Quelle est la boîte de vitesses d’un robot ABB ?
Les gens parlent généralement des robots industriels, et ce dont ils discutent le plus souvent, c’est comment régler le contrôleur, comment programmer le robot, comment faire suivre une trajectoire — autant d’éléments visibles et tangibles. Toutefois, si l’on passe suffisamment de temps immergé dans l’atelier, on comprend que le mouvement fluide ou non d’un robot dépend en réalité de son corps mécanique, véritable squelette de la machine. La pièce la plus importante — et pourtant la plus facile à négliger — de ce squelette est précisément la boîte de vitesses. 
Quelle est la fonction de cet élément dans un robot ?
Prenons une analogie très simplifiée : le moteur tourne à grande vitesse, mais s’il devait directement soulever des pinces à souder ou des équipements pesant une centaine ou une soixantaine de kilogrammes, il n’aurait tout simplement pas la puissance nécessaire. En revanche, lorsqu’un robot effectue son travail, ce n’est pas tant la rapidité de l’action qui compte, mais bien sa capacité à exercer une force constante et stable ; par ailleurs, sa position d’arrêt doit être précise au dixième de millimètre près.
Ces deux besoins sont totalement contradictoires. La boîte de vitesses se trouve au cœur de cette « traduction » et de cette « conversion » du travail : elle réduit la vitesse très élevée du moteur tout en amplifiant le couple, et garantit également que la puissance du moteur est transmise à la bonne position. Sans elle, le moteur serait directement relié aux bras et aux jambes, et le robot effectuerait soit des mouvements saccadés, soit s’effondrerait complètement.
Si vous avez démonté un robot ABB et suivi le bras depuis son extrémité jusqu’à sa base, vous constaterez la présence de boîtes de vitesses au niveau de l’articulation principale à la base, à l’endroit où le grand bras se relie aux deux bras secondaires, ainsi que dans les petites articulations du poignet, qui permettent une rotation complète. Les grosses articulations et les petites articulations ne sont pas identiques : les grosses articulations doivent être robustes et durables afin de supporter une charge importante, tandis que les petites articulations doivent présenter un jeu nul et une grande précision.
Plusieurs types de boîtes de vitesses sont couramment utilisés en atelier.
Un type d'engrenage est appelé réducteur RV, et certaines personnes l'appellent aussi « roue à aiguilles cycloïdale ». Ce dispositif possède une tête solide et est généralement installé à la base ou sur le bras du robot, dans les zones soumises à de fortes charges. Il se distingue par sa résistance à la fabrication et sa rigidité suffisante : vous pouvez faire effectuer au robot, jour après jour, des mouvements vigoureux tels que manier une masse ou réaliser des points de soudure sur des pièces lourdes, sans problème de charge.
L’autre type est appelé réducteur harmonique, dont le principe de fonctionnement est totalement différent. Il comporte une roue flexible à l’intérieur et repose sur la déformation élastique pour transmettre le mouvement, ce qui permet d’obtenir un jeu quasi nul, une grande précision et une faible encombrement. Si vous observez les sections du poignet des robots — aussi agiles qu’une main humaine —, c’est très souvent ce type de réducteur que vous y trouvez. Les opérations d’assemblage à sec ou la manipulation de petites pièces requérant une grande finesse dépendent toutes de cette précision de « main ».
Il existe également le réducteur planétaire, un choix intermédiaire offrant un bon compromis entre compacité et rendement. On le retrouve sur certains axes auxiliaires où les contraintes de coût sont importantes ou où les exigences de précision ne sont pas très élevées.
Si la boîte de vitesses commence à perdre son calme, le robot ne fera pas correctement son travail.
De nombreuses choses se produisent sur le plancher d’atelier et finissent à un endroit incorrect.
