On retrouve souvent les mêmes composants dans les chaînes fonctionnelles. Il faut connaître ces composants : d’une part en tant qu’étudiant car leur connaissance est nécessaire à la préparation des concours de CPGE, d’autre part en tant qu’élève ingénieur car ces composants de bases doivent être connu de tout acteur industriel.
Cette partie ne donne qu’un aperçu général des composants. Leur fonctionnement, modélisation, calcul seront étudiés en profondeur dans les cours futurs.
1. LES ACTIONNEURS (Exigence à assurer : convertir l’énergie) Définition : un actionneur converti une
énergie d’entrée en une énergie de sortie différente de celle d’entrée.
Vous devez connaître deux actionneurs : les moteurs électriques et les vérins.
1.1. Les moteurs électriques
Ils convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique (de rotation souvent).
Moteurs électriques : asynchrone (le plus utilisé dans l’industrie), à courant continu (très utilisé dans le labo), pas à pas, synchrone.
Remarque, moteurs hydrauliques ou pneumatiques : ils convertissent de l’énergie hydraulique ou pneumatique (huile/air sous pression) en énergie mécanique de rotation. Le moteur pneumatique que vous connaissez le mieux est celui qui fait tourner la fraise de votre dentiste…
Principales caractéristiques d’un moteur électrique :
- Type de tension : continue (Moteur à courant continu) ou alternative (moteur asynchrone, synchrone)
- Tension d’alimentation en volts (12V continu, 24V continu, 230V alternatif, 400V alternatif…)
- Puissance nominale (en Watts)
- Et… bien d’autres caractéristiques encore.
Actionneur
Energie A Energie B
Perte : Energie calorifique
Perte : Energie calorifique
1.2. Les vérins
Ils convertissent de l’énergie fluidique (hydraulique/pneuma tique) en énergie mécanique de translation.
Un vérin simple effet ne produit l’effort que dans un seul sens (sortie de tige en général). Un ressort est présent pour le retour de la tige. Ce ressort n’a pas pour fonction d’exercer un effort susceptible de pousser une charge.
Le vérin double effet possède un orifice d’alimentation par chambre. Il exerce donc un effort dans les deux sens de déplacement de la tige.
L’énergie pneumatique est plus simple d’utilisation que l’énergie hydraulique, mais ne permet pas la mise en œuvre d’efforts trop élevés : 6 bars, 50000 N maxi pour l’énergie pneumatique, 500 bars, 5000000 N pour l’énergie hydraulique. Colossal n’est ce pas !
Chambre coté tige Chambre
Piston Tige
Arrivée de fluide pour sortir la tige Orifice de
sortie de tige
Orifice de rentrée de tige Arrivée de
fluide pour sortir la tige Corps
Schéma d’un vérin (double effet)
Schéma d’un vérin rotatif
Perte : Energie calorifique
Transition : inconvénient des actionneurs
Très souvent, bien que le type d’énergie fourni soit convenable, les actionneurs la délivre avec des caractéristiques inadaptées aux besoins du système : vitesse de rotation trop élevée, force ou couple trop faibles, type de mouvement inadapté. En sortie de l’actionneur, il est donc nécessaire d’adapter l’énergie fournie par l’actionneur aux besoins du système. C’est le rôle des…
Principale caractéristique d’un vérin : - Diamètre piston : en mm
- Diamètre tige : en mm
- Et… bien d’autres caractéristiques encore.
La formule caractéristique :
Force (N) = Pression (MPa) x Surface (mm²) Conversion : 1bar = 0,1 MPa (Méga Pascal)
Autre système d’unité possible (daN, bar, cm²).
Exemple : piston φ10mm, soumis à de l’air sous pression P=6 bars, tige sortante. Force ? ð Section = 78,5 mm². P=0,6 MPa
ð Force F = 0,6 x 78,5 = 47 N
Trajet de l’énergie à travers les composants d’un vérin : diagramme ibd de SysML
2. LES ADAPTATEURS D’ENERGIE – Exigence : transmettre l’énergie
Définition : un adaptateur (ou transmetteur) d’énergie modifie les caractéristiques de l’énergie qu’il reçoit. Il ne converti pas l’énergie. Les énergies d’entrée et de sortie restent identiques.
