Cours De Pneumatique

MECA 2755 Pneumatique 1: Air comprimé et Composants

Année académique 2001 - 2002, Q1

1

Le cours en un clin d’oeil S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14

Introduction Capteurs 1 Capteurs 2 Pneumatique: installation, composants Pneumatique: circuits logiques Electro-pneum.: composants et logique Robots : historique, classification... Robots : programmation, préhenseurs... Robots: génération trajectoires Automates : technologie/programmation Automates : programmation (grafcet) Automates et bus de terain Cames et indexeurs mécaniques Ligne de production (Visite Eurogal)

All H.B. H.B. P.F. P.F. P.F. J.C.S. J.C.S. J.C.S. P.F. P.F. P.F. P.F. All

Capteurs Actionneurs

« Super » actionneurs

Automatisation séquentielle

2

Contenu du cours " Introduction - Historique " Air comprimé " Installation: composants " Cylindres pneumatiques " Distributeurs " Capteurs " Montage installation 3

Historique et Enjeux

• ...

pui

ssa nce

• Il y a 2000 ans, Ktesibios comprime l’air pour accroître la portée d ’un « canon pneumatique »

• 1857 : Creusement du tunnel sous le mont Cénis (Alpes) - foreuses pneumatiques, avance: 2m/jour au lieu de 60cm/jour

pui

co m ssa nce mand e

• 1890 : Victor Popp : réseau sous-terrain d’air comprimé sous Paris (6 bar) • 1960 : Premières cellules logiques pneumatiques (algèbre Booléenne) • …. 2000 - commande: électro-pneumatique, automates, bus de terrain - puissance: vérins sans tige, compacts (course 10 mm), rotatifs, 4... Introduction

Fournisseurs - Utilisateurs • Fournisseurs: Compresseurs: Atlas Copco, Bauer, Boge, Gardner-Denver, Technofluid... Vérins, distributeurs, accessoires: Norgren, Festo, Bosch, SMC, Air Logic, Technofluid... Pompes, moteurs, … : Atlas Copco, Enerfluid, Gas, Unicum, ...

• Utilisation: - Manutention, Conditionnement (soulever, indexer, bloquer, …) - Mise en forme matériaux (usinage, découpe, soudage, …) - Robots de translation

Cadence !!! Robustesse !!! Fiabilité !!!

• Secteurs: - Automobile - Emballage - Bois - Papeterie - Verre - Agro-Alimenaire - Textile - etc... - etc... 5 Introduction

Pneumatique et Systèmes Automatisés

Cellules Terrain

sec msec ...

Pneumatique, électropneumatique

Automaticiens

Automates

min

Électriciens Pneumaticiens

Atelier

Informaticiens

hrs

Usine

cyclique

Companie

événementiel

Temps Type Type de réponse d’échange de Profils

6

Introduction

Contenu du cours " Introduction - Historique " Air comprimé " Installation: composants " Cylindres pneumatiques " Distributeurs " Capteurs " Montage installation 7

Air comprimé, source d’énergie Bar (pression relative)

150

40 … 20

Pression relative = Pression manométrique

10 7

Air comprimé en bouteille (plongée)

Navigation (mécanisation)

Pneumatique industrielle

1 Technique de régulation/mesure P. atmosphérique

0 Technique du vide

-1

8

Air comprimé

Air comprimé: applications (1) • Moteurs rotatifs (« à palettes ») P : 1 … 10 kW Vmax: 30 000 t/min • Moteurs à piston

Atlas Copoco

P : 3 … 30 kW Vmax: 5 000 t/min

• Outillage

9

Air comprimé

Air comprimé: applications (2) • Vide venturi

Vide Multi-éjecteurs

• Travail linéaire mécanisé

Venturis haute cadence (Convum)

• construction simple/robuste • réglage simple de la vitesse • pas de surcharge possible • pas de surpuissance possible

10

Air comprimé

Air comprimé: applications (3) Dispositifs complets Combinaison avances + serrage

Combinaison moteur + frein

Avance-bande

Palan

Unité de forage Combinaison avance, rotation, percussion

Robot pneumatique 11

Air comprimé

Pneumatique >< Hydraulique Hydraulique : • Force supérieure à 50 000 N p : … 300 bar

• Positionnnement intermédiaire des vérins (et précis) • Vitesses d’avance régulière (huile incompressible)

Pneumatique : p : … 10 bar

• Force inférieure à 50 000 N pneumatique : alésage

350 mm, p = 6 bar

• Installation peu coûteuse (production air comp. centralisée) • Transport du fluide plus simple et bcp plus rapide: hydraulique : Vmax : … 3 m/sec pneumatique: Vmax : 15 … 50 m/sec 12

