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L i o n e l B i r g l e n Mécatronique C o u rs a v e c ■ jr e x e rc ic e s c

L i o n e l B i r g l e n Mécatronique C o u rs a v e c ■ jr e x e rc ic e s c o rrig e s T3 O c: r3 û v û T - H O C M (5 ) ai >- Q . O U DUNOD www.technologiepro.net Illustration de couverture : © Jim, robot android men in competition concept T 3 o c: rj Û V D t H o fM © Le pictogramme qui figure ci-contre m érite une explication. Son objet est d'alerter le lecteur sur la menace que représente pour l'avenir de l'écrit, particulièrement dans le domaine de l'édition technique et universi taire, le développement massif du photocopillage. Le Code de la propriété intellec tuelle du 1 ® '^ juillet 1992 interdit en effet expressément la photoco pie à usage collectif sans autori sation des ayants droit. Or, cette pratique s'cst gcncraiiscc dans les établissements DANGER d'enseignem ent supérieur, provoquant une baisse brutale des achats de livres et de revues, au point que la possibilité m êm e pour _____ les auteurs de créer des œ uvres nouvelles et de les faire éditer cor rectem ent est aujourd'hui m enacée. Nous rappelons donc que toute reproduction, partielle ou totale, de la présente publication est L E P H O T O C O P IL L A G E interdite sans autorisation de TUE LE LIVRE J l'auteur, de son éditeur ou du Centre français d'exploitation du droit de copie (CFC, 20, rue des Grands-Augustins, 7 5 0 0 6 Paris). © Dunod, 2016 5 me Laromiguière, 75005 Paris www.dunod.com Q . O U ISBN 978-2-10-074478-7 Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, 2° et 3° a), d'une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective » et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, « toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (art. L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constitue rait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. www.technologiepro.net A v a n t - p r o p o s I can visualize a time in the future when we will be to robots as dogs are to humans. Claude El wood Shannon, Entrevue avec Omni Magazine, p. 65, août 1987. ■ a o c Q v£3 t H o rsl >- Q . O (J Cet ouvrage propose de rassembler en un seul livre facile à utiliser toutes les notions nécessaires au développement d’une expertise de base en mécatronique. Cette disci- pline dont nous verrons la définition, ou plus exactement tenterons d’en proposer une, bien que moderne, possède des racines anciennes et sa popularité ne cesse de croître. Sa caractéristique principale est une interdisciplinarité intrinsèque qui demande un champ de compétences élargi. Pour cela, il est nécessaire de comprendre les rela- tions entre les différents éléments d’un système mécatronique pour en tirer le plein avantage. Ainsi un expert en électronique peut concevoir un circuit très complexe et V performant mais inadapté au mécanisme qu’il commande. A l’inverse, un mécanicien aura tendance à s’imaginer que toute imperfection peut être compensée par un circuit suffisamment intelligent, ce qui est clairement faux ou tout du moins extrêmement difficile (les frottements ou les jeux dans les articulations en sont de bons exemples). De fait, pour créer un système de haute performance, les aspects mécaniques, élec- troniques ainsi que la commande doivent être conçus en toute connaissance de cause concernant leur interdépendance. Ce livre est basé sur le matériel pédagogique du cours Mécatronique I que j’enseigne depuis maintenant près de dix ans à l’École polytechnique de Montréal (Canada) et www.technologiepro.net Avant-propos T3 O c = J û 'J D O rM @ gi >- C l O U a bénéficié de nombreuses relectures par les étudiant(e)s de ce cours. Je souhaite re- mercier ces étudiant(e)s pour de nombreuses heures d’échanges et d’innombrables commentaires et suggestions qui sont en grande partie réalisés ici. Cet ouvrage ne serait pas au niveau qu’il possède sans eux. La première question qu’un lecteur est en droit de se poser est la raison pour la- quelle un nouvel ouvrage dans le domaine de la mécatronique serait nécessaire et en quoi celui-ci se démarquerait des autres. Il y a plusieurs réponses à ces interroga- tions. La première et la raison principale pour laquelle j’ai décidé d’entreprendre la rédaction de ce livre