Dépannage du servo : erreur de suivi et perte de position

1. Description du problème et champ d'application

Ce manuel de diagnostic est conçu pour identifier et dépanner systématiquement les erreurs suivantes et les pertes de position dans les systèmes de servomoteurs. Les pannes du système d'asservissement peuvent entraîner d'importantes interruptions de production, une dégradation de la qualité des produits et des dommages à l'équipement si elles ne sont pas diagnostiquées et corrigées en temps opportun.

1.1. Symptômes de dysfonctionnement potentiels

• Erreur de suivi : Le servo ne peut pas atteindre ou maintenir avec précision une position ou une vitesse donnée. Cela peut se manifester par un écart constant ou périodique entre la position définie et la position réelle.
• Perte de position : Le système d'asservissement perd complètement son orientation vers sa position zéro ou ne peut pas y revenir une fois l'alimentation coupée.
• Mauvaise précision de positionnement : Incapacité de repositionner le mécanisme avec la précision requise, ce qui entraîne des dimensions manquantes ou incohérentes.
• Oscillations et vibrations : oscillations indésirables de l'axe d'entraînement, qui peuvent être dues à une instabilité du système.
• Surchauffe du moteur ou du variateur : Génération de chaleur excessive, souvent accompagnée d'une consommation de courant accrue.
• Bruits anormaux : Grincements, cognements ou autres bruits anormaux provenant du servomoteur, de la boîte de vitesses ou de la connexion mécanique.
• Défauts sur l'écran du servo : Affiche les codes d'erreur spécifiques liés à l'encodeur, à la limite de suivi ou à la surcharge.

1.2. Types d'équipements pouvant être impliqués

Les servomoteurs font partie intégrante des équipements industriels de haute précision. Ce manuel s'applique aux types de machines suivants :

• Machines CNC : fraiseuses, tournages, rectifieuses.
• Robots industriels : manipulateurs, robots de soudage, robots d'assemblage.
• Machines de conditionnement : unités de formage, de remplissage, de scellage.
• Machines d'impression et textiles.
• Lignes de montage automatiques.
• Systèmes de transport et de positionnement.

1.3. Classification de la gravité des dysfonctionnements

Une évaluation correcte de la gravité du dysfonctionnement permet de prioriser les travaux de diagnostic et de réparation.

• Critique : Arrêt complet du processus de production, menace immédiate pour la sécurité du personnel ou risque de dommages importants à des équipements coûteux. Nécessite une intervention immédiate.
• Significatif : Diminution de la productivité ou de la qualité des produits, arrêts fréquents et imprévus, usure accrue des composants. Nécessite une intervention dans les plus brefs délais.
• Mineur : Problèmes périodiques et irréguliers qui n'affectent pas directement la production ou la sécurité, mais peuvent progresser. Nécessite un diagnostic et une planification de réparation.

2. Mesures de sécurité

AVERTISSEMENT ! Toutes les procédures de sécurité standard doivent être strictement suivies avant de commencer tout travail de diagnostic ou de réparation sur les systèmes d'asservissement. Le non-respect de ces précautions pourrait entraîner des blessures graves, voire la mort, ou endommager l'équipement.

• VERROUILLAGE/ÉTIQUETAGE (LOTO) : Effectuez toujours la procédure LOTO (verrouillage/étiquetage) conformément à DSTU EN 1037:2003 et aux instructions du fabricant de l'équipement. Assurez-vous que toutes les sources d'alimentation (électriques, hydrauliques, pneumatiques) sont déconnectées et verrouillées avant d'accéder aux composants électriques ou mécaniques.
• Énergie résiduelle : Les condensateurs des servomoteurs peuvent stocker une charge haute tension dangereuse même après la mise hors tension. Attendez qu'il se décharge complètement, ce qui peut prendre jusqu'à 10 minutes. Utilisez un voltmètre approprié (classe de sécurité III ou IV selon DSTU EN 61010-1:2014) pour vérifier l'absence de tension. Les systèmes mécaniques peuvent également stocker de l'énergie (ressorts, charges levées). Assurer leur fixation.
• Équipement de protection individuelle (EPI) : Utilisez un EPI approprié : lunettes de sécurité, gants diélectriques, vêtements de protection, chaussures de protection.
• Surfaces chaudes : Les servomoteurs et les variateurs peuvent atteindre des températures dangereuses pendant leur fonctionnement. Laissez-les refroidir avant de les toucher.
• Pièces rotatives : N'essayez jamais de diagnostiquer ou de régler un système d'asservissement pendant qu'il fonctionne sans capots de protection appropriés. Il existe un risque que des vêtements ou des parties du corps soient tirés.
• Sécurité électrique : Ne travaillez avec des composants électriques que si vous êtes qualifié et autorisé (par exemple, approbation de sécurité électrique groupe III ou IV). Assurez-vous que l'équipement est correctement mis à la terre conformément à DSTU EN 60204-1:2019.

