Les vérins hydrauliques, réputés pour leur force élevée à un coût abordable, sont utilisés depuis des décennies dans les équipements d'automatisation industrielle et autres systèmes d'automatisation spécifiques. L'hydraulique est robuste, relativement simple à mettre en œuvre et offre un faible coût par unité de force. Ces dernières années, les actionneurs électriques (servovélos) ont gagné en flexibilité, en précision et en fiabilité, tout en offrant des capacités de force toujours plus importantes. Ces progrès alimentent un débat permanent : quelle technologie, vérin hydraulique ou actionneur électrique, constitue la meilleure solution globale ?

1. Actionneurs à tige électrique vs. vérins hydrauliques :Composants du système

Le nombre de composants et l'encombrement total requis pour un système de vérin hydraulique sont bien supérieurs à ceux d'un système électrique. Les systèmes hydrauliques nécessitent :

• Un cylindre

• Un groupe hydraulique pour fournir la pression d'huile

• vannes de contrôle et accessoires

• Filtres

• Tuyaux

• Raccords

• Composants supplémentaires

Les vérins hydrauliques offrent un encombrement réduit au point de travail (où la densité de puissance est requise), mais le groupe hydraulique, qui régule le débit et la pression vers ces actionneurs et autres composants, peut occuper une surface au sol importante. Les groupes hydrauliques sont volumineux et sont généralement placés à proximité du vérin, ce qui augmente encore l'encombrement du système. Dans les très grands systèmes avec groupes hydrauliques déportés, la longueur des flexibles peut réduire la rigidité et l'efficacité globales du système hydraulique.

Les actionneurs à tige électrique offrent un encombrement réduit. Ces systèmes utilisent un actionneur mécanique ; un moteur (servomoteur ou autre) ; un réducteur (en option) ; des câbles ; et un variateur/amplificateur, généralement installé dans une armoire électrique.

Bien que l'actionneur électrique, de par sa conception intégrant une vis sans fin et un système de roulement, soit plus long qu'un vérin hydraulique, cet allongement est largement compensé par l'encombrement réduit du servovariateur, équivalent fonctionnel de l'unité hydraulique. Généralement, les équipements d'automatisation utilisent une armoire électrique et peuvent être conçus pour accueillir un variateur supplémentaire. Les dimensions requises pour un servovariateur sont généralement bien inférieures à celles d'une unité hydraulique.

Dans les nouvelles conceptions de systèmes, si l'espace supplémentaire au niveau du point de travail peut être aménagé pour accueillir la course de travail et la longueur totale de l'actionneur électrique, l'encombrement global de la machine peut être considérablement réduit en éliminant le besoin de gros groupes électrogènes.

2. Actionneurs à tige électrique vs. vérins hydrauliques :Capacités de contrôle de mouvement

La principale raison pour laquelle les ingénieurs privilégient un système d'actionneur électrique à un système de vérin hydraulique réside dans la flexibilité de ses capacités de contrôle de mouvement : contrôle de position (positions multiples, précision), contrôle de vitesse, contrôle d'accélération/décélération, contrôle de force de sortie et contrôle complexe de toutes ces variables de mouvement en temps réel. Les actionneurs électriques, associés à un servomoteur et à un système moteur, offrent un contrôle infini de la position. La précision et la répétabilité de la position sont nettement supérieures à celles d'un système hydraulique.

Les systèmes hydrauliques standards conviennent parfaitement aux applications de positionnement d'extrémité à extrémité, mais le positionnement en milieu de course est plus complexe et nécessite une vanne de régulation et l'intervention d'un opérateur. Ce positionnement fonctionne en boucle ouverte et requiert que l'opérateur détermine la position acceptable. De plus, la vitesse est contrôlée par une vanne de régulation et nécessite également un réglage précis par l'opérateur, ce qui est souvent difficile à réaliser avec précision. Une fois la vitesse réglée, la force de pression requise du vérin hydraulique est régulée par le distributeur de pression. Enfin, la répétabilité de la position, de la vitesse et de la force d'un vérin hydraulique est soumise à l'usure des joints, aux fuites, aux chutes et pics de pression dus à la pompe et à d'autres facteurs de maintenance. Il est difficile d'obtenir des performances constantes au quotidien, au mois le mois ou à l'année en année dans un environnement de production où la qualité et la viscosité de l'huile varient en raison des variations de température. L'obtention du niveau de performance souhaité requiert une intervention constante de l'opérateur.

