Sciences de l'Ingenieur

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L ’ E I N D G S EN E C I N E E I

TRONC COMMUN DU POLE TECHNOLOGIQUE

A V A N T - P R O P O S Dans notre environnement quotidien, on utilise de plus en plus des systèmes dont la complexité exige une démarche d'étude structurée fondée sur la théorie des systèmes. Pour aborder de tels systèmes, il faut : ¾ ¾

Un minimum de connaissances ou une culture technologique de base, en tant qu'utilisateur ; Et des compétences pluridisciplinaires impliquant une compréhension approfondie des principes scientifiques et techniques sous-jacents.

L'enseignement des Sciences de l'ingénieur apporte alors les concepts élémentaires pour aborder les systèmes. Il est l'interface entre l'enseignement collégial et le pôle technologique du cycle du baccalauréat ; il permet de : ¾ ¾ ¾ ¾

Dispenser à l'élève une base de formation commune aux sections de baccalauréat ; Faire découvrir à l'élève les constituants des divers champs technologiques pour lui faciliter l'orientation et mieux affirmer son projet personnel ; Développer chez l'élève les compétences de raisonnement, de communication, d'expression, d'organisation de travail et de recherche méthodique ; Développer chez l'élève les capacités d'auto apprentissage.

L'enseignement des Sciences de l'ingénieur privilégie l'acquisition de connaissances globales par approche inductive et en promouvant l'utilisation des nouvelles technologies informatiques. Il se base sur des produits-support qui peuvent être aussi bien de l'environnement quotidien de l'élève que de l'environnement industriel. Le produitsupport met en évidence principalement : ¾ ¾ ¾

Une approche fonctionnelle répondant à la question "A quoi sert le produit ?" ; Une approche technologique répondant à la question "Comment est construit le produit ?" ; Une approche physique répondant à la question "Comment le produit se comporte-t-il ?".

Ces différentes approchent se conjuguent très bien avec la démarche de projet qui est fortement conseillée pour la qualité d'enseignement qu'elle procure en favorisant l'autonomie, la recherche, le travail en équipe, la communication, etc. La structure de cet ouvrage est le reflet de cet aspect pluridisciplinaire qu'offre cet enseignement. Il est conforme aux directives et programmes officiels. Il est axé principalement sur 3 modules : 1. 2. 3.

Module 1 : Analyse fonctionnelle ; Module 2 : Chaîne d'énergie ; Module 3 : Chaîne d'information.

Pédagogiquement, ces 3 modules constituent les centres d'intérêt cognitifs et méthodologies qui : ¾ ¾

organise et structure les problèmes à résoudre pour l'acquisition des connaissances ; détermine les activités proposées possibles à proposer aux élèves.

Les 3 modules sont structurés en parties et chapitres pour respecter cette nouvelle vision des programmes et permettre aux élèves un apprentissage progressif avec un enchaînement permettant d'appréhender peu à peu la pluridisciplinarité d'un système. En plus des 3 modules, 2 annexes donnent plus de cohésion à l'ouvrage. Il s'agit d'annexes relatives à la démarche de projet industriel : ¾ ¾

Une annexe A donne des exemples de systèmes à réaliser ; ces systèmes-support sont simples mais riches en enseignements ; Une annexe B donne des directives pour le projet simple encadré (PSE) ; ces directives proposent de l'organisation et de la gestion d'un PSE, ainsi que des exemples des thèmes à traiter avec les élèves.

LES AUTEURS

POUR SE REPERER DANS L’OUVRAGE

1

Utiliser le sommaire pour se situer dans la structure du livre qui est organisé comme suit : ¾ Le contenu du livre est divisé en 3 modules ; ¾ Chaque module est constitué de plusieurs parties ; ¾ Chaque partie est divisée en plusieurs chapitres. Exemple : Le chapitre GRAFCET de la partie 2 (Traitement de l’information) du module 3 (Chaîne de l’information) se trouve à la page 176.

LE CHAPITRE

LE MODULE LA PARTIE LE SOMMAIRE

2

Utiliser l’index pour aller directement à l’essentiel en recherchant une définition, une méthode, un exercice ou un mot clé. Il suffit de choisir le mot qui caractérise au mieux le domaine de votre recherche pour obtenir ensuite la page correspondante dans l’ouvrage.

S O M M A I R E MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE A V A N T - P R O P O S

................................................ 2

CHAPITRE 1 ......................................................... 9 ANALYSE FONCTIONNELLE EXTERNE ................................................................................................. 9

1. BESOIN : ............................................................................................................................................. 9 2. PRODUIT ............................................................................................................................................10 3. REPONSE AU BESOIN ..............................................................................................................................11

CHAPITRE 2 ........................................................ 20 ANALYSE FONCTIONNELLE INTERNE ................................................................................................20 1. 2. 3. 4.

LE DIAGRAMME FAST : ............................................................................................................................20 DIAGRAMME SADT :................................................................................................................................21 LE CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL : .....................................................................................................23 DEMARCHE DE PROJET INDUSTRIEL : ...........................................................................................................24

CHAPITRE 3 ........................................................ 25 STRUCTURE FONCTIONNELLE D'UN SYSTEME ......................................................................................25

1. STRUCTURE D'UN SYSTEME AUTOMATISE :.....................................................................................................26 2. CHAINE FONCTIONNELLE : .......................................................................................................................28

CHAPITRE 4 ........................................................ 30 ENTREPRISE INDUSTRIELLE ...........................................................................................................30 1. LE SYSTEME ENTREPRISE :........................................................................................................................30 2. DIFFERENTES TYPES D'ENTREPRISE .............................................................................................................30 3. CYCLE D'EXPLOITATION D'UNE ENTREPRISE INDUSTRIELLE : ................................................................................31 4. LES PARTENAIRES DE L'ENTREPRISE : ...........................................................................................................31 5. FONCTIONS DE L’ENTREPRISE :..................................................................................................................32 6. STRUCTURE DE L’ENTREPRISE : .................................................................................................................32 7. L'ENTREPRISE ET SON ENVIRONNEMENT ECONOMIQUE :.....................................................................................33

CHAPITRE 5 ........................................................ 34 NOTIONS DE GESTION DE PRODUCTION .............................................................................................34 1. L’ACTIVITE DE PRODUCTION : ...................................................................................................................35 2. LES METHODES CLASSIQUES DE GESTION DE PRODUCTION : ................................................................................36 3. LA GESTION DE LA QUALITE : ....................................................................................................................37

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE PARTIE 1 :ALIMENTATION EN ENERGIE

CHAPITRE 1 ........................................................ 41 ALIMENTATION ELECTRIQUE..........................................................................................................41

1. SOURCE DE TENSION ALTERNATIVE : ...........................................................................................................41 2. SOURCE DE TENSION CONTINUE : ...............................................................................................................42 3. MESURE DE TENSION : ............................................................................................................................42 4. COURANT ELECTRIQUE ...........................................................................................................................43 5. ALIMENTATION CONTINUE STABILISEE : ........................................................................................................46 6. AUTRES FONCTIONS ASSOCIEES AU TRAITEMENT D'ENERGIE : ..............................................................................49

CHAPITRE 2 ........................................................ 53 LES ALIMENTATIONS PNEUMATIQUES ...............................................................................................53

1/ PRODUCTION DE L’ENERGIE PNEUMATIQUE : .................................................................................................53 2/ PRINCIPES PHYSIQUES : ..........................................................................................................................54

CHAPITRE 3 ........................................................ 55 LE RISQUE ELECTRIQUE ...............................................................................................................55 1. EFFETS PHYSIOLOGIQUES DU COURANT ELECTRIQUE ........................................................................................55 2. TENSION LIMITE DE SECURITE ...................................................................................................................56 3. CONTACT DIRECT ET INDIRECT ET PROTECTION ASSOCIEE : ...............................................................................57

CHAPITRE 4 ........................................................ 58 REALISATION DE CIRCUIT IMPRIME ..................................................................................................58 1. REALISATION DU TYPON ..........................................................................................................................58 2. INSOLATION ET DEVELOPPEMENT DU CIRCUIT IMPRIME......................................................................................61 3. GRAVURE DU CIRCUIT IMPRIME ..................................................................................................................62 4. MISE EN PLACE DES COMPOSANTS ET SOUDURE...............................................................................................62 5. EXEMPLE D'APPLICATION : .......................................................................................................................63

PARTIE 2 : DISTRIBUTION DE L'ENERGIE

CHAPITRE 1 ........................................................ 65 PREACTIONNEUR ELECTRIQUE........................................................................................................65 1. LE CONTACTEUR ...................................................................................................................................65 2. LE SECTIONNEUR ..................................................................................................................................66 3. LES FUSIBLES .......................................................................................................................................67 4. LE RELAIS THERMIQUE ............................................................................................................................67 5. RECAPITULATION : ................................................................................................................................68

CHAPITRE 2 ........................................................ 69 PREACTIONNEURS PNEUMATIQUES ..................................................................................................69 1. 2. 3. 4.

LE DISTRIBUTEUR 3/2 : ...........................................................................................................................69 LE DISTRIBUTEUR 5/2 : ...........................................................................................................................70 LES DISPOSITIFS DE COMMANDE : ...............................................................................................................70 LOGICIELS DE SIMULATION : .....................................................................................................................71

PARTIE 3 : CONVERSION DE L'ENERGIE

CHAPITRE 1 ........................................................ 73 ACTIONNEURS ELECTRIQUES .........................................................................................................73 1. ELECTROAIMANT (EA) : ...........................................................................................................................73 2. ELECTROVANNE : ..................................................................................................................................73 3. LE MOTEUR ELECTRIQUE :........................................................................................................................74

CHAPITRE 2 ........................................................ 78 ACTIONNEURS PNEUMATIQUES.......................................................................................................78 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

LES VERINS :........................................................................................................................................78 CONSTITUTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : ........................................................................................78 LE VERIN SIMPLE EFFET : .........................................................................................................................78 LE VERIN DOUBLE EFFET :........................................................................................................................79 CARACTERISTIQUES ET PERFORMANCES D’UN VERIN : ......................................................................................79 EXEMPLE D’UTILISATION DES VERRINS :........................................................................................................80 LE GENERATEUR DE VIDE OU VENTURI : .......................................................................................................80

PARTIE 4 :TRANSMISSION DE L'ENERGIE

CHAPITRE 1 ........................................................ 82 REGLES DE BASE DE DESSIN INDUSTRIEL ............................................................................................82 1/ PRINCIPAUX TYPES DE DESSINS INDUSTRIELS .................................................................................................82 2/ FORMATS ...........................................................................................................................................83 3/ ELEMENTS PERMANENTS .........................................................................................................................83 4/ L'ECHELLE ..........................................................................................................................................84 5/ LE CARTOUCHE: ...................................................................................................................................84 6/ NOMENCLATURE : .................................................................................................................................85 7/ ECRITURE : .........................................................................................................................................85 8/ LES TRAITS : .......................................................................................................................................86

CHAPITRE 2 ........................................................ 87 PROJECTION ORTHOGONALE .........................................................................................................87 1/ PERSPECTIVE CAVALIERE.........................................................................................................................87 2/ PERSPECTIVE AXONOMETRIQUE .................................................................................................................88 3/ PROJECTIONS ET VUES ...........................................................................................................................90

CHAPITRE 3 ........................................................ 93 NOTIONS GENERALES SUR LES MATERIAUX.........................................................................................93

1- CLASSIFICATION DES MATERIAUX : ..............................................................................................................93 2- PROPRIETES DES MATERIAUX :..................................................................................................................93

3- SYMBOLES DES MATERIAUX : .....................................................................................................................94 4- DESIGNATION DES MATERIAUX : .................................................................................................................94

CHAPITRE 4 ........................................................ 97 LES COUPES – LES SECTIONS ..........................................................................................................97 1. LES COUPES :.......................................................................................................................................97 2. LES SECTIONS : ....................................................................................................................................99

CHAPITRE 5 ...................................................... 101 LES LIAISONS MECANIQUES ......................................................................................................... 101 1. 2. 3. 4. 5.

MOUVEMENT...................................................................................................................................... 101 HYPOTHESES ..................................................................................................................................... 101 LIAISON MECANIQUE ............................................................................................................................ 101 REPRESENTATION NORMALISEE DES LIAISONS ............................................................................................... 103 Schéma cinématique minimal ................................................................................................................. 107

CHAPITRE 6 ...................................................... 108 CONSTRUCTIONS DES LIAISONS .................................................................................................... 108

1/ LIAISONS COMPLETES ........................................................................................................................... 108 2. FONCTIONS TECHNIQUES D'UNE LIAISON COMPLETE INDEMONTABLE.................................................................... 112 3/ GUIDAGE EN ROTATION ........................................................................................................................ 113 4/ GUIDAGE EN TRANSLATION .................................................................................................................... 115

CHAPITRE 7 ...................................................... 117 TRANSMISSION ET TRANSFORMATION DE MOUVEMENT ........................................................................ 117

1/ POULIES - COURROIES .......................................................................................................................... 117 2/ PIGNONS ET CHAINE ............................................................................................................................ 119 3/ ENGRENAGES .................................................................................................................................... 119 4/ ROUE ET VIS SANS FIN .......................................................................................................................... 121 5/ ACCOUPLEMENTS................................................................................................................................ 122 6. SYSTEME VIS-ECROU............................................................................................................................. 123 7. SYSTEME BIELLE MANIVELLE ................................................................................................................... 124

CHAPITRE 8 ...................................................... 125 REPRESENTATION VOLUMIQUE ..................................................................................................... 125 1. INTERET DE LA CAO ............................................................................................................................. 125 2. LOGICIELS CAO .................................................................................................................................. 125 3. MODELEUR VOLUMIQUE......................................................................................................................... 126 4. CREATION DES VOLUMES ELEMENTAIRES .................................................................................................... 127 5. CREATION D'UNE PIECE SIMPLE : .............................................................................................................. 128 6. CREATION D'UN ASSEMBLAGE SIMPLE ......................................................................................................... 130 7. ANIMATION D'UN ASSEMBLAGE................................................................................................................. 130 8. MISE EN PLAN .................................................................................................................................... 131

CHAPITRE 9 ...................................................... 132 PROCEDES DE FABRICATION DE PIECES MECANIQUES........................................................................... 132 Equipement de réalisation ......................................................................................................... 132 1/ PROCEDES DE MOULAGE ....................................................................................................................... 132 2/ PROCEDES D’USINAGE .......................................................................................................................... 133

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION PARTIE 1 :ACQUISITION DE L'INFORMATION CHAPITRE 1 ...................................................... 140 LES CAPTEURS ........................................................................................................................ 140 1. 2. 3. 4.

DEFINITION : ..................................................................................................................................... 140 NATURE DU SIGNAL FOURNI PAR UN CAPTEUR : ............................................................................................ 140 CAPTEURS TOR : ................................................................................................................................. 141 CAPTEURS NUMERIQUES : ...................................................................................................................... 145

CHAPITRE 2 ...................................................... 146 INTERFACE HOMME / MACHINE (IHM)............................................................................................. 146

1. DIALAOGUE OPERATEUR VERS PARTIE COMMANDE : ....................................................................................... 146 2. DILAOGUE PARTIE COMMANDE VERS OPERATEUR : ......................................................................................... 147

PARTIE 2 : TRAITEMENT DE L'INFORMATION CHAPITRE 1 ...................................................... 150 ALGEBRE DE BOOLE – CIRCUITS LOGIQUES ....................................................................................... 150 1. 2. 3. 4.

DEFINITIONS PRELIMINAIRES : ................................................................................................................. 150 OPERATIONS BOOLEENNES ELEMENTAIRES :................................................................................................. 151 OPERATIONS DERIVEES :........................................................................................................................ 154 REPRESENTATION DES FONCTIONS LOGIQUES : ............................................................................................. 157

CHAPITRE 2 ...................................................... 158 REPRESENTATION ET CODAGE DE L'INFORMATION BINAIRE.................................................................... 158 1. LES SYSTEMES DE NUMERATION : ............................................................................................................. 158 2. CODAGE DE L'INFORMATION BINAIRE : ....................................................................................................... 159

CHAPITRE 3 ...................................................... 163 SIMPLIFICATION DES FONCTIONS LOGIQUES ..................................................................................... 163

1. METHODE ALGEBRIQUE : ....................................................................................................................... 163 2. METHODE GRAPHIQUE : ........................................................................................................................ 165

CHAPITRE 4 ...................................................... 168 TECHNOLOGIE DES CIRCUITS LOGIQUES .......................................................................................... 168

1. NOTIONS DE FAMILLE DE CIRCUIT LOGIQUE ................................................................................................. 168 2. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DES CIRCUITS LOGIQUES : ............................................................................ 169 3. INTERFACAGE DES CIRCUITS LOGIQUES ...................................................................................................... 170

CHAPITRE 5 ...................................................... 171 ELEMENTS DE BASE EN LOGIQUE SEQUENTIELLE ................................................................................ 171

1. CIRCUIT MEMOIRE EN TECHNOLOGIE ELECTRIQUE :........................................................................................ 171 2. CIRCUIT MEMOIRE EN TECHNOLOGIE ELECTRONIQUE : .................................................................................... 172

CHAPITRE 6 ...................................................... 174 LE GRAFCET........................................................................................................................... 174 1. TYPES DE GRAFCET :............................................................................................................................ 175 2. ELEMENTS DE BASE : ............................................................................................................................ 175 3. LES REGLES D'EVOLUTION D'UN GRAFCET : .................................................................................................. 177 4. STRUCTURES DE BASE D'UN GRAFCET : ...................................................................................................... 178

CHAPITRE 7 ...................................................... 181 MATERIALISATION D'UN GRAFCET ................................................................................................. 181 1/ LOGIQUE CABLEE................................................................................................................................ 181 2/ AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL : .................................................................................................. 182

PARTIE 3 : COMMUNICATION DE L'INFORMATION CHAPITRE 1 ...................................................... 188 LIAISON PARALLELE ET LIAISON SERIE ............................................................................................ 188 PRINCIPE : ........................................................................................................................................... 188 2. LIAISON PARALLELE ............................................................................................................................. 189 3. LIAISON SERIE : .................................................................................................................................. 189

CHAPITRE 4 ...................................................... 190 RESEAU LOCAL - INTERNET ......................................................................................................... 190 1. DEFINITIONS : .................................................................................................................................... 190 2. LES TYPES DE RESEAUX : ....................................................................................................................... 190 3. LES MODELES DE RESEAUX :.................................................................................................................... 191 4. LES TOPOLOGIES DE RESEAUX : ............................................................................................................... 192 5. INTERNET : ....................................................................................................................................... 193

A N N E X E S PROJET

...................................................... 194

SIMPLE

ENCADRE

:

DIRECTIVES

................... 198

MODULE 1

ANALYSE FONCTIONNELLE PRÉSENTATION Dans le contexte de la démarche de projet industriel, l'analyse fonctionnelle est une approche scientifique qui raisonne en termes de fonctions devant être assurées par un produit ou système. Elle consiste à recenser, caractériser, ordonner et hiérarchiser les fonctions d'un système. Elle s'applique à la création ou à l'amélioration d'un système. Elle a pour objectif de décomposer le système pour y distinguer :

¾ ¾ ¾

Les fonctions de service qui permettent de répondre au besoin ; L'organisation de l'ensemble de ces fonctions, c'est à dire leur interaction ; Les fonctions techniques qui permettent d'assurer les fonctions de service.

Selon qu'on s'intéresse aux fonctions de service ou qu'on s'intéresse aux fonctions techniques, on parle d'analyse fonctionnelle externe ou interne ; à chacune ses outils. Les plus utilisés de ces outils sont :

¾ ¾ ¾

Le diagramme de bête à cornes pour formuler un besoin ; Le diagramme Pieuvre rechercher les fonctions de service ; Les diagrammes FAST et le SADT pour rechercher les fonctions techniques.

L'analyse fonctionnelle est une démarche appliquée largement dans le monde de l'entreprise industrielle. En effet, pour être compétitive, une entreprise doit :

¾

Être structurée en fonctions et services qui communiquent efficacement, ce qui doit lui permettre d’assurer un fonctionnement optimal pour satisfaire ses objectifs ;

¾

Utiliser les outils adéquats de gestion de production, en vue de fabriquer des produits de qualité, dans les délais requis et au meilleur coût.

COMPETENCES ATTENDUES ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Identifier les éléments transformés par le produit. Décrire la valeur ajoutée par le produit. Énoncer sa fonction de service. Distinguer les différents types de fonctions. Repérer les solutions constructives associées aux fonctions techniques. Définir les étapes du cycle de vie d'un produit. Appréhender les différentes étapes de l'analyse fonctionnelle. Situer l'analyse fonctionnelle dans la démarche de projet industriel.

CHAPITRE 1

ANALYSE FONCTIONNELLE EXTERNE INTRODUCTION : Dans la vie quotidienne, on utilise des produits divers. Chacun de ces produits satisfait à un de nos besoins. Par exemple, on utilise :

•

•

L’ordinateur pour satisfaire le besoin de traiter et stocker les données.

Le store pour satisfaire le besoin de se protéger, des rayons solaires intenses dans une pièce, terrasse, etc.

L'analyse fonctionnelle externe, décrit le point de vue de l'utilisateur et ne s'intéresse au produit qu'en tant que "boite noire" capable de satisfaire son besoin en fournissant des services dans son environnement durant son cycle d'utilisation.

1. BESOIN : 1.1- Définition : Le besoin est une nécessité ou un désir éprouvé par un utilisateur. Il permet de justifier l’existence d’un produit.

1.2- Types de besoin : Le besoin est donc une exigence qui naît de la vie sociale et économique. Il peut être : •

Explicite : l’utilisateur exprime de façon consciente son besoin ; par exemple, un utilisateur exprime le désir de monter un store dans son jardin ;

•

Implicite comme le besoin de se nourrir, etc. ;

•

Latent qui existe de manière non apparente et donc non exprimée ; dans ce cas, c’est aux entreprises de définir ce besoin, car l’entreprise doit avoir toujours des clients pour survivre et se développer.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

9

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

2. PRODUIT 2.1- Définition : Un produit est ce qui est fourni à un utilisateur pour satisfaire à un besoin.

2.2- Types de produit : Un produit peut être un : • Matériel : c'est ce qui est matériel et élémentaire tel que des bouteilles d’huile, des boîtes d’allumettes, du savon, etc. ; • Service : c'est ce qui n’est pas matériel tel qu’un service offert par une agence de voyage, un service offert par une banque, etc. ; • Processus : C'est un produit qui n'est pas élémentaire et qui est donc complexe tel qu’une "grosse machine" qui permet de remplir des bouteilles avec un liquide donné, les boucher et les étiqueter ; l’entreprise qui va vendre le produit bouteille remplie, bouchée et étiquetée achète à son tour ce processus (grosse machine) chez une autre entreprise.

2.3- CYCLE DE VIE D’UN PRODUIT : Le cycle de vie d’un produit est relativement comparable a celui d’un être vivant : naissance, jeunesse, adulte, vieillissement, etc. On peut résumer ce cycle dans les phases suivantes : • Définition du besoin : le produit est défini par le client utilisateur ou crée par le service de "Marketing" d'une société ; un tel service a pour rôle d'étudier le marché et suivre de prêt les besoins des clients : besoin explicite ou latent • Conception et production : Après avoir défini le besoin, les concepteur-réalisateurs, dans leurs bureaux d'études, commencent leurs recherches pour trouver les solutions technologiques répondant au besoin de leurs clients ; puis après avoir fini de la conception du système, vient la phase de production ou industrialisation du système dans les usines de fabrication. • Commercialisation : Le produit répondant au besoin du client sort de l'usine pour trouver sa place dans les magasins de vente. • Utilisation du produit : Le produit est entre les mains du client utilisateur pour répondre à son besoin. • Elimination du produit : Le produit ne répond plus au besoin par vieillissement ou par l'arrivée de nouvelles technologies. Exemple : Micro-ordinateur Le Micro-ordinateur est un système : • C'est un ensemble d'éléments liés : unité centrale, écran, souris, clavier, etc. ; • Il satisfait au besoin ou but de traiter les donnés.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

10

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

2.4- Qualité d'un produit : La qualité est l'ensemble des propriétés et caractéristiques d'un produit qui lui donne l'aptitude à satisfaire un besoin. Elle dépend : • Du nombre de fonctions assurées (fonctions d'usage et d'estime) ; • De la conformité de ces fonctions par rapport à la demande du client ; • De la sûreté de fonctionnement ; en effet un produit doit assurer ses fonctions tout en respectant les normes de sécurité pour les biens et les personnes ; • Du délai nécessaire pour réaliser le produit sans retard ; • Du coût de revient ; en effet, le coût de revient d'un produit dépend de plusieurs phases qu'il faut maîtriser et rationaliser : coût d'étude, coût de fabrication, coût de commercialisation, etc.

2.5- Notion de système : Le terme "système" est souvent utilisé à la place de celui de "produit". En effet, Le concept de système a une signification ou connotation plus riche : il regroupe tous les types de produits mentionnés ci-dessus (matériel, service et processus). C'est le terme qui sera donc utilisé, en général, dans la suite de l'ouvrage. Il est défini, en général, comme suit : Un système est un ensemble d'éléments organisé en fonction d'un but à atteindre ou pour satisfaire un besoin.

3. REPONSE AU BESOIN 3.1- Finalité d’un produit : Pour répondre au besoin, on définit l’action d’un système en termes de sa finalité, c'est à dire en termes de ses fonctions qui rendent service à l'utilisateur. A ce stade, on ne parle pas donc des solutions techniques. L'intérêt de ce principe, pour le concepteur - réalisateur, est de laisser l'esprit ouvert pour la créativité, ce qui permet d'identifier toutes les fonctions possibles devant être assurées par le produit. On entame alors la recherche des fonctions devant être assurées par ce produit. Pour ce faire, on utilise des outils bien adaptés à cette tâche qui sont en principe graphique. En effet, une représentation graphique rend un système plus facile à assimiler, notamment la vision des soussystèmes qui le composent, ainsi que les liaisons et les relations qui les régissent.

3.2- Recherche et formulation du besoin : Le plus souvent, on utilise les 2 outils ou représentations normalisés suivantes : • Le diagramme de la "Bête à cornes" ; • L'Actigramme de la fonction globale.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

11

ANALYSE

3.2.1- Bête à cornes :

FONCTIONNELLE

A qui rend-il service ?

Pour énoncer le besoin fondamental d’un produit, on utilise l’outil ou diagramme de "bête à cornes", qui pose 3 questions fondamentales comme l'indique la figure ci-dessous :

EXTERNE

Sur quoi agit-il ?

Système

Dans quel but le système existe-t-il ? Note : On l'appelle "bête à cornes", parce que le diagramme ressemble un peu à une bête à 2 cornes. L'outil "Bête à cornes" permet de s'assurer que le besoin existe ; par conséquent l'étude du système se justifie et a donc raison d'être. Il nécessite un travail en groupe, afin de tenir compte des points de vue des différents intervenants concernés par le système : l'utilisateur, le concepteur, le distributeur, etc. Exemple 1 : Micro-ordinateur Utilisateur

Données

Microordinateur

Traiter et stocker Les données Exemple 2 : Store automatisé Habitant d'un local

Une zone exposée La toile

Store automatique

Positionner la toile automatiquement

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

12

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

3.2.2- Actigramme de la fonction globale : Un actigramme est un bloc ou boîte fonctionnelle, qui indique la nature de l'activité d'un système ; il est représenté par un rectangle comme suit : Ressources ou données de contrôle W

Matière d'œuvre en entrée

C

R

E

Fonction globale

Pertes et nuisances Messages ou comptes rendus Matière d'œuvre en sortie

• Produit • Energie • Information Système

• Produit • Energie • Information

• Fonction globale : Elle est notée à l'intérieur du rectangle ; on note ce qui suit à propos de la fonction globale : ƒ

ƒ ƒ

La fonction globale d'un système est la fonction pour laquelle il a été conçu et réalisé. C'est la relation établie par le système, qui transforme une matière d'œuvre en la faisant passer d'un état initial en entée à un état final en sortie pour satisfaire le besoin. On la décrit toujours par un verbe à l'infinitif. Exemple : "Traiter les données" ; Elle est aussi appelée fonction d'usage ou fonction de base.

