Un actionneur est un composant d'un appareil ou d'une machine qui lui permet d'effectuer des mouvements physiques en convertissant l'énergie, souvent électrique, pneumatique ou hydraulique, en force mécanique. En termes simples, c'est le composant de toute machine qui permet le mouvement.
Parfois, pour répondre à la question de savoir à quoi sert un actionneur, on compare le processus au fonctionnement du corps humain. À l'instar des muscles qui permettent de convertir l'énergie en un mouvement, comme celui des bras ou des jambes, les actionneurs fonctionnent dans une machine pour effectuer une action mécanique.
Les actionneurs sont présents dans presque toutes les machines qui nous entourent, des simples systèmes de contrôle d'accès électroniques aux vibreurs de téléphones portables et appareils électroménagers, en passant par les véhicules, les appareils industriels et les robots. Parmi les exemples courants d'actionneurs, on trouve les moteurs électriques, les moteurs pas à pas, les vérins à vis, les stimulateurs musculaires électriques des robots, etc.
Comment fonctionne l'actionneur linéaire ?
Défini simplement, un actionneur est un dispositif qui convertit l'énergie, qui peut être électrique, hydraulique, pneumatique, etc., en mécanique de manière à pouvoir être contrôlée. La quantité et la nature de l'entrée dépendent du type d'énergie à convertir et de la fonction de l'actionneur. Les actionneurs électriques et piézoélectriques, par exemple, fonctionnent sur l'entrée de courant ou de tension électrique, pour les actionneurs hydrauliques, son liquide incompressible, et pour les actionneurs pneumatiques, l'entrée est l'air. La sortie est toujours de l'énergie mécanique.
Les actionneurs ne sont pas quelque chose que vous lirez tous les jours dans les médias, contrairement à l'intelligence artificielle et à l'apprentissage automatique. Mais la réalité est qu'il joue un rôle critique dans le monde moderne presque comme aucun autre appareil jamais inventé.
Dans les systèmes mécatroniques industriels, par exemple, ils sont seuls responsables de s'assurer qu'un dispositif tel qu'un bras robotique est capable de se déplacer lorsqu'une entrée électrique est fournie. Votre voiture utilise des actionneurs dans le système de contrôle du moteur pour réguler les volets d'air pour le couple et l'optimisation de la puissance, du régime de ralenti et de la gestion du carburant pour une combustion idéale.
Les actionneurs ne sont pas quelque chose que vous lirez tous les jours dans les médias, contrairement à l'intelligence artificielle et à l'apprentissage automatique. Mais la réalité est qu'il joue un rôle critique dans le monde moderne presque comme aucun autre appareil jamais inventé.
Ils ne sont pas seulement vus dans les grandes applications. À la maison, les actionneurs sont les dispositifs essentiels qui vous aident à installer des consoles ou des armoires pouvant contenir des téléviseurs et pouvant être ouvertes d'une simple pression sur un bouton. On les voit également dans les téléviseurs et les tables élévatrices que les utilisateurs peuvent régler à leur convenance à l'aide d'interrupteurs ou de boutons électriques.
Envie d'un fauteuil relax pour regarder la télé ? Selon toute vraisemblance, il a une tête ou un repose-pieds mobile qui utilise également un actionneur. Les systèmes domotiques qui peuvent fermer intuitivement les stores en fonction de la quantité de lumière entrante dépendent également des actionneurs. En bref, leur utilisation est infinie car tout mouvement mécanique les nécessite, et la plupart des appareils nécessitent une certaine forme de mouvement mécanique.
Voici les composants habituels qui font partie du fonctionnement d'un actionneur :
- Source d'alimentation : Elle fournit l'apport d'énergie nécessaire à l'entraînement de l'actionneur. Ceux-ci sont souvent de nature électrique ou fluidique dans les secteurs industriels.
- Convertisseur de puissance : Le rôle du convertisseur de puissance est de fournir la puissance de la source à l'actionneur conformément aux mesures définies par le contrôleur. Les vannes proportionnelles hydrauliques et les onduleurs électriques sont des exemples de convertisseurs de puissance dans les systèmes industriels.
- Actionneur : Le dispositif réel qui convertit l'énergie fournie en force mécanique.
- Charge mécanique : L'énergie convertie par l'actionneur est généralement utilisée pour faire fonctionner un dispositif mécanique. La charge mécanique fait référence à ce système mécanique qui est entraîné par l'actionneur.
- Contrôleur : Un contrôleur garantit que le système fonctionne de manière transparente avec les quantités d'entrée appropriées et d'autres points de consigne décidés par un opérateur.
