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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 7 190 − 1 Aspects mécaniques en robotique par Michel FAYOLLE Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers Professeur à l’École Nationale Supérieure des Techniques Avancées (ENSTA) Chef du Département Produit, Direction de la Robotique et de l’Assemblage Automatisé - Renault Automation 1. Constitution d’un robot industriel...................................................... B 7 190 - 2 1.1 Structure fonctionnelle................................................................................ — 2 1.2 Structure organique .................................................................................... — 2 1.3 Structures mécaniques ............................................................................... — 2 1.3.1 Nombre d’axes.................................................................................... — 2 1.3.2 Nature des axes .................................................................................. — 2 2. Description des organes constitutifs d’un robot industriel ........ — 6 2.1 Motorisation................................................................................................. — 6 2.1.1 Critères de performances................................................................... — 6 2.1.2 Motorisation hydraulique .................................................................. — 6 2.1.3 Motorisation électrique...................................................................... — 7 2.1.4 Tendances d’évolution ....................................................................... — 9 2.2 Réducteurs ................................................................................................... — 9 2.2.1 Critères de performances................................................................... — 9 2.2.2 Réducteurs utilisés en robotique....................................................... — 11 2.3 Organes de transmission............................................................................ — 12 2.3.1 Critères de performances................................................................... — 12 2.3.2 Vis à roulement................................................................................... — 12 2.3.3 Transmission par pignons.................................................................. — 13 2.3.4 Transmission par bielles .................................................................... — 13 2.3.5 Transmission par courroies ............................................................... — 14 2.3.6 Transmission par chaînes .................................................................. — 14 2.3.7 Paliers .................................................................................................. — 14 2.4 Capteurs ....................................................................................................... — 14 2.4.1 Critères de performances................................................................... — 15 2.4.2 Capteurs de position utilisés en robotique....................................... — 15 3. Performances des robots industriels ................................................. — 16 3.1 Volume de travail......................................................................................... — 16 3.2 Charge .......................................................................................................... — 16 3.3 Rapidité......................................................................................................... — 18 3.4 Facteur de service........................................................................................ — 18 3.5 Précision....................................................................................................... — 18 3.6 Sensibilité à l’environnement..................................................................... — 18 4. Exploitation des robots industriels..................................................... — 19 4.1 Sécurité......................................................................................................... — 19 4.1.1 Sécurité des sites robotisés............................................................... — 20 4.1.2 Sécurité des robots industriels.......................................................... — 20 4.2 Maintenabilité .............................................................................................. — 21 4.3 Maintenances mécanique et électrique..................................................... — 21 4.3.1 Maintenance mécanique.................................................................... — 21 4.3.2 Maintenance électrique...................................................................... — 21 4.4 Fiabilité. Durée de vie.................................................................................. — 21 4.5 Disponibilité opérationnelle........................................................................ — 22 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 7 190 ASPECTS MÉCANIQUES EN ROBOTIQUE ____________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 7 190 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique e lecteur pourra également se reporter aux articles de la rubrique Robotique dans le traité Mesures et Contrôle. 1. Constitution d’un robot industriel De nombreuses déﬁnitions du robot industriel existent depuis que le Tchèque Karel CAPEK a introduit le vocable russe robota. On retiendra celle de la norme AFNOR E 61-005 pour laquelle un robot industriel est un manipulateur multi-application à commande automatique, reprogrammable, qui présente souvent une capacité d’interaction avec le processus extérieur. 1.1 Structure fonctionnelle Un robot industriel est constitué d’une structure mécanique animée par des actionneurs (moteurs électriques, pneumatiques ou hydrauliques, vérins linéaires ou rotatifs, etc.) à partir d’ordres élaborés par un calculateur, qui peut, par ailleurs, piloter des outils (de soudage, d’encollage, d’usinage, etc.) ou gérer son environne- ment (positionneurs, convoyeurs, magasins d’outils ou de pièces, etc.). Cette constitution, illustrée par la ﬁgure 1, sera détaillée dans les paragraphes suivants, particulièrement pour les aspects mécani- ques qui touchent : — aux servo-actionneurs (§ 2.1) ; — aux structures (§ 1.3) et aux composants mécaniques (§ 2.2 et 2.3) ; — aux capteurs (§ 2.4). 