La capacité de mouvement d’un bras robotique articulé dépend essentiellement de la conception et de la mise en œuvre de son système d’alimentation.
Du point de vue structurel, le système d’alimentation d’un bras robotisé n’est pas complexe, mais il exige une grande stabilité et une grande précision. Ses principaux composants peuvent être résumés comme suit : moteur d’entraînement + système de réduction + structure de transmission du couple.
Ce système détermine directement la capacité de charge, la précision opérationnelle et la stabilité à long terme du bras robotisé.
Système de motorisation : servomoteurs et moteurs pas à pas
Le moteur est la source d’énergie de chaque articulation du bras robotisé, assurant la conversion de l’énergie électrique en mouvement mécanique.
servomoteur
La configuration courante actuelle des bras robotiques industriels.
Caractéristiques:
- Prend en charge la commande en boucle fermée (position, vitesse, couple)
- temps de réponse rapide
- Haute précision de contrôle
Applicable à :
- Commande de liaison multi-axes
- Fonctionnement de trajectoire de haute précision
- Bras robotique à charge moyenne à élevée
Dans les bras robotiques articulés, la plupart des articulations clés (épaule, coude, poignet) sont actionnées par des servomoteurs.
moteur pas à pas
Principalement utilisé pour les applications à faible coût ou à faible charge :
- Méthode de contrôle simple
- coût inférieur
Cependant, il existe des limitations concernant les aspects suivants :
- Mauvaises performances à haute vitesse
- Facile de perdre les marches
- Difficulté à obtenir une commande en boucle fermée de haute précision
Par conséquent, il est moins utilisé dans les robots industriels et apparaît plus souvent dans les équipements pédagogiques ou les systèmes d’automatisation légère.
Système de réduction : réducteur RV et réducteur harmonique
Le moteur électrique, bien que fournissant une vitesse élevée et un faible couple, ne peut actionner directement les articulations du bras robotisé. C’est pourquoi un système d’engrenages réducteurs est installé au niveau de chaque articulation critique afin de réduire la vitesse de rotation, d’amplifier le couple et d’améliorer la précision du contrôle.
Les performances du réducteur de vitesse déterminent directement la stabilité et la précision du bras robotisé.
Réducteur RV (vecteur rotatif)
Principalement utilisé pour les articulations robustes des bras robotisés, par exemple :
- Base
- articulation de l’épaule
- Articulation du coude
Caractéristiques:
- Rigidité élevée et forte résistance aux chocs
- Capacité de charge élevée
- Longue durée de vie
Applicable à :
- Conditions de fonctionnement à charge élevée
- Scénarios de couple élevé
Cependant, sa structure est relativement complexe et exige une grande précision de fabrication et d’assemblage.
Entraînement harmonique
Principalement utilisé pour les articulations à faible charge ou de haute précision dans les bras robotisés, par exemple :
- Articulation du poignet
- Réglage de l’assiette finale
Caractéristiques:
- Taille réduite et structure compacte
- Haute précision de transmission
- Temps de retour quasi nul
Applicable à :
- Fonctionnement précis
- Contrôle de trajectoire de haute précision
Cependant, il n’est pas aussi performant que le réducteur RV en termes de capacité de charge et de résistance aux chocs.
Chemin de transmission du couple : du moteur au mouvement du bras robotisé
Dans un bras robotisé, la puissance doit non seulement être générée et amplifiée, mais aussi transmise de manière stable aux différentes parties structurelles afin d’assurer le mouvement de l’ensemble de la machine.
Un chemin de transmission de couple typique peut être simplifié comme suit : Moteur → Réducteur → Arbre de sortie → Structure de joint → Liaison → Actionneur final
Chaque étape influe sur la précision et la stabilité finales.
Composants clés de la transmission
Dans les structures réelles, la transmission du couple repose sur le travail coordonné de plusieurs composants mécaniques essentiels :
- Arbre de sortie (Arbre) : Transmet la puissance de rotation
- Roulements : Supportent la rotation et réduisent le frottement
- Engrenages ou structures de transmission : permettent la conversion de puissance
- Logement : Sécurise et assure la stabilité structurelle
- Brides et fixations de raccordement : permettent une liaison rigide de différents composants.
Ces éléments déterminent ensemble :
- La transmission du couple est-elle stable ?
- La structure est-elle suffisamment rigide ?
- Le mouvement présente-t-il une déviation ou une vibration ?
Déformation thermique et effets des matériaux
Dans les systèmes d’alimentation des bras robotisés, outre la structure et la précision de la transmission, il existe un autre problème souvent négligé : la déformation thermique.
En fonctionnement réel :
- Le moteur générera de la chaleur lorsqu’il fonctionnera en continu.
- Le frottement interne dans le réducteur va provoquer son échauffement.
- Les articulations soumises à de fortes contraintes peuvent subir une élévation localisée de température.
Cette chaleur se propagera progressivement à la structure de joint et aux pièces de liaison, provoquant une légère dilatation du matériau.
L’impact réel de la déformation thermique
Pour les structures mécaniques ordinaires, ce changement aura peut-être peu d’impact, mais dans les bras robotisés, il affectera directement la précision :
- Modifications du jeu d’ajustement
- Décalage de coaxialité
- Stabilité de transmission diminuée
Le résultat final est :
- Fluctuation de la répétabilité
- La précision diminue sur de longues périodes de fonctionnement
- Trajectoire instable à haute vitesse
Le rôle clé du choix des matériaux
Pour atténuer les effets de la déformation thermique et de l’instabilité structurelle, les composants clés des bras robotiques nécessitent généralement une sélection rigoureuse des matériaux.
- Coefficient de dilatation thermique (stabilité)
- Résistance et rigidité (résistance à la déformation)
- Résistance à l’usure (stable lors d’une utilisation prolongée)
Les options courantes comprennent :
- Alliage d’aluminium (léger, bonne dissipation de la chaleur)
- Acier allié/acier à outils (haute résistance, haute rigidité)
- Alliage de titane (applications haut de gamme, excellent rapport résistance/poids)
- Plastiques techniques (pour des exigences spécifiques de réduction de poids ou d’isolation)
La précision d’usinage et les matériaux sont déterminés simultanément.
Les matériaux eux-mêmes ne constituent que la base ; si le processus de fabrication n’est pas bien maîtrisé, la stabilité ne peut être garantie non plus.
Par exemple:
- Contrôle de la déformation par traitement thermique
- Stabilité dimensionnelle après finition
- Cohérence dans la fabrication multiprocessus
Ces facteurs ont un impact direct sur la performance finale.
Dans les systèmes électriques, plus la charge est élevée, plus les exigences relatives aux matériaux et aux procédés de fabrication sont importantes, notamment pour les articulations de base et d’épaulement, la structure de transmission à couple élevé et les composants essentiels fonctionnant pendant de longues périodes. Si le choix des matériaux ou la précision d’usinage sont insuffisants, le problème n’apparaît généralement pas immédiatement, mais s’aggrave progressivement au cours de l’utilisation.
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