Projet Mécatronique S4

1 Projet Mécatronique S4 10/11/2014 Projet Mécatronique S4 «Plateau élévateur» P KADRI Wadie / LEBARON Arthur Deuxième année Mécatronique Année Universitaire 2014/2015 Université de Bretagne Sud

2 Projet Mécatronique S4 Spécification technique des besoins «STB» Projet Organisme émetteur Nom de l auteur Plateau élévateur ENSIBS- Mr BOCHARD Stéphane KADRI Wadie Mail : kadrii.wadie@gmail.com LE BARON Arthur Mail : arthur.le-baron@live.fr Date d émission 22/12/2014 Signature K.wadie LE BARON Vérification Nom Date Signature KADRI Wadie 20/12/2014 K.wadie LE BARON Arthur 20/12/2014 LE BARON Approbation Nom Date Signature KADRI Wadie 20/12/2014 K.wadie LE BARON Arthur 20/12/2014 LE BARON Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 2

3 Projet Mécatronique S4 Table de matières Table des matières I) Présentation générale de l organisme... 4 1) Missions et objectifs stratégiques de l organisme... 4 2) Organisation générale de l organisme... 4 3) Contraintes générale de l organisme... 4 II) Présentation générale du système attendu... 4 1) Présentation générale de la finalité du système.....4 2) Spécifications du plateau élévateur 5 3) Besoins et contraintes du système.7 4) Exigences relatives aux spécifications..8 5) Notice de calcul 8 5-1) Mise en données du problème.8 5-2) Description du système..9 5-3) Analyse de la solution 11 5-4) Etude du système mécanique.12 5-5) Vérification de la compatibilité avec le moteur.14 6) Propriétés du système.16 7) Notice de calcul de prix 21 III) Conclusion.22 Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 3

4 Projet Mécatronique S4 Introduction Le système à développer est un plateau élévateur asservi à base de Lego.Il sert à déplacer verticalement un nombre N de piles (N> N minimal). Dans cette partie on s intéresse à la conception, la réalisation et le test du système «robot plateau élévateur». I. Présentation générale de l organisme L organisme client «l ENSIBS», est l Ecole National Supérieur d Ingénieur de Bretagne-Sud présentée par Mr BOCHARD Stéphane. 1) Missions et objectifs stratégiques de l organisme L organisme a pour objectif de former des futurs ingénieurs polyvalents. Elle dispose d un corps enseignants bien expérimentés ainsi qu un équipement en pointe technologique. Grace à ses relations avec les entreprises elle vise à s adapter au monde technologie et industriel. 2) Organisation générale de l entreprise L'organisation est celle d'une école d ingénieur avec un président et l intervenant direct est un enseignant de la spécialité Mécatronique. 3) Contraintes générale de l organisme La contrainte générale de l organisme est essentiellement le budget limité attribué à chaque projet. II. Présentation générale du système attendu 1) Présentation générale de la finalité système Concevoir et réaliser un plateau élévateur en lego à niveau automatique capable de stoker et déplacer verticalement N pièces de dimension bien définies. Le plateau est capable également de réaliser la pesée des pièces présentes (partie électronique) Il existe deux types de charges : pièce 1 de masse comprise entre 136 et 146 g et pièce 2 de masse comprise entre 30 et 32g. Une notice de calcul validant la capacité de notre plateau élévateur à soulever le poids des pièces est demandé. Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 4

5 Projet Mécatronique S4 2) Spécifications du plateau élévateur Pièce 1 Charges a soulevé Taille : lonheur1 = largeur1 = 99 à 105mm ; hauteur1 = 9.5 à 10mm. Masse : m1 = 136 à 146g. Couleur : blanche. Pièce 2 Taille : longeur2 = largeur2 = 99 à 101mm ; hauteur2 = 2.0 à 2.2mm. Masse : m2 = 30 à 32g. Couleur : jaune. Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 5

