Cet article fournit l'analyse et l'introduction les plus complètes des quatre grandes catégories de réducteurs de précision et explique leurs tendances de développement futures, en particulier pour les moteurs de précision.

Classification des réducteurs de précision

Les réducteurs de précision sont principalement classés en réducteurs harmoniques, réducteurs planétaires, réducteurs RV et réducteurs à roue cycloidale.

Réducteur harmonique de précision

Un réducteur harmonique est un nouveau type de mécanisme de réduction qui réalise la transmission par déformation élastique. Il s'écarte du mode de transmission mécanique rigide traditionnel et utilise des composants flexibles pour réaliser la transmission de puissance mécanique. Un réducteur harmonique est principalement constitué de trois composants de base : un générateur d'ondes, un engrenage rigide avec un profil de denture interne (spline circulaire) et un engrenage flexible avec un profil de denture externe (flexspline).

Le générateur d'ondes est un composant de came dont les deux extrémités pressent fermement contre la paroi interne du flexspline. Le flexspline est un engrenage à paroi mince capable de grandes déformations élastiques. Lorsque le générateur d'ondes est inséré dans le flexspline, il force la section transversale du flexspline à passer d'une forme circulaire à une forme elliptique. Aux deux extrémités du grand axe, les dents du flexspline s'engrènent pleinement avec les dents de la spline circulaire, tandis qu'à proximité des deux extrémités du petit axe, les dents sont complètement désengagées de la spline circulaire.

Les réducteurs harmoniques se caractérisent par des rapports de réduction élevés, des contours compacts, un nombre réduit de composants et une efficacité de transmission élevée. Ils sont généralement installés dans l'avant-bras, le poignet ou la main des robots.

Les réducteurs harmoniques réalisent la réduction de vitesse et l'amplification du couple par un mouvement différentiel des dents. Le principe de fonctionnement typique adopte une configuration dans laquelle le générateur d'ondes est l'entrée, la spline circulaire est fixe et le flexspline est la sortie. Le générateur d'ondes elliptique est connecté à l'arbre du moteur et installé à l'intérieur du flexspline circulaire, forçant une déformation élastique. Au niveau du grand axe, les dents du flexspline s'engrènent pleinement avec les dents de la spline circulaire, tandis qu'au petit axe, elles sont complètement désengagées, les autres régions étant dans un état d'engagement transitoire. Lorsque le générateur d'ondes tourne continuellement, le flexspline se déforme de manière répétée et produit un mouvement différentiel des dents. L'état d'engagement change continuellement entre engagement, engrènement complet, désengagement et réengagement, provoquant une rotation lente du flexspline par rapport à la spline circulaire dans le sens opposé au générateur d'ondes, transmettant ainsi le mouvement.

Réducteur planétaire de précision

Un réducteur planétaire de précision est principalement constitué d'un pignon solaire, de satellites, d'un porte-satellites et d'une couronne. Son principe de réduction est basé sur la transmission par engrenages. En fonctionnement, un servomoteur ou autre moteur primaire entraîne le pignon solaire en rotation. L'engrènement entre le pignon solaire et les satellites provoque la rotation des satellites autour de leur propre axe. Simultanément, les satellites s'engrènent avec la couronne interne fixée au carter, les faisant rouler le long de la couronne tout en tournant, formant un mouvement de « révolution » autour du pignon solaire.

Les satellites transmettent le mouvement au porte-satellites, qui est connecté à l'arbre de sortie et délivre le couple de sortie. Typiquement, plusieurs satellites fonctionnent simultanément, partageant la charge et entraînant conjointement la sortie.

Les réducteurs planétaires de précision sont principalement disponibles en structures à un étage et multi-étages. Les réducteurs planétaires multi-étages ajoutent plusieurs étages basés sur une conception à un étage, chaque étage étant constitué d'un pignon solaire, de satellites et d'une couronne, formant une structure en cascade pour réduire davantage la vitesse de sortie et augmenter le couple. Bien que plusieurs satellites répartissent la charge et améliorent la capacité de charge, chaque engrènement supplémentaire réduit l'efficacité de transmission. Pour maintenir la compacité, les réducteurs planétaires multi-étages partagent généralement une couronne commune, qui sert également de carter.

Réducteur RV de précision

Un réducteur RV est un système de réduction à deux étages composé d'un réducteur planétaire de premier étage et d'un réducteur à roue cycloidale de second étage.

