Axe Z de chaîne de production robotisée

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1 Essais de systèmes STS Electrotechnique 2ème année Lycée Louis Armand PARIS 15 1 : Objectifs Axe Z de chaîne de production robotisée Etudier la constitution d un axe de translation industriel. Effectuer un bilan de puissance dans une chaîne mécanique à motorisation électrique Effectuer des réglages et configurations du système et de son variateur de vitesse Vérifier les performances de l axe par rapport à des prédéterminations. 2 : Présentation du système On retrouve le principe mécanique de ce système dans beaucoup de machines ou d équipements industriels mettant en œuvre un mouvement de translation à motorisation électrique ; Exemple : les chaînes de production robotisée La partie opérative L armoire de commande Un chariot support moteur circulant sur glissières à billes est monté sur poutre verticale. L entraînement est réalisé par un ensemble pignon/crémaillère. Un moteur asynchrone, alimenté par un variateur de vitesse, motorise l équipement. Un réducteur monté sur l arbre en fait un motoréducteur. Un capteur de couple est monté sur l axe du pignon. Un codeur incrémental, monté sur cet axe, permet de mesurer la vitesse de déplacement. Deux conditionneurs / afficheurs, sur coffret de commande, nous affichent ces grandeurs couple et vitesse. Les mouvements sont limités, en extrémités : - par «fins de course» : type capteur inductif, permettant ainsi les exercices de mouvements de va et vient. Les rampes d accélération et de décélération sont réglables dans le variateur. - par «capteurs de surcourse» de sécurité : type contact sec à galet, permettant de couper l alimentation électrique du moteur et d enclencher le frein à manque de courant, intégré au moteur. - des butées élastiques avec amortisseurs sont également prévues sur l équipement. JP.THAUVIN Page 1/13

2 3 : Caractéristiques du système. Motoréducteur : Charge : Variateur Puissance utile nominale : Pn = 0,37 kw Charge utile : 3 disques, Vitesse nominale de sortie : Nn = 265 tr/mn soit 30 kg Schneider (moteur alimenté sous fréquence nominale 50 Hz) Ensemble motoréducteur ATV71 Couple utile nominal : Cn = 10,4 Nm + chariot : 26 kg frein à manque de courant intégré, Charge totale maximum : codeur 1024 points intégré (pour contrôle vectoriel de flux.) m = 56 kg sondes dans enroulement pour la protection contre les surchauffes. Transmission pignon / crémaillère Crémaillère de module 2, pignon 26 dents : 2π.26 mm de translation par tour de pignon Rendement de la transmission pignon / crémaillère T = : Préparation théorique. Répondre sur document réponse Bilan des puissances : 4.1) Calculer la vitesse de translation du chariot (en m/s), notée Vn, lorsque le motoréducteur tourne à sa vitesse nominale. En déduite le rapport V/Ω (en m/rad). Détailler la méthode. 4.2) Pour cette vitesse nominale, exprimer puis calculer la puissance utile Pch nécessaire pour lever la charge totale. 4.3) A partir des indications de la plaque signalétique du moteur ( 0.37kW, 400V, 50Hz, 1.2A, 1380 tr/mn, cos 0.76 à vérifier le jour du TP ), déduire le rendement nominal M du motoréducteur. 4.4) Le rendement de la transmission pignon / crémaillère est fourni dans le tableau ci-dessus. Pour la vitesse nominale, compléter les bilan des puissances en phase ascendante puis descendante, sur le graphique du document réponse joint. 4.5) A partir du résultat obtenu en phase descendante, justifier l utilité de la résistance connectée entre les bornes PA et PB du variateur (Voir en annexe le schéma électrique de puissance du système). Bilan des puissances en phase ascendante à vitesse constante En sortie du variateur Perdue dans le motoréducteur Sur l arbre du motoréducteur Perdue dans la transmission Utilisée par la charge totale. (Pch) Répondre sur document réponse JP.THAUVIN Page 2/13

