Comment synchroniser les composants pneumatiques pour un rendement maximal

Dans le domaine de l'automatisation industrielle, le rendement est souvent considéré comme une caractéristique intrinsèque au composant. Les ingénieurs choisissent parfois un actionneur à haut rendement ou une vanne à faible puissance et supposent, à tort, que l'ensemble du système fonctionnera de manière efficace. Cependant, les machines construites avec des composants efficaces peuvent tout de même consommer trop d'énergie si ces composants ne sont pas synchronisés.

La perte d'énergie dans les systèmes pneumatiques est souvent due à l'architecture du système plutôt qu'à la défaillance de composants individuels. Un actionneur performant ne peut pas fonctionner de manière optimale s'il est alimenté par des tubes trop étroits ou contrôlé par une vanne surdimensionnée. Par conséquent, les économies d'énergie sont réalisées en harmonisant l'ensemble de la chaîne pneumatique afin de minimiser les restrictions et les volumes morts à chaque interface. Cet article présente une approche au niveau du système pour la conception pneumatique, ainsi que la manière dont la synchronisation de six catégories de composants clés peut améliorer le rendement énergétique.

Réduction de la chute de pression initiale grâce à une meilleure préparation

Le rendement du système commence dès la phase de préparation de l'air. Des unités de préparation de l'air sous-dimensionnées ou obstruées peuvent entraîner une chute de pression. Si un filtre-régulateur provoque une chute de pression due à une restriction du débit, le compresseur doit fonctionner à une pression plus élevée pour surmonter cette résistance. Une telle approche gaspille de l'énergie uniquement pour forcer l'air à travers une restriction, plutôt que pour déplacer la charge.

La première étape d'un système synchronisé passe par une unité de préparation de l'air à haut débit. Le filtre-régulateur série MS (MS6-LFR) de Festo, illustré dans la Figure 1, est conçu pour minimiser cette restriction initiale. Avec un débit nominal normal de 4000 l/min (normalisé selon la norme DIN 1343), le MS6-LFR maintient un approvisionnement constant des composants en aval, même pendant les pics de demande.

Figure 1 : Le filtre-régulateur MS6-LFR associe une filtration à haut débit (4000 l/min) à une régulation précise de la pression afin d'éliminer les goulets d'étranglement à l'entrée. (Source de l'image : Festo)

Ce régulateur offre également une plage de régulation comprise entre 0,5 et 12 bars, ce qui permet de régler la pression de base de la machine au niveau exact requis. Dans le même but, le régulateur de précision LRP (Figure 2) offre une hystérésis de pression maximale de 0,02 bar pour les applications nécessitant une grande stabilité, garantissant une pression constante dans le système.

Figure 2 : Le régulateur de précision LRP-1/4-4 offre une hystérésis de 0,02 bar pour un contrôle ultrastable de la pression dans les applications sensibles. (Source de l'image : Festo)

Les deux régulateurs comprennent également un échappement secondaire. Si la pression en aval augmente (par exemple, en raison de forces externes exercées sur un actionneur), le régulateur évacue l'excès de pression, empêchant ainsi une contre-pression qui s'opposerait au mouvement. L'utilisation d'un régulateur qui fournit un débit constant maintient la pression de la conduite principale au niveau minimum nécessaire, ce qui réduit la consommation globale d'énergie.

Optimiser l'énergie grâce à la régulation au point d'utilisation

De nombreux systèmes alimentent l'ensemble de la machine à la pression requise par l'actionneur le plus exigeant. Par exemple, si une presse lourde nécessite une pression de 6 bars, l'ensemble du circuit est souvent pressurisé à 6 bars, même pour des courses de retour ou des fonctions de serrage léger qui ne nécessitent que 3 bars. Près de 50 % de l'énergie est ainsi gaspillée pour ces tâches plus légères.

Une régulation décentralisée consiste à créer des zones de pression directement au point d'utilisation à l'aide du régulateur de pression MS2-LR, illustré à la Figure 3. Ce régulateur est compact (taille 2) et gère des débits allant jusqu'à 350 l/min, ce qui le rend idéal pour isoler des groupes de machines spécifiques. En d'autres termes, l'installation d'un MS2-LR au niveau local permet d'alimenter le collecteur principal à 6 bars, mais aussi de réguler une branche spécifique à 3 bars pour des tâches plus légères.