Types d'actionneurs linéaires
Selon le type de mouvement qu'ils effectuent et la source d'énergie utilisée pour leur fonctionnement, il existe différents types d'actionneurs. Voici une liste des différents types d'actionneurs :
Actionneur linéaire électrique
Comme leur nom l'indique, les actionneurs linéaires électriques utilisent l'énergie électrique pour réaliser des mouvements rectilignes. Ils fonctionnent en déplaçant un piston d'avant en arrière en fonction de signaux électriques et sont principalement utilisés pour des mouvements tels que la traction, la poussée, le blocage, le levage, l'éjection, le serrage ou la descente.
Les actionneurs linéaires fonctionnent avec un moteur qui génère un mouvement de rotation à grande vitesse et un réducteur qui ralentit son impact. Cela augmente le couple nécessaire à la rotation d'une vis mère, ce qui entraîne le mouvement linéaire d'un arbre ou d'un écrou d'entraînement. Un moteur 12 V CC est souvent utilisé dans les actionneurs linéaires, mais d'autres tensions peuvent également être utilisées. En inversant la polarité de la connexion entre le moteur et la batterie, le moteur tourne en sens inverse.
Les fabricants proposent des actionneurs linéaires avec différentes courses, obtenues en augmentant ou en diminuant la longueur de l'arbre. Différents engrenages permettent également d'obtenir différentes vitesses. En règle générale, plus la vitesse de rotation de la vis est élevée, moins la force est importante. Un interrupteur situé aux extrémités supérieure et inférieure de l'arbre principal arrête la vis lorsqu'elle atteint la fin de sa course. Lorsque l'arbre atteint sa fin, l'interrupteur coupe l'alimentation du moteur.
Actionneur rotatif électrique
Les actionneurs rotatifs électriques utilisent l'énergie électrique pour réaliser un mouvement de rotation. Ce mouvement peut être continu ou angulaire, comme c'est le cas pour les servomoteurs et les moteurs pas à pas. En règle générale, un actionneur rotatif électrique est composé d'un moteur électrique, d'un fin de course et d'un réducteur hélicoïdal à plusieurs étages.
En termes simples, le fonctionnement de cet actionneur peut être défini ainsi : lorsqu'un conducteur parcouru par un courant est placé dans un champ magnétique, il subit une force proportionnelle à la densité de flux du champ, au courant qui le traverse et à ses dimensions. La rotation et le couple sont générés par cette force et la force contre-électromotrice (FEM) qui en résulte.
Actionneur linéaire hydraulique
La fonction d'un actionneur linéaire hydraulique est la même que celle d'un actionneur linéaire électrique : générer un mouvement mécanique rectiligne. La différence réside dans le fait que les actionneurs linéaires hydrauliques y parviennent grâce à une pression déséquilibrée appliquée par un fluide hydraulique sur un piston dans un cylindre creux, ce qui peut générer un couple suffisamment important pour déplacer un objet externe.
Le principal avantage d'un actionneur hydraulique linéaire réside dans le couple important qu'il peut générer. En effet, les liquides sont quasiment incompressibles. Les actionneurs hydrauliques simple effet sont dotés de pistons qui ne peuvent se déplacer que dans un seul sens, et un ressort est nécessaire pour le mouvement inverse. Un actionneur hydraulique double effet applique une pression aux deux extrémités pour permettre un mouvement similaire des deux côtés.
Actionneur rotatif hydraulique
Les actionneurs rotatifs hydrauliques utilisent un fluide incompressible sous pression pour faire tourner les pièces mécaniques d'un dispositif. Ils se composent principalement de deux types de composants rotatifs : des arbres circulaires avec rainure de clavette et des tables avec un système de boulonnage permettant le montage d'autres composants.
Ils sont disponibles avec des arbres simples et doubles. La rotation de l'arbre s'effectue lorsque les cannelures hélicoïdales s'engagent dans les cannelures correspondantes du piston, convertissant ainsi le mouvement linéaire en mouvement rotatif. Sous l'effet de la pression exercée par les fluides, le piston se déplace dans le boîtier, entraînant les cannelures à faire tourner l'arbre. L'arbre peut être bloqué lorsqu'une vanne de régulation est fermée et que le fluide est maintenu dans le boîtier.
Un guide complet de A à Z sur la sélection, le test et la mise en œuvre du mouvement linéaire pour toute application. Rédigé par des ingénieurs, pour des ingénieurs.
Actionneur linéaire pneumatique
Les actionneurs pneumatiques sont souvent considérés comme les plus économiques et les plus simples de tous. Les actionneurs linéaires pneumatiques fonctionnent grâce à l'air comprimé pour créer un mouvement, soit par l'extension et la rétraction d'un piston, soit, plus rarement, grâce à un chariot roulant sur une allée ou un tube cylindrique. La rétraction du piston s'effectue soit par un ressort, soit par l'alimentation en fluide par l'autre extrémité.
