Résumé : Le système de convoyeur Power & Free (P&F) est un équipement de manutention entièrement fonctionnel et flexible. Il permet non seulement de transporter des pièces, mais aussi de les trier et de les stocker, ce qui le rend largement applicable dans la production industrielle. Cet article présente la conception technique d‘un système de convoyeur P&F, en prenant pour exemple l‘atelier de soudage d‘une usine automobile.

Mots-clés : Système d‘alimentation et de production sans électricité, conception technique, automatisation de la production

I. Aperçu du processus

1. Programme de production :
La capacité de la ligne A est de 90 000 véhicules par équipe (deux équipes). La capacité de la ligne B est de 50 000 véhicules par équipe (deux équipes). La capacité totale du système P&F est de 140 000 véhicules par équipe (deux équipes). Le poids maximal d‘une caisse en blanc est de 500 kg.

2. Flux de processus :

• Station de chargement : Les BIW qualifiés, ayant terminé le soudage dans l’atelier de soudage, sont transférés sur le convoyeur P&F.
• Zone de stockage (zone d‘accumulation) : Différents types de BOW peuvent être stockés dans des zones classées.
• Ligne de convoyage : Transporte les caisses en blanc stockées sur les supports P&F vers l’atelier de peinture.

• Station de déchargement : Les BIW sont transférées du transporteur P&F sur le convoyeur à palettes de l’atelier de peinture.

3. Structure de la plante :
L‘installation est une structure légère en acier où les charges de process sont uniformément réparties dans l‘atelier. La trame structurelle est composée d‘un point tous les 8 m sur la longueur et d‘un point tous les 3 m sur la largeur (perpendiculaire à l‘atelier). On obtient ainsi une trame de 3 m x 8 m, chaque point de levage supportant une charge verticale de 4,5 t et une charge horizontale de 0,8 t.

II. Détermination du tracé du système P&F et des principaux équipements

Composants du système : monte-charge/ascenseur de chargement, ligne de convoyage, zone de stockage, monte-charge/ascenseur de déchargement, système de commande électrique.

1. Monte-charge/Ascenseur (élévateur) :
Un élévateur est installé au point de chargement des lignes A et B. Le segment de l‘élévateur, comprenant un convoyeur à rouleaux, s‘élève à la hauteur requise et positionne la caisse en place. La butée située sur la ligne P&F, en amont du point d‘attente, s‘ouvre et le support vide est tiré par la chaîne jusqu‘à la butée de l‘élévateur. Le support est alors positionné par le dispositif de positionnement à goupille. L‘élévateur descend, séparant le convoyeur à rouleaux de la pièce, qui se dépose sur le support vide. L‘élévateur poursuit sa descente jusqu‘au point de réception. La butée du segment de l‘élévateur s‘ouvre et le support chargé est tiré par la chaîne vers la ligne de stockage.

2. Ligne de convoyage :
Le tracé a été conçu de manière optimale, garantissant que le système de convoyage n‘interfère pas avec les autres équipements de l‘atelier. Il répond aux exigences de convoyage et de stockage des éléments de carrosserie. D‘une longueur totale d‘environ 2 000 mètres, il comprend six stations de commande pour six chaînes de convoyage distinctes.

3. Zone de stockage :
L‘atelier produisant trois grandes séries de véhicules et la séquence de production en peinture différant de celle de l‘atelier de soudage, l‘organisation et le stockage des caisses encaissantes (BIW) doivent être pris en compte. Compte tenu des contraintes et de l‘espace disponible, trois lignes de stockage ont été conçues pour trois types de caisses encaissantes, chacune pouvant accueillir 20 unités. Un canal express permet aux caisses encaissantes de contourner la zone de stockage et d‘accéder directement à l‘atelier de peinture par la ligne de convoyage.

4. Monte-charge/ascenseur de déchargement :
Le chariot chargé est tiré par la chaîne jusqu‘à la butée du élévateur, où le dispositif de positionnement de l‘axe du chariot le positionne. L‘élévateur monte à la hauteur requise, soulève la caisse en blanc (BIW), qui se sépare alors du chariot. Le dispositif de positionnement de l‘axe du chariot se désengage, la butée s‘ouvre et le chariot vide est tiré hors du poste de déchargement par la chaîne. La caisse en blanc est ensuite transférée par une fourche télescopique sur le patin du rouleau à peinture.

