Actionneur

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 “déménageur”.

Un actionneur nécessite un signal de commande et une source d’ énergie . Le signal de commande est d’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 . ^[1] 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 deautomatisation ou 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. ^[2]

Histoire

L’histoire du système d’actionnement Pneumatique et du système d’actionnement hydraulique remonte à l’époque de la Seconde Guerre mondiale (1938). Il a d’abord été créé par Xhiter Anckeleman ^[3] 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 à fluide 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 sur un seul côté du piston. Le piston ne peut se déplacer que dans une seule direction, 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. ^[4]

Actionneurs pneumatiques à pignon et crémaillère pour 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 des vannes pour déplacer les membranes afin d’affecter le débit d’air à travers la vanne. ^{[5] [6]}

L’avantage des actionneurs pneumatiques réside précisément dans le niveau de force élevé disponible dans un volume relativement faible. 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 peu efficace énergétiquement avec des pertes d’énergie qui peut totaliser jusqu’à 95 %

Actionneur de vanne électrique pilotant une vanne 1⁄2 pointeau.

Électrique

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

Actionneur électromécanique (EMA)

Il convertit la force de rotation d’un moteur rotatif électrique en un mouvement linéaire pour générer le mouvement linéaire demandé à travers 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 des forces relativement élevées, de l’ordre de 100 kN.

La principale limitation de ces actionneurs est la vitesse atteignable, les dimensions importantes et le poids qu’ils nécessitent. Alors que l’application principale de ces actionneurs est principalement observée dans les appareils de soins 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 lentement forcée à s’ouvrir à nouveau. Cela met en place une oscillation (ouverture, fermeture, ouverture…) et le moteur et l’actionneur finiront par s’abîmer. ^[7]

Moteur linéaire

Les moteurs linéaires sont différents des actionneurs électromécaniques, ils fonctionnent sur le même principe que les moteurs électriques rotatifs, en effet on peut le penser comme un moteur rotatif qui a été découpé 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 provoquent des pertes par frottement inférieures à celles d’autres appareils, certains produits de moteurs linéaires peuvent durer plus de cent millions de cycles.

Les moteurs linéaires sont divisés en 3 catégories de base : moteur linéaire plat (classique), moteurs linéaires U-Channel et moteurs linéaires tubulaires.

La technologie du moteur linéaire est la meilleure solution dans le cadre 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 recherchée et la plus polyvalente. En raison des limites 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 l’industrie pharmaceutique (jusqu’à 60 % des applications). 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 très réglementés (pas de fuites d’air, d’humidité ou de lubrifiants autorisées) ;
Besoin de mouvement programmable dans la 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 une 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 à haute densité de puissance. Ces actionneurs utilisent des matériaux à mémoire de forme tels que les alliages à mémoire de forme (SMA) ou les alliages à mémoire de forme magnétique (MSMA). ^[8]

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 repose 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 plusieurs étapes à faible rendement tels que le micro-moulage, ^[9] la fabrication de formes libres solides, ^[10] et la lithographie au masque. ^[11] 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 en polymère 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, thermiques, de pH et d’humidité. Ils présentent certaines lacunes, notamment la fatigue et un temps de réponse élevé, qui ont été améliorées 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 tels que la chaleur, l’humidité, l’apport électrique, la lumière ou le champ magnétique par SMP est appelé effet de mémoire de forme (SME). Le SMP présente certaines caractéristiques intéressantes telles qu’une faible densité, une récupération de souche élevée, une biocompatibilité etbiodégradabilité .

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

Un besoin d’actionneurs souples souples, légers et biocompatibles dans la robotique douce a incité les chercheurs à concevoir des actionneurs souples pneumatiques en raison de leur nature de conformité intrinsèque et de leur capacité à produire des tensions musculaires.

