Guide de dimensionnement - Les actionneurs pneumatiques

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AVRIL 2002 TECHNOLOGIE 119 17 sans frontière BOÎTE À OUTILS La souplesse, la simplicité d’usage et de construction des vérins pneumatiques – et de l’air comprimé – en font des actionneurs très répandus dans l’automatisation des processus discontinus des industries manufacturières. Transférer, brider, élever, manipuler, indexer, plier,arrêter, éjecter, assembler, marquer, contrôler sont autant de missions qu’on peut leur confier. Il en est de même pour les ventouses,les vibrateurs et les moteurs. Guide de dimensionnement Les actionneurs pneumatiques PHILIPPE TAILLARD 1 Les vérins Les vérins pneumatiques convertissent d’une façon très simple l’énergie pneu- matique en énergie mécanique. Ainsi, un vérin alimenté en air comprimé génère un mouvement linéaire ou rotatif, alter- natif, d’amplitude limitée et défini par sa taille de construction. et 5 000 daN pour des diamètres variant de 2,5 à 320 mm, le tout avec des courses pouvant atteindre 3 mètres. Par ailleurs, les vitesses comprises entre 50 et 3 000 mm/s s’obtiennent en calibrant les débits d’admission avec la taille du distri- buteur et en limitant les débits d’échap- pement avec des régleurs de débit. La technologie Ces vérins peuvent être de deux types, simple ou double effet, et classés en deux grandes familles, les vérins standard et les vérins spéciaux. La famille des vérins standard regroupe tous les linéaires d’un diamètre de 8 à 320 mm répondant aux normes dimensionnelles Iso (figure 2). Un vérin standard double effet est piloté des deux cotés et développe, dans les deux sens, un effort proportionnel à la pression de l’air comprimé et à la section d’application de cette pression. Pour une pression donnée, les efforts de rentrée et de sortie sont donc différents du fait de la présence de la tige dans la chambre avant du vérin. Leur rapport est voisin de 0,8 (F rentrée = 0,8 F sortie ). La figure 4 montre la construction d’un vérin standard dans plusieurs configu- rations. Ce type de construction simple confère aux vérins une grande durée de vie, avec la possibilité d’effectuer des opérations de maintenance sur les pièces d’usure telles que les joints d’étanchéité et les bagues autolubrifiantes du piston et de la culasse. Malgré cela, si l’utilisateur ne respecte pas les règles de montage prescrites par le constructeur, en particulier quant à la limitation des efforts radiaux sur la tige ou à la qualité de l’air comprimé, cette durée de vie peut s’en trouver fortement réduite. Les amortissements fin de course L’énergie cinétique élevée, générée par une forte charge et /ou une grande vitesse de déplacement du piston, est absorbée en fin de course par l’amortisseur pneu- matique intégré au vérin (voir figure 5). 1. Professeur agrégé de génie mécanique au lycée de Cachan. E-mail : [email protected]. MOTS-CLÉS automatismes, actionneurs, pneumatique, partie opérative, énergie Déchet : échappement Énergie d’entrée Air comprimé Pression : P Débit : Q Actionneur Vérin pneumatique Diamètre : D Longueur de course : L Énergie de sortie Translation alternative Force développée : F Vitesse : V Amplitude : L Figure 1. Principe fonctionnel du vérin Lorsque ces vérins sont utilisés pour réaliser une fonction de manipulation, ils permettent d’effectuer un déplace- ment entre seulement deux positions pré- cises et extrêmes. Un vérin classique peut être bloqué pneumatiquement au cours de son déplacement, mais la posi- tion ainsi obtenue est peu précise. Le principe de fonctionnement du vérin est donné par la figure 1. Un choix judicieux des paramètres d’entrée, à savoir D, L, Q et P, permet d’obtenir une action méca- nique aux caractéristiques souhaitées en F, V et L. Les possibilités courantes des vérins linéaires alimentés avec une pression usuelle de 4 à 8 bars leur permettent de développer des forces comprises entre 0,2 Figure 2. Vérin standard double effet (d’après Festo) Figure 3. Vérin spécial sans tige double effet (d’après Festo) La famille des spéciaux regroupe les linéaires hors normes, comme les vérins sans tige par exemple (figure 3), et les vérins rotatifs appelés aussi vireurs. Un vérin simple effet n’est piloté que d’un seul coté et ne produit un effort significatif que dans un seul sens. Le mouvement de retour de la tige s’effectue par un ressort interne. Le rapport des efforts de rentrée et de sortie de tige est voisin de 10 (F ressort = 0,1 F pneumatique ). Compte tenu de l’encombrement du ressort interne, ce type de vérin est limité en diamètre et en course : max = 63 mm, C max = 50 mm. Figure 5. Amortisseur hydraulique

