La demande pour la robotique de haute précision ne cesse de s'accélérer dans les secteurs de la fabrication, de la manutention, de la médecine et de l'aérospatiale. Qu'il s'agisse de robots chirurgicaux effectuant des incisions précises ou de bras industriels soudant des châssis sur une chaîne de montage, il n'y a aucune place pour la moindre erreur.
Le mouvement articulé se situe au cœur de ces applications : un mouvement sur plusieurs axes qui reproduit la cinématique complexe du bras humain, mais avec une force et une reproductibilité nettement supérieures. Atteindre ce niveau de précision représente un défi technique de taille.
Il ne s'agit pas simplement de calculer les trajectoires d'un point A à un point B. La conception d'actionneurs de bras robotisés exige un contrôle rigoureux du couple, une gestion précise de la dynamique thermique et l'assurance d'une reproductibilité absolue dans des conditions de charge variables. La difficulté consiste à équilibrer tous ces paramètres simultanément.
Pourquoi une approche au niveau systémique est-elle requise?
La performance de l'actionneur est rarement le fruit d'un composant unique. Elle est produite par une conception au niveau du système, où la densité du moteur, la mécanique de la transmission et la gestion thermique fonctionnent en harmonie. Les décisions prises à un niveau peuvent se répercuter à tous les autres.
La physique du mouvement articulé accentue considérablement le problème. Dans un bras robotisé à plusieurs axes, de multiples degrés de liberté sont associés. Les articulations rotatives et, parfois, les axes linéaires, doivent se coordonner en continu pour positionner et orienter l'effecteur d'extrémité. Les moindres variations de conception peuvent se répercuter dans l'ensemble du système et faire évoluer la demande en matière de couple-vitesse sur toute la chaîne.
C'est la raison pour laquelle les articulations robotisées imposent une densité du couple de rotation élevée, un emballage compact et une capacité d'accélération de pointe. Les performances doivent rester stables et réactives, quels que soient l'espace de travail ou les conditions d'utilisation. Ces interdépendances expliquent également que les décisions de conception de l'actionneur ne peuvent pas être optimisées indépendamment les unes des autres.
Au contraire, la conception nécessite des itérations continues. Dans la mesure où l'actionneur fonctionne au sein d'un système électromécanique, chaque décision influe sur la performance globale. La performance du moteur détermine les exigences concernant la boîte de vitesses, laquelle à son tour guide votre stratégie en matière de gestion thermique. Dans les applications robotisées humanoïdes et collaboratives, les considérations esthétiques et de conception influencent également de plus en plus les décisions en matière de format des articulations, imposant aux équipes d'équilibrer l'aspect et la performance.
Chez Regal Rexnord, cette interconnectivité est notre point de départ. Pour concevoir un actionneur robotique performant, il faut considérer l'ensemble de la transmission comme un tout cohérent plutôt que d'optimiser ses composants les uns après les autres.
Trouver le format et l'architecture adéquats
Avant de choisir un type de moteur, les ingénieurs doivent d'abord déterminer la configuration de l'espace disponible. De combien d'espace le joint dispose-t-il ? Quelle est la géométrie de cet espace ? L'application requiert-elle un moteur fin et allongé, ou plat et large avec un diamètre extérieur plus grand ? Le passage des câbles exige-t-il un arbre creux ? Ces contraintes d'espace définissent l'architecture de l'actionneur avant toute autre prise de décision.
Les articulations robotisées imposent des contraintes strictes en matière d'espace, lesquelles influencent la sélection du moteur, la disposition de la transmission et l'intégration. L'architecture adéquate est celle qui permet de résoudre le problème de mouvement en respectant l'enveloppe physique disponible.
Engrenages de précision rotatifs
Les architectures rotatives sont les plus utilisées dans les bras robotisés articulés, car elles offrent un couple élevé dans un format compact. Les engrenages de précision permettent de multiplier le couple, mais impliquent des concessions en matière de jeu, de rigidité et d'efficacité, le tout affectant directement la précision du positionnement et la réponse aux commandes.
Accouplement direct
L'accouplement direct est privilégié lorsque la rigidité et la réactivité sont prioritaires. L'élimination du réducteur supprime le jeu et améliore la réponse aux commandes, tout en permettant l'intégration d'actionneurs très compacts. En contrepartie, le moteur doit générer davantage de couple directement, sans l'avantage mécanique qu'offre le réducteur. Cela accroît les exigences en matière de densité de couple, de gestion thermique et de capacité de fonctionnement en continu. Il convient de noter que l'expression « entraînement direct » peut désigner soit un moteur sans engrenage, soit un moteur sans châssis intégré directement, mais couplé à un réducteur.
Actionnement linéaire
L'actionnement linéaire s'applique lorsque le mouvement doit s'effectuer en translation et non en rotation. C'est le cas, par exemple, des axes de levage, des mécanismes internes, tels que ceux utilisés dans les appareils d'extension des jambes, ou des systèmes à poulie utilisés dans les mains d'humanoïdes. Les vis à billes et mécanismes similaires fournissent beaucoup de force et de rigidité, même si les rapports mécaniques signifient que le ratio des inerties joue un rôle plus important dans la performance du système.
