Circuits pneumatiques et schémas de circuits pneumatiques - Principes de base de l’ingénierie des fluides

Cet article présente les principes de base de la pneumatique, des circuits pneumatiques et des schémas de circuits pneumatiques. La pneumatique est une branche de l’ingénierie des fluides qui traite de l’air comprimé et de son application dans différents systèmes. La technologie de commande pneumatique est utilisée dans de nombreux secteurs industriels, tels que la manutention, la robotique ou le transport.

Qu’est-ce que la pneumatique ?

La pneumatique est une sous-discipline de la mécanique qui étudie le comportement des gaz. Plus précisément, elle relève de l’ingénierie des fluides qui utilise l’air comprimé ou des systèmes pneumatiques pour produire du mouvement et de l’énergie motrice.

Dans les systèmes d’air comprimé classiques, la pression de l’air est de 6 bars. Le niveau de pression peut atteindre 18 bars dans les applications à haute pression, notamment celles qui exigent une puissance d’entrée élevée. Dans certains cas particuliers, la pression peut même atteindre 40 bars.

L’air comprimé offre de nombreuses possibilités d’utilisation, selon les besoins. Par exemple, il peut servir d’air actif pour transporter des substances et des matériaux. ll est également utilisé comme air de procédé, notamment dans les procédés de séchage ou autres. De plus, l’air comprimé peut être utilisé dans des environnements potentiellement explosifs ou humides, par exemple pour actionner des moteurs ou équipements similaires. Une ponceuse orbitale excentrique à air comprimé utilisée dans une cabine de peinture est un exemple typique d’application.

Applications des commandes pneumatiques

Les commandes et systèmes pneumatiques trouvent de nombreuses applications en ingénierie mécanique, dans la construction de machines spéciales et la production en série. Outre leur simplicité et leur fiabilité, les systèmes pneumatiques offrent également des temps de réponse rapides et une mise en œuvre relativement économique.

Exemples typiques d’application des commandes pneumatiques :

• Machines à souder : Commande des têtes de soudage et des dispositifs de serrage.
• Outils de machine : Pour le serrage, le desserrage et le changement d’outil.
• Machines de fonderie : Pour l’ouverture et la fermeture des moules ainsi que l’éjection des pièces – par exemple dans les presses d’injection.
• Convoyeurs et palans : Pour déplacer, soulever et positionner des matériaux.
• Machines d’impression et de transformation du papier : Pour commander les processus d’impression et le positionnement du papier.

Quels sont les avantages de la pneumatique ?

Les systèmes pneumatiques présentent de nombreux avantages. Le fluide utilisé, à savoir l’air, est disponible en quantité illimitée, accessible pratiquement partout et transportable sur de longues distances.

• Capacité de stockage : L’air comprimé peut être stocké dans des réservoirs prévus à cet effet. Ces réservoirs d’air comprimé peuvent également être transportés.
• Résistance à la température : L’air comprimé est globalement insensible aux variations de température. Il convient donc à un fonctionnement dans des conditions plus extrêmes que les fluides, comme les liquides hydrauliques.
• Compatibilité environnementale : Une fuite d’air comprimé ne provoque ni pollution ni dommage.
• Simplicité : Les composants pneumatiques sont faciles à assembler. Ils permettent de moduler en continu les vitesses et les forces des vérins.
• Vitesse élevée : L’air comprimé est un fluide de procédé rapide, permettant d’atteindre des vitesses relativement élevées et des temps de commutation courts.
• Portabilité : L’air comprimé peut être facilement transporté dans des conduites sur de longues distances. L’air comprimé nécessite généralement seulement un conditionnement.
• Protection contre les surcharges : Les circuits et composants pneumatiques peuvent absorber les charges même à l’arrêt, ce qui les rend insensibles aux surcharges liées aux pics de pression.

Divers procédés mécaniques peuvent être alimentés efficacement par l’air comprimé, ce qui en fait une alternative rentable à d’autres sources d’énergie.

Principes de conception et de fonctionnement des commandes pneumatiques

L’air comprimé est acheminé vers l’emplacement souhaité à l’aide de vannes. L’énergie stockée dans l’air comprimé est utilisée pour produire une énergie de mouvement. L’utilisation d’air comprimé pour actionner un piston de vérin dans une direction donnée est une utilisation typique.

Chaque système de commande pneumatique se compose essentiellement des sous-composants suivants :

• Production d’air comprimé (compresseurs)
• Conditionnement de l’air comprimé (filtre pneumatique / filtre à air)
• Accumulateur d’air comprimé (réservoir d’air)
• Régulation de l’air comprimé (régulateur de pression)
• Vannes principales (distributeurs pneumatiques)
• Éléments de processus (cylindres)
• Capteurs et interrupteurs (électrovannes, boutons-poussoirs)
• Tuyaux en tissu et raccords

Production d’air comprimé dans les systèmes pneumatiques

Un ou plusieurs compresseurs sont utilisés pour générer la pression de service requise. Ils aspirent et compriment l’air selon les besoins à une pression comprise entre 6 et 40 bars.

