Quels sont les trois types de cylindres ? Pneumatique, hydraulique et électrique

Un constructeur de machines nous appelle un mardi après-midi pour un problème. Sa ligne de conditionnement tourne à 90 cycles par minute, les vérins pneumatiques de la station de scellage se déplacent d'environ 1,5 mm après quelques heures de fonctionnement et le taux de rejet augmente. Il veut savoir s'il doit passer à l'hydraulique ou à l'électrique, et il veut une réponse avant la prochaine réunion de production. La réponse commence par un chiffre : trois. Il existe trois types d'actionneurs linéaires qui effectuent ce type de travail : les vérins pneumatiques, les vérins hydrauliques et les vérins électriques. Chacun convertit l’énergie en mouvement en ligne droite, et chacun le fait via un mécanisme physique complètement différent. Ce mécanisme décide de tout en aval, y compris la force que vous obtenez, la précision avec laquelle vous pouvez vous arrêter, la vitesse à laquelle vous pouvez faire du cycle, le montant de la maintenance que vous paierez et ce qui se passe lorsque la machine est installée dans une salle blanche, un congélateur ou une atmosphère explosive.

Les trois types de cylindres et pourquoi la réponse dépend de la question

Si vous recherchez les trois types de cylindres, vous trouverez deux réponses différentes, et toutes deux sont correctes. La confusion ne concerne pas les faits, mais la catégorie. Le mot cylindre décrit une forme, et plusieurs disciplines d'ingénierie différentes ont adopté cette forme à des fins différentes. La réponse dépend donc de la propriété sur laquelle vous effectuez le tri.

Tri par source d'alimentation

C’est la classification la plus importante en automatisation industrielle, et c’est celle sur laquelle cet article consacre la majeure partie de son temps. Un cylindre peut être entraîné par de l'air comprimé, par de l'huile hydraulique sous pression ou par un moteur électrique via une transmission mécanique. Ce sont les trois types de cylindres au sens où l’entend généralement un ingénieur concepteur.

• Les vérins pneumatiques utilisent de l'air comprimé, généralement fourni à 6 bars à partir d'un réseau de compresseurs d'usine.
• Les vérins hydrauliques utilisent de l'huile à des pressions allant généralement de 70 bars à 350 bars, et bien plus élevées dans les outillages spécialisés.
• Les cylindres électriques utilisent un servomoteur ou un moteur pas à pas faisant tourner une vis, une courroie ou une crémaillère, sans aucun fluide impliqué.

Tri par principe de fonctionnement

La deuxième classification examine la façon dont le piston est entraîné à l’intérieur du canon et produit un autre ensemble de trois : vérins à simple effet, à double effet et télescopiques. Un vérin simple effet est entraîné dans un sens et revient par la force du ressort ou par gravité. Un vérin à double effet est alimenté dans les deux sens. Un vérin télescopique utilise des étages imbriqués pour produire une très longue course à partir d'une courte longueur rétractée. Ce groupe s'applique le plus souvent aux vérins pneumatiques et hydrauliques, et les actionneurs électriques en ont leur propre version, qui sera abordée plus loin.

Il existe une troisième réponse, beaucoup moins utile, qui apparaît dans les résultats de recherche : le cylindre mathématique, qui est défini par la géométrie plutôt que par la fonction et est divisé en formes circulaires droites, obliques, elliptiques et creuses. Cette classification appartient à un manuel de géométrie. Si vous achetez du matériel de mouvement, ignorez-le.

Pour le reste de cet article, les trois types sont pneumatiques, hydrauliques et électriques, la distinction simple effet, double effet et télescopique étant traitée comme une deuxième couche située au-dessus des trois.

Vérins pneumatiques : l'air comprimé fait le travail

Un vérin pneumatique prend de l'air à environ 6 bars, l'admet d'un côté d'un piston et laisse la différence de pression pousser la tige vers l'extérieur. L’air est compressible, et ce seul fait physique explique presque toutes les forces et faiblesses de la technologie.

