Dossier de conception mécanique Préhenseur tactile
VERSION 1.3 13/01/2012
FLOHIC Joackim LE SCOAZEC Vincent ENSIBS
Mécatronique Année 2011/2012 LORIENT
Dossier de conception mécanique Projet :
Préhenseur tactile
Réf. :
FLOHIC-LE_SCOAZEC.conception_mécanique.doc
Organisme émetteur :
ENSIBS – M. BOCHARD
Noms des auteurs :
Date d’émission :
FLOHIC Joackim LE SCOAZEC Vincent 03/01/2012
Tél : 06.77.82.43.49 06.30.45.83.61 Mail :
[email protected] FLOHIC J LE SCOAZEC V
Signature
Vérification Nom
Date
Signature
LE SCOAZEC. V
13/01/2012
Vincent LE SCOAZEC
Approbation Nom
Date
Signature
FLOHIC. J
13/01/2012
Joackim FLOHIC
Historique des modifications Version
Date
Etat
Description de la modification
1.0
02/12/2011 Achevé
Création du dossier de conception
1.1
27/12/2011 Achevé
Présentation / Notice de calcul
1.2
06/01/2012 Achevé
Plan d’ensemble / Nomenclature / Coût
1.3
13/01/2012 Achevé
Mise en page du dossier de conception
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I.
Présentation générale de l’organisme 1.1 – Présentation générale de l’organisme……………………………………………………..…… 3 1.2 – Missions et objectifs stratégiques de l’organisme…………………………………………..3 1.3 – Organisation générale de l’organisme……………………………………………………………3
II.
Présentation générale du système attendu 2.1 – Introduction…………………………………………………………………………………………………..3 2.2 – Conception générale………………………………………………………………………………………3 2.3 – Détermination de la structure mécanique………………………………………………..……4 2.3.1 – Définition du mécanisme de préhension……………………………………….…4 2.3.2 – Définition du système de pince……………………………………………………….5 2.4 – Détermination du principe de mesure……………………………………………………………5 2.5 – Contraintes générales s’appliquant au système……………………………………………..7
III.
Notice de calcul 3.1 – Notice de calcul de la force…………………………………………………………………………….8 3.2 – Notice de calcul du temps d’ouverture et de fermeture……………………………….11
IV.
Plan d’ensemble du système 2D………………………………………………………..14
V.
Modèle CAO en 3D…………………………………………………………………………...16
VI.
Respect des spécifications clients………………………………………………………17
VII.
Nomenclature du système et son poids……………………………………………..19
VIII.
Estimation du coût…………………………………………………………………………....20
IX.
Conclusion……………..………………………………………………………………………….21
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I. Présentation générale de l’organisme 1.1 – Présentation générale de l’organisme : L’organisme pour lequel le système doit-être conçu est l'ENSIBS et plus particulièrement pour M. Stéphane BOCHARD, nommé par la suite le client. Il représente les différents corps enseignants.
1.2 – Missions et objectifs stratégiques de l’organisme : La mission principale de l'organisme est la formation de niveaux ingénieurs. Ses activités annexes sont des missions d'expertises, de sous-traitance pour le monde industriel.
1.3 – Organisation générale de l’organisme : L'organisme se décompose en 3 spécialités d'enseignements : mécatronique, génie informatique et génie industriel.
II. Présentation générale du système attendu 2.1 – Introduction : Le système « Préhenseur tactile » est conçu dans une approche mécatronique. La conception du préhenseur doit considérer simultanément : les conditions mécaniques de saisie d’un objet, les besoins en capteurs pour le contrôle et l’adaptation de la prise et la programmation des fonctions de prise. C’est en cherchant une intégration cohérente de ces différentes composantes que nous avons développé le système de préhension tactile décrit dans ce dossier de conception.