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AVRIL 2002 � TECHNOLOGIE 119 � 17

sansfrontièreBOÎTE À OUTILS

La souplesse, la simplicité d’usage et de construction des vérins pneumatiques– et de l’air comprimé – en font des actionneurs très répandus dans l’automatisation des processus discontinus des industries manufacturières.Transférer, brider, élever, manipuler, indexer, plier,arrêter, éjecter, assembler,marquer, contrôler sont autant de missions qu’on peut leur confier. Il en est de même pour les ventouses,les vibrateurs et les moteurs.

Guide de dimensionnementLes actionneurs pneumatiquesPHILIPPE TAILLARD1

Les vérinsLes vérins pneumatiques convertissentd’une façon très simple l’énergie pneu-matique en énergie mécanique. Ainsi, unvérin alimenté en air comprimé génèreun mouvement linéaire ou rotatif, alter-natif, d’amplitude limitée et défini par sataille de construction.

et 5 000 daN pour des diamètres variantde 2,5 à 320 mm, le tout avec des coursespouvant atteindre 3 mètres. Par ailleurs,les vitesses comprises entre 50 et3000 mm/s s’obtiennent en calibrant lesdébits d’admission avec la taille du distri-buteur et en limitant les débits d’échap-pement avec des régleurs de débit.

La technologieCes vérins peuvent être de deux types,simple ou double effet, et classés en deuxgrandes familles, les vérins standard etles vérins spéciaux. La famille des vérinsstandard regroupe tous les linéaires d’undiamètre de 8 à 320 mm répondant auxnormes dimensionnelles Iso (figure 2).

Un vérin standard double effet est pilotédes deux cotés et développe, dans lesdeux sens, un effort proportionnel à lapression de l’air comprimé et à la sectiond’application de cette pression. Pour unepression donnée, les efforts de rentréeet de sortie sont donc différents du faitde la présence de la tige dans la chambreavant du vérin. Leur rapport est voisinde 0,8 (Frentrée = 0,8�Fsortie).

La figure 4 montre la construction d’unvérin standard dans plusieurs configu-rations.

Ce type de construction simple confèreaux vérins une grande durée de vie, avecla possibilité d’effectuer des opérationsde maintenance sur les pièces d’usure tellesque les joints d’étanchéité et les baguesautolubrifiantes du piston et de la culasse.Malgré cela, si l’utilisateur ne respectepas les règles de montage prescrites parle constructeur, en particulier quant à lalimitation des efforts radiaux sur la tigeou à la qualité de l’air comprimé, cettedurée de vie peut s’en trouver fortementréduite.

Les amortissements fin de courseL’énergie cinétique élevée, générée parune forte charge et/ou une grande vitessede déplacement du piston, est absorbéeen fin de course par l’amortisseur pneu-matique intégré au vérin (voir figure 5).

