Réducteurs de précision pour robots industriels : de la transmission conventionnelle à la technologie de compensation automatique du jeu

Bonjour à tous, je suis Theodore Li, directeur technique chez HONPINE. Aujourd’hui, je souhaiterais parler des réducteurs de précision destinés aux robots industriels.

Qu’est-ce qu’un réducteur de précision ?

Selon les classifications couramment utilisées dans l’industrie, les réducteurs de précision se caractérisent généralement par une faible erreur de transmission et un faible jeu, avec des exigences de précision atteignant typiquement le niveau de la minute d’arc ou mieux.

Le jeu est l’un des facteurs clés affectant les performances de positionnement. Le jeu entre les engrenages en prise peut créer un mouvement perdu entre les arbres d’entrée et de sortie, affectant directement la précision de positionnement, la répétabilité et les performances de commande du mouvement.

En fonction du mécanisme de transmission principal, les réducteurs de précision peuvent généralement être divisés en quatre grandes catégories.

Réducteurs cycloïdaux de précision

Les réducteurs RV et les réducteurs cycloïdaux à broches en sont des exemples représentatifs. Ils offrent une capacité de charge élevée et une bonne résistance aux charges d’impact, mais leurs structures sont relativement complexes et leurs coûts de fabrication peuvent être élevés.

Réducteurs harmoniques

La transmission harmonique repose sur la déformation élastique de la couronne flexible pour transmettre le mouvement et le couple. Cette architecture offre des rapports de réduction élevés, des dimensions compactes et une haute précision de transmission, mais sa rigidité torsionnelle et sa capacité de charge peuvent être inférieures à celles de certaines architectures de transmission rigides, ce qui rend le choix de l’application particulièrement important dans des conditions de charges élevées.

Réducteurs planétaires de précision

La transmission planétaire offre un rendement élevé, une densité de couple élevée et une structure de transmission relativement rigide. Toutefois, les architectures planétaires conventionnelles présentent généralement des limites en matière de rapport de réduction à un seul étage et de jeu par rapport aux technologies spécialisées de transmission de précision.

Pourquoi les robots industriels imposent-ils des exigences plus élevées aux réducteurs de précision ?

Les applications de robots industriels se sont développées en segments hautement spécialisés. Les différents niveaux de charge utile, procédés, profils de mouvement et configurations d’articulations imposent des exigences différentes en matière de précision de transmission, de capacité de couple, de rigidité et de durée de vie.

Le réducteur de précision approprié peut donc varier non seulement entre différents types de robots industriels, mais également entre différentes articulations d’un même robot.

Robots à six axes avec une charge utile inférieure à 10 kg

Pour les robots légers à six axes, les dimensions compactes et la précision sont souvent prioritaires.

Les six articulations peuvent utiliser des réducteurs harmoniques, en particulier lorsque le robot nécessite une transmission compacte avec un rapport de réduction élevé et une commande précise du mouvement.

La taille compacte, le faible poids, le rapport de réduction élevé et la précision de la transmission harmonique la rendent adaptée aux robots légers fonctionnant dans des enveloppes mécaniques restreintes.

Robots à six axes avec une charge utile de 10 à 50 kg

Les robots à six axes de charge utile moyenne sont couramment utilisés pour des applications telles que la manutention de composants automobiles, le traitement des métaux et d’autres opérations industrielles exigeant un équilibre entre capacité de charge utile, précision de mouvement et stabilité.

Ces robots peuvent combiner des réducteurs harmoniques et RV en fonction des exigences des différentes articulations.

Par exemple, la transmission harmonique peut être utilisée dans les articulations du poignet et de l’effecteur terminal, où des dimensions compactes, des rapports de réduction élevés et un mouvement précis sont importants, tandis que la transmission RV peut être utilisée dans les articulations soumises à des charges plus élevées exigeant une plus grande rigidité et capacité de charge.

Robots à six axes avec une charge utile supérieure à 50 kg

Les robots à six axes à forte charge utile nécessitent une capacité de charge élevée et une précision stable dans des conditions de fonctionnement exigeantes.

Les réducteurs RV sont largement utilisés dans les articulations de robots à forte charge, car leur architecture de transmission offre une rigidité élevée et peut supporter des charges radiales et axiales importantes.