2.2 – Conception générale : Le système de préhension tactile se décompose en deux parties : La structure mécanique, qui regroupe d’une part le système des pinces pour assurer la prise d’objets et d’autre part le mécanisme de préhension qui anime les pinces afin de transmettre l’effort de serrage. Les capteurs, qui permettent aux pinces d’avoir le sens du toucher tout en permettant d’avoir une mesure de la force de serrage. D’une manière générale, nous avons cherché, dans la construction technologique, la meilleure intégration possible de ces sous-ensembles.
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2.3 – Détermination de la structure mécanique : 2.3.1 – Définition du mécanisme de préhension : Le mécanisme de préhension doit-être défini de sorte à offrir : Une bonne transmission de vitesse dans le mouvement d’ouverture et de fermeture des pinces. Une bonne transmission de la force (ou couple) développée par les pinces pour le serrage des objets. Aussi, il doit satisfaire aux conditions de rigidité de la prise tout en restant peu encombrant que possible. C’est pourquoi, la solution technique que nous avons adoptée pour le mécanisme de préhension est un système d’engrenages. Nous avons choisi de développer ce système, car cela nous paressait la solution la plus simple et surtout la plus fiable. En effet, nous pouvons paramétrer facilement la vitesse et le couple de sortie, en jouant simplement avec le rapport de réduction fournit par les engrenages. Aussi, ils permettent un guidage avec peu de dissipation d’énergie par frottement, et s’adaptent plus facilement aux conditions d’encombrements. Le mécanisme utilisé pour le préhenseur tactile est décrit par le schéma cinématique de la figure 1 ci-dessous.
Figure 1 : Schéma cinématique du système
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2.3.2 – Définition du système de pince : Nous avons voulu concevoir un système de pince pratique, léger et économique. Ainsi, nous avons conçu une pince à deux doigts (cf. figure 2). Cependant, il sera toujours possibles d’ajouter des adaptateurs suivant le type de pièce à saisir.
Figure 2 : Pince à deux doigts
2.4 – Détermination du principe de mesure : Dans cette partie, nous allons choisir le type de capteur que nous allons avoir besoin pour mesurer la force de serrage. Afin de choisir correctement ce capteur, nous définissons tout d’abord :
Le type d’évènement à détecter : Le capteur doit-être capable de mesurer la force de serrage des pinces lors de la prise d’objets.
La grandeur de l’évènement : Le capteur doit-être capable de mesurer une force de serrage de 25 Newton minimum.
L’environnement de l’évènement : Le capteur doit-être insérer sur les pinces sans gêner le fonctionnement du système.
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En fonction de ces choix, nous avons déterminé le type de capteur :
Choix du capteur :
Le capteur que nous avons choisi est un capteur à jauge de contrainte.
Principe du capteur :
La jauge de contrainte ou extensomètres à fils repose sur le principe d'un fil que l'on déforme. Le but est de traduire la déformation des doigts en variation de résistance électrique. Plus les extensomètres s'étirent et plus leurs résistances augmentent. Les jauges de contraintes sont souvent associées par 4 sur un pont de Wheastone. Quatre jauges identiques sont placées sur le doigt : - Deux sont actives, les résistances R2 et R3 varient en fonction de la déformation. -
Deux sont passives, elles sont placées de telle sorte qu’elles ne se déforment pas en fonction de la pression, les résistances R1 et Rx varient seulement en fonction de la température.