Comment ils se comportent dans la pratique

Parce que l’air se comprime, un vérin pneumatique n’a pas de position rigide. Si la charge augmente brusquement, la tige bouge. C'est pourquoi les actionneurs pneumatiques sont décrits comme des dispositifs de force plutôt que comme des dispositifs de position. Un cylindre standard équipé d'un interrupteur à lames magnétiques et d'une électrovanne 5/2 maintiendra sa position à environ 1 mm au mieux, et souvent pire après que les joints auront effectué quelques millions de cycles. L'ajout d'une vanne proportionnelle et d'un retour en boucle fermée améliore ce résultat à environ 0,5 mm, mais à ce stade, l'avantage en termes de coût par rapport à un petit actionneur électrique a largement disparu.

Ce que l'air vous apporte, c'est la vitesse et la robustesse. Un vérin pneumatique de bonne taille peut atteindre 1 m/s sur une course courte et peut effectuer des dizaines de millions de cycles avec rien de plus qu'une lubrification occasionnelle et le remplacement des joints. Les composants sont bon marché, les vannes sont bon marché et les techniciens de maintenance savent déjà comment y travailler.

Simple effet, double effet et télescopique en pneumatique

La plupart des vérins pneumatiques des machines de production sont à double effet, car ils doivent être rentrés de manière fiable et rapide. Les versions à simple effet sont utilisées lorsqu'un ressort de rappel est acceptable, par exemple dans les dispositifs de serrage et les mécanismes d'éjection simples, et elles permettent d'économiser le coût d'un port de vanne et d'un trajet de tuyau. Les vérins pneumatiques télescopiques existent mais sont relativement rares, car la pression de l'air est trop faible pour justifier des étapes d'emboîtement, à moins que l'application ne nécessite une longue portée à partir d'une enveloppe compacte.

Là où la pneumatique gagne encore

• Tâches à cycle élevé et de faible précision telles que pousser, serrer, éjecter et détourner.
• Environnements dans lesquels les équipements électriques seraient difficiles à certifier, à condition que l'air comprimé lui-même soit correctement mis à la terre et sec.
• Applications où un échec de mouvement est plus sûr qu'un mouvement incontrôlé, puisqu'un vérin pneumatique dépressurisé s'arrête simplement.
• Machines sensibles au coût et comportant de nombreux axes, pour lesquelles le prix d'un servo variateur par axe serait prohibitif.

Ce que ça te coûte

Le prix d'achat est bas et les frais de fonctionnement ne le sont pas. L'air comprimé est l'une des formes d'énergie les plus coûteuses dans une usine, car un compresseur typique ne convertit qu'une petite fraction de son apport électrique en énergie pneumatique utilisable, le reste étant perdu sous forme de chaleur, de fuites et de chute de pression. Une fuite de 1 mm dans un raccord peut gaspiller plus d'air sur un an que le coût du cylindre lui-même. Les systèmes pneumatiques sont également bruyants et nécessitent des sécheurs, des filtres et des régulateurs qui ajoutent leur propre charge de maintenance. Rien de tout cela ne fait du pneumatique un mauvais choix, mais cela signifie qu’une comparaison équitable doit aller au-delà de la facture.

Vérins hydrauliques : huile, pression et force brute

Un vérin hydraulique remplace l'air par de l'huile, et l'huile est essentiellement incompressible. Cela change radicalement les calculs. Là où un alésage pneumatique de 63 mm à 6 bar produit environ 1,9 kN de poussée, le même alésage à 160 bar produit environ 50 kN. L’hydraulique est la façon dont vous déplacez des objets qui pèsent des tonnes.

Les deux modes de travail

Les vérins hydrauliques sont le plus souvent divisés en types à simple effet et à double effet, et le choix détermine la conception entière du circuit.

Vérins hydrauliques simple effet

Un vérin à simple effet possède une chambre sous pression. L'huile pousse le piston vers l'extérieur et le retour provient d'une charge, d'un ressort ou de la gravité. Ils sont simples, compacts et peu coûteux, et constituent le choix standard pour les crics, les plates-formes élévatrices et de nombreuses applications de presse où la course de rétraction ne fait aucun travail utile. Leur limitation est que la vitesse et la force de retour ne sont pas contrôlées, ce qui les rend inadaptés à une machine devant suivre un profil de mouvement précis dans les deux sens. Dans un circuit à double effet, le côté rétracté doit également être capable de supporter une charge, c'est pourquoi un clapet anti-retour piloté est généralement nécessaire pour empêcher le fluage lorsque la pompe est arrêtée.

