Solutions de câblage plus intelligentes pour une robotique avancée et abordable

Des marchés en pleine croissance, plus de pression et plus d’opportunités.

Les robots industriels miniatures (notamment les unités SCARA de la taille d'un ordinateur de bureau et les robots collaboratifs capables de travailler en toute sécurité aux côtés des humains) permettent d'appliquer l'automatisation avancée à une large gamme d’applications, à un coût abordable pour les petites entreprises. Ces robots sont d’autant plus attrayants que des outils de programmation graphique simple d’utilisation offrent à leurs propriétaires contrôle et flexibilité sans nécessiter de lourds investissements pour acquérir des compétences spécifiques ou suivre des formations.

Le marché de la robotique industrielle afficheune croissance à deux chiffres et pourrait dépasser les 40 milliards de dollars d'ici 2025. En considérant en outre l’intérêt commercial croissant pour les drones, la puissance d’achat poussera les fournisseurs de robots à produire plus d'unités, à réduire les coûts de propriété et à introduire plus rapidement de nouvelles fonctionnalités et capacités.

Pour répondre à ces demandes, les fabricants de robots doivent augmenter leur propre productivité, ce qui nécessite d’augmenter leur efficacité, par exemple en réduisant le temps de construction et de test de chaque unité. D’autres mesures, comme modifier la conception de façon à réduire à un minimum le nombre de pièces individuelles et à simplifier l’assemblage, permettront d’accélérer le processus de fabrication et de faciliter la logistique de production, tout en offrant des avantages sur site, par exemple un temps de mise en service plus court, une maintenance plus facile et une plus grande fiabilité.

Pour cela, il convient d’adopter une approche systématique du câblage en réduisant à un minimum le temps d’installation de l’alimentation, du signal et des connexions d'E/S dans la machine. Dans le cas des drones, un système de connecteurs peut contribuer à réduire le poids du châssis grâce à des composants tels que des unités de distribution qui réduisent à un minimum le nombre et la longueur des câbles.

Les défis liés au câblage dans l'automatisation industrielle
Le câblage peut s’avérer problématique dans tout type d'automatisation (robotique ou autre). Une machine ou une ligne d'assemblage complexe peut contenir des centaines (voire plus) d'E/S, chacune devant être connectée de façon fiable et sûre à un panneau d'alimentation ou à une armoire de commande. Le câblage traditionnel est gourmand en main-d'œuvre, car il comporte des phases de dénudage, de soudage et éventuellement de sertissage d'un grand nombre de contacts point à point.

Une fois toutes les connexions câblées et testées, l’appareil est démonté pour être expédié, puis remonté à l’arrivée. La mise en service est généralement assurée par du personnel formé et qualifié qu’il faut envoyer chez le client, ce qui augmente encore les frais généraux du fournisseur. De plus, chaque connexion et déconnexion de câbles comporte le risque d'installer incorrectement ou d'endommager des connexions. Corriger les éventuelles erreurs rallonge la durée et le coût du processus de mise en service.

Pire encore : si les problèmes ne sont pas découverts avant la mise en service de la machine, les coûts de réparation peuvent être encore plus élevés. Ensuite, tout au long du cycle de vie de la machine, lors de l’entretien courant ou du dépannage d'urgence en usine avec plusieurs moteurs et propulseurs, il arrive qu’il faille déconnecter puis reconnecter des centaines de points de contact pour résoudre un problème.

L’utilisation d’un système de connecteurs modulaires peut permettre de rationaliser l'assemblage et la maintenance de la machine et présente plusieurs avantages, comme des temps d'assemblage et de mise en service plus courts et une meilleure accessibilité pour la maintenance et le dépannage. Grâce à des assemblages modulaires avec des configurations personnalisées, les techniciens peuvent rapidement déconnecter les machines pour les brancher directement sur un équipement de test portable.

Par ailleurs, la stabilité et les performances globales de la machine et de ses nombreuses connexions peuvent être améliorées. Une fiabilité accrue et des temps d'arrêt minimaux procurent aux clients un gain de productivité. De plus, un système de connecteurs modulaires apporte toute la flexibilité et l’évolutivité nécessaires pour modifier ou étendre rapidement les machines et les gammes de produits.

