Un actionneur est un composant d’une machine chargé de déplacer et de contrôler un mécanisme ou un système, par exemple en ouvrant une vanne. En termes simples, c’est un « déménageur ».

Un actionneur nécessite un signal de commande et une source d’énergie. Le signal de commande a une énergie relativement faible et peut être une tension ou un courant électrique, une pression pneumatique ou hydraulique ou même une alimentation humaine. Sa source d’énergie principale peut être un courant électrique, une pression de fluide hydraulique ou une pression pneumatique. Lorsqu’il reçoit un signal de commande, un actionneur répond en convertissant l’énergie du signal en un mouvement mécanique.

Un actionneur est le mécanisme par lequel un système de contrôle agit sur un environnement. Le système de contrôle peut être simple (système mécanique ou électronique fixe), basé sur un logiciel (pilote d’imprimante, système de contrôle de robot, par exemple), humain ou toute autre entrée.

L’histoire
L’histoire du système d’actionnement pneumatique et du système d’actionnement hydraulique remonte à peu près à l’époque de la Seconde Guerre mondiale (1938). Il a d’abord été créé par Xhiter Anckeleman (prononcé «Ziter»), qui a mis à profit ses connaissances en matière de moteurs et de systèmes de freinage pour proposer une nouvelle solution garantissant que les freins d’une voiture exercent une force maximale, avec le moins d’usure possible.

Hydraulique
Un actionneur hydraulique est constitué d’un cylindre ou d’un moteur à fluide utilisant l’énergie hydraulique pour faciliter le fonctionnement mécanique. Le mouvement mécanique donne une sortie en termes de mouvement linéaire, rotatoire ou oscillant. Comme les liquides sont presque impossibles à comprimer, un actionneur hydraulique peut exercer une force importante. L’inconvénient de cette approche est son accélération limitée.

Le cylindre hydraulique est constitué d’un tube cylindrique creux sur lequel un piston peut glisser. Le terme simple action est utilisé lorsque la pression de fluide est appliquée sur un seul côté du piston. Le piston ne peut se déplacer que dans un sens, un ressort étant fréquemment utilisé pour donner au piston une course de retour. Le terme double effet est utilisé lorsque la pression est appliquée de chaque côté du piston; toute différence de pression entre les deux côtés du piston déplace le piston d’un côté ou de l’autre.

Pneumatique
Les actionneurs pneumatiques permettent de générer des efforts considérables dus à des variations de pression relativement faibles. Un actionneur pneumatique convertit l’énergie formée par le vide ou l’air comprimé à haute pression en un mouvement linéaire ou rotatif. L’énergie pneumatique est souhaitable pour les commandes du moteur principal, car elle peut réagir rapidement au démarrage et à l’arrêt, car la source d’alimentation n’a pas besoin d’être stockée en réserve pour fonctionner. De plus, les actionneurs pneumatiques sont plus sûrs, moins chers, et souvent plus fiables et puissants que les autres actionneurs. Ces forces sont souvent utilisées avec les vannes pour déplacer les diaphragmes afin d’affecter le flux d’air à travers la vanne.

Électrique
Un actionneur électrique est alimenté par un moteur qui convertit l’énergie électrique en couple mécanique. L’énergie électrique est utilisée pour actionner des équipements tels que des vannes multitours. De plus, un frein est généralement installé au-dessus du moteur pour empêcher le support d’ouvrir la vanne. Si aucun frein n’est installé, l’actionneur va découvrir la vanne ouverte et la faire pivoter dans sa position fermée. Si cela continue, le moteur et l’actionneur finiront par être endommagés. Il s’agit de l’une des formes d’actionneur les plus propres et les plus facilement disponibles, car elle n’implique pas directement du pétrole ou d’autres combustibles fossiles.