1. Professeur agrégé de génie mécanique au lycéede Cachan. E-mail : [email protected].

MOTS-CLÉS automatismes, actionneurs, pneumatique, partie opérative, énergie

Déchet : échappement

Énergie d’entréeAir compriméPression : PDébit : Q

Actionneur Vérin pneumatique Diamètre : D Longueur de course : L

Énergie de sortieTranslation alternativeForce développée : FVitesse : VAmplitude : L

� Figure 1. Principefonctionnel du vérin

Lorsque ces vérins sont utilisés pourréaliser une fonction de manipulation,ils permettent d’effectuer un déplace-ment entre seulement deux positions pré-cises et extrêmes. Un vérin classiquepeut être bloqué pneumatiquement aucours de son déplacement, mais la posi-tion ainsi obtenue est peu précise. Leprincipe de fonctionnement du vérin estdonné par la figure 1. Un choix judicieuxdes paramètres d’entrée, à savoir D, L,Q et P, permet d’obtenir une action méca-nique aux caractéristiques souhaitées enF, V et L.

Les possibilités courantes des vérinslinéaires alimentés avec une pressionusuelle de 4 à 8 bars leur permettent dedévelopper des forces comprises entre 0,2

Figure 2. Vérin standard �

double effet (d’après Festo)

� Figure 3. Vérin spécialsans tige double effet (d’après Festo)

La famille des spéciaux regroupe leslinéaires hors normes, comme les vérinssans tige par exemple (figure 3), et lesvérins rotatifs appelés aussi vireurs.

Un vérin simple effet n’est piloté qued’un seul coté et ne produit un effortsignificatif que dans un seul sens. Lemouvement de retour de la tige s’effectuepar un ressort interne. Le rapport des effortsde rentrée et de sortie de tige est voisinde 10 (Fressort = 0,1�Fpneumatique). Comptetenu de l’encombrement du ressort interne, ce type de vérin est limité endiamètre et en course : ∅max = 63 mm,Cmax = 50 mm.

Figure 5. Amortisseur �

hydraulique

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Position repos Position travailVis de fixation (M4)

Détecteur

Tirant

Vis pointeau(M4)

Le principe en est le suivant : en fin demouvement le piston emprisonne, entresa face et celle de la culasse, un volumed’air qui ne peut s’échapper qu’à traversun régleur de débit provoquant ainsi unfrein au mouvement du piston. Cet amor-tissement se produit sur une course (de10 à 40 mm) prédéfinie à la constructionet est réglable en dureté de l’extérieurpar l’utilisateur. Cela évite les chocs etla création d’un effort important quipeuvent nuire à l’automatisme et amoin-drir la durée de vie du vérin. Cette fonc-tion d’amortissement sur les mini-vérinsest souvent réalisée par une simple butéeen élastomère. Cet absorbeur de chocélastique a une plus faible capacité d’amor-tissement que le pneumatique, agit sur unecourse quasi nulle (environ 0,5 mm) et n’estpas réglable. Dans les deux cas, le cons-tructeur spécifie les valeurs maximales d’énergie absorbable en fin de course.

Si l’amortisseur élastique ou pneu-matique intégré au vérin ne suffit pas, ilconvient de réaliser cette fonction à l’aide

d’un amortisseur hydraulique extérieurau vérin et dimensionné en fonction del’énergie cinétique (E = 1/2 M⋅V2) de l’effort développé par le vérin et de lafréquence des amortissements.

L’étude plus approfondie de cette phasedélicate d’amortissements en fin de coursede vérin et des forces d’inertie induitessera abordée dans une prochaine Boîteà outils.

Les détecteurs associésÀ toute chaîne d’action constituée d’unvérin est associée une chaîne d’acquisitionpour assurer le contrôle de la fonctionopérative correspondante. Presque tous lesvérins intègrent un capteur magnétiquequi assume cette fonction de détection deposition en fin de course. Le principe estillustré par la figure 7. L’aimant permanent(repère A) du piston actionne à son passagel’interrupteur à lame souple (ILS) dudétecteur magnétique fixé de manièreréglable à l’extérieur du corps amagné-tique du vérin (figure 6). Cette détection

facilite beaucoup le travail de l’automati-cien: rapidité d’étude, facilité de montage,de câblage et de réglage.

L’implantationPour s’adapter aux besoins variés d’im-plantation sur les systèmes automatisés,les vérins offrent une grande variété defixations. Celles-ci sont le plus souvent,comme les vérins eux-mêmes, de dimen-sions normalisées, pour permettre l’interchangeabilité des vérins et ainsi faciliter la maintenance et les échangesstandard.

