TP - S2I PSI - PSI* Centre d’intérêt N° 1 : Modéliser et ...psistarcanard.free.fr/tp/portail/portail-CI1-psi.pdf · cinématique, degré de mobilité et degré de d’hyperstatisme

TP - S2I PSI - PSI*Centre d’intérêt N° 1 : Modéliser et vérifier les performances cinématiques des chaînes fermées de solides

TP « Portail 1»Ouvre portail BFT

0. Objectifs du TP

Documents à disposition- le dossier d’étude (disponible ci-après) comprend les activités à mener pendant la durée de cette

séance de travaux pratiques

- le dossier ressource comprend l’ensemble des données disponibles sur les éléments (moteurs, capteurs, etc.) de tout ou partie des chaînes fonctionnelles présentes sur ce système

- le dossier technique comprend des données utiles pour les mesures via le logiciel et les interfaces électroniques associées au TP

Présentation de l’activité Secteur d’activité du matériel étudié dans ce TP : domotique, sécurisation d’une enceinte

Support : Portail automatique

Thème : analyse fonctionnelle, modélisation cinématique.

Références au programme : analyse fonctionnelle, structure du système, analyse géométrique et analyse cinématique, degré de mobilité et degré de d’hyperstatisme d'un mécanisme.

Le triptyque proposé ci-après montre les trois domaines d’étude d’un système. Le système étudié correspond à un système complet en situation d’usage, en ce sens qu’il ne s’agit pas uniquement d’un sous-système extrait de

Lycée Saint-Louis -1§- 44, Bd St-Michel PARIS VI


son environnement. Seul l’environnement, pour notre activité le laboratoire, en temps normal une enceinte à l’extérieure, est différent.

Les objectifs des activités proposées ci-après sont :

• De valider le modèle proposé

• De valider les performances du modèle proposé par rapport à celles du système réel

• De valider les performances du système du laboratoire par rapport à celles du système réel.

1. Présentation du système (45 minutes maximum)

1.1. Évocation du problème (le besoin)

Le diagramme des prestations ci-dessous (parfois appelé « bête à cornes ») permet de décrire le besoin de l’ouvre portail dans un contexte bien précis :


DOMAINEINDUSTRIEL

DOMAINE DULABORATOIRE

DOMAINE DELA SIMULATION

ModéliserValider

Adapter

Valider

Modéliser

Valider

OBJECTIF CLIENT

Valider Valider

Performances mesurées sur les matériels instrumentés du laboratoire

Performances estimées par simulation ou par calcul

VantauxUne enceinte à séparer

Ouvre portail ABB

Séparer automatiquement, en un temps réduit, une enceinte

TP - S2I PSI - PSI*Centre d’intérêt N° 1 : Modéliser et vérifier les performances cinématiques des chaînes fermées de solides1.2. Présentation de l'objet technique réel en situation d’usage.Les divers ouvres portail (portes coulissantes, portes battantes, portes de garage sectionnelles, etc..) sont des

systèmes très présents dans la vie courante.

Prendre connaissance du fichier résumé sur les outils de l’analyse fonctionnelle et sur la structure des chaînes fonctionnelles

• Fichier Outils de l’analyse fonctionnelle.pps disponible sur le réseau, dans le répertoire commun, SII

ACTIVITÉ 1Analyse fonctionnelle externe

• Préciser le diagramme des inter acteurs relatif à ce système dans son environne-ment.

1.3. Présentation du matériel instrumenté, support de l’étude.

Le matériel est constitué d’un système réel, d’une maquette de portail (à l’echelle ½), d’un ensemble de cap-teurs installés à des fins pédagogiques et d’une carte spécifique Domoticc.

L’implantation du moteur et des bras est réglable, et l’on peut reconstituer une configuration »portail ouvrant en tirant » ou « portail ouvrant en poussant ». Une équerre permet de déporter l’accrochage du bras de poussée sur le vantail pour obtenir des propriétés géométriques particulières. La partie commande est la carte authen-tique du système réel.

