Actionneur rotatif harmonique : pilote intégré ou pilote externe — lequel convient à votre application ?

Introduction

Dans les articulations robotiques, l’automatisation de précision, les équipements pour semi-conducteurs, les axes rotatifs CNC et les systèmes de positionnement de haute précision, l’actionneur rotatif harmonique devient une solution de plus en plus intégrée pour les mouvements rotatifs.

Comparé à l’association traditionnelle d’un servomoteur, d’un réducteur harmonique et d’un variateur externe, un actionneur rotatif harmonique peut intégrer des fonctions telles que le moteur, la transmission harmonique, le codeur, les roulements et le variateur moteur au sein d’une unité de mouvement plus compacte. Cela peut simplifier la conception mécanique et électrique du système.

Cependant, les ingénieurs sont souvent confrontés à une autre décision importante lors de la sélection d’un actionneur rotatif harmonique : l’actionneur doit-il utiliser un variateur intégré ou un variateur externe ?

Il ne s’agit pas simplement de déterminer quelle configuration offre les meilleures performances. Les deux configurations sont conçues pour des architectures système différentes. Le choix approprié dépend de facteurs tels que l’espace d’installation, le câblage, la gestion thermique, l’architecture de commande, les exigences de maintenance et l’application spécifique.

Deux configurations de variateur pour les actionneurs rotatifs harmoniques

Les actionneurs rotatifs harmoniques peuvent généralement être répartis en deux configurations selon l’emplacement du variateur moteur : variateur intégré et variateur externe.

Actionneur rotatif harmonique avec variateur intégré

Une configuration à variateur intégré incorpore directement le variateur moteur dans l’actionneur.

L’actionneur peut ainsi regrouper le moteur, la transmission harmonique, le codeur et le variateur au sein d’une unité compacte, offrant une solution de mouvement rotatif hautement intégrée.

Cette configuration convient particulièrement aux applications dans lesquelles l’espace d’installation, le câblage et l’intégration globale du système sont essentiels.

Les applications typiques comprennent les articulations de robots humanoïdes, les robots collaboratifs, les bras robotisés compacts, les articulations robotiques à espace limité et les équipements d’automatisation compacts.

Pour les fabricants de robots, le principal avantage ne consiste pas simplement à éliminer un variateur séparé. Plus important encore, un actionneur hautement intégré peut simplifier la conception mécanique et électrique de l’ensemble du module d’articulation.

Actionneur rotatif harmonique avec variateur externe

Dans une configuration à variateur externe, le variateur est installé séparément de l’actionneur.

L’actionneur se concentre sur le système de mouvement mécanique et le retour de position, tandis que le variateur moteur est situé ailleurs dans la machine ou l’armoire de commande.

Cette configuration offre une plus grande flexibilité en matière d’agencement du système et d’architecture électrique.

Pour les équipements d’automatisation multiaxes, plusieurs variateurs peuvent être installés ensemble dans une armoire de commande ou une enveloppe électrique, plutôt que d’intégrer l’électronique de commande dans chaque actionneur mécanique.

Cette configuration convient particulièrement aux tables rotatives CNC, aux équipements pour semi-conducteurs, aux systèmes de positionnement de précision, aux systèmes d’automatisation multiaxes et aux robots industriels.

Pourquoi l’emplacement du variateur est-il important pour la conception du système ?

Pour un moteur conventionnel, l’emplacement du variateur peut sembler relever principalement de la conception électrique.

Pour un actionneur rotatif harmonique, l’intégration du variateur peut toutefois avoir une incidence directe sur la taille globale de l’articulation, la disposition du câblage, la gestion thermique et l’architecture du système.

Pour cette raison, la sélection de l’actionneur ne doit pas reposer uniquement sur le couple nominal.

Les ingénieurs doivent également prendre en compte l’espace d’installation, le cheminement des câbles, le refroidissement du variateur, l’architecture de commande, la synchronisation multiaxe, les exigences de maintenance, la température ambiante, la charge de fonctionnement, le cycle de service et les dimensions de l’actionneur.

C’est pourquoi un même actionneur rotatif harmonique peut nécessiter une configuration de variateur différente selon l’équipement dans lequel il est installé.

Quand un variateur intégré constitue-t-il le meilleur choix ?

Espace limité à l’intérieur de l’articulation du robot

Les robots humanoïdes, les robots collaboratifs et les bras robotisés compacts disposent généralement d’un espace très limité à l’intérieur de leurs articulations.

Avec une configuration conventionnelle, le système doit accueillir non seulement le moteur et la transmission harmonique, mais aussi le variateur externe et les connexions électriques associées.

Un actionneur rotatif harmonique avec variateur intégré peut intégrer davantage de fonctions directement dans le module d’articulation, contribuant ainsi à réduire l’espace d’installation global.