Le corps de vérin peut être lié demanière rigide à la machine par l’avantet/ou par l’arrière à l’aide de brides oude pattes d’équerre. Il peut être montépour pivoter autour d’un axe fixe en utili-sant une chape, un tenon, un tourillon ouencore une articulation (figure 8). Le corpsdu vérin peut être aussi monté «rotulant»avec une chape arrière à rotule.

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Repère Désignation Matière13 Tige Z20C13 ou XC45 chromé dur19 Tube de vérin Z6CND17-11 ou laiton ou alliage d’aluminium (Mg-Si)

02 et 23 Culasse AV et culasse AR AS12 moulé sous pression22 ou 09 Piston Polyacétal (Delrin) ou alliage d’aluminium

24 Tirant Z5CN18-810 Segment porteur Delrin (POM)16 Palier de guidage de tige Métal autolubrifiant (matériau fritté)

Figure 4. Vue en coupe d’un vérin et la nomenclature de ses principales pièces

� Figure 6. Montage extérieur � Figure 7. Principe de la détection magnétiquedu détecteur magnétique (d’après SMC) (d’après Joucomatic)

� Figure 9. Fixationavec la tige de vérin(d’après Festo)

� Figure 8. Exemplesde fixations de vérin(d’après Joucomatic)

La liaison de la tige du vérin avec lemobile à mouvoir doit être correctementétudiée pour ne pas former un systèmehyperstatique. On utilise pour cela unechape à un degré de liberté ou une rotuleà trois degrés ou encore un accouple-ment articulé à cinq degrés de liberté(figure 9).

Le rôle d’un vérin est de mouvoir unmobile et, majoritairement, de ne pas leguider. Par conséquent, la liaison L(1-2)

(figure 10) entre l’effecteur et la tige doitêtre «souple», c’est-à-dire avec un nombrede degrés de liberté suffisant pour com-penser tous les écarts de position etd’orientation relatifs entre S1 et S2. Cepoint, déjà souligné précédemment, estcrucial pour la durée de vie du vérin.Exemple de montage de vérin : dans lecas présent (figure 10), le choix d’unechape ou d’une rotule rend le montage

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Pour y voir plus clair, le tableau ci-dessous tente de répondre à la question :«Quel type de vérin fait quoi ? ».

Les préhenseurs par le videLa technique du vide pour la préhensionde pièce dans la manipulation, la manu-tention et le maintien en position se géné-ralise de plus en plus. Elle a déjà faitl’objet d’un article très détaillé dans lenuméro 106 de Technologie (mars 2000).

hyperstatique et induit des efforts radiauxparasites sur la tige ; il convient donc icid’utiliser un accouplement articulé (liaisonponctuelle bilatérale) pour compenserles écarts angulaire et radial.

L’étude détaillée des montages iso-statiques du couple vérin-effecteur seraabordée dans la prochaine Boîte à outils.À partir de la théorie des mécanismes,nous présenterons les différentes solu-tions constructives d’implantation desvérins.

La classification fonctionnelle des vérinsSauf à être expert, il est difficile, dans lamasse des produits des constructeurs,d’avoir une vision globale et synthétiquedes vérins à travers leurs fonctions poten-tielles.

Les moteursUn moteur rotatif alimenté en air compriméproduit un mouvement de rotation dansun ou deux sens, à des fréquences pou-vant atteindre 30 000 tr/min et des puis-sances de 10 kW. Il en existe plusieurstypes : à piston, à engrenage, à turbine.

La technologie à palettes est la plusutilisée, en raison de ses nombreusesqualités.

Son principe de fonctionnement (voirla figure 11) est le suivant: l’air comprimépénètre dans le moteur par l’orifice P etarrive dans une chambre d’admission,où il exerce une force motrice sur lapalette la plus proéminente. Ainsi, lerotor tourne et l’air se détend. Dans ledeuxième secteur du moteur, l’air deschambres à l’échappement se vide parl’orifice E.