• Matière d'œuvre : C'est ce sur quoi agit le système afin d'en modifier ses caractéristiques ; d’une manière générale, on rencontre 3 types de matière d’œuvre : La matière ; par exemple, une perceuse agit sur une pièce non percée ; L’énergie ; par exemple : un alternateur transforme de l'énergie potentielle (chute d'eau) en énergie électrique ; ƒ L’information ; par exemple un ordinateur agit des données saisies au clavier ou à partir d'un fichier. • Valeur ajoutée : Lors de son passage dans le système, la matière d'œuvre subit une modification ou transformation. On dit que le système lui a apporté de la valeur ajoutée. La valeur ajoutée peut être un déplacement, une transformation, un stockage, etc. ƒ ƒ

• Ressources ou données de contrôle : Ce sont les paramètres qui déclenchent ou modifient le comportement du système. Elles se classent souvent en 4 catégories : ƒ ƒ ƒ ƒ

Données de contrôle d'énergie (W) : Présence d'énergie pour effectuer l'action ; Données de contrôle de configuration (C) : modes de marches (manuel, automatique, pas à pas, etc.) ; Données de contrôle de réglage (R) : paramètres de vitesse, seuils de déclenchement, etc. Données de contrôle d'exploitation (E) : Départ de cycle, arrêt, etc.

Puisqu'elles sont implicites, les données de contrôle sont parfois non représentées pour des raisons de simplification de la lecture de l'actigramme. • Nom du système : Il est indiqué en bas du rectangle. MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

13

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

Exemple 1 : Store automatique E : Intensité du Vent et de lumière R : Réglage de fin de course C : Modes manuel/automatique W : Mise en énergie

Changer la position de la toile

Toile en position initiale

Pertes, bruit Signalisation Toile en position finale

Store automatique

Exemple 2 : Micro-ordinateur

R : Réglage de l'écran, etc. C : Mode graphique, etc. W : Mise en énergie

Traiter et stocker les données

Données

Pertes, bruit Signalisation Données traitées et stockées

Micro-ordinateur

Représentation simplifiée

Traiter et stocker les données

Données

Micro-ordinateur

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

14

Pertes, bruit Signalisation Données traitées et stockées

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

Exemple 3 : Cafetière électrique

Eau dans le réservoir Consignes utilisateur Mise en énergie

Préparer du café chaud

Café en poudre dans filtre

Pertes Signalisation Café chaud préparé dans récipient

Cafetière électrique

3.3- Recherche des fonctions de service : 3.3.1- Définitions : a/ Fonctions de service : Les fonctions de service sont les actions attendues d'un produit pour répondre à un besoin. Une fonction de service est caractérisée par ce qui suit : • Elle est décrite par un verbe à l'infinitif suivi d'un complément ; • Elle peut être une fonction : ƒ ƒ

d'usage, car elle justifie le pourquoi de l'utilisation du système ; d'estime, car elle concerne l'aspect d'esthétisme, de qualité, de coût, etc.

• Elle doit faire abstraction de la solution technique qui pourrait la matérialiser. Exemple : Formulation de quelques fonctions de service d'un store automatisé.

•

Changer automatiquement la position d'une toile de store (fonction d'usage) ;

•

S'adapter à l'architecture de la façade sur laquelle, il sera monté (fonction d'estime).

b/ Fonctions techniques : Une fonction technique représente une action interne au système, pour assurer une ou des fonctions de service ; elle est définie par le concepteur. On la qualifie aussi de fonction constructive, parce qu’elle participe à construire techniquement le système.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

15

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

Dans une démarche de conception, on part d'une fonction de service, qui est compréhensible par l'utilisateur, pour arriver à des composants ou pièces élémentaires tel que les vis de fixation dans le domaine mécanique, les câbles de liaison dans le domaine électrique, etc. La figure suivante donne une schématisation simple de ce processus : Fonction de service

Fonction technique 1

Fonction technique 2

Fonction technique n

Solution Constructive 1

Solution Constructive 2

Solution Constructive n

Composant 1

Composant n

Composant n

Composant 1

Composant 1

Composant n

Exemple : Cas d'un Convoyeur dans un système de conditionnement (Tri, Remplissage /Bouchage, etc.…) Pour faciliter la compréhension, La liste des composants n'est pas exhaustive.

Support de convoyage

Bande de convoyage Palier de guidage

Convoyer des pièces

Arbre et Engrenages Moto-réducteur Bobinage et Tôles

Pour rechercher d'une façon logique et systématique les fonctions de service, on utilise le diagramme des interactions ou diagramme "Pieuvre". Note : Le mot "Pieuvre" est utilisé pour qualifier ce diagramme, parce qu’une fois crée, il ressemble à une pieuvre. 3.3.2- Diagramme Pieuvre : a/ Définition : Ce diagramme recense tous les éléments de l'environnement du système (humain, physique, etc.), qui sont en interaction avec lui. Ce diagramme est défini et caractérisé par ce qui suit :

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

16

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

• Sa structure générale est donnée par la figure ci-dessous (exemple d'un système avec 5 éléments) ; • Il présente donc graphiquement, de manière synthétique et conviviale ce qu’on devrait décrire dans un document très long et peu explicite ; • Il permet de visualiser toutes les relations possibles du système avec les éléments de son milieu ou environnement extérieur ; ces relations sont en fait les fonctions de service ; un tableau accompagnant le diagramme décrit ces fonctions. On distingue : ƒ

Les fonctions principales (FP) : Elles créent des relations entre plusieurs éléments de l’environnement qui expriment les services offerts par le système pour satisfaire le besoin ; dans le schéma général, on trouve FP1 et FP2 ;

ƒ

Les fonctions contraintes (FC) : Elles adaptent le système à un ou plusieurs éléments de son environnement. Dans le schéma général, on trouve FC1 et FC2. Elles contraignent le concepteur à respecter certaines exigences de l'utilisateur, normes de sécurité, etc. Elément 1 Elément 2

FP1

FC2 FC1

Système

Elément 5

FP2

Elément 3 Elément 4

b/ Types de milieu : En général, les éléments de l'environnement d'un système donné peuvent être des milieux habituels suivants : • Milieu physique :

Milieu ambiant (vent, humidité, chaleur, poussière, etc.) ;

• Milieu technique :

Energie électrique (autonomie, recharge ; etc.) ;

• Milieu humain :

Utilisateur (ergonomie, esthétique, bruit, sécurité ; etc.).

• Milieu économique : Critères de qualité (coût, entretien, maintenance, etc.).

c/ Caractérisation des fonctions de service : La caractérisation consiste à énoncer pour chaque fonction de service (principale ou de contrainte) les critères d'appréciation avec des niveaux et une certaine flexibilité. Cette opération se fait en général sous forme d'un tableau, qu'on appelle "tableau fonctionnel" et qui a le format suivant :

Fonction

Critère d'appréciation

Niveau d'un critère d'appréciation

FP ou FC

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

17

Flexibilité d'un niveau

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

Critère d'appréciation d'une fonction : Caractère retenu pour apprécier la manière dont une fonction est remplie ou une contrainte est respectée. Une échelle doit être utilisée pour apprécier le niveau. Niveau d'un critère d'appréciation : Grandeur repérée dans l'échelle adoptée pour un critère d'appréciation d'une fonction. Cette grandeur peut être celle recherchée en tant qu'objectif. Elle aura des valeurs chiffrées avec tolérance (dimensions, paramètres de fonctionnement, coût, niveau sonore, etc.). Flexibilité d'un niveau : C'est l'ensemble des indications exprimées par le demandeur avec des limites d'acceptation. Ces limites sont précisées sous forme de classe de flexibilité: • Classe F0 : flexibilité nulle, niveau impératif ; • Classe F1 : flexibilité faible, niveau peu négociable ; • Classe F2 : flexibilité moyenne, niveau négociable ; • Classe F3 : flexibilité forte, niveau très négociable. d/ Exemples : Les 3 exemples suivants permettent d'illustrer la construction du diagramme Pieuvre, ainsi que la formulation des fonctions de service dans le tableau fonctionnel accompagnant le diagramme. La caractérisation des fonctions de service n'est pas étudiée dans ces 2 exemples pour des raisons de simplicité. Exemple 1 : Micro-ordinateur Diagramme Pieuvre : L'utilisateur FC3

Meuble Support

L'énergie électrique

FC1

FC2

Microordinateur

FC8

FP2

FP1

Réseau Internet

Informations

Tableau fonctionnel : FONCTION FP1 FP2 FC1 FC2 FC3

DESCRIPTION Permettre à l'utilisateur de saisir, traiter, stocker des informations Permettre à l'utilisateur d'échanger des informations via Internet Utiliser l'énergie électrique du secteur Se poser facilement Etre d'un usage aisé et avoir une certaine esthétique

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

18

ANALYSE

FONCTIONNELLE

EXTERNE

Exemple 2 : Souris de micro-ordinateur Diagramme Pieuvre : Ordinateur

Utilisateur FC4

FC1

FP1

Souris FC3

FC2

Support (Tapis)

Energie

Tableau fonctionnel : FONCTION FP1 FC1 FC2 FC3 FC4

DESCRIPTION Déplacer un pointeur à l'écran et valider le choix de l'utilisateur Se connecter à l'unité centrale pour permettre l'échange d'informations Faciliter les mouvements de la souris Alimenter en énergie par l'unité centrale Etre agréable et facile à manier par l'utilisateur

Exemple 3 : Store automatisé. On considère que la matière d'œuvre du store est la toile, donc c'est un élément extérieur. Diagramme Pieuvre : Le mur Le vent

FC1

FP2

Le soleil

L'énergie FC2

Le milieu ambiant

Store automatisé

FP1

FC3 FP3

FC4

La toile

L'utilisateur

Tableau fonctionnel : FONCTION FP1 FP2 FP3 FC1 FC2 FC3 FC4

DESCRIPTION Protéger l’utilisateur contre les rayons intenses du soleil Empêcher la détérioration du store par le vent Prendre en compte les consignes de l’utilisateur S'adapter aux supports Utiliser l'énergie électrique du secteur Résister aux agressions de l'environnement et s'adapter à l'architecture Etre d'un usage aisé et avoir une certaine esthétique

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

19

ANALYSE

CHAPITRE 2 FONCTIONNELLE INTERNE

INTRODUCTION : L'analyse fonctionnelle interne, décrit le point de vue du concepteur en charge de fournir le produit devant répondre au besoin de l'utilisateur. Lors de cette phase de conception, les fonctions de service ou d'usage vont être obtenues à l'aide de fonctions techniques. Pour ce faire, on utilise une analyse descendante. L'analyse fonctionnelle descendante est une démarche, qui utilise des outils ou représentations graphiques. Elle part de la fonction globale et décortique un système pour en sortir les différentes fonctions élémentaires. Elle part donc du général pour aboutir au particulier.

1. LE DIAGRAMME FAST : Le diagramme FAST (Function Analysis System Technique) est un diagramme d'analyse fonctionnelle des systèmes techniques. En effet, lorsque les fonctions de service sont identifiées, ce diagramme a pour méthode de les ordonner et les composer logiquement pour aboutir aux solutions techniques de réalisation, appelées aussi solutions constructives parce qu'elles aboutissent à la construction du système. En partant d'une fonction principale ou de contrainte, le diagramme FAST présente les fonctions techniques et les solutions technologiques associées dans une organisation logique répondant aux 3 questions suivantes : •

Pourquoi cette fonction doit-elle être assurée ?

•

Comment cette fonction doit-elle être assurée ?

•

Quand cette fonction doit-elle être assurée ? Quand ?

Pourquoi ?

Comment ?

Fonction

La réponse à la 3eme question (quand) est souvent omise.

Fonction technique 1

Fonction technique 1

Fonction technique 2

Fonction technique 2 Fonction de service

Fonction de service ET

OU

Fonctions réalisées en même temps

Fonctions alternatives possibles

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

Fonction technique n

20

Fonction technique n

ANALYSE

FONCTIONNELLE

INTERNE

Exemple : Diagramme FAST partiel du store automatisé 3, 4, 7

6 5

1, 2

Gérer

Boîtier de commande (1)

Distribuer l'énergie

Relais (2)

Convertir l'énergie

Moteur électrique (3)

Adapter l'énergie

Réducteur à engrenages (4)

Dérouler/Enrouler

Positionner la toile du Store

Leviers articulés (5)

Guider la toile

Rouleau (6)

Limiter le mouvement Fonctions de service

Capteurs de fin de course (7)

Fonctions techniques

Solutions technologiques

2. DIAGRAMME SADT : La représentation SADT (Structured Analysis and Design Technic) est la technique de modélisation avec analyse structurée. Elle reprend les principes précédents du diagramme FAST, mais utilise des règles précises ce qui la rend plus complexe. Le diagramme est alors un ensemble d'actigrammes ou diagrammes d'activité. Un diagramme SADTest structuré en niveaux comme suit : MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

21

ANALYSE

FONCTIONNELLE

INTERNE

A0

A1 A2 A3

A0

A31

A11 A1

• • •

A3

A33

L'actigramme de niveau le plus élevé, noté A-0 correspond à la finalité ou la fonction globale du système ; Ce diagramme de niveau A-0 se décompose en n diagrammes : A1 à An ; Chacun des diagrammes A1 à An est décomposé à son tour suivant le même principe. Dans l'exemple ci-dessous : ƒ ƒ ƒ

• •

A32

A12

A0 représente le niveau 0, donc la fonction globale du système ; elle se décompose en 2 sous-systèmes A1 et A2 et A3 ; A1 se décompose en A12 et A12 ; Et ainsi de suite.

La décomposition se termine si le niveau souhaité pour atteindre l'objectif est atteint ; Dans chaque diagramme ou niveau, on définit les relations entre les sous systèmes et les données de contrôle.

Exemple : Diagramme SADT partiel du store automatisé

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

22

ANALYSE

FONCTIONNELLE

INTERNE

NIVEAU A-0 Informations

Communiquer A1

NIVEAU A-0

Informations

Boutons Traiter les donnée A2 Lumière Vent

Carte élecronique

Acquérir A5 Capteurs

Réseau 230V

Gérer l’énergie A3 Appareillage

Store en position initiale

Déplacer le store A4

Store en position finale

P.O

3. LE CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL : 3.1- Définition : Le cahier des charges fonctionnel (CdCF) est un document contractuel par lequel le demandeur exprime son besoin en terme de fonctions de service. Pour chacune des fonctions et des contraintes sont définis des critères d'appréciation et leurs niveaux, chacun de ces niveaux étant assorti d'une flexibilité. Il nécessite un travail en groupe, afin de tenir compte des points de vue des différents intervenants concernés par le système : l'utilisateur, le concepteur, le distributeur, etc. D'après la définition, on remarque que le CdCF est l'aboutissement de l'analyse fonctionnelle :

Le besoin est exprimé par le client qui souhaite acquérir un produit pour satisfaire un besoin donné. OU

Analyse fonctionnelle

Le besoin est traduit par l'entreprise à partir d'une étude de marché.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

23

Rédaction du

CdCF

ANALYSE

FONCTIONNELLE

INTERNE

3.2- Contenu du CdCF : Le CdCF contient donc les éléments suivants : • • • •

L'expression du besoin : fonction globale ; La définition des fonctions de service (fonctions principales et fonctions contraintes) ; L'énumération des critères d'appréciation (Satisfaction, coût, performances, sécurité, etc.) ; Le diagramme FAST permet de définir les fonctions secondaires qui permettront d'affiner les critères d'appréciation. Il sera utile de le pousser jusqu'à l'apparition d'une syntaxe OU qui donne des pistes de recherche et offre des choix.

4. DEMARCHE DE PROJET INDUSTRIEL : Un projet industriel est un processus qui dépend de beaucoup de facteurs pour le mener à bien : • •

des ressources humaines pour étudier le projet : de la formulation du besoin aux schémas et plan de réalisation ; des moyens matériels pour mettre en oeuvre le projet et le commercialiser.

La démarche de projet industriel recense et caractérise les étapes que connaît un projet industriel ; on simplifie dans ce qui suit les principales de ces étapes : •

Etape 1 : C'est le service Marketing d'une entreprise qui agit principalement dans cette phase bien qu'en fait, il s'agisse d'un travail pluridisciplinaire. Il s'agit alors de saisir le besoin, l'énoncer et le valider.

•

Etape 2 : Dans cette phase, il s’agit de la définition fonctionnelle d’une sorte de contrat entre le demandeur et le réalisateur ; on y précise les fonctions de service assurées par le produit ainsi que ses caractéristiques.

2- Cahier des charges fonctionnel

Etape 3 : C’est la phase de la traduction des fonctions de service en fonctions techniques, pour aboutir à des solutions technologiques permettant de construire le produit.

3- Conception

•

•

•

Etape 4 : Dans cette phase qui, en principe, contient plusieurs phases, on produit un prototype qui connaîtra des améliorations pour arriver au produit final, pour lequel on fait alors une gestion de production aboutissant à la fabrication en grande série. Etape 5 : C’est la phase où l’entreprise doit commencer à amortir ses investissements dans le produit et faire des profits ; pour cela, elle mène une étude commerciale pour distribuer son produit avec un choix stratégique pour ses points de vente tout en menant une politique publicitaire pour attirer le consommateur vers son produit.

•

Etape 6 : C’est la phase où intervient surtout le service de comptabilité et le service d’après-vente. Il faut alors assurer alors la garantie et la maintenance et évaluer les performances commerciales qui sont censées apporter du profit à l’entreprise.

•

Etape 7 : Cette dernière étape concerne l’action sur le produit au de la de son utilisation avec comme première préoccupation la protection de l’environnement. Pour cela, on pense au recyclage des éléments récupérables et la destruction ou le stockage des autres avec sécurité.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

24

1- Analyse du besoin

4- Production

5- Commercialisation

6- Utilisation du produit

7- Elimination du produit

CHAPITRE 3

STRUCTURE FONCTIONNELLE D'UN SYSTEME INTRODUCTION : Les systèmes sont d'une grande variété ; pour des raisons didactiques, nous nous intéresserons principalement à des systèmes qui ont une représentativité correcte de la réalité des environnements industriel et quotidien ; on peut les classer ainsi : •

Classe des systèmes industriels de production : Les systèmes de cette classe ne sont pas habituels à l'environnement quotidien, mais ils ont une structure dont les composants sont relativement simples : identifiables, ouverts et standard, ce qui facilite leur étude. Exemple : Machine de remplissage et bouchage, machine de tri de pièces, etc.

•

Classe des systèmes "grand public" : Ils font partie de l'environnement quotidien et représentent la technologie actuelle, mais ils ont un degré d'intégration de fonctions un peu élevé, ce qui les rend parfois difficile à étudier. Exemple : Machine à laver, Store automatique, etc.

Ces systèmes qu'ils soient industriels ou "grand public" peuvent être :

L'utilisateur manœuvre le store manuellement pour la montée et la descente de la toile, grâce à une manivelle et son énergie musculaire.

Manuel : Dans ce cas, c'est l'utilisateur qui apporte de l'énergie nécessaire au système et dirige la succession des opérations. Exemple : Store manuel Store manuel Moteur

Mécanisé : Dans ce cas, l'utilisateur est assisté de point de vue énergie par une source extérieure mais c'est lui dirige encore les opérations. Exemple : Store mécanisé

Boutons

Le store est motorisé ; l'utilisateur manipule uniquement des boutons pour monter ou descendre la toile.

Store mécanisé Automatisé : Dans ce cas, l'énergie est apportée par une source extérieure, comme pour un système mécanisé ; mais en plus, la succession des opérations est commandée par un organe électronique doté d'une certaine "intelligence". Exemple : Store automatisé

Capteurs

Electronique

Un organe électronique doté d'intelligence, capte la l'intensité des rayons solaires et la vitesse du vent, et commande la toile du store suivant un programme de. L'action de l'utilisateur est réduite à la mise ne marche du système.

Store automatisé Note : Ce sont les systèmes automatisés qui font donc principalement l'objet d'étude de cet ouvrage.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

25

STRUCTURE

FONCTIONNELLE

D’UN

SYSTEME

1. STRUCTURE D'UN SYSTEME AUTOMATISE : 1.1- Définition : Un système automatisé est un ensemble d'équipements qui permet à partir d'énergie, et de produits bruts ou non finis, de fabriquer des produits finis ; et ce, d'une façon automatique où l'intervention humaine est réduite au minimum, notamment pour les tâches difficiles. La modélisation d'un système automatisé permet de l'étudier d'une manière rationnelle.

1.2- Modélisation simple (Partie Opérative/Partie Commande) : Un système automatisé est un système bouclé, qu'on peut, modéliser par le schéma simple suivant ; il est alors structuré autour : • D'une Partie Opérative (PO), formée par : ƒ ƒ

Les capteurs qui représentent les organes d'observation du système ; Les actionneurs qui représentent les organes de puissance du système ;

• D'une Partie Commande (PC), qui en fonction des comptes rendus des capteurs, fait les traitements nécessaires et donne des ordres aux actionneurs. Ordres vers Actionneurs Partie Commande (PC)

Comptes rendus de Capteurs

Partie Opérative (PO)

Utilisateur (IHM)

L'utilisateur a pour tâche principale de configurer et superviser le système ; il communique avec lui grâce aux moyens de dialogue (boutons, voyants, etc.). Il s'agit de l'Interface Homme Machine (IHM). PC PO

Exemple : Store automatisé

Electronique Capteurs

Sa PO est constitué : • Des capteurs de vent et du soleil qui observent les conditions climatiques ; • D'un moteur électrique qui agit sur la toile, en l'enroulant ou la déroulant sur un tambour.

IHM

Store automatisé

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

26

STRUCTURE

FONCTIONNELLE

D’UN

SYSTEME

Sa PC est constituée d'un organe électronique qui les lit les informations des capteurs, traite ces informations et donne des ordres au moteur. On peut remarquer, à partir du schéma général et de l'exemple du store automatisé, qu'un système automatisé met en œuvre deux chaînes d'opérations : • L’une agissant sur les flux des informations, appelée chaîne d’information ; • L’autre agissant sur les flux de matière et d’énergie, appelée chaîne d’énergie.

1.3- Modélisation avancée (Chaîne d'énergie/Chaîne d'information) : 1.3.1- Introduction : Cette modélisation est plus précise que la première; elle introduit beaucoup plus de concepts ; elle est donc plus compliquée. Pour bien l'aborder, on commence par un exemple, perceuse automatisée : Capteurs (position, etc.) Programme de fonctionnement Modes manuel/automatique Energie électrique et

Pièce non percée dans la goulotte d'alimentation

Percer automatiquement une pièce

Coupeaux, bruit Signalisation Pièce percée dans le bac d'évacuation

Perceuse automatisée

1.3.2- Tâche et sous-ensemble fonctionnel :

Perceuse automatisée

Dans ce système, on distingue principalement 2 sous–systèmes qui concourent à la réalisation de la fonction globale du système :

VM

• Sous–système (SE1) de serrage de la pièce ; • Sous–système (SE2) de perçage de la pièce ;

Dcy

Chacun de ces 2 sous-systèmes est appelé "sous-ensemble fonctionnel", car : • C'est un sous-ensemble de l'ensemble du système ; • Il réalise une tâche qui consiste en un certain nombre d'opérations sur la matière d'œuvre.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

fr

MF

27

pp

VS pd

ps

STRUCTURE

FONCTIONNELLE

D’UN

SYSTEME

Exemple : Le SE1 a pour tâche de déplacer et serrer la pièce. Pour réaliser sa tâche, chaque sous-ensemble fonctionnel effectue une certaine succession d'opérations : acquérir les informations sur l'état des capteurs, traiter ces informations et agir sur la matière d'œuvre. Cette succession d'opérations s'exécute en chaîne de fonctions ; on parle alors de chaîne fonctionnelle. Cette modélisation est donc basée sur la notion de chaîne fonctionnelle (chaîne de fonctions).

2. CHAINE FONCTIONNELLE : Tout système automatisé, plus ou moins complexe, peut être décomposé en chaînes fonctionnelles. Une chaîne fonctionnelle est l'ensemble des constituants organisés en vue de l'obtention d'une tâche opérative, c'est-à-dire d'une tâche qui agit directement sur la matière d'œuvre. Exemples : Serrer une pièce, percer une pièce, prendre un objet, déplacer une charge, etc. Les constituants d'une chaîne fonctionnelle participent : • Soit à des opérations de gestion de l'énergie (Chaîne d'énergie) ; • Soit à des opérations de gestion des informations (chaîne d'information) ; On peut remarquer donc que chaque chaîne fonctionnelle comporte généralement : • Une chaîne d’énergie constituée des fonctions : ƒ ƒ ƒ ƒ

Alimenter ; Distribuer ; Convertir ; Transmettre.

• Une chaîne d’information constituée des fonctions : ƒ ƒ ƒ

Acquérir ; Traiter ; Communiquer.

Ces fonctions sont génériques, c'est à dire qu'elles s'appliquent en principe à presque tous les systèmes. Mais elles pourront faire l’objet d’un développement différent suivant le domaine : • système de contrôle-commande avec interface homme-machine, comme une raffinerie de pétrole • système électronique embarqué, comme un système de commande de voiture moderne ; • système informatique ; • système de communication.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

28

STRUCTURE

Grandeurs physiques à mesurer

FONCTIONNELLE

TRAITER

COMMUNIQUER

Informations issues d’autres systèmes et d’Interfaces H/M

SYSTEME

Informations destinées à d’autres systèmes et aux interfaces H/M

Chaîne d’information ACQUERIR

D’UN

Matière d'œuvre en entrée

Ordres AGIR ALIMENTER

Énergies d’entrée

DISTRIBUER

CONVERTIR

TRANSMETTR

Chaîne d’énergie Matière d'œuvre en sortie

La chaîne d'énergie et la chaîne d'information concourent ensemble, harmonieusement pour "agir" finalement sur la matière d'œuvre. On appelle généralement l'élément responsable de cette dernière opération, "effecteur", du mot effet. Un effecteur est l'élément terminal de la chaîne d'action, convertissant l'action de l'actionneur en un effet ou une opération sur la partie opérative. Exemples : • Forêt de perceuse pour effectuer des trous ; • Convoyeur pour effectuer un déplacement de pièce sur un tapis roulant ; • Pince de robot pour effectuer une force de préhension sur des pièces ; • Tambour de store pour enrouler ou dérouler une toile. En général, les systèmes mettent en œuvre plusieurs types d'énergie qu’ils transforment et convertissent. Les énergies principalement exploitées ou transformées sont l'énergie électrique et l'énergie mécanique sous leurs différentes formes.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

29

CHAPITRE 4

ENTREPRISE INDUSTRIELLE INTRODUCTION : D'une façon simple, on peut savoir ce qu'est l'entreprise par les questions-réponses suivantes : Question Que fait une entreprise ?

Dans quel but ?

Réponse Elle vend sur le marché des biens qu'elle produit • Réaliser un profit ; • Créer des emplois ; • Contribuer au développement de la nation ; • Etc.

On voit donc que l'entreprise a des relations de plusieurs natures (marché, employés, clients, état, agents financiers, etc.). Il convient alors de la définir en tant que système.

1. LE SYSTEME ENTREPRISE : L’entreprise est donc un système qui utilise, transforme et gère un certain nombre de flux d’entée dont la nature est justifiée par la nature de ses activités. Flux d'entrée : ƒ ƒ ƒ ƒ

Flux physiques Flux monétaire Flux d'information Flux de main d'œuvre

Matières d'œuvre que l'entreprise recueille auprès de son environnement

Flux de sortie : Utilisation Transformation Gestion

Entreprise

ƒ Flux physiques ƒ Flux monétaire ƒ Flux d'information

Matières d'œuvre en sortie avec valeur ajoutée par action de l'entreprise

2. DIFFERENTES TYPES D'ENTREPRISE Les entreprises peuvent être classées suivant plusieurs types de critères. Ici, on s'intéresse au point de vue activité. Dans ce cas, on trouve : ƒ

Les entreprises de production des biens ou entreprises industrielles.

ƒ

les entreprises de production de services.

ƒ

Les entreprises de distribution.

Exemple : Lesieur produit de l'huile de table.

