Laten lineaire bewegingen op machines en installaties zich beter pneumatisch of elektrisch aansturen? Hoe efficiënt zijn ze en wat zijn de eigenschappen en kosten van elk van beide technologieën? We willen het wel eens op een rijtje zetten.

Sedert 1860 kent de elektrisch gestuurde aandrijftechniek zijn toepassingen. Pas honderd jaar later krijgt het toepassingsgebied van de pneumatiek enige vorm. Een vergelijk van beide aandrijftechnologieën is enkel zinvol voor een pneumatisch bereik tot 3kW (diameter <100mm) daar in dit bereik vergelijkbare krachten en snelheden optreden. Bij de elektrische aandrijvingen strekken de toepassingen zich uit tot in de megawattvermogens, waarbij een goed derde van de totale omzet gerealiseerd wordt door de kleine motoren en vermogens.
Op gebied van de lineaire aandrijvingen is de concurrentiestrijd tussen beide technologieën het grootst. Roterende toepassingen van met perslucht (schroevers, lamellenmotoren…) zijn in bepaalde gevallen op basis van hun excellente vermogencapaciteiten eerste keuze, niettegenstaande de zuivere draaibewegingen in zijn geheel door de elektrische aandrijving gedomineerd worden. De pneumatiek kent zijn grootste toepassing in het zuiver gestuurde automatiseringsgebied. Daarentegen zijn de elektrische aandrijvingen vooral te vinden bij vrij programmeerbare bewegingen.

Welke aandrijvingen?
Directe aandrijvingen vormen absoluut de trend. Ondersteunt door de reclameboodschappen van menig fabrikant, namelijk dat elektrische assen gelijke prestaties behalen dan pneumatische assen, wordt ook het kostenaspect op de lange termijn bekampt om het meest gunstige energieverbruik. Daarbij is het vergelijk tussen elektrische en pneumatische aandrijvingen zeer moeilijk, daar er bij elektrische aandrijvingen zeer verschillende toepassingen en varianten zijn. Het is daarom noodzakelijk voor een zinvol vergelijk de aandrijving doelgericht uit te wisselen.

Vergelijkbaarheid
Kort ter vergelijking van de verschillende aandrijfsystemen: bij spindel- en tandriemassen wordt de draaibeweging van een roterende motor over een overbrenging in een lineaire beweging omgezet. Bij een directe elektrische aandrijving (lineaire motor) is het vergelijk eenvoudiger, omdat de pneumatische aandrijvingen ook directe aandrijvingen zijn, daar de kracht direct en niet over een transmissie wordt overgebracht. Directe elektrische aandrijvingen nemen toe in de wereld van de werktuigmachines en staan daarom in concurrentie met de spindelaandrijvingen. De bij deze toepassing benodigde kracht-, nauwkeurigheids- en stijfheidseisen bevinden zich in een bereik waar de pneumatische aandrijvingen niet voldoen. Daarentegen in het geval van een bewegingsas binnen de geautomatiseerde manipulatietechniek, is een vergelijk met de pneumatiek wel relevant daar de kracht, snelheid en nauwkeurigheid zowel mogelijk wordt met elektrische als pneumatische aandrijving, waaronder een pneumatische as, een tandriemas of een spindelas. In de confrontatie tussen de beide aandrijfalternatieven wordt het toepassingsbereik van de componenten duidelijk, omdat elk deel bij de elektrische aandrijvingen een tegenhanger kent bij de pneumatische. Zowel bij de elektrische tandriemaandrijving als bij de spindelaandrijving zorgt een mechanische overbrenging in de vorm van een tandriem respectievelijk transmissie voor de omzetting van een roterende in een lineaire beweging.

