Le concept de robots est déjà très large. Cet article se concentre sur les servomoteurs pour articulations robotiques utilisés dans le secteur de l'automatisation industrielle et ne couvre pas les servomoteurs intégrés pour les robots de service.
Les robots industriels sont globalement classés en robots linéaires (également appelés robots cartésiens), robots à plusieurs-degrés-de-liberté (également appelés robots multi-articulés), robots parallèles (également appelés robots Delta) et robots horizontaux multi-articulés (également appelés robots SCARA). Une « cellule d'automatisation » se compose de différents types de bras robotisés articulés et d'équipements de transport automatisés. Des cellules d'automatisation dotées de différentes fonctions sont reliées pour former une ligne de production automatisée, et plusieurs lignes de production automatisées sont combinées pour créer un atelier automatisé.
Parmi ces robots industriels et unités automatisées, les servomoteurs jouent un rôle essentiel dans le positionnement précis, rapide et fiable des structures mécaniques en fonction des commandes de contrôle ; ils sont donc considérés comme des composants essentiels.
Concepts de base des servomoteurs à aimant permanent
« Servo » fait référence à la capacité d'exécuter des commandes à partir d'un système informatique de contrôle sans déviation. Ce concept ne se limite pas aux moteurs électriques ou hydrauliques ; cela englobe également les systèmes pneumatiques, et tout composant capable d'effectuer cette tâche est considéré comme un composant servo.
Un moteur électrique est un composant électromécanique qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Un servomoteur est un moteur électrique conçu pour être utilisé dans les systèmes de contrôle de mouvement, où ses paramètres de sortie-tels que la position, la vitesse, l'accélération ou le couple-sont contrôlables.
Les servomoteurs peuvent être classés en différents types en fonction de leurs spécifications de contrôle. Par type d'alimentation, ils sont divisés en servomoteurs AC et servomoteurs DC ; par mode de fonctionnement, ils sont classés en servomoteurs linéaires et servomoteurs rotatifs. Les moteurs linéaires génèrent directement une force newtonienne, tandis que les moteurs rotatifs produisent un couple de rotation. Pour entraîner des charges linéaires, les moteurs rotatifs nécessitent des mécanismes mécaniques tels que des vis mères pour convertir le mouvement de rotation en mouvement linéaire.
Les servomoteurs rotatifs à courant alternatif sont classés en servomoteurs asynchrones à courant alternatif et servomoteurs synchrones à courant alternatif en fonction de la structure du rotor. Le rotor d'un servomoteur asynchrone à courant alternatif est constitué d'une cage en aluminium ou en cuivre, et la vitesse de rotation de la cage maintient toujours une certaine différence de vitesse par rapport au champ magnétique tournant synchrone. Grâce à la technologie de contrôle vectoriel, ce type de moteur peut atteindre des caractéristiques de contrôle de couple aussi précises que celles des moteurs à courant continu. Cependant, le rotor présente une inertie élevée, de bonnes caractéristiques de puissance constante-et une large plage de vitesses, ce qui le rend adapté à une large gamme de charges d'inertie variables-telles que les applications d'enroulement/déroulage de machines-outils de découpe et d'impression. Les inconvénients sont un faible couple de démarrage et leur vitesse de réponse électromagnétique est inférieure à celle des servomoteurs à aimant permanent. La constante de temps électromagnétique est environ 10 fois supérieure à celle des moteurs à aimants permanents fabriqués à partir de matériaux à aimants permanents. De plus, en raison de la faible densité de puissance et des grandes dimensions du rotor, ils ne conviennent pas aux applications d'asservissement à haute dynamique -.
