Actionneur - Actuator

Un actionneur est un composant d'une machine qui est chargé de déplacer et de contrôler un mécanisme ou un système, par exemple en ouvrant une vanne. En termes simples, c'est un "moteur".

Un actionneur nécessite un signal de commande et une source d' énergie . Le signal de commande est d'une énergie relativement faible et peut être une tension ou un courant électrique , une pression de fluide pneumatique ou hydraulique , ou même une puissance humaine. Sa principale source d'énergie peut être un courant électrique , une pression hydraulique ou une pression pneumatique . Lorsqu'il reçoit un signal de commande, un actionneur répond en convertissant l'énergie de la source en mouvement mécanique. Au sens électrique , hydraulique et pneumatique , c'est une forme d' automatisation ou de contrôle automatique .

Un actionneur est un mécanisme par lequel un système de contrôle agit pour effectuer une opération ou une tâche. Le système de contrôle peut être simple (un système mécanique ou électronique fixe ), basé sur un logiciel (par exemple un pilote d'imprimante, un système de contrôle de robot ), un humain ou toute autre entrée.

Histoire

L'histoire du système d'actionnement pneumatique et du système d'actionnement hydraulique remonte à peu près à l'époque de la Seconde Guerre mondiale (1938). Il a d'abord été créé par Xhiter Anckeleman qui a utilisé sa connaissance des moteurs et des systèmes de freinage pour proposer une nouvelle solution garantissant que les freins d'une voiture exercent la force maximale, avec le moins d'usure possible.

Types d'actionneurs

Actionneur souple

Un actionneur souple est un actionneur qui change de forme en réponse à des stimuli, notamment mécaniques, thermiques et électriques.

Hydraulique

L'actionneur hydraulique se compose d'un cylindre ou d'un moteur hydraulique qui utilise l'énergie hydraulique pour faciliter le fonctionnement mécanique. Le mouvement mécanique donne une sortie en termes de mouvement linéaire, rotatif ou oscillatoire . Comme les liquides sont presque impossibles à comprimer, un actionneur hydraulique peut exercer une force importante. L'inconvénient de cette approche est son accélération limitée.

Le vérin hydraulique est constitué d'un tube cylindrique creux le long duquel peut coulisser un piston. Le terme simple effet est utilisé lorsque la pression du fluide est appliquée à un seul côté du piston. Le piston ne peut se déplacer que dans un seul sens, un ressort étant fréquemment utilisé pour donner au piston une course de retour. Le terme double effet est utilisé lorsqu'une pression est appliquée de chaque côté du piston ; toute différence de force entre les deux côtés du piston déplace le piston d'un côté ou de l'autre.

Actionneurs pneumatiques à crémaillère et pignon pour les commandes de vannes de conduites d'eau

Pneumatique

Les actionneurs pneumatiques permettent de produire des forces considérables à partir de changements de pression relativement faibles. L'énergie pneumatique est souhaitable pour les commandes du moteur principal car elle peut réagir rapidement au démarrage et à l'arrêt car la source d'alimentation n'a pas besoin d'être stockée en réserve pour le fonctionnement. De plus, les actionneurs pneumatiques sont moins chers et souvent plus puissants que les autres actionneurs. Ces forces sont souvent utilisées avec les vannes pour déplacer les diaphragmes afin d'affecter le flux d'air à travers la vanne.

L'avantage des actionneurs pneumatiques réside précisément dans le niveau élevé de force disponible dans un volume relativement petit. Alors que le principal inconvénient de la technologie consiste en la nécessité d'un réseau d'air comprimé composé de plusieurs composants tels que des compresseurs, des réservoirs, des filtres, des sécheurs, des sous-systèmes de traitement d'air, des vannes, des tubes, etc. ce qui rend la technologie inefficace énergétiquement avec des pertes d'énergie qui peut résumer jusqu'à 95%

Actionneur de vanne électrique contrôlant une vanne ½ pointeau.

Électrique

Depuis 1960, plusieurs technologies d'actionneurs ont été développées, les actionneurs électriques peuvent être classés dans les groupes suivants :

Actionneur électromécanique

Il convertit la force de rotation d'un moteur rotatif électrique en un mouvement linéaire pour générer le mouvement linéaire demandé grâce à un mécanisme soit une courroie (axe d'entraînement par courroie avec pas à pas ou servo) ou une vis (soit une bille, soit une vis mère ou une mécanique planétaire)

Les principaux avantages des actionneurs électromécaniques sont leur niveau de précision relativement bon par rapport à la pneumatique, leur longue durée de vie possible et le peu d'effort de maintenance requis (peut nécessiter de la graisse). Il est possible d'atteindre une force relativement élevée, de l'ordre de 100 kN.