Technische en economische aspecten
Bij de technische criteria heeft de pneumatiek wat de overbelastingsgeschiktheid en de belastbaarheid aangaat duidelijk voordelen. Die goede overbelastingsweerstand wordt ten eerste verkregen door de eenvoudige, constructieve opbouw van de pneumatische aandrijvingen en ten tweede door de 100% inschakeltijd bij het aanleggen van de maximale belasting. De aandrijfkracht en zijn dynamiek, evenals de krachtopbouw of de krachtsverandering vormen wezenlijke aspecten van deze aandrijftechnologie.
Bij elektrische aandrijvingen kan de maximale belasting op grond van de opwarmingsverschijnselen, maar kort aangebracht en onderhouden worden. Om deze opwarming binnen de perken te houden vormt dikwijls maar 20% van de maximale belasting de nominale kracht die voor 100% inschakelduur toegelaten wordt. Om deze grenzen te verleggen en langere belastingstijden toe te laten worden bijvoorbeeld de aandrijvingen bij werktuigmachines van een waterkoeling voorzien. Voor directe elektrische aandrijvingen voor manipulatoren en dergelijke zijn bijkomstige koelingen of koelribben, die met lucht gekoeld worden, mogelijk.
Dit onderscheid in nominale kracht weerspiegelt natuurlijk het prestatievermogen dat in dit geval in het voordeel speelt van de pneumatiek. Bij de krachtopbouw (tijdelijke verandering van de kracht) zijn de elektrische aandrijvingen beslist sneller dan de pneumatische. Dit is bijzonder voor de nauwkeurigheid, regelbaarheid en inertie doorslaggevend, waardoor in dit geval de elektrische de voorkeur genieten boven de pneumatische.
Daarbovenop hebben pneumatische aandrijvingen een aantal ongunstige niet-lineaire eigenschappen die met de klassieke regeltechnieken niet beheerst kunnen worden. Goede knowhow en het gebruik van bijkomstige componenten zoals sensoren en ventielen zijn noodzakelijk om de pneumatische eigenschappen uit te breiden in functie van nauwkeurige positionering, baanregeling, krachtregeling enzovoort, zoals deze reeds gekend zijn bij de elektrische aandrijvingen. Deze nieuwe mogelijkheden van servo-pneumatische aandrijvingen zijn zelfs in de hoge scholen en in de literatuur quasi ongekend, maar behoren toch tot het productgamma van de meeste fabrikanten van persluchtcomponenten.
Voorzien van deze capaciteiten gaan er natuurlijk meer deuren open voor de pneumatiek, waarbij de klassieke kenmerken zoals eenvoud, robuustheid, kostgunstigheid, grote capaciteitsdichtheid en toegankelijkheid natuurlijk nog altijd een voordeel vormen.

Toepassingen
Naast de aangestreepte kenmerken van de aandrijfsystemen treden er in sommige gevallen nog ongewenste effecten en werkingen op die toch een beperking opleggen voor toepassing in bepaalde omgevingen of installaties. Bij de pneumatiek is het ontluchten een dergelijk ongemak, dat in een ongunstige omgeving (bijvoorbeeld een houtverwerkingsbedrijf) dit niet alleen het spreekwoordelijke stof kan doen opwaaien. Gepaste tegenmaatregelen dienen in de vorm van ontluchtingsbeheersing getroffen te worden, hetgeen niet altijd mogelijk is, maar hetgeen dikwijls zeer eenvoudig op te lossen is. In de pneumatische wereld zegt men daarentegen dat bij elektrische aandrijvingen meerdere kabels nodig zijn voor het voorzien van het nodige vermogen waar men zegt dat bij de pneumatiek een enkele slang van de toevoerlucht volstaat. De afgevoerde lucht wordt in de omgeving geblazen en vormt een kritiek punt in het kader van geluidsoverlast en lawaai. Om dit binnen de perken te houden zijn er geluidsdempers ontwikkeld die er tegelijkertijd voor zorgen dat de afvoer van de lucht beter beheerst wordt. Condensaat, dat zich op basis van restvocht in de perslucht kan vormen, is nog een kenmerk dat men liever kwijt dan rijk is voor de goede werking van pneumatische systemen.
Deze ongewenste eigenschappen van de pneumatiek zijn niet van toepassing op elektrische systemen, desalniettemin dat de aansturing van de motoren evenals de voeringen en overbrengingen toch ook voor de nodige ruis zorgen. Daarenboven vormen ook de elektromagnetische emissie en de warmteontwikkeling ongewenste neveneffecten.

Kostenvergelijk
Om een goed vergelijk te maken moet de totale periferie, waaronder de mechanica, stuur- en regelmodules, geleidingen en voeringen, sensoriek evenals de voorziening van de energiestroom mee in rekening gebracht worden. Alles in beschouwing genomen, kan men zeggen dat een pneumatisch systeem bij de aanschaf en installatie kostgunstiger is uit te voeren dan een lineair elektrisch gestuurde aandrijving.
In bedrijf daarentegen waar we spreken over onderhoudskosten, levensduur en bedrijfszekerheid, is er nauwelijks onderscheid te maken. Bij de energiekosten, respectievelijk de werkingsgraad hebben de elektrische aandrijvingen toch nog een eenduidig voordeel.
Wanneer we de totale kosten van aanschaf, installatie en in bedrijf allemaal bij elkaar nemen, dan wint de pneumatiek met een neuslengte voor op de elektrische aandrijvingen.
Tot besluit kunnen we stellen dat elk aandrijfsysteem zijn voordelen kent. Toch wordt de aandrijftechniek nog altijd door de elektrische aandrijvingen gedomineerd, zeker de hydraulische aandrijvingen worden geducht beconcurreerd en verdrongen in de automobiel- en luchtvaarttechniek. Het overlappingsgebied van toepassingen met elektrische en pneumatische aandrijvingen daarentegen is minder groot, niettegenstaande de pneumatiek toch inspanning doet met nieuwe technieken om mee te kunnen dingen bij positioneer- en andere geregelde toepassingen. Uiteindelijk dient elke toepassing individueel bekeken te worden in functie van het totale kostenplaatje van zowel installatie als gebruik achteraf. <<

