation et ingénierie industrielle. Leurs travaux ont été soutenus par des financements de la Fondation Nationale des Sciences Naturelles de Chine, du Département Provincial de l’Éducation du Hubei, du Programme Provincial du Jiangsu pour la Formation à l’Étranger des Jeunes Enseignants et du Projet Scientifique et Technologique Municipal de Xianning. Ce soutien multi-niveaux souligne l’importance nationale accordée à la fabrication intelligente et à l’autonomie technologique.
De plus, la philosophie de conception du système met l’accent sur l’évolutivité et l’adaptabilité. Bien que configuré actuellement pour trois tours CNC, l’architecture pourrait être étendue pour inclure des machines supplémentaires ou différents types d’équipements, tels que des centres de fraisage ou des stations de rectification. L’utilisation de protocoles de communication standardisés et de composants modulaires assure que les expansions futures peuvent être mises en œuvre avec une perturbation minimale.
Un autre avantage notable est la capacité du système à fonctionner dans des environnements industriels difficiles. Contrairement aux travailleurs humains, le robot n’est pas affecté par le bruit, la chaleur, les copeaux de métal ou les brouillards de liquide de refroidissement – des conditions courantes dans les ateliers d’usinage. Cette résilience améliore non seulement le temps de fonctionnement mais protège aussi les travailleurs de l’exposition à des conditions potentiellement dangereuses.
D’un point de vue développement durable, le système d’automatisation contribue à une utilisation plus efficace des ressources. En réduisant les taux de rebut et le gaspillage d’énergie associé aux machines inactives, il soutient des pratiques de fabrication plus écologiques. La réduction de la demande en main-d’œuvre permet également aux entreprises de redéployer le personnel vers des tâches à plus forte valeur ajoutée telles que l’inspection qualité, l’optimisation des processus et la maintenance préventive – des rôles qui exigent le jugement humain et les compétences en résolution de problèmes.
À l’avenir, l’équipe de recherche prévoit d’explorer des améliorations supplémentaires, incluant l’intégration de systèmes de vision pour l’identification et l’alignement des pièces, des algorithmes de maintenance prédictive basés sur les données des capteurs, et une surveillance basée sur le cloud pour le diagnostic à distance. Ces mises à niveau rapprocheraient encore plus le système de l’autonomie totale, s’alignant sur les objectifs plus larges des usines intelligentes et des jumeaux numériques.
En conclusion, le développement et le déploiement de ce système robotisé de chargement et de déchargement marquent une étape significative dans l’évolution de l’automatisation de l’usinage CNC. En permettant à un seul robot de desservir plusieurs machines avec une grande fiabilité et flexibilité, le système offre un modèle convaincant pour les fabricants cherchant à stimuler la productivité, réduire les coûts et améliorer la sécurité au travail. Son succès démontre que l’automatisation intelligente n’est plus le domaine exclusif des grandes corporations aux poches profondes – elle est désormais accessible, pratique et économiquement viable pour un large éventail d’applications industrielles.
Alors que la concurrence mondiale s’intensifie et que les attentes des clients augmentent, la capacité à produire des composants de haute qualité à grande échelle restera un différenciateur clé. Des systèmes comme celui-ci, nés de recherches rigoureuses et d’ingénierie pratique, pavent la voie vers une nouvelle ère d’excellence manufacturière – où humains et machines collaborent pour atteindre des résultats qu’aucun ne pourrait accomplir seul.
Jean Haiping, Jin Yan, Chen Xiaomin, Qiu Weiguang, Li Xiaowei, Collège Technique Professionnel de Xianning, Université des Sciences et Technologies de Changsha, Hubei Qingtuo Precision Machinery Co., Ltd., Mechanical & Electrical Engineering Technology, DOI: 10.3969/j.issn.1009-9492.2024.06.013