La principale limitation de ces actionneurs sont la vitesse atteignable, les dimensions importantes et le poids qu'ils nécessitent. Alors que la principale application de ces actionneurs est principalement observée dans les appareils de santé et l'automatisation des usines.

Actionneur électrohydraulique

Une autre approche est un actionneur électrohydraulique , où le moteur électrique reste le moteur principal mais fournit un couple pour faire fonctionner un accumulateur hydraulique qui est ensuite utilisé pour transmettre la force d'actionnement de la même manière que les moteurs diesel /hydrauliques sont généralement utilisés dans les équipements lourds .

L'énergie électrique est utilisée pour actionner des équipements tels que des vannes multitours ou des équipements électriques de construction et d'excavation.

Lorsqu'il est utilisé pour contrôler le débit de fluide à travers une vanne, un frein est généralement installé au-dessus du moteur pour empêcher la pression du fluide de forcer l'ouverture de la vanne. Si aucun frein n'est installé, l'actionneur est activé pour refermer la vanne, qui est à nouveau forcée lentement. Cela crée une oscillation (ouverture, fermeture, ouverture...) et le moteur et l'actionneur finiront par être endommagés.

Moteur linéaire

Les moteurs linéaires sont différents des actionneurs électromécaniques, ils fonctionnent avec le même principe que les moteurs rotatifs électriques, en effet on peut le considérer comme un moteur rotatif qui a été coupé et déroulé. Ainsi, au lieu de produire un mouvement de rotation, ils produisent une force linéaire sur leur longueur. Étant donné que les moteurs linéaires entraînent des pertes par friction inférieures à celles d'autres appareils, certains produits à moteur linéaire peuvent durer plus de cent millions de cycles.

Les moteurs linéaires sont divisés en 3 catégories de base : les moteurs linéaires plats (classiques), les moteurs linéaires U-Channel et les moteurs linéaires tubulaires.

La technologie des moteurs linéaires est la meilleure solution dans le contexte d'une faible charge (jusqu'à 30Kgs) car elle offre le plus haut niveau de vitesse, de contrôle et de précision.

En fait, il représente la technologie la plus désirée et la plus polyvalente. En raison des limitations de la pneumatique, la technologie actuelle des actionneurs électriques est une solution viable pour des applications industrielles spécifiques et elle a été introduite avec succès dans des segments de marché tels que l'horlogerie, les semi-conducteurs et les industries pharmaceutiques (jusqu'à 60% des applications. La croissance intérêt pour cette technologie, s'explique par les caractéristiques suivantes :

  • Haute précision (égale ou inférieure à 0,1 mm);
  • Taux de cyclage élevé (supérieur à 100 cycles/min);
  • Utilisation possible dans des environnements propres et hautement réglementés (pas de fuites d'air, d'humidité ou de lubrifiants autorisées) ;
  •  Besoin de mouvement programmable en situation d'opérations complexes

Les principaux inconvénients des moteurs linéaires sont :

  • Ils sont coûteux par rapport à la pneumatique et aux autres technologies électriques.
  • Ils ne sont pas faciles à intégrer dans des machines standards en raison de leur taille importante et de leur poids élevé.
  • Ils ont une faible densité de force par rapport aux actionneurs pneumatiques et électromécaniques.

Thermique ou magnétique

Des actionneurs qui peuvent être actionnés en appliquant de l'énergie thermique ou magnétique à un matériau à l'état solide ont été utilisés dans des applications commerciales. Les actionneurs thermiques peuvent être déclenchés par la température ou le chauffage par effet Joule et ont tendance à être compacts, légers, économiques et avec une densité de puissance élevée. Ces actionneurs utilisent des matériaux à mémoire de forme tels que des alliages à mémoire de forme (SMA) ou des alliages à mémoire de forme magnétique (MSMA).

Mécanique

Un actionneur mécanique fonctionne pour exécuter un mouvement en convertissant un type de mouvement, tel qu'un mouvement rotatif , en un autre type, tel qu'un mouvement linéaire . Un exemple est une crémaillère et un pignon . Le fonctionnement des actionneurs mécaniques est basé sur des combinaisons de composants structurels, tels que des engrenages et des rails, ou des poulies et des chaînes .

Actionneurs souples imprimés en 3D

La majorité des actionneurs souples existants sont fabriqués à l'aide de processus à faible rendement en plusieurs étapes tels que le micro-moulage, la fabrication de formes libres solides et la lithographie de masque. Cependant, ces méthodes nécessitent une fabrication manuelle des dispositifs, un post-traitement/assemblage et de longues itérations jusqu'à ce que la maturité de la fabrication soit atteinte. Pour éviter les aspects fastidieux et chronophages des processus de fabrication actuels, les chercheurs explorent une approche de fabrication appropriée pour une fabrication efficace d'actionneurs souples. Par conséquent, des systèmes souples spéciaux qui peuvent être fabriqués en une seule étape par des méthodes de prototypage rapide, telles que l'impression 3D , sont utilisés pour réduire l'écart entre la conception et la mise en œuvre d'actionneurs souples, rendant le processus plus rapide, moins coûteux et plus simple. Ils permettent également d'incorporer tous les composants de l'actionneur dans une structure unique, éliminant ainsi le besoin d'utiliser des joints externes , des adhésifs et des fixations .

