République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de KHEMIS MILIANA Faculté des Sciences et de la Technologie Département de la Technologie Mémoire du Projet de Fin d’Etudes Pour l’obtention de diplôme Master En « Automatique des systèmes et production » Option : « Génie électrique » Titre : Conception et Réalisation d'un Bras Manipulateur Commandé par API Réalisé par : Encadré par : Ait Dahmane Kahina Dr. Abdelfettah Hocine Ait Ziane Meziane Année Universitaire 2014/2015 DEDICACE J'adresse mes remerciements avec un grand respect et gratitude à mes chers parents que je prie de trouver ici l’expression de ma reconnaissance et de mes sentiments les plus affectueux en espérant vous satisfaire avec une réussite permanente. Ainsi qu’à mes sœurs et mon frère. A mes neveux Aghiles, ilyes et Belaid, Koceila et djalil, Amine et Ibrahim, Iselam et yaniss, Et à mes nièces Ines et Riane, Lina et Yassmine, Nour et Latifa, Manele et Maroua à ma poupée Serine, je leurs souhaite toute la réussite dans leurs vies. sans oublier mes cousines adorées Yasmmine,Feth ezhar et Donia. Ainsi qu’à tous mes collègues de la spécialité « Automatique des Systèmes et Production » et à mes copines que j’adore Zineb et Niaama, Imane, Fatima et Meriem. A tous mes profs du primaire, CEM et du lycée et bien sur à notre docteur de l'université sur tout à notre encadreur monsieur « Abdelfettah Hocine » et à tous ceux qui nous ont aidé de prés ou de loin pour la réalisation de ce travail. A mon binôme Meziane ainsi qu’à sa famille, la famille Ait Ziane. Ainsi qu’à tous ceux qui me connaissent ; qui m’ont aidé et qui sont toujours présents à mes côtés, avec qui j’ai partagé le bon et le mauvais, Ait Dahmane Kahina 1 DEDICACE Je dédie ce mémoire à : Mes parents : Ma mère, qui a œuvré pour ma réussite, de par son amour, son soutien, tous les sacrifices consentis et ses précieux conseils, pour toute son assistance et sa présence dans ma vie, reçois à travers ce travail aussi modeste soit-il, l'expression de mes sentiments et de mon éternelle gratitude. Mon père, qui peut être fier et trouver ici le résultat de longues années de sacrifices et de privations pour m'aider à avancer dans la vie. Puisse Dieu faire en sorte que ce travail porte son fruit ; Merci pour les valeurs nobles, l'éducation et le soutient permanent venu de toi. Mon frère et ma sœur Hamza et Meriem : qui n'ont cessé d'être pour moi des exemples de persévérance, de courage et de générosité. Mon promoteur Mr Hocine Abdelffetah qui m’a encouragé et pour sa confiance que je n’oublierai jamais. Mes grandes mères et toute ma famille. Ma binôme Kahina et sa famille à qui je souhaite bonne chance dans la vie et un chemin plein de réussite. A Samir et son petit fils Mahrez “ath yahrez rebi“. A tous mes amis. Ait Ziane Meziane 2 REMECIMENT Tout d’abord, nous tenons à remercier DIEU le miséricordieux de nous avoir donné la possibilité de réaliser notre projet, d’arriver à notre souhait et d’atteindre notre objectif. Nous aimerions dans ces quelques lignes remercier toutes les personnes qui d’une manière ou d’une autre, ont contribué au bon déroulement de notre travail, tout au niveau humain qu’au niveau scientifique. Nous tenons tout d’abord à remercier notre encadreur « Abdelfettah Hocine » qui nous a permis de bénéficier à la fois de ses compétences scientifiques et de sa grande disponibilité, tant pour résoudre les difficultés rencontrées lors de la réalisation de notre projet ou pour répandre à nos questions. Nous le remercions aussi pour sa patience et ses encouragement ce qui nous a permis de travailler dans de bonnes conditions. Grand remerciement à tous les ingénieurs du laboratoire de génie électrique. Nos remerciements s’adressent également à tous les membres de Jury qui ont accepté de nous honorer de leur présence et de juger notre travail Merci. Et à toute personne ayant contribué de près ou de loin à notre soutien moral. 3 Sommaire Introduction générale.............................................................................................................10 Chapitre I Généralités sur les robots industriels I.1. I.2. Introduction.................................................................................................................12 Définition générale......................................................................................................12 I.2.1. Le robot industriel..............................................................................................12 I.2.2. La robotique.......................................................................................................12 I.3. L'histoire de la robotique industrielle..........................................................................13 I.4. Types de robots............................................................................................................14 I.4.1. Robots mobiles...................................................................................................14 I.4.2. Robot manipulateur............................................................................................15 I.5. Les éléments constitutifs d'un robot............................................................................15 I.5.1. Unité opérationnelle...........................................................................................16 I.5.2. Unité informationnelle.......................................................................................16 I.6. Structure mécanique articulée.....................................................................................16 I.6.1. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique simple.............................17 I.6.2. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique fermée.............................17 I.7. Architecture des robots................................................................................................18 I.8. Classification des robots..............................................................................................20 I.8.1. Classification fonctionnelle................................................................................20 I.8.1.1. Manipulateur à commande manuelle …………………........................21 I.8.1.2. Manipulateur automatique …………………....................................... 21 I.8.1.3. Robots programmables..........................................................................22 I.8.1.4. Robots intelligents.................................................................................22 I.8.2. Classification géométrique.................................................................................23 I.9. Domaines d'applications..............................................................................................25 I.10. Conclusion.................................................................................................................. 26 4 Chapitre II Système de commande et de traitement de l'information II.1. Introduction.................................................................................................................27 II.2. Définition d'un automate programmable.....................................................................27 II.3. Structure fonctionnelle de l'automate..........................................................................27 II.3.1. Interface d'entrée.............................................................................................28 II.3.2. L'unité centrale................................................................................................28 II.3.3. Interface de sortie............................................................................................28 II.3.4. Communication et dialogue............................................................................28 II.4. Types d'automates.......................................................................................................29 II.4.1. Automate Monobloc.......................................................................................29 II.4.2. Automate Modulaire.......................................................................................29 II.5. Plate forme d'automatisme MODICON M340…………............................................30 II.5.1. Modules processeur.........................................................................................31 II.5.2. Modules alimentation......................................................................................32 II.5.3. Modules d'entrées/ sorties "Tout ou Rien"......................................................34 II.6. Interface Homme/ Machine.........................................................................................36 II.7. Programmation et Supervision....................................................................................37 II.7.1. Logiciel Unity Pro...........................................................................................37 II.7.1.1. Présentation.......................................................................................37 II.7.1.2. Les cinq langages IEC.......................................................................37 II.7.2. Vijeo Designer................................................................................................38 II.7.2.1. Présentation.......................................................................................38 II.7.2.2. Communications..........................................................................................39 II.7.3. supervision....................................................................................................39 II.8. Conclusion...................................................................................................................40 Chapitre III Actionneurs en robotique III.1. Introduction.................................................................................................................41 III.2. Généralités sur les moteurs pas à pas..........................................................................41 III.2.1. Structure d'un actionneur pas à pas...............................................................41 III.2.2. Principe de fonctionnement d'un moteur pas à pas.......................................42 III.2.3. Principaux types de moteurs pas à pas..........................................................44 III.2.3.1. Moteur pas à pas à reluctance variables............................................44 III.2.3.2. Moteur pas à pas à aiment permanent...............................................44 III.2.3.3. Moteurs pas à pas hybride.................................................................44 III.2.3.4. La comparaison entre les différentes types de moteurs pas à pas….45 III.2.4. Modes d'alimentation d'un moteur pas à pas.................................................45 III.2.5. Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas.......................................46 III.3. Etude de la carte de commande d'un moteur pas à pas bipolaire................................47 III.3.1. Les circuits de commande des moteur pas à pas...........................................47 5 III.3.1.1. Le circuit intégré L297......................................................................47 III.3.1.2. Le circuit intégré L298N...................................................................48 III.3.1.3. NE555................................................................................................50 III.3.2. Génération du signal Clock...........................................................................52 III.3.3. Schéma Structurel global de la carte de commande......................................53 III.3.4. Réalisation et application de la carte de commande......................................53 III.3.4.1. Le Typon...........................................................................................53 III.3.4.2. Soudage............................................................................................ 