Un actionneur linéaire est un actionneur qui crée un mouvement en ligne droite, contrairement au mouvement circulaire d’un moteur électrique conventionnel. Les actionneurs linéaires sont utilisés dans les machines-outils et les machines industrielles, dans les périphériques d’ordinateurs tels que les lecteurs de disque et les imprimantes, dans les vannes et les amortisseurs, ainsi que dans de nombreux autres endroits où un mouvement linéaire est requis. Les cylindres hydrauliques ou pneumatiques produisent intrinsèquement un mouvement linéaire. De nombreux autres mécanismes sont utilisés pour générer un mouvement linéaire à partir d’un moteur en rotation.

Les types

Actionneurs mécaniques
Les actionneurs linéaires mécaniques fonctionnent généralement par conversion d’un mouvement rotatif en un mouvement linéaire. La conversion se fait généralement via quelques types de mécanismes simples:

Vis: les actionneurs vis à vis, vérin 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.
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. Une roue en rotation déplace un câble, un rack, une chaîne ou une courroie pour produire un mouvement linéaire.
Cam: les actionneurs à came fonctionnent sur un principe similaire à celui du coin, mais offrent une course relativement limitée. Lorsqu’une came en forme de roue tourne, sa forme excentrique fournit une poussée à la base d’un arbre.
Certains actionneurs linéaires mécaniques tirent uniquement, tels que les palans, les chaînes et les courroies. D’autres poussent seulement (comme un actionneur à came). Les vérins pneumatiques et hydrauliques ou les vis-mères peuvent être conçus pour générer une force dans les deux sens.

Les actionneurs mécaniques convertissent généralement le mouvement rotatif d’un bouton de commande ou d’une poignée en déplacement linéaire via des vis et / ou des engrenages auxquels le bouton ou la poignée est attaché. Un vérin ou un cric de voiture est un actionneur mécanique bien connu. Une autre famille d’actionneurs est basée sur la broche segmentée. La rotation de la poignée du cric est convertie mécaniquement en mouvement linéaire de la tête du cric. Les actionneurs mécaniques sont également fréquemment utilisés dans le domaine des lasers et de l’optique pour manipuler la position d’étages linéaires, d’étages rotatifs, de montures de miroirs, de goniomètres et d’autres instruments de positionnement. Pour un positionnement précis et reproductible, des repères d’index peuvent être utilisés sur les boutons de commande. Certains actionneurs incluent un codeur et une lecture numérique de la position. Celles-ci sont similaires aux boutons de réglage utilisés sur les micromètres, sauf que leur but est de régler la position plutôt que de la mesurer.

Actionneurs hydrauliques
Les actionneurs hydrauliques ou les cylindres hydrauliques impliquent typiquement un cylindre creux dans lequel un piston est inséré. Une pression déséquilibrée appliquée au piston génère une force pouvant déplacer un objet externe. Comme les liquides sont presque incompressibles, un cylindre hydraulique peut permettre un déplacement linéaire précis et contrôlé du piston. Le déplacement est uniquement le long de l’axe du piston. Un exemple bien connu d’actionneur hydraulique à commande manuelle est un cric hydraulique de voiture. Typiquement cependant, le terme « actionneur hydraulique » désigne un dispositif contrôlé par une pompe hydraulique.

Actionneurs pneumatiques
Les actionneurs pneumatiques, ou cylindres pneumatiques, sont similaires aux actionneurs hydrauliques, à la différence qu’ils utilisent un gaz comprimé pour générer une force au lieu d’un liquide. Ils fonctionnent de la même manière qu’un piston dans lequel de l’air est pompé à l’intérieur d’une chambre et poussé hors de l’autre côté de la chambre. Les actionneurs pneumatiques ne sont pas nécessairement utilisés pour les machines lourdes et les cas où de grandes quantités de poids sont présentes. L’une des raisons pour lesquelles les actionneurs linéaires pneumatiques sont préférés aux autres types est le fait que la source d’alimentation est simplement un compresseur d’air. L’air constituant la source d’entrée, les actionneurs pneumatiques peuvent être utilisés dans de nombreux lieux d’activité mécanique. L’inconvénient est que la plupart des compresseurs d’air sont volumineux, volumineux et volumineux. Ils sont difficiles à transporter dans d’autres zones une fois installés. Les actionneurs linéaires pneumatiques risquent de fuir, ce qui les rend moins efficaces que les actionneurs linéaires mécaniques.

