Module d’articulation robot creux : pourquoi le passage des câbles est important dans les articulations robotiques？

Lors de l'examen de la fiche technique d'une articulation robotique, nous nous intéressons généralement d'abord au couple, à la vitesse, aux dimensions et au poids. Il existe un autre paramètre qui peut sembler être un détail structurel, mais qui peut avoir un impact significatif sur les performances de l'articulation une fois intégrée dans un robot.

Ce paramètre est la structure creuse de passage des câbles.

L'espace à l'intérieur d'une articulation robotique est déjà limité. Le moteur, le réducteur, l'entraînement, l'encodeur et les roulements doivent tous occuper une partie de l'espace disponible. Alors, pourquoi laisser un passage au centre ?

La réponse devient plus claire lorsque l'articulation est considérée comme faisant partie du robot complet plutôt que comme un actionneur isolé.

Pourquoi les articulations robotiques nécessitent-elles une conception creuse ?

Un robot n'est pas seulement un système mécanique. C'est aussi un système mobile destiné à acheminer l'alimentation, les signaux et d'autres utilités.

Lorsqu'un bras robotisé effectue une opération de prise et de dépose, les articulations ne constituent qu'une partie du système. Une pince électrique située à l'extrémité du bras a besoin d'alimentation et de signaux de commande. Une caméra nécessite des connexions d'alimentation et de communication. Une pince pneumatique ou un système de vide peut nécessiter des tubes d'air. Toutes ces connexions doivent s'étendre du corps du robot jusqu'à l'effecteur terminal à travers le bras mobile.

Lorsque le bras robotisé est immobile, l'agencement de ces câbles et tubes est relativement simple. Toutefois, dès que les articulations commencent à tourner, la situation change.

Un faisceau de câbles auparavant détendu peut se retrouver sous tension. Un excédent de câble peut former une saillie vers l'extérieur. Les câbles acheminés autour d'une articulation peuvent également subir des flexions et torsions répétées.

Si un câble est endommagé, étiré ou présente une connexion intermittente, le problème ne relève plus simplement de l'apparence. Il peut affecter la fiabilité de l'ensemble du système robotique.

Pour cette raison, le cheminement des câbles d'une articulation robotique doit être considéré conjointement avec la structure mécanique et la plage de mouvement de l'articulation. Si le passage des câbles n'est conçu qu'après la finalisation des articulations et des maillons, des supports supplémentaires, des gaines de protection ou des structures de guidage peuvent être nécessaires, et l'agencement mécanique initial peut devoir être modifié.

Une articulation robotique creuse offre un passage dédié à travers l'articulation pour les câbles, les tubes et autres connexions internes.

Lorsque ce passage est aligné avec l'espace interne des maillons du robot et l'interface de l'effecteur terminal, les câbles et les tubes peuvent être acheminés à travers la structure du robot plutôt que d'être exposés à l'extérieur du bras. Cela peut réduire les boucles de câbles externes et contribuer à une conception globale plus compacte.

Articulations creuses et non creuses : quelles différences pour le cheminement des câbles ?

Les différences entre le cheminement externe et le cheminement creux des câbles peuvent être examinées selon plusieurs dimensions d'ingénierie.

La faiblesse du cheminement externe des câbles ne réside pas seulement dans le fait qu'un câble finira par défaillir, mais dans le moment où il défaillira.

La durée de vie en flexion d'un câble est une spécification statistique. Un câble homologué pour un million de cycles de flexion dans des conditions d'essai définies peut avoir une durée de vie sensiblement différente sous les contraintes combinées réelles impliquant flexion, torsion, traction, température et conditions d'installation.

La défaillance d'un câble peut également être intermittente. Un câble peut paraître intact extérieurement alors que des conducteurs individuels à l'intérieur ont déjà été endommagés. Il peut en résulter des pertes intermittentes de communication ou des coupures d'alimentation inattendues au niveau de l'effecteur terminal, ce qui rend le diagnostic plus difficile et augmente les coûts de maintenance.

Cependant, le cheminement creux des câbles introduit ses propres défis d'ingénierie.

Le passage interne est limité en espace. Les câbles doivent le traverser tout en étant correctement fixés, protégés contre l'abrasion et en disposant d'un jeu suffisant pour l'assemblage.

Le passage peut également être situé à proximité du moteur et des composants de transmission, qui peuvent compter parmi les zones les plus chaudes de l'articulation. Les câbles acheminés à travers la section creuse doivent donc être sélectionnés selon les conditions de température réelles à l'intérieur du passage, et non simplement selon la température ambiante de fonctionnement.

Le cheminement des câbles fait également partie du processus d'assemblage. Lorsque l'alésage creux disponible est étroit, même une légère réduction du jeu peut augmenter le temps nécessaire à l'installation d'un câble pendant la production.

Un autre point ne doit pas être négligé.

Les deux côtés d'une articulation robotique tournent l'un par rapport à l'autre. Si le faisceau de câbles est fixé à différents composants mobiles de chaque côté de l'articulation, le câble peut encore subir une torsion lors de la rotation de l'articulation. Une flexion locale ou un frottement peut également se produire à l'entrée et à la sortie du passage creux.

Par conséquent, une articulation creuse n'élimine pas la nécessité de prendre en compte la flexibilité des câbles, leur résistance à la torsion, leur fixation, leur protection et le jeu nécessaire au mouvement.

Pouvoir faire passer physiquement un câble à travers l'alésage creux n'est que la première étape. Le câble doit également être vérifié sur toute la plage de fonctionnement de l'articulation afin de garantir qu'il ne subit pas de flexion, de torsion, de traction ou d'abrasion excessives.

