Si vous avez déjà observé une chaîne de montage en usine, une station de manutention ou une cellule de fabrication à petite échelle déplacer des pièces avec précision, il y a de fortes chances qu'un robot servo à 3 axes soit derrière le travail. Ces robots compacts et fiables sont les bêtes de somme de nombreuses opérations, appréciés pour leur simplicité, leur prix abordable et leurs performances constantes. Mais si vous en achetez un ou si vous cherchez à mettre à niveau votre configuration actuelle, une question qui revient presque toujours est : quelle est la capacité de charge de chaque axe d'un robot servo à 3 axes ?
En tant que fournisseur de ces robots, je reçois cette question presque tous les jours. Ce n’est pas anodin. Un mauvais calcul de la capacité de charge, en particulier pour les axes individuels, est une erreur courante qui entraîne une usure prématurée, des temps d'arrêt ou même des pièces endommagées. Au fil des années, j'ai travaillé avec tout le monde, des petits ateliers d'usinage en démarrage aux grands fabricants de composants automobiles, et j'ai pu constater par moi-même comment la bonne charge de chaque axe fait ou défait la durée de vie d'un robot.
Tout d'abord, revenons un peu en arrière pour nous assurer que nous sommes tous sur la même longueur d'onde : un robot servo à 3 axes a trois axes de mouvement principaux, presque toujours appelés axes de l'épaule, du coude et du poignet. Certaines personnes mélangent les termes, mais en termes de capacité de charge, il est plus simple de considérer chaque axe comme une articulation qui déplace une partie spécifique du bras du robot. L'axe de base (souvent appelé axe J1) fait pivoter tout le bras vers la gauche et la droite, l'axe de l'épaule (J2) soulève et abaisse le haut du bras, l'axe du coude (J3) étend ou rétracte l'avant-bras, et sur certains petits modèles à 3 axes, le poignet peut être simplifié en un effecteur à extrémité fixe plutôt qu'en une articulation rotative. Attendez, en fait, permettez-moi de préciser que : certains fournisseurs ne comptent que les trois articulations principales, donc J1, J2, J3 et la poignée de l'effecteur final sont un outil séparé, pas un axe. C'est une distinction clé car elle change la façon dont nous mesurons la charge.
Désormais, la capacité de charge n'est pas un chiffre unique pour l'ensemble du robot, elle est différente pour chaque axe et dépend de quelques facteurs : la longueur de chaque segment de bras, la vitesse à laquelle vous vous déplacez, le poids de l'effecteur final (comme les pinces ou les ventouses) et même la fréquence à laquelle vous démarrez et arrêtez le robot. Par exemple, un robot déplaçant lentement une pièce lourde aura une charge effective plus élevée qu’un robot déplaçant la même pièce à pleine vitesse, car l’accélération et la décélération ajoutent de la force aux articulations.
Décomposons chaque axe, sur la base des servorobots standard à 3 axes que nous fournissons ici.
En commençant par l'axe J1, l'axe de base, qui fait pivoter l'ensemble du bras du robot horizontalement. Il s'agit de « l'épaule » de la base, et elle est chargée de supporter tout le poids du haut du bras, de l'avant-bras, de l'effecteur terminal et de toute charge transportée. C'est donc l'axe avec la capacité de charge la plus élevée, n'est-ce pas ? Pas toujours, en fait. Attendez, non, soyons précis ici. Pour la plupart des robots à 3 axes conçus pour la manipulation de matériaux et un assemblage simple, l'axe J1 est conçu pour gérer la charge utile totale avec une extension complète du bras. Si votre robot a une portée maximale de 1 mètre et que vous étendez le bras jusqu'au bout, le J1 doit supporter cette charge complète, plus le couple du bras de levier créé par la longueur étendue. Une erreur courante que commettent les clients est de penser : « Si ma pièce pèse 5 kg, chaque axe peut supporter 5 kg ». Mais ce n'est pas vrai du tout. L'axe J1, lorsque le bras est complètement étendu, doit résister non seulement à la partie de 5 kg, mais aussi à la force de ce poids tirant vers l'extérieur lors de sa rotation. C'est pourquoi, pour notre robot servo 3 axes standard, l'axe J1 a une capacité de charge comprise entre 10kg et 20kg selon le modèle. Mais c'est à pleine portée. Si vous travaillez à la moitié de la portée maximale, le J1 peut supporter encore plus, jusqu'à 30 kg sur certains de nos modèles les plus lourds.
Vient ensuite l’axe J2, l’axe de l’épaule qui soulève et abaisse le haut du bras. Cet axe est chargé de supporter la partie inférieure du bras, l'avant-bras et la charge utile, mais il n'a pas à résister au plein couple de rotation horizontale comme le J1. Au lieu de cela, il doit supporter la charge verticale lorsque le bras monte et descend. Sa capacité de charge est un peu inférieure à celle du J1 pour la plupart des plages de fonctionnement. Par exemple, en extension moyenne du bras, l’axe J2 peut généralement supporter entre 8 kg et 15 kg. Le compromis ici est la vitesse : si vous déplacez le bras rapidement entre les positions, le J2 doit générer plus de couple pour accélérer ce mouvement de haut en bas, de sorte que sa capacité de charge effective diminue à des vitesses plus élevées. C'est pourquoi nous conseillons toujours aux clients d'adapter la vitesse de leur robot à leurs exigences de charge : faire fonctionner un robot à la vitesse maximale avec une charge proche de la valeur maximale entraînera une usure prématurée des roulements de l'axe J2, ce qui entraînera des réparations coûteuses sur toute la ligne.
