Réducteur harmonique
Composants

Un réducteur harmonique (roue à onde de contrainte) est un réducteur de vitesse de précision composé de trois composants principaux : le générateur d'onde (une came elliptique avec un roulement à section mince), le flex spline (un couvercle ou un chapeau à paroi fine avec des dents externes qui se déforment élastiquement autour du générateur d'onde), et le spline circulaire (une bague rigide avec des dents internes, 2 de plus que le flex spline). Lorsque le générateur d'onde tourne, les dents du flex spline engagent celles du spline circulaire en deux points, produisant un rapport de réduction très élevé — généralement de 30:1 à 160:1 — avec un jeu quasi nul et une haute densité de couple.

La couronne flexible est une composante à paroi fine, en forme de coupe ou de chapeau avec des dents à involute à pas fin sur sa circonférence extérieure. Elle doit être suffisamment rigide pour transmettre le couple tout en étant suffisamment flexible pour se déformer élastiquement en une forme elliptique sous le générateur d'ondes. L'épaisseur de la paroi est généralement de 0,3 à 0,8 mm. Les défis d'usinage incluent : la déviation de la pièce sous les forces de coupe (nécessitant des dispositifs de fixation sur mesure et des trajectoires d'outil à faible force) ; les vibrations dues à la résonance de la paroi fine; et l'obtention d'une précision de profil dentaire de ±0,003 mm alors que la pièce est si souple qu'elle se déforme sous la force du palpeur de mesure. HXC utilise des dispositifs d'amortissement des vibrations, le fraisage trochoïdal, et une force de mesure CMM corrigée pour traiter ces trois aspects.

Les couronnes flexibles subissent des contraintes de flexion cycliques élevées et nécessitent une excellente résistance à la fatigue. La norme de l'industrie est 42CrMoA (équivalent à 4140) durci à HRC 38–42 — il combine une haute résistance à la traction (~1 000 MPa) avec une bonne performance en fatigue et une usinabilité. Pour l'aérospatiale et les applications critiques en poids, acier inoxydable 17-4PH (condition H900) offre une résistance similaire avec une meilleure résistance à la corrosion. Ti-6Al-4V est utilisé lorsque le poids minimum est la priorité, malgré son module d'élasticité inférieur — la géométrie de l'angle de flexion doit être ajustée. Le 42CrMo4 standard n'est pas recommandé car il a une durée de vie en fatigue inférieure à celle du 42CrMoA en cas de flexion cyclique.

Les trois formes de flexibles définissent comment le spline est monté et sa longueur axiale : Type Cup (C) — le plus courant ; une coupe profonde avec des dents près de l'extrémité ouverte et une bride de montage à l'extrémité fermée. Offre une rigidité torsionnelle élevée mais nécessite une profondeur axiale. Type Chapeau (F) — une forme de chapeau peu profonde où la bride de montage est à l'extrémité des dents ; permet une longueur d'assemblage globale plus courte (transmissions harmoniques en pancake). Type Chapeau de Soie (S) — un chapeau étendu avec un grand diamètre de bride de sortie ; maximise la rigidité de la bride de sortie pour les transmissions harmoniques à alésage creux de grande taille utilisées dans les poignets de robot. HXC fabrique ces trois types.

Les transmissions harmoniques standard utilisent un profil d'engrenage à denture involute modifiée — pas une dent d'engrenage standard — avec un angle de pression réduit (typiquement 20° mais modifié) et un rapport d'addendum/dédendum optimisé pour la grande déflexion du flexible. Le profil exact est défini par le fabricant de la transmission harmonique (Harmonic Drive SE, HDSI, Ovalo, Spinea, etc.) et est spécifié sur le dessin du composant. HXC réalise selon le dessin de profil du client en utilisant fraisage de forme dentaire simultané 5 axes ou façonnage d'engrenages suivi d'une vérification optique du profil par CMM. Nous ne faisons pas d'ingénierie inverse des profils dentaires des concurrents — un dessin du client ou des données de profil approuvées sont nécessaires.

Les transmissions harmoniques atteignent un jeu quasi nul — généralement ≤ 1 minute d'arc dans une unité correctement assemblée, comparé à 3–10 minutes d'arc pour un engrenage planétaire de précision. C'est l'avantage fondamental qui motive leur utilisation dans les articulations de robot. Atteindre ≤ 1 minute d'arc nécessite : une tolérance de profil de dent de la spire flexible ±0,003 mm ; un profil de dent de la spire circulaire ±0,003 mm ; un profil de came du générateur d'ondes ±0,004 mm ; et une concentricité des trois composants ≤ 0,005 mm TIR. HXC vérifie ces quatre paramètres sur la CMM et inclut les données dans le rapport de mesure.

L'épaisseur de paroi au niveau de la racine de la dent — le point le plus fin et critique — est mesurée à l'aide de une numérisation stylus 3D CMM avec une bille en rubis dont le diamètre est adapté au rayon de la racine. Le programme CMM cartographie la surface extérieure de la racine de la dent et la surface intérieure du trou, et calcule l'épaisseur minimale de la paroi à chaque dent mesurée. Pour les parois très fines (≤ 0,4 mm), une mesure optique sans contact par CMM avec une force de sonde réduite est utilisée pour éviter de déformer la pièce sous mesure. Toutes les mesures de paroi sont reportées dans le rapport d'inspection dimensionnelle livré avec chaque commande.

