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Techniques de mesure 2006 © Giovanola 1

iPR

Cours de techniques des mesures

TP6: mesures d’effort et de mouvement en milieu industriel

Mécanique, 6èeme semestre

Responsables: K. Agbeviade, J. Giovanola

Assistant: I. Ognjanovic


iPR SommaireSommaire

Exercice: conception d’essais et réalisation de mesures expérimentales

Méthode de conception d’un essai et d’une campagne de mesures expérimentales.

Description du TP– Banc d’essai: description et théorie

– Thème et objectifs du TP

– Capteurs: description et théorie

– Travail pratique et mesures

– Rapport de travail pratique


iPR

Exercice:conception d’essais et réalisation de

mesures expérimentales


iPRExercice: conception d’essais et réalisation de mesures expérimentalesExercice: conception d’essais et réalisation de mesures expérimentales

Le schéma ci-dessus représente un axe de machine outil, entraîné par un moteur et une vis à bille. On veut (1) déterminer expérimentalement la position en fonction du temps et (2) estimer la masse de la table (sans démonter le système).Concevoir les essais à réaliser, en spécifiant le CDC pour les capteurs à utiliser.

Table


iPR




iPR Démarche généraleDémarche générale

Etablir les objectifs des mesures

Définir le « cahier des charges » des

mesures

Concevoir de la manipulation

Choisir les capteurs

Concevoir la chaîne d’acquisition

Rédiger un protocole d’essai


iPRConception et réalisation de mesures expérimentales [1]Conception et réalisation de mesures expérimentales [1]

Etablir les objectifs des mesures:– Générer de nouvelles connaissances

– Valider le modèle d’un phénomène physique

– Caractériser un système physique

– Identifier des grandeurs physiques définies

– Surveiller (passif) ou contrôler (actif) un phénomène physique


iPR

Définir le « cahier des charges » des mesures:– Grandeurs mesurées

» Variables indépendantes» Variables dépendantes

– Caractéristiques des grandeurs mesurées » Amplitude moyenne» Amplitude et vitesse des variations temporelles» Amplitude et gradient des variations spatiales

– « Tolérances » de mesure– Type des mesures

» Uniques (essais destructifs)» Répétitives (système en régime permanent)

Conception et réalisation de mesures expérimentales [2]Conception et réalisation de mesures expérimentales [2]



Conception de la manipulation:– Configuration physique

» Donnée (caractérisation d’un système existant)» A développer (ex: essai des matériaux)

– Définition des points de mesures– Redondance des mesures

Choix des capteurs:– Type de mesure, avec ou sans contact– « Tolérances » de mesure (résolution et précision)– Performances dynamiques– Environnement (T, p, aggressivité)– Taille– Coût



Conception de la chaîne d’acquisition:– Nombre de canaux– Durée de la mesure (moyen de stockage des

données)– Taux d’acquisition– Méthode de déclenchement et de

synchronisation des enrégistrements– Alimentation des capteurs– Isolation– Sécurisation des mesures



Protocole d’essai:– Planification statistique des essais (plan d’expérience +

nombre de répétition d’essais pour conditions identiques) – Supervision, responsabilités individuelles – Procédure d’étalonage des capteurs– Schéma détaillé de la chaîne de mesure– Formel du déroulement de l’essai

» Contrôle des sensibilités, vitesses d’acquisition, alimentations» Synchronisation, déclechement» Sécurité

– Démarche après l’essai– Journal d’essai


iPR

Description du TPDescription du TP


iPR Thème et objectifs du TPThème et objectifs du TP

Thème: – Mesure de dépl., vitesse, accélération,couple– Sur une installation industrielle, pour la régulation

Objectifs généraux:– Etre confronté à divers capteurs très communs, comprendre

leur fonctionnement et les utiliser– Comprendre l’influence du capteur sur la grandeur mesurée et

sur le comportement du système déduit de la mesure– Savoir choisir le capteur pour l’application