III. Caractéristiques structurelles et performances des principaux équipements du système P&F

Le système de convoyage utilise un convoyeur aérien P&F monobloc de 10 cm de large, à poussée, placé au-dessus des rails, pour transporter les produits. Les principaux composants comprennent le groupe motopropulseur, le dispositif de tension, la chaîne, le chariot principal/chariot auxiliaire, le poussoir, les rails droits, les rails courbes horizontaux (coudes à rouleaux), les rails courbes verticaux, les aiguillages, le porte-conteneurs, les butées, les répartiteurs (décodeurs), les filets de protection et autres éléments de charpente métallique. Les formes de la structure sont les suivantes :

1. Unité d‘entraînement
L‘unité d‘entraînement adopte une transmission linéaire. La station d‘entraînement linéaire est équipée d‘une chaîne d‘entraînement indépendante de type chenille pour entraîner la chaîne de traction. La plaque de guidage de cette chaîne présente une forme arquée prononcée afin de minimiser les fluctuations de la chaîne de traction et d‘assurer un entraînement fluide. La station d‘entraînement linéaire se compose d‘un châssis fixe et d‘un châssis flottant. Le moteur d‘entraînement est à vitesse variable et est équipé d‘un dispositif de protection contre les surcharges.
Le groupe d‘entraînement linéaire de type chenille comprend un bâti, un bâti flottant, un motoréducteur et une chaîne de transmission. Le moteur entraîne directement le réducteur par un accouplement et est doté d‘une protection mécanique flottante linéaire (rotative) contre les surcharges. Le bâti de support robuste garantit une force motrice suffisante. Le galet tendeur réglable et le système de support de chaîne facilitent l‘installation et le réglage du jeu d‘engrènement. En cas de surcharge, la protection mécanique flottante linéaire coupe l‘alimentation électrique en temps réel. Une plateforme d‘inspection est prévue au niveau du groupe d‘entraînement pour un accès aisé à tous les composants. Des points de graissage sont judicieusement positionnés pour la lubrification manuelle.

2. Dispositif de tension
Le convoyeur P&F est équipé d‘un système de tension pneumatique avec des supports à rouleaux entre les châssis fixe et flottant. Des interrupteurs de fin de course sont installés aux deux extrémités du dispositif de tension afin de prévenir toute tension insuffisante de la chaîne ou tout dépassement de course. Un dispositif de tension pneumatique d‘une course de 800 mm a été sélectionné, permettant d‘absorber une longueur de chaîne équivalente à un pas de poussoir. Après réglage, la course inutilisée du dispositif de tension représente au moins 50 % de la course totale. Le dispositif de tension est équipé d‘une plateforme d‘inspection.

3. Chaîne, chariot (chariot esclave) et poussoir
La chaîne de traction est une chaîne détachable forgée standard en acier 45Mn2. La chaîne X-458 présente une charge de rupture de 216 kN et une tension admissible de 15 kN, avec un pas théorique de 102,4 mm. La chaîne doit fonctionner sans à-coups ni à glissement.
La chaîne de traction est supportée par des chariots de support. Le corps du chariot est une pièce forgée monobloc haute résistance. Le chariot de support est assemblé par boulonnage. Les galets sont des roues à roulements intégrés (à billes sans cage), offrant un jeu modéré, une faible résistance, une protection par joint labyrinthe triple couche et un graisseur externe à pression, ce qui les rend adaptés aux environnements difficiles et à haute température. La disposition des chariots est rationnelle et coordonnée avec les virages verticaux et horizontaux de la chaîne de traction. Un support double groupe doit être utilisé de chaque côté du poussoir.
Un chariot porte-charges à quatre roues est utilisé. Il se compose d‘un chariot avant, d‘un chariot arrière, de deux chariots centraux, d‘une biellette amortie, d‘une biellette rigide et d‘une barre de répartition. Le chariot avant assure la traction. Il coopère avec la butée et le chariot arrière pour permettre l‘arrêt et le chargement. Les chariots centraux supportent le chariot. Deux jeux de goupilles de liaison supportent le chariot. Un jeu de biellettes amortissantes garantit la longueur de chargement et assure l‘amortissement du chariot. Les chariots avant et arrière sont en acier moulé de précision. Le châssis et les plaques latérales du chariot sont assemblés par des boulons et des écrous de blocage haute résistance, assurant ainsi la sécurité et la fiabilité de l‘ensemble. Ce chariot porte-charges répond aux exigences de simplicité d‘installation, de flexibilité d‘utilisation, de structure rationnelle, de robustesse, de durabilité et de facilité d‘entretien. Il présente un jeu modéré, une faible résistance, une bonne étanchéité et un graisseur externe à pression.