Courant ou air comprimé ?
Les systèmes d’entraînement sous la loupe

Ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine

Vaut-il mieux commander les mouvements linéaires sur les machines et installations par voie pneumatique ou électrique ? Quelle est leur efficacité et quels sont les caractéristiques et les coûts de chacune de ces deux technologies ? Nous vous dressons un aperçu.

La technique d’entraînement à commande électrique connaît des applications depuis 1860. Ce n’est que 100 ans plus tard que le champ d’application de la pneumatique s’est développé. Une comparaison entre les deux technologies d’entraînement n’est sensée que pour une plage pneumatique allant jusqu’à 3 kW (diamètre < 100 mm) puisque les forces et vitesses sont comparables dans cette plage. Les applications réalisables avec des entraînements électriques s’étendent jusqu’à des puissances atteignant les mégawatts. Un bon tiers du volume global est toutefois réalisé par des moteurs de petites puissances. C’est en matière d’entraînements linéaires que la lutte concurrentielle entre les deux technologies est la plus grande. Les applications rotatives à l’air comprimé (visseuses, moteurs à lamelles…) constituent dans certains cas le premier choix, grâce à leurs excellentes capacités de puissance, même si les mouvements rotatifs purs sont dominés dans l’ensemble par l’entraînement électrique. La pneumatique connaît sa plus grande application dans le domaine de l’automatisation pure. En revanche, nous retrouvons surtout les entraînements électriques dans les mouvements librement programmables.

Quels entraînements ?
Les entraînements directs constituent la tendance absolue. Soutenu par les messages publicitaires de nombreux fabricants, stipulant notamment que les axes électriques atteignent des performances égales à celles des axes pneumatiques, l’aspect coûts à long terme est également confronté à la consommation énergétique la plus favorable. La comparaison entre les entraînements électriques et pneumatiques est très difficile à cet égard puisque les entraînements électriques comptent des applications et possibilités fortement différentes. Il est dès lors nécessaire, pour établir une bonne comparaison, d’interchanger l’entraînement de façon ciblée.

Comparabilité
Notons, en comparant les différents systèmes d’entraînement, qu’avec les axes de broche et à courroie, le mouvement de rotation d’un moteur rotatif est converti en mouvement linéaire au travers d’une transmission. Avec un entraînement électrique direct (moteur linéaire), la comparaison est plus simple car les entraînements pneumatiques sont également des entraînements directs puisque la force est transmise directement et non pas via une transmission. Le nombre d’entraînements électriques directs augmente dans le monde des machines-outils. Ils sont dès lors en concurrence directe avec les entraînements à broche. Les exigences de force, de précision et de rigidité nécessaires dans cette application se situent dans une plage dans laquelle les entraînements pneumatiques ne satisfont plus. En revanche, dans le cas d’un axe de mouvement en technique de manipulation automatisée, une comparaison avec la pneumatique se révèle pertinente puisque la force, la vitesse et la précision sont possibles tant avec un entraînement électrique que pneumatique comme par exemple un axe pneumatique, un axe de broche ou un axe à courroie. Dans cette confrontation entre les deux alternatives d’entraînement, la plage d’application des composants devient évidente car chaque type d’entraînement électrique a son pendant dans les entraînements pneumatiques. Tant pour l’entraînement à courroie électrique que pour l’entraînement à broche, une transmission mécanique sous la forme d’une courroie de transmission se charge de la conversion du mouvement rotatif en mouvement linéaire.

