Répétabilité des robots : valeurs de ±0,01 à ±0,2 mm

La répétabilité des robots se situe, selon le type de construction, entre ±0,01 et ±0,2 millimètre. En tant que caractéristique de performance selon l'ISO 9283, elle décrit avec quelle exactitude un robot atteint à nouveau une position déjà atteinte. Il faut la distinguer de la précision absolue, c'est-à-dire l'atteinte d'une position nouvellement programmée : sans étalonnage, elle est plusieurs fois moins bonne. Cet article explique les deux caractéristiques et la méthode de mesure de la norme. Il présente aussi les valeurs typiques par type de robot et les facteurs qui dégradent la précision en fonctionnement.

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Ce que signifie la répétabilité d'un robot

La répétabilité est la dispersion des poses que le robot atteint lorsqu'il retourne à la même pose programmée. Une pose comprend la position et l'orientation de l'outil. Lors de l'essai normalisé, le robot rejoint 30 fois un point appris, et la répétabilité indique dans quel rayon autour de la valeur moyenne ces positions atteintes se répartissent. Une valeur de ±0,05 millimètre signifie donc : le robot atteint le même point de manière fiable à l'intérieur d'un cercle de ce rayon.

Pour le fonctionnement classique par apprentissage, la répétabilité est donc la caractéristique la plus importante. Quand vous apprenez les positions à la main, vous contournez toutes les erreurs systématiques du robot. Le point appris est déjà le point réel, et le robot doit seulement le retrouver. La fabrication en série avec des positions fixes, la palettisation, le chargement de machines et le pick-and-place fonctionnent selon ce principe.

Dans la fiche technique, la répétabilité est indiquée sous forme de valeur ± en millimètres, le plus souvent mesurée comme répétabilité de pose selon l'ISO 9283. C'est l'indication de précision présente dans quasiment toutes les fiches techniques. La précision absolue y manque généralement.

Répétabilité, précision de positionnement et précision absolue : les différences

La répétabilité mesure la capacité à retrouver un point connu. La précision de positionnement mesure l'écart entre la position de consigne programmée et le point réellement atteint. En règle générale, un robot industriel standard travaille avec une répétabilité d'environ 0,1 millimètre, mais une précision absolue d'environ 1 millimètre seulement. Le terme de précision de positionnement est souvent utilisé comme synonyme de précision absolue. La caractéristique ISO d'exactitude de pose comprend en plus l'orientation.

Un robot peut présenter une excellente répétabilité et néanmoins se tromper systématiquement. Les robots non étalonnés n'atteignent souvent qu'une précision absolue de 1 à 3 millimètres. ABB chiffre même, dans sa fiche produit sur l'étalonnage absolu, la différence entre le modèle de calcul idéal et le robot réel à 8 à 15 millimètres en général.

La cause réside dans la différence entre le modèle et la machine. La commande calcule avec une cinématique idéale, le bras réel s'en écarte. Les tolérances de fabrication des segments du bras, les erreurs de calage des axes, le jeu des réducteurs et la flexion sous charge s'additionnent. Lors de l'apprentissage, cela reste sans conséquence, car c'est le point réel qui est enregistré. La précision absolue devient pertinente dès que les positions proviennent de données CAO (conception assistée par ordinateur) ou d'une programmation hors ligne. Ces coordonnées se rapportent au modèle idéal.

Précision de trajectoire : quand le chemin compte et non le point

La précision de trajectoire décrit la façon dont un robot suit une trajectoire programmée pendant son déplacement. La précision ponctuelle à l'arrêt sert peu dès que l'outil travaille en mouvement. Lors du soudage, du collage, du dosage, du laquage et de l'usinage laser, le résultat se forme le long de toute la trajectoire. L'ISO 9283 distingue donc l'exactitude de trajectoire, c'est-à-dire l'écart par rapport à la trajectoire programmée, de la répétabilité de trajectoire, c'est-à-dire la dispersion de plusieurs parcours de la trajectoire.

Les exigences sur la trajectoire sont souvent plus strictes que sur le point. Le soudage laser de précision exige des écarts de trajectoire inférieurs à 0,1 millimètre, comme l'explique Michael Garstenauer du fabricant de commandes Keba dans le magazine spécialisé all-electronics. Les indications des fabricants sur la précision de trajectoire sont toutefois rares. La plupart des fiches techniques ne mentionnent que la répétabilité de pose, et les valeurs de trajectoire dépendent fortement de la vitesse et de la charge.