Exemple : La RAM propose des voyages en avion. Exemple : Marjane achète des biens et les vend sans les transformer.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

30

ENTREPRISE

INDUSTRIELLE

3. CYCLE D'EXPLOITATION D'UNE ENTREPRISE INDUSTRIELLE : Le cycle d'exploitation d'une entreprise est l'ensemble des opérations réalisées lors de son activité : achats de matières premières, stockage des matières premières, fabrication de produits finis, stockage des produits finis, vente des produits finis et le cycle recommence. Achat de matières premières

Stockage de matières premières

Cycle d'exploitation

Vente de produits finis

Fabrication de produits finis

Stockage de produits finis

4. LES PARTENAIRES DE L'ENTREPRISE : L'entreprise entretient des relations privilégiées avec un certain nombre de partenaires, comme le montre la figure suivante : Salariés

Fournisseurs Salaires Travail

Clients

Marchandises

Marchandises

Paiement

Paiement

Entreprise Remboursement Subventions Emprunt

Cotisations Impôts

Etat

Redistributions

Organisme s sociaux

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

31

Institutions financières

ENTREPRISE

INDUSTRIELLE

5. FONCTIONS DE L’ENTREPRISE : Les fonctions de l’entreprise doivent lui permettre d’assurer un fonctionnement optimal pour satisfaire ses objectifs et rester compétitive. Ces fonctions se concrétisent par des services qui doivent établir un réseau de communication efficace au sein de l’entreprise et avec ses partenaires extérieurs. Suivant l’importance de l’entreprise les fonctions ou services peuvent être plus ou moins nombreux. Le tableau suivant donne en résumé quelques fonctions communes à la plupart des entreprises : Fonction Direction • Définir et appliquer la politique de l’entreprise ; • Coordonner l’ensemble des fonctions ; • Assumer la responsabilité des décisions prises ;

Fonction Production

Fonction Administrative

Fonction Financière • Bien gérer l’argent de l’entreprise ; • Payer les salaires et les fournisseurs ; • Encaisser les factures ;

Fonction Achats et Stocks

• Transformer les matières d’œuvre en produits ; • Améliorer la qualité ; • Réduire les coûts ;

Réseau de communication

• Saisir et gérer l’ensemble des informations administratives, comptables, fiscales, relatives au personnel, etc.

Fonction Mercatique (Marketing) • Proposer de nouveaux produits ; • Rechercher de nouveaux clients ; • Valoriser l’image de marque de l’entreprise ;

Fonction Commerciale

• Rechercher les meilleures conditions ; • Approvisionner à temps ; • Limiter les stocks ;

• Faire connaître les produits ; • Assurer les circuits de distribution ; • Vendre au meilleur prix ;

6. STRUCTURE DE L’ENTREPRISE : La notion de structure d’une entreprise est une notion très importante. Elle est représentée en général sous forme d’organigramme ; elle montre la hiérarchie de l’entreprise et par conséquent indique les relations entre ses différentes divisions ou services. Il y a plusieurs types d'organigrammes basés sur des politiques plus ou moins rapprochées, qui dépendent surtout de l'importance et la grandeur de l'entreprise. On donne ci-après l'organigramme simplifié de la structure dite "hiérarchique" : Direction Générale

Direction Commercial

Force de vente

Direction Personnel

Administratio n des ventes

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

Direction Production

Approvisionnements

32

Usine

ENTREPRISE

INDUSTRIELLE

7. L'ENTREPRISE ET SON ENVIRONNEMENT ECONOMIQUE : L'entreprise est un agent économique qui a pour but de réaliser un profit, en produisant et en vendant des biens et des services. Ceci implique des relations avec l'environnement, qui se traduisent par des flux (mouvements de valeur) : ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Apports personnels des actionnaires (propriétaires) ; Emprunts auprès des banques ou autres agents financiers ; Acquisition de matériel et de marchandises auprès de fournisseurs ; Paiements de personnel ; Règlements reçus des clients ; Paiements d'impôts à l'Etat, etc.

On peut résumer cet aspect économique et comptable par la représentation comptable suivante :

Trésorerie (Banque, Caisse, CCP)

Propriétaires (Capital)

Organismes financiers Clients

Fournisseurs De matériel (Immobilisations)

Fournisseurs de biens et de services

Activité Commerciale (par exemple)

Personnel

Autres organismes (Etat, etc.)

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

33

CHAPITRE 5

NOTIONS DE GESTION DE PRODUCTION INTRODUCTION : Dans une entreprise industrielle, l’activité de production consiste à transformer des matières premières ou des produits semi-finis en produits finis grâce à des moyens de production : Capital, hommes, machines. La gestion de la production a pour objectif de répondre aux questions suivantes, en vue de fabriquer des produits de qualité, dans les délais requis et au meilleur coût : QUESTION QUI ? Fait QUOI ? QUAND ? OÙ ?

DOMAINE Notions de répartition du travail sur chacune des personnes Notions de choix des activités à partir d'un cahier des charges Notions de dates et délais sur des plannings Notions de lieux de choix de postes de travail d'ateliers ...

COMMENT ?

Notion de moyens

COMBIEN ?

Notions de quantités

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

34

RESULTAT Choix final du poste de travail Définir ce que l'on veut fabriquer Définitions des dates Choix des lieux de fabrication, pays, ateliers ... Choix des processus, des moyens technico - humains ... Choix des quantités en fonctions de celles prévues par la commande

NOTIONS

DE

GESTIONS

DE

PRODUCTION

1. L’ACTIVITE DE PRODUCTION : 1.1- Objectifs de la gestion de production : L’objectif essentiel, de la gestion de production, quelle que soit l’organisation est d’obtenir le produit permettant la satisfaction du besoin du client avec un délai et un coût concurrentiel. Cette mission doit être remplie en atteignant 4 objectifs : • Volume : Le volume de production doit correspondre aux objectifs commerciaux de l’entreprise ; • Délai : S’efforcer pour les commandes de respecter les délais maximums promis aux clients ; • Qualité : Les services de la gestion de production doivent fournir aux services de fabrication, sans erreur les informations nécessaires à l’exécution des ordres clients. • Coût : La gestion de la production doit : - S’efforcer d’assurer le meilleur emploi du matériel et de la main d’œuvre ; - Minimiser les heures supplémentaires et les dépannages ; - Organiser dans le temps les différentes opérations de fabrication afin de respecter les délais.

1.2- Les composants du système de gestion de production : Dans une entreprise industrielle, de nombreux services participent au système de production : • Le bureau des études : Il conçoit les produits nouveaux et définit la liste complète des composants entrant dans leur fabrication. Il s’appuie sur la CAO (Conception assistée par ordinateur) pour l’élaboration des produits. • Le bureau des méthodes : Il définit les différentes opérations et leur ordonnancement en vue d’obtenir le produit. Il précise en fait comment le produit est réalisé, par quelle machine, avec quels outils et en combien de temps. • Le service de planification : Il coordonne les activités de production en utilisant les techniques de gestion des stocks, de calcul des besoins, etc. • Le service d’ordonnancement : Il organise la production au sein des différentes unités de production. Il indique la succession des tâches à réaliser, en un temps minimum, par les services de production ou ateliers. Les outils utilisés sont, entre autres : -

Le diagramme de Gantt ; Le graphique PERT.

1.3- Evolution de la gestion de production : La gestion de la production a connu les évolutions suivantes : • Automatisation : Elle permet de supprimer les tâches répétitives et dangereuses en diminuant le cycle de fabrication et coûts de production, en améliorant la qualité des produits, etc. • Informatisation : Elle apparaît à toutes les étapes de la production : - Conception : avec des logiciels de CAO : conception assistée par ordinateur. - Fabrication : avec des logiciels de conception de la fabrication assistée par ordinateur (CFAO). - Gestion de la production : GPAO ; - Communication en réseau local, Internet, etc.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

35

NOTIONS

DE

GESTIONS

DE

PRODUCTION

• La flexibilité : Il s’agit d’améliorer les capacités de réponse du système de production à la demande. Cela dépend à la fois de la conception du produit et de la conception du processus de ns. • La réduction des stocks : Il s’agit de réorganiser le système de production pour diminuer au maximum les stocks.

1.4- Le système d’information lié à la gestion de production : 1.4.1- Les nomenclatures : Il s’agit de définir la liste des articles entrant dans la fabrication d'un produit. La nomenclature indique pour chaque article son code, son libellé, sa quantité, etc. 1.4.2- Les gammes d’opérations : Une gamme d’opération est un ensemble d’opérations nécessaires à la fabrication. On distingue 2 types de gamme d’opérations : • Les gammes de fabrication ; • Les gammes d’assemblage. 1.4.3- La codification : La plupart des entreprises manipulent des milliers d’articles, une identification sous forme de code est alors indispensable. Ce système de codification doit alors répondre à 3 objectifs : • Etre sans ambiguïté : chaque article doit avoir une et une seule référence. • Etre homogène : même nombre de caractères • Etre capable d’accompagner l’évolution de l’entreprise dans le temps (augmentation du nombre d’articles à gérer par exemple). Il existe plusieurs types de codification ; on donne à titre d’exemple un des plus simples : La codification séquentielle dans laquelle le code est un nombre donné sans signification particulière de façon chronologique ou aléatoire (1, 2, 3, etc.).

1.5- Classification des entreprises selon le type de production : La gestion de production est différente suivant le type de production, on cite par exemple la classification selon les quantités fabriquées : • Production unitaire : (Barrages, navires, bâtiments) • Production en petites séries : (avions, gros ordinateurs). • Production en grandes séries : (automobiles, micro-ordinateur, etc.

2. LES METHODES CLASSIQUES DE GESTION DE PRODUCTION : Plusieurs grands systèmes sont exploités par les entreprises pour une meilleure gestion de la production on en décrit ici 2 assez bien connu.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

36

NOTIONS

DE

GESTIONS

DE

PRODUCTION

2.1- Le JAT (Juste à Temps) : La réussite industrielle du Japon a favorisé la diffusion de nouvelles méthodes de gestion de la production. Le JAT est une méthode qui ne vise à fabriquer que les pièces dont on a besoin au moment où on en a besoin. L’objectif essentiel étant la réduction des stocks (Matières premières et produits finis) afin de diminuer les capitaux immobilisés et les risques d’invendus. On y retrouve également d’autres objectifs : • Réduction des délais de fabrication, • La flexibilité accrue des moyens de production, • La diminution des gaspillages et des coûts de non qualité. Exemple pour la mise en place d’une organisation de la production en JAT, on peut utiliser la méthode du Kanban. C’est un système de production qui fonctionne entre deux postes de travail et qui limite la production du poste AMONT aux besoins du poste AVAL. Cette méthode est surtout adaptée aux entreprises ayant une production répétitive et relativement régulière.

2.2- La méthode FMS (Flexible Manufacturing System) : Le système de production flexible vise à rationaliser la gestion des ateliers. Son environnement. Le terme «flexible» décrit l’adaptabilité ou la souplesse du système de production. • Une machine est flexible si elle peut réaliser différents types de pièces. : Machine Outil à commande numérique (MOCN). • Un atelier Flexible comporte alors plusieurs machines flexibles, une manutention flexible, un stock flexible, un produit flexible et une gestion flexible. Il s’agit d’un procédé automatisé, contrôlé par ordinateur, qui permet la production d’une grande variété de pièces.

3. LA GESTION DE LA QUALITE : La qualité est une préoccupation essentielle de l’entreprise mais aussi de ces partenaires.

3.1- Définition : La qualité est l’ensemble des propriétés et des caractéristiques d’un produit ou d’un service qui lui confèrent l’aptitude à satisfaire des besoins exprimés ou implicites.

3.2- Objectifs de la gestion de la qualité : On peut déterminer 3 objectifs à la démarche qualité dans l’entreprise : • Répondre aux besoins des utilisateurs. • Respecter le non-utilisateur : D’autres éléments autre que la satisfaction des besoins doivent être pris en compte : le confort, la sécurité d’autrui ou la protection de l’environnement. • Favoriser la diminution des coûts dans l’entreprise. La non-qualité coûte chère, non seulement en chiffre d’affaires mais aussi en coût de production et de service après vente : Mise au rebut, retour de produits, intervention sur site.

MODULE 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE

37

MODULE 2

CHAINE D’ENERGIE PRÉSENTATION Pour agir sur la matière d'œuvre, un système automatisé a besoin d’énergie, qui subira de nombreux traitement pour être adaptées à la nature de l'action sur la matière d'œuvre. Le module 2 traite donc de ces aspects qui peuvent être modélisés par les fonctions génériques, c'est à dire qui s'appliquent sur la plupart des systèmes ; il s'agit des fonctions :

¾ ¾ ¾ ¾

Alimenter ; Distribuer ; Convertir ; Transmettre.

Grandeurs physiques à mesurer

Informations destinées à d’autres systèmes et aux interfaces H/M

Chaîne d’information ACQUERIR

TRAITER

COMMUNIQUER

Informations issues d’autres systèmes et d’Interfaces H/M

Matière d'œuvre en entrée

Ordres AGIR ALIMENTER

DISTRIBUER

CONVERTIR

TRANSMETTRE

Chaîne d’énergie

Énergies d’entrée

Matière d'œuvre en sortie

PREREQUIS ¾

Connaissances générales acquises dans l’enseignement collégial.

¾

Concepts d’analyse fonctionnelle : ƒ ƒ ƒ

Système ; fonction globale et fonctions de services ; Fonctions techniques, FAST, SADT, etc.

COMPETENCES ATTENDUES

¾

Utiliser l’analyse fonctionnelle pour identifier les solutions constructives répondant à un besoin.

¾ ¾

Identifier les grandeurs d’entrée et de sortie d’un pré-actionneur.

¾

Identifier sur le matériel réel ou sur sa représentation virtuelle, la liaison réalisée par un assemblage ou un guidage.

¾

Pour un assemblage ou un guidage, identifier et décrire les surfaces contribuant à sa réalisation.

¾ ¾ ¾

Identifier les risques pour les personnes et les biens.

Décrire les grandeurs physiques d’entrée et de sortie d’un actionneur et le principe de la conversion d’énergie.

Associer un composant à sa représentation schématique à l’aide d’une documentation ; Utiliser un modeleur 3D pour : ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

¾ ¾

Représenter une pièce simple. Editer une mise en plan de pièce ou de sous-ensemble limité. Produire une image selon un point de vue imposé ou choisi. Modifier les caractéristiques dimensionnelles d’un assemblage et décrire les incidences suer chacune des pièces concernées. Rechercher dans une bibliothèque de constituants, des caractéristiques d’un élément à intégrer dans une maquette numérique

Dessiner à main levée la perspective d’une pièce. Décrire la morphologie d’une pièce à partir de ses représentations 2D et 3D d’énergie.

MODULE 2

PARTIE 1 ALIMENTATION EN ENERGIE PRESENTATION En général, les systèmes automatisés mettent en œuvre plusieurs types d’énergie. Les énergies principalement exploitées sont l’énergie électrique et l’énergie mécanique sous leurs différentes formes. On note en particulier : ¾

La source d’énergie électrique, qui grâce à la souplesse de ses méthodes de génération et de transport, demeure une richesse inégalée. Il n’est pas surprenant donc de remarquer que l’alimentation en énergie électrique est largement adoptée aussi bien en milieu industriel qu’en milieu domestique ;

¾

La source d’énergie pneumatique qui est aussi largement présente dans les systèmes industriels. Cette énergie est dans la plupart des cas générée à partir de l’énergie électrique.

La position de la fonction Alimentation en énergie dans une chaîne d’énergie, ainsi que sa fonction globale sont représentées par la figure suivante : Matière d'œuvre en entrée

Chaîne d 'énergie Energie d'entrée

ALIMENTER

Energie

D 'entrée

Energie Electrique Electrique

DISTRIBU ER

CONVERTI R

TRANSMETTRE

Alimenter en énergie

Energie de sortie

Source d'alimentation Réseau électrique, piles , etc. Compresseur

Energie Electrique Pneumatique

AGIR

Matière d'œuvre en sortie

CHAPITRE 1

ALIMENTATION ELECTRIQUE INTRODUCTION :

L'énergie électrique provient d’une transformation d'énergie mécanique, magnétique, chimique ou lumineuse. Cette source d’énergie peut se présenter sous forme d’une source de tension continue ou alternative. L’unité d’une tension électrique est le Volt (V).

1. SOURCE DE TENSION ALTERNATIVE : Le réseau électrique géré par l’Office Nationale d’Electricité (ONE) est un réseau électrique alternatif, c'est que la valeur instantanée de la tension est variable dans le temps. C’est un réseau triphasé pour les locaux industriels et monophasé pour les locaux domestiques :

Tension triphasée

Tension monophasée

Cette énergie électrique est une transformation de l’énergie hydraulique ou thermique en une énergie électrique. La figure qui suit illustre cette transformation : Barrage Lac Ligne à haute tension

Conduite forcée Turbine

Transformateur

Alternateur

Canal de fuite

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

41

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

L’eau par sa pesanteur (le niveau du barrage est plus haut que celui de la turbine) fait tourner une turbine. Celle-ci à son tour fait tourner l’alternateur qui permet la transformation de l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique.

L’image ci-contre représente la forme d’une turbine

2. SOURCE DE TENSION CONTINUE : Parmi les générateurs de tension continue les plus rencontrés dans la pratique quotidienne, on trouve les piles et les batteries d’accumulateurs. Cette source représente une transformation de l’énergie chimique en énergie électrique.

V

V

3. MESURE DE TENSION : En électricité, on mesure la tension avec un symbolise comme suit :

« voltmètre », qui se branche en parallèle

et se

Pour mesurer la tension aux bornes de la charge R on utilise le montage:

R

V

On peut mesurer avec le voltmètre une tension continue ou alternative, en positionnant le commutateur de calibre sur le cadran des tensions continues (DC) ou sur le cadran des tensions alternatives (AC). MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

42

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

4. COURANT ELECTRIQUE 4.1- Notion du courant électrique : Le déplacement des électrons libres dans un circuit électrique fermé engendre ce qu’on appelle un courant électrique. L’unité du courant électrique est L’Ampère (A). e

e

e e

e

4.2- Mesure de courant électrique : On mesure le courant électrique par l’utilisation d’un ampermètre. L’ampermétre est un appareil qui doit être monté en série dans un circuit.

A Source

Charge

4.3- Notion de résistance : 4.3.1- Principe et symbole : Un fil conducteur présente une différence de potentiel (d.d.p) entre ses bornes lorsqu’il est traversé par un courant électrique. Ceci est dû à sa résistance interne dont la valeur est donnée par la formule :

R = ρ.l / S avec : • l : longueur du fil ; • S : sa section ; • ρ : la résistivité (caractéristique de la nature du conducteur) 4.3.2- Loi d’Ohm : Cette loi exprime que certains matériaux ont une réponse linéaire en courant à une différence de potentiel imposée. Si on considère une résistance, noté R avec à ses bornes une tension U , elle sera traversée par un courant I, tel que, quelque soit le temps t, U et I vérifient toujours la relation de proportionnalité :

U=R.I MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

43

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

4.3.2- Association des résistances : Suivant que des résistances sont associées en série ou en parallèle, il résulte de leur association une résistance équivalente Re dont la valeur dépend des valeurs des différentes résistances associées. a/ Association série : La résistance équivalente de deux résistances en série est la somme de ces deux résistances.

Re = R1 + R2

b/ Association en parallèle : La résistance équivalente de deux résistances en parallèle est tel que :

1 =1+ 1 Re R1 R2

4.3.1- Code de couleurs : On ne peut pas fabriquer les résistances avec toutes les valeurs possibles. Les résistances sont fabriquées en grandes séries par les constructeurs des composants électroniques. On les fabrique alors suivant des valeurs normalisées, qui couvrent largement les besoins en résistances. Ces valeurs sont indiquées sur ces résistances sous forme d’anneaux en couleur suivant un code suivant :

La tolérance est un pourcentage qui indique la précision de la résistance. Connaissant la valeur de chaque chiffre on peut déterminer la valeur de la résistance comme suit: R = [(1er chiffre x 1) + (2eme chiffre x 10)] x 10

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

44

Multiplicateur

± la tolérance en Ω.

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

Chaque chiffre correspond à une couleur comme l’indique le tableau suivant : Noir 0

Marron 1

Rouge 2

Orange 3

Jaune 4

Vert 5

Bleu 6

Violet 7

Gris 8

Blanc 9

Exemple : Calcul de la valeur d'une résistance dont les trois couleurs significatifs sont le rouge. R = [ (2 x1) + (2 x 10) ] x 102 = 22 x 100 = 2,2 KΩ Les valeurs normalisées des résistances sont classées par des séries de valeurs notées (E6, E12, E24 ou E48), qui le nombre de valeurs dans une série. Par exemple, les valeurs de la série E12 sont : 10 ; 12 ; 15 ; 18 ; 22 ; 27 ; 33 ; 39 ; 47 ;

56 ; 68 ; 82

Toutes les résistances de la série E12 sont des multiples ou des sous multiples de ces valeurs .Par exemple, on trouve 1,2Ω , 12Ω, 120Ω, 1.2KΩ, 12KΩ, 120KΩ, 1.2MΩ et ainsi de suite. 4.3.2- Résistance variable : On a souvent besoin, dans les montages électroniques, de régler une résistance sur place pour avoir la valeur exacte exigée par un montage donné ; on utilise alors : ƒ ƒ

Soit un potentiomètre pour régler la résistance régulièrement comme pour le volume d'un poste Radio ; Soit un ajustable pour ajuster la valeur nécessaire une fois pour toute ;

Dans les 2 cas, le symbole est le même : P est la valeur totale de la résistance. Le curseur α divise la résistance totale P en 2 portions : •

R1 = αP : ƒ ƒ

•

R2 = P(1 – α)

P R1 = αP

Si le curseur α est en position haut, alors α = 1 et R1 = P ; Si le curseur est en position basse, alors α = 0 et R1 = 0.

R2 = P – R1 = P – αP = P(1- α).

4.4- Diviseur de tension : Pour diviser une tension, on utilise un pont diviseur de tension. Ce pont est constitué de l’association en série de deux résistances R1 et R2 :

Vs = [R2 / (R1 + R2)].U

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

45

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

Remarque : Cas d'une résistance variable :

Vs = Ve. α P/P

P Ve

α.P Vs

Æ Vs = α.Ve

4.5- Diviseur de courant : On divise un courant par la mise en parallèle de deux résistances R1 et R2 :

I1 = I .[R1 / (R1 + R2)]

5. ALIMENTATION CONTINUE STABILISEE : Les systèmes électroniques ont besoin d’une alimentation continue. Cette tension continue est généralement générée à partir de : • piles pour les systèmes portables et à faible consommation, tel qu'une télécommande de télévision, etc. • de batterie d'accumulateurs pour les systèmes tel que la voiture, etc. • secteur pour des systèmes qui demande de la puissance et qui ont accès au réseau alternatif. Dans ce dernier, la tension alternative doit être convertie en tension continue stabilisée, cas conformément au schéma synoptique suivant :

Transformation

Redressement

Secteur 220 v 50Hz

Filtrage

Régulation Tension de sortie

5.1- Transformation : Le rôle de la transformation est d’abaisser la tension du secteur, qui est de 220V. L’élément électrique qui réalise cette fonction est le transformateur.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

46

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

U1/U2 = n2/n1 Avec n2 et n1 sont respectivement les nombres de spires de la bobine primaire et la bobine secondaire. Alors pour avoir une tension en sortie plus petite qu'en entrée, il faut avoir la condition (n2 < n1).

5.2- Redressement : Cette fonction est réalisée à l’aide de la diode. 5.2.1- Fonctionnement et symbole : Id Anode (A)

Kathode (K) Ud

La diode est un composant Electronique à conduction unidirectionnelle : elle ne conduit que dans le sens de l’anode A vers la cathode K. Son symbole est représenté à la Figure ci-contre. Le symbole de la diode indique le sens de conduction.

Polarisation directe : diode passante

Polarisation inverse : diode bloquée

5.2.2- Réalisation du redresseur : a/ Redressement mono alternance : Le signal issu du transformateur est sinusoïdal. La diode est polarisée en directe dans l’alternance positive et en inverse dans l’alternance négative.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

47

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

b/ Redressement double alternance : Le montage le plus populaire est le redresseur à pont de diodes ; il a 2 diodes conductrices par alternance : • D1 et D3 conduisent pendant l'alternance positive ; • D2 et D4 conduisent pendant l'alternance négative. Signal d’entrée Signal de sortie

On remarque que le courant en sortie passe toujours dans le même sens, d'où la forme du signal en sortie. Note : Une LED est une diode qui a le même fonctionnement qu'une diode ordinaire, à la différence que celle est destinée à émettre une lumière (rouge, vert, jaune et orange) quand elle est passante.

5.3- Filtrage : Cette fonction est réalisée par un condensateur. Le condensateur en se chargeant et en se déchargeant diminue l’ondulation du signal redressé :

5.4- Régulation : La régulation est la fonction qui permet d'avoir une tension hautement continue à partir d'une tension ondulée comme issue du condensateur ci-dessus. Elle est assurée par le régulateur intégré qui est un composant électronique à trois broches.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

48

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

Dans la pratique, la famille des régulateurs de type 78xx est la plus utilisée. Un régulateur de cette famille délivre une tension constante à ses bornes de sortie égale à xx V. Exemples :

7805 : tension à la sortie égale à +5V. 7812 : tension à la sortie égale à +12V.

Transformateur Secteur 220v 50Hz

Application type (Alimentation régulée)

6. AUTRES FONCTIONS ASSOCIEES AU TRAITEMENT D'ENERGIE : 6.1- Commutation par transistor bipolaire : Le transistor bipolaire est un composant électronique à 3 pôles : la base, le collecteur et l'émetteur ; son symbole est donné dans la figure ci-dessous. il existe en 2 types : le NPN et le PNP. Il a plusieurs modes de fonctionnement, donc plusieurs types d'application. Ici, n s'intéresse uniquement au transistor NPN et le mode de fonctionnement en commutation, qui est un mode de fonctionnement très utilisé dans les systèmes logiques. Le montage de base très utilisé est le suivant ; il s'agit de commander un relais qui commandera un moteur à courant continu ; par exemple, la commande du moteur du store ; dans ces conditions, on a le fonctionnement suivant du transistor : • Si la tension de commande est nulle ou négative, le transistor non passant ou bloqué ; il est équivalent à un interrupteur ouvert, entre le collecteur et l'émetteur; • Si la tension de commande est nettement supérieure à 0.7V, le transistor est passant ou saturé ; il est équivalent à un interrupteur fermé, entre le collecteur et l'émetteur

Cde : représente un bouton poussoir de commande.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

¾

Si Cde est ouvert la base du transistor n'a pas de tension de commande, donc le transistor est bloqué (Relais non alimenté).

¾

Si Cde est fermé la base du transistor a une tension de commande, donc le transistor est conducteur ou saturé, donc le relais est excité.