54 III.4. Généralités sur les moteurs à courant continu.............................................................56 III.4.1. Définition d'un moteur à courant continu.....................................................56 III.4.2. Les constituants d'un moteur à courant continu............................................56 III.4.2.1. Circuit inducteur (Stator)...................................................................56 III.4.2.2. Circuit induit (Rotor).........................................................................57 III.4.3. Principe de fonctionnement des moteurs à courant continu.........................58 III.4.4. Avantages et inconvénients des moteurs à courant continu..........................59 III.5. Etude de la carte de commande d'un moteur à courant continu..................................60 III.5.1. Schéma Structurel global de la carte de commande......................................60 III.5.2. Principe de fonctionnement...........................................................................61 III.5.3. Réalisation et application de la carte de commande......................................62 III.5.3.1. Le Typon...........................................................................................62 III.5.3.2. Soudage.............................................................................................62 III.6. Conclusion...................................................................................................................63 Chapitre IV Conception du bras manipulateur IV.1. Introduction.................................................................................................................64 IV.2. Partie mécanique du bras manipulateur......................................................................64 IV.2.1. La structure mécanique du bras manipulateur..............................................64 IV.2.2. Dimensions du bras manipulateur.................................................................66 IV.2.3. Les différentes vues du bras manipulateur....................................................68 IV.2.4. Système d'actionneur du bras........................................................................69 IV.2.5. Transmission entre articulation: engrenage..................................................69 IV.3. Partie commande du bras manipulateur......................................................................70 IV.3.1. Raccordements avec l'automate....................................................................71 IV.3.2. Commande par API.......................................................................................72 IV.3.3. Communication entre l’automate et l’IHM et PC :.......................................72 IV.3.4. Mouvements du bras...................................................................................75 IV.3.4.1. Mouvement du bras manipulateur en fonction du temps..................76 IV.4. Conclusion...................................................................................................................77 Conclusion générale..............................................................................................................78 Références bibliographies Annexe 6 Liste des figures Chapitre I Généralités sur les robots industriels Figure I.1: Robotique industrielle (unimate, puma).............................................................13 Figure I.2: Spirit, NASA,2003 sur Mars..............................................................................15 Figure I.3: Robot fanuc........................................................................................................15 Figure I.4: Structure fonctionnelle d’un robot.....................................................................16 Figure I.5: Structure sériel....................................................................................................17 Figure I.6: Structure fermée.................................................................................................18 Figure I.7: Architecture d’un robot......................................................................................18 Figure I.8: Représentation d’une articulation rotoïde..........................................................19 Figure I.9: Représentation d’une articulation prismatique...................................................19 Figure I.10: Manipulateurs à commande manuelle..............................................................21 Figure I.11: Manipulateur à cycle préréglé..........................................................................21 Figure I.12: Robot programmable........................................................................................22 Figure I.13: Robot intelligent...............................................................................................23 Figure I.14: Robot cartésien.................................................................................................23 Figure I.15: Robot cylindrique.............................................................................................24 Figure I.16: Robot sphérique................................................................................................24 Figure I.17: Robot SCARA..................................................................................................25 Figure I.18: Robot 3R..........................................................................................................25 Chapitre II Système de commande et de traitement de l'information Figure II.1: Structure d’un système de traitement...............................................................28 Figure II.2: Automate monobloc TSX Nano.......................................................................29 Figure II.3: API modulaire...................................................................................................30 Figure II.4: MODICON M340.............................................................................................30 Figure II.5:a) BMX P34 2020..............................................................................................31 Figure II.5:b) BMX P34 20102/20302................................................................................31 Figure II.6: BMX CPS 2000 2000 / 3500...........................................................................33 Figure II.7: Module à raccordement par bornier débrochable 20 contacts..........................35 Figure II.8: Face avant de magelis GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430....................36 Figure II.9: Et en face arrière MAGELIS GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430.........36 Figure II.10: Connectez plusieurs automates à un écran de contrôle.................................38 Figure II.11: La communication entre l’IHM et l’automate................................................39 Chapitre III Actionneurs en robotique Figure III.1: Structure d’un Moteur pas à pas......................................................................41 Figure III.2: Position1 des bobines......................................................................................42 Figure III.3: Position 2 des bobines.....................................................................................42 Figure III.4: Position 3 des bobines.....................................................................................42 Figure III.5: Position 4 des bobines.....................................................................................43 7 Figure III.6: Principe de fonctionnement du moteur pas à pas............................................43 Figure III.7: Le circuit L297................................................................................................47 Figure III.8: Brochage et structure interne du circuit L297.................................................48 Figure III.9: Brochage et structure interne du circuit L298.................................................49 Figure III.10: Le circuit intégré NE555...............................................................................50 Figure III.11: Le schéma bloc simplifié du NE555.............................................................50 Figure III.12: Diagramme schématique du NE555 en configuration monostable .............51 Figure III.13: Diagramme schématique du NE555 en configuration astable......................52 Figure III.14: Circuit électrique qui généré le signal carré..................................................52 Figure III.15: Schéma Structurel global de la carte de commande......................................53 Figure III.16: La carte coté Pistes........................................................................................54 Figure III.17: La carte coté composants..............................................................................55 Figure III.18: Moteur à courant continu..............................................................................56 Figure III.19: Constituant d’un moteur à courant continu...................................................57 Figure III.20: Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu.........................58 Figure III.21: Description de la machine à courant continu................................................59 Figure III.22: Schéma Structurel global de la carte de commande......................................60 Figure III.23: La carte coté Pistes........................................................................................62 Figure III.24: La carte coté composants..............................................................................63 Chapitre IV Conception du bras manipulateur Figure VI.1: Schéma de notre bras manipulateur.................................................................65 Figure VI.2: Photo réel de notre bras manipulateur.............................................................65 Figure VI.3: Coupe transversale du bras..............................................................................66 Figure VI.4: Coupe transversale de l’avant bras..................................................................67 Figure VI.5: La base.............................................................................................................67 Figure VI.6: Vue de face du bas manipulateur ...................................................................68 Figure VI.7: Vue d'arrière du bras........................................................................................68 Figure VI.8: Vue du dessus du bras.....................................................................................69 Figure VI.9: La transmission entre articulation...................................................................70 Figure VI.10: Raccordements de module de sortie TOR DRA 0805..................................71 Figure VI.11: Raccordements de module de sortie avec la carte de commande du moteur pas à pas........................................................................................................72 Figure VI.12: Configuration adresse IP de l'automate.........................................................73 Figure VI.13: Configuration adresse IP de l'IHM................................................................73 Figure VI.14: Câblages d'automate avec les cartes de commande et l'IHM........................74 Figure VI.15: Ecran magelis programmer...........................................................................74 Figure VI.16: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................75 Figure VI.17: Le bras à 45°.................................................................................................75 Figure VI.18: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................75 Figure VI.19: L'avant bras bouge en bas à 45°..................................................................75 Figure VI.20: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................75 Figure VI.21: Rotation de la base à 180°.............................................................................75 Figure VI.22: Le bras et l'avant bras en 153°.......................................................................76 Figure VI.23: Le bras à 108°................................................................................................76 Figure VI.24: Le bras dans sa postposition initiale.............................................................76 Figure VI.25: Déplacement du bras manipulateur (degré) en fonction du temps................76 8 Liste des tableaux Tableau III.1.Comparaison des performances pour les trois types de moteurs pas à pas....45 Tableau III.2. Différents modes d'excitation.......................................................................45 Tableau III.3. Les avantages et les inconvénients des moteur pas à pas.............................46 Tableau IV.1. Valeurs des caractéristiques physiques des matériaux..................................66 9 INTRODUCTION GENERALE Introduction Générale Aujourd’hui, il existe plusieurs types de robots conçus pour des tâches bien spécifiques. Dans ce travail de mémoire, nous nous sommes intéressés aux robots manipulateurs pour des applications en robotique industrielle. Utilisés dans l’industrie depuis maintenant plusieurs dizaines d’années, les robots industriels actuellement en service sont des robots de type manipulateur. Ils sont bien implantés dans les procédés de fabrication modernes et sont employés pour augmenter le volume de production et améliorer la qualité du produit. Dans les chaînes de montages de l’industrie automobile, ils remplacent les ouvriers dans les tâches pénibles, répétitives ou dangereuses (peinture, soudure…). Le bras manipulateur est un système de positionnement ou les forces agissant au niveau des articulations sont produites par des actionneurs. Ces derniers peuvent être de types électrique, hydraulique ou pneumatique. Dans notre mémoire nous nous intéressons particulièrement au cas des moteurs à courant continu et moteurs pas à pas. L’objectif principal de notre travail est de concevoir et réaliser et commander un bras manipulateur