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1 ZI SAINT-JOSEPH - B.P MANOSQUE Fax contact@astriane.com ERICC 3 EXTRAIT DU DOSSIER PÉDAGOGIQUE 05/07/05 A. VITELLI Mise à jour Emission initiale B A DATE REDAC. VERIF. APPROB. OBSERVATIONS IND Ce document est la propriété d ASTRIANE. Il ne peut être ni reproduit, ni communiqué à des tiers sans autorisation écrite NT /23

2 NT ind.b page 2 SOMMAIRE 1. - INTRODUCTION DOMAINE D'APPARTENANCE : PRODUCTION MANUFACTURIÈRE (ROBOTIQUE) DÉSIGNATION CARACTÉRISTIQUES FONCTIONNELLES DESCRIPTION DU ROBOT ÉLÉMENTS DE CORRECTION DU TP ÉLÉMENTS DE CORRECTION IDENTIFICATION DU SYSTÈME ASSERVISSEMENT DE VITESSE FONCTIONNANT EN BOUCLE OUVERTE DÉPOUILLEMENT DES RÉSULTATS ÉTUDE DE LA CONCEPTION DU MOULE CONCLUSION ÉTUDE DU DEMI-BRAS DROIT DANS L'ÉTAT "BRUT DE DECOCHAGE" IDENTIFICATION DU PLAN DE JOINT DÉTERMINATION DU SENS DE MOULAGE TRAVAUX PRATIQUES DE PREMIÈRE ANNÉE TRAVAUX PRATIQUES DE DEUXIÈME ANNÉE... 23

3 NT ind.b page INTRODUCTION ERICC 3 Robot industriel vertébral 5 axes (Système interfacé ouvert) Les exigences des formations aux voies supérieures dans les domaines scientifiques et techniques imposent l utilisation d équipements à la fois «ouverts» et industriels. Accéder à l intérieur du système de commande afin d observer, adapter, vérifier les performances dynamiques du porteur confère à cet équipement toute la puissance d investigation attendue d un dispositif réellement ouvert. D autre part, l instrumentation associée au mécanisme du bras ainsi que les données recueillies sur les actionneurs des différentes articulations permettent une étude comparative entre les fonctions de commandes et les mouvements réels associés. Pourvu de son support pédagogique le robot ERICC 3 permet une étude approfondie de la robotique industrielle DOMAINE D'APPARTENANCE : PRODUCTION MANUFACTURIÈRE (ROBOTIQUE) 2.1. DÉSIGNATION Le robot didactique vertébral 5 axes de type industriel est constitué : D un logiciel de pilotage et de contrôle, D une carte d axe à installer dans un calculateur hôte (de type PC 486DX2/66 8 Mode RAM), D un coffret de puissance, D un bras porteur, Des câbles d alimentation et de raccordement, Des notices techniques, Des algorithmes des programmes, Des plans mécaniques et électriques.

4 NT ind.b page CARACTÉRISTIQUES FONCTIONNELLES Du logiciel de pilotage et de contrôle. Il permet dans un environnement Windows : La commande en point à point du robot, Le paramétrage des asservissements, La commande par interpolation linéaire du robot, La commande directe en courant de l axe 1 (lacet). La lecture des grandeurs suivantes : Vitesse et position mesurées par les codeurs, Intensité des courants moteurs, Capteurs externes, La protection par mot de passe des paramétrages et changement par défaut d une configuration usine, La commande en langage de haut niveau des tâches robotisées, La prise en compte et la gestion des entrées sorties tout ou rien, L utilisation de l interpolateur et le transformateur de coordonnées direct, inverse accessible via DDL (ouverture vers d autres méthodes de calcul). De la carte de commande d axe à installer dans un calculateur hôte. Elle permet : Le contrôle des asservissements sur les 5 axes, La configuration des correcteurs (PID ou placement des pôles), La prise en compte de signaux analogiques (8 entrées (voir offre), La génération de profil de consigne de position axe par axe : Profil d accélération constante, Profil d accélération trapézoïdale. Du coffret de puissance, il permet : L alimentation des amplificateurs de puissance (variateurs 4 quadrants) avec boucle de courant et limitation d intensité, L alimentation à partir du 220v, La commande par contacteurs des freins, La commande par électrovanne de la pince pneumatique.