Les polymères tels que les élastomères diélectriques (DE), les composites métalliques polymères ioniques (IPMC), les polymères électroactifs ioniques, les gels de polyélectrolytes 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 dans la catégorie 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. ^[12] En ingénierie 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

Entraînement de peigne
Dispositif de micromiroir numérique
Moteur électrique
Polymère électroactif
Cylindre hydraulique
Actionneur piézoélectrique
Actionneur Pneumatique
Vérin à vis
Servomécanisme
Solénoïde
Moteur pas à pas
Alliage à mémoire de forme
Bimorphe thermique
Actionneurs hydrauliques

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 mouvement linéaire avec une Vis mère ou un mécanisme similaire. D’autre part, certains actionneurs sont intrinsèquement linéaires, comme les actionneurs piézoélectriques. La conversion entre mouvement circulaire et linéaire est généralement effectuée via quelques types de mécanismes simples, notamment :

Vis : Les vérins à vis , vis à billes et vis à rouleaux fonctionnent tous sur le principe de la machine simple dite vis. En tournant l’écrou de l’actionneur, la tige de la vis se déplace en ligne. En déplaçant l’arbre de la vis, l’écrou tourne.
Roue et essieu : Palan , treuil , pignon et crémaillère , entraînement par chaîne , entraînement par courroie , chaîne rigide et actionneurs à courroie rigide fonctionnent sur le principe de la roue et de l’essieu. En faisant tourner une roue/un essieu (par exemple , un tambour , un engrenage , une poulie ou un arbre ), un élément linéaire (par exemple , un câble , une crémaillère, une chaîne ou une courroie ) se déplace. En déplaçant l’élément linéaire, la roue/l’essieu tourne. ^[13]

Instrumentation virtuelle

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

Indicateurs de performance

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

Force

Lors de l’examen de la force dans les actionneurs pour les applications, deux mesures principales doivent être prises en compte. Ces deux charges sont 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 de protection IP plus élevé que ceux destinés à un usage personnel ou industriel courant.

Durabilité

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

Voir également

Effecteur terminal
Actionneur de disque dur
Actionneur linéaire
Cellule de charge
Microactionneur
Nanomoteur Nanotube
Actionneurs de robots
Moteur couple

Références

^ Nesbitt, B. (2011). Manuel des vannes et des actionneurs : Valves Manual International . Sciences Elsevier. p. 2. ISBN 978-0-08-054928-6. Récupéré le 11/11/2021 .
^ “À propos des actionneurs” . www.thomasnet.com . Archivé de l’original le 2016-05-08 . Récupéré le 26/04/2016 .
^ “Une Grande Combinaison : Actionneur Pneumatique, Minuterie Pneumatique, Vannes Pneumatiques et Indicateurs Pneumatiques : Contrôles Ellis/Kuhnke” . www.ekci.com . Archivé de l’original le 2018-02-21 . Récupéré le 20/02/2018 .
^ “Quelle est la différence entre les actionneurs pneumatiques, hydrauliques et électriques?” . machinedesign.com . Archivé de l’original le 2016-04-23 . Récupéré le 26/04/2016 .
^ “Qu’est-ce qu’un actionneur Pneumatique?” . www.tech-faq.com . Archivé de l’original le 2018-02-21 . Récupéré le 20/02/2018 .
^ “Informations sur les actionneurs de vannes pneumatiques | IHS Engineering360” . www.globalspec.com . Archivé de l’original le 2016-06-24 . Récupéré le 26/04/2016 .
↑ Tisserand, Olivier. “Comment fonctionne un actionneur électrique ?” . Archivé de l’original le 2018-02-21 . Récupéré le 20/02/2018 .
^ “Ultra-compact : vannes avec actionneurs à mémoire de forme” .
^ Feng, Guo Hua; Yen, Shih-Chieh (2015). “Actionneur souple remplaçable par l’outil de micromanipulation avec mécanismes d’amélioration de la force de préhension et de conversion du mouvement de sortie”. 2015 Transducers – 2015 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS) . pp. 1877–80. doi : 10.1109/Transducteurs.2015.7181316 . ISBN 978-1-4799-8955-3. S2CID 7243537 .
^ Malone, Evan; Lipson, Hod (2006). “Fabrication de forme libre d’actionneurs composites polymère-métal ionomère”. Journal de prototypage rapide . 12 (5) : 244–253. doi : 10.1108/13552540610707004 .
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