3 Bilan des puissances en phase descendante à vitesse constante En sortie du variateur Perdue dans le motoréducteur Sur l arbre du motoréducteur Perdue dans la transmission Utilisée par la charge totale. (Pch) Répondre sur document réponse Allure du couple : 4.6) En phase ascendante à vitesse constante, justifier que le couple théorique Co délivré par le motoréducteur (sans pertes dans la transmission pignon / crémaillère) s exprime Co = m g (V/Ω ). (Avec g, accélération de la pesanteur, = 9.81m/s²). Calculer Co. 4.7) Le profil du déplacement est trapézoïdal. La durée pour passer de l arrêt à la vitesse nominale est réglée à ta =0.5 s. Calculer l accélération. Vitesse de la charge Vn Temps Tm 4.8) Le Couple théorique supplémentaire nécessaire pour accélérer la charge est donné par la relation : Ca = m (V/Ω ). Calculer le module de Ca. 4.9) En réalité, il y a des pertes dans la transmission. Le couple de pertes Cp doit être fourni en phase ascendante par le motoréducteur ; Par contre il aide au freinage de la charge en phase descendante. Le signe de Cp change donc en fonction du sens de déplacement. Calculer le module de Cp = Co. 4.10) Le couple utile fourni par le motoréducteur est : Cu = Co ± Ca ± Cp suivant le signe de l accélération et le sens du mouvement. Dans le tableau suivant, calculer les valeurs de Cu pour les différentes phases de fonctionnement. 4.11) Reproduire le chronogramme de la vitesse (ci-dessus) puis tracer sur le même repère (autre couleur) le couple Cu. JP.THAUVIN Page 3/13

4 Fonctionnement Accélération en phase ascendante Vitesse constante en phase ascendante Ralentissement en phase ascendante Accélération en phase descendante Couple Cu Répondre sur document réponse! Vitesse constante en phase descendante Ralentissement en phase descendante Couple moyen thermique équivalent. 4.13) Calculer le couple moyen thermique équivalent pour un fonctionnement de va et vient permanent (caractéristiques précédentes). En déduire le facteur de surdimensionnement en couple du motoréducteur. JP.THAUVIN Page 4/13

5 5 : Expérimentation. Regarder la video «translation_fr.wmf présente sur le bureau du PC du poste de travail. Identification des composants de la partie opérative. 5.1) Repérer visuellement tous les composants de la partie opérative, dont il est fait référence à travers les six points du chapitre 2 de présentation du système (1ère page de ce document). Indiquer en fléchant sur le dessin ci-dessous la position de ces divers composants. Répondre sur document réponse. Répondre sur document réponse Réglage du variateur ATV71. ( On se placera dans les conditions de sécurité exigées par la norme) 5.2) A partir de la référence du variateur ATV71 et de sa documentation (présente sur le bureau du PC du poste de travail), indiquer le réglage à utiliser pour le disjoncteur Q50 (Voir en annexe le schéma électrique de puissance du système). Justifier la réponse. 5.3) Relever les indications de la plaque signalétique du motoréducteur. A partir de la documentation du variateur, déduire le couplage utilisé pour le motoréducteur asynchrone. 5.4) Régler le courant thermique (ITH) (Réglage) pour qu il corresponde au courant nominal du motoréducteur. 5.5) Régler les paramètres d accélération et de décélération ( ACC et DEC ) pour que le passage de l arrêt à la vitesse nominale et vice versa se fasse en 0.5 s 5.6) Effectuer le réglage qui permet, en fonctionnement normal, d afficher la vitesse de rotation moteur sur l écran du variateur. Mise en service de l axe. 5.7) Appeler le professeur pour qu il montre comment mettre l axe en service puis rédiger en quelques lignes une notice d utilisation du pupitre opérateur de commande de l axe. 5.8) Positionner le commutateur du panneau de commande en mode automatique. Dans ce mode, l automate programmable Twido génère une inversion de sens de déplacement chaque fois qu une fin de course est atteinte. Il en résulte un mouvement de va et vient avec un profil de vitesse trapézoïdal. 5.9) Tourner le potentiomètre de réglage de la vitesse vers la gauche (vitesse nulle) puis effectuer la mise en fonctionnement. JP.THAUVIN Page 5/13