à 3 degrés de liberté commandé par un Automate Programmable Industriel. Ce dernier a pour fonction de traiter les informations entrantes pour émettre des ordres de sorties en fonction d’un programme. C’est un automate programmable à usage industriel destiné à commander les systèmes en temps réel. Pour aboutir à cette fin, nous avons organisé notre travail en quatre chapitres : - Introduction - Chapitre 1 : “généralités sur les robots industriels“ : Ce chapitre donne un aperçu sur les robots. Nous définissons le robot industriel et la robotique et nous donnons un bref historique sur la robotique industrielle et les différents types de robots. Ce premier chapitre analyse aussi les différents constituants d’un robot manipulateur qui est l’objet de notre étude et explique ce qu’une structure mécanique articulée (SMA). - Chapitre 2 : “système de commande et de traitement de l’information“. Nous donnons dans ce chapitre une présentation d’un Automate Programmable Industrie (API) et d’une plate forme d’automatisme MODICON M340 qui sont utilisés dans 10 INTRODUCTION GENERALE notre projet. Ce chapitre traite aussi l’Interface Homme/ Machine (IHM) type MAGELIS (écran tactile) ainsi que le logiciel commun de programmation (Logiciel Unity Pro) et le logiciel de configuration pour les IHM Magelis (Vejio Designer). - Chapitre 3 :“ actionneurs en robotique“ : Ce chapitre aborde les actionneurs pas à pas et les moteurs à courant continu. On cite leurs principes de fonctionnement ainsi que les avantages et les inconvénients de chaque moteur. Ce troisième chapitre montre la démarche qu’on a suivi pour réalisée des carte de commande pour nos actionneurs et ceci à l’aide des circuits intégrés. - Chapitre 4 : “conception et commande d’un bras manipulateur“ : Pour ce chapitre qui est une partie pratique, on présente la structure mécanique de notre bras manipulateur (structure à 3 articulations rotoïde), le système d’actionneur du bras ainsi que le système de transmission entre articulation. La commande par API utilisée pour notre bras manipulateur est expliquée ainsi que le raccordement des cartes des moteurs avec l’automate en utilisant l’automate Schneider M340 avec le module de sortie TOR DRA 0805 et la communication entre l’IHM et l’automate. 11 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Chapitre I Généralités sur les robots industriels I.1. Introduction L’utilisation des systèmes robotiques apparait aujourd’hui dans plusieurs domaines d’activités : la médecine, la défense, la recherche scientifique etc.… Les robots sont utilisés de manière privilégiée pour des missions où les objectifs sont quantifiables et clairement définis. Ils sont destinés à faciliter les tâches pour l’homme et à amplifier le rendement. Dans ce premier chapitre, on va donner un aperçu non exhaustive sur les robots, un bref historique sur l'évolution de la robotique industrielle et présenter les différents types de robots et les éléments constitutifs de ces derniers. I.2. Définition générale I.2.1. Le robot industriel Le terme robot a été introduit pour la première fois par l’auteur Tchèque Capek en 1920 dans sa pièce de théâtre R.U.R. (Rossum’s Universal Robot) et il est dérivé du mot robota qui signifie travailleur (de force). [1] Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et informatique) accomplissant automatiquement des tâches diverses. C’est une machine intelligente fonctionnelle qui nécessite une autonomie de mouvements. L’Organisation Internationale de Normalisation définit le robot comme étant un manipulateur à plusieurs degrés de liberté, à commande automatique, reprogrammable, multiapplications, mobile ou non, destiné à être utilisé dans les applications d’automatisation industrielle. [2] I.2.2. La robotique La robotique est une science qui s’intéresse aux robots. En fait, il s’agit d’un ensemble de disciplines techniques (mécanique, électronique, automatique, informatique) articulées autour d’un objectif et d’un objet communs. Cet objectif est l’automatisation flexible de nombreux secteurs de l’activité humaine réputés jusqu’à très récemment comme ne pouvant 12 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS se passer de la présence de l’homme, et l’objet est le robot, sorte de machine universelle dont l’homme rêve depuis toujours pour le remplacer dans les tâches difficiles. I.3. L'histoire de la robotique industrielle La robotique industrielle a connu un essore entre 1950-1970. Elle a vu le jour en 1954 lorsque Georges DEVOL a pu réaliser son brevet sur la robotique. Dans ce brevet Devol a conçu un robot qu’il a intitulé Unimate. En 1961, le premier Unimate fut utilisé dans les usines de GENERAL MOTORS. En 1966 , l’entreprise Unimation continue de développer des robots et élaborent notamment des robots permettant de faire d’autres tâches, comme des robots de manipulation matérielle ou encore des robots conçus pour la soudure ou pour d’autres applications de ce genre. En 1978 un nouveau robot est conçu par Unimation Inc avec l’aide de General Motors. Ensemble ils conçurent le robot PUMA 500. Le robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) a été conçu par Vic Schienman et fut financé par General Motors et par The Massachussets Institute of Technology au milieu des années 70. Le système de ce robot est composé d’un bras manipulateur permettant d’assembler des composants industriels et de son ordinateur de commande. Ce robot est le robot d’assemblage le plus rependu dans l’industrie des années 70. Figure I.1. Robotique industrielle (unimate, puma) 13 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS En 1985, Reymond Clavel a imaginé le Robot Delta qui possède un bras de manipulation formé de 3 parallélogrammes. Son brevet tombe dans le domaine public en 2007 et différents constructeurs devraient alors sortir leur propre robot delta. Le Jet Propulsion Laboratory (JPL) développe un robot industriel hexapode (à 6 pattes) du nom de Lemur. Lemur aura pour mission de monter, assembler et réparer des installations spatiales. Pesant moins de 5 kg, il offre la possibilité innovante d’adapter différents outils sur chacun de ses membres. Selon l’étude robotique de la Fédération Internationale de Robotique (IFR) en 2012, il y a au moins 1 153 000 robots industriels opérationnels fin 2011 dans le monde. Avec l’apparition de la robotique industrielle, les robots étaient conçus pour remplacer les ouvriers dans les tâches pénibles, répétitives ou dangereuses (peinture, soudure…). Aujourd’hui avec le développement de l’électronique, de l’informatique, de la mécanique et aussi de l’automatique, la technologie robotique a progressé. La recherche dans le domaine de la robotique est dirigée vers le développement de robots dévoués à des tâches bien différentes que celles demandées par l’industrie. Par exemple des robots travaillant en mode automatique ou semi-automatique et qui ont souvent pour objectif d’interagir avec des humains et de les aider dans leurs tâches (surveillance, manutention d’objets lourds…). Ils sont dotés d’une intelligence qui leur donne une certaine autonomie. Ainsi donc, le développement important de l’intelligence artificielle et de la robotique font que de nouveaux robots apparaissent constamment et l’utilisation de systèmes robotiques apparait aujourd’hui dans plusieurs domaines d’activité : la médecine, la défense, la recherche etc.… I.4. Types de robots Il existe deux types de robots : robots mobiles et robots manipulateurs. I.4.1. Robots mobiles Ce sont des robots capables de se déplacer dans un environnement comme le montre la figure I.2. Ils sont équipés ou non de manipulateurs suivant leur utilisation, (les robots explorateurs, les robots de services….). 14 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Figure I.2: Spirit, NASA,2003 sur Mars I.4.2. Robots manipulateurs Des robots ancrés physiquement à leur place de travail et généralement mis en place pour réaliser une tâche précise répétitive, (tels que les robots industriels, médicaux….). Figure I.3: Robot fanuc I.5. Les éléments constitutifs d'un robot Dans un robot en fonctionnement, on peut distinguer plusieurs ensembles interactifs (figure I.4). 15 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Figure I.4. Structure fonctionnelle d’un robot. I.5.1. Unité opérationnelle Exerce les actions commandées en empruntant la puissance nécessaire à la source d’énergie. Cette partie, qui constitue le robot physique, intègre la structure mécanique (segments, articulations, architecture,…), les modules d’énergie (amplificateurs, variateurs, servovalves....), les convertisseurs d’énergie (moteurs, vérins….), les chaines cinématiques de transmission mécanique ( réducteurs, vis à billes, courroies crantées ….), les capteurs de proprioceptifs placés sur chaque axe pour mesurer en permanence leur position et leur vitesse, et enfin l’effecteur, ou organe terminal, qui est en interaction avec l’environnement .[3] I.5.2. Unité informationnelle Reçoit les instructions décrivant la tâche à accomplir, les mesures relatives à l’état interne de la structure mécanique qui constitue le bras manipulateur et les observations concernant son environnement. Elle élabore en conséquence les commandes de ses différentes articulations en vue de l’exécution de ses tâches. Les systèmes actuels fonctionnent en interaction permanente selon le cycle information-décision-action. [4] I.6. Structure mécanique articulée Un robot manipulateur est constitué généralement par deux sous-ensembles distincts : un organe terminal qui est le dispositif destiné à manipuler des objets, et une structure mécanique articulée (SMA), constituée d’un ensemble de solides reliés entre eux, 16 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS généralement les uns à la suite des autres où chaque solide est mobile par rapport au précédent. Cette mobilité s’exprime en termes de degrés de liberté (d.d.l) qui est par définition le nombre de mouvements indépendants possibles d’un solide par rapport au solide qui lui est directement relié . Une structure mécanique articulée peut être représentée par une architecture composée de plusieurs chaînes de corps rigides assemblés par des liaisons appelées articulations. Les chaînes peuvent être dites soit ouvertes ou en série dans les quelles tous les corps ont au plus deux liaisons, ou bien arborescentes où au moins l’un des corps a plus de deux liaisons. Les chaînes peuvent aussi être fermées dans les quelles l’organe terminal est relié à la base du mécanisme par l’intermédiaire de plusieurs chaînes. [3] I.6.1. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique simple C’est une chaîne cinématique dont chaque membre possède un degré de connexion (nombre de liaisons mécaniques) inférieur ou égal à deux. Un robot sériel est formé d’une chaîne cinématique simple dont la base et l’organe effecteur possèdent un degré de connexion de un (c’est-à-dire qu’il n’est relié qu’à un seul corps) et les autres éléments un degré de connexion de deux. Figure I.5. Structure sériel. I.6.2. Structure mécanique articulée à chaîne cinématique fermée C’est une chaîne cinématique qu’il existe un retour mécanique d’un ou plusieurs segments à un autre dans la chaine. 