Actionneurs piézoélectriques
L’effet piézoélectrique est une propriété de certains matériaux dans laquelle l’application d’une tension sur le matériau provoque son expansion. Les très hautes tensions ne correspondent qu’à de très petites extensions. De ce fait, les actionneurs piézoélectriques peuvent atteindre une résolution de positionnement extrêmement fine, mais ont également une très courte plage de mouvement. De plus, les matériaux piézoélectriques présentent une hystérésis, ce qui rend difficile le contrôle de leur expansion de manière répétable.

Actionneurs en polymère torsadé et enroulé (TCP)
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 que le msucle reste étendu. L’énergie électrique se transforme en énergie thermique en raison de la résistance électrique, également appelée chauffage par effet Joule, par chauffage ohmique et par 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 électromécaniques
Les actionneurs électromécaniques sont similaires aux actionneurs mécaniques, à la différence que le bouton ou la poignée de commande est remplacé par un moteur électrique. Le mouvement rotatif du moteur est converti en déplacement linéaire. Il existe de nombreuses conceptions d’actionneurs linéaires modernes et chaque entreprise qui les fabrique a généralement une méthode brevetée. Ce qui suit est une description généralisée d’un très simple actionneur linéaire électromécanique.

Conception simplifiée
Typiquement, un moteur électrique est connecté mécaniquement pour faire tourner une vis mère.Une vis-mère a un filetage hélicoïdal continu usiné sur sa circonférence et s’étendant sur toute la longueur (similaire au filetage d’un boulon). Un écrou de serrage ou un écrou à bille avec un filetage hélicoïdal correspondant est fileté sur la vis mère. L’écrou ne peut pas tourner avec la vis-mère (en général, l’écrou se verrouille avec une partie non rotative du corps de l’actionneur). Par conséquent, lorsque la vis mère est tournée, l’écrou sera entraîné le long des filets. Le sens de déplacement de l’écrou dépend du sens de rotation de la vis mère. En reliant les liaisons à l’écrou, le mouvement peut être converti en déplacement linéaire utilisable. La plupart des actionneurs actuels sont conçus pour une vitesse élevée, une force élevée ou un compromis entre les deux. Lorsque vous envisagez un actionneur pour une application particulière, les spécifications les plus importantes sont généralement le déplacement, la vitesse, la force, la précision et la durée de vie. La plupart des variétés sont montées sur des amortisseurs ou des vannes papillon.

Il existe de nombreux types de moteurs pouvant être utilisés dans un système d’actionneur linéaire.Ceux-ci incluent les balais CC, les balais CC, les moteurs pas à pas ou, dans certains cas, les moteurs à induction. Tout dépend des exigences de l’application et des charges que l’actionneur est conçu pour déplacer. Par exemple, un actionneur linéaire utilisant un moteur à induction alternatif de puissance en chevaux entraînant une vis-mère peut être utilisé pour faire fonctionner une grande vanne dans une raffinerie. Dans ce cas, la précision et une résolution de mouvement élevée ne sont pas nécessaires, mais une force et une vitesse élevées le sont. Pour les actionneurs linéaires électromécaniques utilisés dans la robotique d’instrumentation de laboratoire, les équipements optiques et laser ou les tables XY, une résolution fine de l’ordre du micron et une précision élevée peuvent nécessiter l’utilisation d’un actionneur linéaire de moteur pas à pas de puissance réduite avec une vis sans fin. Il existe de nombreuses variantes dans le système d’actionneur linéaire électromécanique. Il est essentiel de comprendre les exigences de conception et les contraintes d’application pour savoir laquelle conviendrait le mieux.

