Dans de nombreux domaines, tels que l’industrie manufacturière, la robotique ou les appareils médicaux, les actionneurs jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des machines. Le terme « actionneur » désigne de manière générale tout dispositif utilisant une énergie (électrique, hydraulique ou pneumatique, par exemple) pour déplacer des pièces mobiles. On les retrouve dans de nombreuses situations de la vie quotidienne, notamment dans les mécanismes d’ouverture et de fermeture des portes automatiques ou dans l’articulation des bras robotiques.Bien que l’on parle globalement d’« actionneurs », il en existe plusieurs types, notamment les actionneurs électriques, pneumatiques et hydrauliques, dont les mécanismes et les domaines d’application varient considérablement.
Dans cet article, nous vous présentons de manière systématique la définition de base des actionneurs, le fonctionnement de chaque type, ainsi que leurs applications les plus courantes. Nous y avons également répertorié les critères de sélection en fonction des applications, ce qui vous permettra de vous en servir comme référence pour la conception de vos produits et le choix de vos composants.
Définition et fonctionnement de base d’un actionneur
Les actionneurs sont des dispositifs d’entraînement utilisés dans des domaines tels que l’industrie manufacturière, la robotique, les appareils médicaux et l’automobile. Ils ont pour fonction de transformer l’énergie qui leur est fournie en mouvement physique et sont intégrés en tant qu’éléments indispensables au contrôle du fonctionnement de diverses machines.Pour citer des exemples courants, on trouve des actionneurs dans les mécanismes d’ouverture et de fermeture des portes automatiques ou au niveau des articulations des bras robotiques ; ils sont ainsi utilisés dans un large éventail de contextes, bien au-delà du seul secteur industriel.
Pour bien comprendre le fonctionnement global d’un actionneur, il est nécessaire, après en avoir saisi la définition et le rôle, d’en appréhender de manière systématique la structure interne ainsi que les différents types de fonctionnement.
Contenu abordé dans cette section
- Le rôle joué par les actionneurs
- Structure de base permettant de transformer l’énergie en mouvement
- Les trois mouvements générés par l’actionneur
Nous allons désormais examiner successivement la définition et le rôle des actionneurs, la relation entre la source d’énergie et le mécanisme d’entraînement, ainsi que les trois types de mouvement : linéaire, rotatif et oscillant.
Le rôle joué par l’actionneur
Un actionneur est un dispositif d’entraînement qui convertit l’énergie ou les signaux reçus de l’extérieur en mouvement physique.En anglais, on l’appelle « actuator » ; en japonais, on l’appelle « dispositif d’actionnement » ou « dispositif d’entraînement ». Il s’agit de la partie qui génère concrètement le « mouvement » à l’intérieur des machines et des robots. Son champ d’application s’étend à de nombreux domaines, tels que le transport et le positionnement des pièces sur les chaînes de production en usine ou le contrôle précis des mouvements des appareils médicaux.
Structure de base permettant de transformer l’énergie en mouvement
La structure de base d’un actionneur, qui transforme l’énergie en mouvement, se compose de deux éléments : la « source d’énergie » et le « mécanisme d’entraînement (mécanisme de transmission) ». La source d’énergie est la partie qui transforme l’énergie en force. Dans le cas d’un actionneur électrique, la source d’énergie correspond au moteur; pour un actionneur pneumatique, il s’agit de l’air comprimé ; et pour un actionneur hydraulique, c’est la pression du fluide hydraulique. Quant au mécanisme d’entraînement, il s’agit de la partie qui transmet la force générée par la source d’énergie au mouvement souhaité ; les vis à billes, les vis de glissement, les engrenages et les courroies en sont des exemples typiques.Par exemple, dans un actionneur électrique, le mouvement souhaité est obtenu grâce à un mécanisme qui convertit la force de rotation du moteur en mouvement linéaire à l’aide d’une vis à billes ou qui permet de régler le couple à l’aide d’engrenages.
Les trois mouvements générés par l’actionneur
Les mouvements générés par les actionneurs se répartissent en trois catégories : le mouvement linéaire, le mouvement rotatif et le mouvement oscillant. Les principales différences sont les suivantes :
| Type de fonctionnement | Description | Exemples d’utilisations typiques |
| Mouvement rectiligne | Mouvement de va-et-vient dans une seule direction, à la manière d’un piston | Convoyeurs, presses, ascenseurs |
| Mouvement de rotation | Mouvement de rotation continue autour de l’axe du moteur | Entraînement de pompes, de ventilateurs et de lentilles |
| Mouvement oscillant | Mouvement de rotation aller-retour dans une plage d’angles déterminée | Ouverture et fermeture de vannes, articulations de robots |
Le choix d’un type de fonctionnement adapté à l’application constitue un élément à prendre en compte lors de l’étude de l’introduction d’un actionneur. Dans les situations où il est nécessaire de combiner un mouvement linéaire et un mouvement rotatif, il arrive que plusieurs actionneurs soient couplés et commandés de manière coordonnée.