Les systèmes de connecteurs offrent donc une connectivité pratique, efficace et dans certains cas même plus légère. Ils doivent cependant aussi satisfaire à des exigences particulières imposées notamment par les industries de l'alimentation et des boissons, comme la résistance à certains produits nettoyants chimiques et à des protocoles de lavage stricts. Citons parmi d'autres fonctionnalités intéressantes la compatibilité avec PROFINET Fast Startup (FSU) et Ethernet/IO QuickConnect dans les réseaux Ethernet industriels.

Efficacité du système d'interconnexion
systèmes d’interconnexion Bradde Molex Leur conception modulaire garantit flexibilité et facilité d'utilisation et permet un assemblage et un démontage sûrs, sans outils spéciaux. Les connecteurs répondent aux normes industrielles applicables (NFPA 79, IEC…) et se montrent résistants dans des conditions environnementales difficiles tant à l’intérieur des usines qu’en extérieur.

Le Brad série M23 fournit une connectivité rapide et modulaire pour le contrôle du moteur et la distribution électrique dans les systèmes robotiques synchronisés. Le système contient des connecteurs et des réceptacles qui peuvent être attachés sur site pour les applications de signal et d'alimentation dans des configurations de 6 à 19pôles avec montage à l’avant ou à l’arrière. Le système de connecteur d'alimentation Brad fournit un système de «câblage souple» conçu pour répondre aux besoins des applications robotiques. Il comprend en outre des connecteurs d'alimentation M23 modulaires capables de gérer jusqu'à 28A.

La gamme Brad comprend également des connecteurs au format de filetage courant M12 dotés de réceptacles robustes permettant une connexion étanche avec un blindage EMI/RFI de haute qualité et offrant une résistance aux vibrations exceptionnelle, ainsi que des connecteurs Brad Hybrid qui combinent les connexions d'alimentation et de données pour économiser de l'espace et réduire le temps d'installation.

D'autre part, alors que les raccords filetés fournissent une interconnexion sûre et fiable, leurs connexion et déconnexion lors de la production ou de la maintenance peuvent s’avérer chronophages et même difficilement réalisables si le connecteur n’est pas facilement accessible. Le système Brad Ultra-Lock compatible M12 (figure 1) facilite la tâche grâce au connecteur push-pull qui assure une connexion simple, sûre et fiable des capteurs, actionneurs et autres dispositifs de commande.



885031K03M020 cordon Micro-Change M12 (Source: Molex)

Une fois installés, les systèmes d’automatisation industrielle, y compris les systèmes robotiques, peuvent faire l’objet de lavages poussés, parfois avec des agents de nettoyage agressifs ou corrosifs. C’est le cas par exemple dans l'industrie alimentaire et des boissons, tandis que les robots mobiles tels que les drones et les véhicules autonomes sont généralement nettoyés à l’aide d’un nettoyeur haute pression avant d'être rapidement remis en service. Un joint radial intégré aux composants Brad Ultra-Lock assure un indice de protection très élevée pour les connecteurs, les cordons et les boîtes de distribution (figure2).

Il s’agit en l’occurrence de l’indice IP69K, qui garantit la protection contre la pénétration d’eau projetée à haute pression (jusqu'à 100bars à 80°C ± 5°C). En outre, conformément aux exigences de l'industrie alimentaire et des boissons, ces connecteurs ne possèdent pas de rainure de filetage comme on en trouve sur les connecteurs câblés M12 conventionnels et comportent des raccords en acier inoxydable à surface lisse résistants à la plupart des produits nettoyants chimiques.