Première réduction : Le pignon solaire est connecté au moteur, et le moteur entraîne le pignon solaire en rotation. Le pignon solaire entraîne les satellites, qui sont connectés à un vilebrequin dont les extrémités avant et arrière sont reliées aux satellites et aux engrenages RV (disques cycloidaux). Lorsque les satellites tournent, le vilebrequin tourne à la même vitesse. En raison du nombre de dents plus élevé des satellites, leur vitesse de rotation est inférieure à celle de l'engrenage d'entrée, réalisant la première réduction.

Deuxième réduction : L'arbre d'entrée est le vilebrequin du premier étage. Deux disques cycloidaux (engrenages RV) sont montés sur la partie excentrique du vilebrequin via des roulements à aiguilles. Le nombre de goupilles dans la bague à goupilles du carter est supérieur d'une unité au nombre de dents sur les disques cycloidaux. Lorsque le vilebrequin effectue un tour, les disques cycloidaux complètent un cycle de mouvement excentrique et tournent d'une dent dans le sens opposé au vilebrequin, réalisant une réduction supplémentaire.

Réducteur à roue cycloidale

Le réducteur à roue cycloidale adopte la technologie de transmission cycloidale de précision, proposée pour la première fois par l'ingénieur allemand Lorenz Braren en 1926. Il s'agit d'une transmission planétaire à petite différence de dents utilisant un profil de denture épicycloïdale. Comme ses composants clés sont des disques cycloidaux et des roues à goupilles, il est appelé réducteur à roue cycloidale et est un type de réducteur RV.

Plus précisément, « cycloidal » fait référence au profil réel du disque cycloidal, qui est une courbe équidistante d'une épicycloïde courte. Selon la méthode de roulement interne, un cercle de roulement roule sans glisser à l'intérieur d'un cercle de base fixe, créant une trajectoire cycloidale. Un point fixé au cercle de roulement trace une épicycloïde courte pendant le roulement. En dessinant des cercles de rayon égal centrés sur des points le long de cette trajectoire, l'enveloppe de ces cercles forme le profil de denture réel du disque cycloidal.

Caractéristiques et scénarios d'application des différents réducteurs

Les réducteurs RV se caractérisent par une haute précision, des rapports de réduction élevés, une grande rigidité, une forte capacité de surcharge, une longue durée de vie et une haute résistance à la fatigue, avec des vibrations, un bruit et une consommation d'énergie faibles. Ils sont couramment utilisés dans les articulations de robots nécessitant un couple important, comme les articulations des jambes, de la taille et des coudes, et dans les robots industriels à charge lourde. Les premier, deuxième et troisième axes utilisent généralement des réducteurs RV. En raison de leur large gamme de rapports de réduction, de leur précision stable, de leur haute résistance à la fatigue et de leur grande rigidité et capacité de couple, les réducteurs RV sont particulièrement avantageux dans les positions à charge lourde comme les bras et les bases de robots.

Les réducteurs harmoniques se caractérisent par des rapports de réduction élevés et flexibles, une haute précision, une taille compacte, un poids léger, une transmission fluide, un faible bruit et la capacité de transmettre le mouvement dans des espaces scellés. Comparés aux réducteurs conventionnels, les réducteurs harmoniques atteignent le même couple de sortie avec une taille et un poids plus faibles, ce qui leur confère des avantages dans les avant-bras, poignets et mains de robots. Cependant, leur précision de mouvement diminue avec le temps, ils sont donc généralement utilisés dans les robots industriels à charge légère ou les axes terminaux des grands robots, ainsi que dans l'aérospatiale, l'usinage de précision et les équipements médicaux.

Les réducteurs planétaires sont largement utilisés dans les systèmes d'entraînement à servomoteurs, pas à pas et à courant continu en raison de leur taille compacte et de leur longue durée de vie. Cependant, les réducteurs planétaires à un étage ont des rapports de réduction limités, et atteindre un couple élevé nécessite des configurations multi-étages, ce qui augmente la taille et le poids. Les applications incluent les robots mobiles, les équipements d'énergie nouvelle, les machines-outils haut de gamme et les transports intelligents. Le robot Optimus de Tesla utilise des réducteurs planétaires dans les mains habiles, tandis que certains fabricants de robots les appliquent dans les jambes et les articulations de la hanche.