Le montage en pont de Wheatstone est le suivant :
Implantation du capteur :
La jauge de contrainte sera implanté sur la longueur de serrage de l’un des deux doigts du préhenseur. Elle sera collée et elle subira des déformations du fait de la pression. Voici comment le capteur sera implanté : Jauge de contrainte Doigt
Longueur de serrage
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2.5 – Contraintes générales s’appliquant au système : Pour le système de préhension tactile, les contraintes touchent d’une manière générale : Aux propriétés intrinsèques des objets à manipuler. Aux opérations que subissent les objets. A l’environnement des objets. Les contraintes peuvent s’exprimer de cette façon : Contraintes liées aux objets : - Dimensions et géométrie. - Inertie et masse. - Rigidité. - Géométrie des surfaces de prise. - Rugosité des surfaces. Contraintes d’environnement de la fonctin prise : - Sécurité de la prise. - Maîtrise de la position et de l’orientation des objets. - Variations de positionnement des objets avant la prise. - Efforts extérieurs appliqués à l’objet. - Accesibilité aux espaces de prise et de dépose. Contraintes de la fonction prise : - La zone de préhension. - La force de serrage. - Temps de cycle de l’opération de saisie. Contraintes d’intégration mécanique : - Le dimmensionnement du système. - Intégration du capteur de mesure. - Fixation du système à la brique NXT. Aussi, nous pouvons ajouter la nécessité d’avoir un système de préhension peu coûteux pour sa construction tout en atteignant une bonne maintenabilité ainsi que d’une bonne protection contre les chocs. L’analyse de ces contraintes montre qu’il est nécessaire de renforcer le caractère flexible de la prise. C’est pourquoi, nous pouvons dire que la flexibilité est atteinte lorsque les fonctions suivantes sont assurées : Maintien en position de la pièce indifféremment de sa géométrie, de ses dimensions et des efforts extérieurs qu’elle subit. Mesure des efforts de serrage et adaptation aux variations de rigidité des objets. Détection du contact des pinces sur l’objet à saisir. Détection de la présence d’objet.
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III. Notice de calcul Dans cette partie, nous avons réalisés deux notices de calcul dans le cas le plus défavorable. C’est pourquoi, dans un premier temps, nous allons réaliser une notice de calcul pour la force. Puis, dans un second temps nous allons concevoir une autre notice de calcul afin de déterminer le temps d’ouverture et de fermeture des pinces.
3.1 – Notice de calcul de la force :
Schéma du train d’engrenages :
Nous pouvons en déduire le processus de calcul pour déterminer la force :
1) Calcul du rapport de réduction r :
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2) Calcul de la vitesse en sortie du train d'engrenage Nr :
3) Calcul du couple résistant Cr : Sachant que nous négligeons le rendement, c'est pourquoi Pr = Pm D’où :
Alors :
(
)
4) Calcul du couple résistant Cr :
Schéma du doigt :
𝑭𝟏
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𝑭𝟐
𝑭𝟑
D’après la schématisation précédente, nous pouvons en déduire différentes distances : Distance 1 = 23.81 mm = 2.381 cm (
)
Distance 3 = 63.50 mm = 6.350cm D’où
Calcul de la force F1 :
Calcul de la force F2 :
Calcul de la force F3 :
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Ainsi, nous pouvons en déduire aux différents points d’application les forces pour chaque doigt :
Conclusion : Nous pouvons voir que les forces exercés dans le cas le plus défavorable pour un doigt est :
Nous sommes dans l’intervalle de tolérance de la spécification de la force de serrage de la pince. Ainsi, nous répondons favorablement à l’exigence du client.
3.2 – Notice de calcul du temps d’ouverture et de fermeture :
Rappel des besoins du client :
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1) Calcul du temps d’ouverture des pinces : Tout d’abord, nous calculons la vitesse d’ouverture :
Avec : Rayon primitif de la roue dentée Z4 = 25 mm, une vitesse de rotation d’entrée Ne = 130 tr/min et un rapport de réduction r = 0.04. Soit :
Ensuite, nous pouvons en déduire le temps d’ouverture :
Conclusion : Nous pouvons voir que le temps d’ouverture des pinces dans le cas le plus défavorable est de 2.203 s. Nous sommes dans l’intervalle de tolérance de la spécification du temps d’ouverture de la pince.Ainsi, nous répondons favorablement à l’exigence du client.
