Pourquoi une seule série de réducteurs planétaires ne peut pas alimenter les six articulations du robot
Les six axes d'un robot industriel standard diffèrent non seulement par le couple requis, mais aussi fondamentalement par la propriété physique du réducteur qui importe le plus. Les axes J1 et J2 sont principalement soumis à des exigences d'inertie et de rigidité en torsion que les réducteurs planétaires de précision standard ne peuvent satisfaire de manière adéquate dans leur catégorie de couple. L'axe J3 représente un problème d'équilibre entre couple et rendement. Les axes J4 et J5 sont avant tout un problème d'encombrement, où la profondeur axiale détermine si le poignet du robot reste dans son enveloppe cible. L'axe J6 représente un problème de minimisation de la vitesse et de la masse.
L'utilisation d'une même série de réducteurs pour les six articulations — une pratique courante en phase de conception préliminaire de robots — conduit à des articulations surdimensionnées (lourdes, coûteuses, à forte inertie) et sous-dimensionnées (rigidité ou capacité de charge axiale insuffisantes). La méthode appropriée consiste à traiter chaque articulation comme un problème de sélection indépendant, résolu séquentiellement à partir de J1.
| Articulation | Principal facteur de conception | Plage de couple typique | Rapport typique | Exigence IP | Série EP recommandée |
|---|---|---|---|---|---|
| J1 — Taille | rigidité en torsion L'inertie est toujours > 5:1 |
800–3 000+ N·m | 20:1 – 40:1 | IP65 préféré | EP-ZDS-142/190 |
| J2 — Grand bras | Couple + Rigidité Couple de gravité maximal |
600–2 000+ N·m | 16:1 – 25:1 | IP65 préféré | EP-ZDS-115/142 |
| J3 — Arme légère | Couple + rendement | 250–800 N·m | 10:1 – 20:1 | IP54 | EP-ZDS-115 ou EP-ZDE-160 |
| J4 — Roulement du poignet | Profondeur axiale (compacte) | 20–80 N·m | 8:1 – 16:1 | IP54 | EP-ZDWE-80 ou EP-ZDE-80 |
| J5 — Flexion du poignet | Profondeur axiale (compacte) | 15–60 N·m | 8:1 – 16:1 | IP54 | EP-ZDWE-60/80 |
| J6 — Rotation de l'outil | Minimisation de la masse | 5–20 N·m | 3:1 – 8:1 | IP54 | EP-ZDE-60 |
J1 et J2 — Pourquoi la rigidité en torsion est plus importante que le jeu axial
Les articulations J1 (rotation de la taille) et J2 (bras) sont les plus exigeantes de tout robot à 6 axes. Au niveau de J1, le corps du robot et sa charge utile maximale pivotent autour de la base. Au niveau de J2, le poids combiné de l'avant-bras, du poignet et de la charge utile exerce un bras de levier maximal lorsque le bras est complètement étendu horizontalement. Ces deux articulations ont une caractéristique déterminante : leur inertie de charge dépasse de 10 à 35 fois celle du rotor du servomoteur, même avec un rapport de réduction de 20:1.
Pour un robot supportant une charge utile de 100 kg, l'inertie de charge effective en J1 est d'environ 540 kg·m² — le corps du robot et sa charge utile tournant autour de la base. Un servomoteur de grande taille pour ce type de robot a une inertie de rotor J_moteur ≈ 0,15 kg·m². Avec un rapport de réduction de 20:1 : J_réfléchi = 540/20² = 1,35 kg·m², ce qui donne un rapport d'inertie de 1,35/0,15 = 9:1 — bien au-dessus du seuil « sûr » de 3:1. À J2, avec un ratio de 20:1, ce ratio s’améliore pour atteindre environ 2:1, ce qui fait de 20:1 le ratio optimal pour J2.
