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Moteurs destinés à la robotique : des compromis sont-ils réellement nécessaires?

01 Avr 2022
Experts Kollmorgen

Compromis n° 1 : densité de couple/taille 

Lorsque vous calculez les exigences en matière de couple pour les articulations robotiques, vous pouvez vous heurter au premier compromis : comment augmenter le couple d'un moteur robotique sans augmenter sa taille? 

Dans les moteurs sans boîtier utilisés dans les articulations robotiques, le couple augmente de manière directement proportionnelle à l'augmentation de la longueur du moteur, ou au carré de l'augmentation du diamètre. En d'autres termes, le doublement du diamètre entraîne une multiplication par quatre du couple, ce que l'on appelle la règle D2L. Afin d'atteindre le couple nécessaire pour déplacer et maintenir des charges importantes, l'approche la plus courante consiste à utiliser un moteur robotique de plus grand diamètre plutôt qu'un moteur plus long, ce qui rendrait l'articulation trop grande et difficile à intégrer dans votre conception globale. 

Cependant, vous faites également face à des contraintes avec un moteur de plus grand diamètre. Il a besoin d'une vitesse et d'un couple nominaux qui s'adaptent bien au réducteur harmonique (également connu sous le nom de réducteur à ondes de déformation) généralement utilisé pour garantir la compacité des articulations robotiques et éliminer le jeu. Toutefois, ces systèmes de réducteurs ne sont disponibles que dans une gamme limitée de modèles prêts à l'emploi. Un moteur standard fonctionnera-t-il dans une articulation robotique optimisée en termes de taille, de poids et de performances? Ou bien faudra-t-il un cycle de développement plus long et plus coûteux qui n'aboutira qu'à des compromis sur les performances? 

Compromis n° 2 : vitesse/couple 

Outre leur caractère compact et leur absence de jeu, les systèmes de réducteurs harmoniques offrent par nature des rapports de démultiplication relativement élevés, allant généralement de 30:1 à 320:1. Le rapport élevé d'un système de réducteur harmonique présente des avantages pour l'accélération/la décélération en douceur des charges d'inertie élevée et leur positionnement précis, mais cela se fait au détriment de la vitesse. 

La rapidité d'exécution des processus industriels est un avantage évident. Les ingénieurs en robotique s'efforcent donc de déplacer les charges avec précision et rapidité. Dans une articulation robotique dotée d'un réducteur harmonique, cela signifie utiliser un moteur capable de fournir une vitesse d'entrée très élevée, de l'ordre de 4 000 tr/min ou plus. Le problème est que la plupart des moteurs sans boîtier perdent rapidement du couple lorsqu'ils se rapprochent de la limite supérieure de leur plage de vitesse nominale. 

Lorsqu'il est important de maintenir un couple adéquat sur toute la plage de vitesse requise pour l'application, le compromis devient à nouveau performances/taille. Choisissez-vous un moteur surdimensionné pour la charge lorsqu'il fonctionne dans sa plage de vitesse inférieure à moyenne, afin de maintenir le couple nécessaire dans la plage supérieure? Dans ce cas, êtes-vous prêt à concevoir vos articulations pour qu'elles soient plus grandes que leur taille optimale? Devrez-vous concevoir des moteurs ou des réducteurs sur mesure? Combien d'itérations de conception seront nécessaires pour obtenir une capacité de vitesse fiable combinée à des performances de couple constantes?  

Compromis n° 3 : température/performances 

Comme nous l'avons vu, les moteurs destinés à la robotique doivent présenter un couple et une vitesse suffisants. Combinés, ces facteurs définissent les performances globales du moteur en matière de mouvement. Et ces performances dépendent de l'efficacité électromagnétique du moteur. Tous les moteurs gaspillent une partie de l'énergie électromagnétique sous forme de chaleur dissipée par les bobinages. Pour un courant donné, un moteur plus efficace offre des performances supérieures et fonctionne à plus basse température, tandis qu'un moteur moins efficace offre des performances inférieures et fonctionne à plus haute température. 

Une vitesse et un couple élevés obligent le moteur à consommer davantage de courant, ce qui entraîne une augmentation de la température. Toutefois, lorsqu'un moteur est installé dans les limites étroites d'une articulation robotique, il faut tenir compte de considérations supplémentaires. La plupart des moteurs destinés à la robotique sont conçus pour une température d'enroulement maximale comprise entre 125 et 155 °C (température ambiante + élévation de température). Dans une application de robot collaboratif, des températures aussi élevées pourraient présenter un risque pour la sécurité des personnes, et ces moteurs sont donc généralement déclassés. 