Vérins hydrauliques à double effet

Un vérin à double effet contient de l'huile des deux côtés du piston, de sorte que les courses d'extension et de rétraction sont alimentées et contrôlées. Il s'agit de la configuration utilisée dans presque toutes les machines hydrauliques qui nécessitent un mouvement bidirectionnel répétable : pelles hydrauliques, machines de moulage par injection, presses hydrauliques et automatisation lourde. Cela coûte plus cher, car il nécessite deux ports, une vanne directionnelle capable de gérer le débit et un circuit qui gère la différence de volume entre les deux chambres. Cette différence de volume n’est pas anecdotique. Étant donné que la tige occupe de l'espace d'un côté, la vitesse de rétraction est supérieure à la vitesse d'extension pour le même débit, et la force de rétraction est inférieure du rapport entre la zone annulaire et la zone de passage complet. L’ignorer est l’une des erreurs de dimensionnement les plus courantes dans la conception hydraulique.

Les quatre styles de carrosserie qui vous seront effectivement cités

Au-delà du mode de fonctionnement, les vérins hydrauliques sont généralement triés selon la manière dont le baril est construit. Cela affecte la pression nominale, la facilité d'entretien et le prix.

• Les cylindres à tirant utilisent quatre tiges d'acier filetées pour serrer les embouts sur le canon. Ils peuvent être démontés sur le terrain avec des outils ordinaires, ce qui facilite le remplacement des joints, et ils sont disponibles dans une large gamme de combinaisons standard d'alésage et de course. Le compromis est le volume et un nombre de pièces plus élevé.
• Les cylindres soudés ont les embouts soudés au canon. Ils sont plus compacts, plus légers et généralement moins chers pour un alésage donné, et ils tolèrent mieux des pressions plus élevées et des charges latérales. La pénalité est qu'ils sont effectivement non réparables dans la plupart des ateliers, donc un canon endommagé signifie généralement un nouveau cylindre.
• Les vérins à bélier utilisent un seul piston de grand diamètre plutôt qu'un piston et une tige. Ils sont utilisés pour une force très élevée sur une course courte et sont courants dans les équipements de levage et de pressage.
• Les vérins télescopiques utilisent deux à cinq étages imbriqués ou plus pour obtenir une course pouvant dépasser la longueur rétractée de l'unité. Ils sont utilisés sur les remorques à benne basculante, les véhicules à ordures et les bennes basculantes, où l'espace de montage est fixe mais la portée requise est importante. Chaque étape s'étend en séquence, de sorte que la force est la plus élevée au début et diminue au fur et à mesure que les étapes se déploient.

Les extrémités de montage comptent plus que ce que la plupart des acheteurs attendent

La qualité d’un vérin hydraulique dépend de sa connexion à la machine. Les extrémités de chape permettent une rotation dans un plan, les œillets de tige sphériques permettent un désalignement dans toutes les directions, les supports à bride fixent le cylindre de manière rigide à un cadre et les extrémités de tige filetée permettent de fixer un écrou ou un raccord personnalisé. Le choix d'un support rigide là où la machine fléchit réellement transfère les charges de flexion vers la tige et le joint de tige, ce qui constitue un moyen fiable de générer des fuites prématurées. Si la structure bouge, l’extrémité du cylindre doit pouvoir bouger avec elle.

Les inconvénients honnêtes

Le système hydraulique fournit une force énorme dans un petit boîtier et maintient bien sa position lorsqu'une charge est appliquée. Ils fuient également, ils ont besoin d'un groupe motopropulseur, ils sont sensibles à la température de l'huile et à la contamination, et une panne de tuyau peut déverser de l'huile chaude sous pression. La filtration selon les codes de propreté ISO 4406, l'analyse régulière de l'huile et un réservoir de taille appropriée ne sont pas des extras facultatifs ; ils sont le prix d'entrée. Dans les environnements alimentaires, pharmaceutiques et semi-conducteurs, le risque de fuite à lui seul exclut souvent l’hydraulique avant même que la comparaison des performances ne commence.