4. Piste (Piste droite)
La voie est composée de trois sections en acier profilé, assemblées par soudage, la jonction entre les sections étant réalisée par boulonnage. La voie à chaîne utilise de l‘acier I10, et la voie à trolley utilise un profilé en U spécial de 4 pouces.

5. Voie courbe horizontale (virages à rouleaux)
La section de virage horizontal de la voie de traction, dans la courbe horizontale, est équipée de coudes à rouleaux pour assurer la trajectoire correcte de la chaîne et un engrènement optimal entre le poussoir et le chariot. Dans cette section, la chaîne entre en contact avec les rouleaux des coudes, qui présentent une dureté spécifique. Ces rouleaux sont installés dans une gorge spécialement conçue à cet effet. Ils sont équipés de roulements étanches avec graisseurs externes pour une lubrification régulière. L‘angle de la courbe horizontale est déterminé par le tracé général de la ligne. Le matériau utilisé pour la fabrication de la courbe horizontale est identique à celui de la voie droite.

6. Voie courbe verticale
La surface du rail vertical incurvé est lisse et sa courbure n‘affecte pas la tension de la chaîne. La courbure du rail est déterminée en fonction des exigences du procédé.

7. Aiguillages
Les commutateurs se divisent en commutateurs de déviation et commutateurs de convergence.

• Interrupteurs de dérivation : Utilisés pour diviser une ligne en deux. La sélection du sens de circulation lorsque le chariot de charge traverse l‘interrupteur de dérivation est automatiquement contrôlée par l‘automate programmable de la salle de commande électrique via une électrovanne, un vérin pneumatique et une languette de commutation dans l‘unité pneumatique de l‘interrupteur.
• Aiguillages convergents : Ce sont des aiguillages non commandés, utilisés pour fusionner deux lignes en une seule. Le chariot de charge traverse l‘aiguillage convergent grâce à sa propre force qui ouvre le levier.

8. Assemblage du porte-bagages
L‘ensemble porte-bagages se compose d‘un chariot avant, de deux chariots centraux, d‘un chariot arrière, de bielles de liaison avant et arrière et du porte-bagages (gabarit).

9. Bouchon
La butée est de type à galet actionné par un vérin pneumatique. Lorsqu‘elle est enclenchée, elle arrête le poussoir avant du chariot porteur après son désengagement de la tige de poussée de la chaîne de traction, assurant ainsi son positionnement. Ce système est équipé d‘un dispositif de détection de position de la butée.

10. Filets de protection et autres structures métalliques d‘installation
Faisant partie intégrante du système, des filets de protection sont installés aux endroits où passe la ligne de convoyage. La structure métallique de l‘installation adopte un système de suspension par treillis indépendants.

IV. Conception du système de commande électrique de la chaîne P&F

Le système de commande électrique utilise un automate programmable Siemens série S7 comme unité centrale de contrôle des équipements, configuré avec des modules de communication Ethernet et de bus de terrain. Une alarme sonore retentit avant le démarrage automatique de la ligne. Le circuit principal de tous les moteurs du système est protégé par des disjoncteurs basse tension. Le circuit de commande est assuré conjointement par l‘automate programmable et les variateurs de fréquence, permettant ainsi la variation de vitesse (haute/basse) et le fonctionnement en marche avant/arrière des moteurs. Parallèlement, le circuit de commande du variateur de fréquence fournit une sortie de détection de défaut pour la protection des moteurs contre les surcharges, les courts-circuits, les pertes de phase et autres imprévus.

L‘acquisition des signaux d‘entrée terrain et l‘échange d‘informations avec la ligne de réglage et l‘atelier de peinture s‘appuient sur la technologie de bus de terrain. Cette technologie offre une excellente ouverture et un protocole réseau complet et rigoureux. La station maître PLC et les stations d‘exploitation qui en dépendent forment un réseau Profibus-DP via le bus, garantissant une lecture et une écriture fiables des données entre le PLC et les sous-stations. Ceci assure la production automatisée et le contrôle automatique des paramètres de processus pour l‘ensemble de la ligne grâce à la programmation. L‘état de tous les équipements de terrain peut également être transmis d‘abord au PLC, puis à l‘ordinateur central pour une supervision centralisée via le réseau de bus de terrain. Le schéma de contrôle est simple, la structure est compacte et la maintenance est aisée. De plus, l‘armoire de commande est équipée d‘un écran tactile permettant d‘afficher l‘état de fonctionnement des équipements et de diagnostiquer rapidement les pannes.

