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Vis à billes - une réponse à la sécurité et à l'efficacité des mouvements pour les robots

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Un fabricant français de cobots a mis au point une solution qui utilise des actionneurs à vis à billes et à câble au lieu d'engrenages, établissant ainsi une nouvelle référence en matière d'efficacité et de sécurité des cobots.

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Les robots collaboratifs (cobots) offrent la force, la cohérence et la fiabilité des robots industriels avec le jugement et la flexibilité des opérateurs humains. Les cobots sont de plus en plus utilisés dans les applications de production à grande échelle qui impliquent des opérations de levage continues mais qui nécessitent toujours une touche humaine. Bien que les cobots soient utilisés depuis au moins dix ans et qu'ils continuent à se développer, leurs applications ont été limitées par les systèmes d'engrenage qui contrôlent les mouvements. Un fabricant français de cobots a toutefois mis au point une solution qui utilise des vis à billes et des actionneurs à câble au lieu d'engrenages, établissant ainsi une nouvelle référence en matière d'efficacité et de sécurité des cobots.

Les cobots sont de plus en plus utilisés dans des applications de production à grande échelle, offrant la force, la cohérence et la fiabilité des robots industriels avec la flexibilité du toucher humain.

"En recherchant des applications pour les robots collaboratifs, j'ai vu que l'automatisation en général faisait de grands progrès, mais que de nombreux travaux manuels - comme le ponçage - n'avaient pas évolué depuis une trentaine d'années. Cela m'a amené à m'intéresser au développement d'une technologie qui aiderait, mais ne remplacerait pas, les fonctions qui bénéficient de la participation humaine", a déclaré Yvan M. Measson, PDG du producteur de cobots - ISYBOT.

Construire une main-d'œuvre plus efficace

Les robots ISYBOT visent des applications qui n'ont jamais été automatisées ou qui sont difficiles à automatiser. Les cobots augmentent les performances humaines de plusieurs façons, par exemple en éliminant la fatigue, en ajoutant de la force de levage, en augmentant la précision ou en améliorant la qualité des produits. De plus, l'utilisation du cobot redonne un attrait manuel, faisant du travailleur un "pilote de cobot".

Par exemple, les étapes finales de la fabrication d'un train de passagers peuvent nécessiter qu'un opérateur déplace une ponceuse rotative autour de la surface de la coque jusqu'à ce qu'elle soit finie au toucher. Avec l'assistance du cobot, l'opérateur guide toujours l'outil de ponçage autour de la surface de la coque, mais c'est le bras du cobot qui fait le gros du travail. (Figure 1) Le cobot peut également apprendre la trajectoire suivie par l'opérateur et la répéter autant de fois que l'opérateur le juge nécessaire.

Les cobots peuvent également améliorer la productivité et l'ergonomie en aidant à prélever et à placer des pièces sur une chaîne de montage, à effectuer des opérations simples de traitement par lots ou à soulever des charges lourdes. Les cobots peuvent travailler avec les humains et aussi fonctionner de manière autonome, ce qui améliore la productivité. (Figure 2). Le fait de confier à un cobot la partie la plus fastidieuse du travail réduit la pression sur le système musculo-squelettique de l'opérateur, tout en lui permettant de se concentrer sur le contrôle de la qualité. Cela revalorise le rôle de l'opérateur et contribue à réduire le taux de rotation.

Les cobots sont souvent utilisés dans les industries où les travailleurs doivent constamment manipuler manuellement des charges pouvant atteindre 35 kg ou plus. Il s'agit notamment de l'aéronautique, de l'automobile, de l'agriculture, de la marine, des chemins de fer, de la défense ou des installations de fabrication. Les cobots sont également utiles lorsque les travailleurs peuvent être exposés à des conditions dangereuses, comme dans les centrales nucléaires ou dans les zones à risque environnemental, où le cobot peut aider à accomplir les parties les plus dangereuses du travail.

Construire un meilleur cobot

En étudiant le marché, M. Measson a découvert que plusieurs autres entreprises s'étaient lancées sur le marché, mais avec des solutions qu'il jugeait inefficaces, lourdes et potentiellement dangereuses. Il a conclu que le problème se situait au niveau des engrenages utilisés pour transformer l'énergie électrique en mouvement contrôlable.

