Un moteur à entraînement harmonique constitue un excellent choix pour les équipements d’automatisation qui exigent une structure compacte, une densité de couple élevée, un jeu réduit et un positionnement précis. Cependant, il est essentiel de choisir la bonne taille. Les ingénieurs ne doivent pas choisir un moteur à entraînement harmonique en se basant uniquement sur le couple nominal ou la taille du châssis.

Un processus complet de dimensionnement doit prendre en compte le couple de sortie, le couple de pointe, la vitesse, le rapport de réduction, l’inertie, le cycle de service, la charge sur les roulements de sortie, la précision, l’espace de montage et les performances thermiques.

Pourquoi le choix de la taille est-il important ?

Dans les équipements d’automatisation, le moteur à entraînement harmonique fonctionne souvent dans des conditions caractérisées par des démarrages et des arrêts fréquents, des temps d’accélération courts, des positionnements répétés et des variations de charge continues. Si la taille choisie ne permet pas de supporter le couple de pointe pendant l’accélération et la décélération, le réducteur risque de s’user ou de voir sa durée de vie réduite. Le catalogue des moteurs à entraînement harmonique indique que, pendant l’accélération et la décélération, l’engrenage subit un couple de pointe dû au moment d’inertie de la charge en sortie.

Un dimensionnement correct permet de garantir :

• Un couple de sortie stable
• Un positionnement précis
• De faibles vibrations
• Une longue durée de vie du réducteur
• Un fonctionnement sûr lors des arrêts d’urgence
• Meilleur contrôle thermique
• Fiabilité accrue des équipements

Guide des tailles courantes des moteurs Harmonic Drive

Taille du moteur à entraînement harmonique	Plage de puissance typique des moteurs	Niveau de couple typique	Type de charge recommandé
Tailles 8 / 11	10 W – 50 W	Couple très faible	Charge ultra-légère
Taille 14	30 W–100 W	Couple faible	Charge légère
Taille 17	50 W – 200 W	Couple faible à moyen	Charge légère à moyenne
Taille 20	100 W – 400 W	Couple moyen	Charge moyenne
Taille 25	200 W – 750 W	Couple moyen à élevé	Charge moyenne
Taille 32	400 W – 1,5 kW	Couple élevé	Charge moyenne à lourde
Taille 40 / 45	750 W – 2,5 kW	Couple élevé	Charge lourde
Taille 50	1,5 kW – 3 kW	Couple très élevé	Charge très élevée
Taille 65	2 kW – 5 kW	Couple très élevé	Charge très élevée / couple élevé
Taille 80+	5 kW et plus	Couple très élevé	Charge particulièrement élevée

Principaux facteurs de dimensionnement des moteurs à entraînement harmonique

Couple de sortie requis

Le premier facteur de dimensionnement est le couple de sortie. Vous devez calculer le couple dont le mécanisme d’automatisation a besoin au niveau de l’arbre de sortie.

Les sources de charge courantes comprennent :

• Le poids du bras rotatif ou du dispositif de fixation
• Le poids de la pièce à usiner
• Couple de frottement
• Force de coupe, de pression, de serrage ou de manutention
• La charge due à la gravité dans les applications à axe vertical
• Couple d’accélération

Une formule de départ simple est la suivante :

Couple de sortie requis = couple de charge + couple d’accélération + couple de frottement

Après avoir calculé cette valeur, ajoutez une marge de sécurité. Pour l’automatisation à faible charge, un facteur de sécurité plus faible peut être acceptable. Pour les machines à cycles élevés, les axes verticaux, les charges d’impact ou les lignes de production fonctionnant 24 h/24 et 7 j/7, une marge de sécurité plus importante est recommandée.

Couple continu et couple de pointe

Ne dimensionnez pas le moteur uniquement en fonction du couple de pointe. Vous devez vérifier à la fois le couple continu et le couple de pointe.