3. Outils de diagnostic nécessaires

Pour un diagnostic efficace des systèmes d'asservissement, des outils spécialisés sont nécessaires :

4. Liste de contrôle pour l'évaluation initiale

Avant de procéder à un diagnostic systématique, il est nécessaire de procéder à un premier examen et de recueillir le plus d'informations possible sur le dysfonctionnement. Cela aidera à affiner les causes potentielles.

5. Algorithme de diagnostic systématique

Vous trouverez ci-dessous un algorithme séquentiel pour diagnostiquer les erreurs de suivi et la perte de position dans les systèmes d'asservissement. Allez-y étape par étape, en isolant les causes potentielles.

1. Score initial et codes d'erreur

   1. Effectuer une évaluation initiale : Complétez tous les éléments de la Liste de contrôle pour l'évaluation initiale (Chapitre 4).
   2. Vérifiez les codes d'erreur du servo :
      • S'il existe des codes d'erreur spécifiques (par exemple "Défaut d'encodeur", "Surintensité", "Following Error Limit") :
        1. Référez-vous au manuel du fabricant du variateur pour interpréter le code.
        2. Accédez directement à "7. Analyse des causes profondes" pour le défaut correspondant.
      • Si les codes d'erreur sont manquants ou généraux ("Erreur suivante") : Poursuivez les diagnostics.

2. Diagnostic du retour d'encodeur

   Un retour fiable de l'encodeur est essentiel pour un contrôle d'asservissement précis.

   1. Contrôle visuel du codeur et du câble :
      • Vérifier la fiabilité de la fixation du codeur sur l'arbre moteur.
      • Inspectez le câble de l'encodeur pour détecter tout dommage, pliure, effilochage et connexion correcte des connecteurs.
      • Assurez-vous que le câble de l'encodeur est acheminé séparément des câbles d'alimentation afin de minimiser les interférences électromagnétiques.
   2. Vérification de la puissance de l'encodeur :
      • ATTENTION ! Avant de mesurer la tension, assurez-vous que vous êtes qualifié et utilisez des méthodes sûres.
      • Mesurez la tension d'alimentation au niveau du codeur avec un multimètre.
      • Résultat attendu : Tension nominale (par exemple 5 V CC ou 24 V CC) selon les spécifications du codeur.
      • Si la tension est absente ou incorrecte :
        1. Vérifiez l'intégrité du câble d'alimentation de l'encodeur et les sorties de puissance correspondantes sur le servo.
        2. Dysfonctionnement possible du servomoteur ou de l'alimentation électrique.
   3. Analyse des signaux du codeur à l'aide d'un oscilloscope :
      • Connectez un oscilloscope aux sorties de signaux A, B et Z du codeur.
      • Tournez doucement l'arbre du moteur à la main ou faites tourner le moteur à très basse vitesse (si cela est sûr et autorisé).
      • Résultat attendu :
        • Codeurs incrémentaux (TTL/HTL) : Impulsions rectangulaires claires décalées de 90° entre les canaux A et B. L'impulsion Z (repère de référence) doit être d'une par tour.
        • Encodeurs sinusoïdaux (Sin/Cos) : Signaux sinus et cosinus clairs décalés de 90 °, sans distorsion ni bruit.
      • Si les signaux sont manquants, déformés, bruyants ou non comme prévu :
        1. Dysfonctionnement probable de l'encodeur ou du câble de l'encodeur.
        2. Test de diagnostic : utilisez le kit de test de l'encodeur (si disponible) pour tester l'encodeur de manière isolée.