5 NT ind.b page 5 Du bras porteur, il permet : Une répétabilité de 0,1 mm, Un rayon d action de 220 à750 mm, Une masse transportée de 1,5 kg, Une vitesse maximum cumulée de 1,5 m/s, Bras en alliage d aluminium moulé et usiné, Articulations réalisées par des roulements précontraints, Transmission à jeu réduit (motoréducteurs HARMONIC DRIVE) équipant les 3 premiers axes, Moteurs à courant continu, Codeurs de position incrémentaux, Une prise de pièces à serrage parallèle. Des câbles d alimentation et de liaison, ils permettent : L alimentation en 220 volt (longueur 10 m), Les liaisons entre le calculateur, le coffret de puissance et le bras (longueur 5 m). Des notices techniques, elles permettent : La définition des grandeurs associées aux différents constituants : Codeur, moteur, réducteur, Carte de commande d axes. Des algorithmes des programmes de commande, ils permettent : Le suivi d un déplacement en point à point, Le suivi d un déplacement en interpolation linéaire. Des plans mécaniques et électriques, ils permettent : La définition des constituants et leurs interrelations.

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7 NT ind.b page 7 Filtre P.I.D. sortie vers DAC position de référence + rétroaction de position Σ - IM K i T e.p Σ + Σ - K d.t e.p K p rétroaction de position

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10 NT ind.b page DESCRIPTION DU ROBOT Le bras-porteur est composé de plusieurs parties : Le socle, La chaise, Le bras, L avant-bras, Le poignet, La pince. 317,5 280 AVANT-BRAS PINCE M4 O3 θ M3 θ5 +/-180 O5 θ4 +/ M5 O4 θ O2 BRAS 352 CHAISE M2 M1 O1 160 SOCLE θ1 +/-135 Figure 1 Dessin d ensemble du bras-porteur du robot.

11 NT ind.b page ÉLÉMENTS DE CORRECTION DU TP3 Z 0 =Z 1 =Z α O 3 θ 3 O 5 β θ θ O θ2 =0 O 2 θ 3 =0 θ 4 =0 O 0 X 1 =X α Vitesses angulaires : ( = 90 et = 0 ) = 0 d'où 4 = - ( ) Méthode de dérivation du vecteur position : l 2 C 2 -l 3 S 23 O 0 O 5 = 0 avec C234 = 1 et S234 = 0 l 1 -l 2 S 2 -l 3 C 23 -l 5 V X = - l 2 2 S 2 - l 3 ( ) C 23 V(O 5,5/0) = V Y = 0 V Z = - l 2 2 C 2 + l 3 ( ) S 23 Résultats d essais : tp3cons.mes et mesur.mes Figure 2 Interpolation linéaire : courbes de consignes.

12 NT ind.b page 12 Les mesures temporelles du déplacement programmé TP4a.pmc permettent de constater que : Tous les axes démarrent en même temps, Tous les axes accélèrent en même temps (accélération constante durant un temps t a avec t a = 300 ms), Tous les axes fonctionnent à vitesse constante en même temps, Tous les axes décélèrent en même temps (décélération constante durant un temps t a ), Tous les axes s'arrêtent en même temps. Détermination des consignes de vitesses pour les 5 axes : ω moyenne = 15 = (Σ θ 2 i ) 1/2 / (t f -t a ) = 46.3 d où t f = s ω U1 = ω U3 = 20/3.087 = /s de même ω U2 = ω U4 = et ω U5 = /s Schéma de la chaîne fonctionnelle axe : Retour position θfinal Calculer les consignes de position Calculateur Produire une tension de commande proportionnel le au couple moteur Carte de commande PMAC 220 V mono. Produire une énergie électrique continue Courant continu Produire P=UI en courant continu I moteur Produire P=C mωm (commande en couple) C m Calculer les consignes de position θi Transformateur Variateur électronique Moteur électrique C.C. Chaîne cinématique Figure 3 Schéma de la chaîne fonctionnelle axe.

13 NT ind.b page ÉLÉMENTS DE CORRECTION Vitesses angulaires : Entrée : i(t) sortie du DAC multipliée par un coefficient de conversion tension - courant, K I (K I = 0,17 A.V -1 ) Sortie : ω(t) vitesse angulaire de l axe lacet (vitesse angulaire de l arbre moteur multipliée par le rapport de réduction, i =3/1000). Equation de la dynamique : Cm( t) Cr( t) dω( t) f. ω ( t) = J dt % CNA K I I(p) K m - 1/ f J f p Ω(p) Figure 4 Schéma-bloc de la commande en boucle ouverte. Ce qui donne dans le domaine symbolique : I I Une entrée : 0 p Une sortie : Ω(p) On a ainsi : Ω( p) = km.( I I 0 ) 1. f J p( 1+ p) f de la forme : K p( 1+ τ. p) La réponse indicielle du système d asservissement de vitesse fonctionnant en boucle ouverte est, dans le domaine temporel : ( I ) t km I 0 τ ω() t =. 1 e avec : τ= J f f