Type de couple	Signification	Pourquoi est-ce important ?
Couple continu	Couple requis en fonctionnement normal	Influence la chaleur, la durée de vie et la stabilité de fonctionnement
Couple de pointe	Couple de courte durée lors de l’accélération, de la décélération ou d’un choc	Influence la capacité de surcharge et la sécurité du réducteur
Couple de maintien	Couple nécessaire pour maintenir la position	Important pour les axes verticaux et les freins
Couple d’urgence	Couple généré lors d’un arrêt brusque ou d’une collision	Important pour la conception en matière de sécurité

Par exemple, un bras de manutention « pick-and-place » peut nécessiter un couple continu modéré, mais un couple de pointe élevé lorsqu’il démarre et s’arrête rapidement. Si vous ne calculez que le couple moyen, le moteur à entraînement harmonique sélectionné risque d’être sous-dimensionné.

Vitesse de sortie

Calculez ensuite la vitesse de sortie requise. Dans les équipements d’automatisation, la vitesse de sortie est généralement définie par le temps de cycle.

Par exemple :

• Un plateau rotatif peut devoir effectuer une rotation de 90 degrés en 0,5 seconde.
• Une articulation de robot peut devoir passer d’un angle à un autre dans un temps de cycle fixe.
• L’axe d’une caméra d’inspection peut nécessiter un mouvement fluide à basse vitesse.

La relation est la suivante :

Vitesse du moteur = vitesse de sortie × rapport de réduction

Si la vitesse de sortie requise est de 60 tr/min et que le rapport de réduction est de 100:1, la vitesse du moteur est d’environ 6 000 tr/min, sans tenir compte des limites du système. Vous devez vérifier si le moteur et le réducteur peuvent supporter cette vitesse d’entrée en toute sécurité. Le rendement varie en fonction du rapport, de la vitesse, de la charge, de la température et de la lubrification.

Rapport de réduction

Le rapport de réduction relie la vitesse du moteur à la vitesse de sortie. Il influe également sur le couple de sortie, la résolution de positionnement, l’adaptation de l’inertie et la réponse du système.

Plage de rapports	Utilisation type	Avantages	Limites éventuelles
30:1–50:1	Axes d’automatisation à grande vitesse	Vitesse de sortie plus élevée	Multiplication du couple plus faible
80:1–100:1	Automatisation de précision générale	Équilibre entre vitesse et couple	Choix courant pour de nombreux systèmes
120:1–160:1	Positionnement à couple élevé et à faible vitesse	Couple et résolution plus élevés	Vitesse de sortie plus faible
200:1+	Équipements spéciaux de précision à faible vitesse	Rapport de réduction très élevé	Peut réduire le rendement ou la réactivité

Si le rapport est trop élevé, la vitesse de sortie risque d’être trop faible et le système peut sembler moins réactif. Un rapport faible peut obliger le moteur à fournir un couple plus élevé.

Inertie de la charge

L’inertie est souvent négligée, mais elle est cruciale pour les équipements d’automatisation. Une charge rotative importante peut générer un couple élevé lors de l’accélération et de la décélération.

Le principe de base est le suivant :

Couple d’accélération = inertie de la charge × accélération angulaire

Pour les axes rotatifs, les tables de grand diamètre, les longs bras de robot et les dispositifs de fixation lourds, l’inertie peut être le facteur déterminant dans le dimensionnement. Même si la charge statique semble faible, le moteur peut avoir besoin d’un couple élevé pour accélérer rapidement la charge.

Un réducteur à entraînement harmonique réduit la charge d’inertie renvoyée vers le moteur. Cependant, le réducteur lui-même présente également une inertie et des limites de couple ; il est donc nécessaire de vérifier conjointement le moteur et le réducteur.

Charges radiales, axiales et de moment

De nombreux moteurs à entraînement harmonique sont directement reliés à une table rotative, un bras, une poulie ou un dispositif de fixation. Dans ces cas, le roulement de sortie doit supporter non seulement le couple, mais également les charges externes.