Les processus mécaniques et thermodynamiques utilisés pour comprimer l’air génèrent une grande quantité de chaleur, qui doit être évacuée. L’air comprimé est donc dirigé vers un refroidisseur d’air pour en abaisser la température.

Conditionnement de l’air comprimé

Cependant, le refroidissement de l’air réduit également sa capacité à absorber l’humidité. Lorsque l’air refroidit, il libère souvent de l’eau, ce qui peut endommager le système. L’air est alors dirigé à travers un sécheur d’air pour éviter ce phénomène. Il existe plusieurs types de sécheurs d’air, tels que les sécheurs frigorifiques et les sécheurs à adsorption, qui éliminent l’humidité de l’air. Il est tout aussi important d’éliminer les contaminants de l’air comprimé pour garantir une qualité optimale de l’air et assurer la longévité des systèmes pneumatiques. Pour cela, l’air est filtré afin d’éliminer les contaminants tels que la poussière, les particules ou l’huile. Cependant, comme l’huile est nécessaire à la lubrification des entraînements, l’air comprimé est enrichi à l’aide de graisseurs spécialisés.

Stockage de l’air comprimé

L’air conditionné est stocké dans des réservoirs d’air comprimé. Ces réservoirs servent également à compenser les fluctuations de pression lors du soutirage de l’air comprimé. L’accumulateur d’air est rechargé lorsque la pression descend sous une valeur seuil.

Régulation et distribution de l’air comprimé

La pression atmosphérique est réglée à l’aide d’un régulateur de pression avant l’utilisation de l’air comprimé dans le circuit pneumatique. L’air est ensuite distribué dans le système via un réseau de tubes et de tuyaux en tissu. Le système d’air comprimé doit être conçu en tenant compte de divers paramètres, tels que le diamètre des conduites. Plus le diamètre d’une conduite est réduit, plus la résistance à l’écoulement augmente. Il faut choisir le diamètre de manière à minimiser les pertes de charge.

Des risques de fuite sont néanmoins présents dans les systèmes d’air comprimé. Elles surviennent fréquemment au niveau des connecteurs de raccordement ou des distributeurs. Ces fuites entraînent une perte continue d’air comprimé, avec pour conséquences une hausse de la consommation énergétique et une baisse des performances du système. Outre ces pertes directes, le système peut également présenter des pertes indirectes. Les compresseurs surdimensionnés, les conduites trop longues ou trop étroites, ou encore un mauvais positionnement du réservoir sont autant de facteurs qui nuisent à la performance globale du système. Une planification réfléchie de la distribution d’air comprimé est donc essentielle pour optimiser la durabilité et l’efficacité du système.

Transmission de mouvement et de puissance

Divers composants des circuits pneumatiques agissent de concert pour générer du mouvement et transmettre de la force. Les vannes régulent la direction, la pression et le débit de l’air comprimé. Les entraînements pneumatiques, tels que les cylindres ou les moteurs pneumatiques, effectuent le travail effectif dans le circuit pneumatique. Ils convertissent l’énergie contenue dans l’air comprimé en mouvement mécanique. L’air comprimé déplace le piston à l’intérieur du cylindre, transférant la force, généralement dans une direction linéaire.

Le travail mécanique est effectué par des éléments de travail spécialisés, qui se présentent principalement sous la forme de cylindres pneumatiques, par exemple sous forme de préhenseurs pneumatiques.

Les convoyeurs industriels déplacent ou transportent des matériaux vers diverses destinations dans les ateliers ou entrepôts. Les convoyeurs pneumatiques utilisent l’air comprimé pour transporter des matériaux ou des composants, tels que des granulés, des poudres ou des matériaux en vrac, à travers des conduites pour un traitement ou une évacuation ultérieurs. Ces systèmes sont utilisés à différentes étapes de la production, car ils simplifient et facilitent la manutention des matériaux.

Structure générale d’un schéma de circuit pneumatique

Les schémas des circuits pneumatiques sont des représentations graphiques des commandes pneumatiques. Ils présentent la fonction et les connexions des différents composants d’un système pneumatique.

Les schémas des circuits pneumatiques comprennent les éléments d’alimentation, les actionneurs et les éléments de procédé. Les éléments d’alimentation sont responsables de l’approvisionnement en air comprimé ainsi que de son traitement, de son stockage et de sa distribution. Les actionneurs sont les éléments de commande dans un schéma de circuit pneumatique. Par exemple, les vannes directionnelles, les vannes de pression ou les clapets anti-retour. Ils déterminent le débit et la direction de l’air comprimé. Les éléments de processus sont les composants qui effectuent le travail physique dans le circuit. Ils convertissent l’énergie stockée dans l’air comprimé en mouvement mécanique. Les cylindres, moteurs ou actionneurs sont des éléments de procédé.