Le système de commande électrique de la chaîne P&F se compose d‘un panneau de commande principal (MCP), de trois panneaux de commande à distance (RCP) et de neuf postes de commande (OS). Le MCP est le panneau de commande principal de la chaîne de soudage P&F ; les RCP sont les armoires de commande électrique de la chaîne P&F RCP01, RCP02 et RCP03 ; les OS sont les postes de commande BS01 à BS09. Parmi ceux-ci, les postes de commande BS01, BS03 et BS09 sont équipés d‘écrans tactiles.

Le système d‘entraînement par chaîne P&F se compose de 6 moteurs d‘entraînement : M1, M2, M3, M4, M5 et M6.

Procédure de démarrage de la chaîne P&F :

Fermez le disjoncteur principal du boîtier de commande principal (MCP) de la chaîne de soudage P&F pour alimenter les postes de commande RCP01, RCP02 et RCP03. → Fermez les disjoncteurs des postes de commande RCP01, RCP02 et RCP03 pour alimenter les automates programmables, les équipements électriques internes et les postes de commande BS01 à BS09. → Fermez les disjoncteurs des postes de commande pour alimenter les automates programmables et les équipements électriques internes. → Si tout fonctionne correctement, coupez l‘alimentation de commande à l‘aide d‘une clé ; le voyant d‘alimentation de commande s‘allume. → Accédez au poste distant RCP01 et sélectionnez le mode de fonctionnement : « Semi-automatique », « Maintenance » ou « Automatique ». → Fermez les disjoncteurs des moteurs à l‘intérieur de la station distante pour permettre le démarrage des moteurs d‘entraînement M1, M2, M3, M6, M4 et M5, entraînant la ligne de chaîne → Allez à la station distante RCP01, appuyez sur « Démarrage du système ».

Si le mode « Maintenance » est sélectionné, le voyant de démarrage du système s‘allume. Si le mode « Semi-automatique » ou « Automatique » est sélectionné, la chaîne se met en marche automatiquement et le voyant de démarrage du système s‘allume.

Procédure d‘arrêt de la ligne de chaîne P&F :

Accédez au panneau de commande à distance RCP01 et appuyez sur « Arrêt système ». La chaîne s‘arrête et le voyant d‘arrêt système s‘allume.

Les modes de fonctionnement de la ligne à chaînes sont « Semi-automatique », « Maintenance » et « Automatique ». En mode « Maintenance », les élévateurs LF1 et LF2 ainsi que les butées peuvent être actionnés manuellement pour le dépannage par le personnel de maintenance. En mode « Semi-automatique » ou « Automatique », les dispositifs de déclenchement et les butées ne fonctionnent que lorsque la ligne à chaînes est en marche. En cas d‘arrêt d‘urgence de la ligne à chaînes, les dispositifs de déclenchement et les butées conservent leur état jusqu‘au redémarrage de la ligne.
En cas de panne, appuyez immédiatement sur le bouton d‘arrêt d‘urgence du panneau de commande à distance, du poste de commande ou du boîtier de boutons. Une fois la réparation terminée, la chaîne de production ne pourra être redémarrée qu‘après avoir appuyé sur le bouton « Réinitialisation des défauts ».

Test de l‘indicateur de production :

Appuyez sur le bouton « Test du témoin » ; tous les voyants s’allument et un signal sonore retentit. Relâchez le bouton pour interrompre le test.

Actuellement, les convoyeurs aériens utilisés par les constructeurs automobiles ne servent plus seulement au transport de pièces et de carrosseries ; il s’agit de systèmes de commande mécaniques et électriques complets, hautement automatisés. Ils permettent la production en ligne de plusieurs types de carrosseries et assurent leur transport et leur stockage en fonction des besoins de production. La station de transfert requiert un positionnement précis et un transfert automatique. L’ensemble du système de convoyage P&F permet d’acheminer avec précision les caisses en place (BIW) terminées en atelier de soudage vers l’atelier de peinture, sans intervention manuelle.