Vérifiez ces trois types de charges :

Type de charge	Direction	Exemple
Charge radiale	Charge latérale sur l’arbre	Tension de courroie, bras monté latéralement
Charge axiale	Poussée ou traction le long de l’arbre	Pression ou serrage vertical
Charge de moment	Charge de basculement	Bras de robot décalé ou dispositif en porte-à-faux

Certains réducteurs à entraînement harmonique utilisent des roulements de sortie à rouleaux croisés pour supporter des charges radiales, axiales et de moment dans une structure compacte. Si votre axe d’automatisation est soumis à une charge en porte-à-faux, la capacité de charge de moment peut s’avérer plus importante que la capacité de couple.

Choix de la taille en fonction de l’application

Les différents équipements d’automatisation nécessitent des priorités de dimensionnement différentes.

Application	Priorité principale de dimensionnement	Point à privilégier
Articulation du robot	Couple, inertie, encombrement réduit	Vérifier le couple maximal et la charge de moment
Table d’indexage rotative	Précision de positionnement, inertie de charge	Vérifier le couple d’accélération et la charge sur les roulements
Équipements pour semi-conducteurs	Fluidité du mouvement, répétabilité	Vérifier le faible jeu et les vibrations
Automatisation médicale	Conception compacte, fonctionnement silencieux	Vérifier le niveau sonore, la fluidité et la marge de sécurité
Machine d’emballage	Vitesse de cycle, durabilité	Vérification du couple continu et du cycle de service
Articulation d’un AGV ou d’un robot de service	Poids et consommation électrique	Choisir un moteur compact avec un rapport de réduction efficace
Équipement d’inspection	Positionnement stable	Vérifier la répétabilité et la résolution du codeur

Étapes pratiques de dimensionnement

Étape 1 : Définir les exigences de mouvement

Avant de choisir une taille, définissez le profil de mouvement :

• Angle de rotation requis
• Durée du déplacement
• Temps d’accélération
• Temps de décélération
• Temps d’arrêt
• Fréquence de cycle
• Heures de fonctionnement par jour

Sans ces informations, le dimensionnement n’est qu’une estimation.

Étape 2 : Calculer le couple de charge

Déterminez le couple requis en fonction des conditions de déplacement de la charge. Pour les axes verticaux, tenez compte du couple de gravité. Pour les axes rotatifs horizontaux, tenez compte de l’inertie et du frottement. Pour les axes de pressage ou de serrage, tenez compte de la force de processus.

Étape 3 : Calculer le couple de crête

Le couple de pointe apparaît lors de l’accélération, de la décélération, d’un arrêt brusque ou d’un choc. Cette valeur doit être inférieure au couple de pointe répété admissible du réducteur et au couple de pointe du moteur.

Étape 4 : Choisir le rapport de réduction

Sélectionnez un rapport permettant au moteur de fonctionner dans une plage de vitesse appropriée tout en fournissant un couple de sortie suffisant.

Un bon rapport doit :

• Maintenir la vitesse du moteur dans la plage nominale
• Fournir un couple de sortie suffisant
• Améliorer la résolution de positionnement
• Réduire l’inertie réfléchie
• Éviter toute perte de vitesse inutile

Étape 5 : Vérifier le fonctionnement en continu

Même si le moteur est capable de supporter le couple de pointe, il peut surchauffer si le couple continu est trop élevé. Pour les équipements d’automatisation à usage intensif, le couple continu est souvent le facteur décisif.

Étape 6 : Vérifier l’interface mécanique

Vérifiez les cotes d’installation :

• Taille de la bride du moteur
• Dimensions de l’arbre de sortie ou de l’arbre creux
• Disposition des boulons
• Longueur hors tout
• Sens du câble
• Espace pour codeur
• Espace pour le frein
• Orientation de montage

Un moteur techniquement adapté reste inutilisable s’il ne peut pas être installé à l’intérieur de la machine.

Erreurs courantes concernant la taille des moteurs Harmonic Drive

Erreur n° 1 : choisir uniquement en fonction du couple nominal

Le couple nominal est important, mais il ne suffit pas. Vous devez également vérifier le couple de pointe, la vitesse, l’inertie, la charge sur les roulements, le cycle de service et les conditions thermiques.