La structure d’un actionneur électrique est simple comparée à celle des actionneurs hydrauliques et pneumatiques, car ils ne nécessitent que de l’énergie électrique en tant que source d’énergie. Comme les câbles électriques sont utilisés pour transmettre de l’électricité et des signaux, il est extrêmement polyvalent et il n’existe pratiquement aucune restriction quant à la distance entre la source d’alimentation et l’actionneur.

Il existe un grand nombre de modèles et il est facile de les utiliser avec des moteurs électriques standardisés en fonction de l’application. Dans la plupart des cas, il est nécessaire d’utiliser des réducteurs, car les moteurs fonctionnent en continu.

Utilisation d’un piston électrique pour entraîner une petite valve.

La forme la plus simple pour l’entraînement par piston consisterait à installer un levier intégré à une charnière fixée à une surface parallèle à l’axe du piston d’entraînement et aux entrées filetées.

Il existe des fils musculaires®, qui permettent des mouvements silencieux sans moteur. C’est la technologie la plus innovante pour la robotique et l’automatisation, ainsi que pour la mise en œuvre de petits actionneurs.

Il existe également des polymères électroactifs, PEA (pour son acronyme en espagnol) ou EAP (pour son acronyme en anglais), polymères qui changent généralement de forme ou de taille lorsqu’ils sont stimulés par un champ électrique. Ils sont principalement utilisés comme actionneurs, capteurs ou génération de muscles artificiels destinés à la robotique et à la prothèse.

Polymères torsadés et enroulés (TCP) ou polymères super enroulés (SCP)
Actionneur en polymère torsadé et enroulé (TCP) également connu sous le nom d’actionneur en polymère enroulé (SCP) est un polymère enroulé qui peut être actionné par courant électrique. Un actionneur TCP ressemble à un ressort hélicoïdal. Les actionneurs TCP sont généralement fabriqués à partir de nylon revêtu d’argent. Les actionneurs TCP peuvent également être fabriqués à partir d’une autre couche de conductance électrique telle que l’or. L’actionneur TCP doit être soumis à une charge pour maintenir le muscle étendu. L’énergie électrique se transforme en énergie thermique en raison de la résistance électrique, également appelée chauffage par effet Joule, chauffage ohmique et chauffage par résistance. Lorsque la température de l’actionneur TCP augmente en chauffant par effet Joule, le polymère se contracte et provoque la contraction de l’actionneur.

Actionneurs piézoélectriques
Sont ces dispositifs qui produisent un mouvement (déplacement) tirant parti du phénomène physique de la piézoélectricité. Les actionneurs qui utilisent cet effet sont disponibles depuis environ 20 ans et ont changé le monde du positionnement. Le mouvement précis résultant de l’application d’un champ électrique sur le matériau est très utile pour le nano-positionnement.

Il est possible de distinguer les types suivants:

Type de pile
De type « Flexure »
Combiné avec un système de positionnement motorisé de haut niveau

Thermique ou magnétique
Des actionneurs pouvant être actionnés par application d’énergie thermique ou magnétique ont été utilisés dans des applications commerciales. Les actionneurs thermiques ont tendance à être compacts, légers, économiques et à forte densité de puissance. Ces actionneurs utilisent des matériaux à mémoire de forme (SMM), tels que des alliages à mémoire de forme (SMA) ou des alliages à mémoire de forme magnétique (MSMA). Finnish Modti Inc., American Dynalloy et Rotork sont des fabricants réputés de ces appareils.

Mécanique
Un actionneur mécanique fonctionne pour exécuter un mouvement en convertissant un type de mouvement, tel qu’un mouvement rotatif, en un autre type, tel qu’un mouvement linéaire. Un exemple est un pignon et une crémaillère. Le fonctionnement des actionneurs mécaniques repose sur des combinaisons de composants structurels, tels que des engrenages et des rails, ou des poulies et des chaînes.

Actionneurs électroniques
Les actionneurs électroniques sont également largement utilisés dans les dispositifs mécatroniques, tels que les robots. Les servomoteurs AC sans balai seront utilisés à l’avenir comme actionneurs de positionnement précis en raison de la demande d’exploitation sans autant d’heures de maintenance que l’énergie nucléaire.

