Dans l'inspection de qualité et l'évaluation des performances des articulations robotiques intégrées, les tests de fréquence du second harmonique (2×) sont devenus une étape clé indispensable. Bien que cela puisse paraître hautement spécialisé, ce test est directement lié à des indicateurs de performance essentiels tels que la précision, la rigidité et la fiabilité des articulations. Ce document explique — couvrant les principes techniques, les pratiques d'ingénierie et le contrôle qualité — pourquoi les tests du second harmonique sont nécessaires et pourquoi ils prennent une importance croissante dans la fabrication moderne de robots.

Structure de base et caractéristiques dynamiques des articulations robotiques

Structure typique d'un module d'articulation intégré

Une chaîne de transmission typique d'une articulation intégrée est :

Moteur ->Entraînement harmonique / Réducteur RV -> Arbre de sortie

Parmi ceux-ci, le réducteur est le composant de transmission central, et ses performances déterminent en grande partie le comportement global de l'articulation.

Caractéristiques non linéaires des entraînements harmoniques

Les entraînements harmoniques sont largement utilisés dans les articulations des bras robotiques collaboratifs en raison d'avantages tels qu'un rapport de réduction élevé, un jeu quasi nul et une taille compacte. Leur principe de fonctionnement repose sur la déformation élastique de la roue flexible :

- Le générateur d'ondes tourne et entraîne la roue flexible dans une déformation elliptique.

- Pendant la déformation, la roue flexible s'engrène avec la couronne circulaire pour transmettre le mouvement.

- La couronne circulaire est fixe, et la roue flexible produit une rotation à vitesse réduite.

Comme cette transmission repose sur une déformation élastique, elle présente intrinsèquement une rigidité non linéaire. Lorsque le générateur d'ondes tourne à une fréquence angulaire ω, la roue flexible subit deux événements d'engrènement et de désengagement par révolution, ce qui introduit une composante de fréquence 2ω dans le couple de sortie et la réponse vibratoire — c'est l'origine physique du phénomène du second harmonique.

L'essence physique du phénomène du second harmonique

Mécanisme des caractéristiques dans le domaine fréquentiel

Pendant le fonctionnement d'un entraînement harmonique, la distribution des contraintes dans la roue flexible change périodiquement. En utilisant la vitesse du générateur d'ondes comme fréquence fondamentale f1, en un cycle de rotation, la roue flexible subit :

- Première zone d'engrènement : la direction du grand axe s'engrène complètement avec la couronne circulaire.

- Zone de transition : la profondeur d'engrènement diminue progressivement.

- Deuxième zone d'engrènement : la direction du petit axe forme une autre zone d'engrènement.

- Zone de transition : la profondeur d'engrènement diminue à nouveau.

Cette caractéristique structurelle — une rotation, deux événements d'engrènement — provoque des ondulations de couple, des variations de rigidité et une réponse vibratoire de l'arbre de sortie qui présentent une caractéristique claire du second harmonique (2f1). D'un point de vue d'analyse de Fourier, il s'agit d'un système d'excitation paramétrique typique, où la rigidité du système varie elle-même périodiquement dans le temps.

Identification spectrale dans les signaux vibratoires

En mesurant les vibrations de l'articulation avec des accéléromètres ou des vibromètres laser, un spectre de réponse dans le domaine fréquentiel peut être obtenu. Un spectre vibratoire typique d'une articulation à entraînement harmonique comprend :

- Fondamental (1×) : correspond à la vitesse du moteur ou à la fréquence de l'arbre d'entrée.

- Second harmonique (2×) : fréquence caractéristique de l'entraînement harmonique, généralement l'amplitude la plus marquée.

- Troisième harmonique (3×) et au-delà : composantes harmoniques d'ordre supérieur avec des amplitudes plus faibles.

L'amplitude du 2× reflète directement :

- La qualité d'engrènement entre la roue flexible et la couronne circulaire.

- La précision d'usinage du générateur d'ondes.

- L'adéquation de la précharge des roulements.

- Les erreurs de coaxialité introduites pendant l'assemblage.

Signification technique des tests du second harmonique

Évaluation de la rigidité

La rigidité de l'articulation est un paramètre clé affectant la précision de positionnement et la réponse dynamique du robot. La rigidité en torsion d'un entraînement harmonique n'est pas une constante ; elle varie dans le temps avec l'état d'engrènement. Une amplitude plus élevée du second harmonique indique des fluctuations de rigidité plus sévères, entraînant :

- Une précision de positionnement réduite : erreur de position supplémentaire sous les changements de charge.

- Un suivi de trajectoire moins bon : oscillations pendant les mouvements à haute vitesse.

- Une stabilité de contrôle inférieure : les algorithmes de contrôle peinent à compenser la rigidité variable dans le temps.