49

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

6.2- Temporisation : 6.2.1- Principe : Dans les systèmes automatisés, on a souvent besoin q'une action soit effectuée pendant une durée déterminée ; on parle de temporisation. Par exemple : • dans la signalisation d'un carrefour, le feu vert qui autorise les automobilistes à passer dure un certain temps (30 s par exemple) ; • Dans les escaliers d'un immeuble, on utilise une minuterie qui allume la lumière pendant un certain temps et s'éteint. On peut représenter la fonction de temporisation par ce qui suit :

Impulsion (Tension de durée très courte)

Temporisateur

Sortie à l'état 1 pendant une durée déterminée TW

Entrée

t

Sortie

t TW

6.2.1- Réalisation avec circuit intégré : Technologiquement, on peut réaliser une temporisation de différentes façons. On opte ici à la solution par circuit intégré avec le plus connu et très utilisé, le NE555. Ce circuit peut réaliser plusieurs fonctions, parmi lesquelles la temporisation. Pour réaliser cette fonction, on monte le circuit comme le montre la figure ci-dessous ; son fonctionnement est comme suit : • On suppose qu'on démarre avec le circuit au repos, c'est à dire la sortie 3 du circuit à l'état 0 ; • Quand le bouton poussoir est relâché, la résistance R1 assure un 1 logique sur l'entrée 2 du circuit, ce qui laisse le circuit au repos ; • Quand le bouton poussoir est actionné rapidement (appui et relâchement du bouton), l'entée 2 passe à 0 et revient à 1, ce qui lance la temporisation, c'est à dire la sortie 3 passe à 1 pendant une durée qui dépend de la résistance R2 et le condensateur C1. • Après l'expiration de la temporisation, le circuit revient à son état initial (la sortie 3 à l'état 0) ; • La durée de la temporisation est donnée par la formule : T = 1.1 x R2 x C1

R1

BP

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

R2

C1

4 8 2 3 6 NE555 7 1

50

12 V

U2

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

6.2.3- Exemple d'application : Minuterie d'escalier Une application directe de ce montage est une minuterie d'escalier pour un immeuble de 3 étages ; il faut donc unpoussoir et une lampe pour chaque étage : • Il suffit qu'un seul bouton soit appuyé pour lancer la temporisation ; • La sortie 3 du circuit NE555 commande un relais qui ferme son contact et permet d'alimenter les 3 lampes. La diode D1 sert à protéger le transistor contre les surtensions par les variations brutales du courant dans la bobine du relais. • Le potentiomètre P1 permet de varier la durée de temporisation T. T = 1.1 x (R2 + P1) x C1

P1 D1 R1

BP3

BP2

BP1

K

220 V AC

R2

C1

5 8 2 3 6 NE555 7 1

R3

12 V

L1

T1

L2 L3

6.3- Génération de signal périodique : 6.3.1- Principe : Dans différentes situations des traitements numériques, on a besoin de générer un signal logique et périodique, comme le montre la figure ci-contre :

U

• Il est tantôt au niveau logique 0, tantôt au niveau logique 1 ; • Il a pour période T, la durée au bout de laquelle il se répète de la même façon.

t T

6.3.2- Réalisation avec circuit intégré : Technologiquement, on peut réaliser cette fonction de différentes façons. On opte ici à la solution par circuit intégré avec le plus connu et très utilisé, le NE555 : • Le schéma de montage correspondant est donné à la figure ci-dessous ; • Les durées des niveaux logique, ainsi que la période sont données par : ƒ ƒ ƒ

Durée du niveau haut : TH = T= 0.63 x (R1 + R2) x C1 ; Durée du niveau haut : TL = T= 0.63 x R2 x C1 ; Durée du niveau haut : T = TH + TL :

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

T = 0.7 x (R1 + 2R) x C1

51

ALIMENTATION EN ENERGIE

ALI MENTATION

ELECTRIQUE

R1

4

8

7

12 V

3 NE555

R2 2 6

C1

U

1

6.3.3- Exemple d'application : Commande d'essuie-glace de voiture Le montage ci-dessous représente la partie commande d’un essuie-glace, sachant que lasa partie opérative est principalement constituée d’un moteur électrique et d’un système Bielle-manivelle.

R1 7 R2 C1

4

8

NE555

3 D

2

M

1 R3

2 3

R4 4 7

12 V

R5 C2

K

8

NE555

3

T1 CC

4

2

Le système permet d'améliorer la visibilité d'un pare-brise. Il fonctionne de la façon suivante : • •

•

•

Si le commutateur K est en position 1, le moteur est alimenté par 12V en permanence ; Si le commutateur K est en position 2, le moteur est alimenté par un signal périodique de période 10 ms par exemple), tantôt à 12 V, tantôt à 0 V, ce qui le fait fonctionner avec une tension moyenne inférieure de celle la position 1 ; par conséquent, la vitesse de balayage est plus petite ; Si le commutateur K est en position 3, le moteur est alimenté par signal, dont la durée de 12 V est plus petite que celle de 0V, ce qui donne comme résultat : l’essuie-glace fait un aller retour (en 1 s par exemple) et s’arrête pendant un temps plus grand (3s par exemple) ; et le cycle recommence ; Si on passe de n’importe quelle position à la position 4 (arrêt), il risque les balais ne reviennent pas à leur position initiale ; le capteur "cc" qui est fermé tant que l'essuieglace est en course, permet alors de fait revenir les balais à leur position.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

52

ALIMENTATION EN ENERGIE

CHAPITRE 2

LES ALIMENTATIONS PNEUMATIQUES INTRODUCTION L’énergie pneumatique est couramment utilisée dans la partie opérative d'un système automatisé. Le schéma de la page suivante montre la structure générale du processus de production de cette énergie, qu'on peut résumer dans 3 phases principales : compression de l'air, son stockage et sa distribution.

1/ PRODUCTION DE L’ENERGIE PNEUMATIQUE : 1.1- Compression de l'air :

Un compresseur (7), entraîné par un moteur (6), aspire et comprime l’air ambiant et l’accumule dans un réservoir (accumulateur).

1.2- Stockage : L’accumulateur (1) stocke l’air comprimé issu du compresseur et évite ainsi de faire fonctionner le moteur tout le temps (en continu). Il permet en plus de compenser les variations de pression. Pour des raisons de sécurité, l’accumulateur comporte un robinet de purge, une vanne d’isolement et un manomètre.

1.3- Distribution : La distribution de l’air comprimé s’effectue par un réseau de canalisations en tuyaux métalliques. L’accès à ce réseau se fait à l’aide de piquages qui doivent être dirigées vers le haut. Une pente de 2% dans le sens de l’écoulement de l’air évacue l’eau de condensation vers un pot équipé d’une purge. Un groupe de conditionnement est souvent installé afin de filtrer et de lubrifier l’air comprimé. Dans les applications courantes, la pression est de l’ordre de 6 bar.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

53

ALIMENTATION EN ENERGIE

LES

ALIMENTATIONS

PNEUMATIQUES

2/ PRINCIPES PHYSIQUES : La force mécanique produite par l’énergie pneumatique est liée à la pression par la relation F = p . S où : •

F est la force résultante en Newtons

•

p est la pression en Pascals (Pa)

•

S est la surface en m2.

Le pascal étant trop petite pour les pressions utilisées dans l’industrie. On utilise souvent le bar définie par : 1 bar = 105 Pa.

1 : Accumulateur 2 : Manomètre 3 : Soupape de sécurité 4 : Vanne d’isolement 5 : Filtre principal

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

6 : Moteur 7 : Compresseur 8 : Lubrificateur 9 : Filtre – régulateur 10 : Pot de condensation 11 : Purge

54

ALIMENTATION EN ENERGIE

CHAPITRE 3

LE RISQUE ELECTRIQUE INTRODUCTION : L'utilisation de l'électricité peut présenter des risques d'électrocution et aussi des risques d'incendie. En effet le courant électrique a des effets physiques sur le corps ; ceci peut se produire avec direct ou un direct avec un conducteur sous tension. Il convient alors de prendre les mesures de sécurité nécessaire pour protéger les biens et les personnes.

1. EFFETS PHYSIOLOGIQUES DU COURANT ELECTRIQUE Le passage du courant affecte essentiellement les fonctions respiratoires et circulatoires ; il provoque également des brûlures. La gravité du danger est fonction de l'intensité du courant qui parcourt le corps, de son trajet, et du temps de passage :

t(s)

1A

5

1

Arrêt du coeur

2

1 0.5

3

75mA

Seuil de fibrillation cardiaque irréversible

30mA

Seuil de paralysie respiratoire

10mA

Contraction musculaire (Tétanisation)

4

0.1 0.05 0.02 0.01

0.1

0.5

10

50 100

Principales zones : 1. pas de sensation 2. Sensation 3. Limite du courant de « non lacher », douleurs, sans effets irréversible. 4. Risque de fibrillation ventriculaire

0.5mA

Sensation très faible

Effet du courant électrique sur le corps humain

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

55

ALIMENTATION EN ENERGIE

LE

RISQUE

ELECTRIQUE

2. TENSION LIMITE DE SECURITE Selon le type de local, on définit deux types de tension de sécurité, 25V humide pour le s locaux et 50V pours les locaux secs. Ces tensions dites non dangereuses écoulent dans le corps humain un courant inférieur à 30 mA (seuil de paralysie respiratoire). Le danger du courant électrique étant fonction de sa durée de passage ; sur la figure suivante on représente le temps de coupure maximal du dispositif de protection en fonction de la tension de défaut.

Courbe de sécurité

Exemple : Lors d'un défaut dans un local sec (Ul = 50 V), si la tension de contact vaut 120 V, le dispositif de protection doit couper le circuit en moins de 0,2 secondes.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

56

ALIMENTATION EN ENERGIE

LE

RISQUE

ELECTRIQUE

3. CONTACT DIRECT ET INDIRECT ET PROTECTION ASSOCIEE : 3.1- Contact direct : C'est le contact des personnes avec les parties actives des matériels électriques, conducteurs ou pièces sous tension.

3.2- Contact indirect : Contact des personnes avec des masses mises accidentellement sous tension généralement suite à un défaut d’isolement.

3.3- Protection contre les contacts directs : Les principales mesures de protection contre les contacts directs sont : • • • • •

Terre

L’isolation des parties actives du matériel électrique (gaine, cache bornes...). La protection au moyen d'enveloppes et de barrières (coffrets, tableaux...) qui permettent de rendre le matériel électrique inaccessible. Mise hors de portée, par éloignement : C'est le cas des lignes aériennes à haute tension et basse tension. L'utilisation de la TBTS (Très Basse Tension de Sécurité : inférieure à 25 V) Cette mesure consiste à alimenter des circuits sous très basse tension fournie par un transformateur de sécurité. Trois conditions doivent être respectées: L N 220v/24 Alimentation en TBTS par transformateur de sécurité

3.4- Protection contre les contacts indirects En cas de défaut d’isolement, il faut couper automatiquement l'alimentation, du circuit présentant le défaut. Pour mettre en oeuvre cette mesure, on utilise en général le DDR ; le principe d’un tel dispositif est de détecter le courant de défaut qui passe à travers la terre et ouvre le circuit, ce qui offre une protection des biens et des personnes.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

57

ALIMENTATION EN ENERGIE

CHAPITRE 4

REALISATION DE CIRCUIT IMPRIME INTRODUCTION Le circuit imprimé (CI) est le support de tout montage électronique. Il est le lien aussi bien mécanique qu'électrique entre les différents composants. Le circuit imprimé est une platine de matériau composite recouverte d'une ou de deux couches très fines (35µm ou 70µm) de cuivre. Le cuivre assure les liens électriques entre les composants.

Fig1. Circuit Imprimé

Les étapes principales pour la réalisation d'un CI sont les suivantes : 1. 2. 3. 4.

La réalisation du typon ; L'insolation du circuit imprimé et le développement ; La gravure et le perçage ; La mise en place des composants et leur soudage.

1. REALISATION DU TYPON 1.1. Présentation : A partir du schéma théorique, on établit le dessin électrique appelé "Typon" ou schéma d’implantation de la plaquette de circuit imprimé sur laquelle seront montés les composants entrant dans la composition du dispositif. Les documents nécessaires à ce travail sont : • •

le schéma électrique du système ; le brochage et les dimensions réelles des composants utilisés (résistances, diodes, transistors, circuits intégrés, composants spéciaux, etc.) ;

Fig2. Dimensions réelles de certains composants

Circuit intégré DIL 16

Transistor

Résistance

Nous pouvons tracer le typon en utilisant 2 méthodes : • manuellement avec du papier calque sur lequel on trace le typant en utilisant : 9 9

soit de l’encre de chine à l'aide de stylo à pointe tubulaire ou plume godet ; soit des bandes et pastilles en papier crêpe (transferts autocollants) ;

• automatiquement en utilisant un logiciel, qui trace le typon à partir du schéma théorique ; cette opération s'appelle "routage". Cette méthode est bien évidemment est la plus utilisée de nos jours : elle est plus facile, plus rapide, mais nécessite un traceur ou une imprimante.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

58

ALIMENTATION EN ENERGIE

REALISATION

DU

CIRCUIT

IMPRIME

1.2. Etude du circuit imprimé : La difficulté d'étude d'un circuit imprimé vient du fait que l'on ne peut pas croiser les bandes de cuivre comme les connexions du schéma théorique sous peine de court-circuit ; donc le dessin du typon sera souvent très différent du schéma. Le dessin du typon se fait à l'aide d'une grille normalisée au pas de 2,54 mm, pour obtenir une position standard des composants. Le circuit sera composé essentiellement de bandes et de pastilles de cuivre : • pastilles pour la soudure des composants : le trou placé au centre d'une pastille ne peut recevoir qu'une seule connexion de composant (il y a donc autant de pastilles que de broches de composants) ; • bandes pour relier entre elles les pastilles conformément au schéma. Fig3. Routage d'un typon à l'aide d'un logiciel

Fig4. Schéma d'implantation d'un montage 2.54 mm

R1 A

C R2

B

D

Schéma électrique

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

Schéma d'implantation

59

ALIMENTATION EN ENERGIE

REALISATION

DU

CIRCUIT

IMPRIME

1.2.1. Pastilles Le diamètre des pastilles dépend de la dimension des pattes du composant : • La valeur courante que nous utiliserons sera de ø 2 mm pour la majorité des composants (presque tous les composants faible puissance courants : résistances, diodes, transistors, circuits intégrés). • Pour les composants spéciaux le diamètre des pastilles sera à la demande. • Le trou central des pastilles de ø 2 mm sera de 0,8 à 1 mm. 1.2.2. Bandes En général la largeur des bandes sera de 1 mm, mais pourra être différentes dans les cas suivants : • Plus minces : circuits miniatures, forts taux de remplissage, etc. • Plus larges : lignes de masses, lignes a forte densité de courant, etc. 1.2.3. Règles générales et conseils pour le tracé des circuits • Deux bandes parallèles seront au moins séparées par la largeur d'une bande. • Passage de bandes entre pastilles : il doit subsister entre deux pastilles ou entre une bande et une pastille l'équivalent de la largeur d'une bande. Néanmoins le cas extrême ci-contre est autorisé. • Toujours prévoir la fixation de la carte. • Passage d'une bande près du bord de la carte : au moins 1 mm entre la bande et le bord. Dans ce cas, il faut aussi se soucier du diamètre du trou de fixation, du diamètre de l'écrou ou de l'entretoise pour éviter un court-circuit avec la bande. • Les composants sont de préférence toujours parallèlement ou perpendiculairement montés, les uns par rapport aux autres. • Le chemin le plus court est le meilleur. Eviter les angles aigus. Ne jamais prendre l'angle inférieur à 90° (faiblesse risque de décollement de feuille de cuivre) : Fig5. Conseils de dessin des bandes et des pastilles

Bon

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

Mauvais

60

ALIMENTATION EN ENERGIE

REALISATION

DU

CIRCUIT

IMPRIME

2. INSOLATION ET DEVELOPPEMENT DU CIRCUIT IMPRIME La platine utilisée est à l'origine une plaque de verre Epoxy recouverte de cuivre et d'une ou de 2 couches de résine photosensibles. Un film protecteur opaque autoadhésif recouvre la résine photosensible comme le montre la figure 6. L’insolation consiste à reproduire le typon sur une par exposition aux rayons ultra violet (UV) à l’aide d’une insoleuse (figure 7). Fig7. Insoleuse Ultra Violet Fig6. Plaque pré-sensibilisée

Les étapes à suivre pour l’insolation et le développement d’un CI sont les suivantes : 1. 2. 3. 4.

Eviter de travailler en plein soleil ou avec un éclairage halogène démesuré ; Décoller le film protecteur comme dans la figure ci-dessus ; Placer le typon sur le verre de l'insoleuse avec comme orientation le coté cuivré sur le typon ; Fermer puis allumer l'insoleuse pendant environ 2min30s. La durée peut varier suivant le type de plaque et la puissance des lampes UV. 5. Plonger la platine dans un bain de révélateur, à une température ambiante d'environ 20°C ; 6. Agiter le bac jusqu'à ce que le dessin apparaisse ou se révèle nettement sur un fond cuivré. Attention, le révélateur est essentiellement constitué de soude (produit alcalin). C’est donc corrosif et il faut manipuler les platines avec des pinces ou avec des gants. La durée est typiquement de 2 min, mais peut varier suivant la qualité du révélateur ; 7. Rincer abondamment à l'eau courante. Fig8. Utilisation d'une insoleuse

Plaque présensibilisée Typon Plaque de verre

Tube UV Déflecteur Minuterie

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

61

ALIMENTATION EN ENERGIE

REALISATION

DU

CIRCUIT

IMPRIME

3. GRAVURE DU CIRCUIT IMPRIME La gravure consiste à graver le circuit sur la plaque en dissoudrant le cuivre non protégé des UV dans un bain de perchlorure de fer à l’aide d’une graveuse : Les étapes à suivre sont les suivantes : 1. Mettre la plaquette dans le bain de perchlorure de fer (côté cuivre apparent pour pouvoir le voir pour contrôler l'opération de gravure) ; 2. Mettre en œuvre le chauffage et la pompe. En effet, la gravure sera d'autant plus rapide que le perchlorure de fer est chaud et agité. La température du bain doit environ 40°C. 3. Enlever la plaquette une fois gravée et rincer-la ensuite. Fig9. Graveuse

4. MISE EN PLACE DES COMPOSANTS ET SOUDURE L’implantation consiste à placer et souder les composants électroniques dans la platine. On commence en général par les composants peu encombrants, pour ne pas être gêné pour les soudures suivantes. On peut également commencer par implanter les straps (ponts de fils entre deux points de la platine) et les supports de circuits intégrés. Une bonne soudure apporte une meilleure tenue mécanique et électrique du circuit, évite les faux contacts très lourds à détecter. Pour réussir une bonne soudure : 1. Placer la panne du fer à souder de façon à ce qu'elle soit en contact avec le cuivre de la platine et avec la patte du composant ; 2. Laisser chauffer ainsi quelques secondes et ajouter de la soudure au niveau du contact ; 3. Laisser la panne encore quelques secondes afin que la soudure s'étale bien. La quantité de soudure apportée est un facteur décisif pour la qualité de la soudure ; 4. Retirer le fer à souder. Fig10. Soudage des composants

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

62

ALIMENTATION EN ENERGIE

REALISATION

DU

CIRCUIT

IMPRIME

5. EXEMPLE D'APPLICATION : 5.1. Schéma électrique : On désire réaliser une alimentation stabilisé permettant de fournie une tension positive de +24V. Le schéma électrique d'une telle alimentation est le suivant : D1 Fus

TR 1

Pont de Creatz : B1

LM317

220V – 50Hz

C1

C2

R1

+24V

R3 C3

R2 0V

5.2. Circuit imprimé : Fig11. Côté composant

Fig12. Côté cuivre

Fig13. Typon

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

63

ALIMENTATION EN ENERGIE

MODULE 2

PARTIE 2 DISTRIBUTION DE L’ENERGIE PRESENTATION La partie commande d’un système automatisé met en œuvre une énergie faible. Elle est donc incapable d’envoyer directement l’énergie nécessaire à l’actionneur ; d’où l’utilisation des préactionneurs qui assurent la distribution de l’énergie aux actionneurs. La position d'une telle fonction dans une chaîne d'énergie, ainsi que sa fonction globale sont représentées par les figures suivantes. On s'intéresse surtout aux énergies électriques et pneumatiques, qui sont le plus souvent utilisées. Matière d'œuvre en entrée

Chaîne d'énergie Energie d'entrée

ALIMENTER

DISTRIBUER

Energie disponible

Distribuer L'énergie

Energie Electrique Pneumatique

Préactionneur Contacteur/Relais Distributeur

CONVERTIR

Energie distribuée

Energie Electrique Pneumatique

TRANSMETTRE

AGIR

Matière d'œuvre en sortie

CHAPITRE 1

PREACTIONNEUR ELECTRIQUE INTRODUCTION

Dans les circuits électriques, les pré-actionneurs sont généralement soit un contacteur, soit un relais.

1. LE CONTACTEUR Le contacteur est un appareil de commande capable d'établir ou d'interrompre le passage de l'énergie électrique. Sa constitution est comme suit • • • • • •

Des pôles principaux de puissance ; Un contact auxiliaire (avec possibilité d'additionner au contacteur un bloc de contacts auxiliaires instantanés ou temporisés) ; une armature fixe et un autre mobile ; Un ressort de rappel ; Un circuit magnétique ; Une bobine de commande du contacteur. Si la bobine est alimentée elle attire l’armature mobile pour actionner les pôles de puissance ; Si elle n’est pas alimentée, un ressort de rappel ouvre les pôles de puissance.

Remarques : •

Le contacteur a un pouvoir de coupure (PDC). On note que le pouvoir de coupure d’un appareillage électrique est sa capacité à couper le courant dans un circuit, sans provoquer des dangers dans l’installation. En effet, quand on ouvre un circuit en cours de fonctionnement, le contact en cause provoque un arc électrique qui peut être dangereux pour les biens et les personnes.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

65

DISTRIBUTION DE L’ENERGIE

PREACTIONNEURS

ELECTRIQUES

•

Pour les faibles tensions continues, on utilise généralement le relais électromagnétique qui a pratiquement la même symbolisation :

•

Généralement, dans une chaîne d’énergie électrique, le préactionneur ne s’utilise pas seul mais associés à une classe d’appareillage typique : sectionneurs, relais thermique, etc.

2. LE SECTIONNEUR Le sectionneur est un appareil de connexion qui permet d'isoler (séparer électriquement) un circuit pour effectuer des opérations de maintenance ou de modification sur les circuits électriques qui se trouvent en aval. Ainsi il permet d’assurer la sécurité des personnes qui travaillent sur le reste de l’installation en amont. Le sectionneur ne possède aucun pouvoir de coupure, par conséquent, il ne doit pas être manœuvré en charge.

On trouve également des sectionneurs qui servent en plus de porte-fusible. On les désigne par « Sectionneurs porte-fusible ».

Sectionneur Simple Sectionneur avec fusibles incorporés

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

66

DISTRIBUTION DE L'ENERGIE

PREACTIONNEURS

ELECTRIQUES

3. LES FUSIBLES Les fusibles sont des appareils de protection dont la fonction est d’ouvrir un circuit par fusion d’un élément calibré, lorsque le courant dépasse une valeur précise, pendant un temps donné. On trouve : •

La classe gI ou gG : ce sont les fusibles d’usage général ; ils protègent contre les surcharges et les courts-circuits.

•

La classe aM : ce sont les fusibles d’accompagnement moteur prévus pour la protection contre les courts-circuits et surtout pour la protection des moteurs.

4. LE RELAIS THERMIQUE Le relais thermique est un appareil de protection capable de protéger contre les surcharges prolongées. Une surcharge est une élévation anormale du courant consommé par le récepteur (1 à 3 In), mais prolongée dans le temps, ce qui entraîne un échauffement de l'installation pouvant aller jusqu'à sa destruction. Le temps de coupure est inversement proportionnel à l'augmentation du courant. Symbole

Contact commandé

Le relais thermique utilise la propriété d'un bilame formé de deux lames minces ayant des coefficients de dilatation différents. L’apparition d’une surcharge se traduit par l’augmentation de la chaleur (effet joule) ; Le bilame détecte l'augmentation de chaleur, se déforme et ouvre le contact auxiliaire de s'ouvrir. Ce contact étant convenablement placé dans le circuit de commande va couper l'alimentation de la bobine du contacteur qui va ouvrir ses pôles de puissances et interrompre le passage de l'énergie électrique au travers du récepteur. C’est donc l'appareillage de commande qui coupe le circuit de puissance est non pas le relais thermique.

d = déformation due à l’échauffement provoquée par le passage du courant.

Bilame non déformée

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

67

DISTRIBUTION DE L'ENERGIE

PREACTIONNEURS

ELECTRIQUES

5. RECAPITULATION : Pour distribuer l’énergie vers l’actionneur, typiquement un moteur triphasé, le schéma suivant est généralement adopté :

Fonctionnement : • • • • •

Si le bouton poussoir S1 du circuit de commande est actionné, la bobine du contacteur KM1 est alimentée ; le contact KM1 du circuit de commande se ferme ainsi que les contacts KM1 du circuit de puissance, ce qui entraîne la rotation du moteur MAS ; Si S1 est relâché le contact KM1 du circuit de commande maintient l’alimentation de la bobine du contacteur (mémorisation). On parle alors d’auto maintien ; Pour arrêter le moteur MAS, on appuie sur le bouton poussoir Ar, ce qui ouvre le circuit de commande ; la bobine KM1 n’est plus alimentée et les contacts KM1 (commande et puissance) sont ouverts ; Si au cours du fonctionnement (KM1 fermé de nouveau) il y a une surcharge le relais thermique F s’échauffe, le contact qui lui est associé F s’ouvre, ce qui ouvre le circuit de commande et protège le moteur MAS ; Le sectionneur porte fusible a aussi un contact auxiliaire noté Q qui s’ouvre avant les contacts Q du circuit de puissance e, cas où on manœuvre le sectionneur en charge ; ceci a le même effet que le contact auxiliaire du relais thermique. Ce contact est appelé « contact de précoupure ».

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

68

DISTRIBUTION DE L'ENERGIE

CHAPITRE 2

PREACTIONNEURS PNEUMATIQUES INTRODUCTION : Les distributeurs pneumatiques sont les préactionneurs des actionneurs pneumatiques (vérins, ventouses, etc.). Un distributeur est constitué d’une partie fixe (le corps) et d’une partie mobile (le tiroir) qui peut se déplacer à l’intérieur de la partie fixe selon l’ordre de la PC. Le tiroir est doté de conduites permettant le passage de l’air entre les différents orifices de la partie fixe. Chaque position que peut prendre le tiroir est symbolisée par un carré dans lequel les flèches indiquent le sens de circulation de l’air alors qu’un T représente un orifice obturé. La partie fixe n’est présentée que par ces orifices : Orifice d’utilisation (Sortie) Partie fixe

Tiroir

Orifice d’échappement Orifice d’alimentation (Entrée) Fig 7 : schématisation et principe d’un distributeur

Un distributeur est caractérisé par : • • • •

Le nombre d’orifices ; Sa stabilité (monostable ou bistable) ; Le débit d’air comprimé qu’il est capable de distribuer exprimé en lm-1 ; Son dispositif de commande.

Les distributeurs sont classés suivant le nombre de positions possibles et le nombre d’orifices qu’ils possèdent.

1. LE DISTRIBUTEUR 3/2 : Le distributeur 3/2 possède 3 orifices : • • •

Le 1er pour l’alimentation ; Le 2ème pour l’utilisation ; Le dernier pour l’échappement.

Son tiroir peut occuper 2 positions (position repos et position travail).

Le distributeur 3/2 est destiné aux actionneurs n’ayant qu’un seul orifice d’alimentation, en particulier le vérin simple effet :

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

69

DISTRIBUTION DE L'ENERGIE

PREACTIONNEURS

PNEUMATIQUES

•

En position repos, l’orifice d’alimentation du vérin est relié à l’orifice d’échappement : la tige est maintenue donc rentrée ;

•

En position travail, provoquée par un ordre de la PC, l’orifice d’alimentation du vérin est mis en liaison avec la source d’air comprimé. Par conséquent, la tige sort. Fig 7 : Pilotage d’un vérin simple effet par un distributeur 3/2

Sortie S Commande Echappement E Pression P

2. LE DISTRIBUTEUR 5/2 : En plus d’orifice d’alimentation, le distributeur 5/2 possède : • •

2 orifices d’utilisation ; 2 orifices d’échappement.

Son tiroir peut occuper 2 positions. Le distributeur 5/2 est utilisé pour distribuer de l’énergie pneumatique au vérin double effet :suivant la position occupée, l’air comprimé est verrouillé vers l’un des deux orifices d’alimentation du vérin tandis que l’autre est à l’échappement. Fig 8 : Pilotage d’un vérin double effet par un distributeur

Commande

Pression P

Pression P

3. LES DISPOSITIFS DE COMMANDE : La commande du distributeur a pour fonction de positionner le tiroir dans une position ou dans l’autre. Elle peut être électromagnétique, pneumatique, électropneumatique ou manuelle. Un ressort peut servir comme dispositif permettant le retour du tiroir à sa position initiale. Il s’agit dans ce cas d’un distributeur monostable.