Construction standard vs compacte
Un actionneur linéaire utilisant des moteurs standard aura généralement le moteur sous la forme d’un cylindre séparé fixé sur le côté de l’actionneur, soit parallèle à l’actionneur, soit perpendiculaire à l’actionneur. Le moteur peut être fixé à l’extrémité de l’actionneur. Le moteur d’entraînement est de construction typique avec un arbre d’entraînement solide qui est engrené à l’écrou d’entraînement ou à la vis d’entraînement de l’actionneur.

Les actionneurs linéaires compacts utilisent des moteurs spécialement conçus pour tenter d’adapter le moteur et l’actionneur dans la forme la plus petite possible.

Le diamètre intérieur de l’arbre du moteur peut être agrandi, de sorte que l’arbre d’entraînement puisse être creux. La vis et l’écrou d’entraînement peuvent donc occuper le centre du moteur sans qu’un engrenage supplémentaire ne soit nécessaire entre le moteur et la vis d’entraînement.
De même, le moteur peut avoir un très petit diamètre extérieur, mais les faces des pôles sont étirées dans le sens de la longueur, de sorte que le moteur peut encore avoir un couple très élevé lors du montage dans un espace de petit diamètre.
Des principes
Dans la plupart des conceptions d’actionneurs linéaires, le principe de fonctionnement de base est celui d’un plan incliné. Les filetages d’une vis-mère servent de rampe continue qui permet d’utiliser une faible force de rotation sur une longue distance pour accomplir le mouvement d’une charge importante sur une courte distance.

Variations
De nombreuses variations sur la conception de base ont été créées. La plupart se concentrent sur les améliorations générales, telles que l’efficacité mécanique, la vitesse ou la capacité de charge. Il existe également un grand mouvement d’ingénierie vers la miniaturisation des actionneurs.

La plupart des conceptions électromécaniques comprennent une vis-mère et un écrou. Certains utilisent une vis à billes et un écrou à billes. Dans les deux cas, la vis peut être connectée à un moteur ou à un bouton de commande manuel, directement ou via une série d’engrenages. Les engrenages sont généralement utilisés pour permettre à un moteur plus petit (et plus faible) de tourner à un régime plus élevé d’être réduit afin de fournir le couple nécessaire pour faire tourner la vis sous une charge plus lourde que le moteur ne pourrait autrement entraîner directement.Effectivement, cela sacrifie la vitesse de l’actionneur au profit d’une poussée accrue de l’actionneur.Dans certaines applications, l’utilisation d’engrenages à vis sans fin est courante car cela permet une plus petite dimension intégrée tout en permettant une grande longueur de parcours.

Un actionneur linéaire à écrou mobile a un moteur qui reste attaché à une extrémité de la vis mère (peut-être indirectement via une boîte à engrenages), le moteur tourne la vis mère et l’écrou est empêché de tourner, de sorte qu’il monte et descend le vis mère.

Un actionneur linéaire à vis mobile comporte une vis mère qui traverse entièrement le moteur. Dans un actionneur linéaire à vis mobile, le moteur « rampe » de haut en bas sur une vis mère empêchée de tourner. Les seules pièces tournantes sont à l’intérieur du moteur et peuvent ne pas être visibles de l’extérieur.

Certaines vis-mères ont plusieurs « départs ». Cela signifie qu’ils ont plusieurs filets alternant sur le même arbre. Une façon de visualiser cela est en comparaison avec les rayures multicolores sur une canne en bonbon. Cela permet un meilleur ajustement entre le pas du filetage et la zone de contact du filetage écrou / vis, ce qui détermine la vitesse d’extension et la capacité de charge (des filets), respectivement.