La rotation du grand vantail peut être freinée par un dispositif à friction. Des masses additionnelles permettent de faire varier l’inertie du grand vantail.Lycée Saint-Louis -3§- 44, Bd St-Michel PARIS VI

On se propose ici d’étudier un ouvre portail commercialisé par la société BFT.


Pour répondre aux normes de sécurité très rigoureuses (il faut en effet que le vantail, en se fermant, ne puisse pas écraser un enfant, ait un mouvement le plus régulier possible, etc.), la transmission de puissance, pour les phases d’ouverture et de fermeture de chacun des vantaux, est réalisée par un motoréducteur suivi d’un limi-teur de couple.

Préactionneurélectrique

Moteurélectrique

Réducteur1 / 1296

Limiteurde couple Bras 3 Bras 4 Vantail 2

Dans le cas de la présence d’un obstacle non détecté par la cellule photoélectrique (qui normalement arrête le fonctionnement du système), il y a glissement dans le limiteur de couple installé entre la sortie du réduc-teur et le bras (3) au delà d’un certain seuil d’effort résistant.

ACTIVITÉ 2 Préciser les contraintes imposées par l’environnement réel par rapport au

laboratoire. Quelle(s) est(sont) la(les) solution(s) technologiques permettant de recréer les

conditions extérieures Conclure quant à la cohérence et aux limites de la « réduction » réel

instrumenté.

ACTIVITÉ 3

Analyse fonctionnelle interne

• Mettre en place le diagramme SADT de niveau A-0 du système « ouvre portail seul » en précisant la frontière d’isolement: on précisera particulièrement les contrôles, partie supérieure du bloc.

• Que deviendrait cette analyse si on englobait dans la frontière d’isolement les deux vantaux séparant l’enceinte ? Conclusion

Le fonctionnement de la commande de ce système peut-être analysé par le schéma FAST ci-après.


Ordre de mise en route (ouverture ou fermeture) du vantail

Rotation du vantail jusqu’auxbutées de limitation du mouvement


Extrait du Cahier des Charges Fonctionnel de l’ouvre portail BFT en situation réel.

Fonctions Critères Niveaux

Déplacer les vantaux Précision angulaire 1°Temps d’ouverture / fermeture 15 s

1.4. Observation du matériel instrumenté en fonctionnement.Mise en route

• La centrale est hors tension• Le micro ordinateur est hors tension• Amener les vantaux en position fermeture à la main.• Contrôler la position des potentiomètres sur les repères rouges.• Vérifier les bascules du boîtier de commande.• Vérifier que l’arrêt d’urgence ne soit pas enclenché.• Vérifier la position du moteur et des articulations bras/vantail (index

rouges) :160 mm pour le support moteur , 520 mm pour le bras articulé/vantail.• Vérifier qu’aucun obstacle ne soit entre l’émetteur et le récepteur de la cellule photo-électrique.• Vérifier que l’écrou à encoches permettant le réglage du frein d’axe de vantail soit desserré.• Mettre en service la centrale de commande (interrupteur rouge sur face avant et bouton poussoir vert «

en service » sur face avant.

Fonctionnement en commande directe manuelle.

• Actionner par impulsion le bouton poussoir « en service ».• Continuer la manipulation en appuyant sur le bouton « démarrage » pour réaliser un cycle de fonctionne-

ment complet

Utilisation de l’instrumentation.

Lancer le programme « PORTAIL » puis cliquer sur l’onglet « tensions » : les quatre fenêtres graphiques des capteurs présents sur la maquette (l’image de la grandeur mesurée est en tension)


Bascules Etat

TCA Hors

IBL Hors

FCH Hors


ACTIVITÉ 4

Situer sur la maquette ces quatre capteurs

1.5. Synthèse : analyse fonctionnelle

ACTIVITÉ 5

• Grâce aux documents fournis (SADT A0 par exemple), identifier les différents éléments mis en évidence par le document de présentation des chaînes fonctionnelles (tous ces éléments peuvent ne pas exister sur ce système) pour la chaîne fonctionnelle étudiée.

