MODELISATION D`UN MECANISME

PTSI
PT
AUTOMATIQUE
Constituants des systèmes
Automatique Chapitre A
Table des matières
1 – LA CHAINE FONCTIONNELLE
1
1.1 – STRUCTURE FONCTIONNELLE.................................................................................................................... 1
1.2 – CHAINE D’ENERGIE ................................................................................................................................... 1
1.3 – CHAINE D’INFORMATION .......................................................................................................................... 2
2 – LES ACTIONNEURS
3
2.1 – LES VERINS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ....................................................................................... 3
2.2 – LES MOTEURS ........................................................................................................................................... 4
3 – LES PRE-ACTIONNEURS
6
3.1 - CONTACTEURS ET RELAIS .......................................................................................................................... 6
3.2 VARIATEURS ELECTRONIQUES ..................................................................................................................... 6
3.3 DISTRIBUTEURS HYDRAULIQUES ET PNEUMATIQUES.................................................................................... 7
4 – LES COMMANDES PROGRAMMABLES
7
5 – LES CAPTEURS
8
5.2 - DEFINITIONS .............................................................................................................................................. 8
5.3 – ERREURS CLASSIQUES ............................................................................................................................... 9
5.4 – LES PRINCIPAUX CAPTEURS ...................................................................................................................... 10
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1 – La chaine fonctionnelle
1.1 – Structure fonctionnelle
On peut distinguer au sein des systèmes pluritechniques deux chaînes, l’une agissant
sur les flux de données, appelée chaîne d’information ou partie commande, l’autre
agissant sur les flux de matières et d’énergies, appelée chaîne d’énergie ou partie
opérative.
Grandeurs physiques à acquérir
Informations
destinées à d’autres
systèmes et
interfaces H/M
Chaîne d’information
Informations issues
d’autres systèmes et
interfaces H/M
ACQUERIR
COMMUNIQUER
TRAITER
Matière d’oeuvre
ordres
Pertes
énergétiques
Energies d’entrée
ALIMENTER
DISTRIBUER
CONVERTIR
ACTION
TRANSMETTRE
Chaîne d’énergie
Matière d’œuvre
+ Valeur ajoutée
1.2 – Chaine d’énergie
La chaîne d’énergie, est constituée des fonctions génériques : Alimenter,
Distribuer, Convertir, Transmettre qui contribuent à la réalisation d’une action.
Energie électrique,
pneumatique,
hydraulique
Energie distribuée
Energie mécanique,
pneumatique,
hydraulique
Ordres
Energies
d’entrée
Alimenter
Prise réseau,
raccord réseau,
pile, batterie,
accumulateur, …
Distribuer
Préactionneur :
Contacteur, relais,
variateur,
distributeur, …
Convertir
Actionneur :
Machines
asynchrones, à
courant continu,
vérins, …
Transmettre
Energies disponibles pour l’action
demandée par le cahier des
charges
Assemblage démontable, guidage
en rotation, en translation,
accouplement, embrayage, limiteur
de couple, frein, poulies courroies,
engrenages, systèmes vis-écrou,
transformateurs plans, …
L'énergie issue de la chaîne d’information n'est pas suffisante pour être utilisable
directement par les actionneurs, le rôle du préactionneur est alors de distribuer ou
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non une énergie importante en fonction des ordres émis par la partie commande
transmis sous la forme d'une énergie de commande plus faible.
1.3 – Chaine d’information
La chaîne d’information permet :
d’acquérir des informations :
o sur l’état d’un produit ou de l’un de ses éléments (en particulier
de la chaîne d’énergie) par le biais de capteurs,
o issues d’interfaces homme/machine (consignes) ou élaborées par
d’autres chaînes d’information,
o sur un processus géré par d’autres systèmes (consultation de
bases de données, partage de ressources, ...),
de traiter ces informations pour obtenir le comportement souhaité du
système ;
de communiquer les informations générées par le système de traitement
pour réaliser l’assignation des ordres destinés à la chaîne d’énergie ou
(et) pour élaborer des messages destinés aux interfaces homme/machine
(ou à d’autres chaînes d’information).
Grandeurs physiques,
consignes
Acquérir
Capteurs TOR, Capteurs
analogiques,
Capteurs numériques,
Interfaces homme / machine,
Systèmes numériques
d’acquisition de données.