6 Projet Mécatronique S4 Définition de la position des pièces Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 6

7 Projet Mécatronique S4 Encombrement du système attendu Longueur = 180mm (maximum 190mm) Largeur = 150 mm (maximum 155 mm) Hauteur = 120mm (maximum 130mm) 3) Besoins et contraintes du système Besoins Le plateau élévateur doit être à niveau automatique Le plateau élévateur doit être intégrable dans un convoyeur automatisé Le plateau élévateur doit stoker 0 à N pièces en attente, par empilement La hauteur H doit être ajustable par l'utilisateur Le plateau doit réaliser la pesée des pièces présentes Le plateau doit identifier la présence de pièces non conformes dans la pile Le plateau élévateur doit retrouver sa position de référence en un temps limité de 1s (Tolérance: + 1s) Le plateau doit garantir la stabilité des pièces au cours de l'élévation Référence B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 7

8 Projet Mécatronique S4 Contraintes Référence Le plateau élévateur ne contient qu'un type de pièces à la fois CO1 La face supérieure des pièces doit être toujours maintenue à une hauteur H CO2 4) Exigences relatives aux spécifications 5) Notice de calcul 5-1 / Mise en données du problème Le système doit pouvoir soulever 5 pièces de masse m1 = 146g et le plateau qui les supportes. Soit un poids à soulever de : Pmini = (5 * 146 * 10^-3 + M plateau) * g g = 9.8 m.s-2 M plateau = ρ * V ; (ρ est la masse volumique du plateau, V le volume du plateau) ρ = 994 Kg m 3 V = 120.10-3 * 120.10-3 * 16.10-3 = 2.16 * 10-4 m 3 Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 8

9 Projet Mécatronique S4 M plateau = 994 * 2.16*10-4 = 214 g Pour la suite, on arrondie à 10 N Donc Pmini = 9.25 N 5-2/ Description du système On utilise un moteur électrique de basse tension (7.2V / 9V). Le mouvement de rotation du pignon moteur est transmise ensuite à un vis sans fin par un train d engrenage (multiplicateur). Pour animer le plateau en déplacement vertical, il fallait utiliser un écrou comportant un filetage intérieur qui se déplace horizontalement. Il s agit bien d un système vis écrou. C'est donc un mécanisme de transformation de mouvement utilisant le principe de la vis et de l'écrou qui sont liés par une liaison hélicoïdale. Ensuite l écrou exerce un effort de déplacement horizontal au bout des bras du plateau qui sont en forme de ciseau. Par conséquent au cours du déplacement horizontale l angle α entre le bras et le plateau varie. Donc notre plateau se trouve dans une position verticale variable. Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 9

10 Projet Mécatronique S4 5-3/ Analyse de la solution On utilise un vis de diamètre d =10 mm et de pas 3 mm avec un filetage trapézoïdale (légo). Calcul de l angle d inclinaison du filetage : α = tan 1 ( Pas π d ) = 3.64 Réversibilité : un système vis écrou généralement irréversible, dans notre cas le déplacement de l écrou n engendre pas la rotation de la vis. Pour un angle d inclinaison a = 3.64, l angle de frottement b = 10 Condition d réversibilité : b < a < 90-b Dans notre cas a < b, le système est bien irréversible Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 10

11 Projet Mécatronique S4 Coefficient de frottement : Le frottement vaut : f = tan (b) = 0.176 L angle réel de frottement est β, avec : tan β = f 1. 07 Donc : β = 10. 66 Calcul de rendement : Le rendement de la liaison est n : n = tan α tan(α + β ) n = 0. 25 Calcul du couple : Il fallait que le couple de la résultante de la charge axial soit inférieur au couple de la vis pour déplacer l écrou. On pose Cvis est le couple de la vis et Md est le couple de la charge. Md = F Pas 2000 π n Donc : Cvis > F Pas 2000 π n 5-4/ Etude du système mécanique On isole 1 : La somme des forces extérieures appliquées à 1 est nulle. Fext 1 = 0 P + Pa + Pb = 0 P + Pa + Pb = 0 Pa = Pb = P 2 La somme des moments appliqué à A est nulle : Mext A = 0 P K 2 + Pb K = 0 => Pb = P 2 Pa = P Pb = P 2 Ensuite on isole 2 : Fext 2 = 0 Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 11