3. Diagnostic des connexions mécaniques et des charges

   Les problèmes mécaniques sont une cause fréquente d’erreurs de suivi.

   1. Inspection des accouplements :
      • ATTENTION ! Assurez-vous d'un verrouillage et d'une étiquetage complets avant de travailler sur des pièces mécaniques.
      • Vérifiez l'accouplement reliant le servomoteur à la charge (réducteur, vis mère) pour détecter tout jeu, fissure, usure et déformation.
      • Assurez-vous que toutes les vis de fixation de l'accouplement sont serrées au couple recommandé (utilisez une clé dynamométrique).
      • Résultat attendu : Aucun signe de jeu ou d'usure, connexion sécurisée.
      • En cas de jeu ou d'usure : Remplacez ou réparez l'accouplement.
   2. Contrôle du système de charge mécanique :
      • Déconnectez le moteur de la charge (si possible sans dommage).
      • Essayez de déplacer manuellement la charge. Il doit se déplacer en douceur, sans coincement, sans frottement excessif ni jeu.
      • Vérifiez les paliers de charge, les guides, les vis à billes, etc.
      • Mesurez la force requise pour déplacer la charge (si les outils appropriés sont disponibles).
      • Résultat attendu : Faible résistance au mouvement, pas de jeu (>0,05 mm - alarme pour les systèmes de précision).
      • Si un frottement ou un jeu excessif est constaté : Identifiez et éliminez la source de résistance mécanique (lubrifiant, roulements, alignement).
   3. Diagnostic de désalignement :
      • Utilisez le appareil de mesure d'alignement laser pour vérifier l'alignement de l'arbre du moteur et de l'arbre de charge.
      • Résultat attendu : Décalage ne dépassant pas 0,02 mm (pour parallèle) et 0,05 mm/100 mm (pour angulaire).
      • Si un désalignement est détecté : Effectuez un alignement précis de l'axe.

4. Analyse des paramètres de réglage du servo (réglage)

   Des paramètres incorrects du contrôleur PID (P, I, D) peuvent provoquer une instabilité et des erreurs de suivi.

   1. Accès aux paramètres via logiciel :
      • Connectez un PC au servo à l'aide du logiciel dédié.
      • Affichez les valeurs actuelles des coefficients PID, des coefficients de filtre, du gain de vitesse et du courant.
   2. Exécuter le réglage automatique (si disponible) :
      • De nombreux servos modernes ont une fonction de réglage automatique. Exécutez-le en suivant les instructions du fabricant.
      • ATTENTION ! Lors du réglage automatique, l'arbre du moteur peut effectuer des mouvements brusques. Assurez-vous qu'il n'y a pas d'obstacles et que la sécurité du personnel est assurée.
      • Résultat attendu : Le système se stabilise, l'erreur de suivi diminue.
   3. Réglage manuel (si le réglage automatique n'a pas aidé ou n'est pas disponible) :
      • Ajustez séquentiellement les coefficients P, I, D, en observant la réponse du système aux mouvements de test (fonction étape).
      • Observations critiques :
        • P trop élevé : fluctuation, dépassement, instabilité.
        • P trop faible : réponse lente, erreur de suivi importante.
        • I trop haut : dépassement, stabilisation lente.
        • I trop faible : grosse erreur statique.
        • D trop élevé : sensibilité au bruit, aux vibrations.

5. Analyse de surcharge du moteur/du variateur

   Le dépassement de la charge admissible entraîne des erreurs de suivi et une surchauffe.

