PING PONG CI1

Sciences industrielles pour l’ingénieur
Lycée Saint-Louis, classes de PSI
SYSTÈME DE CONDITIONNEMENT
DE BALLES DE PING-PONG
CENTRE D’INTÉRÊT CI1
DOSSIER D’ÉTUDE
Activités proposées – Système « Ping-Pong » – CI1
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CONTEXTE D’UTILISATION DE CE SYSTÈME
Les systèmes de conditionnement (remplissage, bouchage) sont des systèmes très présents dans
l’industrie : balles, yaourts, eaux minérales, peintures, médicaments…
On se propose ici d’étudier un tel système, appliqué au conditionnement de balles de ping-pong.
Présentation de l’activité
Secteur d’activité du matériel étudié dans ce TP : transfert, remplissage et bouchage
Support : maquette d’un module de remplissage et bouchage automatique de tubes de balles de
ping-pong
Thème : analyse fonctionnelle, modélisation, analyses des performances
Références au programme : analyse fonctionnelle, structure de la commande d’axe, modélisation du comportement au voisinage d’un point de fonctionnement, linéarité et analyse des performances (stabilité, précision..)
Activités proposées – Système « Ping-Pong » – CI1
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PREMIÈRE PARTIE
Observation et analyse du système
Prendre connaissance des documents fournis dans le dossier technique (sur le réseau,
dans le dossier RESSOURCES\SII\Travaux Pratiques\TP Ping-Pong)
• 1 : « Cahier des Charges Fonctionnel partiel du système de conditionnement de balles de pingpong ».
• 2 : « F.A.S.T. du système de conditionnement de balles de ping-pong ».
• 3 : « Descriptif du boîtier de commande ».
Prendre connaissance du document fourni dans le dossier ressources (sur le réseau, dans
le dossier RESSOURCES\SII\Travaux Pratiques\TP Ping-Pong)
• 1 : « Mise en service ».
Prendre connaissance du fichier résumé sur les outils de l’analyse fonctionnelle et sur la
structure des chaines fonctionnelles
• Fichier Outils de l’analyse fonctionnelle.pps disponible sur le réseau, dans le dossier ressource (RESSOURCES\SII\Travaux Pratiques\Outils de l'analyse fonctionnelle)
Activité 1
Mise en route du système
Appliquer les procédures pour initialiser le système et faire fonctionner le système dans les deux
modes de fonctionnement possibles (« Auto » et « Pas à pas », ce dernier étant parfois capricieux :
ne pas insister si jamais le cycle se bloque).
Préciser les types d’énergies présentes dans ce système ; repérer les connexions associées.
Analyse fonctionnelle externe
Préciser le besoin et la fonction assurée globalement par ce système (diagramme des prestations,
aussi connu sous le nom de « bête à corne »).
Analyse fonctionnelle interne
Mettre en place le diagramme SADT de niveau A-0 de ce système : on précisera particulièrement les
contrôles, partie supérieure du bloc.
Il est demandé de passer moins de 15 min. sur les deux activités suivantes et
de passer à la suite même si elles ne sont pas totalement terminées : il faut
consacrer au moins 1 h 15 min. à la suite de cette séance de travaux pratiques.
Activité 2
Décrire globalement l’organisation des différentes tâches du système assurant la fonction FS1
« Remplir un tube de conditionnement de trois balles de ping-pong et mettre un bouchon » : pour
cela, on prendra les quatre tâches suivantes, à coordonner par un Grafcet de fonctionnement du
point de vue « système » :
T1 : déposer ou enlever un tube du plateau tournant
T2 : remplir un tube de trois balles
T3 : boucher un tube
T4 : faire pivoter le plateau d’un tiers de tour
Attention, les trois tâches T1, T2 et T3 sont simultanées alors que la tâche T4 ne peut se faire que
toute seule : il s’agit d’une zone partagée.
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Activité 3
Proposer une décomposition SADT de niveau A0 du système de conditionnement de balles de pingpong incluant quatre blocs associés aux taches précédentes : on précisera particulièrement les liens
qui existent entre les différents blocs.
DEUXIÈME PARTIE
Analyse et modélisation cinématique de la structure mécanique du module de bouchage
Objectif : l’objectif de cette partie est de comprendre et d’analyser les choix technologiques qui ont
été effectués pour le module de bouchage et qui permettent de réaliser la fonction technique FTMB1.
La conception de la partie « pantographe » de ce module de bouchage est basée sur la contrainte
suivante : créer successivement un mouvement de pivotement puis un mouvement de translation
par l’utilisation d’un seul actionneur, ici un vérin pneumatique à double effet.
Le schéma ci-après précise le fonctionnement de ce système :
• à la fin de la phase N° 1, l’axe du vérin de montée / descente est vertical.
• à la fin de la phase N° 2, l’axe du vérin de montée / descente est au dessus du tube à boucher.
Une troisième phase, correspondant à un mouvement d’aller / retour de la tige du vérin de montée /
descente, permettra le bouchage du tube rempli de balles.