Actionneurs hydrauliques
Les actionneurs hydrauliques, qui sont les plus anciens, peuvent être classés en fonction de la forme de fonctionnement, fonctionnent sur la base de fluides sous pression. Il y a trois groupes principaux:

cylindre hydraulique
moteur hydraulique
moteur oscillant hydraulique
Cylindre hydraulique
Selon sa fonction, les cylindres hydrauliques peuvent être classés en 2 types: simple effet et double action. Dans le premier type, la force hydraulique est utilisée pour pousser et une force externe, différente, pour se contracter. Le second type utilise l’énergie hydraulique pour effectuer les deux actions. La commande de direction est effectuée à l’aide d’un solénoïde. À l’intérieur, ils ont un ressort qui change de constante élastique avec le passage du courant. Autrement dit, si le courant traverse le piston électrique, il peut être facilement étendu.

Cylindre de pression dynamique
Porter la charge à la base du cylindre. Les coûts de fabrication sont généralement faibles car aucune pièce ne glisse dans le cylindre.

Cylindre à simple effet
La barre est seulement à une extrémité du piston, qui est contracté par des ressorts ou par la même gravité. La charge ne peut être placée qu’à une extrémité du cylindre.

Cylindre à double effet
La charge peut être placée de chaque côté du cylindre. Une impulsion horizontale est générée en raison de la différence de pression entre les extrémités du piston.

Cylindre télescopique
La barre de type de tube à plusieurs étages est poussée successivement lorsqu’elle est appliquée au cylindre d’huile sous pression. Une course relativement longue peut être obtenue par rapport à la longueur du cylindre

Moteur hydraulique
Dans les moteurs hydrauliques, le mouvement de rotation est généré par la pression. Ces moteurs peuvent être classés en deux grands groupes: le premier est un type rotatif dans lequel les engrenages sont entraînés directement par de l’huile sous pression, et le second, de type oscillant, le mouvement rotatif est généré par l’action oscillatoire d’un piston ou d’un marteau; Ce type a une demande plus élevée en raison de sa plus grande efficacité. Ci-dessous le classement de ce type de moteur

Moteur à engrenages
Moteur rotatif à palettes
Moteur à hélice
Moteur hydraulique Moteur à came excentrique
Piston axial
Moteur de type oscillant à axe incliné
Moteur à engrenages: L’huile sous pression s’écoule de l’entrée et agit sur la face dentée de chaque engrenage en générant un couple dans le sens de la flèche. La structure du moteur est simple, il est donc vivement recommandé de l’utiliser dans les opérations à grande vitesse.
Moteur à piston à axe incliné
L’huile sous pression qui passe par l’entrée pousse le piston contre la bride et la force résultante dans le sens radial provoque la rotation de l’arbre et du bloc-cylindres dans le sens de la flèche. Ce type de moteur est très pratique pour les applications à haute pression et à grande vitesse. Il est possible de modifier sa capacité en modifiant l’angle d’inclinaison de l’axe.

Moteur oscillant à piston axial
Sa fonction est d’absorber un certain volume de fluide sous pression et de le renvoyer dans le circuit lorsqu’il en a besoin.

Actionneurs pneumatiques
Les mécanismes qui convertissent l’énergie de l’air comprimé en travail mécanique sont appelés des actionneurs pneumatiques. Bien qu’ils soient essentiellement identiques aux actionneurs hydrauliques, la plage de compression est plus faible dans ce cas. De plus, il existe une petite différence en termes d’utilisation et de structure, liée aux éléments d’alimentation (air). sont différentes de celles utilisées dans les cylindres hydrauliques.

Dans cette classification figurent les soufflets et les diaphragmes, qui utilisent de l’air comprimé et sont considérés comme de simples actionneurs à effet, ainsi que les muscles en caoutchouc artificiels, qui ont récemment fait l’objet de beaucoup d’attention.