La commande du distributeur est représentée par un rectangle accolé à la case qu’elle commute et complétée par un ou plusieurs symboles schématisant la technologie utilisée. Elle peut être également repéré par les orifices qu’elle met en liaison.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

70

DISTRIBUTION DE L'ENERGIE

PREACTIONNEURS

PNEUMATIQUES

La figure suivante donne la schématisation des différents dispositifs de commande : Commande manuelle

Commande électrique

Commande manuelle par poussoir

Commande électropneumatique

Commande pneumatique

Rappel par ressort

Distributeur bistable à commande par pression des deux côtés

Distributeur bistable à commande électrique des deux côtés

Distributeur monostable à commande électrique et à rappel par ressort

4. LOGICIELS DE SIMULATION : La simulation sur ordinateur est devenu un outil très important pour la conception des systèmes en différentes technologies. Elle a connue une évolution très rapide avec le progrès de l’informatique. Ainsi, un circuit pneumatique peut être étudier par simulation numérique sur un ordinateur personnel avant d’être réalisé réellement. Un exemple de logiciel de simulation pneumatique est donné ci-dessous. Un logiciel de simulation pneumatique permet : • la saisie de schémas pneumatiques en insérant des objets graphiques tels que : vérin, distributeurs, etc. • la simulation des commandes par des clics de souris sur les organes de commande. • la visualisation du fonctionnement du circuit réalisée conformément aux excitations ainsi choisies.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

71

DISTRIBUTION DE L'ENERGIE

MODULE 2

PARTIE 3 CONVERSION DE L’ENERGIE PRESENTATION Dans un système automatisé, souvent la finalité de l'action sur la matière d'œuvre est de nature mécanique. Puisque l'énergie souvent disponible est électrique et moins encore pneumatique, alors il faut convertir cette énergie disponible en énergie mécanique ; d’où l’utilisation des actionneurs qui assurent cette fonction de conversion. La position d'une telle fonction dans une chaîne d'énergie, ainsi que sa fonction globale sont représentées par les figures suivantes.

CHAPITRE 1

ACTIONNEURS ELECTRIQUES INTRODUCTION Dans un système automatisé, on trouve différents types d'actionneurs électriques, on cite en particulier les électro-aimants, les électrovannes et les moteurs.

1. ELECTROAIMANT (EA) : C’est une bobine dont le noyau est mobile. Si l’EA est alimenté le noyau se déplace vers la droite, et si l’EA n’est pas alimenté le ressort de rappel le fait retourner à sa position initiale.

EA alimenté

EA non alimenté

2. ELECTROVANNE : Elle utilise le même principe des électroaimants pour commander le passage ou le blocage d’un liquide sous pression. Exemple : machine à laver (L’électrovanne commande le passage d’eau). Bobine de commande

Arrivée du fluide sous pression

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

Sortie du fluide

73

CONVERSION DE L'ENERGIE

ACTIONNEURS

ELECTRIQUES

3. LE MOTEUR ELECTRIQUE : C’est l’actionneur le plus utilisé pour transformer l’énergie électrique en énergie mécanique. Selon la nature de la tension électrique utilisée pour l’alimentation (continu ou alternatif). On distingue plusieurs types de moteurs : • Moteur à courant continu. • Moteur asynchrone. • Moteur pas à pas. Quelque soit le type du moteur on distingue la partie tournante (Rotor) et la partie fixe (Stator)

Rotor

Stator

3.1- Moteur à courant continu : Ce moteur est alimenté par une tension continue (pile, batterie d’accumulateurs, tension stabilisée). 3.1.1- Symbole :

Moteur à inducteur bobiné

Moteur à aimant permanent 3.1.2- alimentation :

Le moteur peut tourner dans les 2 sens suivant la polarité de son alimentation : • Un seul sens de marche :

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

74

CONVERSION DE L'ENERGIE

ACTIONNEURS

ELECTRIQUES

• Deux sens de marche :

Pour que le moteur tourne dans le premier sens, on ferme les interrupteurs K1 et K3. Et pour qu’il tourne dans le sens inverse, on ferme K2 et K4.

Exercice : Le montage suivant est utilisé pour la commande du store automatisé :

Analyser le montage et compléter le tableau suivant par : sens +, sens-, Arrêt

Position Haute K2

K1 Position Basse

Position Haute Position Basse

3.2- Moteur asynchrone : C’est le moteur le plus utilisé dans les systèmes automatisés, car il présente les avantages suivants : • Une bonne Puissance massique : à puissance égale le Moteur asynchrone est plus léger que le moteur à courant continu ; • Alimentation par le réseau public 220v/380v - 50Hz ; • Facilité de mise au point ; • Un bon couple au démarrage ; • Ne présente aucun balai et collecteur (rotor à cage). Pas de danger pour une utilisation dans un milieu explosif. 3.2.1- Moteur asynchrone triphasé : Ce moteur nécessite une alimentation triphasée. Pour faire fonctionner dans des conditions normales ce moteur, on peut utiliser le montage suivant (démarrage direct) qui prévoit une protection par fusible (contre les courts circuits) et relais thermique (contre les surcharges prolongées).

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

75

CONVERSION DE L'ENERGIE

ACTIONNEURS

ELECTRIQUES

Circuit de commande

Schéma de Puissance

Le montage suivant permet un fonctionnement à deux sens de marche :

3.2.2- Moteur asynchrone Monophasé : Pour l’utilisation dans le milieu domestique où le triphasé n’est pas fourni par l’ONE, les constructeurs prévoient le moteur asynchrone monophasé.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

76

CONVERSION DE L'ENERGIE

ACTIONNEURS

ELECTRIQUES

Sur la plaque à bornes de ce moteur, on distingue deux bobines liées par un condensateur afin d’assurer un déphasage de π/2 entre les deux phases, pour créer le champ tournant. Pour assurer un fonctionnement dans les deux sens du moteur on peut utiliser les montages suivants : Exemple d’utilisation : Machine à laver. Bobines du moteur

Bobines du moteur

Condensateur de déphasage

22µF 400v

Condensateur de déphasage

220 V 50 Hz

22µF 400v

220 V 50 Hz

Fonctionnement sens 1

Fonctionnement sens 2

Le montage suivant permet un fonctionnement à deux sens de marche :

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

77

CONVERSION DE L'ENERGIE

CHAPITRE 2

ACTIONNEURS PNEUMATIQUES INTRODUCTION : Un actionneur pneumatique est un dispositif qui transforme l’énergie de l’air comprimé en travail mécanique. Parmi les actionneurs pneumatiques les plus utilisés dans les systèmes automatisés on trouve : • •

le vérin pneumatique ; le générateur de vide Venturi.

1. LES VERINS : Les vérins se prêtent bien à des mouvements pneumatiques assez analogues à ceux de l’homme. Ce sont des actionneurs qui réalisent un mouvement linéaire à l’endroit même où l’on a besoin d’une force pour transférer, serrer, élever, indexer, arrêter, éjecter... : ce sont les muscles de la partie opérative du système. Energie pneumatique

TRANSFORMER L’ENERGIE

Energie électrique

Vérin Fig 1 : Modèle fonctionnel d’un vérin

2. CONSTITUTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : un vérin est constitués d’un cylindre, fermé aux deux extrémités, à l’intérieur duquel se déplace librement un piston muni d’une tige, sous l’effet des forces dues à la pression de l’air comprimé (voir figure ci-dessous). Pour faire sortir la tige, on applique la pression sur la face arrière du piston et pour la faire rentrer, on applique la pression sur la face avant.

Cylindre

Piston

Face avant

Face arrière Tige Orifices d’alimentation Fig 2 : Constitution d’un vérin pneumatique

3. LE VERIN SIMPLE EFFET : Ce vérin produit l’effort dans un seul sens. Il n’est donc alimenté que d’un seul coté du piston. Le retour à la position initiale s’effectue en général par un ressort. Avantage : consommation réduite.

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

78

CONVERSION DE L'ENERGIE

ACTIONNEURS

Effort

PNEUMATIQUES

Symbole

Air

Fig 3 : Le vérin simple effet

4. LE VERIN DOUBLE EFFET : Dans un vérin double effet, la sortie et la rentrée de la tige s’effectue par l’application de la pression, alternativement, de part et d’autre du piston. Les vérins double effet sont utilisés lorsqu’on a besoin d’effort important dans les deux sens. Avantage : plus grande souplesse d’utilisation, réglage facile de la vitesse. Efforts

Air

Air Symbole

Fig 4 : Le vérin double effet

Remarque : Dans les vérins on peut trouver d’autres fonction complémentaires tel que : amortissement de fin de course, capteur de position, dispositifs de détection.

5. CARACTERISTIQUES ET PERFORMANCES D’UN VERIN : Le fonctionnement d’un vérin dépend des caractéristiques suivantes : • • •

Le diamètre du piston ; La course de la tige ; La pression d’alimentation.

Le choix et le dimensionnement d’un vérin s’effectuent en fonction de l’effort à transmettre. Cet effort est liée à la pression par la relation : F = p.S où : ƒ ƒ ƒ MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

F est l’effort exprimé en newtons (N) ; p est la pression en pascal (Pa) ; S est la surface en m2 .

79

CONVERSION DE L'ENERGIE

ACTIONNEURS

PNEUMATIQUES

Par exemple, un vérin ayant un piston de diamètre D = 8 mm et alimenté par une pression de 6 bar (60000 Pa) fournit un effort sortant F = (px∏xD2) / 4 soit 3016 N. Exercice : Le vérin utilisé dans le système Portail doit exercer un effort entrant de 15 N pour ouvrir la porte. Calculer le diamètre maximal dmax de la tige sachant que le diamètre du piston est D = 8 mm et la pression est de 6 bar ? Solution : On a : F = pxS avec S = Spiston – STige Or

Spiston = ∏xD2

Et

STige = ∏xd2

Soit :

F = px∏x( D2 – d2 ) / 4

D’où : dmax = ( D2 – 4F/p∏ )1/2 Soit :

dmax = 5,67 mm

6. EXEMPLE D’UTILISATION DES VERRINS : Serrage de la pièce à percer dans le système « Perceuse automatique ». Pièce Serrage

Bâti

Bâti

7. LE GENERATEUR DE VIDE OU VENTURI : Un générateur de vide ou venturi est un actionneur pneumatique dont le rôle est de transformer l’énergie pneumatique en surpression en une énergie pneumatique en dépression. Un venturi est composé d’un éjecteur muni d’une conduite d’air plus étroite du côté de l’entrée et d’un orifice, perpendiculaire à la conduite, servant à connecter la ventouse. Le passage de l’air comprimé dans le conduit provoque une dépression et entraîne avec lui l’air présent dans l’orifice perpendiculaire. Par conséquent, une aspiration se produit au niveau de la ventouse. Symbole Air comprimé Ejecteur

Fig 6 : Principe du venturi

MODULE 2 : CHAINE D'ENERGIE

Ventouse

Aspiration

80

CONVERSION DE L'ENERGIE

MODULE 2

PARTIE 4 TRANSMISSION DE L’ENERGIE PRESENTATION Le mouvement de rotation recueilli par l'arbre de sortie d'un moteur électrique, ainsi que le mouvement de translation que permet la tige de sortie d'un vérin pneumatique n'est pas toujours bien adapté pour agir directement sur la matière d'œuvre d'un système automatisé. Pour agir correctement, il faut alors transmettre ces mouvements en les adaptant en changeant la vitesse ou le sens ou la nature de mouvement, etc. La position d'une telle fonction dans une chaîne d'énergie, ainsi que sa fonction globale sont représentées par les figures suivantes.

CHAPITRE 1

REGLES DE BASE DE DESSIN INDUSTRIEL INTRODUCTION Le dessin technique manuel ou assisté par ordinateur est l'outil graphique le plus utilisé par les techniciens et les ingénieurs pour passer de l'idée à la réalisation d'un objet ou produit. C'est un langage de communication, universel dont les règles précises sont normalisées internationalement.

1/ PRINCIPAUX TYPES DE DESSINS INDUSTRIELS 1.1- Schéma: Dessin dans lequel sont utilisés des symboles graphiques indiquant les fonctions des composants et leurs relations. Exemples:

Schéma électrique ; Schéma électronique; Schéma mécanique, etc.

1.2- Dessin d'ensemble: Il indique comment les pièces sont assemblées et disposées les unes par rapport aux autres, et représente le mécanisme dans son ensemble.

Dessin d'ensemble d'un verrou

1.3- Dessin de définition: Il représente une pièce et la définit complètement (formes, dimensions). Il comporte toutes les indications nécessaires et utiles pour la fabrication de la pièce.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

82

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REGLES

DE

BASE

DE

DESSIN

INDUSTRIEL

Ø9

17.55

Dessin de définition de la douille

2/ FORMATS Les dessins techniques sont représentés sur des feuilles de dimensions normalisées appelées : formats. La série A (A0, A1, A2, A3, A4) normalisée est universellement utilisée. Le format A0 est le format de base ; elle est caractérisée par : • Sa surface : SA0 = 1m² ; • Ses dimensions (L x l) : 1189 x 841 mm. Un format directement inférieur s’obtient en divisant la longueur par 2. On a alors : • Le format A1 : LA1= LA0 / 2 ; • Le format A2 : LA2= LA1 / 2 ; • Le format A3 : LA1= LA2 / 2 ;

210

A3

A2 420

A4

297

297

• Le format A4 : LA2= LA3 / 2.

420 594

3/ ELEMENTS PERMANENTS 3.1- Le cadre : Il délimite la surface de travail sur le format. Il se situe à 10 mm du bord de la feuille pour les formats courants (A4, A3, A2) et à 20 mm pour les autres formats.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

83

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REGLES

DE

BASE

DE

DESSIN

INDUSTRIEL

10 mm Surface de travail

Cadre

Bord du format

3.2- le repère d’orientation : Il permet d’orienter le dessin. Il doit toujours être dirigé vers soi. Il est symbolisé comme suit :

4/ L'ECHELLE Lorsque les objets sont grands (immeubles, bateaux, automobiles, etc.) ou petites (montres, circuit électronique, etc.), il est nécessaire de faire des réductions ou des agrandissements pour représenter ces objets. L’échelle d’un dessin est donc le rapport entre les dimensions dessinées et les dimensions réelles de l’objet. Echelle =

Exemple :

Dimensions dessinées Dimensions réelles

Echelle 1:10 Echelle 1:1 pour la vraie grandeur

Exemple :

Echelle 1:1

Echelle 1:2

5/ LE CARTOUCHE: Le cartouche est un tableau situé au bas du format et comportant les informations suivantes : le titre du dessin, l’échelle du dessin, l’identité du dessinateur (nom, prénom, classe), la date, le format, le nom de l’établissement, le symbole de disposition des vues.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

84

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REGLES

DE

BASE

DE

DESSIN

INDUSTRIEL

Exemple de cartouche échelle Symbole Format

Titre du dessin Nom de l'établissement

Nom dessinateur date classe

Le symbole de disposition des vues montre la disposition des vues par rapport au dessinateur : Symbole européen

Symbole américain

• Ce qu’on observe à gauche, on le représente à gauche ; • Ce qu’on observe en dessous, on le représente en dessous.

• Ce qu’on observe à gauche, on le représente à droite ; • Ce qu’on observe en dessous, on le représente en dessus.

6/ NOMENCLATURE : C’est la liste complète des pièces qui constituent un ensemble dessiné. Elle est liée au dessin par les repères des pièces (1, 2, 3, etc.). La nomenclature est composée de 5 colonnes :

REP

NBR

DESIGNATION

MATIERE

OBSERVATION

• Le repère de chaque pièce (REP.) ; • Le nombre de chaque pièce (NBR.) ; • Le nom des pièces (DESIGNATION) ; • La matière de chaque pièce (MATIERE) ; • Une observation si nécessaire (OBS.).

7/ ECRITURE : Sur un dessin technique, on utilise une écriture normalisée. Dans une écriture les caractères doivent avoir la même hauteur et le même espace entre eux. On trouve 2 types d'écriture : droite et penchée (inclinée). Par Exemple : Ecriture droite: Rondelle. Ecriture penchée: Rondelle. Remarque : En dessin manuel, les écritures sont réalisées à l’aide d’un trace lettre :

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

85

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REGLES

DE

BASE

DE

DESSIN

INDUSTRIEL

8/ LES TRAITS : Plusieurs types de traits sont employés en dessin technique. Un trait est caractérisé par : • sa nature : continu ou interrompu ou mixte ; • son épaisseur : fort ou fin. Tableau des différents types de trait : Type

Désignation

Application ou usage • Arêtes et contours vus • Cadre et cartouche

Continu fort

Arêtes et contours cachés

Interrompu fin Mixte fin

Continu fin Continu fin ondule ou en zigzag

Mixte fin à deux tirets

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

86

• Axes • Plan de symétrie ou de coupe • Elément primitif Ligne d'attache de repères ou de cotes, hachures, filetages Limites de vues ou de coupes partielles • Contours de pièces voisines • Détail avant plan de coupe • Demi rabattement • Positions des pièces mobiles

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 2

PROJECTION ORTHOGONALE INTRODUCTION Pour être utilisable, l’image d’un objet doit être représentée fidèlement. L’image ne doit pas être déformée. L’antenne parabolique ci-contre doit être présentée sous forme de plusieurs vues, afin de donner une idée détaillée sur le fonctionnement dans différentes positions.

1/ PERSPECTIVE CAVALIERE 1.1- But : La perspective cavalière permet de donner en une seule vue une idée globale des formes de l’objet à représenter. Exemple : L’image ci contre représente en perspective cavalière la pièce serre-bras du positionneur.

1.2- Définition : La perspective cavalière est une projection oblique parallèle à une direction donnée, sur un plan parallèle à la face principale de l’objet à représenter.

1.3- Tracé pratique : La face principale se projette en vraie grandeur. Les arêtes perpendiculaires au plan de projection se projettent suivant des droites obliques parallèles appelées "fuyantes" et dont les dimensions sont obtenues en multipliant les longueurs réelles par un même coefficient de réduction k. L’inclinaison des fuyantes (angle de fuite α) et le coefficient de réduction sont normalisés : Soit : α = 45°; k = 0,5.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

87

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROJECTION

ORTHOGONALE

Orientations possibles : Haut vers gauche

Haut vers la droite

Bas vers la gauche

Bas vers la droite

Fuyantes

Face principale

α

2/ PERSPECTIVE AXONOMETRIQUE 2.1- Définition : C’est une projection orthogonale de la pièce sur un plan oblique par rapport aux faces principales de la pièce.

2.2- Différentes types :

Remarques : • • •

Si α = β = γ : La perspective est dite isométrique. Si deux angles quelconques sont égaux : La perspective est dite dimétrique. Si α ≠ β ≠ γ : La perspective est dite trimétrique. Par simplicité, on décrit uniquement le principe de la perspective isométrique.

2.3-Perspective isométrique : La perspective isométrique d’un cube s’obtient à partir d’un parallélépipède de côté a, b, c dont la dimension dessinée est égale à la dimension réelle x 0,82.

a b

Angles de projection : α = β = γ = 120°. c

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

88

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROJECTION

ORTHOGONALE

Exemple : La perspective isométrique de la pièce serre bras.

Un cercle devient une ellipse en projection isométrique.

2.4- Tracé des ellipses : Les faces du cube ne sont pas parallèles au plan de projection. Tout cercle appartenant à une face du cube se projette donc suivant une ellipse. Il est possible de construire une ellipse lorsque l’on connaît son grand axe AA’ et son petit axe BB’.

B

a

b

A

A

c B’

Il existe deux méthodes de traçage : • •

Méthode au compas. Méthode par points.

Grand axe

Petit axe

Remarques : • •

Les grandes axes des ellipses sont respectivement perpendiculaires aux arrêtes a, b, c. (par exemple l’axe AA’ est perpendiculaire à l’arrête c). Les directions des axes des ellipses peuvent être déterminées par les diagonales des faces : ƒ ƒ

AA’ = diamètre en vraie grandeur. BB’ = diamètre x 0,58.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

89

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROJECTION

ORTHOGONALE

3/ PROJECTIONS ET VUES Pour mieux décrire la géométrie d’un objet, on est ramené de passer d’une représentation en perspective à une représentation en vues. Cette projection nécessite la présence de trois éléments : l’oservateur, l’objet et le plan de projection(dessin).

3.1- Définition c’est la projection orthogonale sur les plans de projection d’un objet dont la face principale est parallèle au plan de projection. Les lignes de projection sont parrallèles entre elles et perpendiculaire au plan de projection. Il existe principalement 2 types de projection : •

Projection européenne ;

•

Projection américaine.

3.2- Projection Européenne : 3.2.1- Principe : On imagine la pièce à l’intèrieur d’un cube et on projette l’objet sur les six faces :

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

90

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROJECTION

ORTHOGONALE

3.2.2- Disposition des vues : On développe le cube de projection et on obtient six vues géométrales sur le même plan :

1 : Vue de Face. 2 : Vue de Gauche. 3 : Vue de Dessus. 4 : Vue de Droite. 5 : Vue de Dessous. 6 : Vue d’Arrière.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

91

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROJECTION

ORTHOGONALE

Remarques : • •

Les vues sont nommées selon la position de l’observateur par rapport à la vue principale. Il y a correspondance (alignements) entre les vues : ƒ ƒ ƒ

Correspondance horizontale. Correspondance verticale. Correspondance en équerre.

3.2.3- Exemple : la pièce serre-bras du positionneur est dessiné en perspective isomètrique et vues : vue de face, vue de gauche et vue de dessus :

en trois

3.2.4 Règles d’exécution du dessin : • • • • • •

Choisir comme vue de face la vue la plus représentative ; Ne dessiner que les vues nécessaires et suffisantes pour définir complètement la pièce avec un minimum de parties cachées ; Ne pas dessiner les faces du cube ; Ne pas inscrire les noms des vues ; Observer la correspondance entre les vues ; Ne pas laisser apparaître les lignes de rappel.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

92

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 3

NOTIONS GENERALES SUR LES MATERIAUX INTRODUCTION Le progrès technique a permis de produire des matériaux élaborés : • • • •

d'extraire des métaux à partir de minerai. de les mélanger pour fabriquer des alliages. de mettre au point des matières plastiques (polymères) synthétiques à partir d'éléments naturels comme le charbon, le pétrole, le bois ou le gaz naturel. de concevoir des matériaux composites de plus en plus utilisés dans les industries du transport.

Remarque : Par extension le nom de métal est attribué à tous les alliages de métaux purs que nous utilisons communément.

1- CLASSIFICATION DES MATERIAUX :

2- PROPRIETES DES MATERIAUX : 2.1- Propriétés mécaniques : • • • • • • •

Fusibilité : Aptitude d’un métal à fendre, sous la chaleur. Fluidité : Aptitude d’un métal à l’état liquide, à remplir les empreintes d’un moule. Malléabilité : Aptitude d’un métal à être déformé à chaud ou à froid par pression ou par choc. Soudabilité : Aptitude d’un métal à subir une soudure sans risque de crique. Ductilité : Aptitude d’un métal à être étiré en fil. Ténacité : Aptitude d’un métal à résister aux efforts progressifs (Traction, Compression, Torsion, Flexion). Elasticité : Aptitude d’un métal à revenir à sa forme initiale après avoir subit une déformation.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

93

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

NOTIONS

GENERALES

SUR

LES

MATERIAUX

Propriétés pratiques : • •

Dureté : Aptitude d’un métal à s’opposer à la pénétration d’un corps dur. Résilience : Aptitude d’un métal à s’opposer aux efforts brusques (chocs).

2.2- Propriétés physiques : • • • •

Masse spécifique : La masse de l’unité de volume d’un matériau en Kg/m3. Densité : la densité est utilisée pour déterminer la masse des organes. Conductibilité thermique : Aptitude d’un métal à diffuser la chaleur. Conductibilité électrique : Aptitude d’un métal à faciliter le passage du courant électrique.

3- SYMBOLES DES MATERIAUX : Symbole Al Sb Ag Be Bi B Cd Ce Cr Co Cu Sn Fe

Elément d’alliage Aluminium Antimoine Argent Bérylium Bismuth Bore Cadmium Cérium Chrome Cobalt Cuivre Etain Fer

Symbole Ga Li Mg Mn Mo Ni Nb Pb Si Sr Ti V Zn

Elément d’alliage Gallium Lithium Magnésium Manganèse Molybdène Nickel Niobium Plomb Silicium Strontium Titane Vanadium Zinc

4- DESIGNATION DES MATERIAUX : 4.1- Les fontes : ƒ

Fontes à graphite lamellaire : EN-GJL- 200 : 200 Mpa de résistance à la rupture

ƒ

Fontes malléables et à graphite sphéroïdal EN-GJMW-400-5 EN-GJS-400-15 : 400 Mpa de résistance à la rupture, 5 % d’allongement après rupture

4.2- Aciers non alliés : ƒ

Aciers d'usage général S 235 : 235 Mpa de résistance élastique GE 360 : G : acier moulable

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

94

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

NOTIONS

ƒ

GENERALES

SUR

LES

MATERIAUX

Aciers non alliés C 40 : 0,40 % de carbone GC 25 :G : acier moulable

4.3- Aciers alliés ƒ

Aciers faiblement alliés 36 Ni Cr Mo 16 : 36 : 0,36 % de carbone Ni : nickel Cr : chrome Mo : molybdène 16 : 4 % ( 16 / 4 ) de nickel Multiplié par 4 pour Cr, Co, Mn, Si, Ni, W Multiplié par 10 pour les autres

ƒ

Aciers fortement alliés X 5 Cr Ni 18-10 : 5 : 0,05 % de carbone Cr : chrome Ni : nickel 18 : 18 % de chrome 10 : 10 % de nickel

4.5- Alliages d'aluminium ƒ

Aluminium et alliages d'aluminium de fonderie Al 99,5 : aluminium à 99,5 % Al Cu 4 Mg Ti : Cu : cuivre 4 : 4 % de cuivre Mg : magnésium Ti : titane

ƒ

Alliages d'aluminium corroyés EN AW-2017 [Al Cu 4 Mg Si] : Al : aluminium 4 : 4 % de cuivre

Cu : cuivre Mg : magnésium

4.6- Alliages de cuivre ƒ

Laiton Cu ZN 15 : Cu : cuivre Zn : zinc 15 : 15 % de zinc

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

95

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

NOTIONS

ƒ

GENERALES

SUR

LES

MATERIAUX

Bronze Cu Sn 8 Pb P : Cu : cuivre Sn : étain 8 : 8 % d’étain P : phosphore

4.7- Alliages de zinc moulés ZA 8 : Z : zinc A : aluminium

4.8- Les plastiques ƒ

Les thermoplastiques PA 11 : PA : polyamide 11 : type 11 ( 11 atomes de carbone ) PTFE : polytétrafluoréthylène

ƒ

Les thermodurcissables PF 21 : phénoplaste (bakélite) EP : époxyde (araldite) UP : polyester

ƒ

Elastomères Chloroprène ( néoprène ) Acrylique Polyuréthane

ƒ

Mousses PS: polystyrène expansé PUR: polyuréthane expansé

4.9- Composites Composite = matrice + renfort ƒ

Matrices EP: époxyde UP: polyester

ƒ

Renforts FV: fibre de verre FC: fibre de carbone FA: fibre d’aramide (kevlar)

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

96

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 4

LES COUPES – LES SECTIONS 1. LES COUPES : 1.1- But : Les coupes améliorent la clarté et la lecture du dessin en permettant de voir les formes intérieures d’une pièce.

1.2- Définition : Une coupe représente la section et la fraction de la pièce située en arrière du plan sécant (Plan de coupe).

1.3- Méthodes de représentation:

• • • • •

Repérer le plan sécant, par sa trace, en trait mixte fin terminé par deux traits forts. Indiquer le sens d’observation par deux flèches en trait fort pointant vers le milieu des traits forts. Repérer le plan de coupe par une même lettre majuscule inscrite à côté de chaque flèche. Supposer et pièce coupée par ce plan et enlever par la pensée la partie située coté flèches. Disposer et dessiner la coupe comme une vue normale en regardant dans le sens indiqué par les flèches. • Hachurer la section. • Désigner la coupe par les mêmes lettres majuscules que le plan de coupe.

1.4- Coupes particulières : 1.4.1. Demi coupe :

½ coupe A-A

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

97

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

COUPES

–

LES

SECTIONS

1.4.2. Coupe brisée à plans parallèles :

1.4.3. Coupe brisée à plans sécants :

1.4.4- Coupe des nervures.

Règle : On ne coupe jamais une nervure par un plan parallèle à sa plus grande face.

1.5- Hachures : 1.5.1- But : Les hachures sont utilisées pour mettre en évidence la section d’une pièce. 1.5.2- Exécution des hachures : Elles sont tracées en traits fins régulièrement espacés. La distance entre deux hachures varie de 1,5 à 5mm.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

98

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

COUPES

–

LES

SECTIONS

1.5.3- Règles importantes : • Les hachures doivent être inclinées de préférence à 45°, 60° ou 30° par rapport aux lignes principales du contour d’une pièce. • Les hachures ne traversent jamais un trait fort. • Les hachures ne s’arrêtent jamais sur un trait interrompu fin. • Les différentes parties de la section d’une même pièce sont hachurées d’une même manière. 1.5.4- Différentes hachures : Métaux ferreux (Aciers, fontes)

Aluminium d’Al i i

et

alliages

Matières plastiques et isolantes

Cuivre et alliages de Cuivre

2. LES SECTIONS : 2.1- But : Les section permettent d’éviter les vues surchargées en isolant les formes que l’on désire préciser.

