Comment choisir un moteur d’articulation robotique pour de meilleures performances de l’effecteur terminal ?

Introduction

Lors de la conception d’un bras robotisé, le choix du bon moteur d’articulation robotique ne consiste pas simplement à sélectionner le couple le plus élevé, la plus petite taille ou la technologie de transmission la plus avancée. L’objectif final de chaque articulation robotique est de soutenir le mouvement et les performances de l’effecteur terminal.

Un bras robotisé peut utiliser une pince, un outil à vide, une caméra, une torche de soudage, un dispositif d’inspection, une tête de dosage, un tournevis ou un autre outil spécialisé. Chaque effecteur terminal génère des exigences différentes en matière de capacité de charge utile, de vitesse de mouvement, d’accélération, de stabilité de positionnement et de réponse dynamique.

Pour cette raison, la sélection d’un moteur d’articulation robotique doit commencer par les performances requises à l’extrémité du bras robotisé.

La masse, le centre de gravité, les dimensions, le cycle de mouvement, les exigences d’accélération et la tâche de travail de l’effecteur terminal influencent tous les performances requises des articulations du robot. Ces exigences peuvent ensuite être traduites en couple moteur, vitesse de sortie, rapport de réduction, masse de l’articulation et caractéristiques de transmission.

Dans de nombreux systèmes robotiques, un moteur d’articulation harmonique ou un moteur d’articulation planétaire peut constituer une solution efficace. Le meilleur choix dépend des performances exigées du bras robotisé complet plutôt que des spécifications d’un seul composant.

Cet article explique comment les exigences de l’effecteur terminal influencent la sélection du moteur d’articulation robotique et comment les ingénieurs peuvent évaluer les moteurs d’articulation harmoniques et les moteurs d’articulation planétaires en fonction des performances réelles du bras robotisé.

Pourquoi la sélection du moteur d’articulation robotique doit-elle commencer par l’effecteur terminal？

L’effecteur terminal est l’endroit où un bras robotisé effectue son travail réel.

Un moteur d’articulation robotique ne crée pas de valeur simplement en générant du couple. Son objectif est de déplacer les maillons du bras robotisé afin que l’effecteur terminal puisse atteindre, positionner, accélérer, décélérer et interagir avec une pièce ou l’environnement alentour.

Cela signifie que les performances finales du robot doivent être évaluées au niveau de l’effecteur terminal.

Un robot peut disposer d’un couple articulaire suffisant tout en présentant de mauvaises performances au niveau de l’effecteur terminal. Le bras peut vibrer après un mouvement rapide, accélérer trop lentement, nécessiter un temps excessif pour se stabiliser ou subir des changements de position sous charge externe.

Par conséquent, la première étape de la sélection d’un moteur d’articulation robotique doit être de définir ce que l’effecteur terminal doit accomplir.

La charge utile requise, la masse de l’outil, le centre de gravité, la plage de travail, la vitesse maximale, l’accélération, la stabilité de positionnement et le cycle de fonctionnement doivent tous être pris en compte.

Une fois ces exigences définies, les ingénieurs peuvent évaluer les performances requises du bras robotisé complet, puis sélectionner le moteur d’articulation robotique approprié pour chaque axe.

Comment la masse de l’effecteur terminal affecte-t-elle les exigences du moteur d’articulation robotique？

L’ensemble effecteur terminal comprend souvent plus que l’outil lui-même.

Un ensemble terminal robotique complet peut inclure une pince, un changeur d’outils, un capteur de force, une caméra, des câbles, des connecteurs, des composants de vide, des équipements de procédé et la pièce.

Tous ces composants contribuent à la charge supportée par le bras robotisé.

Toutefois, la sélection d’un moteur d’articulation robotique ne doit pas se fonder uniquement sur la masse.

La position du centre de gravité est tout aussi importante.

Un outil compact et lourd peut créer un moment articulaire inférieur à celui d’un outil plus léger qui s’étend à une distance importante de la bride du robot.