Air comprimé

Pneumatique >< Electrique • si les temps de réponse ne sont pas critiques (10…20 msec : OK) • pour des machines séquentielles simples • dans les milieux « hostiles » - haute température … plus fréquent qu’on ne le pense... - déflagrants - humides - ... • pour son faible coût d’entretien • qualification minimales requises

Ec

on o

mi

qu e

En v

i ro nn em en t

Te ch niq ue

Quand on est face à l’alternative …, l’actionnement pneumatique est préféré:

13

Air comprimé

Coût de l’air comprimé 1. Définition : volume, débit d’air (ex. 1 m3, 3 litres/sec …) Toujours => volume d’air libre càd : t°= 0° C , p = patm 2. Coût de l’air comprimé: • Très petite installation (< 30 m3/h) : 2 … 3 FB/m3 • Grande installation : 1 … 2 FB/m3 + coût séchage : +10 % (réfrigération simple) +15…30 % (absorption/adsorption) 3. Puissance électrique requise (compresseur) : 10 CV = 7.36 kW pour Q = 1 m3 / minute ( 7.36 * 7 FB/kWh)/60 = 0.86 FB/m3 )

14

Air comprimé

L’air à 1 bar (= 0.1 Mpa = 10 N/cm2), Densité : 1.293 kg/m3 1% autres

21% oxygène

78% azote

Hypothèses « gaz parfait »:

(p . V) / T = cste

15

Air comprimé

L’air: pression absolue/relative Pression Existante Pression Absolue

PRESSION RELATIVE (EFFECTIVE) 0,1 MPa

Vide

Pression Atmosphérique

0 Pa

• Sur le terrain

: Pression Relative, manométrique

• Dans les formules !!

: Pression Absolue (ex.: p.V=cste) 16

Air comprimé

Humidité (cfr. MECA 2345) Humidité relative =

Point de rosée = température à laquelle un volume d’air est saturé en vapeur d’eau: Au moindre refroidissement … condensation

Quantité max. de vapeur d ’eau dans 1 m3 d’air en fct de la température:

Quantité indépendante de la pression ! 17

Air comprimé

Humidité: exemple Soit un Compresseur : Q = 300 m3/h, air à 20° C, H.R. = 75 % L’air est comprimé à 9 bar. La température dans le réservoir = 40 °C. Question : Quantité d’eau condensée? A 20° C, 1 m3 peut contenir 17.3 gr d ’eau. Le compresseur aspire donc :

Gaz parfait: (p V) / T = cste : V2 = 32 m3. L’air dans le réservoir contiendra:

Il y aura donc condensation de :

> 2 litres 18 /h ! Air comprimé

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Installation pneumatique AIR COMPRIME AIR Vapeur d'eau Poussières Particules chimiques

ELIMINATION DES CONDENSATS

+150°C

Compresseur Filtre / Silencieux

+50°C

DESHUILAGE

FILTRATION

+35°C

Séparateur

Refroidisseur

SECHAGE

Réservoir

Sécheurs Filtre 20

Installation

Compresseurs (1) 2 types : • Compresseurs Dynamiques: Dynamiques

air propulsé (én. cinétique) mis sous pression (én. potentielle) 1

• Compresseurs Volumétriques: Volumétriques

Boyle-Mariotte 0.5 0.25 0.125 0.0625

0

1. Dynamiques

1

2

4

8

16

Axial:

Radial:

• Utilisation: grandes puissances • Pression : max. 25 bar • Débit: jusqu ’à 5000 m3/min

21

Compresseurs

Compresseurs (2) 2. Volumétriques

à vis:

à pistons:

• Utilisation: < 600 kW • Pression : 4 … 13 bar • Débit: max. 80 m3/min multi-étagés:

à palettes: • Utilisation: petites industries • Pression : jusque 150 bar • Débit: max. 500 m3/min • Utilisation: < 100 kW • Pression : 0.2 … 10 bar • Débit: max. 30 m3/min

22

Compresseurs

Chez nous ...