14 NT ind.b page 14 Un calcul de régression linéaire sur les valeurs finales de ω en fonction de I permet la détermination de km, pente de la droite et de km. I 0, ordonnée à f f l origine. Résultats : Le tracé (très approximatif) de la tangente à la courbe correspondant à 70% du CNA donne : τ 95ms La mesure des valeurs finales de ω lacet donne (voir résultats sur la feuille de calcul et le graphe Excel ) : ROBOT ERICC3 : COMMANDE DU LACET EN VITESSE Reponse indicielle en boucle ouverte θ1 = 0 (au départ), θ2=0, θ3=-90, θ4=0, θ5=0 % du DAC Im (A) ω lacet réel ( /s) ω moteur (rad/s) Cm 30 0,556 5,6 32,70 0, ,639 8,7 50,73 0, ,723 12,7 73,59 0, ,809 18,3 106,47 0, ,894 24,8 144,28 0, ,978 32,6 189,66 0, ,062 40,3 234,46 0, ,147 48,2 280,42 0, ,232 57,3 333,36 0, ,317 67,4 392,12 0, ,400 73,7 428,77 0, ,480 85,6 498,00 0, ,570 97,7 568,40 0, ,650 97,9 569,56 0,0710 Km (N.m/A) 0,043 rapport de réduction du lacet r = 3/1000 d'où I0 = 0,581 A Cr = Km.I0 = 2,498E-2 N.m Cm(ω) Cm en fonction de ω moteur 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, y = 8E-05x + 0,0253 R 2 = 0,985 Cm ω (rad/s) Linéaire (Cm) Figure 5 Couple moteur en fonction de la vitesse (axe du lacet). f = 8, N.m.s -1 Cr = 2, N.m

15 NT ind.b page IDENTIFICATION DU SYSTÈME ASSERVISSEMENT DE VITESSE FONCTIONNANT EN BOUCLE OUVERTE L identification du système va résulter de l analyse de la réponse indicielle pour différentes valeurs de la sortie du CNA (de 30% à 99% soit de 0,51 A à 1,68 A) Les courbes de réponse indicielle sont les suivantes : Figure 6 Courbes de réponse indicielle. On remarque des fluctuations importantes de la vitesse pour la partie de la réponse qui devrait correspondre à un régime permanent. La valeur finale de ω(t) est donc obtenue avec une incertitude élevée en particulier pour les courbes à partir de 95% du DAC pour lesquelles le temps d acquisition est trop court). Nota : Les discontinuités sont dues à la non-linéarité du système poulie-courroie crantée 6.2. DÉPOUILLEMENT DES RÉSULTATS L allure des réponses indicielles correspond à celle d un système du premier ordre (pente à l origine non nulle, valeur finale constante malgré les fluctuations), La tangente à l origine permet la détermination de τ et donc du rapport J f incertitude très importante. mais avec une

16 NT ind.b page 16 0,6 0,4 0,2 0, , position -0,4 de θ3 en degrés -0,6-0,8-1,0-1,2-1,4-1,6 Intensité en (A) Courbe donnant l'intensité I moteur en fonction de θ3 et θ2 = 0 teta2=90 t2=60 t2=45 t2=30 t2=0 Figure 7 Intensité calculée du coude. Mesure de l intensité fournie au moteur du coude à partir d une position définie par un programme 660. Exemple de mesure dans la configuration : Il est possible d effectuer une moyenne de l intensité à l aide du curseur ou bien en exportant le fichier de mesure dans un tableur sous la forme.csv (valeurs séparées par des points-virgules). Mesure de l intensité fournie au moteur dans les configurations particulières ci-dessus : 0,3 0,2 0,1 intensité en A ,1-0,2-0,3 Série1 Série2 Série3-0,4 théorique avec cable -0,5 sans cable angle en degres teta 3 Figure 8 Comparaison des intensités théorique et mesurées du coude. -0,6

17 NT ind.b page , poids (g) -0,4 épaule calculée coude calculée coude mesurée -0,6-0,8-1 épaule mesurée -1,2 intensité (A) Figure 9 Comparaison des intensités calculées et théoriques pour les axes du Coude et de l Epaule. 1,00 0,95 rendement 0,90 0,85 coude 0,80 0,75 0,70 0,65 épaule 0,60 0,55 0,50 poids (g) Figure 10 Rendement du coude et de l Epaule.