Effet simple
Cylindre pneumatique
Actionneur pneumatique à double effet
Actionneur linéaire à double effet sans queue
Avec pignon et crémaillère
Avec engrenage et double fermeture éclair
Moteur pneumatique à palette
Avec piston
Avec une girouette en même temps
Multivalve
Moteur rotatif à piston
De la fente verticale
Piston
Soufflet, diaphragme et muscle artificiel
Cylindre à simple effet
Palettes rotatives
Ce sont des éléments moteurs conçus pour fournir un tour limité dans un arbre de sortie. La pression atmosphérique agit directement sur une ou deux pales imprimant un mouvement de rotation. Celles-ci ne dépassent pas 270 ° et celles de la double palette ne dépassent pas 90 °.

Parties d’un actionneur
Système « Clé de sécurité »: Cette méthode de clé de sécurité pour retenir les capots d’actionneurs utilise un ruban en acier inoxydable cylindrique flexible dans une rainure de glissement usinée. Ceci élimine la concentration des contraintes causées par les charges centrées sur les vis des capots et des hélicoïdes. Les clés de sécurité augmentent considérablement la force de l’actionneur et offrent un verrou de sécurité contre les désaccouplements dangereux.
Pignon avec rainure: cette rainure dans la partie supérieure du pignon permet une transmission directe à centrage automatique pour les indicateurs de position et les commutateurs de position, éliminant ainsi l’utilisation de brides d’accouplement. (Sous la norme namuroise).
Roulements d’épissure: Ces roulements épissés et filetés simplifient le couplage des raccords à monter sur le dessus. (Selon les normes ISO 5211 et VDI).
Passage d’air large: Les conduits internes pour le passage d’air extra large permettent un fonctionnement rapide et évitent leur blocage.
Caractéristiques: Une nouvelle conception et une durabilité maximale, lubrifiée en permanence, résistante à la corrosion et facile à remplacer, prolonge la durée de vie de l’actionneur dans les applications les plus difficiles.
Construction: Une force maximale doit être exercée contre les bosses, les chocs et la fatigue. Son pignon et crémaillère doit être de grand calibre, il doit être usiné avec des machines de haute précision, et élimine le jeu pour pouvoir obtenir des positions précises.
Ceramigard: surface solide, résistant à la corrosion, semblable à la céramique. Protège toutes les pièces de l’actionneur contre l’usure et la corrosion.
Revêtement: Un double revêtement pour une protection supplémentaire contre les environnements agressifs.
Couplage: Couplage ou désaccouplement des modules de remplacement à ressort, ou sécurité en cas de défaillance de la pression d’air.
Vis de réglage de la course: permet de régler la rotation du pignon dans les deux sens de la marche; ce qui est essentiel pour chaque vanne à quart de tour.
Pignons radiaux et porteurs du pignon: Tourillons remplaçables qui protègent des charges verticales. Les silencieux radiaux supportent toute la charge radiale.
Joints de pignon – supérieur et inférieur: Les joints de pignon sont positionnés de manière à minimiser tout espacement possible et à protéger contre la corrosion.
Ressorts de sécurité indestructibles en cas de défaillance: Ces ressorts sont conçus et fabriqués pour ne jamais tomber en panne et sont ensuite protégés contre la corrosion. Les sources sont classées et affectées d’une manière particulière pour compenser la perte de mémoire à laquelle chaque source est soumise; pour une véritable confiance en cas de défaillance de l’alimentation en air.

Les actionneurs les plus courants sont:

Cylindres pneumatiques et hydrauliques. Ils effectuent des mouvements linéaires.
Moteurs (actionneurs tournants) pneumatiques et hydrauliques. Ils effectuent des mouvements de rotation au moyen d’énergie hydraulique ou pneumatique.
Vannes Il existe des commandes directes, motorisées, électropneumatiques, etc. Elles servent à réguler le débit de gaz et de liquides.
Résistances chauffantes. Ils sont utilisés pour chauffer.
Moteurs électriques. Les plus utilisés sont l’induction, le continu, le brushless et le pas à pas.
Pompes, compresseurs et ventilateurs. Déplacé généralement par les moteurs électriques à induction.

