Les éléments pneumatiques
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Sommaire
Les systèmes automatisés qui
mettent en œuvre des actionneurs pneumatiques sont nombreux dans les
secteurs industriels automatisés. L'objet de cette série est de
décrire les principaux types d'actionneurs et d'éléments de lignes
pneumatiques que l'on peut rencontrer sur un système automatisé.
Un vérin pneumatique est un actionneur
qui permet de transformer l'énergie de l'air comprimé en un travail
mécanique. Un vérin pneumatique est soumis à des pressions d'air comprimé
qui permettent d'obtenir des mouvements dans un sens puis dans l'autre.
Les mouvements obtenus peuvent être linéaires ou rotatifs. |
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les vérins
pneumatiques à simple effet :
Ce sont des vérins qui effectuent un
travail dans un seul sens. Ils permettent soit de pousser soit de
tirer une charge, exclusivement. Seules les positions extrêmes sont
utilisées avec ce type de vérin. Un vérin pneumatique à simple effet
n'a qu'une seule entrée d’air sous pression et ne développe un
effort que dans une seule direction. La course de retour à vide est
réalisée par la détente d'un ressort de rappel incorporé dans le
corps du vérin.
Schématisations :
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Vérin simple effet |
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Vérin simple effet avec
retour par ressort |
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Vérin simple effet avec
sortie par ressort |
les vérins pneumatiques à double effet :
Contrairement à la version à
simple effet, ce type de vérin développe une force disponible à
l'aller comme au retour pour produire un travail.
Schématisation:
Critères de choix
:
Un certain nombre de critères doivent être pris en compte pour
déterminer le vérin à utiliser.
Il faut d'abord connaître l'effort de déplacement de la charge et son
sens pour définir les deux caractéristiques dimensionnelles du vérin, son
Æ et sa course. Il sera ensuite nécessaire de
déterminer la vitesse de la tige afin de déterminer l'énergie cinétique et
l'amortissement de l'ensemble mobile (Piston + tige + charge).
Calculs des efforts de poussée et de
rentrée du vérin :
On choisit d'utiliser un vérin P avec
un piston de Æ D = 10 cm et une tige de
Æ d = 2.5 cm sous une pression "p" de 6 bars. (1
bar = 10N/cm²)
1er cas - Calculs d'efforts d'un vérin poussant une charge
: (R = D/2).
Efforts exercés
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= pression x section du vérin
= p x p x R²
= 6 x 10 x p x 5²
= 4710 N |
2ème cas - Calculs d'efforts d'un vérin double effet
tirant une charge : (r = d/2)
Dans ce cas il
faut faire attention, la pression ne s'exerce plus sur la totalité du
diamètre du piston mais sur une surface égale à la section du piston
moins la section de la tige. |
|
Efforts exercés |
= pression x section du vérin
= p x p x (R² - r²)
= 6 x 10 x p x (5² - 1.25²)
= 4420 N |
Notion de rendement ou taux de charge :
Pour pouvoir réaliser
l'étanchéité et le guidage d'un vérin, il est nécessaire d'utiliser
des joints et des bagues de guidage. Ces éléments, s'ils remplissent
correctement leur fonction, vont générer des frottements. Ces
frottements vont nuire au bon fonctionnement du vérin. Pour en tenir
compte dans la détermination des efforts exercés par un vérin, il
est nécessaire de prendre en considération le taux de charge du
vérin.
Le calcul des efforts exercés par le vérin en tenant compte du taux
de charge (h) :
Efforts exercés = h x pression x section du
vérin
Contre-pression dans un vérin :
Lorsqu'un
piston se déplace, il subit deux pressions qui génèrent deux efforts
opposés. Un que l'on a calculé précédemment et l'autre qui est dû à
la pression qui s'exerce de l'autre côté du piston. Cette pression
va dépendre de la vitesse d'évacuation de l'air vers l'échappement.
On parle alors de contre-pression. Cette contre-pression peut être
soit pour contrôler la vitesse de déplacement du vérin, soit pour
contrôler la position d'un vérin à l'aide d'un capteur.
Les
amortissements:
Les masses
déplacées par les vérins pneumatiques à double effet et l'importance
des vitesses atteintes engendrent des efforts d'inertie élevés. Il
est nécessaire de réduire ces efforts en fin de course afin d'éviter
les chocs des pistons sur les corps des vérins.