Dans une condition statique simplifiée, le moment de charge peut être représenté comme suit :

T = m ×g×L

où T est le couple requis, m est la masse, g est l’accélération gravitationnelle et L est la distance effective entre l’axe de l’articulation et le centre de gravité.

Lorsque le bras robotisé change de position, le bras de levier effectif peut également changer.

Cela signifie que les exigences du moteur d’articulation robotique doivent être calculées en fonction de toute la plage de mouvement plutôt que d’une seule position statique.

Pourquoi l’inertie de l’outil est-elle importante lors de la sélection d’un moteur d’articulation robotique？

La masse de l’effecteur terminal n’est qu’une partie de la charge dynamique.

L’inertie de rotation de l’outil peut avoir une influence majeure sur les performances du moteur d’articulation robotique.

Un outil présentant un déport important par rapport à l’axe de rotation peut nécessiter un couple d’accélération important, même lorsque sa masse totale est relativement faible.

L’inertie de rotation peut être simplifiée comme suit :

J = m×r²

où J représente l’inertie de rotation, m représente la masse et r représente la distance entre la masse et l’axe de rotation.

La relation quadratique avec la distance signifie qu’une augmentation de la distance entre la masse de l’outil et l’axe de rotation peut accroître considérablement l’inertie.

Pendant l’accélération et la décélération, le moteur d’articulation robotique doit générer un couple supplémentaire.

Ce couple dynamique peut être représenté comme suit :

T = J× α

où α est l’accélération angulaire.

Pour les bras robotisés équipés de longues pinces, d’outils d’inspection, de caméras, de têtes de procédé ou de changeurs d’outils étendus, l’inertie doit donc être évaluée avec la capacité de charge utile.

Un moteur d’articulation robotique qui semble suffisant sur la base du couple statique peut ne pas fournir les performances dynamiques requises lors de mouvements rapides.

Comment la masse du moteur d’articulation robotique influence-t-elle la dynamique du bras robotisé？

La masse d’un moteur d’articulation robotique devient une partie du bras robotisé lui-même.

Cela est particulièrement important pour les articulations situées plus loin de la base du robot.

Une articulation lourde proche de l’extrémité du bras devient une charge en aval pour les autres articulations du robot. Cette masse supplémentaire doit être accélérée et décélérée à chaque cycle de mouvement.

Par conséquent, sélectionner un moteur d’articulation inutilement grand pour un axe peut augmenter les exigences de couple des autres axes.

Cet effet peut devenir cumulatif.

Un moteur d’articulation plus grand peut accroître la masse en aval. Une masse en aval plus élevée peut exiger un moteur en amont plus grand. Le moteur en amont plus grand ajoute alors davantage de masse à la structure robotique.

C’est pourquoi la sélection d’un moteur d’articulation robotique doit prendre en compte la répartition des masses du bras robotisé complet.

Pour les applications à grande vitesse, réduire la masse distale inutile peut contribuer à améliorer l’accélération de l’effecteur terminal et à réduire la charge mécanique sur l’ensemble du robot.

Pourquoi la densité de couple est-elle importante pour les performances de l’effecteur terminal？

La densité de couple est un paramètre important lors de la sélection d’un moteur d’articulation robotique, car les systèmes robotiques doivent équilibrer la capacité de sortie avec la taille et la masse.

Un moteur d’articulation compact offrant un couple suffisant peut contribuer à réduire les dimensions du bras robotisé. Une articulation légère peut réduire la masse en aval. Une masse en aval plus faible peut réduire le couple requis des autres articulations.

Ces avantages peuvent améliorer les performances dynamiques de l’effecteur terminal.

Toutefois, l’objectif n’est pas simplement de choisir le plus petit moteur d’articulation robotique possible.

Un moteur sous-dimensionné peut présenter un couple continu insuffisant, une capacité thermique limitée ou une faible capacité de surcharge.

L’objectif est de sélectionner un moteur d’articulation robotique qui assure un équilibre approprié entre le couple de sortie, la masse de l’articulation, les dimensions d’installation et les exigences dynamiques.

