PERFORATRICE REXEL DESCRIPTION DE L ETUDE. Question sociétale : Le Confort. Comment aider à gérer nos documents?

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1 PERFORATRICE REXEL Question sociétale : Le Confort Comment aider à gérer nos documents? Cette étude va nous conduire à vérifier comment la perforatrice Rexel répond au cahier des charges qui lui est fixé. Nous allons mesurer l effort nécessaire à l obtention de découpes. Nous vérifierons ensuite que cet effort est compatible avec les valeurs attendues au regard du cahier des charges. y z x DESCRIPTION DE L ETUDE Début Découvrir la perforatrice, étude fonctionnelle. Modéliser le mécanisme et estimer le couple moteur utile Mesurer la valeur réelle du couple utile à la sortie du réducteur 2h 2h 4h Ces parties peuvent être traitées à un autre moment que celui indiqué Compétences associées A2 : Analyser le système Architecture fonctionnelle et organique B2 : Construire un modèle et le représenter à l aide de schémas Préciser les paramètres géométriques Modéliser les actions mécaniques C2 : Mettre en œuvre un protocole expérimental D1 : rechercher et traiter des informations Recherche et synthèse de DT D2 : Mettre en œuvre une communication Production de documents 4 Mesurer la valeur réelle du couple moteur absorbée 2h 5 Déterminer le rendement du système {moteur + réducteur} 30 min Conclusion et Fin Sous forme de présentation Powerpoint ou Prezi et de rapport en format Pdf Ressources nécessaires : Dossier technique de la perforatrice Perforatrice SW.zip Logiciel Labview Perforatrice LabView-1.vi EC perforatrice Rexel Page 1 sur 13

2 Feuille Découvrir la perforatrice Observez l agrafeuse et faites la fonctionner. Observez également le dossier technique à votre disposition. Vous trouverez une aide précieuse pour la compréhension des différentes représentations et descriptions fonctionnelles du dossier technique dans les livres Memotech présents dans le laboratoire. Compétences associées A2 : Analyser le système B2 : Construire un modèle et le représenter à l aide de schémas Ressources nécessaires : Schéma cinématique Memotech Réalisez une schématisation fonctionnelle de la perforatrice. Observez les différents constituants (organes) de la perforatrice. Dans un schéma, représentez chaque constituant dans un rectangle. Liez entre eux les constituants par un trait représentant la fonction technique les liant (fonctions de maintien, électrique, de guidage, de mise en mouvement etc.) Chaque fonction peut être représentée dans une couleur différente. Exemple de représentation : Table REPRESENTATION SCHEMATIQUE (partie opérative) Retrouver le fichier Perforatrice SW.zip dans le SI-Site Décompressez-le dans votre répertoire de travail et renommez le dossier en plaçant vos 2 noms en majuscule après les lettres SW (au besoin appelez le professeur présent). Ouvrez le fichier Support poinçon gauche.sldasm présent dans ce dossier Observez les mouvements possibles des pièces. Recherche des Sous-Ensembles Cinématiques Ouvrez le dessin d ensemble du sous-système «Support poinçon gauche.slddrw», Faites une copie d écran du dessin avec ses différentes vues et copiez le sur photofiltre. Par coloriage, sur ce dessin, donnez les différents Sous Ensembles Cinématiques constituant le mécanisme de transformation de mouvement. Donnez ces S.E.C. sous la forme suivante : Indiquer le nom de la pièce ou le numéro de la pièce la plus caractéristique du Sous-Ensemble Cinématique. : {.. } Indiquer les numéros des pièces formant le sous-ensemble cinématique. EC perforatrice Rexel Page 2 sur 13

3 Tracez le graphe de liaison de ce sous-système "support de poinçon gauche": Etablissez ensuite le schéma cinématique de l ensemble de transformation de mouvement tel que vu ci-dessous (on ne prendra pas en compte la biellette) On pourra se servir de cette vue pour positionner les liaisons par dessus dans le document réponse EC perforatrice Rexel Page 3 sur 13