Les jeux de cordons Brad M12 et le robuste boîtier de sécurité MPIS simplifient le câblage dans les environnements industriels difficiles (Source: Molex)

Lorsque l'espace disponible est restreint ou le poids total doit être réduit à un minimum, comme c’est le cas pour de petites machines ou des drones, une solution de distribution compatible M12 permet de réduire les longueurs de câblages simples et la taille des câbles home run et de gagner du temps lors de l’installation. Lesystème d'interconnexion multi-ports (MPIS) Brad concentre les signaux du capteur/actionneur dans un câble de distribution unique pour un meilleur câblage de l'infrastructure mécanique sur la machine. Plusieurs options flexibles sont possibles pour la terminaison du câble, notamment un connecteur M16/M23, une borne à vis raccordable sur site ou un montage direct. En outre, une capacité de diagnostic intégrée et des capteurs à LED permettent de détecter rapidement les états de la machine et les pannes sur les périphériques.

Compatibilité avec les changeurs automatiques d'outils
Pour des machines plus grandes ou un nombre d'E/S plus élevé, les modules actifs interconnectés Brad HarshIO peuvent aider à concentrer les câbles et sont compatibles avec le système Ultra-Lock M12. Cette gamme comprend des modules compacts d'une largeur de 30 mm seulement.

En plus des principales connexions et des principaux protocoles PLC des réseaux de communication industrielle (PROFIBUS-DP, DeviceNet, CANopen, Modbus TCP, EtherNet/IP, PROFINET IO…), ces modules montables sur machine prennent également en charge les systèmes PROFINET FSU et Ethernet/IP QuickConnect. Grâce à cette connectivité, ces modules sont parfaitement adaptés à une utilisation dans des robots avec changeur automatique d’outils tels qu’on en trouve dans des applications d'assemblage à grande vitesse.

FSU et QuickConnect répondent aux besoins particuliers de l'industrie automobile, laquelle exige, à chaque changement d’outil, que la communication de données soit établie plus rapidement que ne le permettent les protocoles Ethernet industriels conventionnels. Ces deux systèmes comportent une connexion câblée dédiée supplémentaire pour envoyer un signal au contrôleur principal dès qu’un nouvel outil est connecté. En intégrant des fonctionnalités nécessaires à la prise en charge de QuickConnect ou FSU, le modules HarshIO Brad simplifient l'utilisation de l'Ethernet industriel avec des robots de changement automatique d'outils.

Les constructeurs de machines à la recherche d'une connectivité bus de terrain rentable, haute densité, hautes performances et qui s’intègre parfaitement dans des environnements difficiles peuvent satisfaire aux exigences du système en utilisant les modules maîtres Brad IO-Link sur EtherNet/IP et PROFINET associés à des concentrateurs numériques IO-Link. Les modules prennent en charge la norme de communication IO-Link pour étendre la liaison numérique jusqu'au niveau du capteur et de l'actionneur. Combiner ces modules avec des concentrateurs d'E/S numériques Brad IO-Link et des adaptateurs analogiques permet d’en améliorer les capacités. Parce qu’elle concentre les informations sur la machine dans un nœud fonctionnel de réseau, la solution Brad IO-Link est parfaite pour les outils de lignes de transport, les outils robotiques, les outils de stations de remplissage, les outils d’étiquetage, les outils de palettisation et les outils d'extrémité de bras.

Conclusion
Les opportunités de marché et la pression commerciale sont les deux faces d'une même médaille. Pour tirer parti des opportunités qu’offre un marché actuellement en plein essor pour l'automatisation robotique avancée, les fournisseurs doivent répondre aux pressions commerciales qui exigent des coûts unitaires plus faibles et des frais généraux de maintenance réduits, associés à des garanties de fiabilité et de performances élevées.

Les solutions d'alimentation et de connectivité modulaires conçues pour accélérer la mise en service de machines complexes et de systèmes robotiques ont un rôle clé à jouer dans la réalisation de ces objectifs. En plus de réduire le travail sur la ligne de production, il est également possible de réduire le temps de mise en service électrique des machines industrielles et des systèmes d'automatisation de près de 80 % et le coût total d'installation peut être pratiquement divisé par deux. Dans le même temps, réduire la taille et le poids peut offrir des avantages importants aux robots mobiles tels que les drones et les véhicules autonomes. Enfin, les futures générations de robots compacts et agiles pourraient offrir les avantages de l'automatisation avancée à une clientèle encore plus étendue, notamment des entreprises exerçant leur activité dans des locaux de petite taille où l’espace est restreint.

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