Figure 3 : Le régulateur de pression MS2-LR assure le contrôle de la pression directement au niveau de l'actionneur. (Source de l'image : Festo)

Contrairement aux régulateurs de base, le MS2-LR comprend une fonction de retour de débit et un échappement secondaire. Cela permet d'évacuer rapidement l'excès de pression lors de la course de retour ou de la purge du système, empêchant ainsi le blocage pneumatique et garantissant la sécurité.

Le modèle MS2-LR-QS6-D6-AR-BAR-B (Figure 4) comprend un manomètre intégré, permettant aux opérateurs de vérifier visuellement que la zone fonctionne à son réglage réduit et écoénergétique. D'autre part, pour un poids encore plus léger (28,3 g), la variante A8 offre un orifice préparé pour un système de mesure personnalisé.

Figure 4 : Une surveillance intégrée permet une vérification instantanée des zones de pression écoénergétiques. (Source de l'image : Festo)

Minimiser les volumes morts dans la transmission pneumatique

Les tubes entre la vanne et l'actionneur représente une source importante de perte d'énergie. Le volume à l'intérieur des tubes doit être pressurisé et dépressurisé à chaque cycle. Ce volume mort consomme de l'air comprimé sans remplir la moindre fonction. De plus, les fuites dans les tubes augmentent la charge de base du compresseur.

L'efficacité de la transmission est obtenue grâce au choix des matériaux et à l'optimisation géométrique.

• Intégrité des matériaux : Les tubes PUN-H sont fabriqués en TPE-U (polyuréthane) résistant à l'hydrolyse. Contrairement au PVC standard, qui peut se dégrader et présenter des fuites au fil du temps, le PUN-H conserve sa flexibilité et l'intégrité de son étanchéité dans divers environnements, avec une plage de températures de fonctionnement comprise entre -35°C et +63°C. Sa paroi intérieure lisse minimise les frottements et favorise un écoulement laminaire.
• Stratégie géométrique : Le fait de placer les vannes plus près des actionneurs et de les relier par des tubes coupés à la longueur voulue permet de réduire le volume d'air nécessaire par cycle. La série PUN-H permet l'identification des circuits grâce à un code couleur, les variantes en noir et en bleu offrant un rayon de courbure minimal supérieur de 9,7 mm pour un routage serré. Notez que la variante de couleur naturelle présente un rayon de courbure légèrement plus grand (14 mm), de sorte que le choix du produit doit être adapté à l'espace d'installation disponible.

Optimiser le choix des vannes pour un meilleur rendement énergétique

Les vannes sont parfois sélectionnées en fonction de la taille des orifices plutôt que des caractéristiques de débit. Les vannes surdimensionnées fournissent un volume d'air excessif aux petits vérins, ce qui entraîne une perte d'efficacité. Inversement, une vanne restrictive ralentit l'actionneur, ce qui incite les opérateurs à augmenter la pression pour compenser. Il convient de trouver un équilibre entre vitesse et consommation pour la vanne.

L'électrovanne VUVG, illustrée à la Figure 5, est conçue à cet effet.

• Rapport débit/taille : L'électrovanne VUVG offre un débit élevé (par exemple, 660 l/min pour une taille de 14 mm) dans une conception compacte, entraînant des charges sans créer de restriction.
• Vitesse et précision : Avec un temps de commutation de 8 ms (pour la variante bistable) et une fréquence de commutation maximale de 2 Hz, la VUVG offre une réponse rapide. Cette précision permet ainsi d'éviter une surpression dans la ligne causée par une fermeture tardive de la vanne.
• Basse consommation d'énergie : La bobine VUVG consomme 0,8 W (à 24 V CC). Associée à un indice de protection IP65, elle garantit une fiabilité optimale dans les environnements industriels sans consommer de courant excessif.