Solution technique : la rigidité en torsion augmente la fréquence de résonance
Lorsque le rapport d'inertie dépasse 3:1, la méthode standard (augmentation du gain Kv du servomoteur) excite la fréquence de résonance mécanique de la transmission. Pour J1 et J2, cette fréquence de résonance doit être portée au-delà de la bande passante de la commande du servomoteur (généralement de 50 à 100 Hz pour les contrôleurs d'articulations de robots) afin d'éviter les oscillations. La fréquence de résonance du système charge-réducteur est :
Ce calcul explique pourquoi les fabricants de robots ont historiquement utilisé des réducteurs à ondes de contrainte (sans jeu, rigidité extrêmement élevée) pour les articulations J1 et J2, et pourquoi la série EP-ZDS à haute rigidité — avec une rigidité en torsion jusqu'à 130 N·m/arcmin et une capacité axiale de 28 000 N — est la série EP appropriée pour ces articulations, plutôt que la série standard EP-ZDE. La spécification du jeu (< 8 arcmin pour EP-ZDS) est secondaire par rapport à la valeur Ct sur cet axe.
- Couple : calculer l’inertie totale du corps + de la charge utile × l’accélération angulaire maximale, SF = 2,0–2,5
- Rigidité : Ct ≥ 44 N·m/arcmin (EP-ZDS-142 ou -190)
- Axe : généralement bas en J1 (taille horizontale) — EP-ZDE-160 peut suffire en l’absence de décalage vertical
- IP65 pour les environnements de soudage et de carrosserie automobile
- Rapport : 20:1–25:1 pour ramener le rapport d'inertie en dessous de 10:1
- Couple : couple de gravité à extension horizontale maximale + couple d'accélération, SF = 2,0
- Utilisez un rapport de 20:1 pour atteindre un rapport d'inertie ≈ 2:1 (voir calcul ci-dessus).
- Rigidité : Ct ≥ 20 N·m/arcmin — EP-ZDS-115 à 20:1 délivre Ct = 22 N·m/arcmin
- Axiale : significative — le poids du bras crée une charge axiale sur l’arbre de sortie J2 ; vérifier par rapport à la limite
- Indice de protection IP65 pour les environnements difficiles ; IP54 acceptable pour les salles blanches ou l’automatisation générale.
J3 — Arme légère : Le point d’équilibre couple-efficacité
Le moteur J3 actionne l'avant-bras, le poignet et la charge utile (généralement de 50 à 80 kg pour un robot d'une capacité de charge de 100 kg). En extension maximale, il génère un couple de gravité de 350 à 500 N·m. Combiné au couple d'accélération et à un coefficient de service de 1,75 pour les chocs modérés, le couple de sortie requis est généralement de 600 à 900 N·m. Le moteur J3 se situe ainsi à la limite entre l'EP-ZDE-160 (800 N·m) et l'EP-ZDS-115 (260 N·m à un rapport de 20:1, ou 780 N·m avec un rapport à deux étages via l'EP-ZDS-142).
Au niveau de l'articulation J3, le rapport d'inertie à 16:1 est d'environ 1,7:1, une valeur idéale pour un réglage stable du servo sans nécessiter une rigidité torsionnelle exceptionnelle. De ce fait, J3 est la première articulation où l'efficacité (et donc la gestion thermique) devient un facteur de différenciation pertinent. Une articulation monobloc 96% à EP-ZDE-160 génère nettement moins de chaleur dans le boîtier du bras qu'une articulation bibloc 94% lors de cycles de prélèvement et de placement continus.
