Entraînement harmonique ou réducteur planétaire : choisir le bon réducteur de joint robotique

Lorsque l'articulation du poignet d'un robot collaboratif dérive de 0,08 mm sous une charge de 1,5 kg, le composant défaillant est rarement le servomoteur. C'est le réducteur. Dans les applications d'assemblage robotique, la décision entre entraînement harmonique et réducteur planétaire détermine la précision de la position, la densité de couple, la conformité et le coût plus que tout autre sous-ensemble. La vraie question n'est pas de savoir quelle technologie est la meilleure dans l'abstrait, mais laquelle correspond au profil de mouvement de l'articulation.

Ce guide compare les deux technologies à l'aide de paramètres mesurables : jeu, rigidité en torsion, densité de couple, capacité de vitesse et durée de vie. Il se termine par un cadre de sélection pratique qu’un ingénieur d’études peut appliquer avant de passer commande.

Entraînement harmonique ou réducteur planétaire : commencez par le jeu et la densité de couple

Pour les articulations robotiques, un entraînement harmonique offre un jeu plus faible et une densité de couple plus élevée, tandis qu'un réducteur planétaire offre une rigidité plus élevée et un meilleur coût par newton-mètre.

Le jeu est le mouvement angulaire libre de la sortie lorsque l'entrée est maintenue. Dans une articulation de robot, cela apparaît comme une zone morte dans la réponse de commande et comme une erreur de position lorsque la direction s'inverse. Un entraînement harmonique déforme une flexspline avec un générateur d'ondes, créant deux zones de maillage presque sans espace. Un entraînement harmonique typique atteint un jeu de 1 minute d'arc ou mieux, et de nombreux modèles atteignent 0,5 arcmin. Un réducteur planétaire standard a un jeu interne entre le planétaire et les engrenages planétaires, de sorte que le jeu se situe généralement entre 3 et 15 arcmin ; les unités planétaires de précision atteignent 1 à 3 arcmin à un prix plus élevé.

La densité de couple, c'est-à-dire le couple nominal par unité de diamètre extérieur, est le deuxième nombre décisif. La cannelure flexible d'un entraînement harmonique s'enroule autour d'une cannelure circulaire de grand diamètre, de sorte que la même taille de boîtier fournit environ deux à trois fois le couple d'un réducteur planétaire comparable. Pour une articulation de robot, cela signifie un poignet plus petit et plus léger avec la même capacité de charge utile. Un réducteur planétaire a besoin de plus d'espace radial pour ses engrenages planétaires, ce qui le rend plus lourd pour le même couple de sortie.

Lorsque l'exigence est une tenue de précision, le guide approfondi du réducteur d'harmoniques couvre plus en détail les implications de contrôle d’un jeu proche de zéro.

Réducteur à engrenages flexible série BSHF avec arbre creux Ce réducteur d'harmoniques offre un jeu proche de zéro et une rigidité élevée, ce qui le rend idéal pour les applications de maintien de précision. Sa conception compacte à arbre creux convient aux articulations de robots soumises à des contraintes d'espace, et la faible rigidité en torsion affecte le réglage du contrôleur. Voir le produit →

Rigidité et résonance : pourquoi un entraînement harmonique modifie toute la boucle de contrôle

Un entraînement harmonique a une rigidité en torsion inférieure à celle d'un réducteur planétaire, mais il n'a également presque aucun jeu, et ce commerce modifie la façon dont le contrôleur réagit.

La rigidité en torsion est la résistance à la déformation angulaire sous charge. Un réducteur planétaire, avec plusieurs engrenages planétaires en contact roulant, est rigide ; une petite unité peut afficher 5 à 10 Nm par arcmin. Un entraînement harmonique est plus doux, car le flexspline est conçu pour se plier. La rigidité plus faible, combinée à l'écartement sans jeu, rend la boucle de position plus prévisible mais abaisse la fréquence de résonance de torsion.

Si le robot effectue un positionnement point à point à faible vitesse avec une petite charge utile, l'entraînement harmonique l'emporte. Si l'articulation doit rejeter des forces externes ou gérer de fortes accélérations, le réducteur planétaire plus rigide est plus facile à stabiliser, car la boucle de contrôle peut fonctionner sur une bande passante plus élevée sans exciter les modes structurels.

Quand un réducteur planétaire est la bonne solution : coût, cycle de service et charges d'impact

Un réducteur planétaire est le bon choix pour les articulations robotiques qui nécessitent des vitesses d'entrée supérieures à 4 000 tr/min, doivent survivre à des charges de choc ou doivent respecter un budget serré.

Les réducteurs planétaires sont courants en robotique car ils sont efficaces, avec 90 à 97 % par étage, robustes et abordables. Ils fonctionnent à des vitesses d'entrée de 5 000 à 10 000 tr/min, tandis qu'un entraînement harmonique est normalement limité à 3 000 à 4 000 tr/min car le flexspline se fatigue plus rapidement à grande vitesse. Les engrenages planétaires partagent la charge sur plusieurs points de contact, de sorte que les forces d'impact sont réparties. La fine cannelure flexible d'un entraînement harmonique peut se déformer de façon permanente en cas de couple maximal excessif ou d'une collision. Le coût est un troisième facteur : un réducteur planétaire de même taille de châssis coûte généralement 30 à 50 % de moins qu'un entraînement harmonique. Pour un robot à six ou sept articulations, cette différence est significative.