Figure 5 : Le rapport débit/taille élevé de l'électrovanne VUVG permet à cette dernière d'entraîner des charges sans restriction. (Source de l'image : Festo)

Le choix d'une vanne adaptée au volume de l'actionneur garantit que le vérin reçoit le volume d'air nécessaire sans gaspillage.

Réduire la charge énergétique grâce à des actionneurs plus légers

Les pièces mobiles plus lourdes nécessitent plus de force (et de pression) pour se déplacer. Par conséquent, l'utilisation d'un vérin surdimensionné augmente l'énergie nécessaire à l'accélération, ce qui va à l'encontre du principe de réduction du poids. En outre, chaque millimètre de diamètre d'alésage inutile augmente le volume d'air nécessaire pour remplir le vérin, ce qui entraîne un gaspillage d'énergie à chaque course, quelle que soit la charge réelle déplacée. L'actionneur doit être optimisé pour l'application.

Le vérin ISO DSBC est conçu pour offrir des performances optimales avec une masse réduite. La Figure 6 montre le dispositif DSBC-32-25-PPVA pour une masse mobile de 133 g. Il délivre une force théorique d'avance de 483 N à 6 bars. Ce rapport poids-puissance réduit la force nécessaire à l'accélération du piston par rapport à d'autres solutions plus lourdes.

Figure 6 : Le vérin ISO DSBC associe une faible masse mobile à un amortissement efficace afin d'optimiser l'utilisation de l'énergie cinétique. (Source de l'image : Festo)

La gamme DSBC propose des options d'amortissement pneumatique qui améliorent le rendement. Le DSBC-32-25-PPVA est doté d'un amortissement réglable d'une longueur de 17 mm pour ralentir la charge en douceur (énergie d'impact < 0,4 J). Pour encore plus de simplicité, la gamme DSBC propose également une variante auto-réglable (PPSA) qui élimine le besoin de vis de réglage manuelles, réduisant ainsi la maintenance et le risque de fuites.

Minimiser les frottements dans le guidage du mouvement

Dans les applications de précision, le frottement réduit le rendement. Les guidages lisses standard créent une résistance, nécessitant une pression d'air plus élevée pour surmonter le frottement statique et maintenir le mouvement. Cela va à l'encontre de l'objectif de réduction des frottements. Au fil du temps, l'usure des points de contact lisse peut nuire à la précision du positionnement et créer une résistance irrégulière, ce qui oblige le système à fournir plus d'efforts pour maintenir sa vitesse.

Pour les tâches de guidage, le mini-chariot DGST-10-20-E1A (Figure 7) utilise des éléments roulants pour améliorer le rendement.

• Roulements à billes à recirculation : Le chariot DGST utilise un guidage à roulements à billes de précision au lieu de bagues de guidage. Une telle mesure réduit le coefficient de frottement, ce qui permet un fonctionnement fluide à des vitesses pouvant atteindre 0,5 m/s.
• Efficacité du double piston : La conception à double piston augmente la force développée dans une unité compacte. Le chariot exerce une force théorique de 94 N (avance à 6 bars) avec une masse mobile de 134 g.
• Étrier intégré : L'intégration du chariot et de l'étrier en une unité rigide permet d'éliminer tout désalignement. L'unité gère des charges avec un couple maximal de 3 Nm et une force maximale de 480 N, convertissant la pression de l'air directement en mouvement linéaire.

Figure 7 : Le mini-chariot DGST utilise des roulements à billes à recirculation pour réduire les frottements, surpassant ainsi largement les performances des guidages lisses. (Source de l'image : Festo)

Conclusion

L'optimisation d'un système pneumatique nécessite une approche architecturale plutôt qu'un simple changement de composant. En considérant le système comme une chaîne synchronisée, les ingénieurs peuvent obtenir des gains de rendement cumulés qui dépassent largement les améliorations apportées à chaque composant individuellement. Lorsque les six éléments mentionnés dans cet article sont harmonisés, il est possible d'améliorer le rendement, de réduire la pression, de raccourcir les temps de cycle et de minimiser les fuites. Ce phénomène renforce ainsi les connexions entre les composants et améliore les performances globales.