{{{sourceTextContent.title}}}

Vérin hydraulique ou servovérin électrique ?

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Composants du système et capacités de contrôle du mouvement, de la force et de la vitesse

{{{sourceTextContent.description}}}

Les vérins hydrauliques, réputés pour leur force élevée à un coût abordable, sont largement utilisés depuis des décennies dans les équipements d’automatisation industrielle et d’autres équipements d’automatisation spécialisés. Les systèmes hydrauliques sont robustes, relativement simples à mettre en œuvre et offrent un faible coût par unité de force. Ces dernières années, les actionneurs électriques à tige (servo-vérins) sont devenus plus flexibles, plus précis et plus fiables, avec des capacités de force de plus en plus importantes. Ces avancées ont suscité un débat permanent pour savoir quelle technologie — vérin hydraulique ou actionneur électrique — offre la meilleure solution globale.

1. Actionneurs électriques à tige vs vérins hydrauliques : composants du système

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

Un vérin
Une unité de puissance pour fournir la pression d’huile
Des vannes de commande et des vannes auxiliaires
Des filtres
Des flexibles
Des raccords
Des composants supplémentaires

Les vérins hydrauliques offrent un encombrement réduit au point de travail (là où la densité de puissance est requise), mais le groupe hydraulique (HPU), qui régule le débit et la pression vers ces actionneurs et les autres composants, peut occuper un espace au sol important. Les HPU ne sont pas de petite taille et sont généralement placées à proximité immédiate du vérin lui-même, ce qui augmente encore l’encombrement du système. Dans les très grands systèmes équipés d’HPU montées à distance, des flexibles de grande longueur peuvent réduire la rigidité globale et l’efficacité du système hydraulique.

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

Bien que l’actionneur électrique — en raison de sa conception intégrant une vis de transmission et un système de roulements — nécessite une longueur supplémentaire par rapport à un vérin hydraulique, lorsque l’on considère l’encombrement global du système, cette longueur supplémentaire est largement compensée par l’encombrement bien moindre du servomoteur — l’équivalent fonctionnel de l’unité HPU. En règle générale, les équipements d’automatisation utilisent une armoire de commande et peuvent être conçus pour accueillir un variateur supplémentaire. L’encombrement requis pour un servovariateur ne représente généralement qu’une fraction de celui d’une unité de puissance hydraulique (HPU).

Dans les nouvelles conceptions de systèmes, si l’espace supplémentaire au 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 recours à de grandes unités de puissance.

2. Actionneurs électriques à tige vs vérins hydrauliques : capacités de contrôle du mouvement

La principale raison pour laquelle les ingénieurs préfèrent un système d’actionneurs électriques à un système de vérins hydrauliques réside dans la flexibilité de ses capacités de contrôle du mouvement : contrôle de la position (positions multiples, précision) ; contrôle de la vitesse ; contrôle de l’accélération/décélération ; contrôle de la 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 de moteur, offrent un contrôle infini de la position. La précision et la répétabilité de la position dépassent de loin les capacités d’un système hydraulique.

Les systèmes hydrauliques standard sont parfaits pour les applications de positionnement d’une extrémité à l’autre, mais le positionnement à mi-course est plus compliqué, nécessitant une vanne de régulation et l’intervention d’un opérateur. Le positionnement à mi-course s’effectue en boucle ouverte et nécessite qu’un opérateur décide quelle position est acceptable. De plus, le contrôle de la vitesse est géré par une vanne de régulation et nécessite là encore qu’un opérateur règle la vitesse acceptable pour une application donnée, mais il est souvent difficile d’atteindre un réglage de vitesse exact. Une fois la vitesse réglée, la force de pression requise du vérin hydraulique est régulée par la vanne 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 provenant de la pompe, ainsi qu’à d’autres facteurs liés à la maintenance. Il est difficile d’obtenir des performances reproductibles d’un jour à l’autre, d’un mois à l’autre ou d’une année à l’autre dans un environnement de production où la qualité et la viscosité de l’huile varient en raison des fluctuations de température. L’obtention du niveau de performance souhaité nécessitera une intervention constante de l’opérateur.