Les systèmes hydrauliques plus avancés, dits « servo-hydrauliques », permettent un contrôle précis de la position, de la vitesse et de la force. Cependant, ils nécessitent des composants supplémentaires – un servocontrôleur, une servovalve électrohydraulique et un capteur de position, tel qu'un transducteur linéaire – qui augmentent considérablement la complexité, l'encombrement et le coût. Ces composants contrôlent la pression et le débit entrant dans le vérin hydraulique, de la même manière qu'un servovariateur contrôle le courant alimentant un servomoteur. Il existe également des contrôleurs encore plus performants en hydraulique, permettant la coordination de plusieurs axes. Toutefois, leur utilisation est rare et ces contrôleurs complexifient et renchérissent considérablement le système. De plus, leur grande sensibilité exige une maintenance rigoureuse pour garantir des performances optimales.

Associés à un système de servocommande, les actionneurs électriques offrent un contrôle quasi infini, une précision et une répétabilité supérieures. Les servocontrôleurs multiaxes sont disponibles sur étagère pour la plupart des systèmes de contrôle modernes. La coordination entre les contrôleurs et les actionneurs électriques est plus simple et économique, même dans des configurations complexes, que celle des actionneurs hydrauliques, plus limités. La vitesse d'un ou plusieurs actionneurs électriques est contrôlée avec précision et régularité en permanence, et les transitions entre les vitesses se font en douceur, sans arrêt ni dépassement de position. Le contrôle de l'accélération et de la décélération évite les à-coups et les chocs au démarrage. Ceci élimine les contraintes sur les éléments de châssis et la nécessité de surdimensionner les structures pour résister aux chocs. Tous les mouvements sont fluides, permettant ainsi l'utilisation des actionneurs électriques dans des processus critiques où les vibrations machine sont inacceptables ou la vitesse de production affectée. La force est contrôlée par le courant alimentant le servomoteur. Grâce à la précision du contrôle du courant offert par les servocontrôleurs, la quasi-totalité des actionneurs électriques garantissent un contrôle précis et répétable de la force au point de travail.

Enfin, une caractéristique importante des actionneurs électriques est leur capacité à permettre un contrôle programmable de toutes les variables du profil de mouvement. De ce fait, la seule intervention de l'opérateur requise se limite à la conception initiale, qui consiste à intégrer les variables de performance souhaitées dans l'environnement de programmation d'un automate programmable ou d'un autre contrôleur. Une fois paramétrées, les opérations se répètent quotidiennement, mensuellement et annuellement. De plus, grâce aux interfaces homme-machine (IHM), les variables de position, de vitesse, d'accélération/décélération et de force peuvent être facilement modifiées à tout moment, offrant ainsi une flexibilité maximale. Dans un environnement OEM, les performances du système seront plus faciles à contrôler grâce à la plus grande constance d'un système électrique par rapport à un système hydraulique.

3. Actionneurs à tige électrique vs. vérins hydrauliques :Capacités de la Force

Grâce à leurs pressions de service élevées, les systèmes de vérins hydrauliques sont particulièrement performants pour générer des forces considérables. Les pressions typiques varient de 1 800 à 3 000 psi (124,1 à 206,8 bar). Dans certains systèmes hydrauliques haute pression, des pressions allant jusqu'à 5 000 psi (344,7 bar) sont utilisées afin d'optimiser la densité de puissance. Le principe de fonctionnement des vérins hydrauliques étant la formule Force = Pression x Surface, ces hautes pressions permettent à des vérins de petit diamètre d'atteindre des forces très importantes. Par exemple, des vérins de 3 pouces et de 5 pouces de diamètre, fonctionnant à 2 200 psi, peuvent atteindre respectivement environ 15 000 lbf (66 723,3 kN) et 43 000 lbf (191 273,5 kN). Toutefois, les vérins hydrauliques ne sont généralement pas utilisés à leur pleine capacité de force ; ils sont généralement surdimensionnés afin d'améliorer le contrôle.