En général, les circuits sont disposés de manière à ce que la puissance circule de bas en haut, c’est-à-dire de la source d’air comprimé jusqu’à l’élément de procédé. La source d’air comprimé constitue donc le premier élément, situé en bas du schéma, tandis que l’élément de puissance est le dernier, positionné tout en haut.

Exemple d’application avec schéma de circuit pneumatique

L’exemple pratique suivant montre une tige de piston à déployer (position complètement étendue), puis à rétracter après un délai défini (position d’accueil). Pour des raisons de sécurité, les opérateurs utilisent généralement deux boutons-poussoirs afin d’éviter un déploiement accidentel du piston.

L’application se compose essentiellement des composants suivants :

• 1 cylindre pneumatique double action avec tige de piston (1 A)
• 2 boutons-poussoirs manuels avec soupapes de commande directionnelle (1S1 et 1S2)
• 1 accumulateur avec vanne temporisée (1V3) et vanne d’étranglement
• 1 vanne de pression double (1V1)
• 1 vanne d’échange (1V2)
• Vannes d’impulsion et vannes directionnelles

• La vanne de pression double 1V1 agit comme un circuit logique « Et » : l’air comprimé ne peut passer à la vanne d’impulsion 1V4 que si les deux boutons manuels 1S1 et 1S2 sont actionnés simultanément.
• La vanne d’impulsion 1V4 est alimentée par l’air entrant et est pressurisée avec de l’air comprimé.
• La vanne d’impulsion 1V4 alimente la vanne de commande directionnelle 1V5.
• En raison de la position de décalage de la vanne de commande directionnelle 1V5, l’air comprimé pénètre maintenant dans le cylindre pneumatique à double action 1 A et permet à la tige de piston de s’y étendre (position complètement déployée). La tige de piston reste initialement en position complètement déployée.

Le principe de fonctionnement du circuit entraîne plusieurs actions simultanées lors de la commutation.

• En actionnant les boutons manuels, l’air comprimé pénètre simultanément dans la vanne d’échange 1V2, qui agit également comme un clapet anti-retour.
• L’air comprimé remplit l’accumulateur 1V3 - lequel est équipé d’une vanne temporisée.
• Dès que l’accumulateur de pression 1V3 est rempli, l’air comprimé libéré alimente la vanne d’impulsion 1V4, ce qui fait revenir la vanne directionnelle 1V5 en position d’accueil.
• En raison de la nouvelle position de la vanne directionnelle 1V5, l’air comprimé pénètre dans le cylindre double effet 1 A, permettant ainsi la rétraction de la tige de piston (position d’accueil).
• Pour étendre à nouveau le piston, il faut « relâcher » les deux boutons manuels puis les actionner à nouveau.

Les éléments du schéma de circuit sont étiquetés conformément à la clé d’étiquetage spécifiée dans la norme DIN ISO 1219-2. Selon l’application, les symboles prévus par la norme peuvent être combinés entre eux. L’aperçu suivant présente quelques exemples.

Conventions de dénomination des vannes directionnelles

La description des vannes directionnelles repose sur le nombre de ports, le nombre de positions de commutation et le chemin d’écoulement. Deux numéros sont attribués aux vannes directionnelles. Le premier indique le nombre de ports de la vanne et le deuxième le nombre de positions de commutation. Une vanne à 3/2 voies, par exemple, possède trois ports et deux positions de commutation. En pratique, les vannes directionnelles 2/2, 3/2, 5/2 et 5/3 sont les plus couramment utilisées.

Regroupement et conception des soupapes de commande directionnelle

Les actionneurs pneumatiques (par exemple, les cylindres, etc.) sont commandés par des vannes pneumatiques. La fonction des vannes est de contrôler la direction de l’action, la vitesse (via le débit) et la force.

Les vannes directionnelles sont l’un des éléments les plus importants des commandes pneumatiques. Elles servent à définir la direction du flux et à ouvrir ou fermer le passage du fluide. ar exemple, elles permettent d’actionner et de piloter les cylindres, vannes ou outils pneumatiques. Les vannes directionnelles peuvent être regroupées selon différents critères :

• Par structure de base : En fonction de leur conception, on distingue les vannes à tiroir à piston des vannes à siège.

• Par type de fonctionnement : Les vannes directionnelles peuvent être actionnées mécaniquement, manuellement, pneumatiquement ou électriquement.

• Par nombre de positions : Il existe des vannes monostables, bistables, à trois positions ou multipositions. Comme le terme l’indique, la vanne a une position stable pour les modèles monostables et deux positions stables pour les modèles bistables (position d’accueil de la vanne).

• En fonction du nombre de ports et de positions : En termes de ports et de positions, on distingue les vannes 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 5/2, 4/3 et 5/3 voies

• Par position de commutation en position d’accueil : En fonction du nombre de ports et de positions, les vannes directionnelles 2/2 et 3/2 sont différenciées selon qu’elles sont ouvertes ou fermées en position d’accueil. Les vannes directionnelles 3/3, 4/3 et 5/3 se distinguent par des positions centrales fermées, ouvertes ou ventilées.

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