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Images informationnelles
Informations traitées
utilisables
Traiter
Matériels :
- Automates programmables ;
- Ordinateurs ;
- Microcontrôleurs ;
- Modules logiques
programmables ;
- circuits de commande
câblés, …
Logiciels :
- Ateliers logiciels,
- Éditeur de modèles de
commande avec générateur
de code, …
Ordres, messages
Communiquer
- Commandes TOR,
- Interfaces homme/machine,
- Liaisons utilisant le mode
de transmission série,
- Liaisons utilisant le mode
de transmission parallèle,
- Réseau Ethernet
- Bus capteurs/actionneurs, …
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2 – Les actionneurs
2.1 – Les vérins pneumatiques et hydrauliques
2.1.1. Le vérin linéaire
Utilisé pour obtenir un mouvement de translation d’amplitude limitée. La nature de
son énergie (pneumatique, hydraulique) dépend de la force souhaitée en sortie. On
distingue le vérin simple effet (la rentrée de tige se fait sans alimentation extérieure
par un ressort) du vérin double effet (la sortie et la rentrée de tige sont commandées).
Simple effet
Double effet
Vérins stand
Vérin télescopique
2.1.2. Le vérin rotatif
Assez rare, le vérin rotatif permet d’obtenir une rotation d’amplitude limitée. C’est
en pratique un vérin linéaire associé à un mécanisme pignon-crémaillère pour la
transformation de mouvement.
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2.2 – Les moteurs
2.2.1. Les moteurs électriques
Le moteur à courant continu extrêmement utilisé dans les systèmes automatisés car
sa commande est relativement simple :
Le moteur asynchrone alimenté en courant alternatif triphasé permet des puissances
importantes (applications : TGV, Machines outils, ascenseurs) mais la commande est
plus compliquée :
Le moteur pas à pas, de puissance faible, permet de réaliser des rotations
d’amplitude fixe (ex : ¼ de tour, 1/64 de tour …) de façon séquentielle.
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2.2.2. Les moteurs ou pompes hydrauliques ou pneumatiques
Tous ces systèmes sont réversibles (pas d’application connue du moteur à
engrenage). On peut donc fournir une énergie hydraulique pour la transformer en
énergie mécanique (c’est alors un moteur), ou inversement fournir une énergie
mécanique pour la transformer en énergie hydraulique (compresseur ou pompe).
Pompe/moteur à palettes :
Pompe à engrenage :
Ex : Outils pneumatiques, compresseurs de klaxon
Ex : Pompe à huile auto/moto
Pompe/moteur à pistons radiaux :
Pompe/moteur à pistons axiaux :
Ex : Moteur roue hydraulique d’engins de chantier
Ex : Compresseur de climatisation auto
2.2.3. Les moteurs thermiques
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3 – Les pré-actionneurs
Tous les actionneurs vus précédemment (vérins, moteurs, pompes) sont associés à un
pré-actionneur pour leur commande. Il existe donc des pré-actionneurs électriques,
pneumatiques et hydrauliques.
3.1 - Contacteurs et relais
A partir d’un signal de faible puissance alimentant la bobine, le contact est établi sur
le circuit de haute puissance. Les deux circuits électriques sont indépendants. C’est
une gestion Tout Ou Rien (TOR) de la puissance, il n’y a pas de modulation possible.
3.2 Variateurs électroniques
Le variateur permet en plus contacteur une modulation de la puissance fournie au
moteur électrique. La commande la plus classique pour un moteur à courant continue
est la commande PWM (Pulse Width Modulation) ou MLI (Modulation de Largeur
d’Impulsion) :
Tension
On définit le rapport
cyclique τ=t1/T variable
entre 0 et 1. La tension
moyenne peut donc varier
entre 0 et Umax et moduler
la vitesse de rotation du
moteur.
t1
Umax
Umoy =
τ.Umax
0
Temps
T
Rmq : la période du signal doit être largement inférieure au temps de réponse du moteur.
O
On peut également utiliser le même principe
pour commander un moteur asynchrone
(courant alternatif) en générant le signal adapté.
Modulation pour moteur asynchrone
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3.3 Distributeurs hydrauliques et pneumatiques
Distributeur piloté
Distributeur mécanique
Distributeur manuel
4 – Les commandes programmables
Assurant les fonctions de traiter l’information et d’émettre des ordres, on trouve
principalement des Automates Programmables Industriels (API) (ex : capsuleuse
INDEXA) et des PC équipés de carte d’interface E/S (ex : vérin plateforme 6 axes).
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5 – Les capteurs
Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une
grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent
électrique) appelée image de la grandeur mesurée.