6 5.10) Augmenter la consigne vitesse jusqu à obtenir la vitesse nominale du moteur (lue sur le variateur) pendant les phases ascendantes à vitesse constante. 5.11) Relever l indication fournie par l afficheur présent sur le coffret de commande : Il indique la vitesse linéaire de déplacement. En déduire l unité d affichage (s aider de la prédétermination théorique de la question 4.1) 5.12) Relever l indication fournie par l afficheur de couple pendant les phase ascendante et descendante (vitesse constante) puis comparer ces valeurs au résultats prédéterminés à la question ) Vérifier les évolutions du couple pendant les phases transitoires : Quand mesure t-on le plus fort couple? Le plus faible? Est ce conforme à la prédétermination (tableau de la question 4.12). Mesure de puissance 5.14) Arrêter le fonctionnement et mettre hors tension. Les bornes et boucles du bas du pupitre de commande permettent d accéder aux mesures des courants et tensions moteur. Connecter le wattmètre fourni par le professeur afin de mesurer la puissance absorbée par la motoréducteur. Faire vérifier les branchements au professeur avant de remettre sous tension. 5.15) Remettre en fonctionnement dans les conditions précédentes puis effectuer les mesures de puissance afin de vérifier les résultats des bilans de la question 4.4. Utilisation du logiciel Power suite. 5.16) Grâce à son mode oscilloscope, le logiciel power suite permet de relever l allure des graphes de vitesse et de couple. Régler les paramètres de l oscilloscope de ce logiciel afin de relever les chronogrammes établis théoriquement à la question Imprimer ce graphe et le joindre a compte rendu. Capteurs de position Fdc + Fdc - Av Ral Av Ral Ar Ar conf0/conf Sens + Sens - Consigne vitesse LI1 Sens+ LI2 Sens- LI3 LI4 LI5 LI6 LI7 AI1 0- R2 AABB K frein Codeur M3~ Frein JP.THAUVIN Page 6/13

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8 Axe Z de chaîne de production robotisée - Lycée Louis Armand Paris 15 Document réponse pour Noms :.. compte rendu. Date : 4 : Préparation théorique. Bilan des puissances : 4.1) Calculer la vitesse de translation du chariot (en m/s), notée Vn, lorsque le motoréducteur tourne à sa vitesse nominale. En déduite le rapport V/Ω (en m/rad). 4.2) Dans ces conditions, exprimer puis calculer la puissance utile Pch nécessaire pour lever la charge totale. 4.3) A partir des indications de la plaque signalétique du moteur ( 0.37kW, 400V, 50Hz, 1.2A, 1380 tr/mn, cos 0.76 ), déduire le rendement nominal M du motoréducteur. 4.4) Le rendement de la transmission pignon / crémaillère est fourni dans le tableau ci-dessus. Pour la vitesse nominale, compléter les bilans des puissances en phase ascendante puis descendante. Bilan des puissances en phase ascendante à vitesse constante En sortie du variateur Perdue dans le motoréducteur Sur l arbre du motoréducteur Perdue dans la transmission Utilisée par la charge totale. (Pch) JP.THAUVIN Page 8/13

9 Bilan des puissances en phase descendante à vitesse constante En sortie du variateur Perdue dans le motoréducteur Sur l arbre du motoréducteur Perdue dans la transmission Utilisée par la charge totale. (Pch) 4.5) A partir du résultat obtenu en phase descendante, justifier l utilité de la résistance connectée entre les bornes PA et PB du variateur (Voir en annexe le schéma électrique de puissance du système). Valeurs du couple : 4.6) En phase ascendante à vitesse constante, justifier que le couple théorique Co délivré par le motoréducteur (sans pertes dans la transmission pignon / crémaillère) s exprime Co = m g (V/Ω ). (Avec g, accélération de la pesanteur, = 9.81m/s²). Calculer Co. 4.7) Le profil du déplacement est trapézoïdal. La durée pour passer de l arrêt à la vitesse nominale est réglée à ta =0.5 s. Calculer l accélération. 4.8) Le Couple théorique supplémentaire nécessaire pour accélérer la charge est donné par la relation : Ca = m (V/Ω ). Calculer le module de Ca. JP.THAUVIN Page 9/13

10 4.9) En réalité, il y a des pertes dans la transmission. Le couple de pertes Cp doit être fourni en phase ascendante par le motoréducteur, par contre il aide au freinage de la charge en phase descendante. Le signe de Cp change donc en fonction du sens de déplacement. Calculer le module de Cp = Co. 4.10) Le couple utile fourni par le motoréducteur est : Cu = Co ± Ca ± Cp suivant le signe de l accélération et le sens du mouvement. Dans le tableau suivant, calculer les valeurs de Cu pour les différentes phases de fonctionnement. Fonctionnement Couple Cu Accélération en phase ascendante Vitesse constante en phase ascendante Ralentissement en phase ascendante Accélération en phase descendante Vitesse constante en phase descendante Ralentissement en phase descendante 4.12) Reproduire le chronogramme de la vitesse (ci-dessus) puis tracer sur le même repère (autre couleur) le couple Cu. Vn 0 Temps JP.THAUVIN Page 10/13

