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1 Documents interdits. Calculatrice autorisée. Le candidat est invité à formuler toute hypothèse qui lui semblerait nécessaire pour pouvoir répondre aux questions posées. Sauf indication, vous répondrez sur feuille de copie. Tous les résultats seront encadrés. ETUDE D’UN MANIPULATEUR AUTO-EQUILIBRE PNEUMATIQUE. Présentation générale. Contexte et marché. Les entreprises industrielles travaillent constamment à l’amélioration de la productivité et de la rentabilité. Sur des opérations de manutention, positionnement, montage, à faible cadence, l’automatisation à outrance et les cellules robotisées ne sont pas rentables… Les systèmes d’aide à la manutention sont un compromis intéressant. En effet l’employeur maintient une activité humaine (conservation d’emploi) tout en limitant la pénibilité donc en améliorant les conditions de travail, pour des coûts d’investissement modestes. Il existe différentes familles de systèmes d’aide à la manutention : Potence, Pont roulant, Bras manipulateur… C’est ce dernier type de système d’aide à la manutention que l’on se propose d’étudier. Plus particulièrement un matériel développé, fabriqué et distribué par la société SARRAZIN. Principe. La charge est suspendue en bout de bras à un système de préhension ou préhenseur. Le poids de la charge à manutentionner est équilibré par le bras, l’utilisateur accompagne la charge dans son déplacement… dans la limite des courses disponibles. Les seuls efforts à fournir sont ceux nécessaires à vaincre les frottements et les effets d’inertie. Lorsque l’utilisateur lâche la charge, elle doit rester stable en position dans l’espace. 2 Figure 1 : Exemple de bras manipulateur de bobine. Bras manipulateur étudié. Le manipulateur étudié est constitué : D’un système de préhension, défini sur mesure en fonction de la charge à manutentionner. D’un bras articulé (cinématique brevetée). D’une tête en liaison pivot d’axe vertical par rapport à la colonne support, D’un actionneur pneumatique (ou éventuellement électrique) implanté dans la tête, D’une colonne support scellée au sol pour l’installation sur pied. Il existe aussi des versions suspendues à la charpente ou lestées autostables ne nécessitant pas d’ancrage au sol. Les mobilités autorisées au niveau du bras et de la colonne permettent à l’utilisateur d’atteindre tout point de l’espace, dans la limite des courses disponibles. C’est l’action de l’utilisateur sur la charge (ou le préhenseur) qui provoque son mouvement. On parle de système d’aide à la manutention. Figure 2 : Représentation simplifiée d’un bras manipulateur. Préhenseur Bras articulé Tête Colonne support 3 Utilisation. Un cycle type d’utilisation du système d’aide à la manutention peut se décomposer de la manière suivante : Assister l’utilisateur pour le déplacement du préhenseur (suspendu en bout de bras) à vide jusqu'à proximité de la charge, Assister l’utilisateur pour le positionnement et l’orientation du préhenseur pour saisir la charge, Prendre la charge avec le préhenseur, Assister l’utilisateur pour le déplacement de la charge maintenue par le préhenseur, Assister l’utilisateur pour le positionnement et l’orientation de la charge pour la dépose, Dépose de la charge, Assister l’utilisateur pour le retour du préhenseur à vide pour le cycle suivant. Certains mouvements de prise, de dépose ou d’orientation au niveau du préhenseur peuvent être motorisés, les autres étant provoqués par l’utilisateur. Fonctionnement du bras manipulateur. Etude de la cinématique du bras articulé. La cinématique du bras manipulateur seul (sans l’articulation d’axe vertical) est donnée sur la figure 3. Elle est similaire à celle d’un pantographe. D’un coté la charge suspendue (au point H), de l’autre l’effort d’équilibrage développé par l’actionneur et appliqué au point D. Le bras est constitué de 4 classes d’équivalence ou sous ensembles fonctionnels (sans compter la tête qui est représentée ici par le bâti). A savoir : Barre FC : Bras porteur, Barre CD : Biellette arrière, Barre ED’ : Bras de reprise, Barre HE : Bras flèche. Les liaisons en C, D’, E et F sont des liaisons pivot d’axe perpendiculaire à la feuille. Ces 4 articulations forment un parallélogramme déformable. Au point B, le bras est en liaison pivot avec la tête du manipulateur (représentée ici par le bâti). Autres propriétés géométriques importantes : HFB est un triangle isocèle, Les points H, B et D restent constamment alignés quelque soit l’orientation du bras. B D C E H F Poids de la charge manutentionnée Effort développé par l’actionneur ! g M Fv D’ Tête x y Figure 3 : Schéma cinématique du bras seul 4 Auto équilibrage