Si vous cherchez un robot à haute précision de trajectoire, la seule comparaison des fiches techniques ne fournit donc qu'un repère approximatif. Seules les mesures de trajectoire réalisées dans les conditions réelles de votre procédé, ou les indications du fabricant relatives aux procédés à trajectoire guidée, sont significatives.

Comment l'ISO 9283 mesure la précision

La norme ISO 9283 définit comment les caractéristiques de précision des robots industriels sont mesurées afin qu'elles soient comparables. L'essai se déroule dans un cube imaginaire dans l'espace de travail, dont la norme fixe la position et dont la taille dépend de l'espace de travail. Le robot rejoint 30 fois chacun des cinq points de mesure du cube d'essai pour les caractéristiques de pose. Pour les caractéristiques de trajectoire, il parcourt 10 fois la trajectoire d'essai, à 100, 50 et 10 % de la vitesse nominale. Les deux essais se déroulent avec une charge définie.

Ces séries de mesures donnent les quatre caractéristiques principales : exactitude de pose, répétabilité de pose, exactitude de trajectoire et répétabilité de trajectoire. Deux robots ne sont comparables qu'à taille de cube, charge d'essai, vitesse et environnement identiques.

En pratique, la valeur de la fiche technique est obtenue dans des conditions d'essai, c'est-à-dire en régime établi, avec une charge définie et sur la trajectoire normalisée. En fonctionnement réel, avec un robot froid, des charges changeantes et d'autres positions du bras, elle ne fournit qu'un repère. La tolérance fiable ne résulte que de votre propre mesure dans le processus.

Répétabilité typique par type de robot

La fourchette va de ±0,01 millimètre pour les robots SCARA et les petits robots six axes à ±0,2 millimètre pour les robots de palettisation. La répétabilité dépend davantage de la taille et du type de construction que du fabricant. Les petits robots rigides sont plus précis que les grands bras à forte charge utile, les cobots (robots collaboratifs) se situent entre les deux. Le tableau montre les valeurs de fiches techniques de modèles courants, du robot SCARA (SCARA signifie Selective Compliance Assembly Robot Arm) au palettiseur :

Type de robot	Plage typique	Exemples selon la fiche technique
SCARA	±0,01 à ±0,02 mm	Epson GX8 : ±0,015 mm (axe 3 : ±0,01 mm), Epson T3-B : ±0,02 mm
Petit robot six axes (jusqu'à environ 10 kg)	±0,01 à ±0,03 mm	ABB IRB 1100 : 0,01 mm, FANUC LR Mate 200iC : ±0,02 mm (variante 5L : ±0,03 mm)
Robot delta	±0,02 à ±0,03 mm	FANUC M-1iA : à partir de 0,02 mm
Cobot	±0,02 à ±0,05 mm	AUBO i5 : ±0,02 mm, FANUC CRX-10iA : 0,04 mm, UR10e : ±0,05 mm
Robot six axes moyen à grand	±0,05 à ±0,1 mm	KUKA KR 60 HA (variante High Accuracy) : ±0,05 mm, ABB IRB 6400R : 0,1 mm
Robot de palettisation	jusqu'à ±0,2 mm	ABB IRB 460 : 0,2 mm

Les valeurs des cobots proviennent en partie directement de la marketplace Unchained Robotics, où elles figurent dans les spécifications des pages produits, par exemple pour l'Agile Robots Yu 5 avec ±0,05 millimètre. Pour comparer les modèles, filtrez dans l'assortiment de cobots ou chez les robots industriels directement selon les spécifications.

Le type SCARA se distingue : quatre axes et le guidage vertical rigide apportent des valeurs de ±0,01 à ±0,02 millimètre. Pour en savoir plus, consultez l'article sur le robot SCARA et ses quatre axes. Le palettiseur à l'autre extrémité du tableau montre en même temps qu'une haute précision n'est pas une fin en soi. Le fait qu'ABB spécifie son palettiseur IRB 460 à 0,2 millimètre en sortie d'usine illustre le besoin réel de cette application.

Les cobots sont-ils moins précis que les robots industriels ?

Sur la valeur pure de la fiche technique, les cobots sont à égalité. Un UR10e se situe avec ±0,05 millimètre selon l'ISO 9283 au niveau de nombreux robots six axes classiques de taille moyenne. Les cobots compacts comme l'AUBO i5 atteignent ±0,02 millimètre. L'affirmation répandue selon laquelle les robots industriels seraient fondamentalement plus précis ne se vérifie donc que partiellement dans la répétabilité de pose.

