CI-1 : architecture structurelle des chaînes fonctionnelles et vérification des performances.

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1 CI-1 : architecture structurelle des chaînes fonctionnelles et vérification des performances. 2. Principe de fonctionnement. Tiroir A. DISTRIBUER Pilotage pneumatique Pilotage pneumatique Echappement Echappement Sorties vers le vérin Admission haute pression I. Les distributeurs pneumatiques et hydrauliques. 1. Fonction : Le distributeur est l organe de commande d un actionneur (ici un vérin ou un moteur pneumatique). Il est généralement constitué d un corps fixe, d un tiroir cylindrique, de pilotages qui commandent les mouvements du tiroir et d une série de joints qui assurent l étanchéité. Orifices Pilotage Pilotage Pilotage électrique Alimentation pneumatique Canalisations pneumatiques vers les vérins 5 distributeurs du distributeur Festo CI-1 Synthèse page 1 CI-1 Synthèse page 2

2 3. Représentation et dénomination des distributeurs. Pour définir un distributeur, il faut choisir : Le nombre d orifices Le nombre de positions La commande Commande électrique Solénoïde Tiroir 2, 3, 4 ou 5 orifices 2 ou 3 positions 2 ou 3 cases Commande et rappel pneumatique. 2orifices Commande pneumatique et rappel ressort. Aimant permanent Détecteur de proximité 3orifices Commande électrique. Réglage de l amortissement 4orifices Commande électropneumatique. Manuelle : Par bouton-poussoir. VERIN PNEUMATIQUE DOUBLE EFFET A AMORTISSEMENT REGLABLE 5orifices Par levier. Exemple : Par galet. Distributeur 5 / 2 monostable à commande électropneumatique REPRESENTATION NORMLISEE Distributeur 5 / 2 à commande électropneumatique et rappel ressort. Distributeur 5 / 3 à centre ouvert à commandes électro-pneumatique et rappel ressort. CI-1 Synthèse page 3 CI-1 Synthèse page 4

3 Exemples de commande d un vérin : Vérin simple effet piloté par un distributeur 3/2 : Vérin double effet piloté par un distributeur 4/2 : Vérin double effet piloté par un distributeur 5/3- centre fermé : Principe de fonctionnement : Schéma de principe Lorsque le circuit de commande est fermé, la bobine attire l armature mobile et le circuit de puissance est fermé. Le moteur est alors alimenté et transforme l énergie électrique en énergie mécanique de rotation. Sur la représentation normalisée cidessous, on retrouve le circuit de commande, et les contacts à fermeture (4-3 et 6-5). Le contact à ouverture n est pas utilisé dans le fonctionnement de base. Vérin double effet piloté par un distributeur 5/3- centre ouvert : Vérin double effet piloté par un distributeur 5/2 : Représentation normalisée. 2. Les contacteurs inverseurs : un contacteur inverseur est un appareil électrotechnique destiné à établir dans les 2 sens ou à interrompre le passage du courant, à partir d'une commande électrique. Sur la représentation normalisée ci-dessous suivant la fermeture des contacts de droite ou de gauche, les fils extrêmes s inversent pour inverser le sens de rotation. II. Les pré-actionneurs électriques. 1. Les contacteurs : un contacteur est un appareil électrotechnique destiné à établir ou interrompre le passage du courant, à partir d'une commande électrique. Le contacteur est une commande Tout ou Rien. Les contacteurs sont utilisés pour piloter les moteurs non asservis. En effet, l énergie électrique ne sera pas modulée et sera toujours au maximum. Donc la vitesse de rotation ne pourra pas être pilotée. Représentation normalisée 2. Les hacheurs : Le hacheur est un dispositif de l électronique de puissance mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et qui permet de modifier la valeur de la tension d'une source de tension continue. Il permet de moduler l énergie électrique qui alimente le moteur. Il est indispensable pour asservir un moteur. Toute l'idée du pont en H réside dans le schéma suivant. Les interrupteurs S1 et S4 fermés, le moteur (ici la charge) tourne dans un sens, les interrupteurs S3 et S2 fermés, le moteur tourne dans l autre sens. Les moteurs électriques nécessitent des courants importants par rapport à ce que peut fournir un microcontrôleur. CI-1 Synthèse page 5 CI-1 Synthèse page 6