Les servomoteurs synchrones rotatifs à courant alternatif utilisent des matériaux à aimants permanents pour leurs rotors, qui génèrent directement le champ magnétique d'excitation. Il n'est pas nécessaire de recourir à un courant d'excitation pour établir le champ magnétique du moteur, ce qui entraîne une réponse électromagnétique rapide. De plus, la densité énergétique élevée des matériaux actuels à aimants permanents à base de terres rares permet une densité de puissance élevée dans ces moteurs, ouvrant ainsi la voie à la conception de servomoteurs présentant diverses caractéristiques de performances. Une réponse dynamique élevée peut être obtenue grâce à une conception élancée avec une faible inertie du rotor ou une conception compacte et robuste avec une inertie du rotor élevée. L'utilisation de matériaux à aimants permanents de terres rares-a fait des moteurs à aimants permanents le choix privilégié pour les applications d'asservissement. Cependant, les matériaux à aimants permanents à base de terres rares- restent le composant le plus cher parmi tous les matériaux utilisés dans les servomoteurs. Les différences dans les matériaux utilisés par les différents fabricants entraînent des niveaux variables de qualité des produits. Les matériaux à aimant permanent -de haute qualité peuvent ne pas se démagnétiser même à des températures de fonctionnement supérieures à 150 degrés, tandis que les matériaux de qualité inférieure peuvent se démagnétiser lorsque la température de fonctionnement du moteur est inférieure à 120 degrés. La qualité des matériaux des aimants permanents détermine directement les différentes caractéristiques du servomoteur.
Les servomoteurs linéaires produisent directement des Newton-mètres de force sans nécessiter de conversion mécanique, permettant ainsi une accélération très élevée. Ces dernières années, les progrès technologiques rapides ont conduit à leur utilisation généralisée dans les axes d'alimentation des machines-outils hautes-performances. Cependant, dans les robots industriels, leur application est limitée à certains bras robotiques linéaires et ne fait pas l’objet de cet article. Cet article se concentre sur les servomoteurs rotatifs à aimant permanent et leurs applications dans les robots industriels.
Structure d'un moteur rotatif à aimant permanent
La figure 1 montre un schéma structurel typique d'un servomoteur à aimant permanent. Afin de fournir un aperçu complet, ce schéma unique est destiné à illustrer clairement l'ensemble de la structure d'un servomoteur à aimant permanent. En fait, les servomoteurs à aimant permanent de faible-puissance évalués à 15 kW ou moins peuvent s'appuyer sur la convection naturelle pour le refroidissement, éliminant ainsi le besoin d'un ventilateur de refroidissement. Ces moteurs sont compacts et ne nécessitent pas de pieds de montage ; les anneaux d'installation sont également inutiles. Le remplacement de la boîte à bornes par un connecteur aviation pour les fils conducteurs permet d'obtenir une conception plus propre. Par conséquent, l'apparence du moteur devient celle illustrée sur la figure 2 (a). Si le moteur est très petit-moins de 1 kW-même les connecteurs aviation pour les fils conducteurs sont inutiles ; au lieu de cela, un câble peut être directement étendu à partir du moteur, ce qui donne la configuration illustrée à la figure 2 (b).
Figure 1 : Schéma de principe d'un servomoteur à aimant permanent
Figure 2 : Schéma de principe d'un servomoteur à aimant permanent de faible-puissance
Cette section suppose que le lecteur comprend les principes des moteurs électriques et se concentre uniquement sur l'explication des différences structurelles entre les servomoteurs à aimant permanent et d'autres types de moteurs en fonction des caractéristiques des moteurs de robot.
Roulements : La durée de vie d'un servomoteur est étroitement liée à ses roulements. Compte tenu des exigences élevées de fiabilité et de durabilité des robots, les roulements doivent assurer une durée de vie d'au moins 30 000 heures. Sur la base d'une journée de travail de 8 heures, cela se traduit par une durée de vie du robot d'au moins 10 ans. Les roulements doivent pouvoir fonctionner par intermittence à 6 000 tr/min.
Stratifications et enroulements du stator : étant donné que les moteurs de robot nécessitent une densité de puissance élevée, et pour minimiser la taille et réduire la génération de chaleur par perte de fer, le matériau de stratification doit être de l'acier au silicium laminé à froid-d'une épaisseur de 0,35 mm ou moins. Les enroulements doivent résister à une exposition à long-terme à des impulsions porteuses à fréquence variable-de 16 kHz. Pour éviter les pannes et résister aux surtensions intenses dv/dt, la tension nominale de tenue ne doit pas être inférieure à 2 500 V.