Actionneurs souples imprimés en 3D
Des actionneurs souples sont en cours de développement pour manipuler des objets fragiles tels que la récolte de fruits en agriculture ou la manipulation des organes internes en biomédecine, une tâche ardue depuis toujours pour la robotique. Contrairement aux actionneurs conventionnels, les actionneurs souples produisent un mouvement flexible en raison de l’intégration des modifications microscopiques au niveau moléculaire dans une déformation macroscopique des matériaux de l’actionneur.

La majorité des actionneurs mous existants sont fabriqués à l’aide de processus à plusieurs rendements à faible rendement tels que le micromoulage, la fabrication de formes libres solides et la lithographie par masque. Cependant, ces méthodes nécessitent une fabrication manuelle des dispositifs, un post-traitement / assemblage et de longues itérations jusqu’à la maturité de la fabrication. Pour éviter les aspects fastidieux et fastidieux des processus de fabrication actuels, les chercheurs explorent une approche de fabrication appropriée pour une fabrication efficace d’actionneurs souples. Par conséquent, des systèmes logiciels spéciaux pouvant être fabriqués en une seule étape à l’aide de méthodes de prototypage rapide, telles que l’impression 3D, sont utilisés pour réduire l’écart entre la conception et la mise en oeuvre d’actionneurs logiciels, ce qui rend le processus plus rapide, moins coûteux et plus simple. Ils permettent également d’incorporer tous les composants de l’actionneur dans une structure unique, éliminant ainsi la nécessité d’utiliser des joints externes, des adhésifs et des fixations. Cela se traduit par une diminution du nombre de pièces discrètes, des étapes de post-traitement et du temps de fabrication.

Les actionneurs mous imprimés en 3D sont classés en deux groupes principaux, à savoir les «actionneurs mous imprimés semi-3D» et les «actionneurs mous imprimés 3D». La raison de cette classification est de faire la distinction entre les actionneurs souples imprimés fabriqués au moyen d’un procédé d’impression 3D dans son ensemble et les actionneurs doux dont les pièces sont fabriquées par des imprimantes 3D et post-traitées ultérieurement. Cette classification permet de clarifier les avantages des actionneurs souples imprimés en 3D par rapport aux actionneurs souples imprimés semi-3D en raison de leur capacité à fonctionner sans aucun assemblage supplémentaire.

Les actionneurs à polymères à mémoire de forme (SMP) sont les plus similaires à nos muscles, ils répondent à une gamme de stimuli tels que la lumière, les changements électriques, magnétiques, la chaleur, le pH et l’humidité. Ils présentent des inconvénients, notamment la fatigue et le temps de réponse élevé, qui ont été améliorés grâce à l’introduction de matériaux intelligents et à la combinaison de différents matériaux au moyen d’une technologie de fabrication avancée. L’avènement des imprimantes 3D a ouvert une nouvelle voie pour la fabrication d’actionneurs SMP à faible coût et à réponse rapide. Le processus de réception de stimuli externes tels que la chaleur, l’humidité, une entrée électrique, la lumière ou un champ magnétique via SMP est appelé effet de mémoire de forme (SME). Le SMP présente certaines caractéristiques intéressantes telles que la faible densité, la récupération des contraintes, la biocompatibilité et la biodégradabilité.

Les polymères photopolymères / activés par la lumière (LAP) sont un autre type de SMP qui sont activés par des stimuli lumineux. Les actionneurs LAP peuvent être contrôlés à distance avec une réponse instantanée et, sans contact physique, uniquement avec une variation de la fréquence ou de l’intensité de la lumière.

Le besoin d’actionneurs mous souples, légers et biocompatibles dans la robotique douce a incité les chercheurs à concevoir des actionneurs pneumatiques doux en raison de leur nature de conformité intrinsèque et de leur capacité à produire une tension musculaire.