4 Le premier rôle du pont en H est donc de fournir de forts courants aux moteurs tout en permettant leur contrôle par la carte mère. On utilise alors des transistors à la place des interrupteurs pour réaliser des commutations. En plus de son rôle de commutation, un transistor peut amplifier un courant et est plus facile à contrôler par des signaux numériques ou analogiques. B. CONVERTIR M U c Principe de pilotage. I. Les actionneurs hydrauliques : les vérins. Afin de modifier la tension aux bornes du moteur, il suffit ensuite de découper sa tension d alimentation à l aide des commandes IN1 et IN2, à une fréquence très grande afin de faire varier en conséquence la valeur moyenne de la tension aux bornes du moteur. T On note α le rapport cyclique : α = 1 T 1. Fonction : transformation d une énergie pneumatique en énergie mécanique de translation. Détermination de la valeur moyenne : V moy T1. V T2. V = T V = 2α 1. V moy ( ) α = 0,84 V = 0,68. V moy La valeur du rapport cyclique est souvent codée numériquement. Cette valeur numérique s appelle la grandeur de commande PWM (Pulse Width Modulation) ou MLI (Modulation à Largeur d Impulsion) et ses différentes valeurs permettent donc de faire varier la tension aux bornes du moteur. Un modèle couramment accepté est une relation de proportionnalité, donc linéaire, entre cette grandeur de commande et la tension aux bornes du moteur. 2. Principe de fonctionnement : α = 0,64 V = 0,28. V moy CI-1 Synthèse page 7 CI-1 Synthèse page 8

5 3. Différents types de vérins : 4. Symbolisation des vérins: Vérin double effet : Vérin simple effet (tige rentrée au repos) Vérin double effet avec amortissement réglable Vérin simple effet (tige sortie au repos) Vérin double effet double tige. Vérin double effet Vérin à tige télescopique Vérin double effet avec amortissement Vérin simple effet : Ce vérin ne peut développer un effort que dans un seul sens. Le retour de la tige s effectue par l action mécanique d un ressort. 1 : Embout arrière 2 : Embout avant 3 : Corps 4 : Joint 5 : Tige 6 : Ressort 7 : Orifice d admission 8 : Piston 9 : Coussinet Exemple du câblage pneumatique de la borne ERM : Vérins spéciaux : Vérin double tige, vérin anti-rotation, vérin rotatif, vérin sans tige... CI-1 Synthèse page 9 CI-1 Synthèse page 10

6 II. Les actionneurs électriques : les moteurs. Fonction : transformation d une énergie électrique en énergie mécanique de rotation. 1. Les moteurs à courant continu. Les moteurs à courant continu sont fréquemment utilisés en robotique. Le moteur est constitué : Un inducteur, appelé stator qui est fixe et sur lequel est bobiné un enroulement afin de produire un champ magnétique. C est un électro-aimant qui se comporte comme un aimant permanant. Un induit appelé rotor qui est mobile en rotation. C est un cylindre en tôles magnétiques isolées entre elles sur lequel des conducteurs sont répartis. Un collecteur fixé sur l induit, il est en contact avec les charbons. Des charbons ou balais. Ils alimentent l induit par le collecteur sur lequel ils frottent. Représentation normalisée 3. Les moteurs pas à pas. Principe de fonctionnement : L induit est plongé dans le champ magnétique créé par l inducteur. Par l intermédiaire des charbons et du collecteur, un courant électrique circule dans l induit. Il se crée alors une force électromagnétique qui provoque la rotation de l induit autour de son axe. Les moteurs pas à pas sont très employés dans les périphériques informatiques (entraînement du papier dans un imprimante ou positionnement de la tête de lecture d un disque dur) et sur certaines applications de robotique. Ils permettent essentiellement d obtenir un positionnement très précis : à chaque fois que le moteur reçoit une impulsion électrique de Représentation normalisée commande, son axe effectue une rotation d un angle déterminé (de moins de 1 degré à plusieurs degrés selon le moteur). Ces moteurs sont d une très grande précision et présentent une faible usure mécanique. 2. Les moteurs asynchrones. Les moteurs asynchrones sont alimentés par une tension alternative monophasée. La fréquence de l alimentation définie la vitesse de rotation Principe de fonctionnement : Le fonctionnement des moteurs asynchrones est basé sur le phénomène d attraction/répulsion qu opèrent entre eux deux aimants. Une bobine alimentée par une tension alternative crée un champ magnétique dont le sens et l intensité dépendent du sens du courant et de son intensité. Représentation normalisée La présence de la bobine provoque un déphasage d 1/4 de période entre le courant et la tension (le courant est en retard par rapport à la tension) : le champ est maximum quand l intensité du courant est maximum (ce qui correspond à une tension nulle). CI-1 Synthèse page 11 CI-1 Synthèse page 12