Lorsqu'on considère les actionneurs électriques, il est important de déterminer la force de travail requise. Pour estimer approximativement cette force, on ajuste généralement la pression du port de travail hydraulique ou du système jusqu'à ce que l'opération devienne impossible. Les systèmes d'actionneurs électriques utilisent le courant traversant le servomoteur pour produire un couple qui actionne le système mécanique, lequel entraîne la vis sans fin et génère ainsi une force. C'est un avantage considérable : la force est instantanée. Dans les systèmes hydrauliques, où la rigidité n'est pas optimale, l'actionneur doit attendre que la pression s'établisse avant de produire la force nécessaire. Un autre avantage majeur des systèmes électriques est que le servocontrôleur régule automatiquement le courant. Le système d'actionneur électrique utilise donc le courant « à la demande ». Tout ajustement est automatique. Une centrale hydraulique, quant à elle, doit maintenir une pression constante dans le système pour que le vérin hydraulique puisse fonctionner, ce qui peut s'avérer très complexe.

Lors du choix d'un système d'actionneur électrique, il est essentiel de prendre en compte la vitesse de rotation et le couple du moteur, ainsi que le pas de vis de l'actionneur. Adapter la vitesse et le couple du servomoteur à la force mécanique de la vis peut s'avérer complexe. Si la technologie électrique permet d'atteindre les forces extrêmes produites par l'hydraulique, l'actionneur électrique utilisé aura généralement un diamètre plus important et sa vitesse maximale sera limitée. La complexité du dimensionnement peut être facilement surmontée grâce aux logiciels de dimensionnement conviviaux proposés par les fabricants d'actionneurs et de servomoteurs, qui intègrent toutes ces variables.

4. Actionneurs à tige électrique vs. vérins hydrauliques :Capacités de vélocité

L'obtention de vitesses élevées sous des forces importantes représente un défi pour les technologies hydrauliques et électriques. L'hydraulique requiert de la pression pour la force et un débit pour la vitesse. Pour atteindre des vitesses et des forces élevées, le système doit contenir suffisamment d'huile sous pression pour injecter le volume d'huile nécessaire dans un cylindre dans le temps requis (défini comme le débit). Ceci nécessite généralement un système d'accumulation pour stocker ce volume d'huile sous pression. Le problème peut s'amplifier avec des cylindres à longue course ; des accumulateurs non chargés peuvent priver le système d'huile. Finalement, l'ajout de capacité dans les systèmes d'accumulateurs hydrauliques permet d'atteindre des vitesses et des forces élevées. L'inconvénient de cette pratique est que, sans commande servo-hydraulique du système hydraulique, l'énergie excédentaire (force x vitesse) est utilisée dans un système de contrôle en boucle ouverte.

Comme indiqué précédemment, les performances d'un actionneur électrique dépendent de la combinaison optimale du régime et du couple du servomoteur, ainsi que du rapport de démultiplication (pas de vis et éventuellement d'un réducteur). En général, plus la taille du servomoteur augmente, plus son couple augmente significativement, tandis que son régime diminue. Dans les applications exigeant une force et une vitesse extrêmes, le seul moyen d'atteindre les performances souhaitées est de surdimensionner considérablement le système, ce qui peut s'avérer prohibitif. En revanche, un actionneur électrique offre un contrôle total du profil de mouvement ; il n'est pas nécessaire qu'il effectue une course complète à chaque cycle. De plus, grâce à la maîtrise de l'accélération et de la décélération, le système électrique se stabilise plus rapidement, ce qui réduit le temps de cycle et améliore l'efficacité. Enfin, la technologie des actionneurs électriques permet de réduire les vitesses de pointe requises, car elle autorise des mouvements plus courts et plus précis.