Cela est particulièrement important pour les robots humanoïdes, dont chaque articulation doit trouver un équilibre entre couple, vitesse, dimensions, poids et complexité du câblage.

Câblage interne complexe du robot

Les robots peuvent comporter un grand nombre d’articulations commandées indépendamment.

À mesure que le nombre de degrés de liberté augmente, la gestion des connexions du moteur, du codeur et du variateur peut devenir de plus en plus complexe.

L’intégration du variateur dans l’actionneur peut simplifier l’architecture électrique de chaque articulation et réduire la quantité de câbles devant être acheminés à travers la structure du robot.

Cela peut être particulièrement utile pour les robots humanoïdes, les robots collaboratifs, les bras robotisés à six axes et autres systèmes à articulations multiples.

Niveau élevé d’intégration de l’articulation

Si un fabricant de robots souhaite utiliser un module d’actionneur d’articulation relativement complet plutôt que d’intégrer séparément un moteur, un réducteur harmonique, un variateur et un codeur, une configuration à variateur intégré peut constituer une solution efficace.

Une intégration accrue peut réduire le travail d’intégration du système et potentiellement raccourcir le cycle de développement des articulations robotiques.

Quand un variateur externe constitue-t-il le meilleur choix ?

Architecture de commande centralisée

Les équipements d’automatisation industrielle utilisent souvent une armoire de commande centralisée dans laquelle plusieurs servovariateurs sont installés ensemble.

Par exemple, une machine multiaxe peut disposer de plusieurs axes rotatifs commandés par des variateurs indépendants situés dans la même armoire électrique.

Dans ce type d’architecture, un actionneur rotatif harmonique à variateur externe peut être intégré plus facilement au système d’automatisation existant.

Exigences accrues en matière de gestion thermique

Les variateurs moteurs génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement.

Lorsque le variateur est intégré à l’actionneur, le système doit prendre en compte la charge thermique combinée générée à la fois par le moteur et par le variateur.

Avec un variateur externe, l’électronique de commande peut être installée dans une enveloppe plus grande ou dans un environnement de refroidissement dédié, offrant une plus grande flexibilité pour la gestion thermique.

Cela peut être avantageux pour les équipements qui fonctionnent en continu, supportent des charges élevées, effectuent des accélérations et décélérations fréquentes ou comportent plusieurs axes.

Maintenance électrique flexible

Un variateur monté à l’extérieur peut être inspecté, entretenu ou remplacé indépendamment de l’actionneur mécanique.

Pour les grands systèmes d’automatisation industrielle, cette architecture modulaire peut faciliter la maintenance et le dépannage.

Ainsi, une intégration plus poussée ne signifie pas nécessairement qu’un variateur intégré constitue toujours la meilleure solution.

Pour les équipements industriels, l’accessibilité pour la maintenance, l’agencement de l’armoire de commande et la standardisation du système électrique peuvent être tout aussi importants.

Variateur intégré ou variateur externe : comment choisir ?

Le choix doit reposer sur l’architecture globale du système plutôt que sur l’actionneur lui-même.

Application ou exigence de conception Configuration recommandée

Il n’existe pas de configuration unique idéale pour toutes les applications.

Le choix le plus approprié doit être déterminé par la structure mécanique, l’architecture électrique, les conditions thermiques et les exigences de mouvement de la machine complète.

Quels paramètres faut-il prendre en compte lors de la sélection d’un actionneur rotatif harmonique ?

Couple de sortie et vitesse de sortie

Le couple nominal est souvent la première spécification prise en compte par les ingénieurs, mais il doit toujours être évalué conjointement avec la vitesse de sortie.

Les articulations robotiques doivent généralement trouver un équilibre entre le couple et la réponse dynamique, tandis que les axes rotatifs à grande vitesse peuvent accorder davantage d’importance au fonctionnement continu à grande vitesse.

L’actionneur doit donc être sélectionné en fonction du profil de charge réel, et non du seul couple maximal.

Rapport de réduction

Le rapport de réduction influe sur le couple de sortie, la vitesse de sortie, les conditions de fonctionnement du moteur et la réponse dynamique.

Il doit donc être sélectionné en fonction du point de fonctionnement requis du moteur et de la charge mécanique.

Inertie de la charge

Pour les articulations robotiques et les systèmes de positionnement à grande vitesse, l’inertie de la charge influe directement sur le couple requis lors des accélérations et des décélérations.

Pour cette raison, l’inertie de la charge peut être tout aussi importante que le couple nominal lors de la sélection d’un actionneur.

Configuration du codeur

Pour une commande de position de haute précision, les ingénieurs doivent prendre en compte la résolution du codeur, le retour sur un tour ou plusieurs tours, le retour côté moteur et le retour côté sortie, selon les exigences de l’application.

