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En construction de machines aussi, les actionneurs électromécaniques remplacent de plus en plus les actionneurs hydrauliques

Date: 10 août 2017

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Ces 10 dernières années, j’ai travaillé dans le secteur des actionneurs et j’ai acquis, chez mon ancien employeur, une expérience en matière de remplacement de vérins hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, dans des installations de ponts et d’écluses. Et ce, parce que les autorités optent pour des entraînements respectueux de l’environnement, moins sensibles aux pannes, et qui nécessitent aussi moins d’entretien. Depuis quelques mois, je travaille chez ATB Automation avec Exlar, et dans ce cadre, la demande d’actionneurs linéaires électriques augmente également dans le secteur de la construction de machines, par rapport à celle d’actionneurs hydrauliques.

Qu’est-ce qui répond le mieux à vos besoins lorsque l’on compare des actionneurs électriques de type à tige, à des vérins hydrauliques ?

L’hydraulique est déjà utilisée depuis des dizaines d’années. Toutefois de nombreux industriels remplacent actuellement leurs vérins hydrauliques par des actionneurs électriques. Des vannes  qui fuient et/ou se grippent, l’huile hydraulique en elle-même, la consommation de courant, l’efficacité et la précision, ne sont que quelques-unes des raisons pour lesquelles les ingénieurs et les entreprises optent pour des actionneurs linéaires électriques. Avant de remplacer un système existant, ce sont quelques-unes des questions qu’il faut prendre en considération.

Choix du type d’actionneur

Au fil des ans, les entreprises et les processus se sont automatisés de plus en plus. Au fur et à mesure que les technologies progressent, le nombre de produits proposés aux ingénieurs pour la conception de leurs projets, augmente également. Si vous recherchez des actionneurs série lourde, les deux solutions les plus importantes sont hydrauliques ou électriques.

Les vérins hydrauliques présentent dans certains cas des avantages. Ils possèdent une forte puissance volumique (force), des coûts d’acquisition relativement bas, une rigidité moyenne à élevée, des vitesses plus élevées, et constituent une solution linéaire souvent utilisée. L’hydraulique peut toutefois être moins avantageuse. On peut citer ici leur précision et leur répétabilité assez moyennes. L’hydraulique est également plus complexe en matière d’installation et d’entretien des flexibles, des canalisations et des vannes   nécessaires. Ceci entraîne des frais d’installation élevés, avec cependant un rendement énergétique moindre, un impact important sur l’environnement (huile hydraulique et plus grande consommation électrique). Ce sont les cas où les actionneurs électriques s’avèrent plus avantageux.

Les actionneurs électriques Exlar offrent une vitesse et une puissance plus élevées ; ils sont flexibles et facilement programmables pour toute une gamme de solutions linéaires. Ils possèdent une précision et une répétabilité élevées. En outre, ces actionneurs sont efficaces et simples à installer. Ils ne nécessitent que peu d’entretien et sont respectueux de l’environnement. En choisissant de ne pas utiliser de système hydraulique, l’utilisateur élimine le risque de fuites d’huile et de pollution, et améliore par ailleurs la sécurité des salariés. Les actionneurs électriques constituent une solution non toxique, ce qui est indispensable dans l’industrie alimentaire. Parmi les autres avantages environnementaux des actionneurs électriques, on peut citer l'efficacité énergétique plus élevée / la consommation d'énergie plus basse ; un fonctionnement plus silencieux / des niveaux sonores réduits ; une consommation d’énergie presque nulle lorsqu’ils ne sont pas en service (les pompes des systèmes hydrauliques fonctionnant à vide consomment une énergie non négligeable). En outre, ils ne nécessitent pas d’éliminer des liquides hydrauliques. Lors d’un entretien normal ou d’une réparation de vérin hydraulique, les liquides hydrauliques doivent être correctement éliminés.

Développements technologiques

Les actionneurs électriques n’ont pas la même puissance volumique que les vérins hydrauliques, mais grâce aux récents développements technologiques, les actionneurs électromécaniques arrivent, pour une construction comparable, au même niveau de puissance que les actionneurs hydrauliques. L’un des développements principaux des actionneurs électromécaniques est l’accouplement d’un servomoteur rotatif à une transmission mécanique rotative-linéaire, telle qu’une vis à rouleaux  ou une vis à billes. Les vis à rouleaux  comportent des écrous planétaires coordonnés qui tournent le long d’un axe fileté  à l’intérieur d’une écrou, tout comme pour un réducteur  planétaires. Elles offrent plus de surface de contact qu’une vis à billes ou une vis  trapézoïdale, ce qui signifie que la force appliquée est répartie sur une surface plus grande, ce qui résulte en une meilleure répartition des efforts et une durée de vie plus longue. Les rouleaux relient l’écrou à la vis , ce qui permet de créer un mouvement synchronisé sans recirculation. Ceci rend possible des vitesses de rotation et des vitesses linéaires plus élevées, en cas d’efforts importants. Il y a également moins de vibrations et de bruit aux vitesses élevées, du fait de l’absence de recirculation des billes, comme c’est le cas pour la vis à billes. La grande capacité de charge des vis permet de réduire la taille et le poids de l’ensemble, par rapport à une vis à billes. Les nouveaux modèles d’actionneurs électriques relient la vis à rouleaux  et le servomoteur en une seule unité. L’intégration du moteur permet de réduire le format et de diminuer le nombre de composants. Le démarrage direct du mécanisme de vis à rouleaux  élimine le contrecoup lié à l’accouplement direct, ce qui permet une réponse plus dynamique et de meilleures prestations.