Les actionneurs linéaires pneumatiques sont particulièrement adaptés pour atteindre une vitesse et un couple élevés dans un encombrement relativement réduit. Leur point fort réside dans leur mouvement rapide point à point, et ils sont résistants aux arrêts brusques. Leur robustesse les rend particulièrement adaptés aux dispositifs nécessitant une protection antidéflagrante ou une résistance aux conditions difficiles, comme les températures élevées.
Actionneur rotatif pneumatique
Les actionneurs rotatifs pneumatiques utilisent l'air comprimé pour produire un mouvement oscillant. Comme les actionneurs linéaires pneumatiques, ils sont de conception simple, durables et adaptés aux environnements dangereux.
Les trois configurations les plus courantes d'actionneurs rotatifs pneumatiques sont les crémaillères, les étriers et les palettes. Dans une configuration à crémaillère, l'air comprimé entraîne un piston et une crémaillère en mouvement linéaire, ce qui entraîne des mouvements rotatifs dans un pignon et un arbre de sortie. Ces actionneurs peuvent être à crémaillère simple, double ou multiple.
Actionneurs piézoélectriques
Les matériaux piézoélectriques sont un groupe de solides, comme la céramique, qui réagissent à la charge électrique en se dilatant ou en se contractant et génèrent de l'énergie lorsqu'une force mécanique est appliquée. Les actionneurs piézoélectriques exploitent le mouvement provoqué par les signaux électriques pour créer des courses courtes, à haute fréquence et à réponse rapide. Le mouvement produit par les actionneurs piézoélectriques est souvent parallèle au champ électrique. Cependant, dans certains cas, lorsque le dispositif est configuré pour fonctionner sur l'effet piézoélectrique transversal, le mouvement est orthogonal au champ électrique.
Applications et capacités des actionneurs linéaires
Les applications des actionneurs électriques linéaires sont pratiquement infinies. Les usines de fabrication les utilisent pour la manutention. Les équipements de coupe à mouvement vertical et les vannes de régulation du flux de matières premières en sont des exemples. Les robots et les bras robotisés, qu'ils soient utilisés dans l'industrie manufacturière ou non, utilisent également des systèmes d'actionneurs linéaires pour réaliser des mouvements rectilignes.
Les tendances en matière d’automatisation devenant de plus en plus populaires, les clients recherchent toujours des moyens d’implémenter des actionneurs linéaires dans leurs applications.
Avec la popularité croissante des systèmes domotiques, les vérins électriques linéaires sont devenus utiles pour l'automatisation des stores. Les appareils électroménagers, comme les téléviseurs, peuvent être placés à hauteur optimale sans difficulté grâce à des élévateurs de téléviseurs équipés de vérins électriques linéaires. Il existe également des élévateurs de table qui utilisent des vérins pour ajuster la hauteur aux besoins des utilisateurs.
Dans l'industrie de l'énergie solaire, ils permettent d'orienter les panneaux en direction du rayonnement solaire. Même dans des secteurs comme l'agriculture, où les machines lourdes utilisant des actionneurs hydrauliques sont plus courantes, les actionneurs linéaires électriques sont utilisés pour les mouvements fins et délicats.
Sélection d'un actionneur linéaire
Comme nous l'avons déjà vu, les actionneurs ont une multitude d'applications dans différents domaines. Cependant, cela ne signifie pas qu'ils se valent tous. Lors de l'achat d'un actionneur, vous devez savoir lequel répond le mieux à vos besoins. Voici un guide complet pour vous aider à choisir l'actionneur le mieux adapté à vos besoins.
Étape 1. Évaluer le mouvement requis :
L'objet à déplacer dans votre projet nécessite-t-il un mouvement linéaire ou rotatif ? Les actionneurs linéaires exercent une force mécanique permettant de déplacer un objet en ligne droite, tandis que les actionneurs rotatifs, comme leur nom l'indique, génèrent un mouvement circulaire.
Étape 2 : Tenez compte de l’apport énergétique :
Les actionneurs électriques gagnent en popularité en raison de leur sophistication croissante et de leur flexibilité pour gérer divers types d'opérations. Cependant, ils ne sont pas adaptés à tous les travaux. Envisagez les actionneurs hydrauliques ou pneumatiques si votre travail ne nécessite pas d'alimentation électrique.
Étape 3 : Évaluer le niveau de précision requis :
Certains actionneurs sont idéaux pour les travaux lourds dans des environnements difficiles, mais ils peuvent ne pas fonctionner correctement lorsqu'il s'agit de gérer des travaux plus petits comme l'emballage, qui nécessitent de la précision et la capacité de répéter la même action des centaines ou des milliers de fois.