Erreur n° 2 : ne pas tenir compte du temps d’accélération

Un temps d’accélération plus court implique un couple d’accélération plus élevé. Un moteur qui fonctionne bien à faible vitesse peut présenter des défaillances dans un cycle de production à grande vitesse.

Erreur n° 3 : utiliser un coefficient de sécurité trop élevé

Le surdimensionnement peut sembler sûr, mais il peut augmenter le coût, le poids et l’inertie. Dans les équipements d’automatisation compacts, un moteur surdimensionné peut réduire le rendement de la machine.

Erreur n° 4 : négliger la charge sur le palier de sortie

Pour les bras en porte-à-faux et les tables rotatives, la capacité de charge du palier de sortie peut constituer le facteur limitant. Le réducteur peut disposer d’un couple suffisant, mais d’une capacité de charge en moment insuffisante.

Erreur n° 5 : négliger la chaleur et le cycle de service

Un moteur utilisé pour des essais de courte durée peut fonctionner correctement, mais dans le cadre d’une production 24 heures sur 24, la chaleur peut devenir un problème sérieux. Vérifiez toujours le cycle de service réel.

Liste de contrôle rapide pour le dimensionnement des moteurs Harmonic Drive

Avant de faire votre choix définitif, vérifiez les points suivants :

• Couple de sortie requis
• Vitesse de sortie requise
• Couple de pointe pendant l’accélération
• Inertie de la charge
• Rapport de réduction
• Cycle de fonctionnement continu
• Charge radiale
• Charge axiale
• Charge de moment
• Précision de positionnement
• Répétabilité
• Tension du moteur et compatibilité du variateur
• Résolution du codeur
• Exigences en matière de freinage
• Encombrement
• Orientation des câbles et des connecteurs
• Température de fonctionnement
• Durée de vie prévue

Exemple de logique de dimensionnement

Supposons qu’un axe rotatif d’automatisation nécessite un jeu réduit, un encombrement compact et un positionnement précis. La table effectue une rotation de 180 degrés en une seconde et supporte une charge moyenne.

Un bon processus de dimensionnement serait le suivant :

1. Calculer la vitesse de sortie requise à partir de la durée du mouvement.
2. Estimer l’inertie de la charge à partir de la table et de la pièce à usiner.
3. Calculer le couple d’accélération.
4. Ajouter le couple de frottement et le couple de processus.
5. Choisir un rapport de réduction permettant de maintenir une vitesse de moteur appropriée.
6. Vérifiez si le moteur à entraînement harmonique peut supporter le couple continu et le couple de pointe.
7. Vérifier la charge sur le roulement de sortie, en particulier si la pièce à usiner est décalée par rapport au centre de rotation.
8. Prévoir une marge de sécurité appropriée.
9. Vérifiez les cotes de montage et la compatibilité avec le variateur.

Cette méthode est bien plus sûre que de choisir un moteur uniquement en fonction de la taille du châssis ou du couple nominal.

Comment choisir la bonne taille de moteur à entraînement harmonique

Taille du moteur	Convient pour	Avantage typique	Avertissement concernant la sélection
Petit moteur à entraînement harmonique	Petites pinces, têtes d’inspection, articulations de robots compacts	Léger et peu encombrant	Couple et capacité de charge limités
Moteur à entraînement harmonique de taille moyenne	Tables rotatives, axes d’emballage, articulations de robots collaboratifs	Couple et dimensions équilibrés	Nécessité de surveiller l’échauffement en cas d’utilisation intensive
Moteur à entraînement harmonique de grande taille	Articulations de robots lourds, grandes tables d’indexation, systèmes de positionnement industriels	Couple et rigidité élevés	Coût, poids et inertie plus élevés

Pour la plupart des équipements d’automatisation, le meilleur choix n’est pas le plus petit moteur capable de déplacer la charge. Le meilleur choix est le plus petit moteur capable de gérer en toute sécurité le couple continu, le couple de pointe, la vitesse, l’inertie, la charge sur les roulements et le cycle de service, avec une marge de sécurité raisonnable.