4 Modéliser le mécanisme Reprenez, à présent, le fichier SW 0-Perforateur.SLDASM présent dans votre répertoire. Compétences associées B2 : Construire un modèle Modéliser les actions mécaniques Ressources nécessaires : Agrafeuse SW.zip La perforatrice devrait y être présente sous cette forme : Il apparait un repère. Celui-ci est le repère de référence lié à notre modèle. Vous remarquerez également dans les contraintes de l'assemblage la présence de contraintes mécaniques de type ""engrenage" En déplaçant une des roues dentées liés ainsi, vous pourrez visualiser le fonctionnement de celles-ci Création des liaisons manquantes Un certain nombre de contraintes mécaniques évoluées sont disponibles directement par le menu "contraintes-contraintes mécaniques" Liaison par engrenage La liaison par engrenage à la sortie du moteur n'est pas modélisée. Pour la placer retrouvez le nombre de dents de chaque roue liée (cliquez sur l'intérieur d'une dent et vous verrez le nombre apparaitre). Sélectionnez alors la contrainte par engrenage puis sélectionnez une face externe des roues dentées Entrez les nombres de dents comme ratio de la contrainte. Si tout va bien, votre liaison par roue dentée est réalisée et vous pouvez visualiser le résultat. Au besoin choisissez d'inverser le mouvement de sortie EC perforatrice Rexel Page 4 sur 13

5 Liaison par came La liaison réalisée par le galet dans la rainure peut être modélisée par une contrainte mécanique de type "came" Il suffit pour la créer de pointer les surfaces de la rainure et de donner la surface du galet comme "Contre-came" Attention lors de la saisie, le galet doit bien être à l'intérieur de la rainure Normalement, vous pouvez visualiser le mouvement complet du mécanisme Calcul du rapport de transmission du réducteur. Pour déterminer le rapport de transmission de notre réducteur : Retrouvez les nombres de dents de chacune des roues dentées et notez-les sur le schéma ci-contre. Dans le Mémotech ou sur internet, découvrez le fonctionnement d'un réducteur. Le rapport de transmission et une des caractéristiques essentielles de ces réducteurs, à quoi correspond-il? La relation nous permettant de déterminer le rapport de transmission de votre réducteur vous est certainement donnée pour un cas général, déterminez-le pour notre cas. Nous pouvons à présent nous servir de notre modèle pour faire quelques vérifications et calculs mécaniques. Vérification à l'aide du logiciel M Schéma cinématique du réducteur Dans le menu "compléments" de SW, choisissez d'ouvrir le logiciel "Motion" Ce logiciel nous permettra de faire une partie de la simulation mécanique (effort, vitesse ) En bas de l'écran, pointez sur l'onglet "animation1" et choisissez de faire une "analyse de mouvement". EC perforatrice Rexel Page 5 sur 13

6 Le menu du logiciel "Motion" est très intuitif et, en promenant la souris, vous aurez les explications des commandes Nous placerons un moteur sur la roue motrice. Pour positionner correctement l'axe de rotation, il faudra sélectionner une surface cylindrique indiquant celui-ci au logiciel. Le sens de la rotation apparait, Pour le changer : Donner une des pièces du repère fixe. On choisira de réaliser un calcul du mouvement total sur 1,2 sec. A l'aide du rapport de transmission que vous avez défini, déterminez la vitesse de rotation du moteur pour obtenir exactement un aller-retour du coulisseau en 1,2s (ou un tour de la roue excentrique) Après avoir entré toutes les données, lancez le calcul. Au besoin, vérifiez et modifiez vos données, la roue excentrique ne doit faire qu'un tour. Visualisation d'un graphe de position Vous pouvez demander à visualiser un graphe, il vous suffit de le demander Ici un exemple de courbe de déplacement qui pourrait vaguement rappeler la votre EC perforatrice Rexel Page 6 sur 13