Les polymères tels que les élastomères diélectriques (DE), les composites polymères ioniques (IPMC), les polymères électroactifs ioniques, les gels de polyélectrolytes et les composites gel-métal sont des matériaux courants pour former des structures stratifiées 3D pouvant être adaptées pour fonctionner comme des actionneurs souples. Les actionneurs EAP sont classés dans la catégorie des actionneurs souples imprimés en 3D qui réagissent à l’excitation électrique par une déformation de leur forme.

Exemples et applications
En ingénierie, les actionneurs sont fréquemment utilisés comme mécanismes pour introduire un mouvement ou pour bloquer un objet afin d’empêcher tout mouvement. En ingénierie électronique, les actionneurs sont une subdivision des transducteurs. Ce sont des dispositifs qui transforment un signal d’entrée (principalement un signal électrique) en une forme de mouvement.

Exemples d’actionneurs
Peigne
Dispositif micromirror numérique
Moteur électrique
Polymère électroactif
Cylindre hydraulique
Actionneur piézoélectrique
Actionneur pneumatique
Vérin à vis
Servomécanisme
Solénoïde
Moteur pas à pas
Alliage à mémoire de forme
Bimorphe thermique
Actionneurs hydrauliques

Conversion circulaire en linéaire
Les moteurs sont principalement utilisés lorsque des mouvements circulaires sont nécessaires, mais peuvent également être utilisés pour des applications linéaires en transformant un mouvement circulaire en un mouvement linéaire avec une vis mère ou un mécanisme similaire. Par ailleurs, certains actionneurs sont intrinsèquement linéaires, tels que les actionneurs piézoélectriques. La conversion entre les mouvements circulaires et linéaires s’effectue généralement via quelques types simples de mécanismes, notamment:

Vis: Les vérins à vis, à vis à billes et à vis à rouleaux fonctionnent tous sur le principe de la machine simple appelée vis. En tournant l’écrou de l’actionneur, l’axe de la vis se déplace en ligne. En déplaçant la tige de la vis, l’écrou tourne.
Roues et essieux: Les actionneurs de palan, treuil, pignon et crémaillère, entraînement par chaîne, entraînement par courroie, chaîne rigide et courroie rigide fonctionnent selon le principe de la roue et de l’essieu. En faisant tourner une roue / un axe (par exemple un tambour, un engrenage, une poulie ou un arbre), un élément linéaire (par exemple un câble, une crémaillère, une chaîne ou une courroie) se déplace. En déplaçant l’élément linéaire, la roue / l’essieu tourne.
Instrumentation virtuelle
Dans l’instrumentation virtuelle, les actionneurs et les capteurs sont les compléments matériels des instruments virtuels.

Indicateurs de performance
Les paramètres de performance des actionneurs incluent la vitesse, l’accélération et la force (ou la vitesse angulaire, l’accélération angulaire et le couple), l’efficacité énergétique et des considérations telles que la masse, le volume, les conditions de fonctionnement et la durabilité.

Obliger
Lors de la prise en compte de la force dans les actionneurs pour applications, deux métriques principales doivent être prises en compte. Ces deux charges sont statiques et dynamiques. La charge statique est la capacité de force de l’actionneur lorsqu’il n’est pas en mouvement. Inversement, la charge dynamique de l’actionneur est la capacité de force en mouvement.

La vitesse
La vitesse doit être envisagée principalement à vide, car elle va inévitablement diminuer à mesure que la charge augmente. La vitesse à laquelle la vitesse diminuera sera directement corrélée à la quantité de force et à la vitesse initiale.

Des conditions de fonctionnement
Les actionneurs sont généralement évalués à l’aide du système d’évaluation IP standard. Ceux qui ont été conçus pour des environnements dangereux auront un indice de protection supérieur à ceux utilisés pour une utilisation personnelle ou industrielle.

Durabilité
Ceci sera déterminé par chaque fabricant, en fonction de l’utilisation et de la qualité.