Compresseurs (3)

23

Compresseurs

Débit d’une installation ∆ p ∆P

P2 [bar]

p1

p2 6

4

2

0

Pression entrée

bar

Pression d’entrée (absolue)

p1

11

6

4

8

Pression de sortie (absolue)

8

2

0

9

bar

1,1 MPa 0,9 MPa 0,7 MPa

7 6 5

Pression sortie

0,5 MPa 0,3 MPa

3

Eau:

hypercritique 0 0

10

20

30

40

Débit

50

23 Nl/min

Air:

(cas sous-critique)

Coefficient de débit Kv d’un élément: Kv : établi avec p1 = 6 bar et p2= 5 bar (Vn mesuré) 24

Installation

Débit d’une installation Kv: Ordres de grandeur (…) :

Exemple:

25

Installation

Consommation d’air comprimé L

Volume d’air pour le remplissage: D

Exemple: • 3 aller-retour/cycle pneumatique

• tcycle= 6 sec Débit: Dans la pratique : tableaux de consommation

On effectue le calcul pour l’installation complète + 25 … 50 % à cause des fuites ! 26

Installation

Consommation d’air comprimé Fuites !!!!!

Exemple: Canalisation de diamètre = 20 mm Fissure semi-circulaire de 0.1 mm = fuite de 2 mm de diamètre à p = 6 bar

240 l/min d’air libre

à ~2 FB/m3

20 … 30 FB/h.

100 000 FB/an !!! 27

Installation

Choix des canalisations ? 7 bar

1 2’’

2

9000 l/min

2 mbar/m 28

Installation

Installation pneumatique • eau • huile • impuretés solides

29

Installation

Sécheur frigorifique Air humide

Air humide

By-pass Air sec

Air sec Séparateur de condensats M Appareil de refroidissement

Séparateur de condensats

Au labo:

Performance: Point de rosée : 2 … 4°C Technofluid

30

Installation

Canalisations vers cellules Toutes les pentes vers un coin

Alimentation

Col de cygne

Purgeurs

Débit Alimentation

Canalisation d'alimentation avec vannes d'arrêt

Canalisation principale Pente 1cm/m

Purge

Vanne d’arrêt

Purge 31

Installation

Sécheurs (produit hygroscopique)

(dessicant)

Performance: Point de rosée : ∆in/out : 5 à 10°C

Sili cag el

Par adsorption

Na C l

Par absorption

Technofluid

Performance: Point de rosée : −40 à -70°C 32

Installation

Unité de conditionnement (FRL)

33

Installation

Unité de conditionnement (FRL) Régulateur Vanne d'arrêt

Filtre

6 4

8

2

0

Alimentation

Lubrificateur

Machine

34

Installation

Unité de conditionnement (FRL) Filtre à air centrifugeur

Mouvement centrifugé

A

Filtre fin (25 µ … 5 µ)

C

Dôme / zone inférieure calme

B D

Purge (D: automatique ou E: manuelle)

E 35

Installation

Unité de conditionnement (FRL) Filtre lubrificateur

réglage fin

en pratique : le coup du mouchoir !

huile goutte à goutte

mise sous pression

à brouillard d’huile

à micro-brouillard

36

Installation

Unité de conditionnement (FRL) Réducteur de pression

Soupape de sécurité

réglage

diaphragme

ressort

Pression

« casserole à pression »

soupape tige

37

Installation

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Cylindres pneumatiques

39

Cylindres

Cylindres : simple effet Tige rentrée

Tige Sortie

• Simplicité de raccordement • En cas de coupure : retour instantané dans la position de repos 40

Cylindres

Cylindres : double effet

• Les plus répandus

41

Cylindres

Cylindres: construction Fond

Vis d'amortissement Piston

Bague d'amortissement Bague de guidage Joint racleur

Joint de piston Segment porteur

Tige de piston

Tube Joint d'amortissement 42

Cylindres

Cylindres: amortissement portée d’amortissement

43

Cylindres

Cylindres : fixation Plaque de fond

Chape femelle sur la tige

Tourillon mâle sur le corps Articulation d’équerre 44

Cylindres

Flambage tige - course max. 1.

3.

2.

Exemple: fixation 1a; diamètre 16 mm : course ? 45

Cylindres

Cylindres : Force / vitesse Deux outputs utiles

D

1. Force

d

F+ poussée

Ftraction

En réalité: Force statique = … 95% de Fthéo Force dynamique < 70 % de Fthéo

• Frottement et ... • Contre-pression INDISPENSABLE!!! 46 Cylindres

Cylindres : Force / vitesse 2. Vitesse

Cylindre double effet

régulateurs distributeur 12

4

2

10

Arrivée d ’air comprimé 5

3 1

47

Cylindres

Cylindres : Evolution pression

0-1: 4: 4-5 : 5. … 9:

temps inversion distributeur (5 … 50 msec) ∆ p = W/A … ça bouge … ∆ p > W/A … on accélère. ps s’infléchit vers le haut ∆ p = W/A … vitesse stabilisée entrée dans la zone d’amortissement : ps