• Le document sur les chaînes d’énergie, d’action et d’information (normalisé) permet de décomposer de manière complète la structure l’asservissement : compléter ce document.

2. Modélisation (15 minutes maximum)

2.1. Éxpérimentation

Cliquer sur l’onglet « angles et couples ».

On retrouve les quatre fenêtres correspondant aux quatre capteurs avec des unités adaptées

Réaliser deux mesures : Une avec la position des articulations bras/vantail (index rouges) sur 520 mm pour le bras articulé/van-

tail. Une autre avec la position des articulations bras/vantail (index rouges) sur 340 mm pour le bras articu-

lé/vantail.

Protocole de manipulation• Cliquer sur le bouton « acquisition » et simultanément appuyer sur le bouton démarrage.• ATTENTION : les courbes n’apparaissent qu’après les mesures• Pour réaliser la seconde mesure appuyer sur bouton « fin » puis relancer une acquisition.

ACTIVITÉ 6

Observer les deux courbes « angle vantail », commenter pour chacune des mesures et conclure quant au critère d’ouverture / fermeture.

2.2. Identification

Modélisation et paramétrage

ACTIVITÉ 7 Effectuer un graphe de liaisons du mécanisme par observation et manipulation du

matériel. Les différents éléments peuvent être nommés : bâti (1) ; vantail (2) ; bras (3) et (4) (ne pas hésiter à démonter les pièces).

A partir de l’esquisse suivante, établir le schéma cinématique plan du système.



2

B

O

A

C

Y1

1

X4 X1

X2

X3

Mettre en place des paramètres angulaires pour positionner la base B2 par rapport à la base B1 (θ21), la base B3 par rapport à la base B1 (θ31), la base B4 par rapport à la base B3 (θ43) et la base B4 par rapport à la base B2 (θ42) (faire des figures planes en dehors du schéma cinématique).

Identifier le paramètre d’entrée et le paramètre de sortie du système.Loi entrée-sortie

On pose : 11 Y a - X b OA = ; 2243 Y d + X c = OCX = CBY = AB

Avec a = 100 mm, c = 20 mm et = 280 mm. b et d sont réglables.

ACTIVITÉ 8

Effectuer les fermetures linéaire et angulaire et déterminer les trois équations scalaires. La recherche de la loi liant le paramètre d’entrée au paramètre de sortie par l’intermédiaire des différentes constantes caractéristiques du mécanisme est ici assez complexe à faire « à la main », on se propose donc de faire une étude plus empirique grâce au logiciel Mécaplan pour mettre en évidence l’influence du point d’an-crage du bras sur le vantail sur la fermeture du portail.

Pour la suite, on vous propose un modèle cinématique sous forme de schéma cinématique.

3. ValidationLa vérification du modèle consiste à effectuer une simulation à l’aide du logiciel Mecaplan Wips, puis à effectuer des essais sur le système réel ; la comparaison des résultats permettra de voir si la modélisation est correcte d’un point de vue cinématique (loi entrée – sortie).

3.1. Comparaisons

Étude des performances du modèle à l’aide d’une simulation

Copier l’intégralité du dossier « Portail Mécaplan cinématique » que vous trouverez dans le dossier

« Commun\ressources\SII\TP\TP Portail \fichiers PSI» et collez-le dans votre dossier «Mes documents ».Lycée Saint-Louis -7§- 44, Bd St-Michel PARIS VI


- Ouvrir le fichier « Portail.wgf ».

- Lancer une simulation par « résultats ; mouvement ; simuler ».

ACTIVITÉ 9

En utilisant le fichier fourni où le système est dessiné pour trois valeurs de la longueur d (240, 340 et 440 millimètres), tracer la courbe « angle vantail » en fonction du temps.(menus « résultats » puis « courbes », dans la fenêtre qui vient de s’ouvrir, choisir position relative puis cliquer sur l’onglet sélection pour ensuite cliquer directement sur la liaison concernée.)

