Pupitre Communiquer avec l'opérateur Effecteurs Traiter le produit SYNTHESE SI seconde : ACTIONNEURS 1/8 1. INTRODUCTION : Les actionneurs d un système automatisé fournissent aux effecteurs l énergie utile pour apporter une valeur ajoutée à la matière d œuvre. Ils sont les éléments «moteur» de chacune des chaînes d action des systèmes automatisés. Place des actionneurs dans la structure d un système automatisé Préactionneurs Gérer l'énergie de puissance Partie Commande Traiter les informations Actionneurs Convertir l'énergie en action Capteurs Acquérir les informations M.O.E. M.O.S. ACTIONNEUR : Le rôle d un actionneur est de convertir une énergie d entrée en une énergie de sortie utilisable pour obtenir une action définie. Energie non directement utilisable Présence énergie CONVERTIR L'ENERGIE EN ACTION Actionneur Pertes Energie utilisable (mécanique en général) 2. LES ENERGIES : L énergie d entrée est le plus souvent de type : électrique pneumatique hydraulique L énergie de sortie est en général de type : mécanique mais peut être aussi : thermique lumineuse sonore Elles peuvent être exprimées en fonction de grandeurs physiques mesurables : tension électrique mesurée en volt (V), intensité du courant mesurée en ampère (A), pression mesurée en pascal (Pa), débit mesuré en mètre cube par seconde (m 3.s -1 ), force mesurée en newton (N), vitesse mesurée en mètre par seconde (m.s -1 ), vitesse angulaire mesurée en radian par seconde (rad.s -1 ).
Remarque : Certaines grandeurs physiques sont encore aujourd hui mesurées dans des unités n appartenant pas au Système International (S.I.), et/ou avec des multiples ou des sousmultiples des unités du S.I.. Il est impératif dans ce cas de convertir les mesures en unités du S.I. 2/8 Exemple : la pression est mesurée en bar (dan/cm 2 ), la fréquence de rotation mesurée en tours/min, les forces mesurées en dan 3. QUELQUES ACTIONNEURS DU PALETTISEUR DE SACS D ENGRAIS : 3.1. LES MINI VERINS PNEUMATIQUES A DOUBLE EFFET : Tâche orienter le sac : Les sacs sont orientés par basculement au fur et à mesure de leur arrivée sur le tapis transfert suivant la position du déflecteur. Le système d orientation nécessite la mise en œuvre d une énergie mécanique de translation. Tapis Orienteur Un vérin permet de convertir l énergie pneumatique (air comprimé 6.10 6 Pa) fournie par un compresseur, afin de produire l énergie mécanique de translation. Ce vérin est appelé vérin pneumatique double effet. 3.2. LE MOTEUR ELECTRIQUE ASYNCHRONE MONOPHASE : Tâche de transfert des sacs : Les sacs sont transférés sur le système par une bande transporteuse. L entraînement de la bande autour des poulies nécessite la mise en œuvre d un mouvement de rotation. Poulie motrice Bande transporteuse Sens du défilement Moteur électrique Un moteur électrique permet de convertir l énergie électrique (220 V) fournie par le réseau E.D.F. afin de produire l énergie mécanique de rotation. Ce moteur est appelé moteur asynchrone monophasé.
3/8 4. LES CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLES D UN ACTIONNEUR : 4.1. LES VERINS PNEUMATIQUES LINEAIRES : 4.1.1. Rôle d un vérin : Le vérin le plus fréquemment utilisé est le vérin pneumatique linéaire. Associé à un préactionneur, il engendre en grandeur de sortie de l énergie mécanique de translation rectiligne. Energie pneumatique (pression p, débit q) Présence énergie pneumatique CONVERTIR L'ENERGIE PNEUMATIQUE Vérin pneumatque Pertes Energie mécanique (effort F, vitesse V) 4.1.2. Les 2 types de vérin linéaire : Vérin à simple effet (symbole N.F.) Vérin à double effet (symbole N.F.) Dans un vérin à simple effet, la pression est injectée d un seul coté d un piston, le retour en position initiale s effectue sous l action d un ressort. Dans un vérin à double effet, la pression est injectée alternativement de part et d autre d un piston, selon le sens de déplacement désiré. Choix d un type de vérin : Les vérins à simple effet sont utilisés lorsqu il est nécessaire de produire un travail dans un seul sens alors que les vérins à double effet sont utilisés lorsqu il est nécessaire de produire un travail dans les deux sens. 4.1.3. Architecture d un vérin double effet : Un vérin pneumatique est constitué d un cylindre (le fût) obturé à ses deux extrémités dans lequel coulisse un piston sur lequel est fixée une tige métallique qui transmet l énergie mécanique engendrée par la pression. Pour un vérin à double effet, deux orifices d alimentation en air comprimé sont usinés de part et d autre du piston. Pour provoquer la sortie de la tige, il faut distribuer la pression dans la chambre arrière et mettre la chambre avant à l échappement. Des joints assurent l étanchéité entre les deux chambres (étanchéité dynamique) entre l extérieur et les chambres arrière et avant (étanchéité statique).