Quelle doit être la taille de l'alésage creux ?

Une fois le cheminement interne des câbles sélectionné, la question suivante est simple :

Quelle doit être la taille de l'alésage creux ?

L'approche la plus évidente consiste à examiner le nombre de câbles et de tubes pneumatiques qui doivent traverser l'articulation. Toutefois, dans une conception mécanique réelle, il ne suffit pas d'additionner leurs sections transversales.

La première considération porte sur ce qui doit traverser l'alésage pendant l'assemblage.

Le câble lui-même peut être relativement petit, tandis que le connecteur à son extrémité peut être considérablement plus grand. Si un faisceau de câbles préassemblé est utilisé, les dimensions du connecteur peuvent déterminer si le faisceau peut traverser l'alésage creux.

Si le câble est acheminé en premier puis connecté ultérieurement, la conception doit plutôt prendre en compte l'espace de travail interne disponible et la possibilité d'effectuer efficacement les opérations de maintenance futures.

La deuxième considération est la part de l'alésage qui est réellement utilisable.

Les gaines de protection, les bagues, les revêtements et d'autres structures de protection peuvent occuper une partie du diamètre disponible. Plusieurs câbles nécessitent également un jeu entre les lignes individuelles plutôt que de former une section transversale parfaitement compacte.

À la sortie du passage, un espace supplémentaire peut être nécessaire pour permettre aux câbles de changer de direction sans les contraindre à un rayon de courbure trop faible.

Pour ces raisons, choisir un alésage creux qui est simplement « suffisamment grand pour tout contenir » n'est pas un critère d'ingénierie approprié.

La conception du cheminement doit également prévoir une marge suffisante pour l'assemblage, le mouvement et la maintenance.

Un alésage creux plus grand est-il toujours préférable ?

Pas nécessairement.

Lorsque le diamètre et la longueur globaux de l'articulation sont contraints, l'augmentation de l'alésage creux réduit l'espace disponible autour de celui-ci pour le moteur, le réducteur, les roulements et les composants de support structurel.

Pour maintenir la capacité de sortie et la rigidité structurelle requises, l'architecture interne peut devoir être repensée, ou les dimensions globales de l'articulation peuvent devoir augmenter.

L'alésage creux approprié doit donc être déterminé en fonction de l'application réelle.

Les facteurs importants comprennent :

• Les dispositifs qui seront connectés à l'effecteur terminal

• Les spécifications et la quantité des câbles et des tubes pneumatiques

• La manière dont les connecteurs seront installés

• La plage de rotation requise de l'articulation

• Le rayon de courbure requis des câbles

• Les exigences d'assemblage

• Les exigences futures de maintenance ou de remplacement des câbles

Une fois ces exigences clarifiées, la taille d'alésage requise peut être évaluée plus précisément.

Pour une articulation robotique, l'alésage creux est un paramètre dimensionnel.

Pour le robot complet, il s'agit toutefois d'un passage qui doit participer à la conception mécanique, électrique, d'assemblage, de mouvement et de maintenance.

La conception creuse doit être prise en compte dès le début de la conception de l'articulation

La valeur d'une articulation robotique creuse ne réside pas simplement dans le fait qu'elle offre un passage à travers le centre de l'actionneur.

Sa véritable valeur réside dans l'intégration de l'articulation avec les exigences de cheminement des câbles du robot complet.

Lorsque le cheminement interne est pris en compte dès le début du processus de conception mécanique, le robot peut être conçu de sorte que l'articulation dispose d'une capacité de mouvement suffisante tout en maintenant les câbles et les lignes pneumatiques correctement protégés et maîtrisés.

Un actionneur d'articulation creuse bien conçu doit donc équilibrer la taille de l'alésage creux, la rigidité structurelle, l'intégration du moteur et de la transmission, les conditions thermiques, les exigences relatives aux câbles, l'assemblage et la maintenance.

L'objectif n'est pas simplement de rendre l'alésage aussi grand que possible.

L'objectif est de créer un cheminement qui fonctionne avec l'architecture mécanique du robot, afin que l'articulation puisse se déplacer comme requis tout en laissant aux câbles et aux tubes suffisamment d'espace pour fonctionner de manière fiable pendant toute la durée de vie du robot.

Conclusion : concevoir une articulation robotique creuse pour le système robotique complet

Une articulation robotique creuse ne doit pas être évaluée uniquement selon le diamètre de son ouverture centrale.

L'alésage creux fait partie de l'architecture mécanique et électrique du robot. Ses dimensions influencent le cheminement des câbles, l'installation des connecteurs, la protection des câbles, les conditions thermiques, l'intégration structurelle et la maintenance.

Pour les fabricants de robots et les intégrateurs de systèmes, la bonne question n'est donc pas simplement de savoir si une articulation possède un alésage creux, mais si l'actionneur d'articulation creuse fournit un cheminement correspondant à la conception complète du robot.

Lorsque le cheminement des câbles est pris en compte dès le début, l'articulation robotique peut être conçue en fonction des exigences réelles de l'effecteur terminal, de la plage de mouvement, de la configuration des câbles, de la rigidité structurelle et de la durée de vie.

Une conception creuse bien intégrée permet à l'articulation de fournir le mouvement requis tout en offrant aux câbles et aux tubes un chemin contrôlé à travers la structure du robot. L'alésage creux devient ainsi plus qu'une caractéristique structurelle : il constitue une partie importante de l'architecture globale de l'articulation robotique.