Mais outre la sécurité, il existe un autre problème qui n'est pas aussi bien compris. Les températures d'enroulement bien inférieures à 125 °C sont encore suffisamment élevées pour présenter un risque pour les réducteurs et autres composants. Lorsque la température d'enroulement dépasse 85 °C, les lubrifiants peuvent se dégrader, entraînant une usure prématurée du réducteur et une incapacité éventuelle à respecter la tolérance de position. Les composants électroniques, tels que les codeurs et autres capteurs d'asservissement, peuvent perdre leur fiabilité et griller prématurément. Chaque composant est interdépendant, et si l'un d'eux tombe en panne en raison d'une chaleur excessive, le robot devient inutile. 

La question devient donc : faut-il déclasser le moteur et ralentir l'ensemble des opérations de votre client? Ou bien attendez-vous de votre client qu'il supporte continuellement les dépenses et les temps d'arrêt liés au remplacement des articulations robotiques défaillantes? 

À bien des égards, il s'agit là du principal compromis. Il est possible d'éviter les températures destructrices en sur-spécifiant les performances du moteur ou en les réduisant. Mais la taille, le couple ou la vitesse doivent-ils vraiment en pâtir? N'existe-t-il pas une meilleure solution? 

Dites non aux compromis 

Nous avons décrit l'état actuel du marché des moteurs robotiques. Mais désormais, le futur est arrivé. 

Après des années de recherche et de développement, Kollmorgen a mis au point une nouvelle génération de moteurs sans boîtier spécifiques au marché de la robotique, conçus pour balayer tous les compromis. Nous sommes fiers de vous présenter la série TBM™2G

  • Les moteurs TBM2G sont disponibles dans des tailles standard optimisées pour s'adapter aux réducteurs harmoniques de série, ce qui minimise la taille globale des articulations tout en évitant la nécessité d'une personnalisation coûteuse. 
  • Dans un ensemble électromagnétique extrêmement court et ultra-léger, les moteurs TBM2G sont optimisés pour répondre aux exigences de vitesse et de couple des robots collaboratifs dans la catégorie des 3 à 15 kg. 
  • Grâce à leur longueur axiale exceptionnellement faible, leur petit diamètre extérieur et leur grand alésage traversant, les moteurs TBM2G simplifient la conception de robots sophistiqués de nouvelle génération. 
  • Des matériaux avancés et un processus de bobinage innovant offrent des performances constantes pour une large plage de vitesses et de charges. 
  • Les capteurs à effet Hall intégrés en option permettent un retour de commutation sans augmenter la longueur totale du moteur. 
  • Plusieurs options de capteurs thermiques standard sont compatibles avec les variateurs les plus populaires disponibles sur le marché de la robotique. 
  • Conçus pour offrir des performances exceptionnelles sans dépasser la température d'enroulement de 85 °C, les moteurs TBM2G assurent une durée de vie maximale pour les lubrifiants, l'électronique et d'autres composants des articulations robotiques. 

Un compromis de plus éliminé 

En théorie, vous auriez pu résoudre ces trois problèmes en faisant un seul grand compromis : payer pour le développement, le prototypage et la production d'un moteur ou d'un système de réducteur personnalisé. Mais avec la série TBM2G, vous n'avez pas à le faire. 

Kollmorgen a mis en place des processus de fabrication hautement automatisés pour produire ces moteurs de nouvelle génération avec la plus haute qualité, à n'importe quelle échelle. Vous pouvez donc vous lancer sur le marché en toute confiance. Comme nous aimons à le dire, les moteurs TBM2G sont entièrement « compatibles avec les robots ». 

Intéressé? Nous nous ferons un plaisir de vous en dire plus. Discutez avec un ingénieur de Kollmorgen pour tout savoir sur la série TBM2G, conçue pour les robots les plus performants qui pourraient vous aider à développer une activité plus performante. 

À propos de l'auteur

Kollmorgen Experts

Ce blog est le fruit d'une collaboration entre une équipe d'experts en mouvement et en automatisation de Kollmorgen, comprenant des ingénieurs, du personnel du service clientèle et des experts de la conception. Quelle que soit l'avancée de votre projet, nous sommes là pour vous aider.

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