Aspects techniques et économiques
Au niveau des critères techniques, la pneumatique présente des avantages évidents en termes d’aptitude à la surcharge et de capacité de charge. Cette bonne résistance à la surcharge est avant tout obtenue par la structure constructive simpliste des entraînements pneumatiques et ensuite par le temps de fonctionnement à 100% lors de la mise en charge maximale. La poussée et sa dynamique, de même que l’établissement de force ou le changement de force constituent des aspects essentiels de cette technologie d’entraînement. Dans le cadre des entraînements électriques, la charge maximale ne peut être appliquée et tenue que brièvement en raison des phénomènes d’échauffement. Pour maintenir cet échauffement dans des limites acceptables, on n’autorisera généralement que 20% de la charge maximale comme force nominale pour un temps de fonctionnement à 100%. Pour repousser ces limites et autoriser des temps de charge plus longs, les entraînements des machines-outils sont par exemple dotés d’un refroidissement par eau. Pour les entraînements électriques directs destinés aux manipulateurs et autres, des refroidissements ou ailettes de refroidissement supplémentaires, refroidis à l’air, sont possibles. Cette distinction de la force nominale reflète naturellement la performance qui joue dans ce cas en faveur de la pneumatique. Dans l’établissement de force (changement momentané de la force), les entraînements électriques sont assurément plus rapides que les pneumatiques. Ceci est particulièrement décisif pour la précision, la possibilité de régulation et l’inertie. Ce point donne l’avantage aux entraînements électriques par rapport aux pneumatiques. En outre, les entraînements pneumatiques présentent quelques caractéristiques non linéaires défavorables qui ne peuvent être maîtrisées avec les techniques de régulation classiques. Il est essentiel de posséder de bonnes connaissances et d’utiliser des composants supplémentaires tels que des capteurs ou vannes pour étoffer les caractéristiques pneumatiques en fonction d’un positionnement, d’une régulation de déplacement, régulation de force… précises… comme nous les connaissons avec les entraînements électriques. Les nouvelles possibilités de ces entraînements servopneumatiques sont quasiment inconnues même dans les écoles supérieures et dans la littérature. Pourtant, elles font partie de la gamme de produits proposée par la plupart des constructeurs de composants d’air comprimé. Avec de telles capacités, la pneumatique peut naturellement envisager un plus grand nombre d’applications. Les caractéristiques classiques comme la simplicité, la robustesse, le prix avantageux, la grande densité de puissance et l’accessibilité constituent naturellement toujours un avantage.

Applications
Outre les caractéristiques soulignées de chaque système d’entraînement, certains effets et fonctionnements indésirables se manifestent parfois, ne permettant donc pas l’utilisation de la technique dans cette application en raison d’un environnement ou d’une installation spécifique. En pneumatique, la purge présente l’inconvénient de soulever parfois la poussière si l’environnement est défavorable (par ex. dans une usine de transformation de bois). Il convient de prendre des mesures adéquates visant à maîtriser la purge, ce qui est souvent très facile à résoudre mais parfois impossible. Le monde pneumatique souligne en outre que les entraînements électriques requièrent de nombreux câbles pour fournir la puissance nécessaire alors que la pneumatique se contente d’un seul tuyau d’alimentation en air. L’air évacué est toutefois soufflé dans l’environnement et constitue un point critique dans le cadre de la surcharge sonore et du bruit. Pour maintenir ces valeurs dans des limites acceptables, des atténuateurs sonores ont été développés pour veiller à mieux maîtriser l’évacuation de l’air. Le condensat, qui peut se former en raison de l’humidité résiduelle présente dans l’air comprimé, est une autre caractéristique dont on préfère se passer pour le bon fonctionnement des systèmes pneumatiques. Ces caractéristiques indésirables de la pneumatique ne s’appliquent pas aux systèmes électriques, tout étant que la commande des moteurs ainsi que les revêtements et les transmissions produisent également un certain bruit. L’émission électromagnétique et le développement de chaleur induisent de leur côté aussi des effets secondaires non souhaités.

Comparaison des coûts
Pour effectuer une bonne comparaison, la périphérie complète doit être prise en compte, en ce compris la mécanique, les modules de commande et de régulation, les conduites et revêtements, les capteurs ainsi que l’alimentation du flux énergétique. Si l’on tient compte de l’ensemble, le système pneumatique revient moins cher à l’achat et à l’installation qu’un entraînement linéaire à commande électrique. En service toutefois, la distinction est très faible si les frais d’entretien, la longévité et la fiabilité sont intégrés dans la comparaison. Au niveau des coûts énergétiques et du degré de fonctionnement, les entraînements électriques présentent quand même un avantage évident. Si la comparaison tient compte des frais totaux d’acquisition, d’installation et de mise en service, la pneumatique gagne d’une tête face aux entraînements électriques. En guise de conclusion, nous pouvons dire que chaque système d’entraînement a ses avantages. Pourtant, les entraînements électriques continuent à dominer la technique d’entraînement. Les entraînements hydrauliques connaissent une concurrence acerbe et sont supplantés dans la technique automobile et de l’aviation. La zone de chevauchement des applications à entraînements électriques et pneumatiques est cependant moins grande, même si la pneumatique fournit un gros effort pour concurrencer, avec de nouvelles techniques, son rival dans les applications de positionnement et de régulation. <<