Cela est particulièrement important lors de la conception de bras robotisés pour la manutention à grande vitesse, l’inspection, le chargement de machines et l’assemblage automatisé.

Moteur d’articulation harmonique et performances de l’effecteur terminal

Un moteur d’articulation harmonique est généralement conçu en combinant un moteur avec un système de transmission harmonique et d’autres composants de mouvement dans une structure d’articulation compacte.

Ce type de solution peut être avantageux lorsqu’un bras robotisé exige un rapport de réduction élevé dans un espace d’installation compact.

Pour les systèmes robotiques, un moteur d’articulation harmonique peut soutenir une architecture mécanique compacte tout en fournissant un couple de sortie élevé par rapport à sa taille.

Cela peut être utile lorsque l’espace d’installation est limité ou lorsque la réduction des dimensions de l’articulation aide à améliorer la conception globale du bras robotisé.

La technologie de transmission harmonique peut également convenir aux applications dans lesquelles un positionnement rotatif contrôlé est important.

Par exemple, les bras robotisés utilisés pour l’assemblage de précision, l’inspection, les équipements d’automatisation compacts et la manutention contrôlée de matériaux peuvent bénéficier d’un moteur d’articulation harmonique lorsque la combinaison requise de couple, de dimensions et de performances de positionnement correspond aux caractéristiques du système.

Toutefois, un moteur d’articulation harmonique doit toujours être évalué en fonction de l’application robotique complète.

La vitesse de sortie requise, le cycle de service, la charge externe, l’accélération, la rigidité mécanique et l’inertie de l’effecteur terminal doivent tous être pris en compte avant la sélection finale.

Moteur d’articulation planétaire et performances de l’effecteur terminal

Un moteur d’articulation planétaire utilise un système de réduction planétaire pour assurer la conversion de vitesse et de couple au sein de l’articulation du robot.

Les systèmes de transmission planétaire sont largement utilisés dans les applications de mouvement industriel et peuvent offrir une approche flexible en matière de rapport de réduction et de configuration des performances.

Pour les bras robotisés, un moteur d’articulation planétaire peut convenir lorsque la vitesse de sortie, le couple, le rendement et la configuration système requis correspondent aux caractéristiques de l’application.

Différents rapports de réduction peuvent prendre en charge différentes relations entre la vitesse du moteur et la vitesse de sortie.

Cela peut être utile lorsque le bras robotisé exige un équilibre particulier entre mouvement rapide et couple de sortie.

Un moteur d’articulation planétaire ne doit pas être considéré simplement comme une alternative moins performante à un moteur d’articulation harmonique.

Les deux technologies présentent des caractéristiques mécaniques différentes.

Le choix approprié dépend de la tâche de l’effecteur terminal, du profil de mouvement requis, de l’espace d’installation disponible, du couple de sortie, des exigences de vitesse et de l’architecture complète du bras robotisé.Moteur d’articulation harmonique vs. moteur d’articulation planétaire

La comparaison entre un moteur d’articulation harmonique et un moteur d’articulation planétaire doit commencer par la tâche robotique plutôt que par une affirmation générale sur la technologie qui serait meilleure.

Un moteur d’articulation harmonique peut être plus adapté lorsque le bras robotisé exige une structure compacte, un rapport de réduction élevé, une forte densité de couple et un mouvement rotatif précis dans un espace d’installation limité.

Un moteur d’articulation planétaire peut être approprié lorsque l’application exige un équilibre différent entre vitesse de sortie, efficacité de transmission, rapport de réduction et configuration mécanique.

La décision finale doit prendre en compte la condition de fonctionnement complète.

Cela comprend la masse de l’effecteur terminal, la charge utile, le centre de gravité, l’inertie de l’outil, la vitesse requise, l’accélération, le cycle de service, les dimensions du bras robotisé et les exigences d’installation.

Le meilleur moteur d’articulation robotique n’est pas nécessairement celui qui possède le couple le plus élevé ou la technologie de transmission la plus complexe.

C’est le moteur d’articulation qui permet au bras robotisé complet d’atteindre les performances requises de l’effecteur terminal de manière efficace et fiable.

