Pneumatische spier
Nieuwe kracht voor aandrijfideeën
Neem een flexibele, luchtdichte slang of darm. Plaats deze
in een 3D-rastergestructureerde kous van sterke vezel. Zet druk op de leiding
onder de vorm van water of lucht, en elk fysica onderlegd schoolkind zal u
vertellen dat de slang radiaal uitzet en dat er een trekkende kracht onstaat in
axiale richting. Door nu zo’n slang aan te sluiten op een drukbron via een
luchtdichte koppeling, verkrijgt men niet alleen een goedkope actuator, maar
tevens één met vele voordelen vergeleken met de conventionele actuatoren. Een
kennismaking.
Version française
Voor de ontwikkeling van de pneumatische
spier
dienen we een aantal eeuwen terug te gaan bij de uitvinding van de drukslang.
Reeds in de 18e eeuw werd gebruik gemaakt van een roostervormige vezelstructuur
als omhulsel voor de slang, die expansie en contractie van de slang aan banden
legde. Tot op heden is deze techniek de meest gebruikte verstevigingvorm voor
drukslangen.
In de jaren zeventig werden door een aantal vooraanstaande Japanse firma’s
onderzoeken verricht op het gebied van de samentrekkingseigenschappen van de
drukslangen. Toch is het pas in het begin van de jaren negentig dat de eerste
toepassing gebaseerd op het principe van de menselijke spier aan de media
gepresenteerd werd onder de vorm van een eenarmige robot. Een doorbraak bleef
echter uit. Vandaag heeft Festo de draad terug opgenomen en zetten zij een
beslissende stap die leidt naar de industriële doorbraak van de pneumatische
spier.
Contra’s worden pro’s
Contractie van de drukslang, hetgeen men in het verleden aan bande trachtte te
leggen, wordt nu het streefdoel weliswaar in een gecontroleerde vorm. De
pneumatische spier is een membraancontractiesysteem gebaseerd op het principe
van de menselijke spier. Basisidee berustte op de eeuwenoude techniek om een
dichte flexibele slang te omwinden met vaste vezels in ruitvorm. De goede keuze
van de hoeken van parallellogrammen van het vezelnet zorgt ervoor dat er in
tegenstelling tot het verleden nu wel een vervorming van het rasterwerk door
inwendige drukverandering veroorzaakt wordt. Zo ontstaat een trekkracht in
axiale richting en wordt door de toenemende binnendruk een verkorting van de
spier verkregen, hetgeen stabiliseert wanneer de neutrale hoek in het
rasternetwerk bereikt is.
De confrontatie
Het totale gewicht van de spier bedraagt slechts 1/10 van de conventionele
metalen cilinder met gelijke binnendiameter, terwijl de kracht die ontstaat door
de contractie tot 10-maal hoger ligt. Voor een zelfde krachtontwikkeling kan men
stellen dat een derde van de normale cilinderdiameter toereikend is en het
energieverbruik met 60% gereduceerd wordt. Daartegenover staat wel dat in
verhouding tot de slaglengte de inbouwmaten groter zijn dan bij conventionele
aandrijvingen. Men moet er wel rekening mee houden dat de slaglengte maximaal
25% van de totale lengte kan bedragen, hetgeen overeenkomt met 2,5m voor een
spier van 10m. Afhankelijk van het gebruik vertoont de pneumatische spier
hysteresis: door de natuurlijke karakteristieken van het mantelmateriaal kan de
lengte van de spier variëren bij een constante inwendige druk. In de praktijk
betekent dit dat de spierlengte bij een druk van twee bar zal variëren wanneer
deze twee bar bereikt is door een drukstijging van nul naar twee bar of door een
drukdaling van zes naar twee bar. Niettegenstaande dit feit kan men wel
rekenenen op identieke eindpositie bij een constante startdruk.
Deze drukveranderingen maken het mogelijk eenvoudig te positioneren. Direct
geleiden van de last echter niet. Omdat de spier niet beïnvloed wordt door het
stick-slip-effect vormen zeer trage bewegingen geen enkel probleem en kan een
zeer hoge initiële kracht verwezenlijkt worden zonder stotteren. Verdere
kenmerken zijn de flexibele bewegingen, variabele inbouw, gebrek aan mechanische
slijtage, bestand tegen vervuiling en tal van middelen, lekkagevrij en eenvoudig
transport.
Waar te gebruiken?
Het gamma omvat kant-en-klare spieren met aansluitingen in binnendiameter
10, 20 en 40 mm en lengtes tot 10 m. De componenten zijn ook individueel
beschikbaar. Toebehoren zoals gaffelkop en flexokoppeling kunnen aan de
bewegende delen bevestigd worden. Hun toepassingen liggen op het gebied van
robotarmen, grippers, liftplatformen, vliegtuigen, simulators, etc. en dit alles
in stoffige en vervuilde omgevingen boven of onder water.