Les caractéristiques modifiées peuvent être la vitesse, la force, le couple transmis.
2.1. Système vis/écrou
Le système vis/écrou transforme un mouvement de rotation en mouvement de translation. Cette transformation est souvent irréversible, c'est-à-dire que la transformation translation→rotation est impossible.
Certains systèmes vis/écrou sont réversibles et permettent la transformation translation→rotation. Mais cela reste rare.
Un système vis/écrou est le siège de frottements élevés. Pour remédier à cet inconvénient, on utilise parfois une vis/écrou à bille. Complexité et coût… bien plus élevés aussi !
Vis écrou Vis/ écrou à bille
Détail de l’écrou avec sa circulation de billes
Principale caractéristique d’un système vis/écrou : - Le pas en mm (mm/tr, si vous préférez) La formule caractéristique :
Déplacement (mm) = pas (mm) x angle (tours) Conversion : 1 tour = 2π radians = 360°
Perte : Energie calorifique
Adaptateur
Energie A Energie A aux
caractéristiques modifiées
Perte : Energie calorifique
2.2. Les réducteurs
Les réducteurs sont basés sur l’utilisation d’engrenage(s), de poulie/courroie, ou de pignon/chaîne.
Un réducteur permet de diminuer la vitesse de rotation (ou vitesse angulaire, en tr/min ou rad/s), et d’augmenter le couple disponible (=force pour un solide en rotation ; unité : le Nm=Newton mètre). Souvenez vous de ce que vous ressentez quand vous changez les « vitesses » de votre vélo…
On profite parfois du réducteur pour changer l’axe de rotation (engrenage conique, engrenage roue/vis sans fin).
On place parfois des engrenages en série (ou cascade) pour augmenter la réduction de vitesse.
Rarement, un engrenage est utilisé pour multiplier la vitesse. On parle alors de multiplicateur.
Cas particulier.
Un engrenage particulier permet de modifier le type de mouvement : il s’agit de l’engrenage pignon/crémaillère. La rotation du pignon entraîne la translation de la crémaillère, et inversement. On ne parle pas de réducteur dans ce cas. Ce système est totalement similaire eu système pignon/chaîne de la cordeuse.
Roue qui tourne vite
Roue qui tourne lentement
Roue/vis sans fin : axes orthogonaux non coplanaire, forte réduction de vitesse, souvent irréversible
Engrenage conique : axes sécants perpendiculaires
Engrenage pignon/crémaillère
p c
Principale caractéristique d’un engrenage :
- Le rapport de réduction (sans dimension souvent inférieur à 1).
La formule caractéristique :
1 2 2
1 min)
/ ( 2
min) / ( 1
Zroue Zroue roue
roue tour
Nroue tour Nroue
r= = =
θθ (Z = nb de dents) ð Le rapport des vitesses est le rapport inverse du nbr de dents, comme vous le
remarquez donc.
ð Le rapport des angles est égal au rapport des vitesses
ð On peut utiliser le radian/seconde (rad/s). L’essentiel étant que les unités soient identiques bien sûr
Conversion : 1 tr/min = π/30 rad/s
Analogie : même formule pour une transmission poulie/courroie … mais avec le diamètre des poulies.
Perte : Energie calorifique
Transition avec la suite du cours : nous venons de voir qu’il faut adapter l’énergie fournie par l’actionneur, en aval de celui-ci.
En amont, nous savons que c’est la partie commande qui envoie les ordres vers les actionneurs. Ces ordres sont de puissance extrêmement faible par rapport à la puissance absorbée par un actionneur. Il faut donc un composant intermédiaire entre la PC et l’actionneur qui distribue l’énergie forte sous l’impulsion des ordres envoyés par la PC. Ce sont les…
Principale caractéristique d’un système pignon crémaillère ou roue/sol : - Le rayon de la roue (m)
La formule caractéristique :
Vitesse crémaillère (m/s) = rayon (m) x Vitesse de rotation pignon (rad/s) Exemple analogue : une auto avance à V=70 km/h. Diamètre roue = D = 60cm. Vitesse de rotation de la roue par rapport au châssis, Nroue ?