Matériau à aimant permanent du rotor : Le matériau à aimant permanent est le composant le plus cher d’un servomoteur à aimant permanent. Les matériaux à faible teneur en éléments de terres rares ont un point de Curie bas et une mauvaise stabilité des matériaux. Si des aimants en néodyme-fer-bore (NdFeB) sont utilisés, ils doivent de préférence être de qualité UH42 ou supérieure. De plus, il faut prêter attention à la teneur en éléments de terres rares tels que le dysprosium. Pour garantir une résistance à la démagnétisation à haute température-, les aimants en samarium-cobalt (SmCo) sont également largement utilisés dans les servomoteurs de petite et moyenne taille-. En résumé, il est essentiel de s'assurer que le servomoteur reste réellement résistant à la démagnétisation-dans des conditions normales de fonctionnement. Sinon, la stabilité à long terme du robot ne peut pas être garantie.
Joints d'arbre : pour empêcher l'huile et les débris de pénétrer dans le moteur tout en garantissant un fonctionnement fluide, l'installation d'un joint d'arbre à l'extrémité de l'arbre du moteur est une pratique de conception standard. Dans les robots, un petit engrenage est souvent fraisé sur l'arbre du servomoteur pour connecter le moteur directement au réducteur. Étant donné que des températures élevées et de l'huile peuvent pénétrer dans le moteur, des joints d'arbre multi-hautes températures-à lèvres sont nécessaires. Par exemple, un joint d'arbre à double-lèvre en caoutchouc fluorocarboné est plus fiable qu'un joint d'arbre à simple-lèvre en caoutchouc nitrile, bien que la différence de coût soit significative.
Frein : un frein est une fonctionnalité standard pour les moteurs de robot. Près de 95 % des servomoteurs nécessitent un frein. Pour garantir que le frein s'enclenche à tout moment-en particulier lors des arrêts d'urgence-il doit fonctionner de manière fiable. Le frein doit avoir un facteur de sécurité suffisant, avec un couple statique d'environ 1,5 fois le couple nominal du moteur. Pour les moteurs de robots-à usage intensif, le facteur de sécurité du frein doit atteindre 2,0 voire 2,5 fois le couple nominal. Il est important de noter que le frein d’un moteur de robot est un frein de sécurité et non un frein de service. Le système de contrôle doit garantir que, lors d'un arrêt d'urgence, le circuit de freinage du servo variateur est activé via une résistance de freinage et que le frein s'enclenche lorsque la vitesse du moteur approche de zéro. Pour améliorer la vitesse de réponse, les freins à aimant permanent sont supérieurs aux freins à ressort électromagnétiques.
Encodeur : L'encodeur est monté à l'extrémité arrière du moteur et fonctionne comme un capteur de vitesse du moteur et de position du rotor. Il mesure la position du rotor pour fournir à l'ordinateur de contrôle des données sur la position et la vitesse réelles du rotor pour le servocommande, le positionnement du champ magnétique et le calcul de la trajectoire du mouvement. Bien que les codeurs de moteur de robot n'offrent généralement pas une haute précision, ils doivent prendre en charge la mesure de position absolue multi-tours pour garantir que le moteur peut reprendre son fonctionnement à partir de la position dans laquelle il se trouvait avant une panne de courant. Actuellement, il existe trois approches courantes pour répondre aux exigences des encodeurs de moteurs de robots. La première méthode utilise un codeur optique ou magnétique à code Gray pour la mesure à un seul-tour et des engrenages mécaniques pour la mesure à plusieurs-tours. L'avantage de cette approche est une précision de mesure élevée ; après une coupure de courant, la position de fonctionnement du moteur est conservée via la position mécanique de l'encodeur et peut être directement lue lors de la mise sous tension-. Cependant, l'inconvénient est que le codeur est trop épais, ce qui le rend excessivement long pour des espaces d'installation limités. La deuxième méthode utilise un encodeur à code Gray optique ou magnétique pour stocker les données à un seul tour-, tandis que les données à plusieurs-tours sont stockées via une mémoire électronique alimentée par batterie-. Cela permet de rendre le codeur très court, ce qui le rend idéal pour les petits servomoteurs d'un diamètre extérieur inférieur à 60 mm. L'inconvénient est que la durée de vie de la batterie est relativement courte -généralement de 2 à 3 ans au maximum, et dans certains cas, la batterie doit être remplacée après seulement un an. La troisième méthode utilise un transformateur rotatif pour mesurer la position à un seul-tour pour les applications ayant des exigences de faible précision, tandis que les informations sur plusieurs-tours sont gérées par un circuit imprimé alimenté par batterie-à l'intérieur du boîtier de commande.
