Pourquoi un servomoteur vibre-t-il ? Causes les plus fréquentes et diagnostic

Les vibrations d’un servomoteur sont une conséquence naturelle du fonctionnement des éléments rotatifs, mais leur augmentation nette, un changement de leur caractère, l’apparition de bruit, d’à-coups ou d’un maintien instable de la position peuvent indiquer une défaillance en cours de développement. L’état de l’entraînement ne doit pas être évalué uniquement selon que le moteur vibre ou non. Il faut surtout tenir compte de l’amplitude et de la fréquence des vibrations, de leur direction, de la vitesse de rotation, de la charge ainsi que de l’évolution de ces paramètres dans le temps.

Les vibrations excessives d’un servomoteur peuvent être liées aussi bien à la mécanique qu’au système de mesure ou à la commande. Le problème peut provenir d’un déséquilibre du rotor, d’un mauvais alignement de l’arbre moteur, de l’usure des roulements, de jeux mécaniques, d’une résonance de la structure, du réducteur, de l’encodeur, du frein ou de paramètres de régulation mal adaptés. Un diagnostic correct doit donc porter sur l’ensemble du système d’entraînement et pas uniquement sur le moteur.

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Comment évaluer les vibrations d’un servomoteur et reconnaître des vibrations excessives ?

Toutes les vibrations d’un servomoteur signifient-elles une panne ?

Aucun moteur électrique ne fonctionne totalement sans vibrations. Les microvibrations résultent notamment des tolérances de fabrication des composants, du fonctionnement des roulements et des pulsations du couple électromagnétique. Dans un système fonctionnant correctement, leur niveau reste toutefois stable et n’entraîne ni augmentation du bruit ou de la température, ni dégradation de la précision du mouvement.

Les résultats concernant un servomoteur doivent être interprétés avec une attention particulière, car au cours d’un cycle typique il peut accélérer, freiner, changer de sens et maintenir une position à de nombreuses reprises. Une augmentation temporaire des vibrations pendant une accélération dynamique ne signifie pas nécessairement une détérioration. L’apparition d’un nouveau type de vibrations ou leur augmentation progressive dans les mêmes conditions de fonctionnement est beaucoup plus préoccupante.

Les symptômes nécessitant une vérification plus approfondie comprennent :

• une augmentation nette des vibrations par rapport au fonctionnement antérieur de la machine,
• des vibrations du servomoteur lors du maintien de la position,
• des à-coups lors de l’accélération, du freinage ou du changement de sens,
• une augmentation inhabituelle du bruit du moteur électrique,
• une augmentation de la température du carter ou de la zone des roulements,
• des vibrations apparaissant uniquement dans une plage de vitesse déterminée,
• une dégradation de la précision de positionnement de l’axe,
• un changement du fonctionnement du servomoteur après le remplacement de l’encodeur, une réparation ou un démontage,
• des alarmes de l’entraînement liées au couple, au courant ou à une erreur de positionnement.

Si le servomoteur commence simultanément à vibrer, à faire du bruit ou à fonctionner par à-coups, il ne faut pas attendre l’arrêt de l’axe. Un diagnostic précoce permet d’identifier la source du problème avant que l’arbre, les roulements, l’accouplement, le réducteur ou d’autres éléments de la machine ne soient endommagés.

Vitesse vibratoire RMS. Quelles valeurs doivent attirer l’attention ?

L’un des paramètres utilisés pour évaluer l’état d’une machine est la vitesse vibratoire RMS exprimée en mm/s. Elle permet de déterminer le niveau global des vibrations et d’observer si l’état de l’unité se dégrade au fil des mesures successives.

Les valeurs ci-dessous doivent uniquement être considérées comme un point de référence indicatif pour les petites machines. Elles ne constituent pas des seuils universels pour tous les servomoteurs. L’évaluation doit toujours prendre en compte la taille et la conception de la machine, le mode de montage, la vitesse, la charge, les caractéristiques du cycle ainsi que les valeurs admissibles pour l’appareil concerné.