B
A
C
Phase N° 2
décalage horizontal
Phase N° 1
basculement
On ne s’intéresse dans un premier temps qu’au guidage en translation assuré par le vérin de positionnement.
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Zone étudiée (ne pas tenir compte de la tige du vérin)
Activité 4
Décrire la structure du guidage du mouvement de translation horizontale au niveau de la zone entourée (la tige du vérin de positionnement ne sera pas prise en compte pour cette étude : on ne
garde que les autres éléments de guidage) et en proposer une modélisation
Déterminer la liaison cinématiquement équivalente réalisée par la mise en parallèle de ces guidages.
Pourquoi a-t-on choisi cette structure de guidage ?
Le degré d’hyperstaticité h d’une modélisation cinématique correspond au nombre de contraintes géométriques de montage de la solution technologique associée.
On calcule cette grandeur par la formule suivante : h = 6.γ + m – NC où :
- m = mu + mi est la « mobilité » du modèle cinématique défini comme la somme de mu la « mobilité utile » correspondant au nombre de lois Entrée / Sortie géométriquement indépendantes et
de mi la « mobilité interne » correspondant aux mouvements possibles quand les paramètres
d’entrée et de sortie ne varient plus
- NC = Σnci est le nombre d’inconnues cinématiques associées au modèle choisi (on voit parfois IC
au lieu de NC pour cette grandeur)
- γ = NL – NP + 1 (avec NL le nombre de liaison et NP le nombre de pièces – y compris le bâti –
composant le modèle cinématique) est le « nombre cyclomatique », correspondant au nombre de
chaînes indépendantes où une fermeture cinématique pourra être écrite
Activité 5
Déterminer le degré d’hyperstaticité de cette modélisation cinématique et valider les contraintes
géométriques de montage associées.
Le double déplacement (rotation puis translation) doit se faire à cadence optimale mais sans éjecter
le bouchon qui est retenu par le système d’aspiration à Venturi ; ceci passe par un bon réglage de la
pression d’aspiration mais aussi par un bon guidage en translation de la tige du vérin de translation
On propose de justifier le choix d’un vérin à tige guidée pour assurer la totalité de la fonction
FTMB1. On va ainsi déterminer les efforts dans la glissière de guidage.
Une modélisation sur MécaPlan Wips (documentation disponible dans le dossier ressource si nécessaire) est fournie dans le dossier ressource associé au TP.
Copier le répertoire « TP PSI CI1 » dans votre répertoire de travail, lancer le logiciel puis sélectionner le fichier ‘phase 1’ ou ‘phase 2’ (situés dans deux répertoires associés) selon la phase étudiée
(une étude globale n’est malheureusement pas possible avec ce logiciel).
Activité 6
Tracer, grâce au logiciel, l’évolution de l’effort dans la glissière de guidage du vérin de positionnement dans les deux phases. À quel moment l’effort est-il le plus important ?
Justifier alors la conception adoptée pour le guidage de la tige du vérin (analyser en particulier le
choix du positionnement des deux tiges de guidage au dessus et au dessous de la tige du vérin).
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TROISIÈME PARTIE
Justification de la structure mécanique globale
On s’intéresse maintenant à l’ensemble complet constitué :
- du vérin de montée / descente
- du vérin de positionnement
- du système mécanique pantographe situé au dessus du vérin de positionnement et permettant le décalage angulaire du vérin de montée / descente
Activité 7
À partir de l’observation des surfaces en contact, proposer (en le justifiant) une modélisation tridimensionnelle de cet ensemble cinématique appelé « pantographe ».
Proposer une modélisation bidimensionnelle de ce même ensemble cinématique en justifiant de la
cohérence de cette « dégradation » de modèle.
Activité 8
Déterminer, par la méthode de votre choix, la mobilité globale de cette modélisation dans les cas
des modélisations bidimensionnelle et tridimensionnelle. Conclure quant au fonctionnement de ce
système.
Activité 9
Analyser et justifier le fonctionnement du système ressorts enlevés (attention, il n’est pas utile
d’enlever les ressorts : si vous souhaitez cependant vérifier vos hypothèses en manipulant le système sans les ressorts, appelez votre professeur qui se chargera de les enlever avec un outil adéquat). Que se passerait-il si on avait mis au contraire des ressorts de trop grande raideur ?
On voit donc qu’on a affaire à un système à deux actionneurs :
- un actionneur commandé, le vérin de décalage
- un actionneur « virtuel », les ressorts dont la détermination d’une raideur particulière est nécessaire pour éviter tout décalage
Cette structure particulière permet :
- une grande fiabilité (un seul actionneur commandé, ce qui implique un seul pré-actionneur)
- un prix assez raisonnable
mais aussi :
- un grand manque de rigidité
- une lenteur intrinsèque (le vérin doit, en plus de déplacer le bouchon, contrecarrer l’effort dû
au ressort)
deux contraintes qui peuvent poser problème dans un environnement de production industrielle.
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