W = µ.mg

48

Cylindres

Cylindres : Evolution pression

.. . mx+Cx=F-W .. Équilibre : x = 0 F

. x = (F - W) / C W 49

Cylindres

Cylindres : Dispositions Accroissement course

Synchronisation

roue dentée

crémaillère

Accroissement force

50

Cylindres

Cylindres spéciaux Unités de couple

Cylindres compact à soufflet

Cylindres sans tige (chariot guidé)

51

Cylindres

Cylindres spéciaux (2) : sans tige ex. : « Lintra » (Norgren/Martonair)

Application:

Mouvement ET guidage

52

Cylindres

Cylindres spéciaux (3) : sans tige … Ben voyons ...

53

Cylindres

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Distributeurs (« pré-actionneurs ») The figure Nombre d’orifices X/ Y

Nombre de positions

1 : alimentation 2, 4 : vers actionneurs 3, 5 : échappement 55

Distributeurs

Distributeurs 2/2 12

2

10

1

56

Distributeurs

Distributeurs 3/2 12

12 3

3

2

2

1

1

57

Distributeurs

Distributeurs 3/2: en situation Au repos

Actionné

58

Distributeurs

Distributeurs 5/2 4

4

14

2

14 1

3

5

4

2

14

12

5

1

3

12

12 5

4

2 1

3

2

14

12

5

1

3

59

Distributeurs

Distributeurs 5/2: symbolique

4

2

14

+

4 12

5

1 3

repos

_

2

14

+ 5

12 1 3

_

actionné

60

Distributeurs

Distributeurs 5/3 Position médiane ouverte 4

2

4

14

14

2

12

12

513

5 4

1

3

2

4

14

12

2

14

12

Position médiane fermée 4

5

1

3

5

1

2

4

14

3 14

2

12

12

513

4

2

4

5

2

14

5

12

1

3

4

2

14

12

1 3 5

1

3

5

1

3

61

Distributeurs

Distributeurs : construction 1. à tiroir

avec joints

sans joints

Impulsion min: 25 msec Ajustage : 4 … 8 microns

62

Distributeurs

Distributeurs : construction 2. à clapet 12

12

3

2

2

1

1

3

• Faible coût • petit déplacement 12 => grand débit • utilisés pour des commandes mécaniques (ex. fin de course)

63

Distributeurs

Distributeurs : construction Mécanismes de commande

Bouton poussoir

Bouton encastré

Clé

Arrêt d’urgence avec clé

Pilote électropneumatique

Levier

Bouton Bouton champignon rotatif

1/8

Galet Galet escamotable

Pilote Poussoir pression

64

Distributeurs

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Capteurs de fin de course Pneumatique/action mécanique

Electrique/action mécanique 13

21

14

22

Pneumatique/action pneumatique

Electrique/action pneumatique

Electrique/action magnétique … / ...

« contact reed » 66

Capteurs

Contenu du cours " Introduction - Historique " Air comprimé " Installation: composants " Cylindres pneumatiques " Distributeurs " Capteurs " Montage installation 67

Montage des circuits: cylindres 1. Choix des cylindres sur base du Cahier des Charges : • Effort désiré (ex. force de forage) • Course désirée (profondeur de forage) • Simple/double effet • Fixations possibles • Conditions de travail

2. Placement du cylindre : • Attention à l’alignement si fixations sans rotule • Pousse ou Tire mais en principe ne guide pas (sauf vérins sans tiges) cfr. cours de conception mécanique 68

Montage

Montage des circuits: distributeurs 1. Type sur base du Cahier des Charges : • bistable, monostable, • 5/2, 3/2, ... • commandé électriquement, pneumatiquement, ...

2. Taille (orifices) : sur base du débit nécessaire (vitesse cylindre) • … en théorie : Vérification des débits sur base du Kv du distributeur, ... • …. Sur le terrain : abaques et règles de bonne pratique

(Catalogue 2001)

3. Montage : • en « îlots »

2

2

2

2

1

3

même au labo!

69

Montage

Montage des circuits: canalisation 1. Section … en fonction des orifices et Kv des distributeurs

2. Matériau • Dans les livres : règles de bonne conduite • En pratique : on voit de tout : au bon plaisir du client (galva, inox, nylon, cuivre, etc …) 70

Montage

Armoires de commande Un exemple simple ...

71

Montage