Deux types d'amortisseur peuvent être incorporés directement dans le
vérin, I'un élastique et l'autre pneumatique.
Amortisseur pneumatique réglable
Lors du déplacement de la tige
l'air peut passer soit par l'orifice N°1, soit par l'orifice N°2.
Par contre lorsque la tige obstrue le passage N°2, l'air doit
obligatoirement passer par l'orifice N°1. Dans cet orifice on place
une vis qui va permettre de régler le débit et ainsi de contrôler
l'amortissement du vérin.
Amortisseur élastique :
Dans ce cas, c'est un joint "trilobé" qui
va encaisser les chocs sur les fonds de vérins, permettant ainsi
l'amortissement des chocs.
Définition:
L'énergie pneumatique destinée aux actionneurs pneumatiques doit
être distribuée en pression et en débit de façon constante par des
composants adaptés. Ils sont situés entre la source d'énergie et les organes
moteurs. On classe les distributeurs dans la catégorie des pré-actionneurs ou
des interfaces de sortie.
Les distributeurs sont définis par deux caractéristiques
fonctionnelles:
* le nombre d'orifices principaux nécessaires au fonctionnement des
différents types d'actionneurs, non compris les orifices de pilotage.
* le nombre de positions, généralement 2, définissant l'une
l'état repos l'autre l'état travail. il est possible d'avoir 3 positions, il
y aura alors deux positions travail et une position repos.
Distributeurs monostables
Un distributeur est dit
monostable lorsqu'il y a un déficit entre le nombre de positions que
peut prendre ce distributeur et le nombre de pilotes ou s'il y a un
ressort.
Exemples :
Distributeur 5 orifices 2 positions
monostable piloté par un pilote électrique. Le rappel se fait par
ressort. La position stable est la position repos (ressort détendu).
Distributeur 5 orifices 3 positions monostable piloté
par deux pilotes électriques. Le rappel en position stable se fait par
ressort. La position stable est la position centrale (ressorts détendus). |
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Distributeurs bistables :
Distributeur 5 orifices 2 positions bistable
piloté par deux pilotes électriques. Il n'y a pas de ressort et il y a
deux positions stables. |
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Bloqueurs
Les bloqueurs sont des
distributeurs 2/2 qui s'utilisent, en général pour
bloquer un vérin dans une position intermédiaire. Dans
ce cas on s'utilisera deux bloqueurs pour bloquer le
vérin en position. |
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Le pilotage pneumatique
Lorsque la
configuration et le taux de complexité de l'installation automatisée
entraînent le choix d'une solution "tout pneumatique", les
distributeurs sont à commande pneumatique, car leur pilotage est
assuré par des signaux de pression émis par la partie commande
pneumatique.
Le pilotage électrique:
Lorsque le
traitement de l'information est réalisé en version électrique ou
électronique il est nécessaire que les distributeurs soient équipés
d'une ou de deux électrovannes de pilotage dont le rôle est de
transformer le signal électrique provenant de la PC en un signal
pneumatique de pilotage du distributeur.
Différents types de pilotes :
Bouton poussoir
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Bouton cranté
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Galet
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Plongeur
Ressort |
Solénoïde
Pression |
Levier
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Pédale
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Les
accessoires de lignes ont pour objet de régler un débit, purger
rapidement une capacité, réduire les bruits d'échappement et de
connecter les appareils entre eux.
les clapets anti-retour
Ils assurent
le passage de l'air dans un sens et bloquent le
débit dans l'autre sens. Une bille peut se déplacer
dans une cavité. Lorsque l'air se déplace dans le
sens contraire au sens de passage, la bille obstrue
le passage et empêche l'air de s'échapper. Cet
élément peut être utilisé pour maintenir un circuit
sous pression en cas de coupure d'alimentation. |
schéma :
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les régulateurs d'échappement :
Les régulateurs d'échappement
ont pour rôle de régler la vitesse des vérins. Ils
s'implantent sur chacun des orifices d' échappement
des distributeurs. Ils sont composés d'un orifice de
passage d'air qui peut être obstrué par une vis de
réglage pour réguler l'échappement. |
schéma :
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les réducteurs de débit unidirectionnel
(RDU):
Ces composants sont destinés à régler le débit
d'air, les RDU sont unidirectionnels. Ils doivent assurer le freinage du débit
d'air dans un sens (gauche droite sens N°1) et le plein passage dans
l'autre sens (droite gauche). Le clapet anti-retour obstrue le passage dans
le sens N°1 et l'oblige à passer par l'étrangleur. |
schéma :
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les silencieux
Les
silencieux sont chargés d'atténuer les bruits d'
échappement de l'air comprimé. Ils peuvent être
constitués soit de chicanes, soit de filtre de
mousse. |
schéma :
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les purges rapides :
Ces accessoires sont utilisés soit
pour accélérer une vitesse de vérin, soit pour éjecter des
pièces par un jet violent d'air comprimé. Lorsque la capacité
est sous pression, un clapet anti-retour obstrue le passage de
l'air comprimé vers l'extérieur. Lorsqu'il y a coupure
d'alimentation, l'air contenu dans la capacité repousse la bille
de la purge et permet à l'air de la capacité ainsi libéré de
sortir violemment et rapidement.