La différence réelle se situe ailleurs. Les robots industriels sont construits de manière plus rigide et conservent leur précision même à haute vitesse, à pleine charge utile et sur de longues trajectoires. Les cobots sont conçus pour la compliance mécanique et la sécurité, et leurs fonctions de sécurité limitent la vitesse et la dynamique. Sous les efforts du procédé et dans l'exactitude de trajectoire, cela se remarque, même lorsque la valeur du catalogue semble identique. Pour situer les deux types de construction du point de vue des coûts et des domaines d'application, consultez l'article sur les avantages et inconvénients des cobots.

Ce qui influence la précision en fonctionnement

La température, la charge utile et la vitesse, le jeu des réducteurs, la position du bras et l'installation font passer la précision en fonctionnement sous la valeur de la fiche technique, qui est obtenue dans des conditions d'essai contrôlées :

• Température : un robot froid atteint moins bien sa cible. Une étude de la revue spécialisée Applied Sciences montre que les variations de température peuvent dégrader la répétabilité jusqu'à un ordre de grandeur. En régime établi, le robot peut au contraire obtenir des résultats nettement meilleurs que la valeur de sa fiche technique. Les applications de précision prévoient donc des cycles de préchauffage.
• Charge utile et vitesse : avec une charge croissante, le bras fléchit davantage, avec une vitesse croissante, les écarts dynamiques augmentent. Les mesures montrent des dégradations déjà au-dessus d'environ 50 % de la vitesse nominale.
• Jeu des réducteurs : le jeu dans les réducteurs des axes est amplifié par la longueur du bras, qui joue le rôle de levier. Dès 3 minutes d'arc de jeu d'inversion sur un axe avec un bras de levier de 500 millimètres, l'écart atteint environ 0,44 millimètre à l'outil.
• Position du bras : au bord de l'espace de travail, avec le bras tendu, la rigidité et donc la précision diminuent. La même tâche près du socle s'exécute avec plus de précision.
• Installation : un robot fixé sur un bâti qui vibre ou sur une fondation irrégulière perd de la précision dès la fixation de la base.

Lors du diagnostic de défauts en fonctionnement, vérifiez donc d'abord le comportement thermique, les changements de charge, l'installation et la mesure du point central de l'outil avant de soupçonner la mécanique.

Étalonnage : du point central de l'outil à l'étalonnage absolu

L'étalonnage est l'ajustement entre le modèle de calcul de la commande et la machine réelle, et il commence à l'outil. Le point central de l'outil (Tool Center Point, en abrégé TCP) forme le point d'action auquel se rapporte chaque indication de précision. Si le TCP est mal mesuré, cette erreur se répercute sur chaque position programmée. L'article Comprendre le point central de l'outil (TCP) explique pas à pas comment mesurer le TCP.

L'étalonnage absolu intervient un cran au-dessus. Un laser tracker mesure le robot réel dans de nombreuses poses, et ces écarts permettent de construire dans la commande un modèle corrigé. ABB compense dans son étalonnage absolu environ 40 paramètres par robot, de la géométrie à la flexion. Selon ses propres indications, ABB atteint ainsi environ 0,5 millimètre de précision absolue dans toute la zone de travail. Une étude indépendante confirme l'ordre de grandeur sur un ABB IRB 1600. L'étalonnage par laser tracker y a réduit l'erreur de position moyenne de 0,97 à 0,36 millimètre et l'erreur maximale de 2,16 à 0,70 millimètre.

Cela n'est nécessaire que lorsque les coordonnées programmées doivent être exactes : en programmation hors ligne à partir de données CAO, lors d'un remplacement de robot avec des programmes repris ou dans les processus guidés par mesure. La technique de mesure nécessaire reste l'affaire de spécialistes. Rien que le laser tracker coûte plus de 100 000 euros. C'est pourquoi l'étalonnage absolu est le plus souvent acheté comme prestation de service ou option d'usine. KUKA fabrique en outre avec les gammes HA des robots réglés en usine pour une haute précision.

De quelle précision votre application a-t-elle vraiment besoin ?