7 Estimation du couple moteur Compétences associées B2 : Modéliser les actions mécaniques Ressources nécessaires : Agrafeuse SW.zip Pour déterminer le couple moteur, nous allons partir d'un effort de coupe estimé à 10 N. Nous supposerons l'effort de coupe constant, comme cela, nous sommes sûr que le couple que nous donnera le résultat sera bien le couple le plus important que le moteur devra fournir. Couple mécanique, moment de forces : LES EFFORTS Placer un effort que subit le système n est pas bien compliqué. Ajouter un effort fixe (l effort de coupe) sur chacun des poinçons Donnez leur la valeur maximum mesurée et placez-le sur le coulisseau RETROUVEZ LE COUPLE MOTEUR DURANT L OPERATION Les efforts étant placés, il suffit de lancer à nouveau un calcul pour obtenir des résultats. De la même façon que précédement, il suffira ensuite de tracer un graphe du couple moteur durant le mouvement Maintenant réfléchissons, l'effort réel n'est pas présent durant tout le mouvement Repérez la zone durant laquelle l'effort est présent Déplacez (et créez) les clés pour spécifier au logiciel le moment de départ et la durée pendant laquelle cet effort et présent. Début Fin Tracez et discutez ensuite de la courbe de couple moteur obtenue Ici un exemple de courbes superposées (rien à voir avec le résultat attendu) Expliquez pourquoi les deux découpes ne se font pas en même temps. EC perforatrice Rexel Page 7 sur 13

8 Mesurer la valeur réelle du couple utile à la sortie du réducteur Compétences associées A2 : Analyser le système A3 : Traiter des données de mesures (valeur moyenne, médiane, caractéristique, etc.) Ressources nécessaires : Logiciel Labview Perforatrice LabView-1.vi Nous venons d'évaluer le couple moteur nécessaire à une opération de perforation pour une valeur d'effort estimée à 10 N. Cette estimation est-elle vraiment correcte? Pour mieux connaitre cet effort, nous allons mesurer le couple mécanique à l'entrée du système de modification de mouvement, en déduire le couple moteur nécessaire et le comparer au couple que nous venons de définir. Nous supposerons que le mécanisme à un rendement de 1 (donc sans pertes mécaniques) Etalonner le capteur Couplemètre Avant de mesurer le couple utile à une coupe, il est nécessaire de vérifier les capacités et précision de notre capteur (un couplemètre). Pour réaliser cette partie, reportez-vous au fichier «Etalonnage de capteur.pdf» que vous trouverez dans les ressources du SI-Site. Le capteur utilisé est un Couplemètre, comme son nom l indique, il mesure un Couple. Sur internet, cherchez la définition d un Couple mécanique et d un Moment mécanique Donnez son unité et sommairement comment un couple est créé Couple mécanique, moment de forces : Pour étalonner ce capteur, nous nous servirons de masses, que nous placerons successivement à différentes distances horizontales de l axe de rotation de notre capteur. Celui-ci sera bloqué en rotation de l autre coté et mesurera donc le couple qui y est fourni. Distance Couplemètre Le couple mesuré sera donc égal à C = Distance x Poids Masse Ou C = Distance x masse x g Pour obtenir les mesures, le capteur sera relié au boitier électronique qui, lui-même sera relié à un ordinateur via un boitier USB. EC perforatrice Rexel Page 8 sur 13