Les réducteurs à roue cycloidale offrent une grande capacité de charge, une précision de transmission relativement élevée, une taille compacte, un poids léger et une transmission fluide grâce à l'engrènement multi-dents. Bien que leur structure soit complexe et leur précision légèrement inférieure à celle des réducteurs harmoniques, leur grande capacité de charge leur confère un fort potentiel pour les articulations à charge élevée comme les tailles et hanches des robots humanoïdes.

Comparaison des différents réducteurs de précision

Réducteur harmonique : le principe de fonctionnement implique un mouvement du générateur d'ondes entraînant la déformation du flexspline et son engrènement avec la spline circulaire par une petite différence de dents pour réaliser la réduction ; la structure est composée du générateur d'ondes, du flexspline et de la spline circulaire ; prix unitaire plus élevé ; poids plus faible ; haute précision de transmission ; efficacité relativement élevée ; rapport de réduction élevé ; durée de vie de conception longue ; rigidité torsionnelle relativement élevée ; avantages incluent un rapport de réduction élevé, une haute précision, une structure compacte et un poids léger ; inconvénients incluent une capacité de charge limitée et une durée de vie plus courte.

Réducteur planétaire : le principe de fonctionnement implique la rotation des satellites sous l'entraînement du pignon solaire ; structure simple composée du pignon solaire, des satellites et de la couronne ; prix unitaire plus bas ; poids plus faible ; précision de transmission moyenne ; efficacité élevée ; rapport de réduction modéré ; durée de vie de conception longue ; rigidité torsionnelle élevée ; avantages incluent une structure simple et une conception compacte à un étage ; inconvénients incluent un rapport de réduction plus faible et un couple de sortie plus faible.

Réducteur RV : transmission à deux étages avec étages planétaire et cycloidal ; structure complexe avec de nombreux composants ; prix unitaire élevé ; poids plus élevé ; haute précision de transmission ; efficacité élevée ; rapport de réduction élevé ; durée de vie de conception longue ; rigidité torsionnelle élevée ; avantages incluent une forte capacité de charge, une rigidité torsionnelle élevée et une précision stable ; inconvénients incluent une grande taille et des scénarios d'application limités.

Réducteur à roue cycloidale : le principe de fonctionnement implique un mouvement excentrique entraînant les disques cycloidaux à tourner autour des roues à goupilles en utilisant une petite différence de dents ; structure incluant des disques cycloidaux, des roues à goupilles et des arbres excentriques ; prix unitaire relativement élevé ; poids plus faible ; précision de transmission relativement élevée ; efficacité élevée ; rapport de réduction élevé ; durée de vie de conception longue ; rigidité torsionnelle élevée ; avantages incluent une grande capacité de charge, une taille compacte, un poids léger et une transmission fluide ; inconvénients incluent une fabrication complexe et une précision inférieure à celle des réducteurs harmoniques.

Principes, paramètres, avantages et inconvénients des réducteurs de précision

Les indicateurs techniques clés des réducteurs de précision incluent la rigidité torsionnelle, le rapport de réduction, l'efficacité de transmission, la précision de transmission, l'erreur de transmission, le couple de démarrage, le jeu perdu et le backlash.

La rigidité torsionnelle désigne la capacité d'un composant à résister à la déformation torsionnelle sous un couple, ou le rapport entre le couple de charge nominale et la déformation angulaire élastique, influencée par la conception structurelle, la méthode de support des roulements, le type de roulement, la rigidité et la précision des engrenages, et le rapport de réduction.

Le rapport de réduction est le rapport entre la vitesse d'entrée et la vitesse de sortie ; un rapport de réduction plus important entraîne une vitesse de sortie plus faible et un couple plus élevé, influencé par le nombre de dents des engrenages et le nombre d'étages de réduction.

L'efficacité de transmission est le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée et est affectée par le rapport de réduction, la vitesse, le couple de charge, la température, les conditions de lubrification, le choix des matériaux, les étages de transmission, la conception structurelle, la précision des engrenages, le positionnement des engrenages et la qualité d'assemblage.

La précision de transmission et l'erreur de transmission décrivent à quel point l'angle de sortie réel correspond à l'angle théorique pendant une rotation unidirectionnelle de l'entrée ; elles sont influencées par la conception, l'usinage, l'assemblage et la lubrification.

Le couple de démarrage est le couple requis pour un démarrage à vide et est influencé par la conception structurelle, le rapport de réduction, les coefficients de frottement et la qualité des roulements.

Le jeu perdu fait référence au décalage angulaire de l'arbre de sortie lorsque l'arbre d'entrée inverse sa direction et est influencé par la conception, la qualité de fabrication, l'usure, l'installation et l'ajustement.