Capacité de charge statique
Les actionneurs linéaires à vis peuvent avoir une capacité de charge statique, ce qui signifie que lorsque le moteur s’arrête, l’actionneur se verrouille essentiellement en place et peut supporter une charge qui tire ou pousse l’actionneur. Cette capacité de charge statique augmente la mobilité et la vitesse.

La force de freinage de l’actionneur varie en fonction du pas angulaire des filets de la vis et de la conception spécifique des filets. Les filetages Acme ont une capacité de charge statique très élevée, tandis que les vis à billes ont une capacité de charge extrêmement basse et peuvent presque flotter librement.

En règle générale, il n’est pas possible de faire varier la capacité de charge statique des actionneurs à vis sans technologie supplémentaire. La conception du pas de filetage et de l’écrou d’entraînement définit une capacité de charge spécifique qui ne peut pas être ajustée de manière dynamique.

Dans certains cas, une graisse à haute viscosité peut être ajoutée aux actionneurs linéaires à vis pour augmenter la charge statique. Certains fabricants l’utilisent pour modifier la charge en fonction de besoins spécifiques.

La capacité de charge statique peut être ajoutée à un actionneur à vis linéaire utilisant un système de freinage électromagnétique, qui applique un frottement à l’écrou d’entraînement en rotation. Par exemple, un ressort peut être utilisé pour appliquer des patins de frein sur l’écrou d’entraînement, en le maintenant en position lorsque l’alimentation est coupée. Lorsque l’actionneur doit être déplacé, un électroaimant neutralise le ressort et libère la force de freinage sur l’écrou d’entraînement.

De la même manière, un mécanisme à cliquet électromagnétique peut être utilisé avec un actionneur linéaire à vis, de sorte que le système d’entraînement soulevant une charge se bloque lorsque l’alimentation de l’actionneur est coupée. Pour abaisser l’actionneur, un électro-aimant est utilisé pour neutraliser la force du ressort et déverrouiller le cliquet.

Capacité de charge dynamique
La capacité de charge dynamique est généralement appelée la quantité de force que l’actionneur linéaire est capable de fournir pendant le fonctionnement. Cette force varie en fonction du type de vis (quantité de friction limitant le mouvement) et du moteur entraînant le mouvement. La charge dynamique est le chiffre par lequel la plupart des actionneurs sont classés et constitue une bonne indication des applications qui conviendraient le mieux.

Contrôle de vitesse
Dans la plupart des cas, lors de l’utilisation d’un actionneur électromécanique, il est préférable de disposer d’un certain type de contrôle de la vitesse. De tels contrôleurs font varier la tension fournie au moteur, ce qui modifie à son tour la vitesse à laquelle la vis mère tourne. Le réglage du rapport de transmission est un autre moyen de régler la vitesse. Certains actionneurs sont disponibles avec plusieurs options de transmission différentes.

Cycle de service
Le cycle de service d’un moteur correspond à la durée pendant laquelle l’actionneur peut fonctionner avant de devoir refroidir. Rester dans cette ligne directrice lors de l’utilisation d’un actionneur est la clé de sa longévité et de ses performances. Si le facteur de marche est dépassé, la surchauffe, la perte de puissance et la combustion éventuelle du moteur sont à craindre.

Moteurs linéaires
Un moteur linéaire est fonctionnellement identique à un moteur électrique rotatif avec les composants du champ magnétique circulaire du rotor et du stator disposés en ligne droite. Lorsqu’un moteur rotatif tourne et réutilise les mêmes faces polaires magnétiques, les structures de champ magnétique d’un moteur linéaire se répètent physiquement sur toute la longueur de l’actionneur.