La palettisation se contente de ±0,2 millimètre, le montage par enfichage travaille avec des tolérances de composants d'environ 0,5 millimètre, le soudage laser exige moins de 0,1 millimètre d'écart de trajectoire. La précision a un coût, d'où l'intérêt d'examiner, avant de choisir, le besoin réel de votre procédé :

Application	Besoin en précision	Mise en perspective
Palettisation et emballage	±0,2 mm suffisent	ABB spécifie le palettiseur IRB 460 avec 0,2 mm en sortie d'usine
Chargement de machines, pick-and-place	non critique avec des positions apprises	Les dispositifs de serrage rattrapent les écarts
Assemblage et montage	à partir de ±0,03 mm, confortable	Le montage par enfichage tolère des écarts d'environ 0,5 mm
Soudage, collage, laser	la précision de trajectoire compte, soudage laser sous 0,1 mm	Le résultat se forme le long de la trajectoire, la valeur de pose n'est qu'un repère
Mesure, contrôle, usinage	du centième de millimètre à moins de dix micromètres	Exige un étalonnage, une technique de mesure externe ou une autre classe de machine

Pour l'assemblage et le montage, le bon outil joue aussi un rôle. Un aperçu est donné par l'article sur les types d'effecteurs terminaux pour les robots industriels.

L'ordre à suivre pour le choix est donc clair. D'abord chiffrer le processus et sa tolérance, ensuite choisir le type de construction adapté, enfin comparer le modèle selon la fiche technique. Si vous procédez à l'envers et achetez d'abord le modèle le plus précis, vous payez souvent une précision que votre procédé n'exploite pas.

Questions fréquentes

Que signifie la répétabilité d'un robot ?

La répétabilité indique avec quelle précision un robot retrouve une position qu'il a déjà atteinte lorsqu'il s'y rend à nouveau. Elle est mesurée selon l'ISO 9283 et est indiquée sous forme de valeur ± en millimètres dans la fiche technique. Les valeurs typiques se situent entre ±0,01 millimètre pour les petits robots et ±0,2 millimètre pour les robots de palettisation.

Quelle est la différence entre répétabilité et précision absolue ?

La répétabilité mesure la capacité à retrouver un point appris, la précision absolue l'atteinte d'une coordonnée nouvellement programmée. Un robot standard travaille avec une répétabilité d'environ 0,1 millimètre, mais sans étalonnage seulement avec une précision absolue de 1 à 3 millimètres. La raison : le modèle de calcul de la commande s'écarte du bras réel.

Quelle est la précision d'un robot industriel ?

Les petits robots six axes et les robots SCARA répètent les positions à ±0,01 à ±0,03 millimètre près. Les robots six axes moyens et grands atteignent ±0,05 à ±0,1 millimètre, les robots de palettisation environ ±0,2 millimètre. Sans étalonnage, l'écart en précision absolue est nettement plus élevé, souvent de 1 à 3 millimètres.

Les cobots sont-ils moins précis que les robots industriels classiques ?

Les cobots sont à égalité sur la valeur de la fiche technique : ils atteignent une répétabilité de ±0,02 à ±0,05 millimètre et se situent ainsi au niveau de nombreux robots six axes. Les robots industriels conservent toutefois leur précision même à haute vitesse, à pleine charge et sur de longues trajectoires, parce qu'ils sont construits de manière plus rigide.

Qu'est-ce que l'ISO 9283 ?

L'ISO 9283 est la norme pour les caractéristiques de performance des robots industriels. Elle définit entre autres l'exactitude de pose, la répétabilité de pose et l'exactitude de trajectoire. Elle fixe également la méthode de mesure : cinq points dans un cube d'essai, 30 cycles de mesure, charge et vitesse définies. Ce n'est que dans des conditions d'essai identiques que les valeurs de deux robots sont comparables.

Qu'apporte un étalonnage absolu ?

Un étalonnage absolu mesure le robot réel avec un laser tracker et corrige le modèle dans la commande. ABB indique après l'étalonnage environ 0,5 millimètre de précision absolue dans toute la zone de travail. Dans une étude indépendante sur un IRB 1600, l'étalonnage par laser tracker a réduit l'erreur moyenne de 0,97 à 0,36 millimètre. Cela est pertinent en programmation hors ligne et avec des coordonnées basées sur la CAO.

Pourquoi mon robot n'atteint-il pas la précision de la fiche technique ?

La valeur de la fiche technique est valable dans les conditions d'essai de l'ISO 9283. En fonctionnement, l'état froid, les variations de température, la haute vitesse, la pleine charge utile, la position du bras tendu, le jeu des réducteurs et une installation peu rigide dégradent le résultat. En cas d'écarts, vérifiez d'abord le comportement thermique, les changements de charge, l'installation et la mesure du point central de l'outil.