Ensuite, il y a l’axe J3, l’axe du coude qui étend et rétracte l’avant-bras. C'est l'axe qui a la capacité de charge la plus faible des trois axes principaux, et c'est souvent le plus négligé. L'axe J3 ne supporte que le poids de l'avant-bras, de l'effecteur final et de la charge utile lorsque le bras est complètement étendu ou rétracté. Parce que l'avant-bras est un levier, lorsque vous étendez l'avant-bras jusqu'au bout, le J3 doit résister aux forces de flexion provenant de l'extrémité du bras. Sa capacité de charge se situe généralement entre 5 kg et 10 kg, toujours en fonction du modèle et de la plage de fonctionnement. Ce qui rend cet axe délicat, c'est qu'il est le plus proche de l'extrémité du bras, donc même une petite partie surchargée ici peut provoquer une contrainte importante sur l'articulation. Je me souviens d'un client il y a quelques années qui avait acheté un robot à 3 axes pour déplacer de petites pièces d'emboutissage en métal. Il chargeait des pièces tout au bout de l'avant-bras étendu et il n'arrêtait pas de casser la boîte de vitesses du J3 en six mois. Il s'est avéré qu'il mettait des pièces de 8 kg sur un axe conçu pour seulement 5 kg, car il ne réalisait pas que la capacité du J3 était inférieure à celle des deux autres. Une fois qu’il est passé à un modèle doté d’une capacité J3 plus élevée, son temps d’arrêt est tombé à presque zéro.
Parlons maintenant des facteurs qui modifient ces chiffres, car ils ne sont pas gravés dans le marbre. Tout d’abord, la longueur des bras. Nous proposons des modèles avec des portées de 500 mm, 800 mm et même plus longues, mais pour les applications à plus longue portée, de nombreux clients se tournent vers des robots multi-axes comme les robots servo 5 axes, qui offrent plus de précision pour un travail prolongé. Attendez, en parlant de cela, si votre application nécessite plus de flexibilité que ce que 3 axes peuvent offrir, notre gamme 5 axes est une excellente option, comprenant un robot servo 5 axes à usage général et un manipulateur servomoteur AC à cinq axes qui sont conçus pour des charges plus élevées et des chemins plus complexes. Un autre facteur est l’effecteur final. Une pince pneumatique peut peser 1 kg, tandis qu'une pince hydraulique personnalisée peut peser 5 kg, et ce poids doit être ajouté à la charge utile lors du calcul de la charge de chaque axe. C'est quelque chose que nous vérifions toujours lorsque nous proposons un robot : nous demandons le poids de l'outillage que vous utilisez, afin de pouvoir ajuster nos recommandations de capacité en conséquence.
La vitesse est un autre facteur important. Toutes nos capacités de charge nominales sont basées sur des vitesses de fonctionnement standard pour une utilisation continue. Si vous faites fonctionner le robot à 100 % toute la journée, chaque jour, vous devez réduire votre charge utile réelle de 15 à 20 % pour prolonger la durée de vie du robot. Si vous l'utilisez pour des opérations plus lentes et précises, vous pouvez vous rapprocher de la capacité nominale. En outre, le cycle de service : à quelle fréquence vous arrêtez et démarrez le robot. Les applications avec des temps de cycle très fréquents (comme la sélection et le placement de pièces toutes les 2 secondes) exercent plus de contraintes sur tous les axes, donc des charges plus faibles sont préférables ici.
On me demande souvent : « Existe-t-il un moyen de mettre à niveau un robot à 3 axes si j'ai besoin d'une capacité de charge plus élevée ? » La réponse courte est : pas généralement, car le moteur, la boîte de vitesses et les roulements de chaque axe sont dimensionnés pour une charge spécifique. C'est pourquoi il est essentiel de réussir du premier coup. Si vous avez affaire à des charges utiles lourdes ou à des applications qui nécessitent des pièces mobiles éloignées de la base, un modèle à 3 axes n'est peut-être pas la meilleure solution, et vous obtiendrez de meilleures performances avec un modèle à bras plus long ou une conception multi-axes. Par exemple, si vous devez atteindre une grande zone de travail, notre manipulateur professionnel à bras très long est conçu pour une portée étendue tout en conservant une capacité de charge constante.