Vérins électriques : un servomoteur entraînant une vis

Un cylindre électrique remplace le fluide par une transmission mécanique. Un servomoteur fait tourner une vis, la vis entraîne un écrou et l'écrou est fixé à une tige qui entre et sort du canon. Tout ce qui a été fait avec la pression est fait avec la position, et c'est la source à la fois de la précision et de la flexibilité de programmation de la technologie.

Ce que vous donne le mécanisme

Étant donné que le moteur est contrôlé par un entraînement avec retour d'encodeur, un vérin électrique sait à tout moment où il se trouve. Une répétabilité de 0,01 mm est courante sur une unité à vis à billes, et même un actionneur modeste tiendra mieux que 0,05 mm. La vitesse et la force sont programmables indépendamment, de sorte qu'une seule unité peut s'approcher rapidement, appuyer lentement et se rétracter rapidement sans aucune modification du matériel. Les profils d'accélération et de décélération sont définis dans un logiciel, ce qui supprime les chocs mécaniques qui raccourcissent la durée de vie des composants de transmission hydraulique.

La comparaison de l’efficacité est frappante. Une transmission à vis à billes convertit le couple du moteur en poussée avec un rendement d'environ 90 %. Une vis trapézoïdale fait le même travail à 30 à 50 pour cent, mais peut se verrouiller automatiquement lorsque le moteur est hors tension, ce qui est utile pour les applications de maintien vertical où une vis à billes reculerait sous charge. Choisir entre les types de vis est en réalité un choix entre efficacité et sécurité de maintien.

Trois configurations mécaniques

• Les vérins électriques en ligne montent le moteur directement derrière la vis, sur le même axe. Cela donne le chemin de force le plus court, la rigidité la plus élevée et la meilleure précision, mais l'actionneur est long.
• Les cylindres électriques repliables font tourner le moteur via une courroie ou un engrenage afin qu'il soit parallèle au canon. La longueur totale diminue à peu près de la longueur du moteur, ce qui est important lorsque vous installez un actionneur dans une enveloppe de machine existante.
• Les vérins électriques télescopiques utilisent des étages emboîtés pour s'étendre bien au-delà de leur longueur rétractée. Une conception à quatre étages peut atteindre plusieurs fois sa longueur fermée, ce qui la rend utile pour soulever, incliner et atteindre des espaces confinés.

Un cylindre en ligne est la valeur par défaut pour les travaux d'ajustement et de distribution de précision, où la rigidité se traduit directement par la qualité du processus. Une unité repliable est la solution pratique lorsque le châssis de la machine est déjà construit et qu'il n'y a pas de place derrière la plaque de montage. Une unité télescopique résout un problème de portée qu'aucun actionneur de longueur fixe ne peut résoudre du tout.

Cylindre électrique en ligne de précision intégré coaxial Un cylindre électrique en ligne pour des configurations d'ajustement et de distribution de précision, avec une conception moteur-cylindre coaxial intégré, une précision de positionnement de ± 0,01 mm, une étanchéité IP65 et une intégration compacte. Voir le produit →

Cylindre électrique télescopique à quatre étages à longue course Un vérin électrique télescopique pour les applications à longue portée, avec rétraction en quatre étapes, course jusqu'à 3 500 mm, conception anti-jitter multi-sections et précision de ± 0,04 mm. Voir le produit →

Variantes spécifiques à l'environnement

Les actionneurs électriques étaient autrefois considérés comme inadaptés aux environnements difficiles, et cette objection a été largement résolue par des changements d'étanchéité et de matériaux plutôt que par un changement dans la conception fondamentale.

Les cylindres électriques étanches sont construits avec des barillets scellés, des entrées de câbles scellées et du matériel en acier inoxydable ou revêtu. Avec leur indice IP65, ils tolèrent les lavages et les éclaboussures, ce qui couvre la plupart des équipements d'emballage d'aliments et de boissons. À IP68, ils tolèrent une immersion temporaire, ce dont vous avez besoin sur une machine qui est arrosée à la fin de chaque quart de travail ou qui fonctionne dans une zone de traitement humide.