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� Figure 10. Montage isostatique d’un vérin

Type de vérin

Mini-vérin standard

Vérin standard

Vérin anti-rotation

Vérin compact

Vérin sans tige

Caractéristiques générales

Conforme à la norme Iso 6432Muni de deux culasses serties de manière étanche surle tube et filetées pour assurer la fixation du vérinAmortissement élastique ou pneumatiqueSimple ou double effetDiamètre : 8, 10, 12, 20, 25 mmCourse double effet : de 10 à 500 mmCourse simple effet : de 10 à 50 mm

Conforme à la norme Iso 6431Assemblé vissé, peut se démonter pour la mainte-nanceÉquipé le plus souvent d’amortisseurs pneumatiquesréglables par l’utilisateurDiamètre : de 32 à 320 mmCourse standard : de 25 à 1000 mmVersion simple effet : ∅ de 32 à 63 mm et course de10 à 50 mm

Plusieurs technologies : double tige, tige profiléeguidée dans sa culasse, piston à section carrée ouovaleSimple ou double effetVersions à tiges profilées majoritairement conformesaux normes dimensionnelles Iso 6431 et 6432Diamètre : de 8 à 100 mmCourse standard : de 10 à 500 mm

À faible course, de construction très compacteLongueur totale (à course 0) 3 fois inférieure à celle d’unIso 6431Corps en profilé aluminium avec perçages et rainuragespour sa fixation et le montage de détecteurs magné-tiquesSimple ou double effet, avec tige traversante ou anti-rotationDiamètre : de 8 à 100 mmCourse standard : de 10 à 100 mm

Deux technologies : à accouplement magnétique età bandeTransmission du mouvement directement par lepistonRéduction de l’encombrement presque de moitiégrâce à l’absence de tigeArrêts intermédiaires possibles par blocage pneu-matique, les sections d’application de la pressionétant identiquesDiamètre : de 6 à 63 mmCourse : de 10 à 4 000 mm

Fonction opérative

Permet de mouvoir un effecteur,sans en assurer le guidage, endéveloppant une force pouvantatteindre 30 daN. Le mouvements’effectue entre deux positionsde fin de course à une vitesseréglable de 50 à 1500 mm/s

Permet de mouvoir un mobile,sans en assurer le guidage, endéveloppant un effort pouvantatteindre 4 800 daNVitesse ajustable, de 50 à500 mm/sPermet d’atteindre deux posi-tions fin de course précisément

Permet de translater entre deuxpositions fixes un produit quin’exige pas de guidage du typeglissière, mais nécessite d’êtrearrêté en rotationComme pour le standard, savitesse est ajustable dans les deuxsens puisqu’il est double effet

Permet de développer des effortsimportants sur des courses faiblesdans des applications où l’en-combrement axial doit être leplus réduit possibleÉnergie absorbable en fin decourse avant fortement limitéepar l’absence d’amortissementpneumatique : prévoir un arrêtsur butée externe

Permet de mouvoir en transla-tion, avec une grande amplitude,un mobile guidé entre deux posi-tions précises de fin de courseLa possibilité d’obtenir des posi-tions intermédiaires d’une pré-cision moyenne de ± 5 mm luipermet d’assurer des fonctionsde positionnement grossier enboucle ouverteVitesse maxi 3 m/s

Domaine d’utilisation

Très utilisé dans la construction detous les systèmes automatisés de pro-duction du fait de sa standardisation etde son faible coûtEncombrement important dans le casde grande courseTrès utilisé dans les machines d’em-ballage et de conditionnement

Très utilisé dans la construction dessystèmes automatisés de productiondu fait de sa standardisationEncombrant pour les grandes coursesC’est l’actionneur pneumatique le plusuniversellement utilisé

Très utilisé dans les mouvements ter-minaux de manipulation de produitMouvement de montée-baisse depièce suspenduePousseur de pièce dans les systèmes detransitiqueManipulation de produit légerAttention, ne supporte pas les chargesradiales