9 Le logiciel "Mesure Couple Perforatrice.vi" fonctionnant sous LabVIEW nous permettra de visualiser les couples sous forme de courbes. Demandez de l aide pour la mise en route de ce logiciel puis retrouvez la courbe d étalonnage du capteur Mesurer la valeur du couple utile Cette partie va nous permettre de connaitre le couple utile à une coupe et cela pour plusieurs nombre de feuilles. Clé Arbre intermédiaire de la perforatrice Couplemètre Effort «Couple» manuel A présent, nous allons fournir un effort manuel de type couple sur l arbre intermédiaire de l agrafeuse. Cet effort sera mesuré par le couplemètre placé entre la clé et l arbre intermédiaire. Réalisez une mesure Donnez, au même logiciel que précédemment, les valeurs de corrections trouvées par la courbe d étalonnage Placez une feuille dans la perforatrice de mesure. En tournant la clé, placez vous au début d une coupe. Lancez les mesures Réalisez une découpe pendant la prise de mesure Pendant la prise de mesure, vous visualisez le couple sur un des graphes. Dans l'onglet "Résultats" se trouve la même courbe filtrée EC perforatrice Rexel Page 9 sur 13

10 Le «graphe déroulant» semble de la même forme que le «signal filtré» mais fait apparaitre des variations plus rapides, donc de fréquence plus haute. Ondes sinusoïdales de fréquences différentes : celle du bas à la plus haute fréquence et celle du haut, la plus basse. Le graphe «Evolution du couple filtré» permet une lecture facile du couple nécessaire à la découpe en ne laissant pas passer hautes les fréquences produites par le "parasitage" de mesure. Le curseur permet de retrouver la valeur maximale de celui-ci. Réalisation des mesures Réalisez à présent les différentes mesures pour un nombre de feuilles variable de 1 à 12. Que peut-on déjà conclure? Conclusion et modification du modèle SolidWorks + Motion Comparez ces valeurs avec celles obtenues lors de la modélisation Solidwoks + Motion. Que peut on dire de la valeur estimée initialement pour l'effort de coupe? A l'aide du logiciel Solidwoks + Motion, retrouvez la valeur du couple moteur utile en estimant correctement la valeur de l'effort de coupe (que l'on supposera maxi et constante durant la coupe). EC perforatrice Rexel Page 10 sur 13

11 Déterminer la puissance absorbée par le moteur Nous venons de déterminer le couple utile (Cu) de notre moteur. Compétences associées A3 : Traiter des données de mesures (valeur moyenne, médiane, caractéristique, etc.) A3 : Quantifier des écarts entre valeurs attendues et celles obtenues par simulation. Ressources nécessaires : Site Mabuchi-motor.co.jp Memotech Cette détermination ne tient pas compte des pertes du mécanisme (dues aux frottements et défauts). Nos mesures ont été faites à la sortie du réducteur. Si nous connaissons la puissance électrique à l'entrée de notre moteur, nous pourrons déterminer le rendement de l'ensemble {moteur + réducteur}. Nous allons donc mesurer la puissance électrique absorbée à l'entrée du mécanisme (Pa) et la comparer à la puissance utile (Pu) que nous pourrons définir à partir de Cu Comment mesurer et interpréter la forme du courant moteur lors d une perforation de feuilles papier? MAITRISER la conversion électromagnétique Une approche de cette fonction nous conduira à un bilan énergétique sur les chaînes de transmissions d énergie électrique du moteur. Le MOTEUR : ( Un moteur est composé d une bobine réalisant un appel en courant à la mise sous tension, il fonctionne en récepteur. U et i en sens inverse. i Le schéma équivalent d un moteur à courant continu est une résistance r de valeur 5 Ohms environs en série avec une inductance (bobine) L de valeur 7.5 mh (millihenry) environ E L r U Une mesure à l ohmmètre sans aucun branchement électrique nous donne la vraie valeur de r La tension aux bornes du moteur est U = E + ri, elle est mesurée à l'aide d'un voltmètre. Avec E : force électromotrice du moteur (FEM) qui varie selon la vitesse du moteur I : Courant traversé dans le bobinage du moteur Pour trouver le courant qui traverse le moteur, on voit qu il est impossible de couper la boucle et d insérer un ampèremètre, donc on place en série avec le moteur, une résistance de très faible valeur «résistance shunt r s», puis on mesure la tension à ses bornes pour en déduire par la loi d ohm, la valeur du courant. Le terme (U=r s I) est donc connu. On déduit de la formule la valeur de la FEM * Lorsque le moteur n est plus alimenté, la bobine restitue son énergie et fonctionne donc en générateur. Les paramètres U et i sont dans le même sens. EC perforatrice Rexel Page 11 sur 13