Intégration sans boîtier
Les moteurs sans châssis sont privilégiés pour les conceptions où l'encombrement et l'intégration sont des critères déterminants. L'intégration directe du moteur à la structure de l'articulation augmente la densité de couple et réduit la taille globale en éliminant la duplication des boîtiers et les composants de couplage. Cette approche reporte la responsabilité de l'alignement des circuits thermiques et des tolérances mécaniques au niveau du système. Même si cela peut sembler intimidant au premier abord, les recommandations adéquates en matière de guidage du montage et de tolérance du boîtier peuvent rendre l'intégration sans boîtier bien plus accessible. À mesure que la demande pour les bras robotiques augmente, il devient indispensable de disposer de moteurs sans châssis capables de répondre à la demande tout en renforçant l'ampleur du portefeuille pour un large éventail de configurations d'articulations.
Conceptions compactes et miniaturisées
Les actionneurs miniaturisés sont utilisés dans des applications où le poids et l'espace sont fortement limités, comme les effecteurs d'extrémité et les mains. Le défi avec ces modèles consiste à trouver le juste équilibre entre la compacité, le couple de sortie et la dissipation thermique. Cependant, elles limitent souvent les performances en continu si la gestion thermique n'est pas soigneusement prise en compte.
Exigences en matière de couple et de mouvement
Dans les applications robotiques, le couple est généralement le principal facteur limitant. Il détermine la capacité d'une articulation à accélérer, décélérer et maintenir sa position sous une charge. L'inertie joue un rôle d'appui, en influant sur la fluidité et la courbe du mouvement. Cependant, dans la plupart des systèmes robotiques équipés de réducteurs à rapport élevé, le couple de torsion est le facteur principal à prendre en compte lors du dimensionnement.
Cette distinction est importante dans le contexte de l'application. Les robots industriels à grande vitesse, tels que les bras de tri utilisés sur une chaîne de production à cadence élevée, sont soumis à des forces d'accélération importantes. Ces robots nécessitent une gestion rigoureuse de l'inertie et une capacité de couple élevée. À l'inverse, les systèmes chirurgicaux ou de précision peuvent maintenir la même position pendant la plus grande partie d'une opération. Dans ce cas, le couple de maintien continu et la stabilité de position durable sont bien plus importants que la réponse dynamique.
La conception de ces deux environnements nécessite une approche axée sur le système. L'augmentation de la charge utile ou de la portée augmente les besoins en matière de couple au niveau des articulations situées en amont. Les rapports de transmission influent à la fois sur la réactivité et sur la production de chaleur. Ces relations étant étroitement liées, l'itération est continue. Pour que cette itération soit gérable, il faut des outils de calcul robustes aptes à prendre en charge tous les paramètres simultanément.
Transmission et engrenages de précision
Les performances des actionneurs robotiques dépendent de la conception de leur transmission. Un moteur de précision associé à une transmission incompatible ou mal assortie introduit une oscillation au niveau de l'effecteur d'extrémité, ce qui nuit à la précision et à la reproductibilité pour lesquelles le reste du système a été conçu. La solidité de la chaîne de mouvement se mesure à celle de son maillon le plus faible.
Dans le cas des articulations rotatives, la transmission doit gérer des charges dynamiques importantes pendant les mouvements d'accélération et de décélération rapides. Un engrenage à haut degré de rigidité est nécessaire pour transmettre le couple sans introduire d'élasticité susceptible de nuire à la précision de positionnement. Les tolérances serrées et les stratégies de précharge permettent de réduire au minimum le jeu et de maintenir la réactivité des commandes tout au long du cycle de fonctionnement. Pour les applications qui requièrent des mouvements linéaires, les vis à billes convertissent efficacement l'énergie rotative en force linéaire avec une importante rigidité. La précision de la vis à billes détermine la fluidité et la précision du mouvement.
Le choix des matériaux utilisés pour les composants des engrenages et des vis à billes influe directement sur la capacité de charge statique et dynamique. La modification de la résistance, de la composition de l'alliage et du revêtement de surface peut améliorer la résistance aux chocs et renforcer la capacité du système à supporter des forces. Le choix de matériaux possédant des propriétés thermiques compatibles peut aussi contribuer à préserver les jeux internes et empêcher le jeu d'augmenter lorsque le système chauffe. Tout cela contribue à prolonger la durée de vie utile.
Ces configurations personnalisées peuvent apporter des avantages cumulés au fil du temps. Le choix du matériau adéquat peut prolonger la durée de vie utile, un facteur majeur dans les applications robotiques à usage intensif. Pour les programmes ayant un cycle de vie plus long, Regal Rexnord propose des options de personnalisation plus poussées lorsque les configurations standard ne suffisent pas.