2.2- Définition : Une section représente la partie d’une pièce située dans le plan sécante.

2.3- Différentes sections : On distingue deux sortes de sections :

2.3.1- Section sortie :

La section sortie est dessinée à l’extérieur de la vue principale.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

99

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

COUPES

–

LES

SECTIONS

Méthode de représentation : • Repérer le plan sécant par sa trace en trait mixte fin, terminé par deux traits forts. • Indiquer le sens d’observation par deux flèches en trait fort pointant vers le milieu des traits forts. • Repérer le plan de la section par une lettre majuscule inscrite à côté de chaque flèche. • Supposer la pièce coupée par ce plan et enlever par la pensée la partie située côté flèche. • Dessiner en trait continu fort, la surface de la pièce contenue dans le plan sécant, en regardant dans le sens indiqué par les flèches. • Hachurer la section. • Désigner la section par les même lettres majuscules que le plan sécant. 2.3.2- Section rabattue : La section rabattue est dessinée en surcharge sur la vue principale.

Méthode de représentation : • Repérer le plan sécant par sa trace en trait mixte fin. • N’indiquer le sens d’observation que s’il peut y avoir confusion. Ne pas mettre de lettre. • Amener par une rotation de 90°, auteur de l’axe de la section, le plan sécant dans le plan de dessin. • Dessiner en trait continu fin la surface de la pièce contenue dans le plan sécant. • Hachurer la section. Remarque : Bien que cela à éviter, les hachures peuvent couper un trait fort.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

100

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 5

LES LIAISONS MECANIQUES 1. MOUVEMENT Pour définir le mouvement d’une pièce, il faut spécifier une référence par rapport à laquelle ce mouvement se fait ; donc la notion de mouvement est relative. Dans un mécanisme une pièce peut être fixe ou mobile par rapport à une autre pièce. En mécanique les deux mouvements élémentaires rencontrés sont : Translation

Rotation

Exemples : mouvement de la porte d’un lecteur CD Mouvement du mors mobile d’un étau

Exemples : mouvement de roue d’une bicyclette Mouvement d’une porte par rapport au cadre

2. HYPOTHESES •

Les pièces sont supposées indéformables. Contre-exemple : Ressorts.

•

Les formes sont supposées géométriquement parfaites. Exemple :

Une pièce cylindrique est mathématiquement cylindrique.

supposée

sans

défauts,

parfaitement

et

3. LIAISON MECANIQUE On dit que deux pièces sont en liaison si elles sont en contact par l’intermédiaire de surface(s) ou de point(s). Ces surfaces sont appelées surfaces fonctionnelles qui sont de deux types : surfaces de mise en position (MIP) et surfaces de maintien en position (MAP).

3.1- Nature des contacts •

Contact ponctuel : La zone de contact est réduite à un point.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

101

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

LIAISONS

MECANIQUES

•

Contact linéique : La zone de contact est réduite à une ligne, pas forcément droite.

•

Contact surfacique : La zone de contact est une surface (plan, cylindre, sphère, etc.)

3.2- Degré de liberté Une translation peut être définie à l’aide de trois translations élémentaires. y

Tx : Translation le long de l’axe x Ty

Ty : Translation le long de l’axe y Tz : Translation le long de l’axe z

Tz x z

Tx

Une rotation peut être définie à l’aide de trois rotations élémentaires. y

Rx : Rotation autour de l’axe x Ry

Ry : Rotation autour de l’axe y

Rz

Rz : Rotation autour de l’axe z x

z

Rx

Il existe donc 6 mouvements élémentaires permettant de définir n’importe quelle combinaison de translation et de rotation.

3.3- Définitions: • • •

Le nombre de mouvements autorisés par une liaison est appelée degré de liberté et dépend de la nature et du nombre de surfaces en contact. Le nombre de mouvements non autorisés par une liaison est appelé degré de liaison. Dans une liaison on a toujours la relation : Les degrés de liberté + Les degrés de liaison = 6 Autrement dit : Les mouvements possibles + Les mouvements impossibles = 6

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

102

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

LIAISONS

MECANIQUES

3.4- Liaisons élémentaires Une liaison élémentaire entre deux solides S1 et S2, est construite par contact d'une surface géométrique élémentaire de S1 et une surface géométrique élémentaire de S2. Une surface géométrique élémentaire peut être plane, cylindrique ou sphérique. Contacts possibles :

Contact plan/plan

Contact plan/cylindre

Contact plan/sphère

Contact sphère/sphère

Contact cylindre/cylindre

Contact sphère/cylindre

3.5- Repère local A chaque liaison élémentaire, est associé un repère local qui est construit à partir des caractéristiques géométriques du contact. Ce repère est défini par : • •

L'origine : centre géométrique de contact 3 axes choisis en fonction des caractéristiques mathématiques de la surface de contact z

Exemple :

o y

x

4. REPRESENTATION NORMALISEE DES LIAISONS 4.1- Liaison ponctuelle Symbole plan Exemple

Degré de liberté Rx=1

Tx=1

Ry=1

Ty=1

Rz=1

Tz=0

Symbole spatial

Ballon sur le sol

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

103

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

LIAISONS

MECANIQUES

Exemples de Solutions z

z

y

y x

x Une sphère sur un plan

Un plan de faible étendue sur un plan

4.2- Liaison pivot Exemple

Roue d’une moto par rapport à l’axe

Degré de liberté

Rx=0

Tx=0

Ry=1

Ty=0

Rz=0

Tz=0

Symbole plan

Symbole spatial

Exemple de Solution z

Deux cylindres de faible longueur et un petit plan contre des surfaces similaires y x

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

104

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

LIAISONS

MECANIQUES

4.3- Liaison pivot glissant Exemple

Degré de liberté

Piston d'une seringue

Symbole plan

Rx=0

Tx=0

.

Ry=1

Ty=1

Symbole spatial

Rz=0

Tz=0

Exemple de Solution z

Un cylindre dans un cylindre suivant le même axe

y

x

4.4- Liaison glissière Exemple

Degré de liberté

Rx=0 Ry=0 Rz=0

Symbole plan

Tx=1 Ty=0

Symbole spatial

Tz=0

Un tiroir d’un meuble

Exemple de Solution

Contact suivant plusieurs plans différents

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

105

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

LIAISONS

MECANIQUES

4.5- Liaison rotule Exemple

Rotule d’un positionneur d’antenne parabolique

Degré de liberté Rx=1

Tx=0

Ry=1

Ty=0

Rz=1

Tz=0

Symbole plan

Symbole spatial

4.6- Liaison appui plan Exemple

Degré de liberté Rx=0

Tx=1

Ry=

Ty=1

Rz=1

Tz=0

Symbole plan

Symbole spatial

Assiette sur la table

4.7- Liaison hélicoïdale Exemple

Degré de liberté Rx=1

Tx=1

Ry=0 Rz=0

Ty=0 Tz=0

Symbole plan

Symbole spatial

Vis de manœuvre d'un serre-joint

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

106

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

LES

LIAISONS

MECANIQUES

4.8- Liaison encastrement Exemple

Degré de liberté Rx=0

Tx=0

Ry=0 Rz=0

Ty= Tz=0

Symbole plan

Symbole spatial

y

Pièces assemblées par boulons

x

z Pièces soudées

5. Schéma cinématique minimal Un schéma est une représentation simplifiée d’un ensemble d’éléments organisés en familles de pièces tel que tous les éléments de cette famille n’ont aucun mouvement les uns par rapport aux autres. Cette famille de pièces s’appelle classe d’équivalence. Un schéma cinématique est basé sur la représentation normalisée des liaisons usuelles. Il met en évidence les mouvements possibles entres les classes d'équivalence. Exemple

E4 Z

Y

E3

E1

E1

X

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

107

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 6

CONSTRUCTIONS DES LIAISONS INTRODUCTION La conception d’une solution technologique pour satisfaire une fonction technique nécessite, entre autres, de choisir des surfaces fonctionnelles de liaisons permettant une précision et bon de rendement.

1/ LIAISONS COMPLETES Assurer une liaison encastrement entre deux pièces revient, sur le plan cinématique, à éliminer tous les degrés de liberté.

1.1- Fonction principale d'une liaison complète Pièce 1 FP

Liaison complète

Pièce 2

FP : éliminer tous les degrés de liberté entre les deux pièces

1.2- Démontrabilité Une liaison encastrement peut être démontable ou indémontable. 1.2.1- Liaison encastrement démontable : Une liaison encastrement démontable est une liaison que l’on peut démonter sans détériorer les surfaces fonctionnelles. On peut alors remonter les pièces sans en changer une seule. 1.2.2- Liaison encastrement indémontable : Une liaison encastrement indémontable est une liaison que l’on ne peut pas démonter sans détériorer des surfaces fonctionnelles. Pour remonter, on doit changer une ou plusieurs pièces.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

108

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION

DES

LIAISONS

1.3- Fonctions techniques d'une liaison complète démontable FT11: surface plane FT1: Mettre en position

FT12120: surface cylindrique

FT13: surface conique FT21: vis de fixation FT22: boulons

FT23: goujons FP1: Réaliser une liaison complète démontable

FT1: Maintenir en position

FT24: goupilles FT25: clavettes FT26: solutions particulières FT3: Transmettre les efforts

FT31: solution par obstacle FT32: solution par adhérence

1.3.1- Les vis de fixation : Les vis de fixation servent à réunir plusieurs pièces par pression des unes sur les autres. Il existe deux types de vis : vis d’assemblage et vis de pression. a/ Vis d'assemblage : La pression est exercée par la tête. Principales caractéristiques : ™ Forme de la tête ; ™ Longueur libre ; ™ Longueur filetée.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

109

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION

DES

LIAISONS

b/ Vis de pression : La pression est exercée par l’extrémité. Principales caractéristiques : ™ Forme de la tête ; ™ Longueur libre ; ™ Forme de l’extrémité.

1.3.2- les boulons :

Un boulon est constitué d’une vis et d’un écrou. Les pièces à assembler, sont alors simplement percées ; l’assemblage est obtenu par pression des unes sur les autres.

1.3.3- les goujons :

Un goujon est composé d’une tige filetée à ces deux extrémités et d’un écrou. Les deux parties filetées sont toujours séparées par une partie lisse.

1.3.4- les goupilles : Les goupilles sont des organes de liaison simples et peu coûteux, utilisées pour : ™ immobiliser un composant ; ™ positionner un composant par rapport à un autre.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

110

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION

DES

LIAISONS

1.3.5- les clavettes: Ce sont des organes mécaniques permettant d'éliminer la rotation entre deux pièces. Dans une liaison complète, les clavettes sont accompagnées d'autres éléments notamment les écrous, les rondelles et les anneaux élastiques (circlips). a/ Les écrous :

Ce sont des composants associés à un boulon ou un goujon ou une tige filetée quelconque pour assurer une liaison démontable.

b/ Les rondelles : Éléments mécanique utilisés notamment pour augmenter la surface de contact de la vis ou l'écrou avec l'une de pièce à lier .d'autres rondelles sont utilisées pour empêcher le desserrage des vis ou l'écrou : rondelles de freinage c/ Les circlips ou Anneaux élastiques : Ce sont des composants mécaniques utilisés pour arrêter des pièces en translation

1.3.6- Solutions particulières : Moyeu fendu

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Coincement conique

111

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION

DES

LIAISONS

2. FONCTIONS TECHNIQUES D'UNE LIAISON COMPLETE INDEMONTABLE FT11: surface principale plane FT1: Mettre en position

FT12: surface principale cylindrique

FT13: surface principale conique

FT21: rivetage

FP1: Réaliser une liaison complète indémontable

FT1: Maintenir en position

FT22: soudage

FT23: collage

FT24: solutions particulières

FT3: Transmettre les efforts

FT31: solution par obstacle FT32: solution par adhérence

2.1- Soudage : Le soudage consiste à assembler deux ou plusieurs pièces d'une façon permanente, tout en assurant entre elles la continuité de matière soit par fusion locale des pièces soit par fusion d'un autre élément.

Exemple de pièces soudées

2.2- Rivetage : Le rivetage consiste à assembler des pièces par déformation d'un composant mécanique appelé "rivet" ; cette déformation se fait à froid ou à chaud.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

112

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION

DES

LIAISONS

2.3- Collage :

Les assemblages collés réalisent une liaison encastrement d’un ensemble de pièces en utilisant les qualités d’adhérence de certaines matières synthétiques.

3/ GUIDAGE EN ROTATION La solution constructive qui réalise une liaison pivot est appelée guidage en rotation. Le guidage en rotation est nécessaire dans de nombreux cas (arbre de moteurs électriques, roues de véhicules, etc.). 3.1- Schématisation cinématique normalisée de la liaison pivot Degré de liberté

y

y

y

T

R

x

0

1

y

0

0

z

0

0

x

On appelle :

x

z

z

™ arbre le contenu, ™ logement ou alésage le contenant. 3.2- Fonctions techniques : ™ Positionner l’arbre et le logement ; ™ Permettre un mouvement relatif (rotation) ; ™ Transmettre les efforts. 3.3- Solutions constructives 3.3.1- Contact direct Le guidage en rotation est obtenu par contact direct des surfaces cylindriques arbre/logement. Des arrêts suppriment les degrés de liberté en translation (Epaulement et circlips). Avantage Coût moins élevé

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Inconvénient Frottements

Contact direct

113

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION

DES

LIAISONS

3.3.2- Bagues de frottement (Coussinets)

Le principe du contact direct est amélioré en interposant des bagues de frottement qui vont diminuer le coefficient de frottement.

Les coussinets sont des bagues cylindriques en bronze ou en matière plastique, montées serrées dans l’alésage. L’arbre est monté glissant dans le coussinet. Lorsque le coussinet dispose d’une collerette (comme celui représenté à gauche), il supporte des efforts axiaux. Coussinets 3.3.3- Les roulements a/ Principe : En remplaçant le frottement de glissement par du frottement de roulement, on diminue les pertes de puissance. b/ Constituants : Un roulement est constitué en général de : ™ ™ ™ ™

BE : Bague extérieure en contact avec l’alésage BE BI : Bague intérieure en contact avec l’arbre ER : Eléments roulants C C : Cage ( support d’éléments roulants)

Les éléments roulants peuvent être : ™ ™ ™ ™

Des billes Des rouleaux cylindriques Des rouleaux coniques Des aiguilles BI

Bielles

Rouleaux

ER

Aiguilles

c/ Principaux types de roulements

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

114

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION Roulements rigides à une rangée de billes

Roulements à billes à contact oblique

DES

LIAISONS

Roulements à rouleaux coniques

4/ GUIDAGE EN TRANSLATION Le guidage en translation est la solution constructive qui réalise une liaison glissière entre deux pièces ou ensembles de pièces. Le seul mouvement relatif possible entre les deux pièces ou ensembles de pièces est une translation rectiligne.

4.1- Schématisation cinématique normalisée de la liaison glissière y

y x

Degré de liberté

y

x

Coulisseau

z

z

T

R

x

1

0

y

0

0

z

0

0

Glissière

La partie mobile est appelée coulisseau et la partie fixe (en général liée au bâti) est appelée glissière. Le guidage en translation doit réaliser, en phase d’utilisation, deux fonctions : • •

FT1 : Assurer un mouvement relatif de translation rectiligne ; FT2 : Transmettre et supporter les efforts.

4.2- Surfaces fonctionnelles : Dans un guidage en translation les surfaces fonctionnelles peuvent être cylindriques ou prismatique :

S1

S2 Surfaces fonctionnelles

S1 S1

S2

Surface cylindrique

Surface prismatique

4.2.1- Guidage à section cylindrique Les surfaces fonctionnelles cylindriques ne suppriment pas la rotation ; donc elles nécessitent un obstacle ou utilisation de deux surfaces cylindriques.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

115

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CONSTRUCTION Clavette + rainure

DES

LIAISONS

Vis + rainure

Deux surfaces cylindriques Cannelures

4.2.2- Guidage à section prismatique : Les guidages de type prismatique associent des surfaces de contact planes.

Section rectangulaire

Section en I

Guidage en queue d’aronde

Guidage plan + V

4.3- Guidages par interposition d’éléments roulants Les guidages par éléments roulants constituent une famille de composants standard dont le principe est de remplacer le glissement par du roulement. Les figures suivantes indiquent des exemples de solutions : Cage à éléments roulants

Douille à billes Bague extérieure

Cage Élément Roulant

Plaquette D’arrêt

Une rangée de billes

rails Cage

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

116

Joint

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 7

TRANSMISSION ET TRANSFORMATION DE MOUVEMENT INTRODUCTION Dans la transmission de mouvement, on distingue : •

Les systèmes de transmission sans transformation de mouvement : ƒ ƒ ƒ ƒ

•

Poulies-courroies ; Pignons et chaîne; Engrenages; Accouplements.

Transmission avec transformation de mouvement. ƒ ƒ ƒ

Système vis-écrou ; Bielle-Manivelle; Cames.

1/ POULIES - COURROIES 1.1- Fonction et schématisation Transmettre par adhérence, à l'aide d'un lien flexible appelé "courroie", un mouvement de rotation continu entre deux arbres éloignés.

1.2- Poulies : Composition : • • •

Une jante : Elle reçoit la courroie. Un moyeu : En liaison par clavetage avec l'arbre. Un bras ou toile.

Remarque : Les poulies étagées assurent une variation de vitesse.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

117

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

TRANSMISSION

ET

TRANSFORMATION

DU

MOUVEMENT

1.3- Différents types de poulie-courroie Courroie plate

Courroie trapézoïdale

Courroie Poly-V

Simple, silencieuse, convient pour de grandes vitesses et des puissances moyennes.

Bonne adhérence, convient pour transmettre de fortes puissances (poulie à gorges multiples).

Excellente adhérence, permet la transmission de puissances importantes.

Courroie ronde

Courroie crantée

Réservé à de petits mécanismes avec de faibles puissances.

Transmission par obstacle, silencieuse et sans glissement.

1.4- Rapport Des Vitesses N1, N2 : Fréquences de rotation des poulies en tr/min. D1, D2 : Diamètres des poulies. r : Rapport des vitesses

r=

N 2 D1 = N 1 D2

ω

2

2

=

2

Avec : ω : Vitesse angulaire de la poulie en rad.s-1

ω1

D

V

=

D1

1.5- Vitesse Linéaire D’une Courroie

2 ( ω = 2 π N)

1.6- Avantages et Inconvénients Avantages - Possibilité de faire varier l’entraxe - Coût d’achat et d’installation réduit - Fonctionnement silencieux

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Inconvénients - Rapport de transmission irrégulier (Si glissement de la courroie et de la poulie) - Nécessité d’un galet enrouleur ou tendeur de courroie comme l’indique la figure ci-dessous.

118

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

TRANSMISSION

ET

TRANSFORMATION

DU

MOUVEMENT

2/ PIGNONS ET CHAINE 2.1- Fonction et schématisation Transmettre, par obstacle, à laide d’un lien rigide articulé appelé chaîne, un mouvement de rotation continu entre deux arbres éloignés parallèles.

2.2- Rapport des vitesses Z1, Z2 : Nombre de dents des pignons. N1, N2 : Vitesse de rotation des pignons. r=

2.3- Types de chaînes

N 2 Z1 = N1 Z 2 Maillon Maillon démontable

Joue démontable

Attache rapide

Fermeture de la chaîne

3/ ENGRENAGES 3.1- Fonction Transmettre, sans glissement, un mouvement de rotation continu entre deux arbres rapprochés, grâce à 2 roues dentées :

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

119

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

TRANSMISSION

• • • •

ET

TRANSFORMATION

DU

MOUVEMENT

On appelle "pignon" la plus petite des deux roues dentées ; On appelle "roue" la plus grande des deux roues dentées ; Une combinaison d’engrenages s’appelle un train d’engrenages. Si la roue dentée (A) entraîne la roue dentée (B) : ƒ ƒ

La roue dentée (A) est menante ; La roue dentée (B) est menée.

Roue dentée A Roue dentée B

3.2- Types d’engrenages Suivant la position relative des axes des roues, on distingue : Engrenages PARALLELES

Engrenages CONCOURANTS

Engrenages GAUCHES

Axes parallèles

Axes concourants

Axes pas dans le même plan

3.3- Types de contact : Contact EXTERIEUR

Contact INTERIEUR

3.4- Engrenages parallèles a denture droite Contact

Représentation normalisée

Schéma cinématique

Extérieur

Type PIGNON-ROUE

Le sens de rotation est inversé

Intérieur

PIGNON-ROUE INTERIEURE (ou couronne)

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

120

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

TRANSMISSION

ET

TRANSFORMATION

DU

MOUVEMENT

Le sens de rotation est conservé

Extérieur

PIGNONCREMAILLERE

Transformation de la rotation du pignon en mouvement de translation de la crémaillère

3.5- Caractéristiques principales

Pas Diamètre primitif

• • • •

Nombre de dents : Z. Module : m. Diamètre primitif : d = m.Z . Pas : P= m.π.

Remarque : Lorsque deux roues dentées sont en prise, le module et le pas sont identiques. 3.6- Rapport de transmission (Raison d’un engrenage) Z1 : Nombre de dents de la roue menante. Z2 : Nombre de dents de la roue menée. N1: Fréquence de rotation de la roue menante en tr/min. N2: Fréquence de rotation de la roue menée en tr/min.

r=

N 2 Z1 = N1 Z 2

4/ ROUE ET VIS SANS FIN 4.1- Représentation et schématisation.

Représentation d’une roue et vis sans fin

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Schéma cinématique d’une roue et vis sans fin

121

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

TRANSMISSION

ET

TRANSFORMATION

DU

MOUVEMENT

4.2- Rapport de transmission

ƒ ƒ ƒ

Avantage : Rapport de transmission faible (Grand rapport de réduction de vitesse) Inconvénient : Mauvais rendement Remarque : le système roue et vis sans fin est généralement irréversible (la roue ne peut entraîner la vis). Il est alors utilisé dans certains appareils de levage.

5/ ACCOUPLEMENTS 5.1- Fonction et schématisation : Assurer, d’une façon temporaire ou permanente, la liaison entre deux arbres sans changement de vitesse et du couple.

5.2- Accouplements Rigides : Aucun mouvement relatif entre les arbres n'est possible, les arbres doivent être parfaitement alignés. Exemple : Accouplement industriel rigide à coquille Coquille

Clavette

5.3- Accouplements élastiques (flexibles) : Ils permettent un léger déplacement de la position relative des arbres. Exemples : Accouplement flexible mécanique à lacet

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Accouplement flexible mécanique à chaîne

122

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

TRANSMISSION

ET

TRANSFORMATION

DU

MOUVEMENT

5.4- Joints universels Le joint universel est un mécanisme d’accouplement qui permet d’accommoder des désalignements angulaires jusqu’à 20° et des désalignements parallèles importants quand ils sont utilisés en paire. Exemple : Joint de CARDAN simple Coussinet

Représentation d’un joint de CARDAN Croix

Fourchettes

Fourchettes

6. SYSTEME VIS-ECROU 6.1 Fonction Transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation et réciproquement. Exemple : mors mobile d’un étau.

Ecrou

Vis

6.2 Vis-ecrou à billes Principe de fonctionnement ƒ ƒ

ƒ

La liaison entre la Vis et l’écrou est réalisée par l’intermédiaire de billes (éléments roulants). Les billes, interposées entre les filets de la Vis et de l’écrou, suppriment le frottement. Pour assurer une circulation continue, les billes sont ramenées à leur point d’origine par un canal de transfert à l’intérieur de l’écrou.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

123

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

TRANSMISSION

ET

TRANSFORMATION

DU

MOUVEMENT

6.3 Avantages et Inconvénients Avantages ƒ ƒ ƒ

ƒ

Rendement élevé Vitesses de déplacement élevées Grande précision de guidage Pas de jeux à rattraper

Emplois -

Inconvénients Par Rapport A un Système Vis-Ecrou Classique ƒ ƒ ƒ

ƒ

Prix élevé Montage complexe Moins rigide Lubrification généralement indispensable.

Chariot de commande numérique Élévateur Vérin électrique ou pneumatique (porte de TGV)

Vérin mécanique avec réducteur

Vérin électrique motorisé

7. SYSTEME BIELLE MANIVELLE Transformer un mouvement de rotation circulaire continu en un mouvement rectiligne alternatif et réciproquement.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

124

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 8

REPRESENTATION VOLUMIQUE La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) est un ensemble d’outils et techniques utilisés dans une ou plusieurs phases du développement d’un produit en utilisant l'ordinateur. Ces outils logiciels, permettent par exemple de créer des pièces mécaniques, d'en préparer la fabrication, de les assembler et de simuler leur comportement ou leur fonctionnement.

1. INTERET DE LA CAO Les logiciels de CAO facilitent et accélèrent la création d'un dessin par : • • •

Insertion des éléments standards (vis, écrou, roulements, etc.) ; Création d'une pièce à partir d'une autre déjà dessinée. Utilisation des fonctions d'aide.

Bibliothèque d'éléments standard

2. LOGICIELS CAO Les logiciels de CAO peuvent travailler en mode 2D ou 3D ou les deux.

2.1- CAO -2D : L'espace de travail est limité aux deux dimensions (x, y). Chaque vue est crée individuellement ; le logiciel n'établit aucune relation ou lien entre les vues tracées et il ne peut générer ou construire une vue supplémentaire à celles déjà affichées.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

125

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REPRESENTATION

Y

Exemples d'application: • • •

VOLUMIQUE

Dessin par vues multiples ; Perspectives simples ; Les dessins schématiques. X

2.2- CAO-3D :

En CAO-3D un objet est défini dans les trois dimensions de l'espace (x, y, z). Selon le choix de l'utilisateur, l'objet peut apparaître à l'écran en perspective ou en vues planes. Un grand nombre de logiciels CAO contiennent à la fois un modèle 2D et un modèle 3D, le passage de l'un à l'autre est possible. Z

X Y

Les logiciels CAO-3D sont appelés également modeleurs 3D ; on peut les diviser en trois catégories : modeleurs filaires, modeleurs surfaciques et modeleurs volumiques. 2.2.1- Modeleurs filaires: L'objet est défini uniquement à partir de points et de lignes et apparaît à l'écran sous la forme de fils et donnant une impression de volume. 2.2.2- Modeleurs surfaciques: L'objet est décrit par des points, des lignes et des surfaces et apparaît sous la forme d'un maillage genre toile d'araignée. 2.2.3 Modeleurs volumiques / C'est le modèle qui décrit le mieux et sans ambiguïté un objet dans l'espace : le solide est défini à partir du volume qu'il occupe.

3. MODELEUR VOLUMIQUE Un modeleur volumique est un logiciel de conception mécanique 3D qui permet de créer : • • •

Des pièces ; Des assemblages ; Des mises au plan d'une pièce ou d'un assemblage.

Une pièce dans un modeleur 3D est constituée d’un volume de base sur lequel est réalisé des fonctions technologiques dont certaines nécessitent une esquisse.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

126

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REPRESENTATION

VOLUMIQUE

3.1- Esquisse Une esquisse est une figure cotée tracée sur l'un des plans initiaux ou sur une surface plane de la pièce. Elle est toujours associée à une fonction technologique.

3.2- Fonction technologique : Une fonction technologique permet d'ajouter ou enlever de la matière à une pièce. On trouve des fonctions technologiques qui nécessitent des esquisses, d'autres s'appuient simplement sur les arêtes et les surfaces de la pièce. Certaines créent automatiquement leurs esquisses.