1.2 Structure organique La ﬁgure 2 schématise plus précisément la structure interne d’un robot industriel en faisant apparaître : — les différentes sources d’énergie utilisées par les robots (électrique, hydraulique et exceptionnellement pneumatique) ainsi que les types de servo-actionneurs qui y sont associés ; — pour chaque fonctionnalité et technologie, les principaux composants utilisés. Seuls les cas des énergies électrique et hydraulique seront développés par la suite. 1.3 Structures mécaniques Les ﬁgures 1 et 2 sont génériques pour un grand nombre de robots ; elles ne font pas apparaître la diversité des structures mécaniques due à : — des raisons historiques : la robotique est une technique jeune et, comme telle, a expérimenté toutes sortes de solutions ; néanmoins, on observe déjà un resserrement autour de quelques solutions types ; — la diversité des applications robotisables, qui influe sur le nombre et la nature des axes. 1.3.1 Nombre d’axes En règle générale, il faut 6 axes : • 3 pour amener l’outil en n’importe quel point du volume de travail du robot ; • 3 pour l’orienter selon un angle quelconque autour de ce point. Cependant, le nombre d’axes nécessaires peut, selon les appli- cations, être inférieur ou supérieur à 6 : — inférieur, lorsque l’outil ou la pièce manipulé par le robot travaille dans des orientations privilégiées (par exemple, verticale en assemblage) ou présente un axe de symétrie rendant inutile une rotation, ou encore est associé à des axes complémentaires, ceux d’un positionneur par exemple, qui confère à l’ensemble des degrés de liberté supplémentaires ; — supérieur, pour des applications, peu nombreuses, où une contrainte supplémentaire, par exemple la présence d’obstacles, impose un ou plusieurs axes complémentaires aux 6 axes de base. 1.3.2 Nature des axes D’une manière générale, les robots industriels font de plus en plus appel à des axes de rotation moins coûteux que ceux de translation. Néanmoins, ceux-ci continuent d’être utilisés lorsque des applica- tions mettent en jeu des mouvements naturellement linéaires, tels que : — translation de grande amplitude d’un robot devant différents postes de travail ; — opérations d’assemblage qui s’effectuent généralement selon un axe vertical. Les différentes structures mécaniques peuvent être décrites en distinguant : — les axes principaux, axes de positionnement à grands débattements (généralement au nombre de 3) ; — les axes de poignet, situés en aval des précédents dans la chaîne cinématique du robot (au nombre de 1 à 3). 1.3.2.1 Axes principaux Ces 3 axes, de rotation ou de translation, peuvent être classés en 8 arrangements de base, dont les principaux sont schématisés sur les ﬁgures 3 et 4, d’après la représentation normalisée AFNOR (NF E 04-015). Ce sont les structures suivantes. I 3 rotations : la conﬁguration la plus fréquente est la structure sphérique (ﬁgure 3a ) avec ses deux variantes classiques : — structure sphérique à parallélogramme (figure 3b ), dans laquelle les motorisations des axes 2 et 3 sont solidaires de l’axe 1 L Figure 1 – Structure d’un robot industriel ___________________________________________________________________________________________________ ASPECTS MÉCANIQUES EN ROBOTIQUE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 7 190 − 3 et la transmission du moteur 3 à l’axe 3 est constituée par une bielle formant avec le bras d’axe 2 et leurs liaisons un parallélogramme. L’intérêt de cette structure réside dans la diminution du couple subi par l’axe 2 : en effet, dans une structure sphérique classique, ce couple vaut le moment de la charge par rapport à l’axe 2. Dans une structure à parallélogramme, une partie de ce couple est pris en compte par la chaîne cinématique de l’axe 3 : l’axe 2 ne voit donc qu’un moment dans la repré- sentation de la figure 3b. On démontre ainsi que la charge vue par la motorisation de l’axe 2 est ramenée sur l’axe 3, d’où l’utilisation fréquente de cette solution ; — structure sphérique à parallélogramme et course limitée de la chaîne cinématique (en général, par une vis à roulement) (figure 3c ). Une autre conﬁguration, orientée assemblage et majoritaire pour cette application, est basée sur 3 rotations d’axes verticaux (ﬁgure 3d ) ; d’origine japonaise et dénommée SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), elle vise à un travail d’assemblage selon une direction verticale : le troisième axe de rotation permet de maintenir une orientation du plateau terminal indépendamment de la position des deux précédents axes ; le robot est généralement complété par un axe de translation vertical situé en aval du troisième axe de rotation et activé pour les opérations d’assemblage/désassemblage proprement dites ; cet axe est parfois avancé dans la chaîne cinématique en position de premier ou deuxième axe (le robot présente alors une structure du type ci-après). I 2 rotations - 1 translation : les structures les plus répandues sont : — la structure horizontale (1 rotation, 1 translation, 1 rotation d’axes verticaux) dans laquelle le bras et l’avant-bras du robot se meuvent dans un plan horizontal (d’où l’appellation) défini par la position de l’axe de translation (figure 4a ) ; — la structure polaire (1 rotation d’axe vertical, 1 rotation d’axe horizontal et 1 translation selon la direction définie par la seconde rotation) ; la seconde rotation est en général de faible amplitude, de l’ordre de 45o (figure 4b ) ; — une structure dérivée de la structure sphérique par remplace- ment du premier axe de rotation par une translation (figure 4c ). I 1 rotation - 2 translations : la structure la plus courante est la structure cylindrique (ﬁgure 4d ) particulièrement utilisée pour des opérations de manutention, palettisation/dépalettisation, etc. I 3 translations : la structure la plus répandue est du type portique XYZ (ﬁgure 4e ). 1.3.2.2 Axes de uploads/Ingenierie_Lourd/ aspects-mecaniques-en-robotique.pdf