7 C. TRANSMETTRE 2. Les trains simples à engrenages coniques. I. Les réducteurs à engrenages. 3. Les trains simples à axes perpendiculaires et non concourants : roue et vis sans fin. La fonction des réducteurs à engrenages est transformer certaines caractéristiques de l énergie mécanique. Le plus souvent, ils permettent de réduire la vitesse de rotation et d augmenter le couple. 1. Les trains simples à axes parallèles. Ce réducteur a la propriété d être irréversible. CI-1 Synthèse page 13 CI-1 Synthèse page 14

8 3. Les systèmes pignon-crémaillère. D. ACQUERIR 4. Les trains épicycloïdaux. Fonction : mesurer une grandeur physique (position, vitesse, orientation, pression, intensité.) et la transformer en une information exploitable par la Partie Commande (très souvent en Volt que ce soit analogique ou numérique). I. Les capteurs. 1. Les capteurs de position analogiques. Les potentiomètres II. Les transformations de mouvement. Les potentiomètres rotatifs fonctionnent sur le principe résistif. Les bornes A et B sont alimentées par une tension constante (5 à 12V). La tension entre les points A et C est proportionnelle au secteur entre le curseur et le point A. ce secteur est repéré par l angle θ sur la figure. Potentiomètre linéaire : Le principe de fonctionnement est le même que le précédent mais avec une translation du curseur au lieu d une rotation. Potentiomètre linaire de la cordeuse CI-1 Synthèse page 15 CI-1 Synthèse page 16

9 Les potentiomètres dans le labo : Potentiomètres rotatifs Stewart DAE MaxPID Mentor Potentiomètres linéaires Cordeuse Doshydro Avantages Inconvénients Les capteurs capacitifs Les capteurs capacitifs fonctionnent sur la variation de capacité d un condensateur en modifiant soit l épaisseur e, soit les surfaces en contact. Avantages Inconvénients Les capteurs inductifs Simple, signal facile à exploiter Peu cher Bonne résolution Signal bruité (frottement curseur) Usure, donc durée de vie limitée Limité en amplitude Grande sensibilité Plage de mesure faible < 1 cm Traitement du signal complexe Un enroulement parcouru par un courant électrique crée un champ magnétique. On peut canaliser les lignes de champ magnétique par un noyau interne en fer doux, constituant en fait le circuit magnétique. 2. Les capteurs de position numériques. Les codeurs incrémentaux Ces capteurs fonctionnent sur le défilement d un disque muni de fentes. En passant devant un signal lumineux, ces fentes obstruent ou laissent passer la lumière. Les impulsions reçues permettent de mesurer le déplacement et le sens de déplacement. Pour augmenter la résolution, on double le signal, ce qui augmente le nombre d impulsion. Le codeur incrémental ne mesure qu un déplacement et non une position. On peut ajouter une piste Top «Zéro» qui permet de repérer la rotation d un tour. Cette piste impose une initialisation du système avant le fonctionnement normal. De plus, il limite les mouvements à un tour, ou alors impose un détecteur de position en plus. Les capteurs LVDT (Transformateur Différentiel Variables) possèdent un bobinage inducteur, appelé primaire, et un bobinage induit, appelé secondaire. Le bobinage induit est alors double, disposé symétriquement par rapport au primaire. L inducteur est alimenté par une tension alternative sinusoïdale de haute fréquence. Le champ magnétique ainsi créé induit dans chaque circuit secondaire une tension de même fréquence, dont l amplitude est fonction de la position du noyau. La mesure du déplacement est constituée par la différence des deux tensions induites. Avantages Grande sensibilité Pas de contact direct entre solides donc pas d usure Suivant le sens de déplacement, les signaux des voies A et B sont décalés dans des sens différents. Cette différence est exploitée pour déterminer le sens de déplacement. On définit 2 variables binaires s 1 et s 2 construites à partir des variables issues des voies A et B : s1 = a. b + b. a + a. b + b. a s2 = b. a + a. b + b. a + a. b Les chronogrammes suivants représentent l évolution des variables a, b, s 1 et s 2 pour deux sens de déplacement. Plage de mesure faible Traitement du signal complexe Inconvénients CI-1 Synthèse page 17 CI-1 Synthèse page 18