4/8 Eléments constitutifs d un vérin pneumatique à double effet 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 a b A B a : Orifice d alimentation de la chambre arrière A b : Orifice d alimentation de la chambre avant B 1. Fond de vérin 2. Joint de fût 3. Joint de piston 4. Bague porteuse 5. Piston 6. Fût (cylindre) 7. Tige 8. Joint de fût 9. Nez de vérin 10. Bague de palier 11. Joint de palier 4.1.4. Caractéristiques fonctionnelles : le diamètre du piston noté Ø (Phi) ou D, exprimé en mm, la course du piston noté L, exprimée en mm, la pression d alimentation du vérin noté p, exprimé en pascal (Pa), (1 Pa = 1 N.m2) ou en bar (b), (1 bar = 1 dan.cm2). 4.1.5. Performances d un vérin pneumatique : Le choix et le dimensionnement d un vérin pneumatique sont réalisés en fonction de l effort axial à transmettre et à la vitesse à laquelle doit être transmis cet effort. La valeur théorique de l effort axial F transmis par la tige d un vérin linéaire est donné par la relation : F=p.S S est la surface soumise à la pression exprimée en cm 2, p est la pression d alimentation en air comprimé exprimée en bar, l effort axial F est exprimé en dan. Remarque : Pour un vérin double effet, la surface d application de l air comprimé est différente entre la face avant et la face arrière du piston, l effort transmissible en mouvement sortant est donc supérieur à l effort transmissible en mouvement sortant.
4.1.6. Domaines d application : Les vérins pneumatiques sont utilisés dans tous les systèmes automatisés qui nécessitent des mouvements linéaires rapides pour transférer, élever, indexer, brider, fermer, arrêter, assembler, marquer 5/8 4.1.7. Application : Hypothèses : On néglige les frottements ainsi que la masse du piston et de la tige. Données : Ø du piston = 20 mm Ø de la tige = 8 mm p = 6 bars m = 12 Kg P = m.g P est le poids en N m est la masse en Kg g est l accélération de la pesanteur g 10 m.s -2 Vérifier si le choix du vérin est compatible avec l effort à fournir pour élever la masse. S Piston =.10 2 = 314 mm 2 = 3,14 cm 2 F = 6 3,14 = 18,84 dan = 188,4 N P = m.g = 12 10=120 N F P = + 68.4 N 4.2. LES MOTEURS ASYNCHRONES : Le moteur asynchrone qui utilise le courant alternatif fourni par le réseau triphasé est l actionneur électrique le plus utilisé dans les systèmes automatisés industriels. M 3 4.2.1. Rôle d un moteur asynchrone : Un moteur asynchrone est un actionneur qui transforme une énergie électrique (courant alternatif 220V ou 380V) en une énergie mécanique de rotation. 4.2.2. Constitution et principe de fonctionnement : Présence énergie électrique Energie électrique (courant alternatif tension U, intensité i) CONVERTIR L'ENERGIE ELECTRIQUE Moteur asynchrone Pertes Energie mécanique (Couple C, vitesse angulaire de rotation)
6/8 i3 Schéma de principe d un moteur triphasé Un moteur asynchrone est constitué : Bobine 3 Bobine 1 Rotor Bobine 2 Phase 1 Phase 2 Phase 3 i2 i1 d un stator (partie fixe) constitué de tôles ferromagnétiques à l intérieur desquelles sont placés trois bobinages décalés géométriquement de 120, d un rotor, sur lequel est fixé l arbre de sortie du moteur. Les trois bobinages sont parcourus par des courants alternatifs décalés électriquement issus du réseau triphasé ; un champ magnétique tournant ainsi que des courants induits dans le stator sont alors créés. Il en résulte un couple qui provoque la rotation du rotor/stator dans le sens du champ tournant. 