Des systèmes hydrauliques plus avancés, dits « servo-hydrauliques », permettent de contrôler avec précision la position, la vitesse et la force, mais ils nécessitent des composants supplémentaires — un servocontrôleur, une servovalve électrohydraulique et un dispositif de rétroaction de position tel qu’un transducteur linéaire — qui augmentent considérablement la complexité, l’encombrement et le coût. Ces composants régulent la pression et le débit dans le vérin hydraulique, de la même manière qu’un servomoteur régule le courant alimentant un servomoteur. L’hydraulique dispose également de contrôleurs encore plus avancés, qui permettent de coordonner plusieurs axes entre eux. Cependant, cela est rare dans la mise en œuvre des systèmes hydrauliques, et ces contrôleurs ajoutent une complexité et un coût extrêmes à l’ensemble du système. De plus, ils peuvent être assez sensibles et nécessitent un entretien rigoureux pour garantir les performances souhaitées.

Associés à un système de servocommande, les actionneurs électriques offrent bien plus qu’un contrôle quasi infini, ainsi qu’une précision et une répétabilité supérieures. Les servocommandes multiaxes sont aujourd’hui facilement disponibles en série sur la plupart des systèmes de commande modernes. Les contrôleurs et les actionneurs électriques s’intègrent plus facilement et à moindre coût dans des configurations complexes que les variantes hydrauliques, dont les possibilités sont plus limitées. La vitesse d’un ou de plusieurs actionneurs électriques est contrôlée avec précision et exactitude à tout moment et peut passer en douceur d’une vitesse à une autre sans arrêt ni dépassement de position. Le contrôle de l’accélération et de la décélération garantit que les actionneurs électriques ne « heurtent » pas brusquement les butées ni ne se mettent en marche par à-coups. Cela élimine les contraintes sur les éléments du châssis et évite de devoir surdimensionner les structures pour résister aux charges de choc. Tous les mouvements sont fluides, ce qui permet d’utiliser les actionneurs électriques dans des processus critiques où les vibrations des machines ne sont pas tolérées ou où la vitesse du processus est affectée. La force est contrôlée par le courant alimentant le servomoteur. Les servocontrôleurs permettant un contrôle précis du courant, la quasi-totalité des actionneurs électriques offre un contrôle précis et reproductible de la force développée au point de travail.

Enfin, une caractéristique importante des actionneurs électriques réside dans leur capacité à offrir un contrôle programmable de toutes les variables du profil de mouvement. Par conséquent, la seule intervention de l’opérateur requise concerne la phase de conception initiale, afin d’intégrer les variables de performance souhaitées dans l’environnement de programmation d’un automate programmable (PLC) ou d’un autre contrôleur. Une fois les paramètres définis, le fonctionnement se répète jour après jour, mois après mois et année après année. De plus, grâce à l’utilisation d’écrans IHM (interface homme-machine), 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 régularité d’un système électrique par rapport à un système hydraulique.

3. Actionneurs à tige électriques vs vérins hydrauliques : capacités de force

En raison de leurs pressions de service élevées, les systèmes à vérins hydrauliques sont particulièrement efficaces pour produire des forces extrêmement élevées. Les pressions typiques varient de 1 800 à 3 000 psi (124,1 à 206,8 bar). Dans certains systèmes hydrauliques à haute pression, des pressions nominales pouvant atteindre 5 000 psi (344,7 bar) sont utilisées pour accroître encore la densité de puissance. Les vérins hydrauliques fonctionnant selon le principe de la puissance hydraulique « Force = Pression × Surface », ces pressions élevées permettent à des vérins de plus petite taille de développer des forces très importantes. Par exemple, des vérins de 3 pouces et 5 pouces de diamètre intérieur fonctionnant à 2 200 psi pourraient développer respectivement environ 15 000 lbf (66 723,3 kN) et 43 000 lbf (191 273,5 kN). Cependant, les vérins hydrauliques ne sont généralement pas utilisés à leur capacité maximale de force de sortie ; ils sont souvent surdimensionnés pour améliorer le contrôle.