Étant donné que le moteur se déplace de manière linéaire, aucune vis-mère n’est nécessaire pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Bien qu’une grande capacité soit possible, les limitations matérielles et / ou motrices de la plupart des conceptions sont dépassées relativement rapidement du fait qu’elles reposent uniquement sur des forces d’attraction et de répulsion magnétiques. La plupart des moteurs linéaires ont une faible capacité de charge par rapport à d’autres types d’actionneurs linéaires. Les moteurs linéaires présentent un avantage dans les environnements extérieurs ou sales, dans la mesure où les deux moitiés n’ont pas besoin de se mettre en contact. Les bobines de commande électromagnétiques peuvent ainsi être imperméabilisées et scellées contre l’humidité et la corrosion, ce qui permet une très longue durée de vie.

Actionneur linéaire télescopique
Les actionneurs linéaires télescopiques sont des actionneurs linéaires spécialisés utilisés lorsqu’il existe des restrictions d’espace. Leur amplitude de mouvement est plusieurs fois supérieure à la longueur non étendue de l’organe d’actionnement.

Une forme commune est constituée de tubes concentriques de longueur approximativement égale qui s’étendent et se rétractent comme des manchons, l’un dans l’autre, tels que le cylindre télescopique.

D’autres actionneurs télescopiques plus spécialisés utilisent des organes de commande qui agissent comme des arbres linéaires rigides lorsqu’ils sont étendus, mais rompent cette ligne en se pliant, en se séparant et / ou en se déroulant lorsqu’ils sont rétractés. Voici des exemples d’actionneurs linéaires télescopiques:

Actionneur à bande hélicoïdale
Actionneur à courroie rigide
Actionneur à chaîne rigide
Broche segmentée

Avantages et inconvénients

Type d’actionneur	Les avantages	Désavantages
Mécanique	Pas cher. Répétable. Aucune source d’alimentation requise. Autonome.Comportement identique en extension ou en retrait.	Fonctionnement manuel uniquement. Pas d’automatisation.
Électromécanique	Pas cher. Répétable. L’opération peut être automatisée. Autonome.Comportement identique en extension ou en retrait. DC ou moteurs pas à pas.Retour de position possible.	Beaucoup de pièces mobiles sujettes à l’usure.
Moteur linéaire	Conception simple. Minimum de pièces en mouvement. Hautes vitesses possibles. Autonome. Comportement identique en extension ou en retrait.	Force faible à moyenne.
Piézoélectrique	Très petits mouvements possibles à haute vitesse. Consomme à peine tout pouvoir.	Courte course sauf amplification mécanique.Haute tension requise, généralement 24 V ou plus. Cher et fragile. Bon en compression seulement, pas en tension. Généralement utilisé pour les injecteurs de carburant.
Polymère tordu et enroulé (TCP)	léger, simple	Faible efficacité, haute température, seulement contraction
Hydraulique	Très grandes forces possibles. Rapport puissance / taille (ou densité de puissance) relativement élevé.	Peut fuir. Nécessite un retour de position pour la répétabilité. Pompe hydraulique externe requise. Certains modèles ne valent que pour la compression.
Pneumatique	Fort, léger, simple, rapide.	Contrôle de position précis impossible sauf aux arrêts complets
Moteur de cire	Un fonctionnement en douceur.	Pas aussi fiable que d’autres méthodes.
Broche segmentée	Très compact. Amplitude de mouvement supérieure à la longueur de l’actionneur.	Mouvement linéaire et rotatif.
Bobine mobile	La force, la position et la vitesse sont contrôlables et répétables. Capable de grandes vitesses et de positionnement précis. Actions linéaires, rotatives et linéaires + rotatives possibles.	Nécessite un retour de position pour pouvoir être reproduit.
MICA (actionneur à commande de fer mobile)	Force élevée et contrôlable. Force supérieure et moins de pertes que les bobines en mouvement. Les pertes sont faciles à dissiper. Pilote électronique facile à concevoir et à configurer.	Course limitée à plusieurs millimètres, moins de linéarité que le déplacement de bobines.