Particulièrement adapté, grâce à sacompacité et son court temps deréponse, aux fonctions de serrage,blocage, éjection, indexage, élévationet verrouillage de pièce dans toutes les applications industrielles

Très utilisé dans les tâches de manipu-lation, manutention, transitique etpalettisation, en raison de son faibleencombrement en longueur et de sessections de piston identiquesAssocié à un distributeur propor-tionnel, un capteur de position et uneunité de commande, il est l’action-neur le plus utilisé en servoposi-tionnement

Stan

dar

dSp

écia

ux

S0 : bâti S1: effecteur S2 : tige S3 : corps

L(0-1) L(1-2) L(2-3)

S0

S0

S3S1 S2

L(0-3)

Tableau . Quel type de vérin fait quoi ?

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20 � TECHNOLOGIE 119 � AVRIL 2002

Type de vérin

Vérin à membrane

Vérin à blocagede sécurité

Vérin tandem

Vérin de rotation ou vireur

Caractéristiques générales

Ni piston ni tige : la pression agit sur une mem-brane en caoutchouc qui se déforme et entraînedans son mouvement un flasqueLes forces développées peuvent être très élevées,avec des courses faiblesNi frottement ni étanchéité entre pièces méca-niquesSimple effet, sans amortissementForce développée : 10 à 20 000 daNCourse : de 3 à 200 mm

Équipé de bloqueur de tige, assure l’arrêt et leblocage de l’actionneur pour sa mise en sécuritéBlocage mécanique par ressort, déblocage pilotépneumatiquementBlocage bidirectionnel, multiposition et sansaltération pour la tige, par pilotage ou manque depressionDiamètre : de 32 à 100 mm.Course standard : de 25 à 1000 mm.

Association, par construction ou par montage, dedeux ou trois vérins de même diamètre et decourses différentes pour obtenir un actionneur à 3 ou 4 positons.deux, trois ou quatre vérins de même diamètre etde courses identiques pour obtenir un actionneurà double, triple ou quadruple effort.

Double effet, mouvement rotatif alternatif d’am-plitude maxi 360°Deux technologies :– à palette: construction simple, sans amortissement(fin de course sur la palette déconseillée)– à pignon-crémaillère : plus classique, similaire àcelle des vérins Iso 6431Diamètre : de 10 à 100 mmCouple de sortie : de 0,2 à 100 NmCourse angulaire : de 0 à 360 mm

Fonction opérative

D’un encombrement réduit dans ladirection de son déplacement, sansusure, résiste aux conditions les plussévères (poussières et salissures) ets’implante très simplementPermet essentiellement d’assurerdes fonctions de serrage et d’éléva-tion de fortes charges

Permet de traiter la sécurité en évi-tant les mouvements intempestifsdans tous les cas d’incidents pos-sibles :– coupure d’alimentation électrique– coupure d’alimentation pneuma-tique– chute de pression– arrêt d’urgence

Utile lorsque, dans un mouvement,on exige plus de deux positions pré-cisesAutre application : lorsque l’effort àdévelopper est élevé et que l’en-combrement d’un vérin de grosdiamètre est trop important

Assure le plus généralement deuxfonctions : guidage et entraînementen rotation du mobile, d’où l’impor-tance de le dimensionner par rapportau mouvement à développer(couple, angle, moment d’inertie) etaux efforts axiaux et radiaux appli-qués sur l’arbre de sortie

Domaine d’utilisation

Bonne complience grâce à la flexibi-lité de sa membrane, avec des anglesd’inclinaison pouvant atteindre 30°Très utilisé pour le serrage rapide depièces légèrement inégales à faiblevariation de cotesLes plus gros modèles sont utilisésdans des opérations de transfor-mation du produit, emboutissage,cintrage, pliage

Solution à envisager chaque fois quel’étude de la sécurité d’une machinemet en évidence un risque lié à unmouvement intempestif d’un mobilemû par vérin. En effet, la solutionsimple de blocage pneumatique avecla compressibilité et les fuites nepermet pas de garantir un bon main-tien en position