17 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Figure I.6. Structure fermée. I.7. Architecture des robots Figure I.7. Architecture d’un robot. La base : La base du manipulateur est fixée sur le lieu du travail. Ceci est le cas de la quasi- totalité des robots industriels. Le porteur : Le porteur représente l’essentiel du système mécanique articulé (segment, articulation, actionneur, l’organe terminal), il a pour rôle d’amener l’organe terminal dans une situation donnée imposée par la tâche. Il est constitué de : Segment : corps solides rigides susceptibles d’être en mouvement par rapport à la base du porteur, et les uns par rapport aux autres, 18 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Articulation : Une articulation lie deux corps successifs en limitant le nombre de degré de liberté, de l'un par rapport à l'autre. Articulation rotoïde : Il s'agit d'une articulation de type pivot, notée R, réduisant le mouvement entre deux corps à une rotation autour d'un axe commun. La situation relative entre les deux corps est donnée par l'angle autour de cet axe (Voir la figure ci-dessus) Figure I.8. Représentation d’une articulation rotoïde. Articulation prismatique : Il s'agit d'une articulation de type glissière, notée P, réduisant le mouvement entre deux corps à une translation le long d'un axe commun. La situation relative entre les deux corps est mesurée par la distance le long de cet axe (voir la figure si dessus). Figure I.9. Représentation d’une articulation prismatique. L’actionneur : Pour être animé, la structure mécanique articulée comporte des moteurs le plus souvent associés à des transmissions (courroies crantées), l'ensemble constitue les actionneurs. Les actionneurs utilisent fréquemment des moteurs électriques à aimant 19 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS permanent, à courant continu, à commande par l’induit. On trouve de plus en plus de moteurs à commutation électronique (sans balais), ou, pour de petits robots, des moteurs pas à pas. Pour les robots devant manipuler de très lourdes charges (par exemple, une pelle mécanique), les actionneurs sont le plus souvent hydrauliques, agissant en translation (vérin hydraulique) ou en rotation (moteur hydraulique). (Les actionneurs pneumatiques sont d'un usage général pour les manipulateurs à cycles (robots tout ou rien). Un manipulateur à cycles est une structure mécanique articulée avec un nombre limité de degrés de liberté permettant une succession de mouvements contrôlés uniquement par des capteurs de fin de course réglables manuellement à la course désirée (asservissement en position difficile dû à la compressibilité de l'air). [3] L’organe terminal : On regroupe tout dispositif destiné à manipuler des objets (dispositifs de serrage, dispositifs magnétiques, à dépression, …), ou à les transformer (outils, torche de soudage, pistolet de peinture, …). En d'autres termes, il s'agit d'une interface permettant au robot d'interagir avec son environnement. Un organe terminal peut être multifonctionnel, au sens où il peut être équipé de plusieurs dispositifs ayant des fonctionnalités différentes. Il peut aussi être monofonctionnel, mais interchangeable. Un robot, enfin, peut-être multi-bras, chacun des bras portant un organe terminal différent. On utilisera indifféremment le terme organe terminal, préhenseur, outil ou effecteur pour nommer le dispositif d'interaction fixé à l'extrémité mobile de la structure mécanique, exemple : pistolet pour la soudure dans les robots industriels. [3] I.8. Classification des robots On peut classer les robots d’un point de vue fonctionnel ou d’après leur structure géométrique. I.8.1. Classification fonctionnelle Le nombre de classe et les distinctions entre celles-ci varient de pays à pays (6 classes au Japon, 4 en France). L’A.F.R.I. distingue 4 classes illustrées ci-dessous : 20 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS I.8.1.1. Manipulateur à commande manuelle : La Figure I.10 représente les manipulateurs à commande manuelle : Figure I.10. Manipulateur à commande manuelle I.8.1.2. Manipulateur automatique La figure montre un bras manipulateur qui exerce des mouvements de soudure sans l’intervention de l’homme. Figure I.11. Manipulateur à cycle préréglé 21 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS I.8.1.3. Robots programmables . Ils répètent les mouvements qu’on leur a appris ou programmés sans informations sur l’environnement ou la tâche effectuée. On peut aussi faire la distinction entre robots « playback » qui reproduisent la tâche apprise et robots à commande numérique qui peuvent être programmés hors-ligne. Pour certains robots, par exemple les robots de peinture, qui doivent suivre une trajectoire complexe qu’il est difficile d’exprimer mathématiquement, un opérateur humain spécialiste de la tâche effectue la trajectoire en guidant le bras du robot à l’aide d’un « pantin », et l’entièreté de la trajectoire est mémorisée par le robot et la figure I.12 représente les robots programmables. [4] Figure I.12: Robot programmable I.8.1.4. Robots intelligents On trouve actuellement des robots de seconde génération qui sont capables d’acquérir et d’utiliser certaines informations sur leur environnement (systèmes de vision, détecteurs de proximité, capteurs d’efforts,...) comme le montre la Figure I.13. Les robots de troisième génération sont capables de comprendre un langage oral proche du langage naturel et de se débrouiller de façon autonome dans un environnement complexe grâce à l’utilisation de l’intelligence artificielle. [4] 22 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Figure I.13. Robot intelligent I.8.2. Classification géométrique On peut aussi classer les robots suivant leur configuration géométrique, autrement dit l’architecture de leur porteur. La structure cartésienne (PPP) : C’est une structure à trois liaisons prismatiques et est la plus ancienne. Historiquement, elle découle logiquement de la conception traditionnelle d’une machine-outil à trois axes, type rectifieuse ou fraiseuse par exemple. Cette structure est relativement peu utilisée sauf dans quelques applications particulières telles que robots pratiques, robots de magasinage.[3] Figure I.14. Robot cartésien 23 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS La structure cylindrique (RPP) ou (PRP) : Cette structure associe une rotation et deux translations. Elle présente l’inconvénient d’offrir un volume de travail faible devant un encombrement total important. Elle n’est pratiquement plus utilisée. [3] Figure I.15. Robot cylindrique La structure sphérique ou polaire C’est une structure quasiment abandonnée pour des raisons similaires à l’abandon de la structure cylindrique. Figure I.16. Robot sphérique La structure dite SCARA : A axes de rotation parallèles, elle est l’une des plus utilisées en particulier pour des tâches de manutention ou d’assemblages très fréquents dans l’industrie. Ce succès commercial est lié au fait que le ratio entre le volume de travail et l’encombrement est très favorable et aussi au fait que la structure SCARA est très adaptée à ce type de tâches. [3] 24 CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Figure I. 17. Robot SCARA La structure 3R (anthropomorphe) : Elle permet d’amener un solide en un point de l’espace par trois rotations, généralement une à axe vertical et deux à axes horizontaux et parallèles. C’est le porteur « généraliste par excellence pouvant se programmer facilement pour différents types de tâches et disposant d’un volume de travail conséquent. [3] Figure I.18. Robot 3R I.9. Domaines d'applications Les robots industriels peuvent être utilisés dans plusieurs domaines et peuvent accomplir différentes tâches. - Tâches simples La grande majorité des robots est utilisée pour des tâches simples et répétitives. Ils sont programmés une fois pour toute au cours de la procédure d'apprentissage. Les critères de choix de la solution robotique sont: 25 La tâche est assez simple pour être robotisée. Les critères de qualité sur la tâche sont importants. Pénibilités de la tâche (peinture, charge lourde, environnement hostile, ...). CHAPITRE I GENERALITES SUR LES ROBOTS INDUSTRIELS Exemples de robots utilisés pour des tâches simples : robots soudeurs par points et robots soudeurs à l'arc. - Tâches complexes Exemples : Robotique de service : - Robot pompiste - Robot de construction - Robot Computer motion - Robot Assistance aux personnes Handicapées I.10. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons donner une idée générale sur la robotique, l’historique des robots, leurs structures, leurs utilisations et les différents types de robots ainsi que leurs classifications et leurs domaines d'applications et cela va nous servir pour la construction de notre bras manipulateur qui va respecter les classifications et les définitions donner dans ce chapitre . 26 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION Chapitre II Système de commande et de traitement de l'information II.1. Introduction Tout système automatisé est composé d’une installation (machine) et d’une partie commande constituée par l’appareillage d’automatisme. Cette dernière partie synthétise les consignes des asservissements pilotant les actionneurs à partir de la fonction de perception et des ordres de l'utilisateur. Elle est assurée par des constituants répondant à quatre fonctions de base : l’acquisition des données, le traitement des données, la commande de puissance et le dialogue homme machine. Dans ce chapitre nous allons présenter l'Automate Programmable Industrie (API) MODICON M340, qui est utilisé dans notre projet puis on va présenter les Interfaces Homme Machine (IHM) type MAGELIS (écran tactile) ainsi que leurs logiciels de programmations. II.2. Définition d'un automate programmable D'après la norme DIN 19237, un automate programmable est un « appareil électronique programmable par un utilisateur automaticien (non informaticien) et destiné à piloter en environnement logiques séquentiels ou combinatoires." On les appelle aussi "Programmable Logic Controller P.L.C." ou "Programmable Controller PC". On appelle Automate Programmable Industriel ou API un automate programmable à usage industriel. De nos jours les termes "automate programmable" et "automate programmable industriel" désignent le même appareil par abus de langage. [5]. II.3. Structure fonctionnelle de l'automate L’automate programmable industriel est un appareil qui traite les informations selon un programme préétabli. Son fonctionnement est basé sur l’emploi d’un microprocesseur et de mémoires. (Voir figure II.1) 27 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION Figure II.1: structure d’un système de traitement II.3.1. Interface d'entrée Elle permet d’isoler électroniquement le circuit externe (saisie de l’information) du circuit de traitement. II.3.2. L'unité centrale Cœur de l’automate, elle est constituée: - D’un processeur qui exécute le programme - Des mémoires qui, non seulement contiennent ce programme, mais aussi des informations de données (durée d’une temporisation, contenu d’un compteur). II.3.3. Interface de sortie Elle permet de commander les sorties toute ou rien (TOR) telle que : les contacteurs, les moteurs pas à pas, les électrovannes et ainsi des sorties analogiques (boucle de régulation débit température et variateur de vitesse.) II.3.4. Communication et dialogue Elle est réalisée avec l’opérateur par un pupitre de dialogue ou par l’intermédiaire d’un ordinateur et avec les autres automates pour un réseau informatique local. 28 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION II.4. Types d'automates Il existe deux types d’automate programmable industriel: - le type monobloc - le type modulaire II.4.1. Automate Monobloc Le type monobloc possède généralement un nombre d’entrées et de sorties restreint et son jeu d’instructions ne peut être augmenté. Bien qu’il soit parfois possible d’ajouter des extensions d’entrées/sorties, le type monobloc a pour fonction de résoudre des automatismes simples faisant appel à une logique séquentielle et utilisant des informations tout-ou-rien. (Figure II.2) [6] Figure II.2: Automate monobloc TSX Nano II.4.2. Automate Modulaire Par ailleurs, le type modulaire est adaptable à toutes situations. Selon le besoin, des modules d’entrées/sorties analogiques sont disponibles en plus de modules spécialisés tels: PID, BASIC et Langage C, etc. La modularité des API permet un dépannage rapide et une plus grande flexibilité. La figure II.3 présente un automate modulaire.[6] 29 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION Figure II.3: API modulaire II.5. Plate forme d'automatisme MODICON M340 Cette figure nous montre l’automate MODICON M340 qu’on a utilisé dans notre travail. Figure II.4: MODICON M340 30 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION II.5.1. Modules processeur II.5.1.1. Présentation Les processeurs Standard BMX P34 1000 et Performance BMX P34 2**** de la plate-forme d’automatisme Modicon M340 gèrent les stations automate monorack ou multirack, dont les emplacements peuvent être équipés de : - Modules d’entrées/sorties “Tout ou Rien”, - Modules d’entrées/sorties analogiques, - Modules de communication : réseau Ethernet MODBUS/TCP, bus capteurs/ actionneurs AS-Interface et RTU (Remote Terminal Unit), - Modules métiers : comptage, commande d’axe et liaison série. II.5.1.2. Description Description des processeurs avec port Ethernet MODBUS/TCP intégré BMX P34 2020/20302 : Figure II.5:a) BMX P34 2020 Figure II.5:b) BMX P34 20102/20302 Les processeurs Performance BMX P34 2020/20302 simple format comprennent en face avant : 1. Vis de sécurité pour verrouillage du module dans son emplacement (repère 0) du rack. 2. Un bloc de visualisation comprenant, selon modèle 8 ou 10 voyants. 31 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION 3. Un connecteur type USB mini B pour le raccordement d’un terminal de programmation (ou d’un terminal de dialogue IHM MAGELIS XBT GT/GK/GTW, HMI GTW et HMI STU/STO. 4. Un emplacement équipé de sa carte mémoire Flash pour la sauvegarde de l’application. Un voyant, situé au dessus de cet emplacement indique la reconnaissance ou l’accès à la carte mémoire. 5. Un connecteur type RJ45 pour le raccordement au réseau Ethernet MODBUS /TCP 10BASE-T/100BASE-TX. Avec en plus, selon modèle : 6. Processeur BMX P 34 2020 : un connecteur type RJ45 pour liaison série MODBUS ou liaison Mode Caractères (RS 232C/RS 485, 2 fils, non isolée), 7. Processeur BMX P 34 20302 : un connecteur type SUB-D 9 contacts pour bus maître CAN open intégré. En face arrière : 2 commutateurs rotatifs pour la sélection de la méthode d’attribution de l’adresse IP du module. [7] II.5.2. Modules alimentation II.5.2.1. Présentation Les modules alimentation BMX CPS sont destinés à l’alimentation de chaque rack MODICON M340 BMX XBP..00 et de ses modules installés. L’offre de modules d’alimentation MMODICON M340 comprend : Trois modules alimentation pour réseau à courant continu : - Module alimentation 24 V isolée BMX CPS 2010, - Module alimentation 24...48 V isolées BMX CPS 3020, - Module alimentation 125 V BMX CPS 3540T (température de fonctionnement étendue -25° à +70°C), Deux modules alimentation pour réseau à courant alternatif : - Module alimentation 100...240 V, 20 W BMX CPS 2000. - Module alimentation 100...240 V, 36 W BMX CPS 3500. 