Architecture des articulations de robots — Utilisation d'engrenages hélicoïdaux
Les robots industriels utilisent deux types d'engrenages dans leurs réducteurs articulaires : des réducteurs à ondes de contrainte (harmoniques) pour les articulations compactes à rapport élevé de l'épaule et du coude, et des trains épicycloïdaux hélicoïdaux compacts pour les articulations du poignet et l'axe de rotation des robots SCARA, où les exigences en matière de densité de couple et de réversibilité favorisent les engrenages hélicoïdaux. Les robots collaboratifs (cobots) utilisent généralement des trains épicycloïdaux hélicoïdaux exclusivement ; la meilleure réversibilité (friction plus faible) des engrenages hélicoïdaux à denture métallique par rapport aux réducteurs à ondes de contrainte est importante pour la conformité aux normes de sécurité des capteurs de force. Les entraînements de roues des AGV (véhicules à guidage automatique) utilisent des réducteurs à un ou deux étages. engrenage hélicoïdal réducteurs entre le moteur de moyeu et la roue.
Exigences relatives au jeu pour les engrenages hélicoïdaux de robots et de servomoteurs
Dans les articulations de robots et les axes de positionnement servo-motorisés, le jeu se manifeste directement par une erreur de positionnement. La relation :
Erreur angulaire à la sortie = jeu j_t / (d_pinion × tan(1/i))
Erreur linéaire à l'outil = erreur_angulaire × longueur_bras_outil
Pour une articulation de poignet de robot de précision avec un pignon de 50 mm de diamètre primitif, un jeu de 1 mm (j_t = 1 mm au cercle primitif) et un rapport de transmission i = 20:1, l'erreur angulaire de l'arbre de sortie est d'environ 0,5°, ce qui correspond à une erreur de position de 4 mm pour une portée d'outil de 500 mm. Ceci met immédiatement en évidence l'exigence de jeu pour les articulations de robots : un jeu inférieur à la minute d'arc à la sortie de l'articulation est nécessaire pour une répétabilité millimétrique au niveau de l'effecteur.
| Application | Jeu de sortie requis | j_t équivalent à l'entrée (÷ rapport de transmission) | Classe DIN 3967 |
|---|---|---|---|
| axe de machine-outil CNC (haute précision) | < 5 secondes d'arc ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 mm | Classe h |
| Articulation de robot industriel (standard) | < 1–3 minutes d'arc ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Classe g–h |
| articulation de robot collaboratif (cobot) | < 5–15 minutes d'arc | 0,02–0,05 mm | Classe g |
| entraînement par roue AGV | < 0,1–0,5 mm linéaire | 0,03–0,10 mm | Classe f–g |
| Axe d'emballage/d'étiquetage du servo | < 0,05–0,2 mm linéaire | 0,02–0,06 mm | Classe g |
Solutions sans jeu pour engrenages hélicoïdaux servo
Méthode 1 — Tolérance d'épaisseur de dent serrée (DIN 3967 Classe h)
Précisez le engrenage hélicoïdal et pignon d'accouplement conforme à la norme DIN 3967 classe h (serré). Pour les axes M2 à M4, la classe h offre un jeu nominal de 0 à 0,06 mm. Associé à un entraxe de carter usiné avec précision et maintenu à ±0,01 mm, le jeu d'assemblage est généralement de 0,005 à 0,020 mm, suffisant pour les axes de positionnement de classe g. Il s'agit de la solution la plus économique sans complexité mécanique supplémentaire. Son inconvénient : l'usure des engrenages entraîne une augmentation du jeu, qui ne peut être corrigé sans remplacement.
Méthode 2 — Engrenage divisé à ressort (engrenage à ciseaux)
Un engrenage à ciseaux est composé de deux éléments identiques. engrenage hélicoïdal Les roues sont montées coaxialement avec un ressort de torsion entre elles, précontraint de manière à presser simultanément les deux moitiés contre les flancs opposés du pignon d'attaque — une moitié en contact avec le flanc droit, l'autre avec le flanc gauche. La précontrainte du ressort élimine le jeu en maintenant un contact constant des dents sur les deux faces du pignon. À mesure que l'usure se produit, le ressort compense automatiquement, maintenant un jeu quasi nul pendant toute la durée de vie de l'engrenage. L'inconvénient : le couple de précontrainte (généralement de 5 à 15 Nm du couple nominal) augmente les pertes par frottement et réduit le rendement maximal de la transmission.