Les cylindres électriques antidéflagrants résolvent un problème entièrement différent. Dans une atmosphère contenant des vapeurs de solvants, des poussières fines ou de l'hydrogène, une étincelle provenant d'un moteur ordinaire constitue un danger. Les unités antidéflagrantes utilisent des boîtiers antidéflagrants et des presse-étoupes certifiés, et elles sont spécifiées par rapport à la classification de zone dangereuse pertinente plutôt que par rapport à une allégation générique de sécurité. La certification fait partie du produit et non un accessoire.

Les cylindres électriques à large température tiennent compte du fait que la graisse s'épaissit au froid et se fluidifie à la chaleur. Une unité standard peut être évaluée entre 0 et 40 degrés Celsius, ce qui est acceptable dans une usine climatisée et inutile dans une chambre froide à moins 30 degrés ou à côté d'un four à 80 degrés. Les variantes qui utilisent des alliages à basse température, des joints à haute température et des lubrifiants adaptatifs conservent les mêmes performances de positionnement dans ces extrêmes, ce qui fait souvent la différence entre une installation en état de marche et une installation bloquée.

Cylindre électrique étanche submersible IP68 Un vérin électrique submersible pour équipement sous-marin, avec protection IP68, corps en acier inoxydable 316L, revêtement anti-corrosion et personnalisation pour un fonctionnement sous-marin à long terme. Voir le produit →

Là où l’électrique gagne carrément

• Toute application avec un profil de force et de position défini, telle que le montage à la presse, le rivetage, la distribution, les tests et l'assemblage servo.
• Mouvement multipoint, où un vérin pneumatique aurait besoin de butées mécaniques et un vérin hydraulique aurait besoin d'une valve proportionnelle et de son réglage associé.
• Environnements propres et silencieux, y compris l'assemblage de dispositifs médicaux, la fabrication d'électronique et de semi-conducteurs.
• Installations sensibles à l'énergie, car un vérin électrique consomme de l'énergie principalement lorsqu'il est en mouvement et peut se régénérer lors du freinage, tandis qu'un compresseur ou une centrale hydraulique fonctionne en continu.

Ce qu'il te demande

Un cylindre électrique a besoin d'un entraînement, d'un contrôleur et d'un programme de mouvement, et les personnes qui le spécifient doivent comprendre le couple, le rapport cyclique et les limites thermiques. Le coût initial par axe est le plus élevé des trois technologies. Le gain vient de la précision, de la répétabilité, de la programmabilité et de l’absence de compresseur ou d’unité de puissance derrière. Sur une machine à quatre ou cinq axes, la comparaison totale du système est souvent plus précise que ne le suggère la liste de prix des actionneurs.

Comparaison des trois types côte à côte

Le tableau ci-dessous résume les différences pratiques. Considérez les chiffres comme des fourchettes typiques pour des produits industriels standards plutôt que comme des limites absolues, car chacun d'entre eux peut être étiré par un fournisseur spécialisé à un coût.

Les trois autres types : simple effet, double effet et télescopique

La classification des principes de fonctionnement s'applique aux trois sources d'alimentation et mérite d'être comprise car elle décide souvent du circuit ou du câblage plutôt que de la technologie.

Simple effet

Un vérin à simple effet est l'actionneur le plus simple possible. Un port, un jeu de joints, une direction de mouvement motorisé. Sous forme pneumatique, il comporte généralement un ressort interne qui rappelle la tige lorsque l'air est évacué, et la force du ressort doit être soustraite de la poussée disponible, ce qui est un détail qui surprend les gens lorsqu'ils dimensionnent le cylindre à partir d'un chiffre de force catalogue. Sous forme hydraulique, le retour correspond souvent au poids de la charge elle-même, ce qui signifie que le vérin ne peut pas rétracter une charge pour laquelle il n'est pas conçu.