32 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION Figure II.6: BMX CPS 2000 2000 / 3500 II.5.2.2. Description Le module alimentation est choisi en fonction : Du réseau d’alimentation électrique : 24 V, 48 V, 125 V ou 100 ... 240 V, Les modules alimentation BMX CPS **** disposent en face avant de : 1. Un bloc de visualisation comprenant : - Un voyant OK (vert), allumé si les tensions racks sont présentes et correctes, - Un voyant 24 V (vert), allumé lorsque la tension capteur est présente (uniquement avec les modules alimentation courant alternatif BMX CPS 2000/3500/3540T). 2. Un bouton-poussoir RESET à pointe de crayon provoquant une reprise à froid de l’application. 3. Un connecteur 2 contacts recevant un bornier débrochable (à vis à cage ou à ressort) pour le raccordement du relais alarme. 4. Un connecteur 5 contacts recevant un bornier débrochable (à vis à cage ou à ressort) pour le raccordement : - Du réseau d’alimentation - De la terre de protection, - De la tension ou , 24 V dédiée à l’alimentation des capteurs d’entrées (uniquement avec modules alimentation courant alternatif BMX CPS 2000/3500/3540T).[7] 33 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION II.5.3. Modules d'entrées/ sorties "Tout ou Rien" II.5.3.1. Présentation Les modules d’entrées/sorties “Tout ou Rien” (TOR) de l’offre MODICON M340 sont des modules standard occupant un seul emplacement sur le rack. Ces modules sont équipés soit : - D’un connecteur pour bornier débrochable 20 contacts à vis ou à ressort, - D’un ou deux connecteurs 40 contacts. Cette large gamme d’entrées/sorties “Tout ou Rien” permet de répondre aux besoins rencontrés au niveau : - Fonctionnel, entrées/sorties continues ou alternatives, logique positive ou Négative, - Modularité, 8, 16, 32 ou 64 voies par modules. Les entrées reçoivent les signaux en provenance des capteurs et réalisent les fonctions suivantes : - Acquisition, - Adaptation, - Isolement galvanique, - Filtrage, - Protection contre les signaux parasites. Les sorties mémorisent les ordres donnés par le processeur et réalisent la commande des pré actionneurs au travers de circuits de découplage et d’amplification.[7] II.5.3.2. Description Les modules d’entrées/sorties “Tout ou Rien” BMX D*I/D*O/DRA sont au format standard (1 emplacement). Ils se présentent sous la forme d’un boîtier assurant une protection IP 20 de toute la partie électronique et se verrouillant sur chaque emplacement par une vis imperdable. Modules d’E/S à raccordement par bornier débrochable 20 contacts : 34 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION Figure II.7: Module à raccordement par bornier débrochable 20 contacts 1. Corps rigide assurant les fonctions de support et de protection de la carte électronique. 2. Marquage de la référence du module (une étiquette est également visible sur le côté droit du module). 3. Bloc de visualisation d’état des voies. 4. Connecteur recevant le bornier débrochable 20 contacts, pour le raccordement des capteurs ou des préactionneurs. 5. Un bornier débrochable 20 contacts BMX FTB 20p0 (étiquette de repérage fournie avec chaque module d’E/S) ou un cordon prééquipé avec bornier débrochable 20 contacts et extrémité fils libres.[7] II.6. Interface Homme/ Machine Magelis XBT GT à écran 10.4 Advanced Panels Standard MAGELIS Multifonction XBT GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430 : Ils comportent en face avant : 35 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION Figure II.8: Face avant de magelis GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430 1. Un écran tactile d’affichage de synoptiques (10,4” couleur STN ou 10,4” couleur TFT, selon modèle). 2. Un voyant multi-couleur (vert, orange et rouge) indiquant le mode de fonctionnement du terminal. Et en face arrière : Figure II.9. Et en face arrière MAGELIS GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430 1. Un bornier à vis débrochable pour alimentation 24 V. 2. Un emplacement pour carte mémoire Compact Flash, avec cache pivotant. 3. Un connecteur débrochable d’entrées /sorties, 12 bornes à ressort pour connexion haut-parleur, une entrée (RAZ) et 3 sorties (alarme, Butzer, marche). 4. Une interface d’unité d’extension pour carte de communication bus de terrain (Device Net, Profi bus DP). 5. Un connecteur type RJ45 pour liaison Ethernet TCP/IP, 10BASE-T /100BASE-TX avec une LED d’activité. 36 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION 6. Deux connecteurs USB type A maître pour connexion de périphérique, transfert d’application et communication prise terminal MODICON M340. 7. Un connecteur type RJ45 pour liaison série RS 485 (COM2) avec commutateur pour polarisation de la liaison utilisé en MODBUS. 8. Un connecteur mâle type SUB-D 9 contacts pour liaison série RS 232C ou RS 422/485 vers automates (COM1). Sur XBT GT5340 uniquement : 9. Un connecteur type mini-jack pour connexion d’un microphone. 10. Un connecteur type RCA pour connexion d’une caméra numérique ou analogique vidéo (codage NTSC/PAL). [8] II.7. Programmation et Supervision II.7.1. Logiciel Unity Pro II.7.1.1. Présentation Unity Pro est le logiciel commun de programmation, mise au point et exploitation des gammes d’automates MODICON M340, Premium et Quantum. Unity Pro est un logiciel multitâche qui offre les fonctionnalités suivantes: Logiciel “tout en un”. 5 langages de programmation IEC 61131-3. Librairie de blocs fonctions intégrée et personnalisable. Simulateur automate sur PC pour valider votre programme avant installation. Tests integers (Built-in test) ET diagnostic. Large gamme de services en ligne. II.7.1.2. Les cinq langages IEC Les cinq langages de type graphiques ou textuels du logiciel Unity Pro permettent la programmation des plates-formes d’automatismes MODICON M340, Atrium, Premium et Quantum. 37 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION Les 3 langages graphiques sont : - Langage à contacts (LD). - Langage blocs fonctionnels (FBD). - Langage diagramme fonctionnel en séquence (SFC) ou Graf cet. Les 2 langages textuels sont : - Langage littéral structuré (ST). - Langage liste d’instructions (IL). II.7.2. Vijeo Designer II.7.2.1. Présentation Vijeo Designer est le logiciel de configuration pour les IHM Magelis : Vijeo Designer Lite pour les afficheurs compacts et Vijeo Designer pour les terminaux graphiques et PC industriels. Vijeo-Designer permet de configurer rapidement des connexions à plusieurs équipements. Il prend également en charge une large gamme de pilotes d'équipement que vous pouvez utiliser pour transmettre des données sans aucune programmation. Figure II.10: Connectez plusieurs automates à un écran de contrôle 38 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION II.7.2.2. Communications : Pour communiquer avec des équipements, des variateurs et d'autres équipements, connectez-les au port série (RS-232C/RS-422), au port Ethernet ou au module/à la carte de communication de la machine cible, puis ajoutez un pilote. Vijeo-Designer utilise des pilotes pour activer les communications avec l'équipement. Cela évite de créer des programmes de communication complexes. Figure II.11: La communication entre l’IHM et l’automate II.7.3. supervision : Domaines d'application : Le pilotage de grandes installations industrielles automatisées: - métallurgie (laminoir) production pétrolière (distillation), - production et stockage agroalimentaire (lait, céréales...) - production manufacturière (automobile, biens de consommation...) Le pilotage d'installations réparties: - alimentation en eau potable, - traitement des eaux usées, - gestion des flux hydrauliques (canaux, rivières, barrages...) - gestion de tunnels (ventilation, sécurité) La gestion technique de bâtiments et gestion technique centralisée (GTC): - gestion des moyens de chauffage et d'éclairage (économies d'énergie) - gestion des alarmes incendies - contrôle d'accès, gestion des alarmes intrusion. 39 CHAPITRE II SYSTEME DE COMMANDE ET DE TRAITEMENT DE L'INFORMATION II.8. Conclusion : Dans ce chapitre nous avons expliqué l’outil de commande de notre bras manipulateur (l’automate Schneider M340) et ses différents modules utilisés dans la partie pratique ainsi que les langages de programmation. Comme on a expliqué aussi les logiciels qui pilotent l’automate et IHM et la communication entre eux. 40 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Chapitre III Actionneurs en Robotique III.1. Introduction Les performances des robots dépendent fortement de celles des actionneurs, des chaînes cinématiques associées, et de système sensoriel associe, qui ont, de ce fait une importance primordiale. Les capteurs constituent la source des données qui permettent l’élaboration des commandes pilotant le robot, pour exercer les actions matérielles désirées sur l’environnement. Ce chapitre a pour objectif d’étudier les actionneurs pas à pas et les moteurs à courant continu ainsi que la réalisation et l’application d’une carte de commande. III.2. Généralités sur les moteurs pas à pas III.2.1. Structure d'un actionneur pas à pas Le moteur pas à pas est un moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques reçues dans ses bobinages. L'angle de rotation minimal entre deux modifications des impulsions électriques s'appelle un pas. On caractérise un moteur par le nombre de pas par tour (c'est à dire pour 360°). Les valeurs courantes sont 48, 100 ou 200 pas par tour. Analyse d'un moteur théorique composé d'un aimant permanent (boussole) et de 2 bobinages constitués chacun de 2 bobines. Le passage d'un courant, successivement dans chaque bobinage, fait tourner l'aimant. [9] Figure III.1. Structure d’un Moteur pas à pas 41 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.2.2. Principe de fonctionnement d'un moteur pas à pas Comme le montre l'animation, une rotation s'effectue en quatre étapes, reprises dans ce qui suit. La flèche noire représente l'aiguille d'une boussole qui serait disposée en place et lieu du rotor ; elle indique l'orientation du champ magnétique (elle pointe vers le nord, qui attire donc le pôle Sud du rotor) et se décale alors d'un quart de tour à chaque étape : Etape 1, position 1 : Premier bobinage (stator bleu) : - Phase 1 (inter gauche) non alimentée. - Phase 2 (inter droit) alimentée. Second bobinage (stator vert) : - Phase 1 (inter gauche) alimentée. - Phase 2 (inter droit) non alimentée. Figure III.2. Position1 des bobines Etape 2, position 2 : Premier bobinage : - Phase 1 alimentée. - Phase 2 non alimentée Second bobinage : - Phase 1 alimentée. - Phase 2 non alimentée. Figure III.3. Position 2 des bobines Etape 3, position 3 : Premier bobinage : - Phase 1 alimentée. - Phase 2 non alimentée. Second bobinage : - Phase 1 non alimentée. - Phase 2 alimentée. Figure III.4. Position 3 des bobines 42 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Etape 4, position 4 : Premier bobinage : - Phase 1 non alimentée. - Phase 2 alimentée. Second bobinage : - Phase 1 non alimentée. - Phase 2 alimentée. Figure III.5. Position 4 des bobines Les impulsions électriques sont du type tout ou rien c'est à dire passage de courant ou pas de passage de courant. Les tensions d'utilisation des moteurs sont de 3,3V à 48V continues. La consommation est de 0,2 A à 3 A.. Le moteur pas à pas et son circuit de commande permettent donc la rotation d'un axe avec beaucoup de précision en vitesse et en amplitude. Un moteur pas à pas transforme une impulsion électrique en énergie mécanique permettant le déplacement angulaire du rotor, appelé «pas». [9] Figure III.6. Principe de fonctionnement du moteur pas à pas 43 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.2.3. Principaux types des moteurs pas à pas Ils existent trois types de moteurs pas à pas : III.2.3.1. Moteur pas à pas à reluctance variable Un moteur pas à pas à réluctance variable comporte un rotor à encoches non aimanté se positionnant dans la direction de la plus faible réluctance. Le fonctionnement du moteur est assuré par un pilotage du type unipolaire et l'avance du rotor est obtenue en excitant tour une paire de pôles du stator. III.2.3.2. Moteur pas à pas à aiment permanent Les moteurs pas à pas à aimant permanent courant sont biphasés: ils sont constitués de deux enroulements (deux bobines distinctes) sur le stator, tandis que le rotor est un aimant permanent (un pôle nord et un pôle sud). Lorsqu'un enroulement est alimenté, il crée un champ magnétique avec lequel l'aimant permanent va tenter de s'aligner (le sud attirant le nord et vice/ versa). En alimentant les enroulements successivement dans le bon ordre et dans le bon sens, on peut alors faire tourner le rotor dans le sens désiré. Cette succession d'alignement est ce qu'on appelle le pas. On distingue deux familles dans les moteurs pas à pas aimant permanent: Les moteurs unipolaires: le courant circule dans un seul sens dans des demi-bobines, attirant