Réducteur planétaire hélicoïdal série AHL pour servomoteurs Ce réducteur planétaire hélicoïdal offre un fonctionnement fluide et silencieux et une capacité de couple élevée. Ses roulements intégrés et sa graisse sans entretien réduisent les temps d'arrêt, ce qui en fait un choix rentable pour les axes d'épaulement et de coude des robots industriels. Voir le produit →

Comment faire correspondre le réducteur à un joint robotique : un cadre de sélection pratique

Sélectionnez le réducteur en commençant par l'exigence de précision de position, puis en vérifiant le couple et la vitesse continus, et enfin en comparant le coût et la durée de vie.

Travailler sur les exigences réelles du joint afin d'éviter l'erreur la plus courante, qui consiste à commander un réducteur surdimensionné pour le couple mais sous-dimensionné pour la précision.

1. Définissez la répétabilité requise au niveau de l'effecteur final, par exemple plus/moins 0,05 mm.
2. Convertissez cela en résolution angulaire au niveau de l'articulation en utilisant la longueur du segment du bras.
3. Calculez le couple continu à partir de la charge efficace du moteur et le couple maximal à partir du profil d'accélération.
4. Spécifiez la vitesse d'entrée maximale, car la vitesse nominale du variateur harmonique est inférieure à celle d'un planétaire.
5. Vérifiez la rigidité en torsion par rapport à la bande passante du contrôleur.
6. Comparez le coût total de possession, y compris les pièces de rechange et la durée de vie prévue.

L'expérience de BEITTO avec les chemins d'entraînement harmoniques et planétaires

BEITTO fabrique des réducteurs planétaires, flexibles et à sorties multiples, de sorte qu'un joint robotisé peut être spécifié à partir des familles de produits en stock au lieu de se limiter à une seule technologie.

Zhejiang Beitto Transmission Technology Co., Ltd. (BEITTO) construit des réducteurs planétaires de haute précision dans la série 18, des réducteurs à engrenages flexibles dans les séries BSHF, BCSF et BCSG, ainsi qu'une série TD pour la transmission à une entrée et à sorties multiples. L'entreprise exploite une usine de 12 000 mètres carrés avec plus de 90 employés et plus de 20 ans d'expérience dans l'industrie des boîtes de vitesses. L'atelier de production de BEITTO suit des méthodes de fabrication de précision japonaises et un contrôle de qualité strict, ce qui est important lorsqu'un joint doit maintenir un couple nominal sur une longue durée de vie.

Pour la flexibilité des articulations du robot et la capacité de charge, la série TDCR offre une configuration compacte à sorties multiples. Le La série TDCR est conçue pour améliorer la flexibilité des articulations du robot et la capacité de charge tout en maintenant un faible jeu.

Réducteur conique en spirale à arbre creux série TD-CR Avec une sortie à arbre creux et un faible jeu, ce réducteur à engrenages coniques améliore la flexibilité et la capacité de charge des articulations du robot. Sa conception sans entretien et son montage flexible simplifient l'intégration, offrant un complément aux entraînements harmoniques pour les systèmes multi-axes. Voir le produit →

FAQ : Entraînement harmonique ou réducteur planétaire pour les articulations robotiques

Quel réducteur a le jeu le plus faible pour un joint robotisé ?

Un entraînement harmonique a un jeu plus faible, généralement de 1 arcmin ou mieux. Un réducteur planétaire de précision atteint 1 à 3 arcmin, mais un réducteur planétaire standard se situe généralement entre 3 et 15 arcmin.

Un réducteur planétaire peut-il remplacer un entraînement harmonique dans un poignet de robot ?

C'est possible, mais le joint aura un jeu plus élevé et une densité de couple plus faible pour la même taille de cadre. Le réducteur planétaire fonctionnera également plus rapidement et supportera mieux les charges de choc, ce qui peut être un avantage dans un poignet équipé d'axes de préhension.

Quel est le plus grand risque lors de la sélection d’un réducteur pour une articulation robotisée ?

Le plus grand risque est de choisir uniquement en fonction du couple nominal. De nombreux ingénieurs oublient de vérifier la rigidité en torsion, la vitesse d'entrée et la répétabilité réelle de l'assemblage. Un réducteur trop mou peut provoquer des oscillations, et un réducteur trop lent pour la vitesse maximale du moteur réduira sa durée de vie.

Comment calculer la taille de la boîte de vitesses pour un joint de robot ?

Commencez par le couple continu au niveau du joint, multipliez par un facteur de pointe de 2 à 3 pour l'accélération, puis confirmez la vitesse d'entrée requise. Si l'articulation nécessite un maintien de précision, vérifiez également le jeu et la rigidité par rapport à la boucle de contrôle de position.