Fig. 1 : Principe du capteur
Les signaux de sortie courants sont logiques (uniquement deux valeurs possibles),
analogiques (signal continu) ou numériques (ensemble fini de valeurs échantillonnées).
xa(t)
xl(t)
xn(t)
t
a) logique
t
t
b) analogique
c) numérique
5.2 - Définitions
Etendue (plage) de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.
Sensibilité ou gain : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal
d'entrée.
Exemple : L’accéléromètre du TP suspension a une sensibilité de 3.85 V.s2.m-1.
Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.
Erreur absolue (e) : Résultat d'une mesure moins la valeur vraie. Une erreur absolue
s'exprime dans l'unité de la mesure.
e=x-X
Exemple : Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance.
Erreur relative (er) : Rapport de l'erreur de mesure à la valeur vraie. Une erreur
relative s'exprime généralement en pourcentage de la grandeur mesurée.
er = e/X*100;
Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la distance
réelle).
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5.3 – Erreurs classiques
mesure
Réponse capteur
Courbe vraie
Erreur de zéro (Offset)
t
mesure
Réponse capteur
Courbe vraie
Erreur de gain
t
mesure
Courbe vraie
Réponse capteur
Erreur de linéarité
t
mesure
Courbe vraie
Réponse capteur
Phénomène d’hystérésis
t
mesure
Courbe vraie
Erreur de numérisation (résolution
insuffisante)
Réponse capteur
t
mesure
Courbe vraie
Perturbation (bruit)
t
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5.4 – Les principaux capteurs
5.4.1 – Les capteurs d’efforts
Capteurs piézo-électriques
L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques
(le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une différence de charge entre les faces
de ce matériau. La sortie est une tension.
Jauges d’extensométrie
Application au capteur d’effort
Une jauge d’extensométrie est composée de trois rosettes constituées d’un
enlacement d’un fil électrique fin. Cette jauge est collée sur une pièce et suit donc ses
déformations. L’étirement et le rétrécissement du fil provoqué par les déformations
entrainent une modification de son diamètre, et donc de sa résistivité (grandeur
image mesurée). La variation de résistance est transformée en variation de tension
par un pont de Wheatstone. C’est un capteur de déformation très utilisé pour
constituer un capteur d’effort.
5.4.2 – Les capteurs d’accélération
Un capteur d’accélération est basé sur la mesure de la force appliquée par une masse
connue sur une accélération (F = m.a). Ils peuvent mesurer l’accélération sur 1, 2 ou
3 axes. La sortie est une tension.
Capteurs piézo
m
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5.4.3 – Les capteurs de vitesse
La mesure directe de la vitesse s’effectue par le biais d’une génératrice
tachymétrique, qui délivre à ses bornes une tension proportionnelle à la vitesse de
rotation de son rotor. La sortie est une tension.
On peut également obtenir la vitesse par dérivation de la position ou par intégration
de l’accélération.
5.4.4 – Les capteurs de position
Potentiomètres linéaires ou rotatifs : un curseur se déplace sur une piste résistive. En
fonction de la position du curseur sur la piste, la résistance aux bornes du
potentiomètre varie. Le potentiomètre forme un pont diviseur de tension. La sortie
est une tension. La course de ce type de capteurs est limitée (1 tour ou 10 tours)
Le codeur incrémental : un faisceau lumineux traverse un disque alternativement
transparent et opaque. Un détecteur photo-électrique à l’opposé du disque récolte le
signal de sortie. Une deuxième piste décalée de la première permet de connaître le
sens de rotation. Ce capteur ne permet que des mesures de déplacement relatif et ne
renseigne pas sur la position absolue.
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Le codeur absolu : En multipliant le nombre de pistes, on obtient un codage
permettant d’identifier le secteur angulaire dans lequel on se trouve.
Exemple d’un codeur 12 pistes, soit 212=4096 secteurs angulaires.
5.4.5 – Les détecteurs ou capteurs fin de course
Avec contact
- Normalement Ouvert (NO) :
circuit ouvert sans contact
- Normalement Fermé (NF) :
circuit fermé sans contact
Sans contact (ou de détecteur de proximité)
Détecteurs photoélectriques :
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Capteurs capacitifs et inductifs :
Le capteur inductif détecte la variation
du champ magnétique par un objet
métallique ou un aimant à proximité.
Le capteur capacitif détecte la variation
du champ électrostatique provoqué par
un objet opaque à ce champ à proximité.
Détecteurs magnétiques ou Interrupteur à Lame Souple ( I.L.S.) :
Le passage d’un aimant à proximité d’un ILS provoque une déformation de la lame
qui établit un contact électrique.
Exemple d’application aux capteurs fin de course d’un vérin
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