Les actionneurs polymères à mémoire de forme (SMP) sont les plus similaires à nos muscles, fournissant une réponse à une gamme de stimuli tels que les changements de lumière, électriques, magnétiques, de chaleur, de pH et d'humidité. Ils présentent certaines lacunes, notamment la fatigue et un temps de réponse élevé, qui ont été améliorés grâce à l'introduction de matériaux intelligents et à la combinaison de différents matériaux au moyen d'une technologie de fabrication avancée. L'avènement des imprimantes 3D a ouvert une nouvelle voie pour la fabrication d'actionneurs SMP à faible coût et à réponse rapide. Le processus de réception de stimuli externes comme la chaleur, l'humidité, l'entrée électrique, la lumière ou le champ magnétique par SMP est appelé effet de mémoire de forme (SME). Le SMP présente des caractéristiques gratifiantes telles qu'une faible densité, une récupération de souche élevée, une biocompatibilité et une biodégradabilité .

Les photopolymères /polymères activés par la lumière (LAP) sont un autre type de SMP activés par des stimuli lumineux. Les actionneurs LAP peuvent être commandés à distance avec une réponse instantanée et, sans aucun contact physique, uniquement avec la variation de fréquence ou d'intensité lumineuse.

Un besoin d' actionneurs souples souples, légers et biocompatibles en robotique souple a influencé les chercheurs dans la conception d'actionneurs souples pneumatiques en raison de leur nature intrinsèquement conforme et de leur capacité à produire une tension musculaire.

Les polymères tels que les élastomères diélectriques (DE), les composites polymères métalliques ioniques (IPMC), les polymères électroactifs ioniques, les gels polyélectrolytiques et les composites gel-métal sont des matériaux courants pour former des structures en couches 3D qui peuvent être adaptées pour fonctionner comme des actionneurs souples. Les actionneurs EAP sont classés comme des actionneurs souples imprimés en 3D qui répondent à l'excitation électrique sous forme de déformation de leur forme.

Exemples et applications

En ingénierie , les actionneurs sont fréquemment utilisés comme mécanismes pour introduire un mouvement ou pour serrer un objet afin d'empêcher le mouvement. En génie électronique, les actionneurs sont une subdivision des transducteurs . Ce sont des dispositifs qui transforment un signal d'entrée (principalement un signal électrique) en une certaine forme de mouvement.

Exemples d'actionneurs

Conversion circulaire en linéaire

Les moteurs sont principalement utilisés lorsque des mouvements circulaires sont nécessaires, mais peuvent également être utilisés pour des applications linéaires en transformant un mouvement circulaire en un mouvement linéaire avec une vis mère ou un mécanisme similaire. En revanche, certains actionneurs sont intrinsèquement linéaires, comme les actionneurs piézoélectriques. La conversion entre le mouvement circulaire et linéaire est généralement effectuée via quelques types de mécanismes simples, notamment :

Instrumentation virtuelle

En instrumentation virtuelle , les actionneurs et les capteurs sont les compléments matériels des instruments virtuels.

Indicateurs de performance

Les mesures de performance des actionneurs incluent la vitesse, l'accélération et la force (ou vitesse angulaire, accélération angulaire et couple), ainsi que l'efficacité énergétique et des considérations telles que la masse, le volume, les conditions de fonctionnement et la durabilité, entre autres.

Obliger

Lors de l'examen de la force dans les actionneurs pour les applications, deux mesures principales doivent être prises en compte. Ces deux sont des charges statiques et dynamiques. La charge statique est la capacité de force de l'actionneur lorsqu'il n'est pas en mouvement. Inversement, la charge dynamique de l'actionneur est la capacité de force en mouvement.

La vitesse

La vitesse doit être considérée principalement à un rythme sans charge, car la vitesse diminuera invariablement à mesure que la quantité de charge augmente. Le taux de diminution de la vitesse sera directement corrélé à la quantité de force et à la vitesse initiale.

Des conditions de fonctionnement

Les actionneurs sont généralement évalués à l'aide du système d'évaluation standard du code IP . Ceux qui sont classés pour les environnements dangereux auront un indice IP plus élevé que ceux pour un usage industriel personnel ou courant.

Durabilité

Cela sera déterminé par chaque fabricant, en fonction de l'utilisation et de la qualité.

Voir également

Les références