toujours le même pole. Les moteurs bipolaires: le courant circule dans les deux sens dans des bobines, attirant tantôt le NORD tantôt le SUD. [10] III.2.3.3. Moteur pas à pas hybride Pour tirer profit des avantages des moteurs pas à pas à aimants permanents et à réluctance variable, on utilise des moteurs hybrides. La commande est similaire à un moteur pas à pas à aimant permanent mais la constitution du rotor permet d'obtenir beaucoup plus de pas. 44 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.2.3.4. La comparaison entre les différents types de moteurs pas à pas Le Tableau III.1 donne une comparaison entre les divers types de moteurs pas à pas. Type de moteur pas à pas Résolution (nb de pas par tour) Couple moteur Sens de rotation Fréquence de travail Puissance Inconvénients Moteur à réluctance variable Bonne Moteur à aimants permanents Faible Dépend : - de l’ordre d’alimentation des phases Grande Quelques Watts Moteur hybride Moyenne Elevée Elevée Dépend : - de l’ordre d’alimentation des phases Faible Quelques dizaines de Watts Elevée Dépend : - de l’ordre d’alimentation des phases Grande Quelques KWatts Pas de mémoire de position Tableau III.1.Comparaison des performances pour les trois types de moteurs pas à pas III.2.4. Modes d'alimentation d'un moteur pas à pas C'est une structure de séquence d'alimentation d'un moteur pas à pas qui donne une manière d'excitation des bobines statique. Pour bien diriger ce courant vers une telle bobine, il faut qu'il reçoive des impulsions de courant d'alimentation pour faire tourner le moteur d'un pas ou d'une fraction de pas. On peut donc citer les modes d'excitation en cinq qui sont montrés dans le tableau III.2 Mode d'alimentation Mode -1- 45 Alimentation Unipolaire Alimentation Bipolaire Remarques *Alimentation d'une seule phase par un courant normal. *I1,I2,I3,I4 sont des courants de phase. *I1 définit l'angle du pas. CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Mode -2- *Alimentation des deux phases à la fois par un courant normal. * ( 2)√2. ( 1) ( *Pas angulaire 2) ( = pas angulaire 1) *Alimentation des deux phases à la fois par un courant normal. *La précision est doublée car le nombre de déplacement. *Le couple moteur est totalement diffère. *Ce mode est la combinaison des deux premiers modes. *Alimentation d'une seule phase par un courant normal. *I1,I2,I3,I4 sont des courants de phase. *I1 définit l'angle du pas Mode -3- Mode -4- Tableau III.2. Différant modes d'excitation Mode -5- Ce mode est appelé ministepping, dont les positions d'équilibres intermédiaires dont multipliées grâce à un réglage de courant de chaque phase. III.2.5. Avantages et inconvénients des moteurs pas à pas Les caractéristiques de ces moteurs sont particulièrement intéressantes, Le Tableau III.3 Résume les avantages et les inconvénients de ces actionneurs : Avantages Asservissement de position ou de vitesse en boucle ouverte Fort couple a basse vitesse Simplicité de mise en œuvre Positionnement statique Fiabilité Faible prix Inconvénients Positionnement discret Faible vitesse maximale Faible puissance Bruyant, source d'oscillations Faible rendement Tableau III.3.les avantages et les inconvénients de moteur pas à pas 46 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.3. Etude de la carte de commande d'un moteur pas à pas bipolaire III.3.1. Les circuits de commande des moteurs pas à pas III.3.1.1. Le circuit intégré L297 Le L297 est un circuit qui contient toute le circuiterie de commande et de contrôle de moteurs pas à pas unipolaire et bipolaire. Utilisé conjointement avec un driver double point tel que le L298, l'ensemble forme une interface idéale pour le contrôle d'un moteur pas à pas bipolaire par microprocesseur ou micro contrôleur. Il est possible de contrôler un moteur pas à pas unipolaire avec un L297 en lui adjoignant quatre transistors Darlington ou mosfet. Le circuit de commande de moteur pas à pas L297 est initialement prévu pour être avec un driver L298 ou L293E. Il reçoit les signaux de contrôle en provenance d'un système à base de microprocesseur et génère tous les signaux nécessaires pour l'étage de puissance. Ce circuit inclue deux régulations à découpage type PWM (modulation de largeur d'impulsion) pour réguler le courant des enroulements moteur. Avec un étage de puissance adapté le L297 commande un moteur pas à pas bipolaire à aimant permanent, un moteur unipolaire à quatre phases à aimant permanent ou un moteur à reluctance variable à quatre phases. De plus il est capable de gérer le mode demi pas et pas complet. Le L297A est une version spéciale pour le positionnement des têtes de lecteur de disquette.[10] Le circuit L297 est disponible en boîtier DIP plastique 20 pins. Il s'alimente en 5V et les lignes d'entrées sont compatibles TTL, CMOS et s'interface aussi avec des transistors en collecteur ouvert. La haute densité d'intégration du L297 est l'une des caractéristiques technologique clé de ce circuit. Figure III .7. Le circuit L297 47 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE constitution du L297 - Le séquenceur Le cœur du L297 est le block appelé "translator" sur le schéma-block. C'est lui qui génère les séquences appropriées pour l'alimentation des phases en mode demi-pas, pas entier une phase/Biphasé. Figure III.8.brochage et structure interne du circuit L297 Ce block est contrôlé par deux entrées de mode - le mode (CW / CCW) et le mode pas entier / demi-pas (HALF/FULL)- et l'entrée clock dont les impulsions d'horloge qu'on lui applique font évoluer le séquenceur vers le prochain pas. Quatre sorties sont fournies par le séquenceur et attaquent le block logique qui contient les fonctions "inhib" et "chopper". La structure interne du séquenceur consiste en un compteur 3 bits (plus une logique combinatoire) qui génère les huit étapes de base (en code gray)[10] III.3.1.2. Le circuit intégré L298N Le contrôleur L297 a été conçu pour fonctionner avec le circuit L298N Driver de puissance qui fournit le courant nécessaire au moteur pas à pas. Ce circuit peut fournir jusqu'à 4A sous 46V. Il est composé de logique combinatoire et de transistors de puissance qui fonctionnent en bloqués-saturés. Il reçoit les signaux A, B, C et D des 4 phases (signaux fournis par le L297) et fournit les mêmes signaux mais avec la tension et le courant nécessaire au moteur pas à pas (5V et 1.9A). 48 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Le principe de fonctionnement résulte immédiatement en regardant le schéma cidessous: Figure III.9.brochage et structure interne du circuit L298 Schéma Interne du L298 Le L298 véhicule les courants continus drainés par les stators. La commande en courant donne de bons résultats parce quelle permet d'appliquer aux moteurs pas à pas une tension plus importante que celle admissible dans le cas d'une commande en tension. De plus, avec ce type de commande les caractéristiques dynamiques du moteur (fréquence de démarrage et taux de pas maximal) s'améliorent sensiblement. Lorsque les enroulements du stator sont reliés à la tension d'alimentation, au début de chaque période, un oscillateur interne positionne une bascule bistable. En raison de l'inductivité du stator, le courant de sortie commencera par croître linéairement entraînant ainsi la présence d'une tension linéaire aux bornes des résistances de détections de courant, Rsa et Rsb. Lorsque la tension mesurée atteint la valeur de crête définie par l'utilisateur, Vréf, 2 comparateurs remettent les bistables à zéros, provoquant la coupure du courant de stator. Le seul inconvénient avec ce circuit de puissance c'est qu'il continent pas de protection incorporé, donc il va falloir qu'on lui ajoute des diodes rapides entre le L298 et les bobines du moteur, ces diodes la vont récupérer le courant et ainsi assurer la protection de notre étage de puissance.[10] 49 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.3.1.3. NE555 Le NE555 (plus couramment nommé 555) est un circuit intégré utilisé pour la temporisation ou en mode multivibrateur. Le NE555 a été créé en 1970 par TOUHA DEGHBACH et commercialisé en 1971 par Signetics (maintenant NXP Semiconductors). Ce composant est toujours utilisé de nos jours en raison de sa facilité d'utilisation, son faible coût et sa stabilité. Un milliard d'unités sont fabriquées par an.[11] Le NE555 contient 23 transistors, 2 diodes et 16 résistances qui forment 4 éléments : deux amplificateurs opérationnels de type comparateur une porte logique de type inverseur et une bascule SET-RESET Figure III.10. le circuit intégré NE555 On peut voir à partir du schéma bloc les différents composants du NE555, Figure III.11. le schéma bloc simplifié du NE555 Le NE555 peut fonctionner selon trois modes : monostable, astable ou bistable. 50 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE fonctionnement monostable L'utilisation du NE555 en configuration monostable permet de générer une impulsion d'une durée définie seulement à l'aide d'une résistance et d'un condensateur comme illustrée dans le schéma ci-contre. Une impulsion est engendrée suite à l'application d'un front descendant à l'entrée du circuit (TRIG), le graphique ci-dessous présente les formes d'ondes résultantes. On trouve également le schéma du 555 en monostable redéclenchable, qui est à l'identique excepté la pin 4 Reset reliée au trigger : à chaque impulsion d'entrée le timer est réinitialisé même si l'impulsion précédente n'est pas terminée.[29] Figure III.12. Diagramme schématique du NE555 en configuration monostable fonctionnement astable La configuration astable permet d'utiliser le NE555 comme oscillateur. Deux résistances et un condensateur permettent de modifier la fréquence d'oscillations ainsi que le rapport cyclique. L'arrangement des composants est tel que présenté par le schéma cicontre. Dans cette configuration, la bascule est réinitialisée automatiquement à chaque cycle générant un train d'impulsion perpétuelle. Une oscillation complète est effectuée lorsque le condensateur se charge de 1/3 de Vcc jusqu'à 2/3 de Vcc. Lors de la charge, les résistances Ra et Rb sont en série avec le condensateur, mais la décharge s'effectue à travers de Rb seulement. C'est de cette façon que le rapport cyclique peut être modifié. La fréquence d'oscillations cyclique suivent les relations suivantes [10] : =( 51 . =1−( [III.3] ) ) [III.4] ainsi que le rapport CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Figure III.13. Diagramme schématique du NE555 en configuration astable III.3.2. Génération du signal Clock Pour la commande de notre moteur pas à pas, nous avant choisi d'attaquer le Clock du L297 avec un signal carré généré à partir de NE555 en configuration astable. Figure III.14. Circuit électrique qui généré le signal carré Voici la liste des composants : Un circuit intégré NE55 Deux Resistances de 1 K Ohms Resistances de 500 K Ohms Trois condensateurs 3n3 52 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.3.3. Schéma Structurel global de la carte de commande Cette figure présente la structure globale de notre carte de commande : Figure III.15. Schéma Structurel global de la carte de commande III.3.4. Réalisation et application de la carte de commande III.3.4.1. Le Typon Avant d'entamer la première étape qui consiste en l'établissement du Typon de la carte. Ce dernier est la base qui servira à imprimer les pistes et la localisation des composants sur la carte électronique. Ce n'est qu'une fois que le Typon imprimé sur la carte qu'on pourra commencer à installer les composants. 53 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Figure III.16.La carte coté Pistes III.3.4.2. Soudage On commence à souder les borniers et les supports des circuits intégrés, ensuite on installe les résistances, les condensateurs puis les diodes. Voici la liste des composants dont nous avons eu besoin pour cette carte pour moteur pas à pas: Un circuit intégré L297+ support de 20 pattes Un circuit intégré L298 Sept Resistances de 1 Ohms Resistances de 22 K Ohms Deux condensateurs 100nf Un Condensateur 3.3 nf Un Condensateur 470uf Cinq Borniers 2 entrées/sortie Un Bornier 2 entrées/sortie Huit diod de type Fast Diod 54 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Figure III.17.La carte coté composants Cette carte du commande contient deux circuits intégré L297 et L298 et des composantes électronique comme des résistances et des condensateurs et des diodes. - L297 est un circuit qui contient toute la circuiterie de commande et de contrôle le moteur pas a pas bipolaire. - L’alimentation de ce circuit est avec une tension de 5V. - Le connecteur qui est broncher au pin 18 de ce circuit et destiné au clock, ici qu’and doit brancher notre signal qui est délivrer pas le NE555. - Et pour les connecteurs qui sont lier aux 17 et 19 pins, le premier son rôle de changer le sens de rotation du moteur. (si on applique une tension de 5v il tourne dans un sens et si une tension de 0V il tourne dans l’autre sens).Et pour le deuxième pin son rôle est de faire tourner le moteur en pas entier ou en demis pas et pour le changement entre les deux modes soit en applique une tension de 5V ou 0V. L298 est un driver a double pont tel que l’ensemble forme interface idéal pour le contrôle d’un moteur pas a pas, l’alimentation de ce circuit dépond de la puissance du moteur elle varie entre (5V et 24V),comme le L298 n’assure pas la protection de notre moteur on ajoute 8 diodes de type (fast diode) pour la protection. 