Comment la rigidité de l’articulation affecte-t-elle la stabilité de l’effecteur terminal？

La stabilité de l’effecteur terminal est influencée par la structure mécanique complète du bras robotisé.

Les articulations, les systèmes de transmission, les roulements, les carters, les interfaces de montage et les maillons du robot peuvent tous subir une légère déformation mécanique sous charge.

Ces effets peuvent s’accumuler dans l’ensemble du bras robotisé.

Pour un robot à longue portée, un petit déplacement angulaire près de la base peut produire un changement de position plus important au niveau de l’effecteur terminal.

Cela signifie que le couple de sortie seul ne suffit pas à évaluer un moteur d’articulation robotique.

La rigidité mécanique doit également être prise en compte lorsque l’application exige un positionnement stable de l’outil.

Cela est particulièrement pertinent pour les applications robotiques impliquant l’assemblage de précision, l’inspection, l’insertion, le dosage, le polissage et d’autres tâches pour lesquelles la relation entre l’effecteur terminal et la pièce doit rester stable.

L’objectif est d’évaluer le moteur d’articulation comme faisant partie du système mécanique complet.

Réponse dynamique et temps de stabilisation de l’effecteur terminal

Un robot peut être capable d’atteindre rapidement une position cible tout en nécessitant encore un temps supplémentaire pour que l’effecteur terminal se stabilise.

Après l’accélération et la décélération, les vibrations au sein du bras robotisé peuvent affecter le comportement de stabilisation de l’effecteur terminal.

Ce temps de stabilisation peut influencer directement le cycle de production réel.

Par exemple, augmenter la vitesse maximale du robot n’augmente pas toujours la productivité si le robot doit attendre que les vibrations diminuent avant que l’effecteur terminal puisse commencer son opération suivante.

La sélection du moteur d’articulation robotique peut influencer ce comportement par des facteurs tels que la masse de l’articulation, l’inertie de sortie, la rigidité mécanique, les caractéristiques de transmission et l’interaction dynamique entre les axes du robot.

Pour l’automatisation à grande vitesse, les ingénieurs doivent donc prendre en compte la rapidité avec laquelle l’effecteur terminal peut se déplacer, s’arrêter et se stabiliser.

L’objectif ne doit pas être uniquement une vitesse maximale élevée.

L’objectif doit être une performance de mouvement efficace tout au long du cycle de fonctionnement complet.

Sélection d’un moteur d’articulation robotique pour différentes tâches d’effecteur terminal

Différents effecteurs terminaux créent différentes exigences pour le moteur d’articulation robotique.

Une pince de manutention peut exiger une forte capacité de charge utile et un mouvement répétitif efficace. Un outil d’assemblage de précision peut exiger un positionnement contrôlé et un mouvement stable. Un système de vision peut exiger de faibles vibrations et une stabilisation rapide. Un outil de procédé peut exiger un fonctionnement continu sous des charges externes variables.

Pour cette raison, la sélection du moteur d’articulation robotique doit être fondée sur la tâche de travail réelle.

La tâche définit les exigences de l’effecteur terminal.

Les exigences de l’effecteur terminal définissent les performances requises du bras robotisé.

Les exigences de performance du bras robotisé définissent ensuite les exigences de couple, de vitesse, de masse, de rigidité et de transmission de chaque moteur d’articulation robotique.

Cette approche à l’échelle du système aide à éviter de sélectionner des articulations robotiques sur la seule base des spécifications de catalogue.

Une méthode à l’échelle du système pour la sélection d’un moteur d’articulation robotique

Un processus pratique de sélection d’un moteur d’articulation robotique commence par la définition de l’effecteur terminal et de la tâche.

L’ensemble terminal complet doit inclure la masse de l’outil, de la charge utile, des capteurs, des connecteurs, des câbles et des autres équipements installés.

Le centre de gravité et l’inertie de rotation doivent ensuite être évalués.

La plage de mouvement, la vitesse, l’accélération et le temps de cycle requis peuvent être utilisés pour établir les exigences de performance dynamique du bras robotisé.