3.3- Arbre de construction L’arbre de construction représente l’enchaînement des fonctions technologiques appliquées à la pièce. Arbre de construction

Pièce

4. CREATION DES VOLUMES ELEMENTAIRES Esquisse

Fonction à appliquer

Volume élémentaire

Bossage /Extrusion

parallélépipède

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

127

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REPRESENTATION

VOLUMIQUE

Bossage/extrusion Cylindre

Bossage/révolution Sphère

5. CREATION D'UNE PIECE SIMPLE : Toute pièce est décomposable en un ou plusieurs volumes élémentaires. Pour créer une pièce dans un modeleur volumique on crée un volume de base et par la suite on ajoute et/ou on retranche des volumes élémentaires jusqu'à obtention de la pièce voulue. L'ajout des volumes est traduit par des fonctions d'ajout de matière : bossage, symétrie, etc. Le retranchement d'un volume se traduit par des fonctions d'enlèvement de matière : enlèvement de matière par extrusion, chanfrein, perçage, etc. Exemple 1

Esquisse 1 sur un plan initial

Enlèvement de matière par extrusion

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Volume de base (bossage)

Sélection des arêtes

128

Esquisse 2 sur une face

Chanfrein

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REPRESENTATION

Esquisse 3 sur une face

Enlèvement de matière /extrusion

Face de symétrie (verte)

Enlèvement de matière /extrusion

Perçage

Fonction symétrie

VOLUMIQUE

Esquisse 4 sur une face (cercle)

Répétition linéaire de perçage

Pièce terminée et coloriée

Exemple 2

Esquisse initiale

Perçage

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Extrusion par révolution

Répétition circulaire

129

Chanfrein

Pièce terminée et coloriée

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REPRESENTATION

VOLUMIQUE

6. CREATION D'UN ASSEMBLAGE SIMPLE Un assemblage constitué de plusieurs pièces peut être créé à partir de modèles pièces standard ou crées déjà par l’utilisateur. On importe dans ce modèle chaque pièce du mécanisme ou un sous ensemble du mécanisme, puis on applique entre les surfaces des différentes pièces des contraintes géométriques (coïncidence, tangence, etc.). Les pièces se positionnent les unes par rapport aux autres d'une façon automatique. Exemple : Vis (1) Axe (3)

Levier

Pièces importées

• Coïncidence entre les surfaces planes de 1 et 2 • Coaxialité entre les trous de 1 et 2

• Coaxialité entre 3 et les trous de 1 et les trous de 2 • Coïncidence entre la surface cylindrique de 3, 2 et 1

7. ANIMATION D'UN ASSEMBLAGE Quand le mécanisme est constitué, il est possible de le mettre en mouvement par déplacement d'une des pièces du mécanisme. Les contraintes géométriques guident le mouvement de chaque pièce.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

130

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

REPRESENTATION

VOLUMIQUE

8. MISE EN PLAN La représentation d'une pièce ou assemblage en deux dimensions (2D) est appelée mise en plan. En faisant glisser l'assemblage ou la pièce sur la feuille le logiciel effectue automatiquement le dessin d'ensemble ou de définition. Exemple de mise en plan.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

131

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

CHAPITRE 9

PROCEDES DE FABRICATION DE PIECES MECANIQUES INTRODUCTION Comme on le sait, un système automatisé est un système pluri technique, c'est-à-dire que son fonctionnement fait appel à plusieurs domaines de connaissances : mécanique, électrique, pneumatique, etc. Dans ces différents types

domaines, on utilise divers types de pièces mécaniques (cylindriques prismatiques, filetées, etc.). Ces pièces sont donc fabriquées suivant différents procédés de fabrication. On cite en particulier : Procédé Le moulage Le tournage Le fraisage Tournage, fraisage, etc., automatique

d'une

Equipement de réalisation Moule Machine outil Tour parallèle Machine outil Fraise façon Machine Outil à Commande (MOCN)

Numérique

1/ PROCEDES DE MOULAGE 1.1- Principe : Le moulage est un procédé qui consiste à réaliser une pièce en coulant du métal en fusion (fluide) dans un moule présentant l’empreinte (modèle) de la pièce à obtenir. Il existe plusieurs procédés de moulage parmi lesquels : • Le moulage en sable ; • Le moulage en moule métallique.

1.2- Moulage en sable : A l’intérieur d’un bloc de sable, on réalise une cavité de même forme que la pièce à obtenir (empreinte). Le métal en fusion est introduit par un trou de coulée ; après refroidissement, et solidification la pièce est sortie du moule. Event : évacuation des gaz

Trou de coulée

Pièce après destruction du moule Pièce finie

Empreinte

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

Sable

132

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROCEDES

DE

FABRICATION

DE

PIECES

MECANIQUES

1.3- Moulage en moule métallique: L’empreinte de la pièce à obtenir est réalisée dans un moule métallique. La pièce est moulée, solidifiée et dégagée sans destruction du moule. On parle dans ce cas de moulage en "moule permanent". Remarques : • Les dimensions de l’empreinte sont légèrement plus grandes que celles de la pièce à obtenir pour tenir compte de la contraction du métal. • Généralement les pièces moulées ne peuvent être utilisées sans avoir subi une opération d’usinage. • Les produits moulés sont appelés "bruts de fonderie".

1.4- Exemple de pièces moulées : Carter du moteur automobile

Bielle

2/ PROCEDES D’USINAGE 2.1- LE FRAISAGE Le fraisage, regroupe les opérations d'usinage pouvant être effectuées sur une fraiseuse (figure ci-contre). Ces opérations aboutissent à l'obtention d'une géométrie quelconque, généralement une forme prismatique. Pour ce faire : • l’outil a une forme convenable ; on lui donne un mouvement de rotation, appelé "mouvement de coupe" ; • On le fait pénétrer dans la pièce à usiner ; • On produit un déplacement relatif de la pièce par rapport à l’outil appelé "mouvement d’avance".

Fraiseuse

En principe dans le procédé du fraisage, c'est l'outil qui tourne, la pièce restant fixe dans le porte pièce (figure cidessous). Porte-pièce

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

133

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROCEDES

DE

FABRICATION

DE

PIECES

MECANIQUES

Outil

Pièce

Opération de fraisage

Exemple de pièce Exemples d'outil

2.2- Le tournage Le tournage, comme son nom l'indique, concerne un mouvement de rotation. Le tournage consiste donc à faire tourner la pièce à usiner autour d'un axe, qui est celui de la broche de la machine. Le moyen de préhension peut être un mandrin ou tout autre système de serrage. La machine utilisée est nommée "tour". Elle permet de réaliser des formes de révolution tel que cylindres, cônes (intérieure ou extérieur) tores et autres formes de révolution complexes. Pour ce faire, il faut : • Donner à la pièce un mouvement de rotation (mouvement de coupe) ; • Donner à l’outil un mouvement de pénétration et un mouvement d’avance.

Mandri

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

134

Chariot Porte-

Poupée

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROCEDES

DE

FABRICATION

DE

PIECES

MECANIQUES

Exemple de pièce

Exemple d’outils de coupe

2.3- COMMANDE NUMERIQUE Sur les machines classiques, l’opérateur assure à la fois les réglages et les contrôles de positionnement. La qualité de la production est tributaire de la compétence professionnelle de l’opérateur. Sur les machines à commande numérique : • l’usinage est assuré suivant un programme contenant l’ensemble des déplacements à exécuter ; • La précision et la qualité de l’usinage sont directement liées à la précision de la machine (qualité meilleure). • On peut réaliser des pièces complexes comportant un nombre important d’opérations d’usinage.

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

135

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

PROCEDES

DE

FABRICATION

DE

PIECES

MECANIQUES

Une machine à commande numérique est un système automatisé ; elle est donc composée de deux parties complémentaires : • La partie opérative : permet de réaliser mécaniquement le mouvement de coupe et d’avance. • La partie commande : permet d’élaborer des ordres en fonction des consignes et des comptes rendus. On parle donc de machine à deux, trois, quatre et cinq axes selon le nombre de mouvements commandés. Tous les axes numérisés des machines à commande numérique sont asservis.

Alimentation

Modulateur de tension

Calculateur

Tension

Moteur

Table

Capteur

Déplacement

Exemple de pièces

MODULE 2 : CHAINE D’ENERGIE

136

TRANSMISSION DE L’ENERGIE

MODULE 3

CHAINE D’INFORMATION PRÉSENTATION En présence d’énergie, pour agir correctement sur la matière d'œuvre, un système automatisé a besoin de recueillir les informations sur de la partie opérative pour gérer les actions. Le module 3 traite donc de ces aspects qui peuvent être modélisés par les fonctions génériques, c'est à dire qui s'appliquent sur la plupart des systèmes ; il s'agit des fonctions :

¾

Acquérir les informations : ƒ ƒ

¾ ¾

Issues de capteurs qui donnent des comptes-rendus sur l'état du système ; Fournies par l'utilisateur ou d'autres systèmes.

Traiter ces informations suivant des règles et de lois physiques ; Communiquer les résultats de traitement sous forme : ƒ ƒ

D'ordre aux actionneurs pour agir sur la matière d'œuvre ; De messages à l'utilisateur ou d'autres systèmes.

PREREQUIS ¾ Connaissances générales acquises dans l’enseignement collégial. ¾ Concepts d’analyse fonctionnelle : Système, fonction global, FAST, etc. ¾ Concepts relatifs à la chaîne d’énergie (constituants et grandeurs) : ƒ ƒ ƒ ƒ

Tension et courant électriques ; Pression ; Contacteur, Moteur, etc. Distributeur, Vérins, etc.

COMPETENCES ATTENDUES

¾

Utiliser l’analyse fonctionnelle pour identifier les solutions constructives répondant à un besoin.

¾

Identifier les grandeurs d’entrée et de sortie d’un capteur.

¾

Décrire les grandeurs d’entrée et de sortie d’un périphérique.

¾

Décrire le principe d’acquisition, de traitement et de communication de l’information.

¾

Associer un composant à sa représentation schématique à l’aide d’une documentation.

¾

Utiliser un logiciel de capture et de simulation pour :

ƒ ƒ ƒ

Représenter un composant ou un ensemble de composants. Editer un schéma de principe électrique ou électronique. Simuler le fonctionnement du circuit schématisé.

MODULE 3

PARTIE 1 ACQUISITION DE L’INFORMATION

PRESENTATION

Dans un système automatisé, l'acquisition d'informations est la première fonction générique de la chaîne d'information. Elle permet principalement : ¾ ¾

De lire l'état des capteurs de la PO du système Recevoir les consignes de l'utilisateur du système grâce aux constituants de dialogue.

La position de la fonction "Acquérir" dans une chaîne d'information, ainsi que les différentes réalisations principales sont représentées par la figure suivante.

CHAPITRE 1

LES CAPTEURS INTRODUCTION : Dans un système automatisé, les capteurs fournissent à l'unité de traitement (la PC) des comptes rendus sur l’état du système (la PO). L'information détectée par un capteur peut être d'une grande variété, ce qui implique une grande variété de besoins en capteurs. On cite parmi les plus connus et fréquents, les capteurs de : • • • • •

Position ; Présence ; Déplacement ou vitesse ; Température ; Niveau ;

Cependant les capteurs de position, notamment de type logique, sont les plus répandus et représentent donc l'essentiel des acquisitions à réaliser. C'est pour cela, on s'intéressera un peu plus en détail à ces types de capteurs.

1. DEFINITION : Un capteur est un composant technique qui détecte un événement physique se rapportant au fonctionnement du système (présence d'une pièce, température, ….) et traduit cet événement en un signal exploitable par la PC de ce système. Ce signal est généralement électrique sous forme d'un signal basse tension.

2. NATURE DU SIGNAL FOURNI PAR UN CAPTEUR : Suivant son type, L’information qu’un capteur fournit à la PC peut être : •

Logique :

L’information ne peut prendre que les valeurs 1 ou 0 ; on parle alors d’un capteur Tout ou Rien (TOR).

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

140

ACQUISITION DE L’INFORMATION

LES

•

CAPTEURS

Analogique : L’information peut prendre toutes les valeurs possibles entre 2 certaines valeurs limites ; on parle alors d’un capteur analogique.

•

Numérique : L’information fournie par le capteur permet à la PC d’en déduire un nombre binaire sur n bits ; on parle alors d’un capteur numérique. Fig. 4 exemple de capteur numérique

La souris fournit à un ordinateur des signaux logiques périodiques, sous forme d’impulsions, qui lui permettent de compter ces impulsions pour en déduire les cordonnées X et Y de la souris sous forme de nombres NX et NY.

3. CAPTEURS TOR : Les capteurs TOR (Tout Ou Rien) fournissent une information logique, généralement sous forme d'un contact électrique qui se ferme ou s'ouvre suivant l'état du capteur.

3.1- Capteurs avec contact : Ce type de capteur est constitué d'un contact électrique qui s'ouvre ou se ferme lorsque l'objet à détecter actionne par contact un élément mobile du capteur (dispositif d'attaque). Du mini-rupteur au gros interrupteur de position, les gammes sont très variées ; elles sont fonction des problèmes posés par leur utilisation. Ainsi, la tête de commande et le dispositif d'attaque sont déterminés à partir de : • • •

La forme de l'objet : came 30°, face plane ou forme quelconque ; La trajectoire de l'objet : frontale, latérale ou multidirectionnelle ; La précision de guidage. Les figures suivantes montre des exemples de capteur de position : Fig. 5 Capteur rectiligne à poussoir

Caractéristiques : • •

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

Commande directe Présence de l'objet en buté mécanique

141

ACQUISITION DE L’INFORMATION

LES

CAPTEURS

Fig. 6 Capteur rectiligne à poussoir à galet thermoplastique

Caractéristiques : • • •

Trajectoire rectiligne de l'objet à détecter Guidage précis < 1mm Came à 30°

Fig. 7 Capteur angulaire à levier à galet

Caractéristiques : • •

Guidage peu précis ~ 5mm Came à 30°

Fig. 8 Capteur à tige souple à ressort

Caractéristiques : • • •

Cible de forme quelconque Trajectoire multidirectionnelle Guidage > 10 mm

3.2- Capteurs de proximité : Les capteurs de proximité détectent à distance et sans contact avec l’objet dont ils contrôlent la position. Un contact électrique s'ouvre alors ou se ferme en fonction de la présence ou de la non présence d’un objet dans la zone sensible du capteur. A l'inverse des capteurs avec contacts, les capteurs de proximité sont des détecteurs statiques (pas de pièce mobile) dont la durée de vie est indépendante du nombre de manœuvres. Ils ont aussi une très bonne tenue à l'environnement industriel (atmosphère polluante). Le choix d’un détecteur de proximité dépend : • • •

de la nature du matériau constituant l’objet à détecter, de la distance de l’objet à détecter, des dimensions de l’emplacement disponible pour implanter le détecteur.

3.2.1- Capteurs inductifs :

La technologie des détecteurs de proximité inductifs est basée sur la variation d’un champ magnétique à l’approche d’un objet conducteur du courant électrique. Leur usage est uniquement réservé à la détection d’éléments métalliques dans les secteurs de la machine-outil, l'agroalimentaire, la robotique, et les applications de l'usinage, la manutention, l'assemblage, le convoyage. MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

142

ACQUISITION DE L’INFORMATION

LES

CAPTEURS

Fig. 9 Détecteur de proximité inductif Caractéristiques : • • •

Portée nominale qui définit la zone de détection. Elle dépend de l'épaisseur de l'objet et peut aller jusqu'à 50mm. Tension d'alimentation de 12V à 48V continu et de 24 à 240V alternatif. Technique de raccordement 2 fils et 3 fils.

Les détecteurs inductifs existent suivant différents modèles, ceci en fonction de leur mode de raccordement: • •

2 fils avec courant continu ou alternatif ; 3 fils avec courant continu type PNP ou NPN, en fonction de l’électronique interne.

3.2.2- Capteurs capacitifs :

La technologie des détecteurs de proximité capacitifs est basée sur la variation d’un champ électrique à l’approche d’un objet quelconque. Ils permettent de détecter tous types d'objets dans Les domaines l'agro-alimentaire, la chimie, la transformation des matières plastiques, le bois et les matériaux de construction. Fig. 11 Détecteur de proximité capacitif Caractéristiques : • • •

Portée nominale qui définit la zone de détection. Elle dépend de l'épaisseur de l'objet et peut aller jusqu'à 50mm. Tension d'alimentation de 12V à 48V continu et de 24 à 240V alternatif. Technique de raccordement 2 fils et 3 fils.

3.2.3- Capteurs magnétiques :

Un interrupteur à lame souple (I.L.S.) est constitué d'un boîtier à l'intérieur duquel est placé un contact électrique métallique souple sensible aux champs magnétiques. Il permet de détecter tous les matériaux magnétiques dans le domaine de la domotique pour la détection de fermeture de portes et fenêtres et le domaine pneumatique pour la détection de la position d'un vérin.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

143

ACQUISITION DE L’INFORMATION

LES

CAPTEURS

3.3- Capteurs Photoélectriques à distance : Les cellules photoélectriques permettent de détecter sans contact tous les matériaux opaques (non transparents), conducteurs d’électricité ou non. Ce type de capteurs se compose essentiellement d'un émetteur de lumière associé à un récepteur photosensible. Fig. 13 Exemple de capteurs photoélectrique

Ces détecteurs sont utilisés dans les domaines industriels et tertiaires les plus divers comme : • • •

La détection d'objets et de produits dans la manutention et le convoyage ; La détection de pièces machine dans les secteurs de la robotique et du bâtiment ; La détection de personnes, de véhicules ou d'animaux, etc. Pour réaliser la détection d'objets dans les différentes applications, 3 techniques de montages sont possibles:

• • • • • • •

Système barrage caractérisé par : L'émetteur et le récepteur sont situés dans deux boîtiers séparés ; La portée la plus longue pour ce type de capteur (jusqu’à 30 m) ; Le faisceau est émis en infrarouge ; La détection des objets opaques ou réfléchissant quelque soit le matériau ; L’alignement entre émetteur et récepteur doit être réalisé avec soin.

Système reflex caractérisé par :

• • • • •

L'émetteur et le récepteur sont situés dans le même boîtier ; Utilisation d'un réflecteur qui renvoi le faisceau lumineux en cas d'absence de cible ; La portée peut atteindre jusqu’à 15 m ; Le faisceau est émis en infrarouge ; La détection des objets opaques et non réfléchissant quelque soit le matériau ;

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

144

ACQUISITION DE L’INFORMATION

LES

•

CAPTEURS

Système proximité caractérisé par :

• • •

L'émetteur et le récepteur sont situés dans le même boîtier ; La présence de la cible renvoi le faisceau lumineux vers le capteur ; La portée dépend de la couleur de la cible, de son pouvoir réfléchissant et de ses dimensions. Elle augmente si l'objet est de couleur claire ou de grande dimension.

4. CAPTEURS NUMERIQUES : Fig. 18 Codeur optique incrémental

4.1- Codeur optique incrémental : Le disque rotatif comporte au maximum 3 pistes. La piste périphérique A du disque est divisée en "n" fentes régulièrement réparties.

Unité de Traitement

Pour un tour complet de l'axe du codeur, le faisceau lumineux est interrompu n fois et délivre à la sortie de la cellule photosensible "n" signaux carrés. Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise une deuxième piste B qui sera décalée par rapport à la première de 90° (1/4 de tour).

Cellules Photosensibles Disque optique

LED Arbre

4.2- Codeur optique absolu : Les codeurs absolus sont destinés à des applications de contrôle de déplacement et de positionnement d’un mobile par codage. Le disque du codeur comporte plusieurs pistes (jusqu’à 20).

Fig. 19 Codeur optique absolu binaire 3 bits

Chaque piste est alternativement opaque et transparente et possède son propre système de lecture (diode émettrice et diode réceptrice). A chaque position angulaire de l'axe du codeur correspond un code qui peut être binaire pur ou Gray. Le code binaire pur a l’avantage de permettre des opérations arithmétiques et il est directement exploitable par les systèmes de traitement. Mais il a l’inconvénient d’avoir plusieurs bits qui changent d’état entre deux positions, ce qui provoque des aléas de lecture. Le code Gray dans lequel un seul bit change à chaque fois ne possède pas d’ambiguïté de lecture. Mais celui-ci ne fournit pas un code pondéré et il doit donc être transcodé en binaire avant toute utilisation.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

145

ACQUISITION DE L’INFORMATION

CHAPITRE 2

INTERFACE HOMME / MACHINE (IHM) INTRODUCTION L’interface Homme/Machine est une fonction de communication indispensable pour bien gérer un système automatisé. Il consiste à : • •

Fournir à l'opérateur l'ensemble des informations concernant l'état du système automatisé qu’on désigne par « messages » ; Transmettre au système automatisé les ordres de l'opérateur qu’on désigne par « consignes ».

Le dialogue Homme/Machine se fait par l’utilisation de constituants regroupés dans ce qu'on appelle « pupitre » de commande. Ces constituants de dialogue peuvent être classés en deux catégories : • •

Les constituants de dialogue de l'opérateur vers la partie commande ; Les constituants de dialogue de la partie commande vers l'opérateur.

1. DIALAOGUE OPERATEUR VERS PARTIE COMMANDE : 1.1. Les boutons poussoirs : Les boutons poussoirs constituent l'interface de dialogue privilégiée lorsque les informations transférées vers le système sont peu nombreuses et limitées à des signaux Tout Ou Rien (TOR). Parmi les boutons poussoirs utilisés, on distingue : • • • •

Les boutons " coup de poing " à accrochage pour les arrêts d'urgence ; Les boutons poussoirs affleurants ; Les boutons tournants à manette ; Les boutons tournants à clé.

Fig 2. Exemples de boutons poussoirs

Bouton Coup de poing MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

Bouton Affleurant

Bouton Tournant à manette

146

Bouton Tournant à clé ACQUISITION DE L’INFORMATION

INTERFACE

HOMME

/

MACHINE

1.2. Les claviers : Les claviers de saisie permettent l'introduction d'informations alphanumériques et la modification de données et paramètres comme le nombre de pièces à fabriquer ou les coordonnées d'une pièce à usiner, etc. Fig 3. Exemple de clavier

1.3. Les terminaux d'exploitation : Un terminal d’exploitation est un constituant de dialogue permettant les premières mises en œuvre du système automatisé. Il est lié temporairement à la partie commande (automate programmable) pour introduire des codes et des paramètres décrivant le processus étudié.

2. DILAOGUE PARTIE COMMANDE VERS OPERATEUR : 2.1. Les voyants :

Fig 4. Exemple de voyant

Les voyants sont des témoins lumineux qui constituent une interface de dialogue simple donnant à l'opérateur des informations sur l'état du système automatisé. Les voyants possèdent un code de couleur (NORME EN 60204-1 :1992) qui permet d'orienter l'opérateur sur l'origine du message : COULEUR

SIGNIFICATION

EXEMPLE

ROUGE VERT

Urgence ou condition dangereuse Condition anormale pouvant entraîner une situation dangereuse Situation sur ou préparation de conditions normales

BLANC

Neutre ou information générale

Arrêt d'urgence Manque en matière d'oeuvre Départ de cycle Présence de la tension réseau

JAUNE

2.2. Les afficheurs numériques : Dans certaines applications industrielles, le contrôle du système automatisé nécessite de surveiller les paramètres avec une grande précision qui n'est pas permise par les voyants. Les afficheurs numériques permettent d'effectuer une surveillance précises et informent l’opérateur des résultats de mesure (température, pression, etc.) ou de comptage (nombre de cycle, quantité de pièces produites, etc.). Fig. 5 Exemple d'afficheur numérique

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

147

ACQUISITION DE L’INFORMATION

INTERFACE

HOMME

/

MACHINE

2.3. Les afficheurs alphanumériques : C'est un constituant de dialogue programmé permettant d’afficher des messages clairs concernant l'exploitation, le dépannage ou le réglage du système automatisé.

2.4. Les terminaux d'exploitation : Les terminaux d'exploitation sont des constituants de dialogue programmés permettant à l'opérateur : • •

D'être informé clairement sur l'état du système automatisé ; D'intervenir facilement et rapidement sur les paramètres de fonctionnement du système automatisé.

Ces terminaux peuvent être programmés à l'aide d'un terminal de programmation ou d'un microordinateur, et peuvent éditer les événements et les messages grâce à des imprimantes. On distingue deux types de terminaux d'exploitation : • •

Les terminaux d'exploitation à afficheurs ; Les terminaux d'exploitation à écran permettant l'affichage simultané d'un nombre plus important de données en plus des représentations graphiques concernant le système automatisé.

Fig. 6 Exemples de terminaux d'exploitation

Terminal d'exploitation à afficheur

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

Terminal d'exploitation à écran

148

ACQUISITION DE L’INFORMATION

MODULE 3

PARTIE 2 TRAITEMENT DE L’INFORMATION

PRESENTATION

Dans un système automatisé, le traitement des informations concernant principalement l'état de la PO (capteurs, consignes utilisateur, etc.) nécessitent des organes de commande dotée d'une certaine intelligence relativement élevée, allant du simple circuit logique combinatoire jusqu'au microordinateur sophistiqué. La position de la fonction "Acquérir" dans une chaîne d'information, ainsi que les différentes réalisations principales sont représentées par la figure suivante.

CHAPITRE 1

ALGEBRE DE BOOLE – CIRCUITS LOGIQUES INTRODUCTION : De nombreux dispositifs ont deux états stables de fonctionnement. Par exemple, un interrupteur peut être ouvert ou fermé ; un transistor, sous certaines conditions, peut être bloqué ou saturé, etc. On convient d’affecter, par convention, à un des deux états la valeur " 0 " et "1" à l’autre état. L’algèbre de Boole est l’outil mathématique pour étudier ces dispositifs et les circuits logiques représentent l’outil technologique pour réaliser pratiquement les opérations de base de cette algèbre. En effet l’algèbre de Boole, appelée aussi algèbre binaire, a été fondée par le philosophe et mathématicien anglais Georges Boole vers 1850, avec un essai sur les raisonnements logiques binaires, c’est à dire l’étude des propositions qui ne peuvent être que vraies ou fausses ; tandis que vers 1938, l’américain Claude Shannon a appliqué cette algèbre à l’analyse des circuits électriques de commutation. Depuis lors, de grands progrès ont été accomplis jusqu’au microprocesseur de nos jours, unité centrale de tout "système intelligent".

1. DEFINITIONS PRELIMINAIRES : 1.1- Variable logique : On appelle variable logique, une variable dont l’état ne peut prendre que 0 ou 1. L’état logique est désigné aussi par niveau logique.

1.2- Fonction logique : Une fonction logique de n variables X1, X2, …., Xn est une fonction qui fait correspondre par les opérations booléennes une nouvelle variable logique.

1.3- Logique combinatoire : C'est une logique où les sorties, d'un système logique donné, dépendent uniquement des entrées : E1 E2

Logique Combinatoire

En

S1 S2

Si = f(E1, E2, ..., En)

Sm

1.4- Logique séquentielle : C'est une logique où les sorties, d'un système logique donné, dépendent et des entrées et des états précédents des sorties : E1 E2 En

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

Logique Séquentielle

150

S1 S2 Sm

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ALGEBRE

DE

BOOLE

–

CIRCUITS

LOGIQUES

1.5- Circuit logique : Un circuit logique, en technologie électronique, est un système électronique dont les entrées et les sorties ne peuvent prendre que les niveaux logiques 0 ou 1. Physiquement, à chaque état logique est associée une tension. Entrée(s) {0,1}

Circuit Logique

Sortie(s) {0,1}

1.6- Convention logique : L’affectation du 0 et du 1 à un des états logiques est conventionnelle. Cette convention est dite : • •

de logique positive si le niveau logique 1 correspond à la tension la plus grande (état actif) ; de logique négative si le niveau logique 0 correspond à la tension la plus petite (état actif).

2. OPERATIONS BOOLEENNES ELEMENTAIRES : Trois opérations élémentaires suffisent pour définir une algèbre de Boole : • • •

l’inversion : Non (Not) ; le produit logique : ET (AND) ; la somme logique : OU (OR).

Dans ce qui suit, on se limite aux propriétés et théorèmes qui semblent avoir une plus grande importance. Notons que par abus de langage, on confond souvent “Opération” et “Fonction”, pour les 3 opérations de base. Note : Par anticipation, on note aussi que ces 3 opérations sont aussi fréquemment désignées par le terme "Porte logique" provenant du terme anglais “Gate” qui désigne le circuit logique associé. Par exemple, on dit “Opération AND” ou “Fonction AND” ou “Porte AND”.