55 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.4. Généralités sur les moteurs à courant continu III.4.1. Définition d'un moteur à courant continu Une machine à courant continu est une machine électrique. Il s'agit d'un convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique ; selon la source d'énergie En fonctionnement moteur, l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique. En fonctionnement générateur, l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique (elle peut se comporter comme un frein). Dans ce cas elle est aussi appelée dynamo. Figure III.18. Moteur à courant continu III.4.2. Les constituants d'un moteur à courant continu Le moteur à courant continu est essentiellement composé de deux parties : III.4.2.1. Circuit inducteur (Stator) C'est la partie fixe, il est constitué d’un aimant permanent pour les moteurs de faible puissance, dans ce cas le champ magnétique est constant. Pour les moteurs puissants, il est formé d'un bobinage parcouru par un courant. Ce bobinage créant un champ magnétique = ( ). [III.5] Les aimants ou bobines permettent la création d’un champ magnétique B de direction fixe sous les pôles de la machine.[12] 56 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.4.2.2. Circuit induit (Rotor) Il est constitué de plusieurs enroulements répartis pour former un cylindre. Ce dernier est porté par l'armature du rotor, et crée des forces électromagnétiques. Le rotor est constitué d'un cylindre, des collecteurs et des balais. Le cylindre : Il est réalisé en matériaux ferromagnétiques à partir des tôles découpées, isolées entre elles et assemblées pour limiter les pertes par les courants de FOUCAULT. Le collecteur : Il est formé d’un ensemble de lames de cuivre isolées latéralement entre elles par du Mica, et disposées suivant un cylindre en bout de rotor, sur la surface cylindrique du collecteur frottent les balais qui sont connectés aux bornes de l'induit. Le collecteur réalise l'opération de "redressement" ou encore de "commutation ".[12] Les balais : Ils sont fabriqués en charbon, et fixés sur une pièce appelée porte balais. Portés par le stator, ils frottent sur les lames du collecteur. Figure III.19. Constituant d’un moteur à courant continu 57 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.4.3. Principe de fonctionnement des moteurs à courant continu Le moteur à courant continu se compose : de l'inducteur ou du stator, de l'induit ou du rotor, du collecteur et des balais. Lorsque le bobinage d'un inducteur de moteur est alimenté par un courant continu, sur le même principe qu'un moteur à aimant permanent (comme la figure ci-dessous), il crée un champ magnétique (flux d'excitation) de direction Nord-Sud. Une spire capable de tourner sur un axe de rotation est placée dans le champ magnétique. De plus, les deux conducteurs formant la spire sont chacun raccordés électriquement à un demi collecteur et alimentés en courant continu via deux balais frotteur. D'après la loi de Laplace (tout conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force), les conducteurs de l'induit placés de part et d'autre de l'axe des balais (ligne neutre) sont soumis à des forces F égales mais de sens opposé en créant un couple moteur : l'induit se met à tourner ![13] Figure III.20. Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu Si le système balais-collecteurs n'était pas présent (simple spire alimentée en courant continu), la spire s'arrêterait de tourner en position verticale sur un axe appelé communément "ligne neutre". Le système balais-collecteurs a pour rôle de faire commuter le sens du courant dans les deux conducteurs au passage de la ligne neutre. Le courant étant inversé, les forces motrices sur les conducteurs le sont aussi permettant ainsi de poursuivre la rotation de la spire. 58 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Figure III.21. Description de la machine à courant continu Dans la pratique, la spire est remplacée par un induit (rotor) de conception très complexe sur lequel sont montés des enroulements (composés d'un grand nombre de spires) raccordés à un collecteur "calé" en bout d'arbre. Dans cette configuration, l'induit peut être considéré comme un seul et même enroulement semblable à une spire unique.[13] III.4.4. Avantages et inconvénients des moteurs à courant continu - Avantages L'avantage principal des moteurs à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse, voire leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateur, piles, etc. Ils ne nécessitent pas d’électronique pour les piloter, et peuvent être branchés directement sur une alimentation, des batteries, un variateur de vitesse, ou une carte de positionnement associée à un signal de recopie. [14] possibilité d’entrainer de très fortes inerties forte constante de temps mécanique forte capacité à entrainer des surcharges élevées imprévisibles ralentissant le moteur : puisque son courant est proportionnel au couple, le moteur courant continu peut franchir des pointes de couple, et ainsi éviter les phénomènes de décrochage. 59 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE - Inconvénients La commutation du moteur à balais nécessite la mise en œuvre d’un ensemble de pièces mécaniques pour faire la liaison par frottement entre les charbons et le collecteur. Il en découle que : plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression des balais doit augmenter pour rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement est important ; aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement ; le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par rayonnement électromagnétique (réduit dans le cas des moteurs maxon par le système CLL (long life capacitor). La température est limitée au niveau du collecteur par l'alliage utilisé pour braser les conducteurs du rotor aux lames du collecteur. Un alliage à base d'argent doit être utilisé lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de fusion de l'alliage classique à base d'étain. III.5. Etude de la carte de commande d'un moteur à courant continu III.5.1. Schéma Structurel global de la carte de commande Cette figure présente la structure globale de notre carte de commande : Figure III.22. Schéma Structurel global de la carte de commande 60 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Ce montage consiste à réaliser un pont H d’un moteur à courant continu très utile, pour la commande ou l'asservissement en vitesse et en position des robots. Le pont en H est une structure électronique servant à contrôler la polarité aux bornes d'un dipôle. Il est composé de quatre éléments de commutation généralement disposés schématiquement en une forme de H d'où le nom. Les commutateurs peuvent être des relais, des transistors, ou autres éléments de commutation en fonction de l'application visée. Cette structure se retrouve dans plusieurs applications de l'électronique de puissance incluant le contrôle des moteurs, les convertisseurs et hacheurs, ainsi que les onduleurs. Dans ce montage on a utilisé des "POWER MOSFET", le circuit est plus simple et les MOSFETs même de petite taille laissent passer des courants très importants. III.5.2. Principe de fonctionnement Ce montage est réalisé pour deux principales fonctions : 1) Inversement de sens de rotation du moteur à courant continu : On alimente la borne de R4 avec une tension de 5 Volts, le moteur tourne dans le sens contraire des aiguillages de la montre. Si on alimente la borne R3 avec une tension de 5 volts le moteur tourne dans le sens des aiguillages de la montre. 2) Stopper le moteur : Pour freiner le moteur on a deux choix : - Soit en alimente aux bornes R3et R4 une tension de 5 volts. - Soit en alimente aux bornes R3et R4 une tension de 0 volts. 61 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE III.5.3. Réalisation et application de la carte de commande III.5.3.1. Le Typon Avant d'entamer la première étape qui consiste en l'établissement du Typon de la carte. Ce dernier est la base qui servira à imprimer les pistes et la localisation des composants sur la carte électronique. Ce n'est qu'une fois que le Typon imprimé sur la carte qu'on pourra commencer à installer les composants. Figure III.23.La carte coté Pistes III.5.3.2. Soudage On commence par souder les borniers ensuite on installe les résistances puis les transistors. A la fin du soudage on obtient enfin le circuit final prêt pour les tests. Voici la liste des composants dont nous eu besoin pour cette carte pour moteur DC: Deux transistors Mosfet canal P IRF9640. Deux transistors Mosfet canal N IRF640. Deux transistors 2n2222. Quatre Resistances 2k Ohm. Un condensateur de 10nf. Trois Borniers à 2 entrées/sortie 62 CHAPITRE III ACTIONNEURS EN ROBOTIQUE Figure III.24.La carte coté composants III.6. Conclusion Dans ce chapitre nous avons donné un aperçu sur les capteurs et les actionneurs. On a limité notre étude à deux types de moteurs : moteur pas à pas et moteur à courant continu. On a étudié leurs principes de fonctionnement ainsi que les avantages et les inconvénients de chaque moteur. Nous avons aussi réalisé des cartes de commandes pour nos actionneurs à l’aide des circuits intégrés à fin de les introduire dans le schéma globale dans la commande des robots. 63 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Chapitre IV Conception et commande du bras manipulateur IV.1. Introduction Les chapitres précédents ont porté sur l’étude des principaux constituants d’un robot qui représentent les piliers de la réalisation de notre bras. Dans ce chapitre, on va présenter la partie mécanique de notre bras manipulateur ainsi que la structure et les segments du bras. Dans la partie commande, on va expliquer comment on a commandé le bras manipulateur et ses mouvements. IV.2. Partie mécanique du bras manipulateur Notre projet est consacré à la construction d'une structure mécanique capable de se déplacer dans l’espace pour accomplir un objectif établi au préalable. Ce bras manipulateur doit répondre à des contraintes économiques strictes d'une production à faible coûts. La structure mécanique du robot a été conçue pour répondre aussi à quelques préoccupations majeures: La robustesse de la structure. La puissance de la motorisation pour doter le robot d'une bonne dynamique. La précision dans le déplacement. IV.2.1. La structure mécanique du bras Notre bras possède 3 degrés de liberté de rotation. Il appartient à la classe 1 (structure à 3 articulations rotoïde). La figure suivante illustre la structure mécanique du bras réalisé. 64 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Réducteur 3 Moteurs Réducteur Moteur 3 Moteur 2 Réducteur 2 Réducteur 1 Moteur 1 Figure VI.1: Schéma de notre bras manipulateur Figure VI.2:Photo réel du notre bras manipulateur Le porteur de notre bras est constitué de trois liaisons de masses respectives m 1, m2 et m3, et de longueurs respectives L1, L2 et L3. Le choix des matériaux des segments est en fonction de critères déterminant: 65 minimum de mass: (densité massique min) un coût raisonnable avec la disponibilité des matériaux. CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Le tableau suivant nous donne quelques valeurs de caractéristiques physiques de certains matériaux : Matériaux Acier Aluminium Magnésium Titane Bois PVC (Kg/ ) 7800 à 7850 2700 1750 à 1800 4500 1150 à 1750 1380 à 1410 Tableau IV.1. Valeurs des caractéristiques physiques des matériaux Pour ce bras manipulateur, nous avons réalisé la structure mécanique en bois pour la base et le PVC pour l'avant bras et le bras. Ces matériaux ont quelques propriétés intéressantes : d’une part, ils sont légers et possèdent une masse volumique et une rigidité acceptable, d’autre part, Ils sont disponible et ont la facilité de bien s'usiner. IV.2.2. Dimension du bras manipulateur Notre bras est constitué de trois parties : base, bras et l'avant bras. Segment 1(bras): il est de forme : avec : Longueur = 20 cm Longueur_r = 8 cm Lo Lo_r Largeur = 5 cm Largeur_r = 3 cm Epaisseur = 0.3 cm =10g 66 La_r La Figure VI.3 :coupe transversale du bras. CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Segment 2(avant bras): il est de forme: avec : Longueur = 18 cm Longueur_r = 8 cm Lo Lo_r Largeur = 4 cm Largeur_r = 3 cm La_r Epaisseur = 0.3 cm =9g La Figure VI.4:coupe transversale du avant bras. La base avec : e Hauteur = 10 cm Longueur = 9 cm Largeur = 7.5 cm Epaisseur = 0.6 cm Rayon = 7 cm =15g Hauteur Largeu r Longueur r e Figure VI.5: la base Poids de l’ensemble = = 67 = + = + é + + + + é + + + + + é + + + + + CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR IV.2.3. Les différentes vues du bras manipulateur Cette figure représente une vue de face de notre bras manipulateur Figure VI.6: Vue de face du bras manipulateur Cette figure représente une vue d’arrière du bras Figure VI.7: Vue d’arrière du bras 68 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Celle ci représente une vue de dessus de notre bras manipulateur Figure VI.8: Vue de dessus du bras IV.2.4. Système d'actionneur du bras Notre bras manipulateur est actionné par deux types de moteurs : moteur à courant continu et moteur pas à pas. Dans le chapitre précédent, on a fait une étude théorique et on a réalisé des cartes de commandes à ces moteurs. Le moteur à courant continu fixé dans la base du bras est responsable de faire tourner le corps du bras manipulateur alors que le moteur pas à pas est responsable de mouvoir le bras et l’avant bras du robot. IV.2.5. Transmission entre articulation: engrenage La transmission entre les articulations de notre bras manipulateur est assurée par un système d’engrenage. Un engrenage est constitué de deux roues dentées. On appelle la petite : le pignon et la grande : la roue(ou couronne si c’est un engrenage intérieure), son principal role est de faire diminuer la vitesse de rotation de segment et de le bien fixer avec l’actionneur. 