4.2.3. Caractéristiques fonctionnelles : Le fonctionnement d un moteur asynchrone dépend essentiellement des caractéristiques suivantes : la tension d alimentation des bobinages, notée U exprimée en volt (V). Cette tension est généralement de 220V, la fréquence du réseau électrique, noté f, exprimée en hertz (Hz). En France, cette fréquence est de 50 Hz. 4.2.4. Performances : Le choix et le dimensionnement d un moteur asynchrone sont réalisés en fonction des critères suivants : la puissance nominale du moteur noté P, exprimée en watt (W). La puissance d un moteur asynchrone triphasé peut varier de 1 kw à quelques dizaines de MW, la fréquence de rotation du rotor par rapport au stator, notée n, exprimée en tours par minute (tr.m -1 ), le couple à transmettre noté C, exprimé en Newton mètre (N.m). 4.2.5. Domaines d application : Les moteurs triphasés asynchrones sont utilisés dans toutes les applications nécessitant des puissances importantes. Branchés directement sur le réseau électrique triphasé, ils sont appréciés pour leur rendement élevé, pour leur fiabilité (pas de contact glissant), pour leur sécurité de fonctionnement (pas d étincelles) et leur faible coût. Ils équipent la plupart des mécanismes tels que les machines-outils, les pompes, les tapis roulants
7/8 5. AUTRES TYPES D ACTIONNEURS : 5.1. LE MOTEUR A COURANT CONTINU : Rôle : Un moteur à courant continu est un actionneur qui transforme une énergie électrique à tension constante en énergie mécanique de rotation. M Domaine d application : Les moteurs à courant continu sont appréciés pour leur grande facilité de variation de vitesse et pour la simplicité de la source d alimentation sur les systèmes embarqués (batteries, accumulateurs). Cependant, les moteurs de grande puissance sont de coût élevé et ils présentent des problèmes d entretien (usure des balais et du collecteur). 5.2. L ELECTRO-AIMANT : Rôle : Un électro-aimant est un actionneur qui transforme une énergie électrique en énergie mécanique de translation. L Domaine d application : Associé à différents types d effecteurs, l électro-aimant peut tirer, pousser, enclencher, déclencher, libérer, maintenir, verrouiller, indexer, motoriser dans tous les cas pour lesquels les mouvements à produire sont de faible amplitude. 5.3. LE MOTEUR PAS A PAS : Rôle : Un moteur pas à pas est un actionneur qui transforme une énergie électrique à tension discontinue en énergie mécanique de rotation discontinue. M
Domaine d application : Les moteurs pas à pas fonctionnant de manière discontinue, on les réserve à des applications particulières nécessitant souplesse et précision pour faibles et moyennes puissances (quelques centaines de Watts). 8/8 5.4. LE GENERATEUR DE VIDE : Rôle : Un générateur de vide à venturi est un actionneur qui modifie une énergie pneumatique en surpression en une énergie pneumatique en dépression. Domaine d application : Les générateurs de vide à venturi associés à des ventouses souples sont utilisés, dans l assemblage et le conditionnement, pour la préhension de pièces de petites dimensions et de faible masse. 5.5. LE MOTEUR PNEUMATIQUE A PALETTES : Rôle : Un moteur pneumatique est un actionneur qui transforme une énergie pneumatique en une énergie mécanique de rotation. Domaine d application : Les moteurs pneumatiques sont utilisés dans toutes les applications nécessitant un fort couple au démarrage ou une fréquence de rotation élevée ou lorsque l utilisation de l énergie électrique est interdite pour des raisons de sécurité (atmosphère explosive par exemple). 5.6. LES VERINS PNEUMATIQUES SPECIALISES : Selon les contraintes fonctionnelles exigées pour certains processus, on utilise parfois des vérins spécialisés : les vérins à double tige, les vérins rotatifs, les vérins magnétiques sans tige, les vérins anti-rotation.
LE VERIN AMORTI A DOUBLE EFFET 1/1
UTILISATIONS DES VERINS 1/9