La surveillance des caractéristiques du second harmonique permet d'évaluer indirectement la rigidité en torsion équivalente de l'articulation et sa plage de fluctuation, fournissant une base pour la conception du système de contrôle.

Inspection de la qualité d'assemblage

L'amplitude du second harmonique est très sensible à la précision d'assemblage. Les défauts d'assemblage suivants peuvent provoquer un comportement anormal du second harmonique :

- Excentricité du générateur d'ondes : l'amplitude augmente significativement (déformation inégale de la roue flexible, forces d'engrènement déséquilibrées).

- Précharge inadéquate des roulements : étalement fréquentiel, plus de bandes latérales (introduit un jeu supplémentaire ou une surcontrainte).

- Roue flexible montée avec inclinaison : le 2× se divise en pics doubles (zone d'engrènement asymétrique).

- Mauvaise coaxialité entre la couronne circulaire et la roue flexible : couplage entre le 2× et la fréquence de rotation (désalignement des axes géométriques).

Alerte précoce de défaillance

Pendant leur durée de vie, les réducteurs subissent une dégradation telle que l'usure et la fatigue. L'évolution des caractéristiques du second harmonique peut servir d'indicateur de surveillance de l'état :

- Augmentation progressive de l'amplitude du 2× : croissance des fissures de fatigue dans la roue flexible, réduction de la rigidité.

- Décalage de la fréquence du 2× : l'usure des roulements provoque une instabilité de vitesse.

- Apparition de nouvelles bandes latérales : dommages localisés tels que piqûres ou écaillage sur les surfaces dentées.

Comparé aux inspections périodiques traditionnelles avec démontage, la surveillance en ligne basée sur les caractéristiques du second harmonique permet une maintenance prédictive, évitant les arrêts imprévus dus à des défaillances soudaines.

Méthodes et normes de test

Configuration du système de test

Un système complet de test du second harmonique comprend généralement :

- Dispositif d'excitation : moteur servo entraînant l'articulation à vitesse constante ou variable.

- Ensemble de capteurs : accéléromètres triaxiaux (montés sur le boîtier de l'articulation), capteur de couple (mesure les ondulations de couple de sortie), encodeur (signal de référence de phase).

- Acquisition et analyse des données : DAQ à haute fréquence d'échantillonnage (>= 10 kHz), analyse spectrale FFT, analyse de suivi d'ordre (pour les conditions à vitesse variable).

Procédure de test typique

Étape 1 : Test de fonctionnement à vide

- Fonctionnement à 30 %, 60 % et 100 % de la vitesse nominale.

- Enregistrement des spectres vibratoires à chaque vitesse.

- Extraction des amplitudes 1× et 2× et calcul de leur rapport.

Étape 2 : Test sous charge

- Application de 50 % et 100 % du couple nominal.

- Comparaison des changements des caractéristiques du second harmonique sous différentes charges.

- Évaluation du comportement en rigidité et amortissement dépendant de la charge.

Étape 3 : Test de balayage

- Balayage de basse vitesse à haute vitesse à un taux uniforme.

- Tracé d'un diagramme de Campbell pour identifier les points de résonance.

- Vérification si le second harmonique se couple avec les fréquences naturelles structurelles.

Normes pertinentes

Bien qu'il n'existe actuellement aucune norme autonome spécifique aux tests du second harmonique, les normes suivantes fournissent des cadres pour les tests vibratoires et dynamiques :

- ISO 10218-1:2011

- GB/T 30819-2014

- ISO 9283:1998

- ISO 14738:2002

De nombreux fabricants de robots établissent également des procédures internes de test du second harmonique dans leurs systèmes qualité et l'utilisent comme élément standard pour l'inspection de sortie des articulations.

Conclusion

Les tests du second harmonique sont un moyen important pour comprendre et évaluer les performances des articulations des bras robotiques collaboratifs. Ils révèlent les caractéristiques dynamiques inhérentes des entraînements harmoniques et fournissent des preuves quantitatives pour le contrôle qualité, le diagnostic de défaillance et l'optimisation des performances.

D'un point de vue physique, le phénomène du second harmonique provient de la structure de la roue flexible — une rotation, deux événements d'engrènement — représentant une réponse intrinsèque d'un système d'excitation paramétrique. D'un point de vue technique, l'amplitude du second harmonique est directement associée à des indicateurs clés, notamment les fluctuations de rigidité, la précision d'assemblage et l'état d'usure.

Alors que la robotique évolue vers une plus grande précision et une meilleure fiabilité, les tests du second harmonique passeront inévitablement d'une méthode de laboratoire à une norme de ligne de production, devenant une garantie importante pour la qualité des robots. Pour les ingénieurs engagés dans la conception, la fabrication et la maintenance des robots, une compréhension approfondie des principes et méthodes derrière les tests du second harmonique aidera à améliorer la compétitivité des produits et à faire progresser la technologie dans l'industrie.