Double effet

Un vérin à double effet alimente les deux courses, ce qui permet un timing prévisible dans les deux sens. C’est pourquoi il domine les équipements de production. Il coûte plus cher car il nécessite un deuxième orifice, une vanne à quatre voies et, dans les circuits hydrauliques, un moyen de gérer les volumes inégaux de chaque côté du piston. En retour, vous contrôlez la course de retrait, ce qui est important chaque fois que le chemin de retour passe par un outillage, des montages ou une enveloppe de sécurité.

Télescopique

Un cylindre télescopique empile plusieurs étages afin que la longueur fermée puisse représenter une fraction de la longueur étendue. En hydraulique, c’est une pratique courante sur les équipements de benne basculante et de levage. Dans les actionneurs électriques, la même idée est mise en œuvre avec des vis ou des tubes imbriqués, et elle est utilisée lorsqu'une machine doit atteindre un espace confiné, soulever une plate-forme à partir d'une base à profil bas ou étendre un bras manipulateur bien au-delà de son boîtier. Les conceptions télescopiques échangent une certaine rigidité et une certaine capacité de charge latérale contre la portée, elles nécessitent donc un guidage prudent si la charge n'est pas purement axiale.

Comment choisir entre les trois types

La plupart des arguments de sélection se produisent parce que deux ingénieurs optimisent des variables différentes. La solution consiste à classer les exigences avant de consulter un catalogue. Répondez aux questions suivantes dans l’ordre, car les réponses réduisent rapidement le champ.

1. Quelle force est réellement nécessaire, y compris les pics ?

Calculez la force au pire moment, pas la moyenne. Une opération d'ajustement par pression peut nécessiter 2 kN pour asseoir un roulement et 12 kN pour le dernier demi-millimètre si l'ajustement est serré. Un vérin pneumatique de taille moyenne calera. Ajoutez un facteur de sécurité de 1,5 à 2 sur la force calculée, et rappelez-vous que dans un vérin double effet, la force de rétraction est inférieure à la force d'extension.

2. Avec quelle précision la position finale doit-elle être maintenue ?

Si une tolérance de 1 mm est acceptable et que la charge est constante, le pneumatique fera le travail au moindre coût. Si vous avez besoin de 0,2 mm et que la charge varie, l'hydraulique avec servocommande ou un actionneur électrique sont les options réalistes. Si vous avez besoin de 0,05 mm ou mieux, l'électrique est la seule réponse sensée. Soyez honnête à propos de la tolérance, car spécifier une précision dont vous n'avez pas besoin est le moyen le plus courant de dépenser trop pour un actionneur.

3. À quelle vitesse et à quelle fréquence ?

Le temps de cycle et le cycle de service déterminent ensemble si un actionneur électrique surchauffera. Un servo-vérin qui doit fonctionner en continu avec une force élevée sera déclassé et le cycle de service de la fiche technique n'est pas une suggestion. Les pneumatiques gèrent bien les cycles continus, tant que l'alimentation en air est sèche et que les vannes sont conçues pour la fréquence. Le système hydraulique supporte une force élevée en service continu, mais la température de l'huile doit être gérée avec un refroidisseur une fois que le cycle de service augmente.

4. Quel est l'effet de l'environnement sur l'actionneur ?

Le lavage, la poussière, la vapeur de solvant, le brouillard salin, les chambres froides et les positions adjacentes aux fours éliminent toutes les options. Un cylindre pneumatique standard dans une usine alimentaire se corrodera et son lubrifiant sera éliminé. Un vérin hydraulique dans une salle blanche pour semi-conducteurs est une source de contamination. Un cylindre électrique avec un indice de protection IP65 gère le boîtier de lavage, et une variante certifiée antidéflagrante ou à haute température gère les autres. Faites correspondre l'évaluation de l'enceinte à l'exposition réelle plutôt qu'à une impression générale de l'usine.

5. Combien coûte l’installation au-delà de l’actionneur ?

C’est là que la puissance des fluides perd souvent. Un vérin pneumatique a besoin d'un compresseur, d'un sécheur, d'un filtre-régulateur, d'un collecteur de vannes et d'un tuyau. Un vérin hydraulique a besoin d'un groupe motopropulseur, d'un réservoir, d'une filtration, d'un refroidissement et d'une installation de tuyaux certifiée. Un cylindre électrique a besoin d'un entraînement et d'un contrôleur, ainsi que, dans la plupart des machines modernes, d'une connexion réseau déjà existante. Lorsque l'on compare des systèmes complets plutôt que des composants individuels, l'écart entre les technologies se réduit considérablement et, dans certaines installations, il s'inverse.

