Contrôler la position dans une structure déformable. Table élévatrice

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1 CI24 CI25 CI26 Contrôler la position dans une structure déformable Table élévatrice Problématique : Comment contrôler les principaux paramètres influents sur la précision de position d un robot (extrémité d un bras de travail ou centre de gravité)? Le chargement de machines a bois en planches nécessite de maîtriser la position d un plateau de table élévatrice horizontale. La résolution de la problématique proposée est faite sous forme collaborative en trois activités autour du même support. ACTIVITE 1 (Tous CI ) (2H15) : Approche globale des problèmes de positionnement en robotique et transposition dans le cadre du système étudié. apporter au sein du trinôme un point de vue global sur la problématique posée, Responsable de la collecter les informations et données numériques utiles des activités 2 et 3, coordination de la séance. faire un bilan et une présentation orale en fin de séance. ACTIVITE 2 CI20 CI25 (2H15) : Influence du guidage et de la rigidité des pièces sur la précision de position Imperfections des guidages et solutions techniques retenues pour le système réel, Modélisation d une poutre en flexion et mise en évidence d une erreur de position due à la déformation, Transposition au système étudié. ACTIVITE 3 CI24 CI26 (2H15) : Caractéristiques d une mesure de position et mise en œuvre Caractéristique de la mesure de la position pour le système réel et évaluation de la précision, Mise en œuvre d une mesure standard par codeur incrémental à l aide d une interface d acquisition et traitement numérique (carte ARDUINO méga), Synthèse sur les sources d erreur possibles de position dans les deux cas. BILAN DES 3 ACTIVITES ET COMMUNICATION ORALE (30 min) : Compléter la fiche bilan des 3 activités en tenant compte de la grille d évaluation. Le rapporteur, étudiant ayant mené l activité 1, fera une synthèse orale de 5 minutes devant un professeur. Frédéric POULET / J-Claude ROLIN Page 1 Lycée G. Eiffel Dijon

2 ACTIVITE 1 Tous CI (2H15) : Approche globale des problèmes de positionnement en robotique et transposition dans le cadre du système étudié Robot médical «Da Vinci» permet de reproduire les gestes du chirurgien et de les traduire en actions précises ce qui permet une chirurgie peu invasive «Comment contrôler les principaux paramètres influents sur la précision de position d un robot (extrémité d un bras de travail ou centre de gravité)?» : Vous êtes chargé : «SaFFIR» robot pompier de l US Navy doit accomplir sa tâche tout en restant en équilibre sur un navire qui tangue, ouvrir des vannes, diriger la lance à eau vers la source le feu d apporter au sein du trinôme un point de vue global sur cette problématique de collecter les informations et données numériques utiles des activités 2 et 3, de faire un bilan et une présentation orale en fin de séance. Vous avez à disposition les documents suivants : ROBOTS : Document ressource, La carte mentale relative à votre système accessible sur FLTSI. Vous devez en pensant au critère de précision, avec un vocabulaire scientifique et technique approprié : 1. Dégager pour le système sur lequel vous travaillez et en quelques mots des éléments de réflexion utiles dans les domaines : de la cinématique (nombre de degrés de libertés, types de mouvement (rotation, translation), qualité des guidages ), de la statique (nature des charges et répartition, influence du poids propre et de la charge ), de la résistance des matériaux (forme, dimensions et géométrie des pièces principales, nature des sollicitations, matériaux, ), de la dynamique (masse et/ou inertie selon le type de mouvement ), de l acquisition et du traitement de l information (nature des informations utiles, type de capteur et forme de l information (TOR, analogique ), type de traitement, du contrôle de la précision (asservissement), du contrôle de puissance (convertisseurs et modulateurs). 2. Présenter le résultat de votre réflexion sous une forme (tableau, carte mentale, autre ) permettant une présentation organisée et «efficace» au sein du trinôme lors du bilan et de l oral en fin de séance. 3. Pour le système étudié : collecter les informations issues de l activité 2 relative à la cinématique, Robots industriels dans l industrie automobile (assemblage, soudage, vissage ). On utilise environ 1,5 million de robots industriels dans le monde en 2015 collecter les informations et résultats numériques issus de l activité 3 relative à l acquisition de l information. Lier ces informations à votre réflexion issue des questions 1 et 2 et préciser les domaines auxquels elles se rattachent. 4. Animer le temps du bilan (30min) 5. Présenter oralement votre travail (5min) en tenant compte de la grille d évaluation. Frédéric POULET / J-Claude ROLIN Page 2 Lycée G. Eiffel Dijon