Extension de l'arbre du rotor : en raison des opérations fréquentes en marche avant et arrière, le moteur est soumis à des forces de cisaillement ; par conséquent, le matériau de l'arbre doit être de préférence de l'acier trempé 42CrMo. Si le moteur est installé avec une clé, celle-ci doit être entièrement en place pour réduire efficacement l'équilibre dynamique et le faux-rond du moteur. À des vitesses élevées, la différence de faux-rond entre un servomoteur à clavette et un arbre nu en fonctionnement à vide-peut être jusqu'à neuf fois supérieure-un facteur à ne pas sous-estimer.
Paramètres de transmission clés des servomoteurs à aimant permanent
Zone de fonctionnement : La région dans laquelle le moteur peut fonctionner en continu sans dépasser l'augmentation de température autorisée est appelée zone de fonctionnement continu ; la région en dehors de la zone de fonctionnement continu où le fonctionnement à court terme-est autorisé est appelée zone de fonctionnement intermittent. La zone de fonctionnement est représentée par un plan de coordonnées bidimensionnel -de couple et de vitesse.
Puissance nominale PN : puissance maximale que le moteur peut produire dans la zone de fonctionnement continu.
Couple nominal MN : couple auquel le moteur délivre sa puissance nominale dans la zone de fonctionnement continu. Les définitions du couple nominal varient considérablement selon les fabricants. Les conditions de dissipation thermique correspondantes sont généralement spécifiées. Au niveau international, il est courant de préciser que cette valeur nominale est mesurée avec le moteur monté sur une bride en aluminium d'une surface et d'une épaisseur définies, la température de la bride étant maintenue à 20 degrés ou en dessous d'une température spécifiée. Par conséquent, en fonctionnement réel, les moteurs sont souvent montés sur des composants en fonte et les températures estivales peuvent dépasser la norme d'essai. Si aucune marge n'est autorisée pendant le fonctionnement, cela peut entraîner une surchauffe et une démagnétisation. La condition standard d'une température ambiante de 40 degrés spécifiée par la norme nationale chinoise est relativement raisonnable pour l'environnement chinois. Les fabricants réputés incluront une certaine marge de conception en dessous des valeurs nominales déterminées selon la norme lors de la publication du couple nominal, ce qui est plus sûr.
Courant nominal IN : courant correspondant au couple nominal.
Vitesse nominale nN : vitesse maximale à laquelle le moteur est autorisé à fonctionner sous le couple nominal dans le cycle de service continu.
Verrouillage continu-Mo de couple du rotor : couple maximal que le moteur peut fournir lorsqu'il est verrouillé dans le cycle de service continu. Généralement, les vitesses inférieures à 100 tr/min sont considérées comme tombant dans la plage de fonctionnement du rotor bloqué-.
Courant du rotor verrouillé en continu-I0 : courant correspondant au couple du rotor verrouillé en continu-.
Couple maximal Mmax : Le couple maximum que le moteur est autorisé à produire. Les conditions nominales varient considérablement selon les différents fabricants. Certains précisent le couple correspondant au courant démagnétisant ; ces spécifications ne doivent pas être utilisées comme couple maximal. Les concepteurs mécaniques doivent prévoir une marge suffisante pour empêcher le moteur de se démagnétiser et de tomber en panne en raison d'un couple de fonctionnement excessif. Si le couple maximum est spécifié en fonction du cycle de service, il a une valeur de référence technique. Le couple maximal spécifié selon S3-10 % a la plus grande valeur de référence technique ; il peut être compris comme le couple de fonctionnement maximum autorisé pour un temps de fonctionnement continu de 3 secondes, ce qui est suffisant pour les robots. La surcharge répétitive des robots multi-articulaires est généralement d'environ 2,0 fois.
Courant de pointe Imax : Le courant de fonctionnement correspondant au couple de pointe.
Constante de temps électrique Te : constante caractéristique représentant la vitesse à laquelle le courant répond à une tension appliquée. Il est défini comme le temps nécessaire pour que le courant atteigne 1 - e^(-1) (environ 63,2 %) du courant final après l'application d'une tension fixe aux bornes du moteur. La constante de temps électrique d'un servomoteur est généralement spécifiée comme le rapport entre l'inductance de l'enroulement du stator et sa résistance (Te=L/R). Il est lié au temps de réponse actuel du système d'asservissement mais n'y est pas nécessairement équivalent.