6. La machine utilise-t-elle déjà une technologie ?

La normalisation a une réelle valeur. Les pièces de rechange, la formation des techniciens et les procédures de maintenance s'améliorent lorsqu'une usine utilise une technologie dominante. L'introduction d'actionneurs électriques dans une usine qui fonctionne à l'air depuis trente ans crée un problème de formation, et l'introduction de l'hydraulique dans une zone d'assemblage électronique crée un problème de contamination et d'entretien. La meilleure réponse technique n’est pas toujours la meilleure réponse végétale.

En pratique, la plupart des machines automatisées finissent par mélanger les technologies. Les systèmes pneumatiques gèrent les mouvements de serrage, d'éjection et de transfert simples. Des actionneurs électriques assurent les opérations de positionnement, de pressage et de mesure. L’hydraulique n’apparaît que là où la force requise est véritablement au-delà de ce que les deux autres peuvent fournir économiquement. Cette combinaison n’est pas un compromis, c’est le résultat de l’application de chaque technologie là où elle fonctionne le mieux, et il vaut la peine d’étudier comment différents secteurs manufacturiers en arrivent à leur propre version. L'assemblage automobile, par exemple, s'appuie fortement sur des axes servoélectriques pour les travaux de fixation et d'ajustement par pression tout en conservant le pneumatique pour la manipulation des pièces. L'électronique de précision et les lignes à semi-conducteurs poussent encore plus loin l'électricité, car la propreté et la répétabilité ne laissent aucune place à l'huile ou à l'humidité des conduites d'air.

Des erreurs de sélection qui coûtent de l'argent réel

Les mêmes échecs apparaissent encore et encore, dans les trois types. La plupart d’entre eux peuvent être évités en dix minutes d’arithmétique.

Dimensionnement sur pression nominale

Un vérin pneumatique évalué à 10 bars passera sa vie à ce que le collecteur d'usine délivre réellement, qui peut être de 5,5 bars à l'extrémité d'un long trajet pendant la demande de pointe. Taille basée sur la pression d'alimentation mesurée, et non sur la valeur maximale indiquée sur le canon.

Ignorer la charge latérale

Les trois types sont conçus principalement pour la force axiale. Une tige poussée latéralement use son roulement et son joint, et la rupture est progressive plutôt que soudaine. Si la charge ne peut pas être maintenue coaxiale, ajoutez un rail de guidage ou un module linéaire et laissez le vérin fournir uniquement la force. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les modules linéaires de précision et les vérins électriques sont souvent spécifiés ensemble comme un axe de mouvement complet plutôt que comme des pièces séparées.

Confondre répétabilité et précision

La répétabilité est la mesure dans laquelle l'actionneur revient à la même position. La précision correspond à la proximité de cette position par rapport à celle commandée. Un vérin pneumatique avec butées mécaniques peut être très répétable et atterrir au mauvais endroit si la butée s'est déplacée. Demandez aux fournisseurs quel chiffre ils citent et insistez sur la définition.

Oublier la dérive thermique

La viscosité de l'huile hydraulique change avec la température, ce qui modifie le temps de réponse et, dans les systèmes mal compensés, change la position d'arrêt au cours d'un quart de travail. Les actionneurs électriques sont moins sensibles mais ne sont pas à l'abri, car l'expansion des vis et le comportement de la graisse évoluent tous deux avec la température. Dans un processus de longue durée, vérifiez le comportement à la première et à la huitième heure plutôt que uniquement le démarrage à froid.

Sur-spécification du trait

Chaque millimètre supplémentaire de course augmente la longueur non supportée de la tige ou de la vis, ce qui réduit la rigidité et la résistance au flambage. Spécifiez la course dont le processus a besoin plus une marge réaliste, et non le plus grand nombre qui correspond à l'enveloppe de montage.