2) Calcul du temps de fermeture des pinces : Dans un premier temps, nous calculons le temps de fermeture avant accostage :
Sachant que la course de fermeture avant accostage est de 20 mm et que la vitesse de fermeture avant accostage est la même que la vitesse d’ouverture, soit de 13.61 mm/s. Page 12 sur 21
Puis, nous pouvons calculer le temps de fermeture pendant l’accostage :
Sachant que la course de fermeture pendant l’accostage est de 10 mm et que la vitesse de fermeture pendant l’accostage est :
Avec : Rayon primitif de la roue dentée Z4 = 25 mm, une vitesse de rotation d’entrée Ne = 70 tr/min et un rapport de réduction r = 0.04.
Donc :
Maintenant que nous avons le temps de fermeture des pinces avant accostage et pendant accostage, nous pouvons en déduire le temps de fermeture totale :
Conclusion : Nous pouvons voir que le temps de fermeture des pinces dans le cas le plus défavorable est de 2.8331 s. Nous sommes dans l’intervalle de tolérance de la spécification du temps de fermeture des pinces. Ainsi, nous répondons favorablement à l’exigence du client.
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IV.
Plan d’ensemble du système 2D
Dans cette partie, nous allons vous présenter le système en 2D. C’est pourquoi, nous avons réalisé une vue d’ensemble du système sans le système d’accroche et une autre vue d’ensemble avec le système d’accroche :
Système sans le système d’accroche :
Conclusion : Grâce à cette représentation en 2D du préhenseur tactile sans le système d’accroche, nous pouvons voir que nous avons une longueur de 164.10 mm, une largeur de 94.36 mm et une hauteur de 56.19 mm.
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Système avec le système d’accroche :
Conclusion : Grâce à cette représentation en 2D du préhenseur tactile avec le système d’accroche, nous pouvons voir que nous avons une longueur de 199.11 mm, une largeur de 134.05 mm et une hauteur de 63.81 mm.
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V. Modèle CAO en 3D Nous avons réalisé le modèle CAO en 3D du système.
Système sans le système d’accroche :
Système avec le système d’accroche :
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VI.
Respect des spécifications clients
Dans cette partie, nous allons voir si nous avons respecté les spécifications clients. C’est pourquoi, nous avons réalisé deux matrices de validation. Une matrice de validation sans le système d’accroche et une autre matrice avec le système d’accroche Toutes les valeurs estimées des spécifications sont justifiées dans les parties précédentes de ce dossier de conception ainsi que dans les fichiers CAO et PDF joints à ce dossier.
Matrice de validation sans le système d’accroche :
Spécification
Valeur
Tolérance
Valeur estimée Validation
Longueur
180 mm
+ 10 mm
164.10 mm
Oui
Largeur
90 mm
+ 5mm
94.36 mm
Oui
Hauteur
60 mm
+ 5 mm
56.19 mm
Oui
Longueur serrage
40 mm
- 10 mm
39.68 mm
Oui
Ouverture
50 mm
Aucune
50 mm
Oui
Fermeture
20 mm
Aucune
20 mm
Oui
Force max de serrage
25 N
-5N
29.27 N
Oui
Temps d’ouverture
2s
+1s
2.203 s
Oui
Temps de fermeture
2s
+1s
2.8331 s
Oui
Vitesse d’accostage
10 mm/s
Réglage par soft
10 mm/s
Oui
Conclusion : D’après la matrice, nous pouvons voir que nous avons répondu favorablement à toutes les spécifications client.
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Maintenant, nous nous intéressons juste aux spécifications de dimensionnement sans le système d’accroche C’est-à-dire la longueur, la largeur et la hauteur. Sachant que les autres spécifications restent identiques.
Matrice de validation avec le système d’accroche :
Spécification
Valeur
Tolérance
Valeur estimée Validation
Longueur
180 mm
+ 10 mm
199.11 mm
Non
Largeur
90 mm
+ 5mm
134.05 mm
Non
Hauteur
60 mm
+ 5 mm
63.81 mm
Oui
Conclusion : Nous remarquons que nous ne respectons pas les spécifications de longueur et de largeur. A cause du poids de la Brique NXT, nous voulions un système d’accroche fiable car lorsque la pince saisira un objet, il faut que le préhenseur tactile reste accroché à la Brique NXT sans que celle-ci ne cède sous le poids de l’objet.