Par exemple, la précision du robot diminue progressivement au fil du temps. Par le passé, il positionnait les pièces avec un ajustement serré, mais désormais il est systématiquement légèrement décalé, que l’on ait ou non tenté d’ajuster le programme ou de recalibrer le point zéro. Dans ce cas, il est probable que le jeu dans la tête de réduction se soit accru. Un espace existe entre les engrenages, et lorsqu’on lui demande d’atteindre une certaine position, il oscille légèrement, entraînant une différence réelle entre la position commandée et la position réelle.
Un autre symptôme est que le robot effectue des mouvements saccadés, apparaissant instables à l’œil nu et moins fluides qu’auparavant. Cela résulte principalement d’une usure inégale à l’intérieur du mécanisme ou d’un lubrifiant inefficace, provoquant un frottement à sec.
Le robot fonctionnait initialement en silence, mais émet désormais des cliquetis, des bourdonnements, comme une casserole. Ce bruit est un appel à l’aide : les roulements ou les engrenages internes présentent très probablement un problème nécessitant une intervention.
Il y a plus de mouvements directs, une partie qui pouvait auparavant se déplacer correctement ne le fait désormais plus, et l’alarme se déclenche : on ressent que le robot n’est plus assez puissant. Cela signifie que le rendement de la transmission a fortement chuté et que l’énergie est dissipée dans la boîte de vitesses.
Les scénarios les plus courants sur le terrain
Allez, permettez-moi de vous présenter quelques scénarios avec lesquels vous êtes sans doute déjà familiers. Le client appelle et dit : « Mon robot, le point qui était autrefois parfaitement positionné est désormais complètement décalé — pas même d’un cheveu, ce qui est extrêmement agaçant. » La réaction immédiate de beaucoup de personnes est de penser à une perte du programme ou à un choc mécanique ; en réalité, la probabilité la plus élevée est que le jeu de la boîte de vitesses soit trop important. Un autre cas fréquent est la fuite d’huile : des gouttes d’huile apparaissent aux articulations suspendues, et une flaque se forme au sol. Il s’agit très probablement d’un vieillissement du joint d’étanchéité ; si la fuite d’huile persiste longtemps, celle-ci finit par s’épuiser entièrement, entraînant un frottement à sec à l’intérieur, transformant ainsi un problème mineur en une réparation majeure. On peut également constater un échauffement anormal des articulations, nettement plus élevé qu’en conditions normales : cela résulte soit d’une surcharge, soit d’un défaut de lubrification, provoquant un frottement interne.
Alors, quand devrais-je remplacer ma boîte de vitesses ?
Beaucoup de chefs d'entreprise ne peuvent pas se permettre de le faire, aussi envisagent-ils de la conserver encore un peu plus longtemps. Mais pour être honnête, la précision a considérablement baissé : les vibrations sont perceptibles à la main, le bruit est si fort que les personnes à proximité se retournent pour regarder, les fuites d’huile ne peuvent plus être arrêtées et la température est anormalement élevée. Dès que deux de ces cinq signaux apparaissent, il ne faut pas attendre davantage. Un report supplémentaire risque de provoquer la chute de fragments d’engrenage dans le moteur ou l’encodeur, ce qui entraînerait des coûts de réparation bien supérieurs au prix d’une nouvelle boîte de vitesses.
La boîte de vitesses utilisée dans nos robots est-elle identique à celle employée dans les équipements ordinaires ?
Ce n’est pas la même chose. Pour la boîte de vitesses des équipements ordinaires, un léger jeu n’a pas grande importance : elle peut presque toujours être mise en marche. Ce n’est pas le cas des robots. Si le jeu est légèrement plus important, l’écart de la tête d’outil s’amplifie jusqu’à plusieurs millimètres. C’est pourquoi la valeur maximale admissible du jeu (backlash) pour une boîte de vitesses de robot doit être très faible, et sa répétabilité doit rester stable tout au long de son cycle de vie ; il n’y a donc aucune marge d’ambiguïté sur ce point.