Vitesse vibratoire RMS	Évaluation	Interprétation	Action recommandée
jusqu’à 0,7 mm/s	A – bon	Niveau typique pour une unité en bon état	Exploitation et contrôle périodique
0,7-1,8 mm/s	B – acceptable	L’état peut être acceptable en fonctionnement prolongé	Surveillance de la tendance
1,8-4,5 mm/s	C – avertissement	Développement possible d’un problème mécanique ou de régulation	Diagnostic de la source et planification des interventions de maintenance
au-dessus de 4,5 mm/s	D – inacceptable	Risque accru d’endommagement du moteur et du système mécanique	Arrêt contrôlé et évaluation par le service

En pratique, la tendance des mesures est tout aussi importante que la valeur absolue. Si un moteur a longtemps fonctionné à un niveau de 0,7-0,8 mm/s et que les mesures suivantes indiquent 1,2 mm/s, puis 2,0 mm/s et une nouvelle augmentation, il s’agit d’une information importante même si le seuil imposant l’arrêt immédiat de la machine n’a pas encore été dépassé.

Pour obtenir des résultats comparables, il est recommandé d’effectuer les mesures à l’aide d’un accéléromètre placé sur le carter au niveau des roulements, dans la direction axiale ainsi que dans deux directions radiales. Il est important de conserver des conditions similaires de vitesse, de charge et de température. Une mesure effectuée sur un moteur froid ne doit pas être directement comparée au résultat d’une unité ayant fonctionné longtemps à pleine charge.

Qu’est-ce qui provoque les vibrations d’un moteur électrique ou d’un servomoteur ?

Il n’existe pas une cause unique responsable de toutes les vibrations d’un servomoteur. Le même symptôme peut provenir du rotor, de l’arbre, des roulements, de la fixation, du réducteur, de l’encodeur ou du régulateur. Il est donc important d’associer la mesure RMS à l’analyse du spectre, à l’évaluation mécanique et à l’observation du comportement de l’entraînement au cours des différentes phases du cycle.

Déséquilibre du rotor – pourquoi les vibrations augmentent-elles avec la vitesse ?

Le déséquilibre du rotor génère une force centrifuge dont l’influence augmente nettement avec la vitesse de rotation. Le spectre vibratoire est alors souvent dominé par la composante correspondant à la fréquence de rotation, appelée 1×.

La cause peut être une mauvaise répartition de la masse, l’endommagement d’éléments du rotor, un problème au niveau des aimants, des salissures ou des dommages affectant la géométrie des éléments rotatifs. Si les vibrations augmentent progressivement avec la vitesse et dominent dans la direction radiale, le déséquilibre doit figurer parmi les principales causes suspectées.

La poursuite de l’exploitation d’un moteur présentant un déséquilibre augmente la charge appliquée aux roulements et peut accélérer l’apparition de dommages supplémentaires.

Mauvais alignement de l’arbre moteur – comment reconnaître le problème ?

Le mauvais alignement de l’arbre moteur se produit lorsque la géométrie de l’arbre du servomoteur et de l’élément entraîné n’est pas correctement alignée. Le problème peut concerner l’accouplement, le réducteur, la transmission ou un mécanisme utilisant une vis à billes.

Par rapport à un déséquilibre classique, un mauvais alignement peut provoquer une composante 2× plus importante ainsi que des vibrations axiales plus fortes. Les causes peuvent notamment être liées au montage, au tassement de la structure ou à des modifications de géométrie apparaissant après l’échauffement de la machine.

L’alignement peut être vérifié au moyen d’un système laser ou de comparateurs correctement utilisés. Le simple remplacement des roulements sans suppression du défaut d’alignement peut entraîner une usure rapide des nouveaux composants.

Jeux de fixation et diminution de la rigidité de la structure

La source des vibrations excessives n’est pas toujours le servomoteur lui-même. Une vis desserrée, un support endommagé, une plaque de montage fissurée ou une diminution de la rigidité du bâti peuvent amplifier les faibles excitations générées par l’entraînement.