Ces caractéristiques sont particulièrement importantes lorsque des robots à forte charge utile sont utilisés pour la manutention de matériaux, le soudage, l’usinage et d’autres opérations impliquant de grandes pièces.

Robots SCARA avec une charge utile inférieure à 20 kg

Les robots SCARA imposent des exigences particulièrement élevées en matière de précision de positionnement et de répétabilité.

Les articulations rotatives nécessitent donc des systèmes de transmission offrant une bonne précision et une bonne réponse dynamique. Une transmission harmonique peut être utilisée dans les articulations rotatives, tandis que le mécanisme vertical de l’axe Z peut utiliser une transmission planétaire, un entraînement par courroie ou une autre architecture adaptée au mouvement linéaire.

Robots parallèles et Delta

Les robots parallèles et Delta se caractérisent par une vitesse élevée et une forte rigidité structurelle, tandis que les exigences de transmission de leurs articulations sont fortement influencées par l’architecture et le profil de mouvement du robot.

De nombreux robots parallèles utilisent des réducteurs planétaires à faible rapport dans les articulations de base afin de permettre des mouvements à grande vitesse et de maintenir une faible inertie réfléchie.

Selon la conception, une transmission cycloïdale ou harmonique peut également être utilisée dans les articulations de base.

Pour les axes supplémentaires ou les mécanismes en bout de bras, des réducteurs planétaires sont couramment utilisés. Toutefois, dans les applications d’assemblage de haute précision, un réducteur harmonique peut également être sélectionné pour l’articulation terminale afin d’améliorer les performances de positionnement.

Pourquoi les réducteurs planétaires conventionnels sont-ils confrontés à un défi de précision ?

Dans de nombreuses applications de fabrication de précision, les systèmes de transmission harmonique et RV ont traditionnellement occupé des positions importantes dans la robotique industrielle.

Malgré leur rendement élevé, leur rigidité et leur densité de couple, les réducteurs planétaires conventionnels ont historiquement rencontré des difficultés pour atteindre le même niveau de précision et d’intégration compacte que les systèmes spécialisés de transmission harmonique ou RV.

Les réducteurs planétaires de précision haut de gamme peuvent néanmoins atteindre un jeu très faible et restent adaptés aux applications exigeantes. Certains produits planétaires de précision peuvent atteindre des niveaux de jeu inférieurs à 60 secondes d’arc, offrant une alternative pour les applications nécessitant une haute précision de positionnement.

Cependant, une haute précision peut s’accompagner de coûts de produit plus élevés et de délais de livraison plus longs selon le fournisseur et la configuration.

Alors que le marché de la robotique industrielle continue de se développer et que les fabricants de robots exigent des cycles de développement plus rapides et des chaînes d’approvisionnement plus flexibles, cela crée une opportunité pour de nouvelles architectures de transmission planétaire de précision.

L’approche de HONPINE en matière de transmission planétaire de précision

Chez HONPINE, nous travaillons sur une approche différente de la transmission planétaire.

En introduisant une technologie d’auto-compensation du jeu, HONPINE vise à améliorer la précision, la rigidité et le maintien de la précision des systèmes de transmission planétaire.

Cette technologie est conçue pour des applications telles que les robots industriels et les machines-outils, où le maintien de la précision de transmission pendant un fonctionnement à long terme est particulièrement important.

L’objectif n’est pas simplement de réduire le jeu initial, mais de relever l’un des défis fondamentaux de la transmission de précision : maintenir la précision à mesure que les composants mécaniques s’usent au fil du temps.

Quels défis techniques les actionneurs planétaires auto-compensateurs peuvent-ils relever ?

Les systèmes traditionnels de transmission de précision sont confrontés à un problème inévitable : l’usure mécanique peut progressivement affecter la précision de transmission.

Lors d’un fonctionnement à long terme, l’engrènement continu des engrenages et les cycles de charge répétés peuvent modifier le jeu effectif entre les composants en prise. À mesure que le jeu augmente, le mouvement perdu peut augmenter et la précision de positionnement peut se dégrader progressivement.

Pour les équipements tels que les robots industriels et les machines-outils, cette perte de précision peut à terme affecter la qualité du procédé, la répétabilité et la durée de vie.

La technologie d’auto-compensation du jeu apporte une approche différente à ce problème.