Étape 4 : Déterminez la force dont vous avez besoin :
Un actionneur sert à déplacer ou à soulever un objet. Dans votre cas, déterminez le poids de cet objet. La capacité de charge d'un actionneur détermine sa capacité de levage, et bien que de nombreux actionneurs puissent se ressembler, leur capacité de charge varie. Avant d'acheter un actionneur, assurez-vous que le poids de votre objet correspond à sa capacité.
Étape 5 : Déterminez la distance à laquelle vous souhaitez déplacer l’objet :
La distance, ou longueur de course, est ici importante. Elle détermine la distance de déplacement de votre objet. Les fabricants proposent souvent des actionneurs de différentes longueurs de course.
Étape 6 : À quelle vitesse souhaitez-vous que le mouvement soit :
La vitesse de l'actionneur est souvent un facteur important pour la plupart des utilisateurs, selon leur projet. En général, les projets nécessitant une force élevée de la part des actionneurs se déplacent plus lentement que ceux nécessitant une force faible. La vitesse d'un actionneur se mesure en distance par seconde.
Étape 7 : Tenez compte de l’environnement d’exploitation :
L'actionneur doit-il fonctionner dans un environnement difficile ou hostile, où la poussière et l'humidité sont un problème ? Dans ce cas, il est préférable de choisir un produit doté d'un indice de protection plus élevé.
Étape 8 : Décidez du style de montage :
Les actionneurs disponibles sur le marché proposent différents types de montage, et il est essentiel de comprendre leurs avantages avant d'en acheter un. Par exemple, un actionneur électrique linéaire à double pivot permet au dispositif de pivoter des deux côtés lors de l'extension et de la rétraction. Ainsi, l'application dispose de deux points de pivotement libres tout en se déplaçant sur une trajectoire fixe.
À l'inverse, un montage fixe, qui fixe l'actionneur à un objet le long de l'arbre, est utile pour des actions telles que l'appui sur un bouton. À ce stade, vous devriez pouvoir affiner vos options pour une piscine nettement plus petite que celle que vous avez choisie au départ. Ensuite, vous devrez affiner davantage votre recherche. Par exemple, les actionneurs linéaires existent en différents styles pour répondre à différents types de fonctions. Le type à tige, par exemple, est le plus courant et le plus simple, avec un arbre extensible et rétractable. Le type à rail, dont la longueur et la taille restent inchangées pendant le fonctionnement, est plus adapté aux contraintes d'espace. Il existe également des élévateurs à colonne et d'autres actionneurs parfaitement adaptés à la configuration d'élévateurs de télévision et de tables. Des facteurs tels que la tension de fonctionnement et le type de moteur sont également à prendre en compte.
Choisissez l'actionneur
Capacités d'un actionneur linéaire
Les indicateurs de performance sont des données quantifiables qui permettent d'évaluer la qualité d'un produit. Les actionneurs peuvent être évalués selon plusieurs indicateurs de performance. Traditionnellement, les plus courants sont le couple, la vitesse et la durabilité. De nos jours, l'efficacité énergétique est également considérée comme importante. D'autres facteurs peuvent être pris en compte, comme le volume, la masse, les conditions de fonctionnement, etc.
Couple ou force
Naturellement, le couple est l'un des aspects les plus importants à prendre en compte pour la performance d'un actionneur. Il est essentiel de noter qu'il existe deux types de mesures de couple : la charge statique et la charge dynamique. La force, ou couple statique, correspond à la capacité de l'actionneur au repos. La force dynamique correspond à la capacité de couple de l'actionneur en mouvement.
Vitesse
La vitesse d'un actionneur varie en fonction du poids de la charge qu'il est censé supporter. Généralement, plus le poids est élevé, plus la vitesse est faible. Par conséquent, la mesure de vitesse doit d'abord être effectuée lorsque l'actionneur ne supporte aucune charge.
Durabilité
Le type d'actionneur et la conception du fabricant déterminent sa durabilité. Bien que les actionneurs hydrauliques soient considérés comme plus durables et robustes que les actionneurs électriques, les spécifications détaillées concernant la qualité des matériaux utilisés sont du ressort du fabricant.
Efficacité énergétique
Face aux préoccupations croissantes en matière d'économie d'énergie et à leur impact direct sur les coûts d'exploitation, l'efficacité énergétique devient un critère de plus en plus déterminant pour tous les types de machines. Dans ce contexte, moins un actionneur nécessite d'énergie pour atteindre son objectif, mieux c'est.