Constante de temps mécanique Tm : La constante de temps mécanique d'un servomoteur est définie comme : tm=R*J/Ke*Kt, c'est-à-dire qu'elle est liée à la résistance de l'enroulement, au moment d'inertie du rotor, au coefficient CEM du moteur et au coefficient de couple du moteur. La constante de temps mécanique d'un moteur d'entraînement est approximativement équivalente au temps nécessaire au moteur pour accélérer de la vitesse nulle à 63,2 % de sa vitesse d'état stable-dans des conditions à vide-de charge. Dans un système d'asservissement, cette constante peut être numériquement équivalente au temps de réponse de l'étape de boucle de vitesse - du système.
Constante de FEM-retour Ke : valeur de FEM sans-retour-EMF induite par le moteur à une vitesse unitaire. Il fait généralement référence à la FEM sans-retour de charge-correspondant à 1 000 tr/min, avec des unités de V/krpm.
Constante de couple Kt : Couple de sortie du moteur correspondant à un courant unitaire. La relation entre le coefficient EMF arrière-Ke du moteur et le coefficient de couple Kt est généralement donnée par Kt=9.55 * Ke * 1,732, où Kt est en Nm/A, Ke est en V/tr/min et Ke=Kt. Ici, Ke fait référence à la ligne de retour -EMF.
Si les spécifications du moteur ne fournissent pas les paramètres Kt et Ke, Kt peut être dérivé du couple nominal et du courant nominal. Ensuite, en utilisant la relation Kt=9.55 * Ke * 1,732, la ligne back-coefficient EMF Ke peut être indirectement dérivée comme suit : Ke=0.1047 * Kt / 1,732, avec des unités de V/rpm ; Alternativement : Ke=104.7 × Kt / 1,732, avec des unités de V/krpm ou mV/rpm.
En raison des limitations de tension d'alimentation, la force contre-électromotrice du moteur est généralement conçue pour être relativement faible afin de garantir une réactivité élevée, garantissant une chute de tension suffisante à des vitesses élevées pour obtenir un courant adéquat. Cependant, un courant élevé augmente la charge thermique du moteur. Par conséquent, les moteurs de robot nécessitent une densité de puissance élevée pour atteindre une taille compacte, un couple élevé et une faible génération de chaleur.
Moment d'inertie du rotor J : moment d'inertie du rotor du moteur. Le moment d'inertie d'un moteur de robot est critique, car il affecte directement la stabilité du fonctionnement du robot. En effet, les robots impliquent souvent une coordination multi-axes. Par exemple, le deuxième axe d'un robot articulé nécessite un moteur doté d'une inertie importante pour s'adapter aux changements substantiels d'inertie de charge qui se produisent lorsque le bras s'étend et se rétracte.
Couple de dents-fente : lorsque les enroulements d'un moteur à aimant permanent sont en circuit ouvert-, un couple périodique est généré pendant un tour du moteur en raison des fentes du noyau d'induit, qui ont tendance à s'aligner sur les positions de résistance magnétique minimale.
Capacité de surcharge : capacité d'un moteur à fournir une puissance ou un couple spécifié pendant une période définie dans des conditions spécifiées sans dépasser le courant de crête spécifié. Généralement, le rapport entre le courant de crête et le courant nominal est appelé facteur de surcharge de courant, tandis que le rapport entre le couple de pointe et le couple nominal est appelé facteur de surcharge de couple. Généralement, les moteurs de robots doivent assurer une capacité de surcharge de couple d'environ 3 fois.
Vitesse maximale nN : La vitesse la plus élevée que le moteur peut atteindre pendant un fonctionnement intermittent. Les définitions de la vitesse maximale varient considérablement selon les constructeurs automobiles ; pour les moteurs de robot, la valeur fournie représente généralement la vitesse la plus élevée à laquelle un fonctionnement reproductible est possible pendant l'utilisation réelle. À vitesse maximale, le couple maximal correspondant peut dépasser le double du couple nominal, garantissant ainsi une réponse à l'accélération sur toute la plage de vitesse.