ð V = 70/3,6 = 19,4 m/s. Rayon roue = R = 60/2 = 30 cm = 0,3 m.
ð N = 19,4/0,3 = 64,7 rad/s = 618 tr/min Conversions :
1 tr/min = π/30 rad/s Rayon = Diamètre / 2 1 rad/s = 30/π tr/min 1 m/s = 3,6 km/h
V = 70 km/h
N (tr/min)
?
3. LES PREACTIONNEURS (Exigence technique : distribuer l’énergie)
Définition : Un préactionneur est un organe technologique dont le rôle est de distribuer l’énergie utile aux actionneurs, sous les ordres de la partie commande.
3.1. Les contacteurs (électriques !)
Les contacteurs sont utilisés pour distribuer de l’énergie électrique, donc pour alimenter les moteurs électriques. Ils sont aussi utilisés aussi en amont des éclairages industriels (une ampoule est bien un actionneur, au sens des SII, n’est ce pas…).
3.2. Les distributeurs (fluidiques !)
Les distributeurs (pneumatiques, ou hydrauliques), sont basés sur le déplacement d’un tiroir qui laisse passer le fluide vers une sortie ou une autre selon le sens.
Exigence technique assurée par le composant : distribuer, orienter, aiguiller l’énergie fluidique vers l’actionneur, sous ordres de la PC.
Ordre de la PC (courant faible)
Electroaimant excité si courant Palette attirée par
l’électroaimant Interrupteurs tirés par la
palette et fermant le circuit de puissance.
Courant fort distribué au moteur électrique
Schéma de principe d’un contacteur
? Et, au fait, où arrive l’ordre de la PC sur le distributeur ? Réponse : Le courant provenant de la PC alimente une bobine placée aux extrémités du tiroir. Quand la bobine est excitée elle déplace le tiroir. Les deux bobines se voient bien sur la photo du distributeur ci-dessus.
Schéma de principe d’un distributeur 5 orifices, 2 positions alimentant un vérin double effet : Dans la position actuelle du schéma, la tige du vérin sort. Le tiroir du distributeur est en position gauche. Regardez bien le trajet de l’air sous pression qui pousse le piston du vérin. Regardez aussi le trajet de l’air chassé de la chambre coté tige…
Déplacez mentalement le tiroir du distributeur vers la droite et visualisez ce qui se passe…
Tiroir
Orifice d’alimentation (sortie de tige)
Orifice d’alimentation (rentrée de tige) Orifice
d’échappement
Orifice de sortie (rentrée de tige) Orifice de sortie
(sortie de tige)
Vérin double effet
Distributeur 5/2
Photo d’un distributeur pneumatique 5/2 à commande électrique
4. LES CAPTEURS (Exigence : acquérir – renseigner)
La partie commande à besoin de connaître la situation de la partie opérative pour élaborer les ordres. C’est le rôle des capteurs, qui transforment une grandeur physique (issue de la PO) en grandeur mesurable (par la PC). Des capteurs sont aussi utilisés pour renseigner la PC sur l’état de l’environnement extérieur (température, humidité…).
Remarque : le type de MO d’un capteur est ………. .
Nous présenterons ci-dessous les capteurs de présence appelés détecteurs. Ils délivrent une information de type « tout ou rien ».
Mais il en existe bien d’autres que nous découvrirons pendant les deux années de CPGE : capteurs de pression (manomètre), de débit (débitmètre), de température, de position (potentiomètre linéaire ou angulaire), de vitesse angulaire (dynamo tachymétrique), de force (dynamomètre), de déformation (jauge de déformation)… Ces capteurs, contrairement aux détecteurs de présence énoncés ci-dessous délivrent une information analogique (=continue).
1.1. Détecteurs de présence de type proximité (à distance)
=> La détection de l’objet se fait sans contact avec celui-ci.
DPI = détecteur de proximité inductif. Détectent la présence d’objet métallique.
DPC = détecteur de proximité capacitif. Détectent la présence de n’importe quel type d’objet.