Ce phénomène est parfois confondu avec une résonance. En présence de jeux importants, le signal peut également présenter des impulsions liées au choc d’éléments contre des butées mécaniques. C’est pourquoi, avant d’intervenir sur l’électronique ou de remplacer le servomoteur, il faut également vérifier sa fixation et l’état de la structure de la machine.

Résonance mécanique du servomoteur et de l’axe

La résonance apparaît lorsque la fréquence d’excitation se rapproche de la fréquence propre de l’axe, d’un support ou de l’ensemble de la structure. Ainsi, une excitation relativement faible peut provoquer de très fortes vibrations apparaissant uniquement dans une plage de vitesse déterminée.

Si le servomoteur fonctionne correctement à 500 tr/min et à 1500 tr/min, mais vibre fortement dans une plage étroite entre ces valeurs, il faut envisager la possibilité d’une résonance. La solution peut nécessiter une modification de la rigidité, de la masse ou du support de la structure. Une correction des paramètres du régulateur peut parfois être utile, mais elle ne doit pas servir à masquer des dommages mécaniques.

Usure des roulements d’un servomoteur et augmentation du bruit

L’usure des roulements d’un servomoteur est l’une des causes les plus fréquentes d’une augmentation progressive des vibrations. Au début, le dommage peut être pratiquement inaudible. Les fréquences caractéristiques de défaut BPFO, BPFI, FTF et BSF peuvent toutefois être détectées grâce à une analyse vibratoire appropriée, notamment une analyse d’enveloppe.

À mesure que le dommage progresse, le niveau des vibrations augmente généralement, puis apparaît une augmentation du bruit du moteur électrique, et à un stade plus avancé également une hausse de température.

Toute augmentation ne signifie pas qu’un démontage immédiat de l’unité est nécessaire. Le rythme d’évolution est essentiel. Un niveau de vibrations augmentant rapidement et accompagné d’une modification du spectre constitue un signal d’alerte beaucoup plus important qu’une mesure unique légèrement élevée.

Jeu du réducteur et dommages du mécanisme d’engrenage

Si le servomoteur fonctionne avec une transmission ou un réducteur, la source des vibrations peut se situer en dehors du moteur lui-même. Un jeu de retour excessif provoque souvent des chocs lors des changements de sens. Des surfaces de dents usées, du pitting ou un profil d’engrènement incorrect peuvent en revanche générer un signal continu associé à la fréquence d’engrènement.

Ainsi, lorsqu’un servomoteur fonctionne par à-coups lors d’un changement de sens, cela ne signifie pas automatiquement que les roulements ou le rotor sont endommagés. Il faut contrôler l’ensemble de la chaîne de transmission.

Comment diagnostiquer les vibrations d’un servomoteur et quand faut-il faire appel au service ?

Comment interpréter le spectre vibratoire et la tendance des mesures ?

Une valeur RMS unique indique le niveau de vibrations, mais ne permet pas toujours d’en identifier la source. C’est pourquoi l’analyse du spectre de fréquences est très importante dans le cadre d’un diagnostic professionnel. Elle permet de vérifier si les fréquences dominantes correspondent à la rotation de l’arbre, au mauvais alignement, aux éléments du roulement, à l’engrènement ou à d’autres mécanismes.

Par exemple, une composante dominante 1× peut orienter le diagnostic vers un déséquilibre, tandis qu’une part plus importante de la composante 2× associée à des vibrations axiales peut suggérer un problème d’alignement. Pour les roulements, on analyse notamment les fréquences BPFO, BPFI, FTF et BSF.

La comparaison de mesures successives effectuées dans les mêmes conditions apporte encore davantage d’informations. Une tendance type peut se présenter comme suit :

• janvier – 0,8 mm/s,
• avril – 1,2 mm/s, soit une augmentation de 50 %,
• juillet – 2,6 mm/s et une composante clairement caractéristique d’un défaut de chemin de roulement.

