Guide de dimensionnement - Les actionneurs pneumatiques
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  • AVRIL 2002 TECHNOLOGIE 119 17

    sansfrontireBOTE OUTILS

    La souplesse, la simplicit dusage et de construction des vrins pneumatiques et de lair comprim en font des actionneurs trs rpandus dans lautomatisation des processus discontinus des industries manufacturires.Transfrer, brider, lever, manipuler, indexer, plier,arrter, jecter, assembler,marquer, contrler sont autant de missions quon peut leur confier. Il en est de mme pour les ventouses,les vibrateurs et les moteurs.

    Guide de dimensionnementLes actionneurs pneumatiquesPHILIPPE TAILLARD1

    Les vrinsLes vrins pneumatiques convertissentdune faon trs simple lnergie pneu-matique en nergie mcanique. Ainsi, unvrin aliment en air comprim gnreun mouvement linaire ou rotatif, alter-natif, damplitude limite et dfini par sataille de construction.

    et 5 000 daN pour des diamtres variantde 2,5 320 mm, le tout avec des coursespouvant atteindre 3 mtres. Par ailleurs,les vitesses comprises entre 50 et3000 mm/s sobtiennent en calibrant lesdbits dadmission avec la taille du distri-buteur et en limitant les dbits dchap-pement avec des rgleurs de dbit.

    La technologieCes vrins peuvent tre de deux types,simple ou double effet, et classs en deuxgrandes familles, les vrins standard etles vrins spciaux. La famille des vrinsstandard regroupe tous les linaires dundiamtre de 8 320 mm rpondant auxnormes dimensionnelles Iso (figure 2).

    Un vrin standard double effet est pilotdes deux cots et dveloppe, dans lesdeux sens, un effort proportionnel lapression de lair comprim et la sectiondapplication de cette pression. Pour unepression donne, les efforts de rentreet de sortie sont donc diffrents du faitde la prsence de la tige dans la chambreavant du vrin. Leur rapport est voisinde 0,8 (Frentre = 0,8Fsortie).

    La figure 4 montre la construction dunvrin standard dans plusieurs configu-rations.

    Ce type de construction simple confreaux vrins une grande dure de vie, avecla possibilit deffectuer des oprationsde maintenance sur les pices dusure tellesque les joints dtanchit et les baguesautolubrifiantes du piston et de la culasse.Malgr cela, si lutilisateur ne respectepas les rgles de montage prescrites parle constructeur, en particulier quant lalimitation des efforts radiaux sur la tigeou la qualit de lair comprim, cettedure de vie peut sen trouver fortementrduite.

    Les amortissements fin de courseLnergie cintique leve, gnre parune forte charge et/ou une grande vitessede dplacement du piston, est absorbeen fin de course par lamortisseur pneu-matique intgr au vrin (voir figure 5).

    1. Professeur agrg de gnie mcanique au lycede Cachan. E-mail : taillard@lge.ens-cachan.fr.

    MOTS-CLS automatismes, actionneurs, pneumatique, partie oprative, nergie

    Dchet : chappement

    nergie dentreAir comprimPression : PDbit : Q

    Actionneur Vrin pneumatique Diamtre : D Longueur de course : L

    nergie de sortieTranslation alternativeForce dveloppe : FVitesse : VAmplitude : L

    Figure 1. Principefonctionnel du vrin

    Lorsque ces vrins sont utiliss pourraliser une fonction de manipulation,ils permettent deffectuer un dplace-ment entre seulement deux positions pr-cises et extrmes. Un vrin classiquepeut tre bloqu pneumatiquement aucours de son dplacement, mais la posi-tion ainsi obtenue est peu prcise. Leprincipe de fonctionnement du vrin estdonn par la figure 1. Un choix judicieuxdes paramtres dentre, savoir D, L,Q et P, permet dobtenir une action mca-nique aux caractristiques souhaites enF, V et L.

    Les possibilits courantes des vrinslinaires aliments avec une pressionusuelle de 4 8 bars leur permettent dedvelopper des forces comprises entre 0,2

    Figure 2. Vrin standard double effet (daprs Festo)

    Figure 3. Vrin spcialsans tige double effet (daprs Festo)

    La famille des spciaux regroupe leslinaires hors normes, comme les vrinssans tige par exemple (figure 3), et lesvrins rotatifs appels aussi vireurs.

    Un vrin simple effet nest pilot quedun seul cot et ne produit un effortsignificatif que dans un seul sens. Lemouvement de retour de la tige seffectuepar un ressort interne. Le rapport des effortsde rentre et de sortie de tige est voisinde 10 (Fressort = 0,1Fpneumatique). Comptetenu de lencombrement du ressort interne, ce type de vrin est limit endiamtre et en course : max = 63 mm,Cmax = 50 mm.