18 NT ind.b page ÉTUDE DE LA CONCEPTION DU MOULE Figure 11 Pièce, système de remplissage du moule et système d alimentation de la pièce. Nota : pour faciliter la lecture du croquis, la pièce est représentée débarrassée de ses bavures. Comparaison des deux chenaux : L un des deux chenaux dispose de trois attaques de coulée, l autre dispose, sur une face, de quatre attaques de coulée mais aussi de trois traces d attaques de coulée sur la face opposée. Ceci révèle qu une deuxième pièce est coulée en même temps. La disposition de ces trois attaques de coulée étant différente, il ne s agit pas du même demi - bras, mais d une autre pièce. L observation de l autre demi - bras dans l état brut de décochage montre que les attaques de coulée correspondent CONCLUSION Les deux demi - bras sont coulés en même temps, dans le même moule.

19 NT ind.b page ÉTUDE DU DEMI-BRAS DROIT DANS L ÉTAT «BRUT DE DÉCOCHAGE» 7.1. IDENTIFICATION DU PLAN DE JOINT Rappel : Le plan de joint est un plan horizontal (en coupe C-C). L observation des surfaces en dépouille (sur la pièce et sur le plan) et des attaques de coulée (sur la pièce) montre que le plan de joint se trouve, en coupe C-C, à la base des pieds de liaison. Tracé du plan de joint Figure 12 Tracé du plan de joint DÉTERMINATION DU SENS DE MOULAGE Les masselottes définissent la partie supérieure de la pièce dans le moule. Ainsi, le sens de moulage est celui de la coupe C-C : Dessin de la pièce en position dans le moule : Figure 13 Ramenés dans le plan de coupe.

20 NT ind.b page TRAVAUX PRATIQUE DE PREMIÈRE ANNÉE 5. TP1 ETUDE DES SYSTEMES Présentation Compétences visées Connaissances nouvelles. 5.4 Pré-requis Conditions de réalisation Critères d évaluation Documents pédagogiques Texte du TP Présentation Domaine d activité des robots Performances des robots Performances du robot ERICC Analyse structurelle du robot ERICC3. 6. TP2 LIAISONS, CHAINES DE SOLIDES Présentation Compétences visées Connaissances nouvelles Pré-requis Conditions de réalisation Problème technique Définition des matériels à mettre en œuvre Critères d évaluation Documents pédagogiques Texte du TP Présentation Prise en main du système robot ERICC Etude des modèles géométriques direct et inverse du bras robot ERICC Hypothèses Données complémentair es Questions Exactitude et repetabilité de pose (voir Norme NF E ) But Simplification Questions Eléments de correction du TP Prise en main du système robot ERICC Etude des modèles géométriques direct et inverse du bras du robot ERICC Exactitude et repetabilité de pose Description du robot Performances et caractéristiques des axes Courses, vitesses et accélérations Coefficient impulsions, codeur / degré. 7. TP3 CINEMATIQUE DU SOLIDE Présentation Compétences visées Connaissances nouvelles Pré-requis Problème technique Activité de l étudiant Définition des matériels à mettre en œuvre Critères d évaluation Documents associés Texte du TP Présentation : (voir documents ASTRIANE et figure 2) Prise en main du système robot ERICC Analyse de la distance entre le modèle cinématique du bras du robot ERICC3 et son comportement mesuré Hypothèses Questions Caractéristiques de vitesse de l axe lacet du robot But Démarche d expérimentation Questions Caractéristiques de vitesse de trajectoire (voir Norme NF E ) But Simplification Questions Eléments de correction du TP3. 8. TP4 AUTOMATIQUE ET CINEMATIQUE Présentation Compétences visées Connaissances nouvelles.

21 NT ind.b page Pré-requis Activité de l étudiant Critères d évaluation Documents associés Texte du TP Structure de commandes du robot Prise en main du système robot ERICC Stratégie cinématique de commande en point du robot Réponse indicielle en boucle fermée Eléments de correction du TP4. 9. TP5 SYSTEMES LINEAIRES, REPONSES INDICIELLES Présentation Compétences visées Connaissances nouvelles Pré-requis Activité de l étudiant Critères d évaluation Documents associés Texte du TP Modèle de connaissance de l asservissement de vitesse de l axe lacet fonctionnant en boucle ouverte Données Questions Identification du système, asservissement de vitesse fonctionnant en boucle ouverte Définition des postures initiale d essai du robot Questions Eléments de correction Modèles de connaissance de l asservissement de vitesse de l axe lacet fonctionnant en boucle ouverte Identification du système asservissement de vitesse fonctionnant en boucle ouverte. 10. TP6 MECANIQUE STATIQUE Présentation Compétences visées Connaissances nouvelles Pré-requis Activité de l étudiant Critères d évaluation Documents associés Texte du TP Présentation Données spécifiques à prendre en compte Prise en main du système robot ERICC Etude statique de l axe coude en un point d arrêt du robot Modélisation et calcul du couple fourni par le moteur Mesure de l intensité fournie au moteur du coude à partir d une position définie par le programme Mesure à l aide d un programme (mescoud. Mes) réalisant automatiquement la modification des positions du robot et la mesure de l intensité du moteur Comparaison des résultats obtenus d une part par le calcul, d autre part par les mesures Etude statique de l axe d épaule en un point d arrêt du robot Modélisation et calcul du couple fourni par le moteur Mesure de l intensité fournie au moteur de l épaule à partir d une position définie par un programme Mesure à l aide d un programme (mesep.mes) réalisant automatiquement la modification des positions du robot et la mesure de l intensité du moteur.