   1. Surveillance du courant du moteur :
      • Utilisez le logiciel d'asservissement pour surveiller le courant efficace (RMS) du moteur pendant le fonctionnement.
      • Résultat attendu : Les valeurs de courant de crête ne doivent pas dépasser le courant nominal du moteur de plus de 150 % (à court terme) et le courant efficace moyen ne doit pas dépasser 80 % du courant nominal.
      • Si le courant dépasse la norme : Surcharge probable.
   2. Mesure de la température :
      • Utilisez une caméra thermique pour mesurer la température du boîtier du moteur et du dissipateur thermique du servo pendant le fonctionnement.
      • Résultat attendu : La température du corps du moteur ne doit pas dépasser 80°C, celle du radiateur du variateur – 60°C.
      • Si la température est excessive : Cela peut indiquer une surcharge, un problème de refroidissement ou une panne du moteur/variateur.
   3. Analyse de la charge mécanique :
      • Revoir la conception de la machine. De nouveaux composants ont-ils été ajoutés pour augmenter la masse ou la friction ?
      • Vérifier les conditions de frottement dans les guides, roulements.
      • Évaluer l'adéquation de la taille du moteur à la charge actuelle.

6. Matrice « Échec-Cause »

Cette matrice fournit un aperçu rapide des symptômes typiques, des causes probables et des tests de diagnostic pour confirmation.

7. Analyse des causes profondes de chaque dysfonctionnement

Une compréhension approfondie des causes profondes permet non seulement d’éliminer le dysfonctionnement actuel, mais également d’éviter qu’il ne se reproduise.

7.1. Dysfonctionnements de l'encodeur et du câble

Explication : L'encodeur fournit des informations sur la position actuelle et/ou la vitesse du moteur. Toute distorsion, perte ou inexactitude de son signal affecte directement la capacité du servo à contrôler avec précision un axe.

• Causes courantes : Usure mécanique des roulements du codeur, contamination des éléments optiques (pour les codeurs optiques), endommagement du disque magnétique (pour les magnétiques), interférences électriques, endommagement du câble (rupture, court-circuit, perte de blindage), défaillance de l'électronique du codeur.
• Comment confirmer : Analyse des signaux avec un oscilloscope (absence d'impulsions, formes d'onde déformées, bruits), vérification de la résistance et de la sonnerie du câble avec un multimètre, à l'aide d'un testeur d'encodeur spécialisé.
• Dommages possibles : Si rien n'est fait, cela peut entraîner un mouvement incontrôlé des axes, des collisions, des dommages à l'outil et à la pièce, aux pièces mécaniques de la machine. La perte de position est critique pour les systèmes multicoordonnées.

7.2. Problèmes de connexions mécaniques et de transmission

Explication : Même un servo fonctionnant parfaitement ne peut pas compenser les défauts mécaniques du système de transmission de mouvement.

• Causes courantes : Jeu dans l'accouplement qui relie le moteur à la charge (par exemple, cannelures usées, vis desserrées), engrenages usés dans la boîte de vitesses, jeu ou grippage dans les roulements à glissière/à rouleaux, désalignement des arbres, friction accrue dans les guides.
• Comment confirmer : Inspection visuelle, contrôle manuel du jeu, utilisation d'une clé dynamométrique pour vérifier le serrage, alignement laser des arbres, analyse vibratoire, mesure de la force de frottement.
• Dommages possibles : Usure accrue des accouplements, des roulements, des réducteurs, du servomoteur, augmentation de la consommation d'énergie, vibrations, bruit, précision de positionnement réduite, défaillance de composants.

7.3. Mauvais réglage (tuning) du servomoteur

Explication : Les paramètres du contrôleur PID du servo variateur doivent être sélectionnés de manière optimale pour les caractéristiques dynamiques du moteur et l'inertie de la charge. Un réglage incorrect peut entraîner une instabilité, une réponse lente ou un dépassement.

• Causes courantes : facteurs de gain (P), d'intégration (I) et de différenciation (D) incorrects, filtres mal configurés, inertie de charge mal réglée, utilisation de paramètres standard pour une mécanique non standard.
• Comment confirmer : Analyse des oscillogrammes de suivi et de vitesse à l'aide du logiciel d'asservissement (oscillations observées, réponse lente à la commande, erreur de suivi importante), exécution de la fonction d'auto-réglage et analyse plus approfondie des résultats.
• Dommages possibles : Surchauffe du moteur due à des oscillations constantes, usure accrue des composants mécaniques, vibrations, bruit acoustique, faible précision d'usinage, fonctionnement instable.