Une telle évolution révèle une défaillance en cours de développement bien avant l’arrêt complet du moteur. Pour les services de maintenance, cela permet de planifier une réparation pendant un arrêt contrôlé plutôt que de devoir réagir à une panne en pleine production.

Pourquoi un servomoteur vibre-t-il après le remplacement de l’encodeur ou lors du maintien de la position ?

Toutes les vibrations ne sont pas d’origine mécanique. L’encodeur ou un autre capteur de position fournit au régulateur des informations sur la position actuelle du rotor. Si le signal est perturbé, si le capteur a été mal installé ou si un réglage correct n’a pas été effectué après son remplacement, le régulateur peut réagir à une erreur qui ne résulte en réalité d’aucun mouvement mécanique.

Un symptôme caractéristique peut être l’apparition de vibrations à très faible vitesse ou pendant le maintien de la position. Après le remplacement du système de mesure, il faut notamment vérifier le réglage de la position de référence, l’angle de commutation, la qualité du signal et le câblage.

Lors du diagnostic, il faut également tenir compte du frein de maintien. S’il ne se libère pas complètement, il peut exercer une charge supplémentaire sur l’arbre, provoquer un échauffement et entraîner un fonctionnement irrégulier de l’entraînement.

Des symptômes similaires peuvent être provoqués par un réglage trop agressif de la boucle de régulation. Un gain excessif peut exciter la fréquence propre de la structure et provoquer des oscillations. L’autotuning est un outil utile, mais il ne doit pas compenser un jeu mécanique, une fixation fissurée ou un composant usé.

Les vibrations d’un servomoteur peuvent-elles avoir une origine électromagnétique ?

Oui. Dans les servomoteurs synchrones à aimants permanents, les pulsations de couple peuvent notamment être provoquées par des problèmes liés aux aimants du rotor, une asymétrie des enroulements du stator ou des dommages locaux des enroulements.

Ces défauts ne sont pas toujours clairement visibles lors d’une mesure classique à l’aide d’un accéléromètre. L’analyse des courants de phase ainsi que la comparaison du comportement de l’unité en charge et à vide peuvent être utiles pour le diagnostic.

Si le caractère des vibrations change fortement en fonction de la charge, il est recommandé d’étendre le diagnostic au-delà de la seule mécanique. Les résultats doivent être analysés conjointement avec la température, le courant, le signal de position et le mode de fonctionnement de l’axe.

Comment se déroule le diagnostic d’un servomoteur ?

Un diagnostic efficace du servomoteur ne doit pas commencer par un remplacement aléatoire de pièces. Il faut d’abord déterminer dans quelles conditions le problème apparaît et si sa source se trouve dans le moteur lui-même, dans un élément mécanique de la machine ou dans la commande.

Selon les symptômes, on contrôle notamment le niveau et le spectre des vibrations, l’état des roulements, les jeux mécaniques, l’arbre, l’alignement, les fixations, le réducteur, le système de mesure, le frein ainsi que les paramètres de régulation. En cas de suspicion de problèmes électriques, le diagnostic peut être étendu à l’évaluation des enroulements et à l’analyse des paramètres électriques.

Symptôme	Cause possible	Que faut-il vérifier ?
Les vibrations augmentent avec la vitesse	Déséquilibre du rotor	Spectre 1×, direction radiale, état du rotor
Fortes vibrations axiales	Mauvais alignement	Alignement de l’arbre et de l’accouplement
Vibrations uniquement à une vitesse déterminée	Résonance	Rigidité de la structure et plage de fréquences
Vibrations et augmentation du bruit	Usure des roulements	Spectre, analyse d’enveloppe, température
Chocs lors des changements de sens	Jeu du réducteur ou de l’accouplement	Jeu de retour et état du mécanisme
Vibrations lors du maintien de la position	Encodeur ou réglages du régulateur	Signal de position, commutation, réglage
Échauffement et mouvement irrégulier	Le frein ne se libère pas complètement	État et commande du frein

Vous avez un servomoteur qui vibre, fonctionne par à-coups ou fait plus de bruit qu’auparavant ? Avant de poursuivre l’exploitation, il est recommandé d’effectuer un diagnostic et de déterminer la cause réelle. Dans de nombreux cas, une réparation précoce permet d’éviter l’endommagement d’autres éléments de l’axe et un arrêt de production coûteux.