Principaux types d’actionneurs et leurs caractéristiques
Les actionneurs se classent en trois grandes catégories en fonction de leur source d’énergie. Il s’agit des « actionneurs électriques », alimentés par un moteur électrique, des « actionneurs pneumatiques », actionnés par de l’air comprimé, et des « actionneurs hydrauliques », qui utilisent la pression d’un fluide hydraulique.
Voici une comparaison des caractéristiques des trois types d’actionneurs :
| Critères de comparaison | À entraînement électrique | Pneumatique | Hydraulique |
| Précision de commande | Élevée (positionnement multipoint possible) | Faible (fonctionnement principalement entre deux points) | Modérée (le contrôle de la poussée et de la vitesse est aisé) |
| Sortie | Modérée | Modéré | Élevée |
| Vitesse de fonctionnement | Moyenne à élevée | Vitesse élevée | Faible à moyenne |
| Maintenance | Faible | Faible | Nécessite une gestion du fluide de fonctionnement |
| Environnement d’installation | Grande polyvalence | Conforme aux normes relatives aux environnements antidéflagrants et aux salles blanches | Des mesures de prévention des fuites d’huile sont nécessaires |
Il est nécessaire de comparer les avantages et les limites de chaque mode d’entraînement en fonction de l’application et de l’environnement d’installation, afin de choisir le mode d’entraînement le plus adapté.
Contenu abordé dans cette section
- Fonctionnement et caractéristiques des actionneurs électriques
- Fonctionnement et caractéristiques des actionneurs pneumatiques
- Fonctionnement et caractéristiques des actionneurs hydrauliques
Dans ce qui suit, nous allons présenter les principes de fonctionnement et les atouts de chaque type de produit, tout en fournissant des informations qui vous permettront de choisir celui qui convient le mieux à votre utilisation.
Fonctionnement et caractéristiques des actionneurs électriques
Un actionneur électrique est un dispositif d’entraînement qui convertit la force de rotation d’un moteur électrique en mouvement linéaire ou rotatif par l’intermédiaire de mécanismes de transmission tels que des vis à billes ou des engrenages. Il fonctionne en convertissant l’énergie électrique en énergie mécanique. Ses principales caractéristiques sont les suivantes :
[Principales caractéristiques des actionneurs électriques]
- Contrôle de précision de la position, de la vitesse et du couple
- Prise en charge du positionnement multipoint
- La faible fréquence d’entretien en fonctionnement normal
- Son rendement élevé en matière de conversion d’énergie
Les actionneurs électriques sont parfois utilisés dans des applications nécessitant un positionnement précis et un contrôle précis de la vitesse.
Fonctionnement et caractéristiques des actionneurs pneumatiques
Un actionneur pneumatique est un dispositif qui utilise l’air comprimé par un compresseur comme source d’énergie et qui fonctionne grâce à la force exercée par le piston à l’intérieur du vérin. Également appelé « vérin pneumatique », il est composé de pièces simples telles que le tube du vérin, le piston et la tige de piston.
Bien qu’il permette un fonctionnement à grande vitesse, ce système n’est pas adapté au positionnement précis en position intermédiaire en raison des caractéristiques de compression de l’air. Il s’agit d’un mode d’entraînement adapté à des schémas de mouvement simples, tels que les déplacements rapides entre deux points ou les mouvements de préhension.
Fonctionnement et caractéristiques des actionneurs hydrauliques
Un actionneur hydraulique est un dispositif qui utilise la pression du fluide hydraulique comme source d’énergie pour entraîner un piston ; il est également appelé vérin hydraulique. Son principal atout réside dans sa capacité à générer une force et un couple importants malgré sa petite taille ; il est donc utilisé dans des domaines nécessitant une poussée élevée, tels que les engins de chantier, les presses et les machines-outils.