Objectifs spécifiques:– Mettre en évidence la dynamique d’un axe de machine-outil et

l’influence du régulateur– Mesurer la même grandeur physique avec différents capteurs;

comparer et discuter de façon critique le résultat des mesures– Estimer la valeur de la masse de la table à partir des mesures


iPR Banc d’essai: descriptionBanc d’essai: description

Accouplement 1 Kax1 : rigidité axialeKt1 : rigidité torsionJ1 : inertieM1 : masse

Support palier Kappuis : rigidité flexion

lvis

CouplemètreKaxcpl : rigidité axialeKtcpl : rigidité torsionJcpl : inertieMcpl : masse


Table Mtable : masse table

Frottement(source de dissipation,amortissement)

Codeur Jcod : inertieMcod : masse codeur

TachymètreMtachy : masseJtachy : inertie


MoteurMmot : masseKtm : rigidité torsion Kaxm : rigidité axialeJm : inertie moteur

Fusible Kaxfus : rigidité axialeKtfus : rigidité torsionJfus : inertieMfus : masse Tubes

Ktrtube : rigidité axiale tractionKctube : rigidité axiale compression

EcrouKecr : rigidité axiale

Butée Kbut : rigidité axiale

VisKcvis : rigidité axiale Ktvis : rigidité torsioni: rapport de réduction (pas/2*�)Jvis : inertie de la visMvis : masse vis

Règle optique

Accéléromètre

LVDT


iPR Banc d’essai: théorieBanc d’essai: théorie

[ ]

( )( ) [ ] ( )

( )⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−−+−

−+−

−

=

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛+−

−+

=

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

=

11

11

22

2

22

1

2

000

000

0000360063330033

eqeq

eqeqtvistvis

tvistviseqeq

eqeq

eq

visvis

visvisvisvis

visvistable

m

p

v

m

p

v

KKKKKK

KKKiiKiKK

K

JJJJJMiMi

MiMM

M

x

X

x

X

ϕϕϕ

ϕϕϕ

ϕv

X

Kecr

Mtable

ϕm ϕp

Keq1

Jeq1

Kbut

u

lvisKcvis, Ktvis, Mvis, Jvis

[ ] [ ] 0=+ XKXM

Hz2320 Hz164Hz920 4321 ==== ffff


iPR

Capteurs


iPR Généralités sur les capteursGénéralités sur les capteurs

Grandeur physique

• Générer un effet de la grandeur physique

• Transformer l’effet en une grandeur mesurable(étalon, corps d’épreuve)

• Convertir / enregistrer / afficher la mesure

• Augmenter la résolution

Principe physique de la

mesure

Traitement du signal


iPR Capteurs: règle optique [1]Capteurs: règle optique [1]

DéplacementEtalon: réseau (C)Méthode de mesure:– Transmission– Reflexion

Signaux sinusoïdaux:– Obturation– Interférence/diffraction

QuadratureInterpolationMesure:– Incrémentale– Absolue


iPR Capteurs: règle optique [2]Capteurs: règle optique [2]

Par diffraction et interférence

Changement de parcours optiquepar mouvement de la grille: sinEquation de la diffraction: sin

( ) /Déphasage:

2 /Intensité des rayons diffractés (3 x) réfléchis et interférés

Δ xC m

Δ x m x C

(x) m x C

m

αα λ

λ

π

==

→ =

→ Ω =

1, 1( ) 2[1 cos(8 / )]I x x Cπ

= −→ ∝ +


iPR Capteurs: traitement du signal (1)Capteurs: traitement du signal (1)

Quadrature

Résolution: C → C/4Direction du déplacementElimination des erreurs de compatage

2ou 1/

2 avec

coset sin 21

==

==

iiCx

ASASπϕ

ϕϕ

)arctan(et tan2

1

2

1

SS

SS

== ϕϕ


iPR Capteurs: traitement du signal (2)Capteurs: traitement du signal (2)

InterpolationPar diviseur de tension

)2sin(2sin2cos)sin(sincos

sin

2112

2111

110

βϕβββϕββ

ϕ

+=+=+=+=

==

ASSSASSS

ASS

Par traitement digital

Sx


iPR Capteurs: transformateur différentielCapteurs: transformateur différentiel

Déplacement ou anglePas de frottement, usure, hystérèseZéro stableHaute résolutionRobuste