Lorsqu’on envisage l’utilisation d’actionneurs électriques, il est important de déterminer la force de travail requise. Pour estimer la force approximative requise pour un actionneur électrique, l’approche classique consiste à ajuster la pression à l’orifice de travail hydraulique ou la pression du système jusqu’à ce que l’opération ne puisse plus être effectuée. Les systèmes d’actionneurs électriques s’appuient sur le courant traversant le servomoteur pour produire un couple transmis au système mécanique, qui entraîne la vis de puissance afin qu’elle tourne et génère une force. C’est un avantage considérable : la force est instantanée. Dans les systèmes hydrauliques, lorsque la rigidité du système n’est pas optimisée, l’actionneur hydraulique doit attendre que la pression s’accumule pour que la force soit atteinte. Un autre avantage majeur des systèmes électriques réside dans le fait que le servocontrôleur régule automatiquement le courant. Le système d’actionneur électrique utilise essentiellement le courant « à la demande ». Tout ajustement s’effectue automatiquement. Un groupe hydraulique doit maintenir en permanence la pression dans le système pour que le vérin hydraulique puisse agir, ce qui peut s’avérer très difficile.

Lors du choix d’un système d’actionneur électrique, il est important de prendre en compte le régime (tr/min) et le couple du moteur, ainsi que le pas de la vis de l’actionneur électrique. Il peut s’avérer complexe d’adapter la vitesse et le couple du servomoteur à la sortie mécanique de la vis de pas. Atteindre les forces extrêmes que peut produire un système hydraulique est tout à fait possible avec la technologie électrique, mais en général, l’actionneur électrique utilisé aura un diamètre de corps plus important et le système d’actionnement électrique aura une vitesse maximale qui ne pourra pas être dépassée. La complexité liée au dimensionnement d’un système peut être facilement surmontée, car les fabricants d’actionneurs et de composants de servocommande proposent des logiciels de dimensionnement de contrôle de mouvement faciles à utiliser qui prennent en compte toutes ces variables.

4. Actionneurs électriques à tige vs vérins hydrauliques : capacités de vitesse

Atteindre des vitesses élevées avec des forces importantes pose des défis tant pour la technologie hydraulique que pour la technologie électrique. L’hydraulique nécessite de la pression pour la force et un débit pour la vitesse. Pour atteindre des vitesses plus élevées avec des forces plus importantes, il faut qu’il y ait suffisamment d’huile sous pression dans le système pour, en substance, pousser le volume d’huile requis dans un vérin dans le temps imparti (défini par le débit). Cela nécessite généralement un système d’accumulation pour retenir le volume sous pression. Le problème peut s’aggraver avec des vérins à longue course ; des accumulateurs non chargés peuvent priver le système d’huile. En fin de compte, le recours à une capacité supplémentaire dans les systèmes d’accumulateurs hydrauliques leur permet d’atteindre des vitesses élevées avec des forces importantes. L'inconvénient de cette pratique est que, sans commande servo-hydraulique du système hydraulique, l'énergie excédentaire (force × vitesse) est essentiellement utilisée dans un schéma de commande en boucle ouverte.

Comme indiqué précédemment, les capacités de force d’un système d’actionneur électrique dépendent de la bonne combinaison entre la vitesse de rotation du servomoteur, son couple et l’avantage mécanique procuré par le pas de vis et, éventuellement, un réducteur. À mesure que la taille des servomoteurs augmente, le couple augmente généralement de manière significative, mais la vitesse de rotation diminue. Dans les applications extrêmes en termes de force et de vitesse, la seule façon pour un système d’actionneurs électriques d’atteindre les performances souhaitées consiste à surdimensionner considérablement le système, ce qui peut entraîner des coûts prohibitifs. Par ailleurs, il faut garder à l’esprit qu’un système d’actionneurs électriques permet un contrôle total du profil de mouvement ; il n’est pas nécessaire qu’il effectue la course complète à chaque cycle. De plus, grâce au contrôle de l’accélération et de la décélération, le système électrique peut se stabiliser plus rapidement, ce qui réduit la durée du cycle et augmente le rendement. Enfin, la technologie des actionneurs électriques peut permettre de réduire certaines des vitesses de pointe requises, car elle permet d’exécuter des mouvements plus courts et plus intelligents.