11 Couple moyen thermique équivalent. 4.13) Calculer le couple moyen thermique équivalent pour un fonctionnement de va et vient permanent (caractéristiques précédentes). En déduire le facteur de surdimensionnement en couple du motoréducteur. 5 : Expérimentation. Regarder la video «translation_fr.wmf présente sur le bureau du PC du poste de travail. Identification des composants de la partie opérative. 5.1) Repérer visuellement tous les composants de la partie opérative, dont il est fait référence à travers les six points du chapitre 2 de présentation du système (1ère page de ce document). Indiquer en fléchant sur le dessin ci-dessous la position de ces divers composants. JP.THAUVIN Page 11/13

12 Réglage du variateur ATV71. ( On se placera dans les conditions de sécurité exigées par la norme) 5.2) A partir de la référence du variateur ATV71 et de sa documentation (présente sur le bureau du PC du poste de travail), indiquer le réglage à utiliser pour le disjoncteur Q50 (Voir en annexe le schéma électrique de puissance du système). 5.3) Relever les indications de la plaque signalétique du motoréducteur. A partir de la documentation du variateur, déduire le couplage utilisé pour le motoréducteur asynchrone. Justifier la réponse. 5.4) Régler le courant thermique (ITH) (Réglage) pour qu il corresponde au courant nominal du motoréducteur. 5.5) Régler les paramètres d accélération et de décélération ( ACC et DEC ) pour que le passage de l arrêt à la vitesse nominale et vice versa se fasse en 0.5 s 5.6) Effectuer le réglage qui permet, en fonctionnement normal, d afficher la vitesse de rotation moteur sur l écran du variateur. Mise en service de l axe. 5.7) Appeler le professeur pour qu il montre comment mettre l axe en service puis rédiger en quelques lignes une notice d utilisation du pupitre opérateur de commande de l axe. 5.8) Positionner le commutateur du panneau de commande en mode automatique. Dans ce mode, l automate programmable Twido génère une inversion de sens de déplacement chaque fois qu une fin de course est atteinte. Il en résulte un mouvement de va et vient avec un profil de vitesse trapézoïdal. 5.9) Tourner le potentiomètre de réglage de la vitesse vers la gauche (vitesse nulle) puis effectuer la mise en fonctionnement. 5.10) Augmenter la consigne vitesse jusqu à obtenir la vitesse nominale du moteur (lue sur le variateur) pendant les phases ascendantes à vitesse constante. JP.THAUVIN Page 12/13

13 5.11) Relever l indication fournie par l afficheur présent sur le coffret de commande : Il indique la vitesse linéaire de déplacement. En déduire l unité d affichage (s aider de la prédétermination théorique de la question 4.1) 5.12) Relever l indication fournie par l afficheur de couple pendant les phase ascendante et descendante (vitesse constante) puis comparer ces valeurs au résultats prédéterminés à la question ) Vérifier les évolutions du couple pendant les phases transitoires : Quand mesure t-on le plus fort couple? Le plus faible? Est ce conforme à la prédétermination (tableau de la question 4.12). Mesure de puissance 5.14) Arrêter le fonctionnement et mettre hors tension. Les bornes et boucles du bas du pupitre de commande permettent d accéder aux mesures des courants et tensions moteur. Connecter le wattmètre fourni par le professeur afin de mesurer la puissance absorbée par la motoréducteur. Faire vérifier les branchements au professeur avant de remettre sous tension. 5.15) Remettre en fonctionnement dans les conditions précédentes puis effectuer les mesures de puissance afin de vérifier les résultats des bilans de la question 4.4. Résultat des mesures et conclusions. Utilisation du logiciel Power suite. 5.16) Grâce à son mode oscilloscope, le logiciel power suite permet de relever l allure des graphes de vitesse et de couple. Régler les paramètres de l oscilloscope de ce logiciel afin de relever les chronogrammes établis théoriquement à la question Imprimer ce graphe et le joindre au compte rendu. JP.THAUVIN Page 13/13