Les tandems multipositions sont uti-lisés dans la manipulation, la paletti-sation et le conditionnementLes tandems multiplicateur d’effort :utilisé dans des opérations de mar-quage, poinçonnage, formage et fret-tage

Principalement utilisé pour des opé-rations de manipulation lorsqu’il y alieu d’orienter le produitAussi utilisé pour des opérations deretournement dans la transitique oupour des manœuvres de sas, deportes, de vanne, ou de séparateurpour contrôler un débit de produit

Spéc

iau

xRo

tati

fs

Ces moteurs sont principalement uti-lisés dans l’outillage portatif (perceuses,meuleuses), dans les broches de vissage,de perçage et de taraudage, et enfin pourla motorisation de malaxeurs, d’agita-teurs et de pompes doseuses.

Les principales qualités de ces moteurssont les suivantes :– leur compacité et leur légèreté, avecun très bon rapport puissance/poids ;– leur force motrice, régulière et modu-lable ;– leur fort couple de démarrage ;– leur fonctionnement discontinu, sanslimitation de facteur de marche ;– ils ne craignent pas les environnementspoussiéreux, déflagrants ou humides ;

� Figure 11. Fonctionnement� Figure 12. Caractéristiquesdu moteur à palettesdes moteurs pneumatiques

– ils ne s’échauffent pas et ne craignentpas d’être calés (protection inutile).

Leurs performances sont données pardes courbes de couple et de puissance enfonction de la fréquence de rotation (voirfigure 12).

Le réglage de la vitesse de rotation sefait à l’aide d’un régleur de débit à l’admis-sion. De plus, si l’on veut obtenir unevitesse (�) stable, notamment lorsqu’ily a des variations de couple résistant(Cr) en sortie, on ajoute un limiteur dedébit à l’échappement pour créer uneperte de charge (DP) et donc une contre-pression (P’) qui régulera la vitesse.

L’implantation des moteurs dans lessystèmes automatisés est très semblable

à celle des moteurs électriques. On effec-tue majoritairement des montages sur labride du moteur ou sur une patte d’équerre.Par ailleurs, même si les arbres de sortiedes moteurs sont prévus pour supporterdes efforts axiaux ou radiaux, il est préfé-rable d’accoupler le moteur au récepteurpar un manchon élastique, en veillant àaligner au mieux les arbres.

Les vibrateursDans de nombreux processus auto-matisés, il est nécessaire de produiredes vibrations pour assurer certainesfonctions opératives comme :– l’écoulement des produits pulvérulentsdans les conduits ou trémies ;– le compactage d’un produit en vracdans un conteneur (le sable dans un mouleen fonderie, des pièces enchevêtrées dansun sac ou un carton en conditionnement) ;– l’élimination des blocages dans leschaînes de transfert de produits ;– la distribution par vibrations de piècesou de poudres ;– le tamisage.

Les principaux types d’actionneurs àvibrations sont les vibrateurs à bille, àturbine, à rouleau et à piston.À bille : le jet d’air met la bille en mou-

Admission Échappement

EP

Chambre à l’admission

Chambre à l’échappement

Rotor Palette

Puissance

Couple

Couples : Cd de démarrage, Cc de calage, Cmax maximum

Couple Puissance

Cd Cc Cmax

Vitesse00 20 % 60 % 100 %

Wmax

Pmax

Plag

e d’

utili

satio

n

Plag

e d’

utili

satio

n

Page 5: Guide de dimensionnement - Les actionneurs pneumatiques

vement de rotation dans son logement ;ce sont les chocs de la bille sur le vibreurpériphérique qui provoquent les vibra-tions (figure 13).À rouleau : le débit d’air entraîne le rou-leau dans un mouvement planétaire ; lesvibrations sont engendrées par les forcesinertielles du rouleau (figure 14).À turbine : l’air entraîne la turbine enrotation à très grande vitesse ; cetteturbine, constituée de deux matériaux, l’un léger et l’autre lourd, crée par effetinertiel des vibrations (figure 15).À piston : l’air est admis alternativementet automatiquement de chaque côté d’unpiston de masse importante ; le mouve-ment alternatif du piston provoque desvibrations unidirectionnelles de fréquencesréglables par la pression d’air (figure 16).