Gestion thermique et contrôle de la chaleur
La génération de chaleur est l'une des principales limites à la performance continue d'un actionneur. En effet, la chaleur générée par le moteur affecte la capacité de couple continue, la stabilité mécanique et l'efficacité du système. En chauffant, les composants se dilatent. Étant donné que les différents matériaux se dilatent à des vitesses différentes, les tolérances définies à température ambiante varieront une fois que l'actionneur aura atteint sa température de fonctionnement. Si ces écarts venaient à disparaître complètement, le mécanisme risquerait de se gripper ou de subir une friction excessive, ce qui pourrait entraîner la destruction du moteur. En revanche, s'ils augmentent, l'efficacité et la stabilité mécanique peuvent se dégrader avec le temps.
Le rendement du moteur constitue votre première ligne de défense thermique. Chez Regal Rexnord, nos moteurs sont conçus pour fonctionner à la bonne température, sans générer de chaleur excessive. En effet, les moteurs qui ne surchauffent pas permettent de respecter les tolérances de positionnement, de prolonger la durée de vie de la lubrification et de réduire le risque de défaillance thermique tout au long du cycle de fonctionnement.
Au-delà du moteur, la stratégie de dissipation de la chaleur dépend de l'intensité de fonctionnement du système. Le refroidissement passif, consistant à utiliser la masse thermique du boîtier et une conception à ailettes, est suffisant pour de nombreuses applications. Toutefois, les robots industriels de haute intensité ont souvent besoin d'un refroidissement actif, utilisant, par exemple, de l'air pulsé ou du liquide, pour rester dans les limites d'un fonctionnement sûr. Dans tous les cas, l'intégration de capteurs thermiques offre aux systèmes de contrôle une visibilité des tendances de température avant qu'elles ne provoquent une défaillance : ainsi, la maintenance n'est plus réactive, mais prédictive.
Fiabilité et performance du cycle de vie
Les actionneurs robotiques sont généralement des systèmes étanches. Aucune nouvelle lubrification n'est programmée, comme cela peut être le cas pour les gros équipements industriels. Le système de lubrification doit rester efficace tout au long de sa durée de vie ; la gestion thermique consiste donc à préserver les conditions qui garantissent cette efficacité.
La lubrification est l'un des premiers éléments qui se dégradent lorsque la température est élevée. Quand la viscosité devient trop faible, le film hydrodynamique qui protège la surface des engrenages et des roulements se rompt, ce qui accélère l'usure. Lorsque la température est trop élevée lors d'un démarrage à froid, le moteur fournit davantage d'efforts pour lutter contre la résistance des fluides, ce qui réduit son efficacité. Dans une large mesure, la gestion des conditions thermiques revient à veiller au bon état de la lubrification.
Tout au long de la durée de vie d'un système, le jeu, les effets thermiques et la dégradation de la lubrification interagissent. Les petits jeux deviennent plus importants. L'usure s'accumule et les cycles thermiques engendrent une fatigue des matériaux. Concevoir dans un souci de fiabilité implique de réfléchir au comportement du système, depuis sa mise en service jusqu'à la fin de sa durée de vie.
La sélection des matériaux, l'étanchéité, la conception thermique et la tolérance des matériaux contribuent à la performance du système au fil du temps.
Faire équipe pour mettre au point le système
L'optimisation des actionneurs des bras robotisés est un exercice qui repose sur l'interconnectivité. Un moteur à couple élevé perd de son efficacité lorsqu'il est associé à une transmission présentant une compliance excessive. Sans une lubrification et une gestion thermique adéquates, un jeu d'engrenages de précision tombera en panne prématurément. L'ensemble de la transmission électromécanique doit être conçu comme un tout cohérent. À mesure que les programmes passent du stade du prototype à celui de la production, les exigences relatives aux actionneurs évoluent de telle sorte que la relation avec le fournisseur devient aussi importante que la conception elle-même.
Regal Rexnord est un groupe de marques proposant des moteurs, des réducteurs, des vis à billes, des composants mécaniques et des produits de précision, tels que des freins et des roulements. L'entreprise dispose de l'expertise technique nécessaire pour comprendre comment ces produits interagissent entre eux. Cette diversité nous permet d'adopter une approche globale des problèmes rencontrés par nos clients. Notre expérience en matière de conception, de matériaux et de fabrication à l'échelle mondiale nous aide à identifier rapidement les lacunes. Cela revêt plus d'importance que jamais à mesure que les programmes de robotique évoluent. Nous pouvons concevoir des solutions en collaboration avec vous ou vous fournir des produits dans le respect de paramètres définis, qu'il s'agisse de composants individuels ou de systèmes d'actionneurs pour bras robotiques intégrés, afin de répondre à vos besoins.
Contactez notre équipe d'ingénieurs pour découvrir comment Regal Rexnord peut vous accompagner dans votre projet d'actionneurs robotiques, de la conception à la production.