| Configuration | Couple maximal | Efficacité | Ct (N·m/arcmin) | Poids (en 2 étapes) | Idéal pour J3 |
|---|---|---|---|---|---|
| EP-ZDE-160, 16:1 | 800 N·m | 94% | 38 | 22 kg | ✅ T ≤ 700 N·m |
| EP-ZDS-142, 16:1 | 910 N·m | 94% | 44 | 18,5 kg | ✅ J3 à couple élevé |
| EP-ZDS-115, 20:1 | 260 N·m | 94% | 22 | 11,6 kg | ⚠ Uniquement si T ≤ 250 N·m |
Règle de décision J3 : Si le couple combiné requis (gravité + accélération × facteur de forme) dépasse 700 N·m, spécifiez l'EP-ZDS-142 avec un rapport de réduction de 16:1. S'il est inférieur à 700 N·m et que l'indice de protection IP65 n'est pas requis, l'EP-ZDE-160 avec un rapport de réduction de 16:1 est le choix le plus économique, offrant une efficacité équivalente. L'EP-ZDS-142 offre une rigidité torsionnelle supérieure (44 N·m/arcmin contre 38 N·m/arcmin) et un indice de protection IP65, constituant ainsi une marge de sécurité supplémentaire pour les applications J3 où le boîtier du bras est exposé aux intempéries.
J4 et J5 — Articulations du poignet : quand la profondeur axiale définit la conception
Les articulations du poignet du robot J4 (roulis) et J5 (flexion) présentent des exigences de couple relativement modestes, généralement de 20 à 80 N·m selon la masse du poignet et la charge utile de l'outil. Le défi de conception au niveau de J4/J5 ne réside pas dans le couple, mais dans l'espace disponible. Le poignet doit s'insérer dans l'encombrement du bras du robot, et chaque millimètre de profondeur axiale du réducteur augmente directement le diamètre extérieur ou la longueur du poignet. Dans les conceptions de robots collaboratifs visant un diamètre de poignet de 100 mm, la différence entre un réducteur EP-ZDE-80 aligné et un réducteur EP-ZDWE-80 à angle droit au niveau de J4 détermine la section transversale du poignet réalisable ou non.
La série EP-ZDWE à entrée coudée présente un jeu angulaire plus important que la série EP-ZDE en ligne, à taille de bâti égale (< 25–30 minutes d'arc contre < 8 minutes d'arc), comme indiqué dans le guide des jeux angulaires. Pour les articulations J4/J5 des robots à servocommande, ce jeu angulaire est négligeable : la boucle de positionnement du servo compense intégralement le jeu angulaire en mode de positionnement en boucle fermée. Le jeu angulaire devient pertinent uniquement dans les systèmes pas à pas en boucle ouverte, qui ne sont pas utilisés pour les articulations de précision des robots.
- Diamètre extérieur du poignet cible ≤ 130 mm
- Le moteur ne peut pas être empilé coaxialement avec la sortie du réducteur.
- Poignet de robot collaboratif où le cheminement des câbles exige que le moteur sorte latéralement
- Axe à servocommande (retour de position en boucle fermée)
- L'enveloppe du poignet permet l'empilage du moteur coaxial et du réducteur.
- Les exigences de précision de positionnement imposent un jeu angulaire inférieur à 8 minutes d'arc pour le maintien en boucle ouverte partielle.
- Robot industriel (et non cobot) où la taille du poignet est moins contraignante
- Mode de contrôle de la force où la rigidité de la boîte de vitesses est critique
J6 — Rotation de l'outil : la masse est le critère de spécification principal
L'articulation J6 assure la rotation de l'effecteur ou de l'outil. Elle présente le couple requis le plus faible (généralement de 5 à 20 N·m), la vitesse de rotation continue la plus élevée (souvent de 360 à 720 tr/min) et la contrainte de masse la plus stricte, car chaque gramme ajouté à J6 augmente le couple de charge aux articulations J5, J4, J3, J2 et J1 de la chaîne de production. La solution optimale consiste à choisir le châssis EP-ZDE le plus compact compatible avec le couple requis, à opter pour une unité monobloc pour une efficacité maximale et à minimiser la masse au maximum.