7.4. Surcharge du système

Explication : Si le système mécanique nécessite plus de couple ou de puissance que ce que le servo/variateur peut fournir, une erreur de suivi se produira car le variateur ne sera pas en mesure de maintenir le profil de mouvement spécifié.

• Causes courantes : Poids de charge excessif, friction accrue dans les pièces mécaniques (par exemple, manque de lubrification, guides endommagés), changement de profil de mouvement nécessitant plus d'accélération/décélération, servomoteur inapproprié pour la tâche en cours.
• Comment confirmer : Surveillance du courant du moteur (valeurs efficaces et crêtes) via le logiciel d'entraînement, mesure des températures du moteur et du variateur avec une caméra thermique, mesure manuelle de la force requise pour déplacer la charge.
• Dommages possibles : Surchauffe et défaillance des enroulements du moteur, surcharge des modules de puissance du servomoteur, endommagement de la boîte de vitesses ou des accouplements, réduction de la ressource de l'ensemble du système.

8. Procédures de dépannage étape par étape

Effectuez ces procédures uniquement après avoir identifié la cause première et en respectant toutes les précautions de sécurité (Chapitre 2).

8.1. Restauration des fonctionnalités de l'encodeur

Si l'encodeur ou son câble est défectueux :

1. Sécurité : Appliquez LOTO. Assurez-vous qu'il n'y a pas d'énergie résiduelle.
2. Déconnecter : Débranchez l'ancien encodeur du servomoteur et du câble. Faites attention au marquage des fils.
3. Inspection visuelle du câble : Inspectez soigneusement le câble de l'encodeur. Si des dommages sont constatés, remplacez complètement le câble ou réparez-le (uniquement si la réparation garantit la fiabilité et le blindage). Assurez-vous que le nouveau câble dispose d'un blindage et de connecteurs adéquats.
4. Installation du nouvel encodeur :
   • Installez le nouvel encodeur en vous assurant qu'il est fixé de manière sûre et précise sur l'arbre du moteur (s'il s'agit d'un encodeur rotatif). Pour les encodeurs montés sur boîtier, assurez-vous d’un dégagement et d’un alignement appropriés.
   • Utilisez une clé dynamométrique pour serrer les vis de montage au couple recommandé par le fabricant (généralement 1 à 5 Nm).
5. Câblage : Connectez le câble à l'encodeur et au servo en suivant strictement le schéma de câblage du fabricant. Vérifiez les connexions correctes.
6. Vérification et configuration :
   • Après la connexion, désactivez LOTO.
   • Exécutez le servo en mode test.
   • Utilisez le logiciel du variateur pour vérifier les signaux du codeur et corriger la lecture de la position.
   • Pour les codeurs incrémentaux, il peut être nécessaire d'effectuer une procédure de homing (recherche d'un point de référence).

8.2. Dépannage des problèmes de connexion mécanique

Si un jeu, une usure de l'embrayage ou un désalignement est détecté :

1. Sécurité : Appliquez LOTO. Assurez-vous qu'il n'y a pas d'énergie résiduelle.
2. Démontage de l'accouplement : Retirez l'accouplement endommagé.
3. Inspection des arbres : Nettoyez le moteur et les arbres de charge de la saleté et de la rouille. Vérifiez-les pour déceler tout dommage (rayures, bosses).
4. Vérification des roulements : Vérifiez le moteur et les roulements de charge. Si du jeu, du bruit ou des dommages sont constatés, remplacez-les.
5. Installation du nouvel accouplement :
   • Installez le nouvel accouplement conformément aux spécifications (type, couple, diamètres de l'arbre). La préférence doit être donnée aux accouplements flexibles pour les systèmes d'asservissement, qui compensent les petits désalignements et amortissent les vibrations.
   • Important : Alignez avec précision les arbres avec un appareil d'alignement laser. Désalignement admissible : parallèle < 0,02 mm, angulaire < 0,05 mm/100 mm.
   • Serrez les vis de fixation de l'accouplement avec une clé dynamométrique au couple spécifié par le fabricant (généralement 20-100 Nm selon la taille).
6. Contrôle : Testez le fonctionnement à basse vitesse, vérifiez visuellement et audiblement les vibrations et les bruits inhabituels.