Compensation automatique du jeu pendant l’usure

Contrairement aux structures conventionnelles de réduction passive du jeu, une transmission auto-compensatrice intègre un mécanisme de compensation adaptatif au sein du système de transmission.

À mesure que les composants de transmission s’usent, le mécanisme peut compenser les variations du jeu effectif des engrenages et maintenir une relation de transmission plus stable.

L’objectif est de réduire la vitesse à laquelle la précision de transmission se dégrade pendant un fonctionnement à long terme et de prolonger la durée de vie utile de précision du réducteur.

Cette distinction est importante.

Réduire le jeu initial et maintenir un faible jeu pendant toute la durée de vie sont deux objectifs d’ingénierie différents. Une transmission de précision doit donc être évaluée non seulement selon sa spécification de jeu initial, mais aussi selon l’évolution de sa précision de transmission après une utilisation prolongée.

Technologie d’auto-compensation du jeu pour transmission harmonique

L’approche auto-compensatrice de HONPINE ne se limite pas à la transmission planétaire.

Nous avons également développé une architecture de transmission harmonique auto-compensatrice à double couronne flexible, conçue pour maintenir un faible jeu effectif pendant un fonctionnement à long terme.

Transmission harmonique auto-compensatrice à double couronne flexible

La transmission harmonique HONPINE à double couronne flexible utilise un agencement structurel comprenant des couronnes flexibles intérieure et extérieure ainsi qu’une bague de limitation.

Cette architecture est conçue pour supprimer continuellement le jeu effectif et maintenir des performances de transmission stables en fonctionnement.

Selon les essais internes de produits et les données comparatives de HONPINE, le mouvement perdu de cette architecture peut être environ deux fois inférieur à celui de réducteurs harmoniques étrangers comparables dans les conditions d’essai spécifiées.

Les performances réelles dépendent de la taille spécifique du produit, de la méthodologie d’essai, des conditions de charge et du système de mesure ; les comparaisons directes doivent donc toujours être effectuées dans des conditions d’essai équivalentes.

De la précision initiale à la durée de vie de précision

Pour les systèmes de transmission de précision, la précision initiale n’est qu’une partie de l’équation d’ingénierie.

Un réducteur peut atteindre un excellent niveau de jeu à l’état neuf, mais si le jeu augmente sensiblement à mesure que la transmission s’use, la durée de vie pratique de précision du composant peut être limitée.

C’est pourquoi l’axe de développement de HONPINE s’étend de la précision initiale de transmission au maintien de la précision tout au long de la durée de fonctionnement.

Pour les robots industriels, les machines-outils et les robots humanoïdes, cela signifie évaluer non seulement le jeu initial et les performances de positionnement, mais aussi l’évolution des caractéristiques de transmission sous l’effet des mouvements répétés, des charges et de l’usure.

La technologie d’auto-compensation du jeu vise à relever ce défi de performance à long terme en compensant activement les variations de jeu de transmission plutôt qu’en s’appuyant uniquement sur la tolérance mécanique initiale du système d’engrenages.

Conclusion

Le développement des réducteurs de précision va au-delà de la simple recherche d’un jeu initial plus faible.

Les robots industriels, les machines-outils et les robots humanoïdes exigent des systèmes de transmission combinant précision, rigidité, dimensions compactes, densité de couple et maintien de la précision à long terme.

Les systèmes de transmission harmonique et RV restent des technologies importantes pour la robotique de précision, tandis que la transmission planétaire conventionnelle continue d’offrir des avantages en termes de rendement, de rigidité et de densité de couple.

L’opportunité offerte par les transmissions planétaires et harmoniques auto-compensatrices consiste à combler l’écart entre ces caractéristiques de performance en introduisant un mécanisme capable de compenser les variations de jeu de transmission pendant un fonctionnement à long terme.

Chez HONPINE, nous poursuivons le développement de technologies de transmission de précision autour de ce concept, des actionneurs planétaires auto-compensateurs à la transmission harmonique à double couronne flexible et à la transmission harmonique légère à base de PEEK pour robots humanoïdes.

Pour nous, l’objectif n’est pas simplement d’atteindre une haute précision lorsqu’une transmission quitte l’usine. La question plus importante est de savoir quelle part de cette précision peut être conservée pendant toute la durée de vie du robot ou de la machine.