| Cadre EP-ZDE | Couple à 3:1 | Couple à 5:1 | Poids (1 étape) | Vitesse d'entrée maximale | Adéquation J6 |
|---|---|---|---|---|---|
| EP-ZDE-60 | 12 N·m | 16 N·m | 0,9 kg | 4 500 tr/min | ✅ Idéal pour la plupart des J6 |
| EP-ZDE-80 | 40 N·m | 50 N·m | 2,1 kg | 4 500 tr/min | ⚠ Outils à charge utile lourde uniquement |
| EP-ZDE-40 | 4,5 N·m | 6 N·m | 0,4 kg | 4 500 tr/min | Le plus léger ; pour les changeurs d'outils <5 N·m |
Règle empirique J6 : Choisissez le réducteur EP-ZDE-60 avec un rapport de 3:1 ou 5:1 pour le robot J6 standard d'une charge utile de 100 kg. Le rapport d'inertie au niveau du J6 est excellent (≈1,1:1 avec un rapport de 3:1), le rendement est de 96% (mono-étage) et le poids du réducteur (0,9 kg) n'entraîne qu'une charge négligeable sur les articulations en amont. Réservez le réducteur EP-ZDE-80 aux applications nécessitant des outils lourds, lorsque la masse de l'outil dépasse 15 kg et que le couple de rotation de l'outil atteint des pics supérieurs à 30 N·m.
Matrice de sélection complète axe par axe — Robot 6 axes de charge utile de 100 kg
Le tableau ci-dessous récapitule les spécifications complètes recommandées pour un robot industriel 6 axes d'une capacité de charge de 100 kg et d'une portée de 1,5 m. Les valeurs de couple indiquées incluent un facteur de service de 2,0 pour J1/J2, de 1,75 pour J3 et de 1,5 pour J4 à J6. Pour les robots à capacité de charge plus faible, ajustez proportionnellement la taille du châssis en fonction des besoins en couple.
| Articulation | T_requis (N·m) | Rapport | Rapport d'inertie | Min Ct (N·m/arcmin) | IP | Unité recommandée | Couple nominal (N·m) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| J1 Taille | 800 à 2 000+ | 20:1–25:1 | ≈9:1 (structurel) | ≥44 | IP65 | EP-ZDS-142, 20:1 | 910 |
| J2 Grand bras | 600 à 1 500+ | 20:1 | ≈2:1 ✅ | ≥20 | IP65 | EP-ZDS-115, 20:1 | 260 |
| Arme légère J3 | 400–900 | 16:1 | ≈1,7:1 ✅ | ≥30 | IP54 | EP-ZDS-142, 16:1 | 910 |
| Roulement de poignet J4 | 20–80 | 8:1 – 16:1 | ≈1,6:1 ✅ | ≥4 | IP54 | EP-ZDWE-80, 8:1 | 45 |
| Flexion du poignet J5 | 15–60 | 8:1 – 16:1 | ≈1,6:1 ✅ | ≥4 | IP54 | EP-ZDWE-60, 10:1 | 12 |
| Outil J6 | 5–20 | 3:1 – 5:1 | ≈1,1:1 ✅ | ≥1 | IP54 | EP-ZDE-60, 3:1 | 12 |
Conception de référence d'un robot industriel à 6 axes, capacité de charge de 100 kg et portée de 1,5 m. Couples : SF 2,0 (J1/J2), 1,75 (J3), 1,5 (J4–J6). Adaptation proportionnelle à la charge utile. Pour les spécifications finales, veuillez contacter le service d'ingénierie d'application de Korea Ever-Power.
Sélection des articulations pour robots collaboratifs (cobots) — Quand les spécifications diffèrent
Les robots collaboratifs (cobots) travaillent aux côtés des humains sans barrière de protection, ce qui impose des contraintes de conception très différentes de celles des robots industriels classiques. Leur capacité de charge est généralement inférieure (3 à 25 kg contre 50 à 200 kg pour les robots industriels), la vitesse de leurs bras est volontairement limitée, mais les exigences relatives au diamètre du poignet et à l'encombrement global sont plus élevées : les cobots doivent être visuellement compacts et ergonomiques.