Un modèle mécanique peut ensuite être utilisé pour estimer les charges statiques et dynamiques subies par chaque articulation sur toute la plage de travail.

Les caractéristiques requises des articulations peuvent ensuite être évaluées selon le couple de sortie, les exigences de fonctionnement continu, la vitesse, la masse, les dimensions, la configuration de transmission et les conditions d’installation.

Après la sélection préliminaire des moteurs d’articulation, leur masse et leurs dimensions réelles doivent être intégrées au modèle complet du bras robotisé.

Le système peut ensuite être évalué à nouveau afin de déterminer comment les moteurs d’articulation robotique sélectionnés influencent les performances finales de l’effecteur terminal.

Cette approche itérative peut aider les ingénieurs à éviter un surdimensionnement inutile tout en maintenant des performances et une fiabilité suffisantes.

Solutions de moteurs d’articulation harmoniques et planétaires HONPINE

HONPINE fournit des produits de mouvement intégrés pour les applications robotiques et d’automatisation industrielle, y compris des moteurs d’articulation harmoniques et des solutions de moteurs d’articulation planétaires.

Différentes applications robotiques peuvent exiger différentes combinaisons de couple de sortie, de rapport de réduction, de vitesse, de dimensions et de masse d’articulation.

Pour cette raison, la sélection du moteur d’articulation robotique doit prendre en compte le système robotique complet plutôt qu’une spécification individuelle.

Les informations importantes sur l’application peuvent inclure le type d’effecteur terminal, la charge utile, la masse de l’outil, le centre de gravité, la portée du bras robotisé, la masse des maillons, la vitesse de sortie requise, l’accélération, le cycle de fonctionnement et l’espace d’installation disponible.

Ces paramètres peuvent constituer une base pour évaluer les exigences de performance de chaque articulation.

Selon l’application, un moteur d’articulation harmonique peut offrir des avantages pour les architectures robotiques compactes exigeant des rapports de réduction élevés et une forte densité de couple.

Un moteur d’articulation planétaire peut fournir une solution alternative lorsqu’un équilibre différent entre vitesse de sortie, configuration de transmission et exigences mécaniques est nécessaire.

En évaluant le bras robotisé complet et les performances requises au niveau de l’effecteur terminal, les concepteurs peuvent sélectionner une architecture de moteur d’articulation plus équilibrée pour l’application.

Conclusion

Les performances d’un bras robotisé sont en définitive mesurées au niveau de l’effecteur terminal.

Pour cette raison, la sélection du moteur d’articulation robotique doit commencer par la tâche finale plutôt que par une spécification de produit.

La masse et le centre de gravité de l’effecteur terminal influencent la charge des articulations. L’inertie de l’outil influence les exigences d’accélération. La masse de l’articulation affecte les performances dynamiques du bras robotisé complet. La rigidité mécanique influence la stabilité de l’effecteur terminal. Les performances combinées de toutes les articulations du robot affectent la rapidité avec laquelle l’effecteur terminal peut se déplacer et se stabiliser.

Un moteur d’articulation harmonique et un moteur d’articulation planétaire peuvent tous deux constituer des solutions efficaces pour les systèmes robotiques, mais ils doivent être sélectionnés selon les exigences réelles de l’application.

Le meilleur moteur d’articulation robotique n’est pas simplement la solution la plus puissante, la plus petite ou celle présentant le rapport le plus élevé.

C’est le moteur d’articulation qui assure le bon équilibre entre couple, vitesse, masse, dimensions, performances dynamiques et fiabilité pour le bras robotisé complet.

En partant des exigences de l’effecteur terminal et en remontant à travers le bras robotisé, les ingénieurs peuvent développer une architecture de moteur d’articulation plus efficace et orientée vers l’application.

HONPINE fournit des solutions de moteurs d’articulation harmoniques et planétaires pour les applications robotiques et d’automatisation, aidant les concepteurs de systèmes à évaluer des solutions intégrées de mouvement rotatif selon les exigences de performance de leurs systèmes robotiques complets.