Beaucoup de gens se demandent également comment les robots 3 axes se comparent aux autres types. Pour les applications à très forte charge, comme le déplacement de pièces de plus de 50 kg, un robot parallèle peut être une option, mais celui-ci est préférable pour les charges utiles très rapides et légères. Les servorobots 3 axes offrent un bon équilibre entre capacité de charge, coût et simplicité, c'est pourquoi ils sont si populaires. Ils sont plus faciles à programmer que les robots à 5 axes et plus compacts que les bras industriels plus grands pour les cellules de travail de petite à moyenne taille. Bien entendu, si vos besoins évoluent, nous proposons également la gamme de robots de moulage sous pression à 5 axes, conçue pour les opérations de moulage sous pression lourdes et à grande vitesse, qui peuvent supporter des charges totales bien plus élevées que nos modèles standard à 3 axes.
Voici un conseil que j'ai appris au fil des années de travail avec les clients : ne regardez pas seulement la charge utile totale du robot, mais regardez la capacité de charge individuelle de chaque axe, en particulier pour l'axe J3. La plupart des fabricants indiquent la charge utile totale sur la fiche technique du robot, mais ils ne détaillent pas la capacité par axe, ce dont vous avez réellement besoin pour une fiabilité à long terme. Dans notre entreprise, nous fournissons toujours une ventilation complète de la capacité de charge de chaque axe, ainsi que de la portée, de la vitesse et d'autres spécifications, afin que nos clients ne soient pas pris au dépourvu.
Une autre erreur courante consiste à mal évaluer le bras de levier. Le bras de moment est la distance entre l'axe et le centre de gravité de la charge. Par exemple, si vous avez une pièce de 10 kg au bout d'un avant-bras de 800 mm, le moment est de 10 kg * 0,8 m = 8 kg·m, ce qui représente beaucoup de force sur l'axe J3. Si vous déplacez cette même partie à mi-chemin le long de l'avant-bras, le moment tombe à 10 kg * 0,4 m = 4 kg·m, donc l'axe J3 peut gérer cela facilement. C'est pourquoi il est tout aussi important de comprendre où est positionnée votre charge par rapport à chaque axe que de connaître son poids.
Si vous n'êtes toujours pas sûr de la capacité de charge dont vous avez besoin pour chaque axe, la meilleure chose à faire est de contacter notre équipe. Nous avons aidé des centaines de clients à choisir le robot servo 3 axes approprié (ou à passer à un modèle multi-axes) en fonction de leurs exigences spécifiques en matière d'application, de charge utile, de portée et de vitesse. Par exemple, un client de l'industrie électronique pourrait avoir besoin d'un petit robot à 3 axes d'une capacité J1 de 5 kg pour manipuler des circuits imprimés, tandis qu'un client du secteur de l'emboutissage des métaux pourrait avoir besoin d'un modèle J1 plus lourd de 20 kg pour déplacer de gros pièces embouties. Nous travaillons également avec les clients pour ajuster les configurations si leurs besoins évoluent au fil du temps, et nous proposons une assistance pour l'intégration des effecteurs finaux et d'autres composants.
Je dois également mentionner que la capacité de charge n'est pas le seul facteur lors du choix d'un robot servo 3 axes. La précision, la répétabilité, l’efficacité énergétique et la facilité de programmation sont toutes importantes, mais la capacité de charge constitue la base. Un robot capable d'atteindre tous les bons endroits, de se déplacer rapidement et qui est facile à programmer est inutile s'il tombe en panne parce que vous avez surchargé l'axe J3.
Permettez-moi de conclure avec un bref récapitulatif pour être sûr que c'est clair : pour un robot servo standard à 3 axes, chaque axe a une capacité de charge distincte, l'axe J1 (base) étant le plus fort, suivi de J2 (épaule), puis J3 (coude) comme le plus faible. Ces chiffres changent en fonction de la longueur du bras, de la vitesse, du poids de l'effecteur final et de la distance entre la charge et l'axe. Il est toujours préférable de sous-estimer la charge requise et d'aller un peu plus haut que ce dont vous pensez avoir besoin, plutôt que de pousser un robot dans ses retranchements, ce qui entraînera davantage de maintenance et de temps d'arrêt.
Si vous recherchez un robot servo 3 axes, ou si vous envisagez de passer à une solution multi-axes pour des applications plus lourdes ou plus flexibles, nous sommes là pour vous aider. Notre équipe peut vous guider à travers les spécifications, répondre aux questions sur la capacité de charge par axe et vous aider à trouver le robot adapté à vos opérations. Que vous ayez besoin d'un petit modèle polyvalent ou d'un robot spécialisé pour une industrie spécifique, nous avons des options qui répondent à vos besoins.
Références :
- Robots industriels : capacité de charge et performances des axes, Robotics Industry Association, 2022
- Conception de robots servo : calculs de couple et de charge, Mechanical Engineering Journal, volume 15, numéro 3, 2021
- Applications des robots de manutention : idées fausses courantes sur la charge utile, Manufacturing Engineering Magazine, 2023
- Spécifications de performances pour les robots industriels, ISO 10218-1:2011
Si vous souhaitez discuter de vos exigences de charge, des besoins de votre application ou demander un devis personnalisé, veuillez contacter notre équipe pour obtenir des conseils professionnels sur la sélection du robot servo 3 axes adapté à vos opérations.