10 Sens de déplacement 1 : a en avance sur b. Exemple du choix des capteurs et de leurs implantations sur le chariot Mentor. s 2 est toujours nul. Donc à la première impulsion de s 1, on peut déterminer le sens de déplacement. De plus, la mesure du nombre d impulsion de s 1, leurs fréquences donnent les informations sur la position, vitesse Choix de la position du codeur incrémental dans la chaîne de mesure. Sens de déplacement 2 : a en retard sur b. s 1 est toujours nul. Donc à la première impulsion de s 2, on peut déterminer le sens de déplacement. De plus, la mesure du nombre d impulsion de s 2, leurs fréquences donnent les informations sur la position, vitesse Mesure de la position en sortie de l actionneur : Très bonne résolution, mais le signal mesuré est sensible aux perturbations qui peuvent intervenir entre la mesure et la grandeur de sortie. En particulier, l existence de jeu dans les réducteurs peut brouiller la qualité de la mesure Les codeurs absolus Le codeur numérique absolu de position est destiné à des applications où l on souhaite obtenir l information de position sans traitement par la partie commande. Il est constitué d un disque comportant plusieurs pistes concentriques et d une tête de lecture par piste. Le nombre de pistes détermine le nombre de positions différentes qui peuvent être définies à l intérieur d un tour du disque. Les codeurs industriels comportent jusqu à 24 pistes, donc 2 24 = secteurs différents. La partie commande reçoit directement un code numérique sur n bits (n étant le nombre de pistes), image de la position du disque, cette information de position absolue (à la différence d un codeur incrémental qui ne délivre qu une information de déplacement par rapport à une origine qu il a fallu définir au préalable). Dans l exemple ci-dessus, il y a 5 pistes, donc 32 positions différentes du disque. Les pistes sont généralement codées selon le code Gray qui permet de n avoir qu une seule piste qui varie entre 2 positions consécutives. Mesure de la position en sortie du réducteur : Résolution moins bonne, mais la grandeur mesurée est celle que l on souhaite connaître. Donc pas de perte de qualité d information due aux jeux. CI-1 Synthèse page 19 CI-1 Synthèse page 20

11 3. Les détecteurs Tout ou Rien. Ces capteurs se rencontrent essentiellement dans les supports comportant de la logique combinatoire ou séquentielle (Tri d objets par exemple). Néanmoins, il est bon de savoir comment ils fonctionnent et quelle est leur fonction. Ces sont des capteurs de type tout ou rien, c est à dire qu ils n ont pas pour fonction de mesurer, mais uniquement de détecter des événements. C est pour cela qu on les trouve surtout sur les systèmes automatisés de production. Les détecteurs de contact Les détecteurs de proximité inductifs ou magnétiques Ce type de capteur peut être utilisé pour capter une vitesse de rotation au niveau d une couronne dentée. Par exemple, pour le système ABS, chaque roue du véhicule est munie d une petite roue à dents, et un détecteur inductif permet d acquérir la vitesse du véhicule. La fréquence du signal est directement liée à la fréquence du passage des dents et donc à la vitesse de rotation. Ce type de capteur est caractérisé par l'absence de liaison mécanique entre le dispositif de mesure et l'objet en déplacement. Il y en a 5 au niveau du robot ERICC, pour détecter la prise d origine de chaque codeur incrémental : Avantages Inconvénients Simples, peu chers Durée de vie courte Principe de fonctionnement : La technologie de ces détecteurs de proximité inductifs est basée sur la variation d un champ magnétique à l approche d un objet conducteur du courant électrique. Les détecteurs de proximité à lames souples On place un anneau magnétique au niveau de la tige du piston et ce champ magnétique permanent vient modifier le champ magnétique au niveau du capteur. Un tel capteur est constitué d'un boîtier à l'intérieur duquel est placé un contact électrique métallique souple sensible aux champs magnétiques. Lorsque le champ est dirigé vers la face sensible du capteur le contact se ferme. Ce type de capteur est présent dans les supports avec des vérins (Tri de pellicules). Avantages Inconvénients Pas de contact, pas d usure Pas de pièces en mouvement Durée de vie importante Isolé dans la résine, donc résistant Chers Avantages Simples, peu chers Pas de contact, peu d usure CI-1 Synthèse page 21 CI-1 Synthèse page 22

12 Les détecteurs de proximité photo-électriques Les détecteurs photoélectriques se composent essentiellement d'un émetteur de lumière (diode électroluminescente) associé à un récepteur photosensible (phototransistor). Les détecteurs photo-électriques portent aussi le nom de barrières lumineuses, ils sont de technologie électronique et délivrent une information (0 ou 1) chaque fois que le faisceau issu de la partie émettrice est interrompu par un obstacle quelconque occultant la partie réceptrice. Pour réaliser la détection d'objets dans les différentes applications, 3 systèmes de base sont proposés: 4. Les capteurs de vitesse analogiques. Les génératrices tachymétriques Il s agit d un moteur à courant continu qui fonctionne «à l envers», c est-à-dire, qu on impose la rotation en entrée en le liant généralement directement sur l arbre du moteur et il délivre une tension induite proportionnelle à la vitesse de rotation. Pour le reconnaître, il est relié à seulement deux fils. Il y en a sur la plateforme Stewart et le Bras MaxPID. Génératrice tachymétrique du MaxPID CI-1 Synthèse page 23