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En tant qu'élément moteur essentiel des articulations robotiques, quelles caractéristiques des différentes articulations (articulations de base, articulations des bras, articulations de l'effecteur terminal) faut-il privilégier lors du choix et de l'adaptation des paramètres des servomoteurs ? Comment optimiser ces paramètres pour obtenir un équilibre entre la précision du mouvement articulaire et les performances dynamiques ?
I. Principe fondamental de l'adaptation des servomoteurs : alignement sur les exigences articulaires différenciées
Les servomoteurs sont privilégiés pour l'entraînement des articulations de divers robots, tels que les robots industriels et collaboratifs, grâce à leur haute précision, leur rapidité de réponse et leur couple élevé. Les articulations des robots présentent des différences significatives en termes de positionnement fonctionnel, de contraintes et d'exigences de mouvement. Par conséquent, leur sélection et leur paramétrage doivent être adaptés aux besoins spécifiques, et les paramètres doivent être optimisés afin de trouver le juste équilibre entre précision et puissance, garantissant ainsi la stabilité opérationnelle globale du robot.
II. Stratégie de sélection spécifique à l'articulation : adéquation des caractéristiques motrices aux exigences fondamentales
Il convient tout d'abord de clarifier les exigences fondamentales de sélection en fonction des caractéristiques des différentes articulations. Constituant la base porteuse du robot, l'articulation supporte le poids de la machine entière et le couple de charge après l'extension du bras. Ses principales exigences sont un couple élevé et une grande stabilité, avec des exigences relativement faibles en matière de vitesse de rotation. Lors du choix d'un servomoteur pour l'articulation de base, la priorité doit être donnée au couple nominal, au couple de pointe et à la durée de fonctionnement continu. Généralement, on privilégie un servomoteur à couple nominal élevé et à fort moment d'inertie du rotor, associé à un réducteur planétaire de précision pour optimiser le couple. Par ailleurs, le couple de blocage du moteur doit être vérifié afin d'éviter toute perte de pas au démarrage ou en charge. L'articulation du bras assure le réglage de l'orientation et le déplacement du robot, nécessitant un équilibre entre couple et flexibilité. Sa trajectoire de mouvement s'effectue principalement en modes d'accélération et de charge variables. Lors du choix d'un moteur pour l'articulation du bras, les critères clés incluent la vitesse de réponse dynamique, l'adéquation du moment d'inertie et la capacité de surcharge. Il est recommandé de choisir un servomoteur à faible inertie de rotor et à excellente accélération afin de garantir une réponse rapide aux commandes. Le rapport de transmission du réducteur doit être optimisé pour un équilibre optimal entre couple et flexibilité de mouvement. L'articulation de l'effecteur (comme l'articulation motrice d'une pince ou d'une torche de soudage) est principalement axée sur un positionnement de haute précision et un déplacement rapide sous faible charge, avec des exigences de couple faibles mais des exigences extrêmement élevées en matière de précision de positionnement, de répétabilité et de stabilité à basse vitesse. Pour cette articulation, un servomoteur de faible puissance équipé d'un codeur haute résolution (précision d'au moins 23 bits) est préférable. De plus, les performances de déplacement à basse vitesse du moteur doivent être optimisées afin d'éviter les vibrations qui pourraient affecter la précision de fonctionnement.
III. Voie d'optimisation des paramètres : Trouver un équilibre dynamique entre précision et performances dynamiques
Deuxièmement, l'obtention d'un équilibre entre précision et performances dynamiques grâce à l'optimisation des paramètres clés repose sur trois dimensions. Premièrement, l'optimisation de l'adaptation des moments d'inertie. Le rapport entre le moment d'inertie du rotor du moteur et le moment d'inertie de la charge influe directement sur la vitesse de réponse des articulations et la précision du contrôle. Ce rapport doit être adapté à chaque articulation : pour les articulations de base, qui présentent un moment d'inertie de charge élevé, il peut être compris entre 1:5 et 1:10 ; pour les articulations des bras, qui nécessitent un équilibre entre réactivité et stabilité, un rapport de 1:3 à 1:5 est recommandé ; et pour les articulations d'extrémité, qui présentent un faible moment d'inertie de charge, le rapport doit être compris entre 1:1 et 1:3. Une adaptation appropriée réduit l'impact inertiel et améliore la stabilité du contrôle. Deuxièmement, l'optimisation conjointe des paramètres de couple et de vitesse de rotation. Le couple de charge maximal et le couple de charge nominal sont calculés à partir de la trajectoire de mouvement de l'articulation afin de garantir que le couple maximal du moteur puisse couvrir les charges d'impact instantanées et que le couple nominal réponde aux exigences de fonctionnement continu. Parallèlement, ajustez la vitesse de rotation en fonction de la vitesse de déplacement des articulations : la vitesse de rotation de l’articulation de base est fixée entre 50 et 200 tr/min, celle de l’articulation du bras entre 200 et 500 tr/min, et celle de l’articulation terminale peut être augmentée jusqu’à 500 à 1 500 tr/min. Ceci permet d’éviter le gaspillage d’énergie dû à une vitesse trop élevée ou la réduction de l’efficacité opérationnelle due à une vitesse trop faible. Troisièmement, calibrez les paramètres de contrôle. Optimisez les performances dynamiques en ajustant le gain et en paramétrant le filtre du servomoteur. Pour les articulations terminales exigeant une grande précision, augmentez le gain de la boucle de position afin d’améliorer la précision de positionnement et d’activer la fonction de lissage à basse vitesse pour atténuer les vibrations. Pour les articulations de base nécessitant une puissance élevée, réduisez le gain de la boucle de position et augmentez celui de la boucle de vitesse afin d’améliorer la résistance aux perturbations liées à la charge, et ainsi obtenir un équilibre dynamique entre précision et puissance.
IV. Points d’adaptation auxiliaires : prise en compte de la compatibilité environnementale et collaborative
De plus, l'adaptabilité environnementale et la fiabilité doivent être prises en compte lors du choix des servomoteurs. Les robots industriels peuvent fonctionner dans des environnements poussiéreux et soumis à des vibrations ; il convient donc de sélectionner des servomoteurs présentant un indice de protection IP65 ou supérieur et une forte résistance aux vibrations. Pour les robots collaboratifs, la sécurité est primordiale ; il est donc nécessaire d'opter pour des servomoteurs à faible inertie et à freinage rapide, associés à des modules de détection de couple pour assurer une protection contre les surcharges. Par ailleurs, l'adaptation collaborative du moteur, du réducteur et de l'encodeur est cruciale. Il est indispensable de garantir la compatibilité des paramètres entre ces trois éléments et d'optimiser la précision des mouvements et les performances dynamiques grâce à un débogage intégré, afin de répondre aux exigences de fonctionnement spécifiques des différentes articulations du robot.