22 NT ind.b page Comparaison des résultats obtenus d une part par le calcul, d autre part par les mesures Eléments de correction Etude statique de l axe du coude en un point d arrêt du robot Etude statique de l axe de l épaule en un point d arrêt du robot Détermination du rendement du coude Détermination du rendement de l épaule. 11. TP7 CONSTRUCTION MECANIQUE (FILIERE PT) Intitulé Présentation Objectifs Stratégie Pré-requis Conditions matérielles Etude du demi-bras droit dans l état brut en sortie de fonderie Le couple procédé matériaux Les épaisseurs Les surfaces en dépouille Lecture des formes Comparaison des deux demi-bras «droite» Processus de fabrication Comparaison de la masse du demi-bras dans ces deux états.(«mise au mille») Etude de la conception du moule Opérations de parachèvements de la pièce brute Aspect des deux demi-bras Etude du demi-bras droit dans l état «brut de décochage» Identification du plan de joint Détermination du sens de moulage Définition du noyau Etude du refroidisseur Etude du bras : conception et réalisation Les grandes options Liaison des deux demi-bras Quelques éléments de correction Etude du demi-bras droit dans l état brut en sortie de fonderie Le couple procédématériau Les épaisseurs Les surfaces en dépouille Lecture des formes Comparaison des deux demi-bras «droite» Processus de fabrication Comparaison de la masse du demi-bras dans ces deux états («Mise au mille») Etude de la conception du moule Opérations de parachèvement de la pièce brute Aspect des deux demi-bras Etude du demi-bras droit dans l état «brut de decochage» Identification du plan de joint Détermination du sens de moulage Définition du noyau Etude de refroidisseur Etude du bras : conception et réalisation Les grandes options : bras en deux parties Liaison des deux demi-bras Document 1 : Abaque de Roinet Document 2 : Schéma d un chantier de moulage mécanique Document 3 : Présentation de meuleuses industrielles Meuleuse portative Meuleuse lapidaire.

23 NT ind.b page TRAVAUX PRATIQUES DE DEUXIÈME ANNÉE 12. TP2 CINETIQUE DYNAMIQUE Centres d intérêt Objectif(s) ou compétence(s) évalué(s) Pré-requis Conditions de réalisation Critères d évaluation Données techniques Travail demandé Problème réel à résoudre Questions Conclusions Données supplémentaires (issues du dossier ressource ou élaborées par le professeur) Texte du TP Présentation Détermination des caractéristiques de la distribution de la masse du robot par le calcul Hypothèses Questions Détermination des caractéristiques de la distribution de la masse du robot par la mesure des grandeurs physiques Détermination des caractéristiques Cr, f et J équi. par des essais de réponse en boucle ouverte de l axe du lacet à un échelon d intensité Détermination des caractéristiques Cr, f et J équi par des essais en réponse temporelle de l axe du lacet à un déplacement suivant une loi de mouvement programmée (Loi en trapèze) Eléments de correction Détermination des caractéristiques de la distribution de la masse du robot par le calcul Détermination des caractéristiques de la distribution de la masse du robot par la mesure de grandeurs physiques Détermination des caractéristiques Cr, f et J équi. par des essais de réponse en boucle ouverte de l axe du lacet à un échelon d intensité Détermination des caractéristiques Cr, f et J équi. par des essais en réponse temporelle de l axe du lacet à un déplacement suivant une loi de mouvement (Loi en trapèze). 13. TP3 LOGIQUE COMBINATOIRE ET SEQUENTIELLE Présentation Compétences visées Connaissances nouvelles Pré-requis Activité de l étudiant Critères d évaluation Documents associés Cahier des charges Contexte Matériel Configuration du poste Objectifs Questions Utilisation du code GRAY Utilisation du tableau de KARNAUGH Configuration du poste Apprentissage des points Test du programme et compléments du GRAFCET Eléments de corrigé Utilisation du code GRAY.