Le backlash fait référence au petit déplacement angulaire à l'entrée lorsque la sortie et le carter sont fixés et qu'un couple nominal de ±2 % est appliqué alternativement ; il est affecté par la précision des engrenages, la précision des roulements, l'épaisseur du film d'huile, la précision des machines-outils, la précision d'assemblage et la température de fonctionnement.

Pourquoi les moteurs de précision sont la tendance future

Un moteur de précision est un module intégré combinant un réducteur de précision avec un moteur. Avec le développement rapide de l'automatisation industrielle, des robots humanoïdes, des équipements semi-conducteurs et des dispositifs médicaux, la demande pour des solutions intégrées de réducteur-moteur continue de croître.

Qu'est-ce qu'un moteur à engrenages harmoniques ?

Un moteur à engrenages harmoniques se compose d'un engrenage harmonique, d'un moteur à couple sans cadre, d'un frein, d'un codeur et d'une unité d'entraînement. En tant que composant clé de l'industrie robotique, les avancées technologiques des moteurs à engrenages harmoniques continueront de promouvoir le développement des robots spécialisés et des robots humanoïdes vers une plus grande flexibilité et des scénarios d'application plus larges. Au-delà de la robotique, les moteurs d'articulation de robots sont également utilisés dans les équipements semi-conducteurs, les équipements photovoltaïques, les équipements médicaux de précision, les équipements 3C, les équipements optiques et d'autres domaines.

Qu'est-ce qu'un moteur à réducteur planétaire ?

Le moteur à réducteur planétaire est un composant central des systèmes de puissance robotiques. Grâce à une conception hautement intégrée combinant un réducteur planétaire, un moteur à couple sans cadre, un frein, un codeur et un entraînement, il réalise une optimisation significative en volume et en poids et permet un contrôle précis du mouvement des articulations. Cela se traduit par un couple plus important, une taille plus petite et un poids plus léger. Comparé aux moteurs à engrenages harmoniques, les moteurs à réducteur planétaire présentent des rapports de réduction plus faibles, des vitesses de sortie plus élevées et une densité de couple plus élevée, les rendant plus adaptés aux applications à charge moyenne à faible. Des services de personnalisation adaptés aux exigences spécifiques des clients sont également disponibles. Avec des avantages tels que des performances à haute vitesse, une résistance aux chocs et une conception compacte et légère, les modules d'articulation planétaires standard sont devenus des solutions préférées pour les robots humanoïdes, les robots spécialisés, les AGV logistiques et l'automatisation industrielle, améliorant les performances robotiques et élargissant les scénarios d'application.

Qu'est-ce qu'un réducteur RV à bride ?

Le réducteur RV intégré à bride est un dispositif de réduction de haute précision conçu pour les machines avancées. Son mécanisme interne présente une combinaison unique à deux étages d'engrenages cycloidaux et planétaires enfermés dans une unité scellée. Le réducteur est fourni entièrement assemblé avec une bride intégrée et pré-lubrifié avec une graisse spéciale, permettant une installation directe et une utilisation immédiate avec un servomoteur sans préparation supplémentaire.

Les réducteurs RV sont couramment utilisés dans les robots industriels, en particulier dans les bases et les articulations à charge élevée (articulations 1 à 4) pour les bras robotiques avec des charges utiles de 20 kg ou moins. Lorsque la charge utile dépasse 20 kg, les six articulations sont généralement équipées de réducteurs RV. Ces réducteurs jouent un rôle critique dans le maintien de la précision de positionnement.

Le réducteur RV intégré à bride est une version spécialisée développée en incorporant un joint à bride dans la conception traditionnelle du réducteur RV. Similaire aux réducteurs RV standard, les modèles intégrés à bride sont classés en deux types : la série E intégrée à bride avec un arbre plein et la série C intégrée à bride avec un arbre creux.

Les réducteurs de précision évoluent vers des améliorations simultanées de performance et une intégration mécatronique plus profonde. En particulier, les réducteurs harmoniques doivent adopter l'intégration mécatronique en combinant des réducteurs harmoniques avec des moteurs, des codeurs, des freins, des capteurs et d'autres composants pour fournir des produits modulaires à haute valeur ajoutée, permettant de meilleures applications dans les robots humanoïdes, les équipements semi-conducteurs, les systèmes optiques et les industries de mesure de précision.