La configuration du codeur doit être évaluée conjointement avec la précision de positionnement requise, la répétabilité, l’architecture de commande et les exigences de sécurité.

Cycle de service et conditions thermiques

La charge thermique d’un actionneur peut être très différente en fonctionnement continu et en fonctionnement de pointe de courte durée.

La sélection réelle doit donc prendre en compte conjointement le cycle de service, le couple continu, le couple de pointe, la vitesse de fonctionnement et la température ambiante.

Cela est particulièrement important pour les actionneurs intégrés compacts, car le moteur et le variateur peuvent partager le même espace d’installation limité.

Comment choisir la configuration de variateur adaptée aux différentes applications ?

Robots humanoïdes et articulations robotiques compactes

Pour les robots humanoïdes et les articulations robotiques compactes, l’espace d’installation et le câblage constituent souvent des contraintes de conception majeures.

Un actionneur rotatif harmonique avec variateur intégré peut fournir une solution d’articulation hautement intégrée et contribuer à réduire l’espace requis par l’électronique de commande externe.

Robots collaboratifs et bras robotisés

Les robots collaboratifs et les bras robotisés compacts nécessitent une combinaison de forte densité de couple, de positionnement précis, de dimensions compactes et d’une intégration efficace du système.

Une configuration à variateur intégré peut être particulièrement intéressante lorsque l’actionneur doit être intégré directement dans un module d’articulation compact.

Tables rotatives CNC

Les tables rotatives CNC fonctionnent souvent dans le cadre d’une architecture de commande centralisée de la machine.

Dans ces applications, un variateur externe peut offrir une plus grande flexibilité pour l’intégration à l’armoire de commande, la gestion thermique et la maintenance électrique.

Équipements de fabrication de semi-conducteurs

Les équipements pour semi-conducteurs nécessitent généralement une grande précision de positionnement, un fonctionnement stable, une conception mécanique compacte et des conditions thermiques maîtrisées.

Le choix entre un variateur intégré et un variateur externe doit donc reposer sur l’espace d’installation disponible de l’équipement, l’architecture de commande, le cycle de fonctionnement et les exigences thermiques.

Systèmes d’automatisation multiaxes

Pour les machines multiaxes, l’architecture électrique devient de plus en plus importante à mesure que le nombre d’actionneurs augmente.

Une configuration à variateur externe peut être avantageuse lorsque plusieurs variateurs doivent être regroupés et gérés de manière centralisée au sein d’un système de commande commun.

Pourquoi la sélection basée sur l’application est-elle importante？

Un processus pratique de sélection d’un actionneur rotatif harmonique doit commencer par les exigences de l’application.

Les ingénieurs doivent d’abord définir les exigences mécaniques, notamment la charge, la vitesse, le couple, l’inertie, le cycle de fonctionnement et les contraintes d’installation. La configuration de variateur appropriée peut ensuite être sélectionnée en fonction de l’architecture électrique et des conditions thermiques de la machine.

Ce n’est qu’après avoir établi ces facteurs que la taille de l’actionneur, la configuration du codeur, l’interface de communication et les autres spécifications doivent être finalisées.

L’objectif n’est pas simplement de sélectionner un actionneur rotatif harmonique présentant le couple nominal le plus élevé.

Pour les articulations robotiques compactes, un variateur intégré peut offrir des avantages en matière d’intégration, de câblage et d’utilisation de l’espace.

Pour les équipements d’automatisation industrielle dotés de systèmes de commande centralisés, un variateur externe peut offrir une plus grande flexibilité en matière d’intégration électrique, de refroidissement et de maintenance.

Solutions d’actionneurs rotatifs harmoniques HONPINE

HONPINE propose deux configurations d’actionneurs rotatifs harmoniques pour répondre aux différentes exigences des systèmes mécaniques et électriques : des actionneurs rotatifs harmoniques avec variateurs intégrés et des actionneurs rotatifs harmoniques avec variateurs externes.

Les deux configurations permettent aux concepteurs d’équipements de sélectionner une architecture d’actionneur en fonction des exigences de la machine complète, plutôt que d’être limités à une seule configuration de variateur.

Pour les robots et les modules de mouvement hautement intégrés, une configuration à variateur intégré peut contribuer à réduire l’espace d’installation et à simplifier le câblage.

Pour les systèmes CNC, les équipements pour semi-conducteurs, les systèmes d’automatisation multiaxes et les machines utilisant des architectures de commande centralisées, une configuration à variateur externe peut offrir une plus grande flexibilité pour l’intégration électrique et la gestion thermique.

En définitive, l’objectif n’est pas de déterminer si un variateur intégré ou un variateur externe est universellement meilleur. Le choix approprié est la configuration qui correspond le mieux à la structure mécanique, à l’architecture électrique, aux conditions thermiques et aux exigences de mouvement de l’application.