La spire circulaire est un engrenage annulaire rigide qui doit résister au stress de contact lors de l'engagement des dents de la spire flexible. Elle est généralement plus dure que la spire flexible pour assurer une usure préférentielle des dents de la spire flexible (qui est la pièce la plus coûteuse et la plus difficile à remplacer). Choix standard : 42CrMo4 trempé à cœur à HRC 48–52 — le choix industriel le plus courant ; M2 HSS trempé à HRC 60–62 — pour une durée de vie maximale des dents dans des applications à cycle élevé ; SUS440C en acier inoxydable à HRC 56–58 — pour les environnements corrosifs ; et Nitruré 38CrMoAl — pour une dureté de surface très élevée avec un minimum de déformation.

Le générateur d'ondes se compose d'un came elliptique avec un roulement à billes à section fine pressé dessus. La bague extérieure du roulement se déforme elliptique pour s'adapter au came, et cette bague elliptique pousse la couronne flexible en engagement avec la couronne circulaire à deux points diamétralement opposés. Le roulement doit donc être capable de déformation elliptique cyclique soutenue — les roulements à gorge profonde standard échouent rapidement. Des roulements à billes à section fine pour entraînement harmonique (classe de précision P4 ou P5, conformité ABMA/ISO) sont utilisés. Les machines HXC usinent la couronne selon la tolérance de siège de la couronne extérieure spécifiée par le fabricant du roulement, généralement de classe P4, pour assurer la géométrie de déformation correcte.

Oui, à condition que le client fournisse un plan d'ingénierie complet du composant — y compris les données de profil dentaire, les tolérances, le matériau et le traitement thermique. Nous ne copions pas, ne rétro-concevons pas, ni ne reproduisons les conceptions propriétaires d'entraînement harmonique sans autorisation explicite du concepteur original. Si vous avez un composant existant qui doit être reproduit, notre équipe d'ingénierie peut vous aider à préparer le dessin nécessaire à partir des données de mesure CMM. Nous avons fourni des couronnes flexibles de remplacement, des couronnes circulaires et des générateurs d'onde pour des robots où le délai de livraison du fabricant d'origine était inacceptable.

Les choix de traitement de surface dépendent du composant : Baguettes flexibles — généralement pas de revêtement sur le profil de dent (le revêtement introduit une variation d'épaisseur qui altère l'engrènement des dents). Le grenaillage est appliqué pour améliorer la durée de vie en fatigue du rayon du fond de cuvette. Baguettes circulaires — oxyde noir pour les versions en acier (impact dimensionnel minimal <1 µm) ; passivation pour l'acier inoxydable. Générateurs d'onde — un placage au chrome sur le diamètre extérieur de la came est appliqué lorsque l'ajustement came-roulement nécessite une croissance contrôlée, sinon il est laissé usiné. Brides de sortie — anodisation dure (Type III) pour l'aluminium ; passivation pour l'acier inoxydable. Tous les revêtements sont appliqués après usinage aux tolérances finales, avec une marge usinée si nécessaire.

Le rapport de réduction d'un entraînement harmonique est entièrement déterminé par le nombre de dents : Ratio = Z_circulaire / (Z_circulaire − Z_flexible). Comme la baguette circulaire a toujours exactement 2 dents de plus que la baguette flexible, la formule se simplifie en : Ratio = Z_circulaire / 2. Une baguette circulaire de 100 dents (baguette flexible de 98 dents) donne un rapport de 50:1. Les rapports courants vont de 30:1 (Z_c=60) à 160:1 (Z_c=320). Des rapports plus élevés nécessitent plus de dents avec le même module — soit le diamètre extérieur augmente, soit le module diminue. HXC peut usiner des composants pour n'importe quel rapport ; fournissez votre rapport requis et vos contraintes d'encombrement et nous calculerons le nombre de dents et le module optimaux.

Fournissez autant d'informations que possible parmi les suivantes : type de composant (baguette flexible / baguette circulaire / générateur d'onde / bride de sortie) ; dimensions du diamètre extérieur et de l'alésage; nombre de dents et module (ou pas); dessin du profil de dent ou référence de modèle Harmonic Drive; épaisseur de paroi (pour les fléxibles) ; matériau et dureté requise; état de surface et traitement; tolérances clés (classe d'alésage, concentricité, faux-rond de face) ; et quantité. Un fichier STEP avec annotation GD&T est idéal. Un numéro de modèle Harmonic Drive SE ou HDSI (par exemple, CSF-20-100-2UH) combiné au nom du composant est suffisant pour démarrer un devis.

Les délais de livraison dépendent du type et de la complexité du composant : Fléxibles (coupe/chapeau) — 7–12 jours pour 1–5 prototypes ; 15–25 jours pour un lot de 20–50 pièces. Baguettes circulaires — 7–12 jours prototype ; 14–22 jours lot. Générateurs d'onde — 7–14 jours prototype ; 14–20 jours lot. Brides de sortie — 5–10 jours prototype ; 12–18 jours lot. Un service accéléré de 5 jours est disponible pour les prototypes de composants uniques moyennant un supplément. Pour les séries de production de 100 pièces et plus, le délai est indiqué sur une base de projet. Tous les délais courent à partir de l'approbation du dessin et de la réception de l'acompte.