Men kan stellen dat met de pneumatische spier voor een aantal toepassingen een
goed alternatief ontwikkeld is voor de conventionele actuatoren. Zeker vormen
het gereduceerd energieverbruik, de grote initiële kracht en de
onderhoudsvriendelijkheid belangrijke troeven.
Ing.Xavier De Buysscher
Muscle
pneumatique
Nouvelle conception de transmission
Prenez un tuyau flexible, étanche.
Placez-le dans une gaine en fibres solides à structure quadrillée 3D. Mettez
le conduit sous pression avec de l’air ou de l’eau, et tout étudiant en
physique vous dira que le flexible se détend dans le sens radial et que dans le
sens axial, une force de traction est créée. En connectant un tel flexible via
un raccord étanche à une source de pression, l’on obtient un activateur non
seulement économique, mais présentant également de nombreux avantages par
rapport aux activateurs conventionnels. Un aperçu.
Le
développement du muscle pneumatique a dé
buté il y a plusieurs siècles, avec l’invention du flexible sous pression.
Déjà au 18e siècle l’on faisait
usage pour gainer un tel flexible d’une structure en fibres quadrillée, qui
empêchait son expansion et sa contraction. Jusqu’à ce jour, cette technique
constitue une des formes de renforcement les plus courantes pour les flexibles
de pression. Dans les années 70, un nombre de firmes japonaises importantes ont
effectué des recherches concernant les caractéristiques de rétraction des
flexibles. Ce n’est qu’au début des années 90 que la première application
basée sur le principe du muscle humain fut présentée aux media sous forme d’un
robot monobras. Mais la percée se fit attendre. Aujourd’hui Festo a pris le
relais et a franchi une étape décisive qui mène à la percée industrielle du
muscle pneumatique.
Les contre deviennent pour
La contraction du flexible, que l’on voulait limiter par le passé, devient
maintenant un but, bien que sous forme contrôlée. Le muscle pneumatique est un
système de contraction d’une membrane basée sur le principe du muscle
humain. L’idée de base repose sur une technique d’il y a plusieurs siècles
consistant à entourer un flexible sous pression de fibres solides en forme de
losange. Le choix judicieux des angles des parallélogrammes du réseau de
fibres sert à ce que, contrairement au passé, le changement de pression
interne cause une déformation du quadrillage. De cette manière, une force de
traction est créée dans le sens axial et la pression interne croissante cause
une rétraction du muscle, se stabilisant dès que l’angle neutre du
quadrillage est atteint.
La confrontation
Le poids total de ce muscle n’atteint que 1/10e
d’un vérin métallique conventionnel d’un diamètre intérieur identique,
alors que la force générée par la contraction est jusqu’à 10 fois
supérieure. Pour un seul développement de force, un tiers du diamètre normal
du vérin suffit et la consommation en énergie est réduite de 60%. Par contre,
les dimensions extérieures par rapport à la course sont plus importantes que
pour les transmissions conventionnelles. Il faut tenir compte que la course
maximale ne peut dépasser 25% de la longueur totale, ce qui correspond à 2,5 m
pour un muscle de 10 m. Suivant l’application, le muscle pneumatique peut
souffrir d’hysterésie : à cause des caractéristiques naturelles du
matériau de la gaine, la longueur du muscle peut varier sous une pression
interne constante. En pratique, cela signifie que la longueur du muscle variera
sous une pression de deux bars lorsque ces deux bars sont atteints suite à une
augmentation de zéro à deux bars ou une réduction de pression de six à deux
bars. Nonobstant ce fait, l’on peut escompter que sa position finale sera
identique sous une pression constante de démarrage. Ces changements de pression
permettent un positionnement simple, mais pas par contre un guidage direct de la
charge. Comme le muscle n’est pas influencé par l’effet stick-slip, les
mouvements très lents ne constituent aucun problème et une force initiale
très élevée peut être réalisée sans soubresauts. Parmi les autres
avantages, l’on trouve les mouvements flexibles, le montage variable, l’absence
d’usure mécanique, la résistance à l’encrassement et à de nombreux
produits, l’absence de fuites et le transport facile.
Domaines d’application
La gamme comprend des muscles prêts à l’emploi avec des raccords d’un
diamètre intérieur de 10, 20 et 40 mm et des longueurs jusqu’à 10 m. Les
composants sont également disponibles séparément. Des accessoires tels que
des embouts fourchus et des raccords flexo peuvent être fixés aux parties
mobiles. Les applications se situent dans le secteur des bras robotisés, des
grippeurs, des plates-formes de levage, des avions, des simulateurs, etc. et
tout cela dans des environnements poussiéreux ou contaminés en dessous ou
au-dessus de l’eau. Nous pouvons en conclure que pour un nombre considérable
d’applications, le muscle pneumatique constitue une excellente alternative aux
activateurs conventionnels. La consommation d’énergie réduite, la grande
force initiale et la facilité d’entretien sont des atouts importants.
Ing.Xavier De Buysscher