schéma :
Ensemble de conditionnement d'air :
L'air d'un réseau d'air est toujours saturé à
100% d'humidité et la condensation survient quand son point de rosée change,
en l'occurrence quand la T° baisse. L'air sous pression ne "garde" plus son
eau sous forme de vapeur d'eau quand sa T° baisse, la vapeur d'eau se
condense et l'eau passe donc en phase liquide. Dans les cuves, les
réservoirs , les canalisations l'échange thermique avec l'extérieur est
facilité et c'est pour cette raison que l'on y trouve de l'eau condensée.
Pour supprimer la vapeur d'eau contenue dans l'air il faut impérativement
sécher l'air sous pression et ensuite le distribuer. L'air ainsi séché
possède un point de rosée très bas ( -40°C sous pression de 7 bars par
exemple avec des sécheurs par adsorption) le taux de vapeur d'eau équivaut
dans ce cas à celui qu'aurait 1 m3 d' air ambiant à environ -73 °
C donc un air très sec.
(Précisions apportées par M. Patrick Cosmides Directeur
Commercial chez IMF)
Lors du passage de l'air du compresseur à son lieu
d'utilisation, l'air s'enrichit en poussière, rouille des tuyaux des
canalisations. Il est donc nécessaire de le filtrer pour retirer ces
éléments nuisibles au bon fonctionnement des composants, de le lubrifier
pour faciliter le déplacement des organes mobiles des composants
pneumatiques et d'en contrôler la pression. On utilisera à cet effet une
succession de composants, un filtre, un détendeur de pression et un
graisseur à goutte.
schéma :
Ventouses
Ce sont des
éléments de préhension souples destinés à être
utilisés avec un générateur de vide. De matière,
de forme et de diamètre différents elles
permettent de répondre pratiquement à tous les
cas d'applications de manutention. |
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Domaines d'application :
Les industries de l'agro-alimentaire, du verre, du bois. La
prise de pièces en sortie de presse à injecter, l'imprimerie pour le brochage
et le retournement de feuilles, le conditionnement de produits et le chargement
de petits transferts rotatifs, le collage d'étiquettes sur des bouteilles ou
flacons.
Pour les machines de production, en plus des vérins, divers types
d'actionneurs pneumatiques sont utilisés : turbines pour perceuses,
taraudeuses, mouleuses, moteurs, soufflettes, buses de sablage, pistolets à
peinture, ...
Générateur de vide ou "Venturi" :
Fonctionnement :
Un
étranglement prévu à l'intérieur de l'éjecteur provoque une
accélération du flux d'air (P) vers l'orifice R qui entraîne l'air
ambiant de l'orifice A et provoque ainsi une dépression.
Basé sur le principe de l'effet venturi ces appareils
permettent d'obtenir à partir d'une source d'air comprimé à 5 bars, un
vide correspondant à 87 % de la pression atmosphérique.
Avec le développement de l'automatisation de reprise
et d'assemblage, saisir une pièce devient un problème courant. La
préhension par le vide est souvent utilisée.
Remarque : on utilise souvent un silencieux avec un
venturi. |
(doc Télémécanique) |
Étude
dynamique du venturi : l'étranglement (B)
provoque une accélération du flux d'air vers l'orifice de sortie (R) qui
entraîne l'air ambiant de l'orifice (C) et provoquant ainsi une
aspiration. Lorsque l'orifice C est bouché, il y a dépression.
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= k VA²
= |
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SA, SB sections de la veine en
mm²
PA, PB pressions en A et B en
Pascals
VA, VB vitesses du fluide en A et
B
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Schéma :
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