Les données caractéristiques d’unvibrateur sont sa fréquence et l’effortdéveloppé dans son mouvement vibra-toire. La figure 17 situe chacune destechnologies de vibrateur présentées enfonction de leur spectre d’application(fréquence et force de vibration).

L’installation de ces vibrateurs néces-site qu’ils soient fixés de manière rigideà l’élément de la machine devant vibrer.Ensuite cet élément vibrant doit possé-der une liaison élastique avec le bâti pourcréer l’effet de vibration escompté. Lesvibrateurs comme les ventouses et lesoufflage se commandent comme desactionneurs simple effet et se pilotent

juste dans les étapes nécessaires au fonc-tionnement afin de limiter la consom-mation d’air et le bruit.

Les actionneurs modulairesLa pneumatique, qui demeure la techno-logie originelle de tous ces actionneurs,ne doit pas masquer la très grande richessemécanique des nouveaux actionneursmodulaires de translation, de rotation etde préhension, utilisés en particulier dansla manipulation, mais pas exclusivement.Tous ces produits ont une forte connota-tion mécanique et ne doivent, en aucuncas, être assimilés à de simples vérinspneumatiques.

Sinon comment expliquer la différencede prix entre un simple vérin Iso et unmodule de mêmes course et diamètre ?

Quelle est en réalité la constitutiongénérique de tous ces actionneurs modu-laires ?

Chaque module intègre au moins septfonctions, représentées par :– l’actionneur pneumatique ;– le guidage mécanique, appelé aussi effecteur ;

– l’accouplement vérin-effecteur ;– les butées de fin de course réglables ;– les amortisseurs en fin de course ;– les supports réglables de détecteurs ;– les surfaces d’attachement mécanique.

Certains modules intègrent en plus laconnectique électrique ainsi que lesréglages de vitesse.

Ces produits «sept-en-un» sont de vraisconstituants d’automatismes industriels,pour lesquels le concepteur de systèmesautomatisés n’a plus à faire d’étude de solu-tions constructives détaillées, puisquetoutes les fonctions techniques élémen-taires nécessaires y sont intégrées.

La seule tâche restante en est le choixet le dimensionnement, qui seront abor-dés dans les prochaines pages de larubrique Boîte à outils.

ConclusionLa pneumatique, très répandue dans ledomaine de l’automatisme, évolue encorebeaucoup ; essentiellement vers l’inté-gration de fonctions techniques élémen-taires, connexes à l’actionneur, pourdonner de véritables constituants prêtsà l’emploi.

Cette présentation technologique ettypologique sera donc suivie de plusieursarticles, qui aborderont le choix et ledimensionnement de ces modules action-neur-effecteur pneumatiques. �

AVRIL 2002 � TECHNOLOGIE 119 � 21

� Figure 17. Caractéristiques des vibrateurs pneumatiques

� Figure 13. Vibrateur à bille

� Figure 14. Vibrateur à rouleau

� Figure 15. Vibrateur à turbine

� Figure 16. Vibrateur à piston

Figure 19. Modulede préhension (d’après Festo) �

� Figure 20. Modulede rotation (d’après Festo)

BIBLIOGRAPHIE

Articles de Philippe Taillard dans Technologie :– « Assistance au choix de composants d’automatismes », no 95, avril 1998 ;– « La technique de préhension par le vide », no 106,mars 2000 ;– « Guide de dimensionnement – La production d’énergie pneumatique », no 110, décembre 2000.

La Pneumatique dans les systèmes automatisés de production,S. Moreno, E. Peulot, éd. Éducalivre.

Le catalogue sur cédérom Festo 2002.

Fréquence en vib./min

40 000

Force en N

10 000

À bille

À piston

À turbine

À rouleau

Figure 18. �

Modules de translation (d’après Festo) �