12 Phases du moteur : On identifie les phases du moteur sur le chronogramme ci-dessous pour un essai de perforation de 3 feuilles a) démarrage du moteur b) et c) coupe perforation allant de 1 à 12 feuilles (récepteur) d) Freinage et arrêt moteur (générateur) Pour chaque phase, expliquer théoriquement l évolution du courant. Noter la durée de la perforation selon le nombre de feuille La durée de fonctionnement du moteur est elle identique pour perforer 1 feuille ou 12 feuilles? Mesure de tension aux bornes du moteur Placer une seule masse (borne noire) de l oscilloscope soit la voie A ou la voie B sur la borne extérieure de la résistance Nous allons utiliser la voie A et la voie B Voie A : Mesure de la tension VA= UR1 aux bornes de la résistance «SHUNT» placée en série avec le moteur par rapport à la masse. Voie B : Mesure la tension sur une borne du moteur par rapport à la masse, donc on mesure une somme de tension : VB= (UR1 +Umoteur) Comment régler l'oscilloscope: Régler une base de temps très faible (On pourra utiliser les calibres 200mV/ div - 500ms / div si possible.) Avant la fin de la mesure sur l écran (avant que le spot arrive à l extrême droite de l écran) appuyer sur la touche RUN/STOP afin de mémoriser a l écran de l oscilloscope la courbe. Comment Mémoriser les courbes obtenues à l'aide de l'oscilloscope: Enregistrement de l oscillogramme obtenu : On utilisera le logiciel «oscilloscope» (réalisé à l'aide du logiciel LabView) afin de mémoriser sur écran d ordinateur les courbes obtenues sur oscilloscope. Pour cela relier le PC à l oscilloscope par le câble série croisé RS 232. Lancer le logiciel «oscilloscope» et configurer sur le type d appareil que vous utilisez. Une fois la courbe à l écran, la sauvegarder dans un fichier afin de l exploiter. EC perforatrice Rexel Page 12 sur 13

13 Mesure 1 : Relever la tension V R1 = f (t) pendant le cycle de coupe à vide du perforateur, puis en charge en commençant par une feuille jusqu'à 12 feuilles maxi. V R1 représente l évolution du courant moteur (Im) absorbé par le moteur V R1 = f (t) = R1 * Im La tension VB obtenue est une somme des tensions UR1 et Umoteur (On utilisera les calibres 500mV/ div - 20ms / div si possible.) Mesure 2 : Noter le courant maxi de démarrage, le courant maximum lors de la perforation (on relève une tension qui est l image du courant moteur) Quelle est la puissance absorbée (Pa = Umoteur * Im) par le moteur au démarrage et lors d une coupe? Pour cela déduire Umoteur des courbes VB et VA On rappelle que : VB= (UR1 +Umoteur) = (VA + Umoteur) ON DONNE LES RELATIONS: Puissance électrique Puissance mécanique P e = U*I P m = C*Ω Avec : P U I C Puissance (Watt) tension aux bornes (Volt) courant (Ampère) couple ( Nm) Ω Vitesse angulaire (rd/s) DETERMINER LE RENDEMENT DU SYSTEME {MOTEUR + REDUCTEUR} Le rendement d'un mécanisme est donné par la relation η = Pu / Pa Pa : puissance absorbée par le système (entrée du système) Pu: puissance utile à la réalisation de la tâche (sortie du système) A l'aide des mesures et étude précédente, déterminez le rendement du système {moteur + Réducteur} Quelle serait la démarche à suivre pour obtenir le rendement global du système? EC perforatrice Rexel Page 13 sur 13