Méthode 3 — Précharge anti-jeu à double moteur
Deux servomoteurs identiques, chacun entraînant un pignon en prise avec le même engrenage hélicoïdal La roue (ou la crémaillère) est actionnée par un couple différentiel contrôlé : un moteur pousse dans le sens horaire tandis que l’autre résiste dans le sens antihoraire, maintenant ainsi les flancs des deux pignons en contact simultané avec la roue. Ceci élimine le jeu sans ressort mécanique ni inertie de rotation d’un mécanisme à engrenages séparés. La servocommande applique un faible couple différentiel qui s’annule à la sortie (les deux moteurs contribuent au couple dans le sens souhaité, mais leurs couples différentiels s’annulent). Cette solution est privilégiée pour les axes CNC de précision à grande vitesse (supérieure à 30 m/min) et pour les portiques nécessitant une synchronisation précise entre deux axes.
Inertie réfléchie — Pourquoi le rapport de transmission influence la réponse du servo
Lorsqu'un servomoteur entraîne une charge à travers un engrenage hélicoïdal Avec un réducteur de rapport i, le moteur subit non seulement l'inertie de la charge J_load, mais aussi l'inertie réfléchie J_reflected = J_load / i². Pour un réducteur 10:1, l'inertie de la charge ne contribue qu'à hauteur de 1% à l'inertie effective du moteur ; l'inertie de l'engrenage et celle du rotor du moteur sont prépondérantes. C'est le problème d'adaptation d'inertie des servomoteurs.
J_total (au moteur) = J_moteur + J_engrenage_pignon + J_charge / i²
Pour une bande passante servo maximale, le rapport J_total/J_moteur doit être minimisé. Des rapports de transmission élevés réduisent J_réfléchi/J_moteur, mais les engrenages eux-mêmes possèdent une inertie. Le rapport de transmission optimal pour une bande passante maximale est atteint lorsque J_réfléchi (dû à la charge) ≈ J_moteur, ce qui donne i_opt = √(J_charge / J_moteur). Pour une articulation de robot avec J_charge = 0,05 kg·m² et J_moteur = 0,0005 kg·m² : i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Minimiser engrenage hélicoïdal L'inertie du corps (en utilisant des corps d'engrenages creux pour les applications d'articulations de robots) est donc aussi importante que la minimisation du jeu pour l'optimisation de la boucle d'asservissement.
La possibilité de marche arrière dans les robots collaboratifs : pourquoi les engrenages hélicoïdaux sont préférés
Un robot collaboratif (cobot) doit réagir en toute sécurité lorsqu'un humain exerce une pression sur lui : l'articulation doit être réversible (la charge peut entraîner le moteur en sens inverse) afin que le capteur de force-couple puisse détecter le contact et que le système de sécurité puisse limiter la force appliquée. La possibilité de cette réversibilité dépend du frottement dans le réducteur de l'articulation.
UN engrenage hélicoïdal L'étage planétaire, avec un rapport de 5:1 à 20:1, présente un rendement d'engrènement de 97 à 99%, correspondant à un angle de frottement d'environ 1 à 3°. Cette valeur est inférieure à l'angle de frottement d'autoblocage ; l'articulation se bloque sous une force de 1,05 à 1,10 fois la force d'entraînement. Un comportement sûr et conforme est garanti grâce à la détection intégrée de la force et du couple.
Les réducteurs à ondes de contrainte (entraînement harmonique) de rapport 50:1 à 160:1 ne sont généralement pas réversibles : le rapport de réduction élevé et le frottement du générateur d’ondes empêchent la sortie d’entraîner l’entrée. Les cobots utilisant des entraînements à ondes de contrainte nécessitent un contrôle actif de la compliance (contrôle d’impédance par capteurs de couple) plutôt qu’une compliance mécanique passive.
Korea Ever-Power — Fournisseur d'engrenages hélicoïdaux de précision pour servomoteurs et robots
Rectification de précision HÖFLER engrenage hélicoïdal pour les applications d'automatisation des articulations de robots et des servomoteurs — DIN Classe 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, épaisseur de dent conforme à la classe g–h de la norme DIN 3967 pour un jeu minimal, avec certification par analyseur d'engrenages de la classe de précision et de l'écart d'épaisseur de dent
Korea Ever-Power produit des produits de précision engrenages à denture hélicoïdale Pour les applications servo et robotiques en M0,5–M8, DIN classe 4–6, classe d'épaisseur de denture g–h (jeu réduit), en acier 20CrMnTi cémenté HRC 58–62 pour une capacité de charge maximale dans un format compact. Pour les engrenages à ciseaux (à ressort), Korea Ever-Power produit des paires appariées avec une épaisseur de denture confirmée à ±1 µm de la valeur nominale, assurant une précharge égale sur les deux moitiés d'engrenage. fabricant d'engrenages hélicoïdauxEn Corée, Ever-Power fournit le calcul de l'inertie réfléchie (J_gear = 0,5 × m × r²) pour chaque ordre d'engrenage de précision, offrant ainsi au concepteur du système servo les informations nécessaires à l'adaptation d'inertie avant la conception du réducteur. Consultez gamme de produits à engrenages hélicoïdaux.
