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La qualité d'impression va de pair avec la précision des machines

- Stefan Hensel

Pour répondre aux attentes du marché en terme d'accroissement de productivité, les presses d'impression doivent atteindre des cadences de plus en plus élevées. Néanmoins, lorsque les cadences augmentent, les vibrations augmentent également, et ce dans des proportions bien supérieures. Pour compenser ces perturbations, et permettre aux presses les plus rapides d'imprimer avec une qualité optimale, B&R a développé des fonctions de régulation avancées.

Pour obtenir un haut niveau de qualité avec une presse flexographique, il faut assurer une parfaite synchronisation entre le papier sur le cylindre de contre-pression et le cliché sur le cylindre d'impression. Le positionnement des cylindres au niveau de la fente d'impression doit être extrêmement précis. "Pour les presses conventionnelles, relativement rigides, les informations délivrées par le codeur du moteur sont suffisantes," explique Engelbert Grünbacher, chef de l'équipe en charge du développement des firmwares pour les systèmes d'entraînement.

De plus en plus de presses d'impression récentes ont un design optimisé utilisant des matériaux légers, et donc une plus grande élasticité. Pendant le fonctionnement, cette élasticité ne permet pas d'assurer un synchronisme parfait entre la position du moteur et la position à atteindre dans la fente. De plus, perturbations et vibrations ont alors un plus gros impact sur la qualité d'impression.

Pour minimiser ces effets indésirables, les servovariateurs de B&R appliquent un nouveau mode de régulation : High Precision Motion Control. "Cette solution utilise trois technologies clés : les capteurs virtuels, la régulation à base de modèles, et la suppression prédictive des perturbations," explique E. Grünbacher. Ces différentes techniques peuvent être mises en œuvre et configurées indépendamment l'une de l'autre. L'ACOPOS P3, le nouveau servovariateur de B&R, se prête parfaitement à l'utilisation des fonctions High Precision Motion Control. Son temps d'échantillonnage de seulement 50 µs assure en effet une exécution ultra-précise de ces fonctions de régulation avancées.

Pour les procédés où il faut conjuguer dynamisme et précision, les mouvements doivent être contrôlés avec rapidité et exactitude. Avec son temps d'échantillonnage de seulement 50 µs, le servovariateur ACOPOS P3 de B&R est parfaitement adapté pour réaliser les fonctions de contrôle avancées "High Precision Motion Control".

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Pour obtenir un haut niveau de qualité avec une presse flexographique, il faut assurer une parfaite synchronisation entre le papier sur le cylindre de contre-pression et le cliché sur le cylindre d'impression.

Suppression active des perturbations

Le cliché ne recouvre pas totalement le cylindre d'impression. Les discontinuités ainsi introduites sur le cylindre génèrent un couple perturbateur à intervalles fixes, et donc une erreur de suivi. De plus, le relief du cliché lui-même génère également un couple perturbateur. "Un réglage fin du régulateur du servovariateur permet de minimiser cette erreur de suivi, sans toutefois supprimer les perturbations," indique E. Grünbacher.

La fonction Repetitive Control implémentée dans tous les servovariateurs ACOPOS P3 et ACOPOSmulti de B&R compense de manière prédictive les perturbations périodiques ou à intervalles fixes. Le couple perturbateur est enregistré, analysé, et compensé par l'intermédiaire du couple moteur.

La compensation s'effectue automatiquement. L'erreur de suivi est ainsi minimisée sans réglage fastidieux et sans modèles mathématiques. La vitesse est ainsi plus stable et la qualité d'impression améliorée.

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"High Precision Motion Control permet d'obtenir une qualité d'impression parfaite avec les presses hautes cadences d'aujourd'hui." Engelbert Grünbacher, Team Leader - Motion Control Firmware Development, B&R

Mesure virtuelle de la position cible

Pour supprimer les perturbations périodiques, il faut d'abord pouvoir déterminer la position cible avec une haute résolution. Sur les systèmes mécaniques élastiques, il fallait jusqu'à présent utiliser un capteur supplémentaire pour y parvenir. La mesure virtuelle ouvre ici de nouvelles possibilités.

La mesure virtuelle est une technique qui consiste à déterminer des valeurs difficilement mesurables en les calculant, sur la base d'un modèle, à partir de grandeurs facilement mesurables. "Pour simplifier, le comportement d'un cylindre d'impression accouplé directement au moteur peut être assimilé à celui d'un système bi-masse," explique E. Grünbacher. "Pour les calculs, on admet que l'arbre est souple et sans masse. Le couple généré sur l'arbre est proportionnel à l'angle de rotation."

La vitesse et la position du moteur sont faciles à mesurer, et le couple moteur est connu. Utiliser un capteur virtuel pour déterminer la position de la charge consiste ici à utilisant les valeurs précitées pour calculer la vitesse et la position de la charge, difficiles à mesurer.

Régulation ultra-dynamique de l'entraînement

Avec un capteur virtuel, il est possible de déterminer la position cible sans la mesurer réellement. Les effets des perturbations périodiques ou fixes peuvent dès lors être anticipées et compensées. Cela n'est toutefois applicable que pour les processus quasi-stationnaires. Dans l'industrie de l'impression, les systèmes d'entraînement doivent être hautement dynamiques. "C'est là que la régulation d'entraînement basée sur des modèles entre en jeu," précise Grünbacher.

Une solution de régulation dynamique pour systèmes élastiques se compose de deux éléments basés sur des modèles et appelés "feed-forward" et "feedback". Selon l'application, ces éléments peuvent être utilisés individuellement ou combinés. Les éléments de régulation basés sur des modèles sont incorporés dans les boucles de régulation standard en cascade.

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Les éléments feed-forward et feedback basés sur des modèles sont incorporés dans les boucles de régulation standard en cascade.

Basé sur un modèle, le régulateur "feedback" contient un capteur virtuel ainsi qu'un régulateur d'état. Le régulateur d'état prend en compte toute la chaîne d'entraînement – position du moteur, vitesse du moteur, position de la charge, vitesse de la charge. Les oscillations de torsion peuvent être ainsi détectées et supprimées activement. La tendance aux vibrations d'un système élastique peut être ainsi nettement réduite. "Les effets indésirables des perturbations sur la qualité d'impression sont ainsi minimisés," affirme E. Grünbacher.

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La tendance aux vibrations des systèmes élastiques est nettement réduite avec les techniques de régulation basées sur des modèles.

Prévention des vibrations

Les vibrations ne résultent pas seulement des perturbations dans leur ensemble, mais aussi du changement rapide des positions de consigne. Là aussi, la régulation basée sur des modèles apporte des améliorations significatives. Sur la base d'un modèle mathématique, le couple du moteur est régulé de telle sorte que la position cible suit la position de consigne sans oscillation. Le comportement souhaité est alors atteint avec un excellent dynamisme. Le large panel de fonctions High Precision Motion Control disponibles sur les servovariateurs ACOPOSmulti offre tous les outils requis pour maximiser les performances, même avec des systèmes mécaniques élastiques. Pour une presse d'impression, cela se traduit par des machines d'impression plus rapides et plus précises.

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