"Les engrenages ont des rapports de friction élevés et ajoutent une énergie cinétique qui, lorsqu'elle est libérée, peut être dangereuse. Ils ont également tendance à être assez inefficaces dans le cas d'une utilisation interactive", a déclaré M. Measson. "En remplaçant les engrenages par des vis à billes plus efficaces, nous augmentons radicalement la force et le mouvement humains de manière sûre, cohérente et efficace."

M. Measson explique que les vis à billes offrent une grande résistance avec une friction minimale. Ses robots transforment 94 % du couple du moteur en mouvement. Avec un simple courant électrique, ils peuvent contrôler la force pour les opérations de ponçage ou manipuler des charges qui, autrement, nécessiteraient des engrenages et des capteurs complexes. En plus d'être plus efficaces en termes d'espace et d'énergie, les vis à billes ne nécessitent pratiquement aucune maintenance et sont beaucoup plus faciles à contrôler en raison de leur faible frottement.

Selon lui, les vis à billes ont une inertie beaucoup plus faible que les engrenages, ce qui, combiné à la contrôlabilité mentionnée ci-dessus, a d'énormes répercussions sur la sécurité. Contrairement aux robots, qui sont généralement enfermés dans une cage, les cobots travaillent main dans la main avec les humains. Ils doivent être capables de s'arrêter instantanément, par exemple, en cas de contact accidentel avec des humains. Comme les engrenages ont une énergie cinétique accumulée dans leurs assemblages complexes, il est difficile de les arrêter brusquement lors d'un simple contact.

Utiliser la meilleure vis à billes

Ayant conclu que l'utilisation de vis à billes permettrait d'obtenir un cobot très efficace et compétitif, M. Measson et son équipe ont fait des recherches auprès des fournisseurs et ont trouvé que Thomson Industries offrirait la meilleure solution pour ses applications.

"La capacité de charge est un facteur de différenciation essentiel pour les cobots. Les vis à billes permettent de manipuler des charges plus élevées que les engrenages, et les vis à billes Thomson avaient la plus grande capacité de charge parmi celles que nous avons évaluées. Nous avons également apprécié le fait qu'elles arrivent à destination avec deux fils", a déclaré M. Measson.

Thomson a fourni trois vis à billes roulées 12 x 10 avec un écrou standard. (Figure 3). La capacité supérieure provient d'une conception d'écrou basée sur deux fils et quatre tours chargés, ce qui permet un rapport de charge élevé dans un composant très compact. De plus, Thomson a pu concevoir les vis à billes de manière à tirer parti des capacités de faible friction des vis à billes d'au moins deux façons.

Tout d'abord, là où les fabricants de vis à billes préchargent généralement l'écrou et la vis pour minimiser le jeu, les ingénieurs de Thomson ont pu réduire le jeu sans précharger, réduisant ainsi la friction que la précharge introduit. Et pour réduire encore plus la friction, alors que les fabricants de vis à billes pourraient ajouter des racleurs pour protéger les barrières contre la contamination, la conception de Thomson a résisté à la contamination sans racleurs. Sans précharge ni racleur, les vis à billes Thomson ont fourni le mouvement fluide dont les bras du cobot avaient besoin.

De plus, avec des rapports d'inertie de 7,595 kg-mm2, 7,353 kg-mm2 et 4,728 kg-mm2 pour chacune des vis à billes spécifiées respectivement, les vis à billes Thomson ont des rapports d'inertie parmi les plus bas de l'industrie et fournissent une fraction de ce qu'un système à engrenages générerait pour manipuler une charge comparable.

Tout est une question de personnes

M. Measson est en train d'avancer avec de nombreux cobots sur la ligne de production, qui utilisent tous la technologie Thomson pour offrir un mouvement à faible inertie, à faible frottement et à haute capacité qui les distingue sur le marché de la technologie des cobots à engrenages. Le plus important pour lui est le fait qu'il ne se contente pas de maintenir la personne dans le processus, mais qu'il lui facilite également le travail.

"Lorsque les travailleurs ont vu les cobots pour la première fois, ils se demandaient comment leur travail allait évoluer. Mais après les avoir utilisés pendant une courte période, ils sont devenus des fans. C'est très gratifiant", a déclaré M. Measson.

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