Foire aux questions
La répétabilité est la capacité d'un robot à revenir à une position précédemment visitée en partant de la même direction d'approche ; elle n'est pas affectée par le jeu si cette direction est toujours la même. La précision est la capacité à atteindre une coordonnée cartésienne absolue sans étalonnage préalable ; elle est directement affectée par le jeu car la position absolue dépend du sens d'approche (horaire ou antihoraire). La plupart des robots industriels spécifient une répétabilité (±0,01–0,05 mm) mais pas de précision absolue. C'est pourquoi leurs systèmes de commande utilisent une compensation du jeu plutôt que de spécifier un jeu nul. engrenages hélicoïdauxLes cobots utilisés pour les tâches d'assemblage à commande de force où la précision absolue est essentielle nécessitent des engrenages à jeu réduit et un étalonnage cinématique complet.
En général, non — outre le jeu, les articulations robotiques nécessitent une faible inertie réfléchie (les réducteurs standard ont des corps d'engrenages relativement lourds), une longueur axiale compacte (les réducteurs standard ont des dimensions de carter fixes qui peuvent ne pas convenir à l'encombrement de l'articulation) et une rigidité en torsion (les réducteurs standard peuvent présenter un effet de torsion lors d'une accélération rapide, ce qui limite la bande passante du servomoteur). Un réducteur planétaire de précision engrenage hélicoïdal Le système adapté est conçu spécifiquement pour les applications servo, avec un arbre de sortie creux pour le passage des câbles, un boîtier léger en aluminium et une bride de sortie précise. Korea Ever-Power fabrique les composants du train épicycloïdal (roue solaire et satellites) pour ces systèmes servo compacts ; le boîtier et l'assemblage sont généralement conçus par le fabricant du robot.
Les entraînements de roues AGV pour les robots logistiques d'intérieur utilisent généralement des modèles M2 à M4. engrenages hélicoïdaux Dans les réducteurs à un ou deux étages, la vitesse du moteur (3 000 à 6 000 tr/min) est réduite à la vitesse de la roue (100 à 400 tr/min). La géométrie compacte du moyeu de la roue limite le diamètre extérieur de l'engrenage à 30–80 mm, ce qui, pour les engrenages M2–M4, permet d'obtenir un nombre de dents de 15 à 40, suffisant pour les rapports de réduction requis. Matériau : acier 20CrMnTi cémenté pour une durée de vie prolongée, adaptée au fonctionnement quotidien 24 h/24 typique des AGV logistiques. Classe de précision : DIN 6–7 (l'environnement étanche IP67 et les vitesses modérées des AGV ne nécessitent pas une précision DIN 5).
Pour servo et articulations de robot engrenages hélicoïdauxL'angle d'hélice β = 20–25° est standard, soit la même plage que pour les engrenages industriels de précision. Un angle d'hélice plus élevé réduit l'erreur de transmission (diminution du bruit) mais augmente la poussée axiale sur l'arbre du servomoteur, qui n'est pas toujours supportée par le palier d'arbre. Pour les applications servo, le palier à contact oblique intégré à l'arbre de sortie du servomoteur absorbe une poussée axiale modérée ; au-delà de β = 25°, la charge axiale peut dépasser la capacité axiale du palier d'arbre moteur, nécessitant un palier de butée externe sur l'arbre d'entrée du réducteur. Korea Ever-Power vérifie la poussée axiale attendue (F_a = F_t × tan β) par rapport à la capacité axiale du palier d'arbre moteur pour chaque ordre d'engrenage servo.
Demande de renseignements sur les engrenages hélicoïdaux pour servomoteurs et robots de précision
Veuillez indiquer vos exigences en matière de jeu, de rapport de réduction, de couple de sortie et de contraintes d'inertie. Korea Ever-Power confirme le module, le nombre de dents, la classe DIN et la classe d'épaisseur des dents ; le calcul de l'inertie réfléchie et le certificat de jeu sont inclus de série pour chaque servomoteur.
M0,5–M8 · DIN Classe 4–6 · Jeu de classe g–h · Calcul d'inertie · Paires d'engrenages à ciseaux · Quantité minimale de commande : 1 pièce
Éditeur : Cxm