3 Frédéric POULET / J-Claude ROLIN Page 3 Lycée G. Eiffel Dijon ACTIVITE 2 CI25 (2H15) : Influence du guidage et de la rigidité des pièces sur la précision de position Contexte de l étude L impact des actions mécaniques sur la structure générale (pièces, liaisons mécaniques) peut apporter des conséquences non négligeables sur la précision de la position demandée du système. Les défauts de géométrie peuvent également jouer sur cette précision. Votre activité consiste à établir et justifier les solutions techniques mises en œuvre pour maitriser cet impact. Influence de la géométrie et du jeu dans les guidages 1. Localiser le capteur de position sur le système. Puis en déduire si le jeu dans les liaisons peut avoir une réelle influence sur la précision de position du plateau. 2. Le critère de précision de position est-il validé pour tous les points (toutes les zones) du plateau? Justifier votre réponse par un croquis. 3. Préciser les différentes contraintes géométriques à respecter pour avoir tous les points du plateau dans un plan horizontal. 4. Relever le critère de précision donné par le CdCF et conclure. Autre source d imprécision d une position : la déformation des pièces. L étude qui suit permet d établir les facteurs influents sur la déformation d une poutre. Vous devrez vous servir de cette analyse pour l adapter à la table élévatrice. Facteurs d influence sur la déformation d une poutre Modèle proposé : poutre encastrée en un point O et subissant l action d une charge longueur) et d une force extérieure en A. 5. Exprimer simplement en fonction de L dans le repère R 0 avant son chargement (avant la mise en place des AM extérieures). 6. Tracer l allure de sa déformée après son O chargement. L 7. Exprimer désormais dans le cas d une petite déformation. (A point extrémité poutre après déformation). Préciser les hypothèses que vous aurez faites. 8. Exprimer la charge linéique en fonction de et des données géométriques. Préciser son unité. 9. Ouvrir une nouvelle étude dans le module «flexion» du logiciel RDM Le Mans. Créer le modèle de la poutre (profil poutre 1) étudiée : Bibliothèque de Nombre de nœuds = 2 (point O et point A) matériaux Choix du matériau : alliage d aluminium AU 4 G (norme actuelle : 2017 A) Sections de la poutre Section : «rectangle creux» avec hauteur = 60 mm, base = 40 mm, épaisseur = 5 mm Liaisons 10. Vérifier l allure de la déformée avec celle proposée à la question 5 et préciser la valeur de la flèche maxi. Actions mécaniques exercés sur la poutre 11. Relever la masse de matière correspondant à ce profil (Fichier / éditer). 12. Relever également l aire de la section de matière. 13. Pour une surface de matière identique, dimensionner précisément une deuxième poutre (profil poutre 2) avec un profil de section «rectangle plein». la masse de matière a-t-elle évolué? 14. Déterminer la flèche (déformée maxi) de cette nouvelle poutre. 15. Renouveler la démarche avec : base = 60 mm, hauteur = 40 mm et épaisseur = 5 mm. 16. Nommer ce paramètre qui conditionne la rigidité d une poutre. Préciser son unité. La flèche d une poutre en flexion est déterminée grâce à la relation : Flèche = = v (x) = (répartie uniformément sur la 17. Préciser l origine de chacun des 3 paramètres (M fz, E et I Gz ) en fonction des différentes caractéristiques que vous venez de mettre en œuvre (dimensions géométriques, matériau, actions mécaniques, répartition de la surface autour de l axe). Application à la table élévatrice / Synthèse de l activité 18. Proposer un modèle d étude RdM d un bras du pantographe (définir une poutre, mettre en place une ou des liaisons, implanter un modèle des AM extérieures, ). 19. Analyser et justifier (A partir des constats faits aux questions Q7 à Q14) les formes réelles d un bras. Justifier la famille de matériau utilisée pour le fabriquer. 20. Définir les procédés d obtention : du plateau et du pantographe. Rails de guidage A L = 0,8 m Surface matière identique Profil poutre 1 Profil poutre 2 bras