La sélection de servomoteurs ou de moteurs sans balais (‘brushless’) à rétroaction, et d’un actionneur à vis à rouleaux , permet d’obtenir une précision et une répétabilité plus élevées. Les actionneurs électriques traditionnels utilisent uniquement des moteurs à induction mono- ou triphasés, pour leur entraînement.

Le problème avec ce concept, c’est que quand l’actionneur doit changer de direction ou souvent s’arrêter et redémarrer, son fonctionnement est limité par la montée en température du moteur et de ce fait sa durée de vie est limitée. L’utilisation d’un moteur à CC sans balais ou d’un servomoteur, associé à un actionneur à vis à rouleaux , permet de lever cette limitation. La rétroaction via un encodeur (absolu) permet un contrôle très précis, aussi bien de la position que de la vitesse de la bielle motrice de l’actionneur. On peut également piloter ainsi, de façon synchrone, deux actionneurs ou plus, à l’aide d’un dispositif maître-esclave.

Passage à l’entraînement électrique

On rencontre certains défis lorsque l’on passe d’un système d’entraînement hydraulique à un système électrique. Lorsque le système comporte plus d’un actionneur hydraulique, l’approche d’une conversion temporaire peut s’avérer un processus plus difficile que la conversion de tous les axes de machine en même temps. En cas de circonstances difficiles, il y a lieu d'envisager de modifier le profil de déplacement, afin de réduire l’impact de la charge de choc et des vibrations élevées. Pour pouvoir bien convertir d'hydraulique en électrique, il est nécessaire de comprendre comment mesurer le nouvel actionneur de manière appropriée. Mesurez sa course effective et faites attention aux configurations de montage. Une évaluation simple de la puissance du système hydraulique existant consiste à multiplier le diamètre du piston par la pression de la pompe. Cette méthode est toutefois ultra conservative et entraîne souvent un surdimensionnement de l’actionneur électrique de remplacement.

Industries et applications à l’aide d’actionneurs électriques

Diverses industries utilisent les entraînements électriques pour leurs systèmes de production. Dans l’industrie automobile, par exemple, on obtient  de l’avantage à utiliser des actionneurs électromécaniques dans les outillages robotisés et robots de soudage, et pour le perçage de roulements et autres méthodes de production. La demande croissante de vitesse et de précision dans la répétabilité, avec moins d’arrêts de production, font de la commande électrique un bon choix.

Les installations de transformation des aliments utilisent des actionneurs électriques pour le remplissage volumétrique, le transport et le positionnement des produits. La précision et la peur d'une contamination font que les fabricants d'aliments transformés, de produits pharmaceutiques et d'appareils médicaux, veulent franchir le pas vers l'électrique. Les industries pétrolière et gazière utilisent des actionneurs électriques pour remplacer les actionneurs hydrauliques et pneumatiques, en raison de leurs avantages environnementaux et du contrôle plus flexible et plus précis. Les solutions hydrauliques ou pneumatiques comportent toutes un risque de fuite, entraînant des situations dangereuses (pollution ou gaz inflammable). La Défense utilise les entraînements électriques pour ses matériels porteurs, les volets de porte et la manutention des munitions, en raison de leurs prestations parfaites, leur robustesse, leur longue durée et l’absence d’entretien, pour les applications critiques. Les actionneurs électriques permettent sans cesse un contrôle effectif et complet du déplacement.

Prendre la décision de passer d’un système hydraulique à un système électrique n’est pas une tâche facile. L’évaluation de votre système et de vos souhaits sont les facteurs les plus importants lors du choix d’un entraînement électrique ou hydraulique. Que vous ayez besoin de plus d’efficacité ou de moins d’entretien, il est clair qu'étant donné que la technologie se développe sans cesse, et que la demande correspondante se maintient, la solution électrique reste une option rentable et compétitive en cas de remplacement de systèmes hydrauliques, et ce, pour la plupart des applications.

Désirez-vous un conseil ou que l’on vous aide à faire un choix ? N’hésitez pas à me contacter !

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