Les détecteurs de proximité optiques :
Détecteur optique barrage Détecteur optique réflex
Détecteur optique « proximité »
Pr. Ré.
Ba.
L’interrupteur à lame souple (ILS) :
C’est LE capteur utilisé pour détecter la position de la tige d’un vérin.
Quand le piston, incluant un aimant, passe en vis-à-vis de la lame en acier de l’ILS fixé sur le corps, la lame attirée par l’aimant, se courbe et ferme le circuit.
1.2. Détecteurs de présence mécanique
Les détecteurs mécaniques nécessitent le contact avec l’objet. Ils ont une durée de vie plus courte que les détecteurs de proximité.
Détecteur de position mécanique :
5. LES EFFECTEURS (Exigence : « agir… sur la MO »)
C’est l’organe final qui donne la valeur ajoutée à la matière d’œuvre en fin de chaîne d’action.
Il peut prendre toutes les formes possibles : mors de préhension pour une pince de robot, dossier pour un siège réglable, lames pour un sécateur, roues pour une voiture, balai frotteur en caoutchouc pour un système d’essuie glace, tige pour un vérin seul, barrière pour un système de contrôle d’entrée de parking, tambour de machine à laver, pointe pour stylo, poils du pinceau pour un pinceau…
ILS détectant la tige rentrée
ILS détectant la tige sortie Aimant placé
dans le piston
ILS (fixé sur le corps du vérin)
6. LA PARTIE COMMANDE (Exigence : « gérer ») Il s’agit du cerveau du système automatisé.
Comme le cerveau chez l’Homme, la PC élabore les ordres à envoyer à la partie opérative en fonction des informations envoyées par l’utilisateur (consignes), et la partie opérative (provenant des capteurs).
Pour les systèmes industriels complexes, la partie commande est un automate programmable industriel (API). Comme son nom l’indique, l’API est adaptable, car il est programmable : le programme (saisi pour satisfaire le besoins du système) prévoit l’état des sorties en fonctions des entrées.
Exigences techniques assurées par une partie commande : Acquérir les données
Traiter les données Commander la puissance Dialoguer avec l’opérateur
Des systèmes différents de l’API existent : carte électronique, ordinateur, montages électriques ou pneumatiques (rares maintenant).
Mais l’API reste le plus utilisé dans l’industrie.
Le bon vieux TSX 17 de Télémécanique API : TSX 37 de Télémécanique
API : FP-X de Panasonic API : Speed7 de VIPA (Siemens
technology)
Automate Programmable
Industriel
Informations provenant
de la PO (capteurs) Ordres vers
préactionneurs Information sur l’état de
l’environnement
Alimentation en énergie électrique
Consignes utilisateur
Informations vers pupitre
7. SYNTHESE : COMPOSANTS DE LA CHAINE D’ACTION
8. SYNTHESE : COMPOSANTS DE LA CHAINE D’ACQUISITION
- Fin du cours sur les composants principaux des systèmes -
Prise réseau Raccord réseau Pile, batterie Transformateur
Contacteur Relais Variateur Distributeur Régulateur
Moteur asynchrone, synchrone, CC, pas à pas
Vérin
Machine thermique
Réducteur, multiplicateur Vis/écrou
Tringlerie Bielle/manivelle Embrayage,
accouplement, limiteur de couple
Assemblage démontable Source
d’énergie
Energie élec., pneu., hydrau.
utilisables Ordres PC
Energie mécanique
Energie disponible pour l’action demandée par le cahier des cahrges
Capteurs TOR Capteurs analogiques Capteurs numériques Interface H/M
(Homme/Machine) Systèmes numériques
d’acquisition de données
Matériels :
Automates programmables Ordinateurs
Microcontrôleurs
Modules logiques programmables Circuits de commandes câblés Logiciels
Progiciels
Editeurs de modèles de commande avec générateur de code
Logiciel de développement rapide permettant la mise en œuvre de composants logiciels réutilisables sur microcontrôleurs
Commandes TOR Interfaces H/M
Liaisons mode parallèles, mode série
Réseau Ethernet Bus ‘capteur/actionneur’