Quand la réparation ou la régénération d’un servomoteur est-elle pertinente ?

La réparation d’un servomoteur est particulièrement justifiée lorsque l’appareil est adapté à la machine existante et que la source du problème peut être éliminée sans devoir remplacer l’ensemble du système d’entraînement. Cela concerne notamment de nombreux défauts des roulements, des éléments mécaniques, du système de mesure ou d’autres composants pouvant être remis en état.

Un service professionnel de servomoteurs doit comprendre non seulement le remplacement de l’élément identifié comme défectueux, mais également la détermination de la cause de la panne. Dans le cas contraire, un roulement neuf peut de nouveau être soumis à une surcharge due à un mauvais alignement, tandis qu’un encodeur fonctionnant correctement ne résoudra pas un problème résultant d’un jeu mécanique.

Après la réparation, il est essentiel d’effectuer des essais confirmant le bon fonctionnement de l’unité. Ainsi, la régénération d’un servomoteur ou, plus largement, la régénération d’un moteur électrique ne se limite pas au remplacement de pièces, mais comprend également la vérification du fonctionnement de l’appareil avant sa réinstallation dans la machine.

Quand faut-il envisager l’achat d’un servomoteur plutôt qu’une réparation ?

Toutes les unités ne sont pas nécessairement de bonnes candidates à une régénération. La décision doit être prise en fonction de l’étendue des dommages, de la disponibilité des pièces, du temps nécessaire pour remettre l’appareil en service ainsi que du coût de l’arrêt de production.

L’achat d’un autre servomoteur peut être rationnel lorsque les dommages sont importants, que les pièces sont peu disponibles ou que le délai de réparation est inacceptable pour la production. Il faut toutefois se rappeler qu’un remplacement doit être compatible non seulement en termes de puissance et de dimensions. L’encodeur ou le resolver, le frein, les connecteurs, les paramètres électriques, le mode de montage et la compatibilité avec le servovariateur existant sont également importants.

Dans le cas de machines pour lesquelles un arrêt génère des coûts élevés, il est recommandé d’évaluer parallèlement les deux scénarios : la réparation de l’unité existante et la disponibilité d’un appareil de remplacement approprié.

Comment réduire le risque de panne et d’arrêt de production ?

La surveillance des évolutions dans le temps est la plus utile. Un diagnostic régulier du moteur électrique et de l’ensemble du système d’entraînement permet de détecter une dégradation de l’état avant qu’une panne critique ne survienne.

Il est recommandé de conserver les résultats des mesures RMS, les spectres, les températures ainsi que les informations relatives aux conditions de fonctionnement. Si une nouvelle mesure montre une nette augmentation des vibrations, il ne faut pas attendre uniquement le dépassement d’un seuil d’alarme précis. La vitesse de dégradation de l’état peut constituer un signal plus important que la valeur instantanée elle-même.

Une réaction particulièrement rapide est nécessaire lorsque les vibrations s’accompagnent d’une augmentation du bruit ou de la température, d’un changement brutal du comportement lors du freinage ou des changements de sens, d’une dégradation du positionnement ou d’alarmes de l’entraînement liées au courant et au couple.

Si les vibrations du servomoteur augmentent ou s’il n’est pas possible d’en déterminer clairement la source, confiez l’appareil à un diagnostic avant qu’une panne complète de l’axe ne survienne. L’évaluation du servomoteur, des roulements, de l’arbre, du système de mesure et des éléments associés permet de planifier une réparation, une régénération ou un remplacement à un moment contrôlé et de réduire le risque d’un arrêt de production imprévu. —> Demander une réparation

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