Étude des performances sur le système du laboratoire

ACTIVITÉ 10

Pour réaliser cette étude, on placera le système dans les 3 configurations citées ci-avant. Tracer pour ces 3 essais la courbe « angle vantail ».

3.2. Conclusions

Comparaison réel / modèle

Si les relevés expérimentaux correspondent à ceux obtenus en simulation, c’est que le modèle choisi est correct. Sinon, il faut revenir sur les hypothèses qui ont été faites pour établir un nouveau modèle.

ACTIVITÉ 11

Comparer les résultats obtenus en simulation avec ceux obtenus sur le système réel et conclure. Recherche d’une position optimale

La mise en oeuvre du système pose le problème du déphasage en fin de fermeture de la position angulaire

relative des deux vantaux. On souhaite que ce déphasage soit suffisant afin que le grand vantail passe avant le

portillon : ainsi, la languette située sur le petit vantail (et permettant de maintenir le grand vantail fermé) ne

gênera pas la fermeture.

Ce problème peut être très facilement résolu lorsque l'unité de commande permet de créer un retard à la

fermeture pour le deuxième portail. Cependant, certaines armoires ne permettent pas ce retard, ce qui peut

poser problème.

On souhaite ici que le décalage angulaire entre les deux vantaux au moment de l’arrivée en butée du grand

vantail soit de 5° avec les deux moteurs démarrant au même moment. On se propose de le faire en changeant la

position « d » du bras de poussée du grand vantail.

Utilisation de Mécaplan pour observer l'évolution de l'influence de d, longueur d’implantation de la bielle de

poussée

Afin d'éviter trop de manipulations et de tâtonnement,

on se propose de trouver une solution approchée grâce

au logiciel Mécaplan.

Lycée Saint-Louis -8§- 44, Bd St-Michel PARIS VIPilier fixe

θ : Angle déterminé par Mécaplan


ACTIVITÉ 12- En utilisant le fichier fourni où le système est dessiné pour trois valeurs de la longueur d

(240, 340 et 440 millimètres), préciser l'évolution du décalage entre les deux vantaux

en fonction de d.

- Déterminer, par analyse des courbes des positions

angulaires des vantaux (numérotés 4, 7, 10 et 13 sur

Mécaplan, le bâti étant numéroté 1), les angles finaux θf

atteints par le petit-vantail dans les trois cas lorsque le

grand vantail atteint la position fermée (rotation de

90°).

- Placer les trois points dans un graphique comprenant en

abscisse la longueur d et en ordonnée l’angle final f.

Tracer une courbe plausible passant par ces trois points.

Conclusion.

Il est possible de rechercher l’équation d’une courbe du 2e degré (parabole) passant par ces trois points. On va,

dans une première approximation assimiler cette variation à une variation linéaire.

ACTIVITÉ 13- Déterminer l’équation de la droite . θf (d) = α.d + β passant par les deux points

précédemment déterminés : A[240, θf(240)] et B[440, θf(440)]

- En déduire la valeur de d permettant un décalage angulaire de 5° entre les deux

vantaux (c’est à dire permettant d’obtenir que le petit vantail soit en retard de 5°

lorsque le grand est fermé

Concernant la lecture de la position, il faut faire attention : si on lit sur la règle 300 mm, il ne faut pas oublier

de retirer 100 mm comme indiqué sur l'étiquette : la longueur réelle sera donc de 200 mm.

ACTIVITÉ 14- Tester le résultat en changeant la position du bras et en le plaçant à la valeur de d

(ajoutez 100 mm) que vous avez déterminée. Arrêter le système au moment où le


longueur d

angle θf

325 500

Courbe réelle plausible

Linéarisation proposéeAB


grand vantail se trouve en position fermée et mesurer approximativement le

déphasage. Conclusion sur cette méthode.