4 ACTIVITE 3 CI24 CI26 (2H15) : Caractéristiques d une mesure de position et mise en œuvre SYSTEME REEL (TABLE ELEVATRICE) : Mesure de la position verticale du plateau de la table 1. Mettre en service le système et faire un essai de montée descente en mode manuel d'environ 20cm autour de la mi-hauteur de la table. 2. Vérifier la concordance entre l affichage numérique de la hauteur de la table et celui lu sur le réglet. Vérifier également l affichage en variation sur une plage de 40cm. 3. Exploiter la documentation fournie (Annexe 1) et décrire la façon dont la position du plateau est contrôlée. Fournir le nom et les caractéristiques de l élément de mesure. Préciser si la mesure du capteur se fait directement ou non sur la position que l on désire contrôler, en pensant aux déformations éventuelles de la structure, Préciser de quelle façon on peut numériser le signal de position du plateau, Indiquer si la technique de positionnement mise en œuvre est de type absolu ou relatif, Expliquer pour ce type d application l avantage qu apporte un codage absolu, illustrer par une situation précise. 4. Relever la linéarité du capteur fournie pour EM (étendue de mesure) et calculer l erreur maxi en mm qui lui correspond. Vérifier ce résultat vis-à-vis du cahier des charges fourni. SOLUTION STANDARD PAR CODEUR INCREMENTAL : Mesure de position d un robot mobile à roues De nombreuses applications de type contrôle ou asservissement de position, font appel à un codeur de type incrémental. L exploitation de ce capteur dans une boucle de positionnement numérique nécessite un certain nombre de précautions qu il faut connaître et solutionner. L approche proposée se fait à l aide d un sous-système d entraînement de roue de robot mobile autonome comprenant un motoréducteur à machine à courant continu (MCC) + codeur incrémental à 2 voies A et B monté sur l arbre du moteur. Le moteur est alimenté au travers d un hacheur 4 quadrants commandés en mode PWM ou MLI associé à une carte ARDUINO. Le codeur accepte des tensions comprises entre 3.5v et 20V. Ses sorties sont de type collecteur ouvert et requièrent des résistances de tirages au niveau haut. Motoréducteur MG30 12V ; réducteur r = 1/30 entraînant une roue de diamètre D = 100 mm Connections du moteur et du codeur incrémental 5. Prendre connaissance du document «CI26_Codeurs de position.pdf», et indiquer quelle est la nature de l information délivrée par un codeur incrémental. 6. Mettre sous tension la carte Arduino, raccorder un oscilloscope sur les 2 voies A et B du codeur, faire tourner la roue à la main et observer ces signaux, vérifier leur qualité. Représenter les signaux A et B sur feuille pour 2 vitesses de rotation dans un rapport Indiquer le traitement de l information issue des signaux A et B que doit effectuer le microcontrôleur «Arduino» afin de connaitre à tout moment la position angulaire et le sens de rotation de l axe de sortie du réducteur. 8. Ouvrir le fichier «TP5_codeur.ino» et le «téléverser» dans la carte Arduino. Ouvrir le moniteur série et agir sur la roue, observer l évolution des variables «positionactuelle» et date «t» en ms. 9. Proposer un protocole, pour déterminer directement le nombre de points par tour de roue en minimisant l erreur. La mettre en œuvre et déterminer la résolution angulaire dont vous disposez au niveau de la roue. 10. Déduire la résolution de positionnement du robot en translation horizontale en mm en l absence de glissement au contact roue/sol et en ligne droite 11. Vérifier dans le programme le type de variable associée à «positionactuelle», donner sa taille en nombre de bits et la plage décimale balayée. Vérifier cette plage en agissant sur la roue et indiquer ce qui se passe aux frontières de cette plage. 12. Calculer dans le cas du robot mobile la distance maximale en ligne droite pour laquelle la position est connue 13. Changer le type de variable associée à la position par un type «Float», et vérifier le changement de comportement de l acquisition de position. Déterminer la nouvelle plage de distance mesurable en km. L obtention de la consigne de position est obtenue par une boucle de régulation de position : 14. Donner rapidement le schéma bloc de l asservissement de position en précisant la nature de chaque bloc présent. Faire une hypothèse sur le degré et la classe du système et indiquer en justifiant s il existe théoriquement une erreur statique de position. Frédéric POULET / J-Claude ROLIN Page 4 Lycée G. Eiffel Dijon

5 SYNTHESE DE VOTRE ACTIVITE 15. Conclure en faisant le bilan des sources d erreurs de position possibles pour le système support (TABLE élévatrice) et l étude du robot mobile. ANNEXE 1 : Acquisition de la position verticale du plateau de la table élévatrice Capteur potentiométrique à fil référence WS V-L10-M4-M12 Frédéric POULET / J-Claude ROLIN Page 5 Lycée G. Eiffel Dijon