Applications typiques des actionneurs et critères de sélection
Les actionneurs contribuent à l’automatisation dans un large éventail de domaines, allant des chaînes de production en usine aux robots industriels, en passant par les appareils médicaux. Toutefois, les performances requises et les conditions d’installation varient considérablement d’une application à l’autre ; il est donc nécessaire, lors de leur mise en œuvre, de définir précisément les exigences avant de choisir le type d’actionneur approprié.En ce qui concerne plus particulièrement les actionneurs électriques, il est nécessaire de procéder à une évaluation globale qui tienne compte non seulement du choix du mode d’entraînement, mais également des spécifications de la source d’énergie.
Contenu abordé dans cette section
- Utilisation différenciée selon les étapes de la chaîne de production
- Exemples d’application dans le domaine de la robotique et des appareils médicaux
- Éléments à prendre en compte lors du choix d’un actionneur
Nous allons maintenant vous présenter, l’une après l’autre, les cas d’utilisation dans des secteurs industriels représentatifs ainsi que les critères d’évaluation à prendre en compte lors de la sélection.
Utilisation différenciée selon les étapes de la chaîne de production
Sur les chaînes de production, on utilise soit des actionneurs électriques, soit des actionneurs pneumatiques, en fonction des exigences de chaque étape du processus. Vous trouverez ci-dessous une liste des étapes types et des combinaisons d’actionneurs adaptées.
[Principales étapes d’utilisation sur la chaîne de production]
- Processus de manutention : utilisation d’un système électrique pour la préhension de pièces de types variés ou susceptibles de se déformer
- Processus de manutention : le système électrique est adapté aux opérations de manutention nécessitant un positionnement en plusieurs points
- Opération de serrage : utilisation de vérins pneumatiques pour un mouvement de préhension rapide entre deux points
- Processus d’enfoncement : pour les opérations d’enfoncement nécessitant un contrôle de la charge, on utilise un système électrique de contrôle de la force
Il est important de choisir un système d’entraînement adapté aux caractéristiques du processus.
Exemples d’application dans le domaine de la robotique et des appareils médicaux
Un robot industriel est défini, dans la norme JIS B 0134:2015 comme « un robot qui est un manipulateur polyvalent, à commande automatique et reprogrammable, programmable sur au moins trois axes, fixe ou mobile, utilisé à des fins d’automatisation industrielle ». L’actionneur est l’un des éléments constitutifs de ce manipulateur.Les actionneurs des différentes articulations d’un robot doivent parfois présenter une réactivité et des caractéristiques de rotation adaptées à l’application. Dans le domaine médical, des actionneurs et des moteurs sont intégrés à divers appareils, tels que les équipements de soins dentaires ou les endoscopes, et les exigences en matière de fiabilité et de précision de fonctionnement des moteurs y sont particulièrement élevées.
Éléments à vérifier lors du choix d’un actionneur
Lors du choix d’un actionneur, il est nécessaire d’examiner de manière globale plusieurs critères d’évaluation. Les principaux critères d’évaluation sont les suivants :
| Critères d’évaluation | Éléments à vérifier |
| Type de mouvement | Faut-il un mouvement linéaire, rotatif ou oscillant ? |
| Poussée et couple | Intensité de la force nécessaire pour entraîner un objet |
| Vitesse de fonctionnement | Temps de cycle requis par le processus ou l’application |
| Précision de positionnement | Plage de tolérance de la position d’arrêt |
| Espace d’installation | Dimensions permettant l’intégration dans un boîtier ou à l’intérieur d’un équipement |
| Conditions d’utilisation | Température, humidité, exigences en matière d’antidéflagrance et niveau de propreté |
| Durée de vie et résistance | Exigences en matière de durée de fonctionnement en continu et de nombre de cycles de fonctionnement |
Dans le cas des actionneurs électriques, les caractéristiques techniques du moteur, qui sert de source d’entraînement, constituent également un élément à prendre en compte. Il est nécessaire d’étudier les spécifications en tenant compte des caractéristiques techniques propres au moteur, telles qu’une rotation fluide sans à-coups, un démarrage à basse tension ou une conception à faible consommation de courant.
Résumé
Un actionneur est un dispositif d’entraînement qui convertit une énergie (électrique, pneumatique, hydraulique, etc.) en mouvement mécanique ; il est utilisé dans de nombreux domaines, notamment les chaînes de production dans l’industrie manufacturière, les robots industriels et les appareils médicaux.Les types électriques, pneumatiques et hydrauliques présentent chacun des avantages et des contraintes spécifiques ; il convient donc de les sélectionner en fonction des exigences relatives au mode de fonctionnement, à la poussée, à la vitesse, à la précision et à l’environnement d’installation. Dans le cas des actionneurs électriques, il est également nécessaire d’étudier les caractéristiques du moteur qui sert de source d’entraînement.
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