pneumatique. L’actionneur pneumatique est implanté dans la tête. L’extrémité de sa tige est en liaison mécanique avec le bras au point D. Alimentation pneumatique 6 bars Régulateur de pression de précision Actionneur pneumatique D 1 2 p Figure 4 : Schéma pneumatique partiel d’alimentation de l’actionneur pneumatique. L’action mécanique de la pression p établie dans le vérin équilibre la charge suspendue en bout de bras. Cette pression, dite d’équilibrage, est réglée par l’utilisateur et régulée par le régulateur de pression de précision. Si l’opérateur exerce sur la charge un effort vers le bas pour la faire descendre, la tige du vérin est tirée vers le haut par l’intermédiaire du bras. L’air emprisonné dans la chambre 1 est en légère surpression donc le régulateur évacue le surplus d’air pour maintenir la pression d’équilibre. Lorsque l’opérateur lâche la charge, elle reste en équilibre. Le principe est similaire pour faire monter la charge. Ce système permet donc d’avoir une charge stable dans l’espace et déplaçable moyennant de faibles efforts, liés à l’inertie et aux frottements. Le distributeur 2/2 est un organe de sécurité. En effet en cas de coupure d’alimentation pneumatique, la charge ne doit pas tomber sur l’utilisateur. Le distributeur 2/2 normalement fermé bloque l’air dans la chambre 1 du vérin et évite la chute brutale de la charge. Partie 1 : Etude préliminaire. Cette partie doit nous permettre de mieux comprendre le fonctionnement du bras manipulateur. 1. Identifier la fonction principale du bras manipulateur et de son préhenseur en phase d’utilisation normale. Développer cette fonction principale en sous fonctions dans un diagramme FAST comme ci-dessous : Fp1: 5 2. Tracer le graphe de liaisons du bras seul à partir du schéma cinématique proposé en figure 3. 3. Calculer le nombre de mobilité et le degré d’hyperstatisme du bras seul. 4. Proposer une évolution isostatique du schéma cinématique, tout en conservant la fonctionnalité. Commenter. 5. Exprimer le rapport des longueurs HB/BD en fonction de HF et CD. Ce rapport est indépendant de l’orientation du bras. Pour la suite il sera appelé rapport d’homothétie, il sera noté k ; en pratique 7<k<10. 6. En déduire la relation entre le poids de la charge (noté g M ) suspendue en bout de bras et l’effort développé par l’actionneur (noté v F ) pour équilibrer cette charge. On négligera les poids des barres et on supposera les liaisons parfaites. Les poids des barres constituant le bras ne sont pas négligeables. Pour compenser partiellement leurs incidences et assurer la stabilité de la charge dans l’espace quand l’opérateur la lâche, on dispose un contrepoids à l’arrière du bras porteur. Nous n’étudierons pas ces problèmes d’équilibrage. B D C E H F Zone 1 a b Gc Contrepoids Figure 5 : Schéma cinématique avec contrepoids. 7. Si le point D décrit une surface rectangulaire (zone 1 sur la figure 5), définir à l’échelle et caractériser sur le document réponse DR1 le lieu des points H. Les esquisses de construction seront soigneusement représentées. Cette partie nous a permis de mieux comprendre le fonctionnement du bras manipulateur. Pour une charge constante en bout de bras, un effort constant vertical au point D permet d’équilibrer la charge dans toutes les positions permises par la cinématique du bras… 6 Pour toute la suite de l’étude, on prendra :: Masse nominale suspendue en bout du bras : M= 60 kg, Course verticale du point H : h= 1500 mm, Rapport d’homothétie : k= HB/BD= 9 FB= 2000 mm x HB" maxi= 3500 mm Partie 2 : Choix et implantation de l’actionneur pneumatique. L’objectif de cette partie est de choisir un actionneur pneumatique exerçant l’effort d’équilibrage au point D et de définir son implantation. B D C E H F ? Tête ou bâti Barre FC Barre CD Tige vérin Corps vérin Pivot en B Pivot en C Pivot glissant ? ? Figure 6 : Schéma cinématique et graphe de liaisons incomplets. On souhaite proposer une architecture pour l’implantation du vérin pneumatique. 8. Compléter les tableaux des documents réponse DR2 et DR3. 9. La pression du réseau pneumatique étant de 6 bars, choisir un actionneur pneumatique dans la documentation jointe en annexe 1. Vous préciserez le diamètre du piston, le diamètre de tige, la course et la référence constructeur du vérin. Le schéma technologique partiel de la liaison entre le bras au point D et la tige du vérin est représenté sur le document réponse DR4. 10. Compléter le schéma technologique du document réponse DR4 en définissant : Les arrêts des roulements à billes à contact radial (les bagues intérieures et extérieures seront arrêtées). La liaison entre la tige du vérin et l’axe de l’articulation en D. uploads/Finance/ robot.pdf