8.3. Optimisation des paramètres du servomoteur

Si le problème vient d'un réglage incorrect :

1. Sécurité : Assurez-vous qu'il n'y a aucun obstacle au mouvement de l'axe. Soyez prêt à faire face à des mouvements brusques pendant le réglage.
2. Accès au logiciel : Connectez le PC au servo variateur et ouvrez le logiciel.
3. Enregistrer les paramètres actuels : enregistrez les paramètres actuels du lecteur en tant que sauvegarde avant d'apporter des modifications.
4. Exécuter le réglage automatique :
   • Démarrez la fonction de réglage automatique du servo. Suivez les instructions du logiciel.
   • Une fois terminé, analysez les paramètres obtenus et testez les résultats du mouvement.
5. Réglage manuel (si nécessaire) :
   • Si le réglage automatique n'a pas donné de résultats satisfaisants, ajustez soigneusement les coefficients du contrôleur PID.
   • Commencez par augmenter le facteur P jusqu'à ce qu'il y ait de petites fluctuations, puis diminuez-le un peu.
   • Ajoutez un facteur I pour éliminer les erreurs statiques.
   • Ajoutez un facteur D pour amortir les vibrations et accélérer la réponse, mais évitez une valeur excessive qui provoque du bruit.
   • Effectuez des mouvements de test (commandes pas à pas) et observez les formes d’onde d’erreur de suivi et de vitesse. Réponse optimale – atteindre rapidement la position réglée sans surajustement ni oscillations.
6. Vérification : Effectuer un cycle complet de l'équipement avec les nouveaux paramètres, en vérifiant l'absence d'erreurs de suivi et le fonctionnement stable.

8.4. Élimination de la surcharge

Si une surcharge est détectée :

1. Sécurité : Appliquez LOTO pour les travaux mécaniques.
2. Détermination de la source de surcharge :
   • Frottement mécanique : Vérifier et lubrifier les guides, roulements, vis à billes. Évaluez l’état de toutes les pièces mobiles.
   • Augmentation de masse : Vérifiez que de nouveaux composants n'ont pas été ajoutés à la partie mobile sans modification correspondante du système d'asservissement.
   • Modification du profil de mouvement : Si les vitesses ou les accélérations ont augmenté, pensez à optimiser la cinématique ou à mettre à niveau le système d'asservissement.
3. Lubrification et nettoyage : Assurez une lubrification adéquate de toutes les pièces mobiles conformément au tableau de lubrification du fabricant. Nettoyez les composants mécaniques de la saleté.
4. Optimisation : Si la source de la surcharge ne peut être éliminée, il peut être nécessaire de recalculer et de remplacer le servo/réducteur par un plus puissant.
5. Contrôle : Après avoir éliminé la source de la surcharge, surveillez le courant et la température du moteur pendant le fonctionnement. Le courant du moteur ne doit pas dépasser 80 % de la valeur efficace nominale.

9. Mesures préventives

Un entretien régulier est la clé d’un fonctionnement fiable et à long terme des systèmes d’asservissement.

10. Pièces de rechange et composants

La disponibilité en temps opportun de pièces de rechange de qualité réduit les temps d'arrêt des équipements. UNITEC-D GmbH propose une large gamme de composants pour les systèmes d'asservissement.

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11. Liens

• DSTU EN 1037:2003 Sécurité des machines. Prévention des démarrages inattendus.
• DSTU EN 61010-1:2014 Exigences relatives à la sécurité des équipements électriques destinés à la mesure, au contrôle et à l'utilisation en laboratoire.
• DSTU EN 60204-1:2019 Sécurité des machines. Équipement électrique des machines. Partie 1 : Exigences générales.
• ISO 10816-1:2010 Vibrations mécaniques. Évaluation des vibrations des machines par mesure sur des pièces fixes.
• Instructions d'exploitation et de maintenance des servovariateurs et servomoteurs des fabricants (Siemens, Bosch Rexroth, Fanuc, Yaskawa, Rockwell Automation, etc.).
• Autres manuels d'entretien de UNITEC-D GmbH.