Faire correspondre le type à l'application

Le moyen le plus rapide de présélectionner est de partir de l’application plutôt que du composant. Quelques cas courants montrent comment la décision tombe généralement.

Mouvement simple à grand volume

La déviation, le serrage, l'éjection et l'actionnement du portail sont des tâches pneumatiques classiques. L'exigence de précision est faible, la cadence est élevée et le coût par axe est important car il peut y en avoir trente sur une machine. Les actionneurs électriques amélioreraient la qualité du mouvement mais multiplieraient le coût du matériel de contrôle.

Assemblage de précision et ajustement par pression

La mise en place d'un roulement, le jalonnement d'une borne ou l'enfoncement d'un connecteur dans un boîtier nécessitent simultanément une force et une position contrôlées. Il s'agit du domaine des vérins électriques, et c'est également là que le profil force-distance programmable gagne sa place, car le même actionneur peut détecter une pièce mal positionnée en observant la courbe de force plutôt qu'en s'appuyant sur un capteur séparé.

Levage de charges lourdes et formage

Lorsque la force requise atteint les dizaines ou centaines de kilonewtons, l’hydraulique reste la réponse la plus compacte. Le coût du circuit et la charge d'entretien sont réels, mais ils sont généralement inférieurs à l'alternative consistant à construire un très gros actionneur électrique avec une consommation d'énergie que l'infrastructure électrique de l'usine ne peut pas supporter.

Environnements propres, froids et dangereux

L'assemblage électronique, la fabrication de dispositifs médicaux et la fabrication de semi-conducteurs favorisent tous l'actionnement électrique car il ne produit aucun brouillard d'huile ni air évacué, et parce que le mouvement peut être validé et enregistré via le contrôleur. Les entrepôts frigorifiques privilégient les unités électriques à grande température et les pneumatiques spécialement préparés, mais les systèmes hydrauliques rencontrent des difficultés car la viscosité de l'huile augmente fortement à mesure que la température baisse. Les zones dangereuses sont le seul endroit où la réponse dépend entièrement de la certification plutôt que de la performance, car un actionneur non conforme ne peut pas du tout être installé, aussi bon soit-il.

Bancs de simulation et de test

Les plates-formes de mouvement multi-axes, les tables vibrantes et les simulateurs de pilote dans la boucle se situent en dehors de la discussion ordinaire sur les cylindres, car ils combinent plusieurs actionneurs dans un mouvement spatial coordonné. Ces systèmes utilisent généralement des actionneurs électriques avec contrôle à large bande passante, puisque la synchronisation entre les axes détermine si la plate-forme produit le mouvement prévu ou non. Les mêmes éléments de base, disposés différemment, apparaissent également dans les plateformes de formation sismique et dans les bancs d'essais dynamiques pour le développement de véhicules. La discipline d'ingénierie est la même que la sélection sur un seul axe, appliquée six fois avec une boucle de contrôle partagée.

Spécifier en toute confiance

Un cylindre est l'un des rares composants de machine où le choix de la technologie détermine le reste de la conception. Choisissez le pneumatique et vous héritez d'un compresseur, d'un système de traitement de l'air et d'une culture de maintenance construite autour des joints et des vannes. Choisissez l’hydraulique et vous héritez d’une unité de puissance, d’un régime de filtration et d’une discipline de gestion des fuites. Choisissez l'électrique et vous héritez d'un entraînement, d'un contrôleur et d'un programme de mouvement qui doivent être mis en service et documentés.

Tous trois fournissent un mouvement linéaire de manière fiable lorsqu'ils sont adaptés à la charge, à l'environnement et aux exigences de précision. Les erreurs se produisent lorsqu’une technologie est choisie par habitude plutôt que par calcul. Passez du temps sur la force, la tolérance, le temps de cycle, l'environnement et le coût total d'installation, classez les réponses et la décision se prend généralement toute seule. Vérifiez ensuite les chiffres une fois de plus par rapport à la pression d'alimentation réelle, aux pics de charge réels et à la plage de température réelle, car ces trois variables sont celles où la plupart des installations tournent mal.