{ } 21111 )(")(')( ixMxMjijLRe ωω −++=

{ } { } 0)()()( 12"2

'2

"2

'2 =′′−′+++++ ixMxMjiLLjRRR i ωω

{ }{ } [ ]{ }2

212

211221

10 )()()()(

)(')("xMxMLLRRLRLjRRR

exMxMRjvii

i

′′−′+−++++−

=ωω

ω

"2

'22

"2

'22 et RRRLLL +=+=


iPR Capteurs: encodeur [1]Capteurs: encodeur [1]

Absolu

Incrémental

Angle« Règle optique circulaire »Résolution:– pas du réseau– nbr. pistes (bits)– détection

d’erreur (Code Gray)


iPR Capteurs: encodeur [2]Capteurs: encodeur [2]

Encodeur incrémental avec deux pistes en quadrature.– Détection de direction– Supression d’erreur

21 20

23 22

171480001011111101000:Recul211134

0010101111010100:Avance


iPR Capteurs: tachymètreCapteurs: tachymètre

Vitesse angulaire

Ri

dynamo

U RchargeE

I

)(faible très

)(arg

ω

ω

EUI

IREIRU iech

≈

−==


iPR Capteurs: accéléromètreCapteurs: accéléromètre

Corps d’épreuve: poutre en flexionMesure: déformation due à la force inertielle (jauges intégrées)Filtre passe bas 2d ordreFréquences caractéristiques: fn, fref

xxmm

xx

c

km

200

2 21)(

ωξω ++−

=ss

sG

xmkxxcxm mmm −=++


iPR Capteurs: couplemètreCapteurs: couplemètre

Mesure: déformation due au coupleCorps d’épreuve: arbreTransformateur différenciel en rotation


iPR Plan du rapport de TPPlan du rapport de TP

Page de titre:– Numéro du groupe, nom des étudiants, date, titre du TP

Organisation du groupe, répartition des tâches.Comparaison des déplacements par les 5 méthodes.– Comparaison des mesures– Discussion des différences et conclusions

Résultats de la mesure du couple et estimation de la masse de la table– Résultats de la mesure du couple et de l’accélération– Méthode d’estimation de la masse de la table– Discussion des résultats et conclusion

Résultats de la comparaison du comportement du système avec régulateurs PID 1 et 2– Comparaison des résultats– Discussion des différences et de la dynamique du système– Estimation des fréquences propres

Discussion et conclusions généralesAnnexes: toutes les données expérimentales et documentation


iPR Travail pratique et mesures (1)Travail pratique et mesures (1)

Régulateur PID 1, programme cyclique– Mesurer le déplacement de la table avec:

» La règle optique» Le LVDT

– Mesurer la vitesse de la table avec:» Le tachimètre» Calculer le déplacement par intégration des mesures de vitesse

– Mesurer l’accélération de la table» Calculer le déplacement par double intégration de l’accélération

– Comparer les déplacements obtenus avec les 4 méthodes et commenter les différences

– Mesurer le couple sur la ligne d’arbre et l’accélération pour une rampe de vitesse et pour une vitesse constante

– A partir de ces résultats, estimer la masse de la table à plusieurs instants; commenter les résultats


iPR Travail pratique et mesures (2)Travail pratique et mesures (2)

Régulateur PID 1, mise en position rapide (programme trapèze)– Mesurer le déplacement de la table avec la règle optique– Mesurer l’accélération de la table– Mesurer le couple sur la ligne d’arbre

Régulateur PID 2, mise en position rapide (programme trapèze)– Mesurer le déplacement de la table avec la règle optique– Mesurer l’accélération de la table– Mesurer le couple sur la ligne d’arbre– Comparer les comportements dynamiques du système avec le

régulateur 1 et le régulateur 2. – Décrivez vos observations. Qu’en concluez-vous?– Pouvez-vous identifier des fréquences propres du système? A

quels éléments correspondent-elles?

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