12 Projet Mécatronique S4 P 1 2 + Xe + Ye + Fc + Zc = 0 { Mext 2 } = 0 E P1 e 2 2 cos α + F c e 2 sin α Z c e cos α = 0 2 F c = P 2 cos α + Z c cos α sin α F c = (P 2 + Z c) tan α On isole 2 et 2 : Fext S = 0 P1 + P1 2 + Y D + Z D + Fc + Zc = 0 2 { Mext S } = 0 D Z C l cos α + P1 l cos α = 0 2 Z c = P1 = P 2 2 F c = (P 2 + Z c) tan α = ( P 2 + P 2 ) tan α = P tan α On obtient la force Fc maximum pour un angle a minimum. H Bras du plateau L Support Système en position basse L angle minimum (lorsque le plateau est au plus bas) vaut : tan α = H L = 11 120 = 5.23 Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 12

13 Projet Mécatronique S4 On calcul ensuite la force pour cet angle : P F c = = 109.24 N tan α On vérifie ensuite que le couple résultant est bien inférieur au couple de la vis : Fc Pas Md = 2000 π n On vérifie bien que Md < Cvis. Md = 0. 0208 N. cm 5-5/ Vérification de la compatibilité avec le moteur Le système doit pouvoir contenir un maximum de 5 palettes. Le système doit donc avoir une amplitude 50mm (cas de 5 palettes de hauteur 10mm). Longueur d'un bras (mm) L = 113 hauteur du plateau (mm) : Mini : h = 20 Maxi : H = 70 Amplitude = 50 L amplitude sur l axe Y est de 50 mm On veut calculer la distance qu aura à parcourir l écrou sur l axe x : distance entre l'écrou et le point fixe : d = 111,22 D = 88,71 Ce qui nous donne une course de : 22,51 mm Dans la suite, on arrondie à 25mm pour se garder une marge de manœuvre. L écrou doit parcourir cette distance en 1s maximum. Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 13

14 Projet Mécatronique S4 On calcule le nombre de tours nécessaire à la vis pour que l écrou parcours cette distance, avec un pas de vis de 2mm. On trouve Nb_tours_vis = 12.5 tours La vitesse de rotation de la vis doit être de 12.5 tours par secondes. On place entre la vis et le moteur un système multiplicateur de rapport 15 (système de 4 roues dentées : 40:8 * 24:8 = 5 * 3 = 15). La vitesse de rotation du moteur doit donc être de 0.83 tours par secondes, soit 50 rpm. On se réfère ensuite au caractéristiques du moteur pour valider sa compatibilité avec le système. Pour une vitesse de 50rpm et une alimentation de 7.2V, le moteur peut fournir un couple de 18.5 N.cm Le couple au niveau du moteur est 0.0208*15 = 0.312 N.cm, qui est largement inférieur au couple que peut nous fournir le moteur. Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 14

15 Projet Mécatronique S4 6) Propriétés du système Nomenclature Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 15

16 Projet Mécatronique S4 Propriétés de masse de l assemblage final Différentes vues du système plateau élévateur Vue de dessus Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 16

17 Projet Mécatronique S4 Vue de dessous Vue de derrière Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 17

18 Projet Mécatronique S4 Vue de droite Vue de face Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 18

19 Projet Mécatronique S4 7) Notice de calcul du prix Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 19

20 Projet Mécatronique S4 Conclusion Enfin on a pu concevoir et réaliser un système «plateau élévateur» qui respecte théoriquement aux exigences et aux contraintes mentionnés dans le cahier de charge du système. Cependant, la partie validation n est pas faite! Vu qu on n a pas encore récupéré nos pièces imprimées avec «Imprimante 3D». On a inséré dans notre dossier de conception une notice de calcul du système «plateau élévateur» qui explique bien les résultats obtenues ainsi qu une notice de calcul de prix. On remarque que le prix unitaire du prototype est abordable (102.1 euros). Pour abaisser le prix, on doit minimiser le volume des pièces réalisées avec l imprimante 3D, en effet le plateau par exemple coute 69.44 euros (67.5% du prix total). La notice qui explique le choix du capteur sera insérer plus tard dans notre dossier. La partie mécanique reste modifiable durant le second semestre afin de bien intégré la partie électronique dans le système conçu. Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 20

21 Projet Mécatronique S4 Projet mécatronique S4_KADRI.W_LE BARON.A Page 21