69 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Figure VI.9: La transmission entre articulation Pour garantir cet engrénement,les pas primitifs respectifs des dentures du pignon et de la roue qui correspondent aux longeus des arcs des cercles primitifs compris entre deux profils de dents concectutifs, doivent etre egaux : = = (IV.1) (ou Ze et Zs sont les nombres de dents des roues de diamétre De et Ds). On déduire que : = et donc aussi que = .. (IV.2) IV.3. Partie commande du bras manipulateur Dans cette partie, on va expliquer comment on a commandé le bras manipulateur et visualiser son état à partir d’IHM, et les mouvements exercés. 70 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR IV.3.1. Raccordements avec l'automate On a utilisé l’automate Schneider M340 avec le module de sortie TOR DRA 0805, leur schéma ci-dessous montre le raccordement du module avec les cartes de commandes réalisées : Figure VI.10: Raccordements de module de sortie TOR DRA 0805 On remarque que ce module a 8 voies de sortie à relais, on a besoin de 6 voies dans notre projet pour branche les entrées de nos cartes avec ce module. La première voie (Q0, C0) pour la commande de moteur de la base pour qu’il tourne dans un sens, elle est branchée avec la carte de commande. La deuxième (Q1, C1) voie aussi pour le même moteur mais il tourne dans le sens inverse du premier. La troisième voie (Q2, C2) pour le clock de moteur pas à pas qui est liée avec le bras. La quatrième voie (Q3, C3) pour le changement de sens du même moteur. La cinquième voie (Q4, C4) pour le clock de moteur pas à pas qui est liée avec l’avant bras. La sixième voie (Q5, Q6) pour le changement de sens du l’avant bars. 71 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Figure VI.11: Raccordements de module de sortie avec la carte de commande du moteur pas à pas IV.3.2. Commande par API Notre bras manipulateur est commandé par l’automate Schneider M340 sous le logiciel « Unity Pro » avec le langage Ladder, on a écrit un programme qui permet de commander nos 6 sorties.et on a ajouté l’écran tactile de type magelis (interface homme machine) qui nous permet de regarder le déplacement du bras et aussi de le commander. Pour la communication entre l’automate et l’ordinateur on a utilisé la connexion Ethernet à l’aide d’un switcheur, on a changée dans les paramètres de l’automate et on a créé un réseau Ethernet et on le donne cette adresse IP (192.168.1.3), et pour le PC on a créé une adresse IP aussi (192.168.1.4). IV.3.3. Communication entre l’automate et l’IHM et PC : Pour la communication entre l’automate et l’ordinateur on a utilisé la connexion Ethernet à l’aide d’un switcheur, on a changée dans les paramètres de l’automate et on a créé un réseau Ethernet et on le donne cette adresse IP (192.168.1.3), et pour le PC on a créé une adresse IP aussi (192.168.1.4). 72 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Figure VI.12: Configuration adresse IP de l'automate Et pour l’écran tactile on a crée un réseau TCP/IP (Ethernet) aussi dans le vejio designer et on le donne cette adresse IP (192.168.1.5). Quand la connexion est établit entre ces trois dispositif on peut faire la commande de notre bras manipulateur soit avec l’ordinateur ou avec l’IHM. Figure VI.13: Configuration adresse IP de l'IHM 73 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Figure VI.14: Câblages d'automate avec les cartes de commande et l'IHM Figure VI.15: Ecran magelis programmer 74 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR IV.3.4. Mouvements du bras Les mouvements exercés sont des mouvements programmés selon les besoins, dans notre cas on a programmé le bras de telles façons qui affecte le maximum de positions et qui soient différents. Voila la tache de notre bras manipulateur : Figure VI.16: le bras dans sa postposition initiale Figure VI.19: l'avant bras bouge en bas à 45° 75 Figure VI.17: le bras à 45° Figure VI.20: le bras dans sa postposition initiale Figure VI.18: le bras dans sa postposition initiale Figure VI.21: Rotation de la base a 180° CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR Figure VI.22: le bras et l'avant bras en 153° Figure VI.23: le bras à 108° Figure VI.24: le bras dans sa postposition initiale IV.3.4.1. Mouvement du bras manipulateur en fonction du temps : Figure VI.25: Déplacement du bras manipulateur (degré) en fonction du temps Cette figure présente le déplacement de notre bras manipulateur (degré) en fonction du temps. On observe que du [0s,8s] le bras fait une rotation de 45° puis il s’arrête pour 2 seconde il revient dans sa position initial à ce moment la [8s] il commence l’avant bras à descendre avec le même angle jusqu’au la [12s] il fait une petite pause de 2 seconde et il revient à sa position initial [18s] puis la base fait une rotation de 180° dans 1 seconde, à partir de la 20 seconde le bras et l’avant bras font une rotation de 45° dans le sens contraire du premier puis ils s’arrêtent pour 2 seconde et ils reviennent dans leurs position initial à la 28 secondes. 76 CHAPITRE VI CONCEPTION ET COMMANDE DU BRAS MANIPULATEUR IV.4. Conclusion Dans ce chapitre, on a expliquée comment on a choisi le matériel pour la construction de notre bras manipulateur et son dimensionnement. Et pour la partie commande on a parlé sur le raccordement des cartes des moteurs avec l’automate, et la connexion entre ce dernier et le Pc et l’IHM et quelle langage utilisé et la tâche de notre bras. 77 CONCLUSION GENERALE Conclusion Générale Ce mémoire de Master présente la conception et la réalisation d’un bras manipulateur à 3 degrés de liberté. Ce bras peut faire des mouvements diverses et cela grâce à l’utilisation d’un Automate Programmable Industriel (API). Pour parvenir au bout de notre travail, nous avons organisé notre mémoire en quatre chapitres : Le premier chapitre introduit les généralités sur les robots industriels ainsi que les éléments constitutifs de ces robots en se basant sur leur structure mécanique. Un robot manipulateur peut être considéré d’une manière générale comme un générateur de mouvements et d’efforts dans les diverses directions de l’espace. Il se compose d'une structure mécanique articulée, le bras lui-même (segments, articulations, architecture,…), d’un organe terminal qui est le dispositif destiné à manipuler des objets, d’une unité informationnelle qui élabore les commandes de ses différentes articulations en vue de l’exécution de ses tâches, des convertisseurs d’énergie ainsi que des chaines de transmission mécanique. Le chapitre deuxième permet de comprendre la structure d’un Automate Programmable Industriel (API). Ce dernier est un ensemble électronique qui gère et assure la commande d’un système automatisé. Il se compose de plusieurs parties dont les principales sont : une mémoire programmable dans laquelle l’opérateur écrit des directives concernant le déroulement du processus automatisé, un processeur qui organise les différentes relations entre la zone mémoire et les interfaces d’Entrée/Sorties et gère les instructions du programme et des interfaces d’Entrée /Sorties. Ce chapitre détaille aussi la plate forme d'automatisme MODICON M340 (Schneider), l’Interface Homme/Machine (magelis GT5230, XBT GT5330 et XBT GT 5430) ainsi que le logiciel commun de programmation Unity Pro et le logiciel de configuration pour l’IHM (Vijeo Designer). Le troisième chapitre traite les actionneurs en robotique. Tous les mouvements des robots sont réalisés à l’aide d’actionneurs et les performances de ces mouvements dépendent fortement de celles des actionneurs, des chaînes cinématiques associées et de système sensoriel associe. Parmi les différents actionneurs qui existent (pneumatique, mécanique, 78 CONCLUSION GENERALE hydraulique, électrique..), on a abordé dans notre chapitre le moteur pas à pas qui est un moteur qui tourne en fonction des impulsions électriques reçues dans ses bobinages et le moteur à courant continu. La structure et le principe de fonctionnement de ces moteurs sont expliqués ainsi qu’une étude et réalisation de chaque carte de commande pour chacun des moteurs. Un schéma structurel global de chaque carte de commande est illustré et aussi leur réalisation. Le quatrième chapitre est une étude pratique qui explique la conception et la réalisation et la commande de notre bras manipulateur. Sur la base des connaissances et des informations des chapitres précédents, on a conçu un bras manipulateur à trois degrés de liberté de rotation. Sa structure mécanique est : en bois pour la base et en PVC pour l'avant bras et le bras. Les dimensions des trois parties constituantes de notre bras manipulateur: base, bras et l'avant bras sont données ainsi que ses différentes vues. Le système actionneur utilisé pour notre bras est composé : d’un moteur à courant continu (fixé dans la base du bras ) responsable de faire tourner le corps du bras manipulateur et d’un moteur pas à pas responsable de mouvoir le bras et l’avant bras du robot. La transmission entre les articulations de notre bras manipulateur est assurée par un système d’engrenage. Pour la partie commande, on a utilisé l’automate Schneider M340 avec le module de sortie TOR DRA 0805 et on a bronché dans ce module le clock et deux fils pour le changement de sens des deux moteurs pas à pas liés avec les deux cartes de commande. Pour la connexion de l’automate avec le Pc et l’IHM, on a utilisé la connexion Ethernet. Notre bras manipulateur est commandé par l’automate Schneider M340 sous le logiciel « Unity Pro » avec le langage Ladder, et on a ajouté l’écran tactile de type magelis (interface homme machine) qui nous permet de regarder le déplacement du bras et aussi de le commander. Les mouvements programmés de notre bras manipulateur sont aussi illustrés dans quelques figures dans ce chapitre. Dans ce travail et l’élaboration de la maquette nous a permis : - La réalisation de la structure mécanique. - Conception et la réalisation des cartes. - Programmer avec l’automate le bras manipulateur. - Utilisation de l’IHM et leur logiciel (vejio designer) - Faire une connexion Ethernet entre l’automate et l’IHM 79 Références bibliographiques [1] BOUZIANE Fatima Zohra « Rétro-conception du bras horizontal de robot manipulateur de la cellule flexible (Tlemcen)», UNIVERSITE ABOU BEKR BELKAID-TLEMCEN Option Ingénierie des systèmes mécaniques productiques,(2013) [2] PRIEL MARC «les robots industriels: caractéristiques, performances et choix »: Edition AFNOR (1990) [3] CHAAL Merouane, « Modélisation cinématique d’un robot manipulateur à chaine continue ouverte », UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA Option Maintenance Industrielle , (2013) [4,] SAADI RAMZY, SALHI NASSEREDDINE, « Réalisation de carte à microcontrôleur pour le contrôle de bras manipulateur via un pc », Université Mohamed Khider Biskra Option micro informatique et instrumentation, (2010) [5] Kangni B.KINVI, « Introduction des automates programmables industriels sur les locomotives diesel-électrique a L'O.T.P.: incidences économiques et techniques », Université cheikh anta diop , (1992) [6] ELKORNO NAIMA, « UTILISATION DE L’AUTOMATE PROGRAMMABLE », Office de la Formation Professionnelle et de la Promotion du Travail DIRECTION RECHERCHE ET INGENIERIE DE FORMATION , (2007) [7] « Plate-forme d'automatisme Modicon M340 »,catalogue Schneider électric , (2011) [8] « Interfaces Homme/Machine »,catalogue Schneider électric , (2009) [9] IDDIR Hayet, « ETUDE ET REALISATION D’UN KIT ELECTRONIQUE DU TYPE SYSTEME EMBARQUE A BASE DE MICROCONTROLEUR APPLICATION AU CONTROLE D’UN BRAS DE ROBOT A 4 DEGRES DE LIBERTES », Université M’Hamed BOGUERRA, Boumerdes Option Commande des Procédés Industriels , (2013) [10] AMMAR.Adel, GUEHRIA,Amine, « Conception et réalisation d'une carte de commande pour un moteur pas à pas »,Université des Sciences et de la Technologie Houari boumediene, option génie électrique , (2011) [11] « datasheet Ne555 », (2012) [12] LAZALI .Raba,RAHICHE.Abderrahmane , « bras manipulateur », UNIVERSITE SAAD DAHLAB DE BLIDA, Option : Contrôle, (2004). 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