Les fabricants coréens de cobots basés à Suwon, Seongnam et Ansan ciblent généralement des diamètres de poignet de 60 à 100 mm pour leurs gammes de produits. À ces dimensions, l'entrée à angle droit Série EP-ZDWE L'utilisation de J4 et J5 n'est pas seulement préférable ; c'est souvent la seule solution viable respectant l'encombrement du poignet. Le système EP-ZDWE-60 à un étage (L1 = 150 mm, hauteur totale L12 = 93 mm) permet d'intégrer le moteur au corps du bras tout en maintenant la section transversale du poignet à moins de 100 mm.
- Charge utile réduite → trames plus petites : Le cobot J1 de 10 kg utilise l'EP-ZDS-115 au lieu de l'EP-ZDS-190 ; le J6 utilise l'EP-ZDE-40 à 0,4 kg.
- Détection de force-couple au niveau de J6 : Si la réversibilité est requise pour le contrôle de la force, vérifiez que le rendement de la boîte de vitesses est suffisant pour un calcul fiable du couple articulaire à partir du courant moteur.
- Bruit: Les cobots fonctionnent à proximité d'opérateurs humains ; les niveaux sonores des modèles EP-ZDE/ZDS (55–70 dB(A)) sont acceptables ; il est déconseillé d'utiliser les unités à trois étages, dont les niveaux sonores ont tendance à être plus élevés.
- L'indice de protection IP54 est généralement suffisant. Pour les déploiements de cobots classiques, sauf si le cobot se trouve dans une zone de transformation alimentaire ou de lavage, auquel cas la norme IP65 (EP-ZDS) s'applique.
Trois erreurs de spécification courantes chez les fabricants de robots
L'application d'EP-ZDE à toutes les articulations entraîne une rigidité insuffisante des articulations J1/J2 (Ct trop faible, risque de résonance) et un surpoids de l'articulation J6. L'utilisation d'EP-ZDS sur toutes les articulations ajoute une masse inutile de 12 à 30 kg aux articulations distales, ce qui accroît les besoins en couple en amont et réduit les performances dynamiques. La nomenclature correcte comprend au moins trois séries EP différentes pour les six articulations.
Les ingénieurs spécifient parfois un jeu inférieur à 3 minutes d'arc au niveau des joints J1/J2, pensant ainsi améliorer la précision. Or, à ces joints, l'erreur de position dominante sous charge est la déformation élastique en torsion (θ = T/Ct), et non le jeu. À 1 000 N·m sur un joint EP-ZDE-160 (Ct = 38), la déformation élastique est de 26 minutes d'arc, soit bien plus que toute spécification de jeu. Réduire le jeu de 8 à 3 minutes d'arc permet de gagner 5 minutes d'arc, tout en négligeant 26 minutes d'arc d'erreur liée à la charge. Spécifier un joint EP-ZDS avec Ct = 130 réduit cette même déformation élastique à 7,7 minutes d'arc, soit une amélioration d'un facteur 3,4 pour un coût égal ou inférieur.
Les robots utilisés dans les ateliers de carrosserie coréens fonctionnent dans des environnements exposés aux projections de soudure, aux brouillards de refroidissement et aux lavages périodiques des lignes de production. L'étanchéité IP54 résiste aux projections d'eau, mais pas à une exposition prolongée ni au lavage haute pression. Les réducteurs J1/J2, les plus volumineux et les plus coûteux du robot, sont généralement situés à la base, au plus près des projections d'eau et des eaux de lavage au niveau du sol. Dans cet environnement, un réducteur IP54 a une durée de vie effective de 3 000 à 5 000 heures avant contamination du lubrifiant. Opter dès le départ pour une étanchéité IP65 (EP-ZDS) pour les réducteurs J1/J2 coûte moins cher qu'un remplacement imprévu et l'arrêt de la ligne de production.
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Éditeur : Cxm