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VII.
Nomenclature du système et de son poids
Dans cette partie, nous avons réalisé la nomenclature du système :
Nomenclature Numéro des pièces
Nom des pièces
Quantité
32525
6558 3705 3647 3706 3649 3713 120 3749 3673 32065 3713 41239 32039
Bras Technic 1x11 Pion Technic long avec friction Barre Technic 4L Engrenage 8 dents Technic Axle 6 Technic Gear 40 Tooth Technic Bush Bras Technic 1x9 Barre 1L avec pion Pion Technic 2L Bras Technic_troit 1x7 Clips pour barre Bras Technic 1x13 Connecteur deux axes perpendiculaires
9842
Moteur
3 1 1 2 3 3 2 2 8 10 1 1 2 3 1
Conclusion : Avec l’aide du logiciel Solidworks, nous avons estimé le poids du système, c’està-dire le poids des pièces et le poids du moteur. Ainsi, nous obtenons un poids total de 124.13 grammes.
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VIII.
Estimation du coût
Dans cette partie, nous avons chiffré le coût du préhenseur tactile :
Chiffrage du coût Pièces 32525 Bras Technic 1x11 6558 Pion Technic long avec friction 3705 Barre Technic 4L 3647 Engrenage 8 dents 3706 Technic Axle 6 3649 Technic Gear 40 Tooth 3713 Technic Bush 120 Bras Technic 1x9 3749 Barre 1L avec pion 3673 Pion Technic 2L 32065 Bras Technic_troit 1x7 3713 Clips pour barre 41239 Bras Technic 1x13 32039 Connecteur deux axes perpendiculaires Moteur 9842
Coût Total
Volume (cm3) 2,55572 0,23211 0,39078 0,17685 0,58629 3,63709 0,1296 2,07676 0,19027 0,16824 0,72047 0,1296 3,03
Qté 3 1 1 2 3 3 2 2 8 10 1 1 2
Remise 0 0 0 0 0 0 0 0 5 10 0 0 0
Prix unitaire 0,30 € 0,07 € 0,09 € 0,07 € 0,11 € 0,40 € 0,06 € 0,25 € 0,06 € 0,06 € 0,12 € 0,06 € 0,35 €
Prix 0,90 € 0,07 € 0,09 € 0,14 € 0,33 € 1,20 € 0,12 € 0,50 € 0,48 € 0,60 € 0,12 € 0,06 € 0,70 €
0,29
3
0
0,08 €
0,24 €
1
0
20,00 €
20,00 €
43
25,55 €
Conclusion : Nous pouvons voir que nous avons un coût total comprenant le préhenseur tactile, le système d’accroche ainsi que le moteur le tout pour un montant de 25.55€.
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IX.
Conclusion
Dans ce projet nous avons conçu un préhenseur tactile à base de pièces de Légo. Tout d’abord, nous avons fait le choix technologique d’utiliser un train d’engrenages à deux étages. Ainsi, nous avons joué sur les différentes tailles d’engrenages qui existaient afin d’avoir le bon couple ainsi que les vitesses d’ouverture et de fermeture exigées par le client. Pour le mode de préhension, nous avons voulu concevoir un système simple. C’est pourquoi, nous avons utilisé deux doigts. Ainsi, nous pourrons ajouter des adaptateurs selon le type de pièce à saisir. Cependant, nous avons rencontrés quelques difficultés avec le respect du dimensionnement, car nous nous sommes rendu compte que le client voulait que le système d’accroche soit compris dans les exigences de dimensionnement, alors que cela n’était pas décrit clairement dans le besoin. C’est pourquoi, nous avons préféré dépasser les tolérances afin d’être sûr que la Brique NXT reste fixe par rapport au préhenseur tactile lorsque ce dernier sert un objet. La suite du projet sera de concevoir le capteur permettant à notre pince de serrer, avec un couple souhaité, un objet compris entre 20mm et 50mm.