est que l’offre des ouvrages en français sur la mécatronique est extrêmement pauvre, contrairement à la pléthore qui existe sur ce sujet en anglais. Il n’y a au moment de la rédaction de ces lignes qu’une poignée de livres en français sur la mécatronique. De plus, ces livres ont souvent tendance à se focaliser sur des aspects bien spécifiques comme la fiabilité ou un domaine d’application particulier comme l’automobile. Sans rien enlever à la pertinence de ces aspects, il m’a sem- blé qu’il manquait une référence générale mettant l’accent sur l’enseignement de la mécatronique au sens large. Cet ouvrage essaie de relever ce défi en proposant une démarche logique et cohérente, commençant par poser les bases de l’électronique, puis son utilisation dans les principaux éléments d’une boucle de commande méca- tronique : capteurs, actionneurs et microprocesseurs. Un effort particulier a été réalisé pour que les données présentées dans cet ouvrage reflètent des cas pratiques réalistes et idéalement des données expérimentales. J’ai malheureusement été incapable pour des raisons de temps et de moyens techniques de ne présenter que des résultats expérimentaux dans toutes les figures de l’ouvrage, comme je l’aurais voulu, mais je souhaite encourager vivement le lecteur à ne pas prendre ce qui est écrit dans ce livre comme parole sacrée et à vérifier par lui-même comment tel ou tel élément fonctionne. Comme l’écrivait Jules César il y a plus de deux mille ans : c’est l’expérience qui est le maître en tout^ Nous avons la chance d’avoir vu ces dernières années un effondrement du prix requis pour la construction des systèmes mécatroniques grâce à l’introduction à grande échelle des technologies de prototypage rapide (impression 3D), des microsystèmes électroniques (accéléro- mètres, unités de mesures inertielles, etc.) et des microcontrôleurs (par exemple tout l’écosystème Arduino). Il est maintenant à la portée de la plupart des bourses de fa- briquer un petit robot ou mécanisme asservi et il faut en profiter ! Pour finir, en plus des nombreux étudiant(e)s de l’École Polytechnique, je souhaite remercier Mme Josée Dugas pour avoir relu et corrigé une version préliminaire de ' Ut est rerum omnium magister usas, « Commentarii de Bello Civili » livre 2 paragraphe 8, approx. 40 av. J.-C. Il www.technologiepro.net ■ a O c Û « J D O tN Avant-propos cet ouvrage ainsi que M. Clément Hély pour ses judicieuses remarques notamment à propos des unités de température. Ce livre a été écrit à l’aide du logiciel de mise en page LaTeX, les figures sont pour la plupart vectorielles et ont été créées avec XFig, IPE, ou Inkscape. Les rares illustrations qui ne sont pas vectorielles (essentiellement les photographies) ont été éditées avec Gimp. Tous ces logiciels sont gratuits et fonc- tionnent sous Linux et Windows. Quelques figures 3D au chapitre 4 ont été réalisées avec Catia et la plupart des figures montrant des résultats numériques ont été obte- nues avec Matlab qui sont eux des logiciels commerciaux. Le lecteur est invité à consulter les pages web suivantes : h ttp : //www.m e ca tro n iq u e -livre . corn/ h ttp : //www. dunod. com/contenus-complementaires/978210Q728503 pour des compléments d’informations, des mises à jour, des liens supplémentaires ainsi qu’un errata de cet ouvrage. ai >- Q. O U Lionel Birglen, Saigon, 20 juillet 2015 1 1 1 www.technologiepro.net тз о с :з Û ю т Н о гм 0 1 >- Q . О и www.technologiepro.net P r é s e n t a t i o n d e l’a u t e u r ■ a O c û V £ 3 t H O r\ l (5 ) >• Q . O U Lionel Birglen a obtenu un diplôme d’ingénieur en mécatro- nique de l’École nationale supérieure des arts et industries de Strasbourg (France) en 2000 (promotion triple zéro, les pro- fesseurs n’ont jamais manqué de le rappeler...), devenu Insti- tut national des sciences appliquées de Strasbourg en 2003. Il a ensuite obtenu une maîtrise en sciences à l’université Laval (Canada) puis un doctorat en robotique dans la même univer- sité en 2004 après un passage accéléré entre ces deux pro- grammes. Après une année de postdoctorat, toujours à l’université Laval, il a été engagé comme professeur adjoint en 2005 par l’École polytechnique de Montréal où il fonde uploads/Litterature/ mecatronique-cours-avec-exercices-corriges-dunod-2016.pdf