    Figure 5. Amortisseur hydraulique

  • Position repos Position travailVis de fixation (M4)

    Dtecteur

    Tirant

    Vis pointeau(M4)

    Le principe en est le suivant : en fin demouvement le piston emprisonne, entresa face et celle de la culasse, un volumedair qui ne peut schapper qu traversun rgleur de dbit provoquant ainsi unfrein au mouvement du piston. Cet amor-tissement se produit sur une course (de10 40 mm) prdfinie la constructionet est rglable en duret de lextrieurpar lutilisateur. Cela vite les chocs etla cration dun effort important quipeuvent nuire lautomatisme et amoin-drir la dure de vie du vrin. Cette fonc-tion damortissement sur les mini-vrinsest souvent ralise par une simple buteen lastomre. Cet absorbeur de choclastique a une plus faible capacit damor-tissement que le pneumatique, agit sur unecourse quasi nulle (environ 0,5 mm) et nestpas rglable. Dans les deux cas, le cons-tructeur spcifie les valeurs maximales dnergie absorbable en fin de course.

    Si lamortisseur lastique ou pneu-matique intgr au vrin ne suffit pas, ilconvient de raliser cette fonction laide

    dun amortisseur hydraulique extrieurau vrin et dimensionn en fonction delnergie cintique (E = 1/2 MV2) de leffort dvelopp par le vrin et de lafrquence des amortissements.

    Ltude plus approfondie de cette phasedlicate damortissements en fin de coursede vrin et des forces dinertie induitessera aborde dans une prochaine Bote outils.

    Les dtecteurs associs toute chane daction constitue dunvrin est associe une chane dacquisitionpour assurer le contrle de la fonctionoprative correspondante. Presque tous lesvrins intgrent un capteur magntiquequi assume cette fonction de dtection deposition en fin de course. Le principe estillustr par la figure 7. Laimant permanent(repre A) du piston actionne son passagelinterrupteur lame souple (ILS) dudtecteur magntique fix de manirerglable lextrieur du corps amagn-tique du vrin (figure 6). Cette dtection

    facilite beaucoup le travail de lautomati-cien: rapidit dtude, facilit de montage,de cblage et de rglage.

    LimplantationPour sadapter aux besoins varis dim-plantation sur les systmes automatiss,les vrins offrent une grande varit defixations. Celles-ci sont le plus souvent,comme les vrins eux-mmes, de dimen-sions normalises, pour permettre linterchangeabilit des vrins et ainsi faciliter la maintenance et les changesstandard.

    Le corps de vrin peut tre li demanire rigide la machine par lavantet/ou par larrire laide de brides oude pattes dquerre. Il peut tre montpour pivoter autour dun axe fixe en utili-sant une chape, un tenon, un tourillon ouencore une articulation (figure 8). Le corpsdu vrin peut tre aussi mont rotulantavec une chape arrire rotule.

    18 TECHNOLOGIE 119 AVRIL 2002

    Repre Dsignation Matire13 Tige Z20C13 ou XC45 chrom dur19 Tube de vrin Z6CND17-11 ou laiton ou alliage daluminium (Mg-Si)

    02 et 23 Culasse AV et culasse AR AS12 moul sous pression22 ou 09 Piston Polyactal (Delrin) ou alliage daluminium

    24 Tirant Z5CN18-810 Segment porteur Delrin (POM)16 Palier de guidage de tige Mtal autolubrifiant (matriau fritt)

    Figure 4. Vue en coupe dun vrin et la nomenclature de ses principales pices

    Figure 6. Montage extrieur Figure 7. Principe de la dtection magntiquedu dtecteur magntique (daprs SMC) (daprs Joucomatic)

    Figure 9. Fixationavec la tige de vrin(daprs Festo)

    Figure 8. Exemplesde fixations de vrin(daprs Joucomatic)

    La liaison de la tige du vrin avec lemobile mouvoir doit tre correctementtudie pour ne pas former un systmehyperstatique. On utilise pour cela unechape un degr de libert ou une rotule trois degrs ou encore un accouple-ment articul cinq degrs de libert(figure 9).

    Le rle dun vrin est de mouvoir unmobile et, majoritairement, de ne pas leguider. Par consquent, la liaison L(1-2)(figure 10) entre leffecteur et la tige doittre souple, cest--dire avec un nombrede degrs de libert suffisant pour com-penser tous les carts de position etdorientation relatifs entre S1 et S2. Cepoint, dj soulign prcdemment, estcrucial pour la dure de vie du vrin.Exemple de montage de vrin : dans lecas prsent (figure 10), le choix dunechape ou dune rotule rend le montage

  • Pour y voir plus clair, le tableau ci-dessous tente de rpondre la question :Quel type de vrin fait quoi ? .

    Les prhenseurs par le videLa technique du vide pour la prhensionde pice dans la manipulation, la manu-tention et le maintien en position se gn-ralise de plus en plus. Elle a dj faitlobjet dun article trs dtaill dans lenumro 106 de Technologie (mars 2000).

    hyperstatique et induit des efforts radiauxparasites sur la tige ; il convient donc icidutiliser un accouplement articul (liaisonponctuelle bilatrale) pour compenserles carts angulaire et radial.

    Ltude dtaille des montages iso-statiques du couple vrin-effecteur seraaborde dans la prochaine Bote outils. partir de la thorie des mcanismes,nous prsenterons les diffrentes solu-tions constructives dimplantation desvrins.

    La classification fonctionnelle des vrinsSauf tre expert, il est difficile, dans lamasse des produits des constructeurs,davoir une vision globale et synthtiquedes vrins travers leurs fonctions poten-tielles.

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

    La technologie palettes est la