2.1- Opération Inversion : C’est une opération définie sur une seule variable. La sortie prend la valeur que n’a pas l’entrée. On dit que la sortie est l’inverse ou le complément de l’entrée. Symbole

Table de vérité A 0 1

F 1 0

A A

F (norme IEEE) 1

F (norme IEC)

F = A (Se lit A barre) IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEC : International Electrotechnical Commission. Propriété F=F

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

151

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ALGEBRE

DE

BOOLE

–

CIRCUITS

LOGIQUES

Illustration électrique • L’interrupteur A ouvert (A=0) ; le relais X est non excité et le contact qui lui est associé reste fermé (position de repos) ; la lampe L est allumée (L=1) : A=0 D L=1.

X

A

• L’interrupteur A fermé (A=1) ; Le relais X est excité et le contact qui lui est associé est devenu ouvert ; La lampe L est éteinte (L=0) : A=1 D L=0 ; alors :

L

L = Not A : L= A

2.2- Opération ET (AND) : C’est une opération sur 2 variables d’entrée au moins. Dans le cas simple de 2 entrées A et B, la sortie est vraie (égale à 1) si A ET B sont vraies aussi. Symbole

Table de vérité A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

A

F 0 0 0 1

F (norme IEEE)

B

A

&

B

F (norme IEC)

F = A . B = AB (se lit A ET B) ; se dit aussi produit logique. Illustration électrique A

L

B

La lampe L est allumée (L=1) si l’interrupteur A ET l’interrupteur B sont fermés (A=B=1) : L = A . B. Propriétés

• • • •

La fonction AND est commutative : F = A.B = B.A. La fonction AND est associative : F = A.(B.C) = (A.B).C = A.B.C. La fonction AND est généralisable pour n entrées. Identités remarquables : X.0 = 0 , X.1 = X , X.X = X , X.X = 0.

Remarques

La porte AND est souvent utilisée comme porte de validation ou de verouillage d’une information : G

A

F G

• Si G = 0 Æ F = A.0 = 0 • Si G = 1 Æ F = A.1 = A

t A

L’information A vers F ne passe que si (G = 1)

t F t

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

152

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ALGEBRE

DE

BOOLE

–

CIRCUITS

LOGIQUES

2.3- Opération OU (OR) : C’est une opération sur 2 variables d’entrée au moins. Dans le cas simple de 2 entrées A et B, la sortie est vraie (égale à 1) si seulement A OU B est vraie. Cette opération est dite OU inclusive, car on inclut le cas (A=B=1 D F=1). On verra qu’il y a une autre fonction appelée OU exclusive. Table de vérité A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Symbole F 0 1 1 1

A B

F (norme IEEE)

A B

≥1

F (norme IEC)

F = A + B (se lit A OU B) ; se dit aussi somme logique.

Le signe "≥" indique que la sortie est égale à 1 si le nombre des entrées à "1" est supérieur ou égal à 1 ; autrement dit, une entrée au moins égale à "1". Illustration électrique

A

L

L est allumée B=1) :

(L=1) si

A OU B est fermé (A=1 OU

L = A + B.

B

Propriétés

• • • •

La fonction OR est commutative : F = A+B = B+A. La fonction OR est associative : F = A+(B+C) = (A+B)+C = A+B+C. La fonction OR est généralisable pour n entrées. Identités remarquablesX: + 0 = X , X + 1 = 1 , X + X = X , X + X = 1.

2.4- Propriétés et théorèmes remarquables : Propriétés

En plus des propriétés et identités remarquables déjà vues, on se contente des 3 principes suivants : • •

A + (B . C) = (A + B) . (A + C)

• •

AB + AB = B : B(A + A) = B . 1 = B (Factorisation) ; A + AB = A : A(1 + B) = A . 1 = A (Loi d'absorption)

•

A + AB = A + B ; en effet après développement, A + AB = (A + A) . (A + B) = A + B ;

A . (B + C) = AB + AC (Distributivité du produit par rapport à la somme) ;

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

(Distributivité de la somme par rapport au produit) ;

153

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ALGEBRE

DE

BOOLE

–

CIRCUITS

LOGIQUES

Théorème de De Morgan :

Ce théorème d'une grande utilité, permet de calculer le complément d'une expression logique quelconque (somme de produits ou produit de sommes) : X+ Y=X . Y;

ƒ ƒ

X.Y=X+ Y.

D'une façon générale, Le complément d'une expression quelconque s'obtient en complémentant les variables et en permutant les opérateurs "+" et ".". Exemple : F = ABD + AD ⇒ F = ABD + AD = (A + B + D) . (A + D)

3. OPERATIONS DERIVEES : Avec 2 variables A et B, on peut réaliser 16 opérations possibles Fi comme l’indique le tableau suivant : A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

F0 0 0 0 0

F1 1 0 0 0

F2 0 1 0 0

F3 1 1 0 0

F4 0 0 1 0

F5 1 0 1 0

F6 0 1 1 0

F7 1 1 1 0

F8 0 0 0 1

F9 1 0 0 1

F10 0 1 0 1

F11 1 1 0 1

F12 0 0 1 1

F13 1 0 1 1

F14 0 1 1 1

F15 1 1 1 1

A partir de ce tableau, en plus des opérations de base qu’on a vues, on note les plus significatives pratiquement : •

F1 qu’on nomme NOR (No OR) ;

•

F7 qu’on nomme NAND (No AND) ;

•

F6 qu’on nomme XOR (eXclusiv OR).

3.1- Opération NAND : C’est le complément de l’opération NAND. Table de vérité

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Symbole

F 1 1 1 0

A B A B

F (norme IEEE)

&

F (norme IEC)

F = A . B (se lit (A ET B) tout barre)

Propriétés

•

F =: A.B La fonction NAND est commutative . = B.A

•

F =:.A.(B.C) ≠ ( A.B).C ≠ A.B.C La fonction NAND n’est pas associative

•

La fonction NAND est généralisable pour n entrées.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

154

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ALGEBRE

DE

BOOLE

–

CIRCUITS

LOGIQUES

•

L'opérateur NAND est dit "système logique complet", car il permet de réaliser toutes les opérations de base : Not, AND et OR ; et par conséquent, toute fonction logique.

•

Réalisation d'un inverseur : F = A.A = A

A •

F = A.1 = A

A

Réalisation d'une AND (F = A . B) : En appliquant le théorème de De Morgan, A B

F = F = A.B

•

1

A .B

F = A.B

Réalisation d'une OR (F = A + B) : De même, F = A + B ⇒ F = A . B (Morgan) A B

Remarques

A

F = A .B = A + B B

•

La porte NAND est aussi souvent utilisée comme porte de validation ou de verouillage d’une information : • Si G = 0 Æ F = A.0 = 1 A F • Si G = 1 Æ F = A.1 = A L’inverse de l'information A ne passe que si (G = 1) ; dans bien des cas, cette fonctionnalité est utilisée.

G 3.2- Opération NOR :

C’est le complément de l’opération OR. Table de vérité

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Symbole

F 1 0 0 0

A B A B

F (norme IEEE)

≥1

F (norme IEC)

F = A + B (se lit (A OU B) tout barre) Propriètés

•

L’opération NOR est commutative : ·F = A + B = B + A.

• • •

L’opération NOR n’est pas associative : F = A + (B + C) ≠ (A + B) + C ≠ A + B + C . L’opération NOR est généralisable pour n entrées. L'opérateur NOR est un système logique complet, comme le NAND.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

155

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ALGEBRE

DE

BOOLE

–

CIRCUITS

LOGIQUES

3.3- Opération XOR : Comme on l’a signalé précédemment, cette opération diffère du OR classique ou inclusif ; l’examen de sa table de vérité ci dessous montre que F est égale à 1 si [(A=0 ET B=1) OU (A=1 ET B=0)] ; formellement, on écrit : F = AB + AB qu'on note F = A⊕B

Table de vérité

A 0 0 1 1

Symbole

B 0 1 0 1

F 0 1 1 0

A

F (norme IEEE)

B A B

F (norme IEC)

=1

F = A ⊕B (se lit A OU exclusif B) Le signe "=" indique que la sortie est égale à "1" si une entrée et une seule est égale à 1. Proprètés • • •

L’opération XOR est commutative : F = A⊕B = B⊕A. L’opération XOR est associative : F = A⊕(B⊕C) = (A⊕B)⊕C = A⊕B⊕C. L’opération XOR n'est pas généralisable pour n entrées.

Remarques •

Le concept de programmabilité ou programmation est fondamental dans les systèmes logiques modernes. L'opération XOR a un caractère programmable ; on peut dire qu'il s'agit de l'opérateur programmable le plus élémentaire. En effet, en considérant la porte XOR et sa table de vérité, on remarque que :

P 0 0 1

A 0 1 0

F 0 1 1

1

1

0

Fonction réalisée par l'opérateur SI P = 0 ⇒ F = A ⇒ Fonction Identité SI P = 1 ⇒ F = Not A ⇒ Fonction Inversion

A

F P

Alors, suivant l'état de P, l'opérateur réalise la fonction OUI ou la fonction NON. On peut dire alors que P est l'entrée de programmation de cet opérateur. •

Il y a d'autres aspects programmables de la porte XOR ; en effet, elle peut être utilisée comme : ƒ

Détecteur d'égalité : • •

A

F = 0 si A = B F = 1 si A ≠ B

F B

ƒ

Détecteur de parité : Soit l'information formée par A et B. En s'intéressant au nombre de "1" contenu dans le mot AB, on constate que la sortie F est à "1" si ce nombre de "1" est impair.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

156

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ALGEBRE

DE

BOOLE

–

CIRCUITS

LOGIQUES

4. REPRESENTATION DES FONCTIONS LOGIQUES : Pratiquement, une fonction logique est représentée par : • • •

son équation logique qui n'est qu'une association de sommes et de produits logiques ; sa table de vérité ou son tableau de Karnaugh, qu'on verra dans le prochain chapitre ; Son logigramme qui est une représentation symbolique, sous forme d'un schéma, formé par les différentes liaisons entres les symboles des opérateurs élémentaires. Exemple : Voilà les 3 représentations d'une certaine fonction F à 3 variables A, X et Y :

• •

L'équation logique donnée est : F (X, Y, A) = A.X + AY ; La table de vérité, déduite à partir de l'équation, est : A 0 0 0 0 1 1 1 1

X 0 0 1 1 0 0 1 1

Y 0 1 0 1 0 1 0 1

F 0 0 1 1 0 1 0 1

On a 3 variables d'entrées ⇒ on a 23 combinaisons possibles (23 lignes de la table). D'une façon générale, on a 2N combinaisons pour N variables d'entrée.

On déduit l'équation logique de la fonction F, à partir de la table de vérité suivant le raisonnement suivant : • • •

On cherche les lignes où la fonction F est égale à 1 ; On note la combinaison des entrées pour chacune de ces lignes ; On somme logiquement ces combinaisons.

Ainsi, la fonction F est égale à 1 si on a AXY OU AXY OU AXY OU AXY , ce qui donne : F = AXY + AXY + AXY + AXY = AX(Y +Y )+ AY(X + X ) = AX + AY •

Le logigramme déduit de l'équation est :

Y X A A

AX

AX + AY

A

AY

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

157

On remarque que cette petite fonctionne emploie différentes types de portes logiques,: inverseur, AND et OR. Il est évident qu'il serait rentable de réaliser cette fonction logique avec le minimum de matériel (circuits logiques), ce qui demande une bonne analyse du problème pour simplifier la fonction en question.

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

CHAPITRE 2

REPRESENTATION ET CODAGE DE L'INFORMATION BINAIRE INTRODUCTION : La numération arabe est universellement adoptée, étant donné sa bonne capacité à traiter les calculs courants. Il s'agit du système de numération avec la base 10 dans laquelle : •

On utilise les 10 symboles, appelés chiffres, de l'ensemble : {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} ;

•

Un nombre quelconque peut s'écrire en utilisant les puissances de 10 ; Exemple : 571 = 5 x 102 + 7 x 101 + 1 x 100 .

Mais la représentation des nombres avec le système décimal (base 10) n'est pas la seule utilisée. On peut donc en utiliser d'autres, en particulier le système binaire (base 2). On peut faire alors la double remarque importante suivante : •

Dans le système binaire, il n'y a que 2 chiffres : {0, 1} ;

•

Les circuits logiques ne connaissent que les valeurs 0 et 1.

De cette remarque, on conclut qu'avec les circuits logiques, on peut des calculer et des traitements comme on le fait avec le système décimal. Ceci permet de rendre le traitement de l'information automatique et rapide.

1. LES SYSTEMES DE NUMERATION : 1.1- Principe : D'une façon générale, soit une base B, donc associée à B symboles : { S0, S1, …, SB-1} ; un nombre N, a les caractéristiques suivantes : •

Il s'écrit N = An-1 … Ai … A1A0 avec Ai ∈ { S0, S1, …, SB-1} ;

•

Il a pour valeur N = An-1.Bn-1 + … + AiBi + … + A1B1 + A0B0 (forme polymoniale) ;

•

Ai est le chiffre (digit) de rang i et de poids Bi ;

•

An est le chiffre le plus significatif (MSD : Most Significant Digit) ;

•

A0 est le chiffre le moins significatif (LSD : Less Significant Digit).

On va étudier les bases 2 et 16 pour leur intérêt dans les circuits logiques. Et comme la référence à la base 10 est d'un usage pratique, on étudiera alors la conversion de la bases 2 la base 10 et vise versa.

1.2- Système binaire (base 2) : L'homme connaît la base 10 ; il fait alors ses calculs dans cette base. Alors, puisque les systèmes numériques ne reconnaissent que 2 états 0 ou 1, ils seront très aptes de faire les calculs dans la base 2.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

158

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

REPRESENTATION

ET

CODAGE

DE

L'INFORMATION

BINAIRE

La base 2 a les caractéristiques suivantes : • • • • •

Un nombre N s'écrit : N = AnAn-1 … Ai … A1A0 avec Ai ∈ {0, 1} ; chaque chiffre est appelé couramment bit, contraction de binary digit (chiffre binaire) ; Ce nombre N est couramment désigné aussi par "Mot de n bits" ; An est le chiffre le plus significatif, couramment appelé MSB (Most Significant Bit) ; A0 est le chiffre le moins significatif, couramment appelé LSB (Less Significant Bit). Ce nombre a pour valeur N = An-12n-1 + … + Ai2i + … + A121 + A020 (forme polymoniale); Exemple : N = 110101 ; il a pour valeur N = 1x25+ 1x24 +0x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20.

1.3- Conversion de la base 2 vers la base 10 : On exploite directement la forme polynomiale. Exemple pour la base 2 : (1011)2 = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 = 8 + 0 + 2 + 1 = 8 + 4 + 2 = (11)10.

1.4- Conversion de la base 10 vers la base 2 : La méthode de division est la plus utilisée ; elle consiste en des divisions successives du nombre (N)10 par 2, jusqu'à obtenir un quotient nul. Les restes des divisions successives, écrits dans l'ordre inverse, constituent le nombre N dans la base 2 (N)2. Exemple : (22)10 = (?)2. 22 2 0 11 1 LSB

2 5 1

2 2 0

2 1 1

(22)10 = (10110)2 2 0

MSB

2. CODAGE DE L'INFORMATION BINAIRE : Un système électronique traite les informations en binaire. Or, ces informations sont de différentes natures. Par exemple, en traitement de texte, on manipule des caractères ; pour qu'un ordinateur traite ces caractères, il faut associer alors à chaque caractère un nombre binaire. Cette association s'appelle "Codage" de l'information binaire et permet d'utiliser plusieurs codes suivant le domaine d'application. L'opération inverse s'appelle "Décodage" ou "Transcodage". On étudie en particulier : • • • •

Le code binaire pur ; Le code GRAY ; Le code BCD ; Le code ASCII.

2.1- Le code binaire pur: Il est aussi appelé code binaire naturel. C'est le code binaire sans aucune codification, c'est à dire qui découle directement du principe général de la numération. C'est le code naturel utilisé dans les systèmes numériques (ordinateur, etc.). Le tableau suivant donne le code binaire pur pour un exemple d'un mot de 4 bits (A3 A2 A1 A0) : MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

159

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

REPRESENTATION

Valeur décimale 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Code binaire A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1

ET

CODAGE

DE

L'INFORMATION

BINAIRE

Pour remplir rapidement une table de vérité avec toutes les combinaisons possibles des variables d'entée, on procède comme en décimal : • On part du poids faible (A0), qui balaye la plage 0 à 1; • On passe au poids suivant (A1), qui reste à 0 pour la plage 0 à 1 de A0, puis à 1 pour la même plage ; A2 A1 0 0 1 1 •

A0 0 1 0 1

Et ainsi de suite.

2.2- Le code GRAY : Dans les systèmes indusriels où on a besoin de mesurer un déplacement linéaire ou angulaire, on utilise le "code GRAY". La raison de ce choix est la suivante : Si le système qui mesure le déplacement (capteur) utilise le code binaire pur, le problème suivant se pose : •

A chaque position de l'élément en déplacement, on associe un nombre binaire : de 0 pour la position initiale à une valeur binaire maximale pour la position finale (par exemple 1111 = (15)10 pour un codage sur 4 bits) ;

•

Supposons qu'on est dans la position 0111 et on passe à la position suivante qui est naturellement 1000. Physiquement les 0 et 1 sont fournis par des composants électroniques qui ont des temps de réponse différents ;

•

Alors, il se peut par exemple qu'avant que le système se stabilise sur la valeur finale qui est 1000, passe au mois par un état différent 1001 ; dans ce cas c'est le dernier bit qui en retard ;

•

Alors le système reçoit une information de position fausse.

Pour remédier à ce problème, il suffit de coder chaque position de façon que chaque les valeurs de positions successives ne différent que d'un seul bit. C'est pour cela qu'on l'appelle "code à distance unité". On l'appelle aussi "code binaire réfléchi" parce que pour le construire, on procède par réflexion comme l'indique le tableau suivant où on donne aussi l'équivalence en binaire naturel : en paratant de 0 et 1, on construit le code suivant les axes de sysmétrie. On vérifie bien que : • •

on a 16 combinaisons différentes ; dans le passage d'une combinaison à une autre, il n'y a qu'un bit qui change.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

160

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

REPRESENTATION

Valeur décimale 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ET

Code binaire Code GRAY A3 A2 A1 A0 G3 G2 G1 G0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

CODAGE

0 1

0 0 1 1

DE

0 1 1 0

L'INFORMATION

0 0 0 0 1 1 1 1

Axes de sysmétrie (réflexion)

0 0 1 1 1 1 0 0

0 1 1 0 0 1 1 0

BINAIRE

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

1 1 1

0 0 0

1 1 0

0 1 1

2.3- Le code BCD : Le code BCD (Binary Coded Decimal) qui veut Binaire codé en décimal est la traduction en binaire des 9 premiers chiffres du systèmes décimal. Valeur décimale

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Code BCD A3 A 2 A 1 A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1

Si on a un nombre décimal N à m chiffres, il sera codé en BCD sur (m x 4) bits : chaque chiffre décimal est traduit en code BCD sur 4 bits. Exemple : (571)2

= 1000111011 en binaire pur = 0101 0111 0001 en BCD 5

7

1

2.4- Le code ASCII : Le code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) est un code qui représentent les caractères éditables ou non éditables : éditables parce que'on peut les éditer comme la caractère "A" et non édiatbles comme le crarctère "Escape" ou "Return", etc. Il est codé sur 7 bits (b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0), ce qui permet de représenter 128 (27) caractères différents. La table suivante montre un tel codage.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

161

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

REPRESENTATION

ET

CODAGE

DE

L'INFORMATION

BINAIRE

Par exemple, Le code de la lettre "A" (majusucule) est le nombre : • • •

en binaire b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 = 1000001 ; en hexadecimal 41 ; en decimal 65.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

162

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

CHAPITRE 3

SIMPLIFICATION DES FONCTIONS LOGIQUES INTRODUCTION : Une fonction logique est sous forme normale ou canonique si chacun de ses termes contient toutes les variables, directes ou inverses, dont elle dépend. Exemple : F(X,Y) = X.Y + X.Y . Si l'une de ses variables ne figure pas dans un de ses termes, alors elle est sous forme simplifiée. Cette forme est fort bien recherchée pour aboutir à la réalisation pratique avec un minimum de matériel et à moindre coût. Pour cette fin, on utilise, en général, 3 méthodes : • • •

La méthode algébrique ; La méthode graphique à base du diagramme de Karnaugh ; Les méthodes programmables.

Dans ce chapitre, on s'intéresse uniquement aux 2 premières méthodes.

1. METHODE ALGEBRIQUE : 1.1- Principe de la méthode : Cette méthode utilise les principes de l'Algèbre de Boole. On en rappelle ci-après 3 parmi les plus importants : • • •

A + AB = A(1 + B ) = A AB + AB = B(A + A ) = B A + AB = A + B ; en effet, A + AB = ( A + A)( A + B )

= AA + AB + A A + AB = A + B

Le principe consiste à utiliser ces propriétés ou les mettre en évidence, dans l'expression à simplifier, en : ƒ

ajoutant un terme déjà existant : Exemple : Z = ABC + ABC + A B C + AB C Z = ABC + ABC + ABC + A B C + ABC + AB C Z=

ƒ

BC

+

+

AC

AB

multipliant un terme par 1 (X + X) : Exemple : Z = AB + B C + AC

(

Z = AB + B C + AC . B + B

)

Z = AB + B C + ACB + ACB = AB.(1 + C ) + B C .(1 + A) Z = AB + B C

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

163

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

SIMPLIFICATION

ƒ

DES

FONCTIONS

LOGIQUES

additionnant un terme avec 0 (X . X) : Exemple :

( ) Z = ( A + B ) . (B + C ) . (A + C + B.B )

Z = (A + B ) . B + C . (A + C )

(

)

(

)

(

Z = (A + B ) . B + C . (A + C + B ) . A + C + B Z = (A + B ) . B + C

)

Cette méthode est riche en apprentissage de la rigueur, mais elle n'est pratiquement plus utilisée systématiquement.

1.2- Exemple d'application : Store automatisé Le système de commande du store étudié dans cet exemple est simplifié par rapport à la réalité pour des raisons didactiques ; en effet le fonctionnement correct du système nécessite des temporisations et des fonctions de mémoire qui ne sont pas étudiées ici. Fig1. Store automatisé

Fig2. Fonctionnement • Si la luminosité du soleil (s), captée par une cellule solaire, dépasse un seuil prédéfini, on descend le store (D) ; • 2 boutons poussoirs permettent la descente (d) ou la montée (m) du store ; un appui simultané sur les 2 boutons entraîne la descente du store ; • Si la vitesse du vent (v), captée par un anémomètre, dépasse un seuil prédéfini, on remonte le store ; ce fonctionnement de sécurité est prioritaire sur tous les autres.

Fig3. Résolution de la fonction logique du store à partir de la table de vérité v 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

s 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

m d 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1

M 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

D 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

M = v s md + v s m d + v s m d + v s md + v s md + v s m d + v s m d + v s md + v s md M = v s md + vs m + vs m+ vsm + vsm M = v s md + vs + vs M = v s md + v M =s md + v

164

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

SIMPLIFICATION

DES

FONCTIONS

LOGIQUES

2. METHODE GRAPHIQUE : 2.1- Tableau de Karnaugh et principe de simplification : Cette méthode plus simple utilise le tableau de Karnaugh pour simplifier des fonctions booléennes ayant jusqu’à 6 variables. Le tableau de Karnaugh d’une fonction logique est la transformation de sa table de vérité sous forme d’une table contractée à 2 dimensions. La méthode consiste principalement à mettre en évidence graphiquement ou visuellement, les groupements de cases, de type : AB + AB = A( B + B) = A

Le passage de la table de vérité au tableau de Karnaugh se fait suivant la procédure suivante : • •

Chaque ligne de la table de vérité correspond à une case du tableau de Karnaugh ; Les cases sont disposées de telle sorte que le passage d'une case à une case voisine se fasse par changement de l'état d'une seule variable à la fois en utilisant le code GRAY. La mise en œuvre de cette méthode se fait alors en 2 phases :

• •

La transcription de la fonction à simplifier dans le tableau de Karnaugh ; La recherche des groupements de cases qui donneront des expressions simplifiées.

Pour illustrer le passage de la table de vérité au tableau de Karnaugh, la figure 4 montre un exemple pour 3 variables : Fig4. Simplification par tableau de Karnaugh a 0 0 0 0 1 1 1 1

b 0 0 1 1 0 0 1 1

c 0 1 0 1 0 1 0 1

F2 0 1 1 0 1 0 0 1

a

b c 00 0 0 1 1

01 1 0

11 0 1

10 0 0

F2

2.2- Exemples de simplification par tableau de Karnaugh : Pour illustrer la méthode, on donne les exemples suivants : Exemple 1 : Fonction logique de la montée du store Fig5. Tableau de Karnaugh du store automatisé Axes de symétrie

vs

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

md

00

01

11

10

00

0

0

0

1

01

0

0

1

0

11

1

1

1

1

10

1

1

1

1

165

M G1

G2

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

SIMPLIFICATION

DES

FONCTIONS

LOGIQUES

Le tableau de Karnaugh à la figure 5 nous montre deux groupements de cases symétriques : • •

G1 : L’état de s, m et d ne change pas tandis que celui de v change donc G1 = s . m . D ; G2 : L’état de v ne change pas tandis que celui des autres variables change donc G2 = v.

On aura alors : M = s . m . D + v. La figure 6 montre la simulation de cette fonction : Fig6. Simulation d'une fonction logique du store

Exemple 2 :

a

bc

00

01

11

10

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

F2 : Groupement impossible : Groupement possible

F2 = B.C + A.B Exemple 3 :

ab G3

cd

00

01

11

10

00

1

0

0

1

01

0

0

1

0

11

1

1

1

1

10

1

0

0

1

G3

G2

F3 G3 G1

G3

Dans l’exemple ci-contre trois groupements sont possibles : • • •

G1 se fait sur une ligne donc indépendamment de "c" et de "d" qui changent d’état successivement. L’équation de ce groupement est : a.b. G2 se fait sur une colonne et deux lignes ; l’équation va dépendre de b, c, et d et pas de a qui change d’état entre les 2 lignes. L’équation de ce groupement est : b.c.d. G3 se fait sur 2 lignes et 2 colonnes ; les cases ne sont pas contiguës, mais elles sont symétriques. L’équation va dépendre des variables b et d" et non des variables a, c puisque ces variables changent d’état. L’équation de ce groupement est : b .d

L’équation de F3 devient : F 3 = a b + b c d + b .d

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

166

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

SIMPLIFICATION

DES

FONCTIONS

LOGIQUES

2.3- Conclusion : Le nombre de variables supprimées dépend de la taille du groupement. Ainsi : • • •

Un groupement de 2 cases symétriques entraîne la suppression d’une variable ; Un groupement de 4 cases symétriques entraîne la suppression de 2 variables ; En général, un groupement de 2k cases entraîne la suppression de k variables.

EXERCICE RESOLU Système d'alarme Dans une maison équipée par un dispositif d’alarme, il y a : • 1 capteur A sur la porte • 1 capteur B sur la fenêtre • 1 interrupteur C pour la commande de marche/arrêt de l’alarme. Le fonctionnement du système Alarme est caractérisé par ce qui suit : • •

Si C = 0, l’alarme est désactivée ; Si C = 1, l’alarme est activée ; si un intrus passe par une fenêtre (B = 1) ou par une porte (A = 1), une sonnette S est actionnée.

1. Ecrire la table de vérité de la sonnette S de l’alarme. 2. En déduire la fonction logique simplifiée, par tableau de Karnaugh. 3. Donner le logigramme correspondant et effectuer une simulation. 4. Réaliser le logigramme uniquement avec des NAND à 2 entrées. CORR IGE Table de vérité C 0 0 0 0 1 1 1 1

A 0 0 1 1 0 0 1 1

B 0 1 0 1 0 1 0 1

Tableau de Karnaugh et fonction simplifiée AB

S 0 0 0 0 0 1 1 1

00

01

11

10

0

0

0

0

0

1

0

1

1

1

C

S

S = C.B + C.A = C. (A + B) Simulation de la fonction logique

Logigramme avec NAND

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

167

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

CHAPITRE 4

TECHNOLOGIE DES CIRCUITS LOGIQUES INTRODUCTION La manipulation des circuits logiques implique un minimum de connaissances de la technologie de tels circuits, en particulier, le respect des contraintes électriques alimentation, consommation, adaptation entre les différents circuits) et dynamiques (fréquence de travail, etc.).

1. NOTIONS DE FAMILLE DE CIRCUIT LOGIQUE 1.1- Présentation : Un circuit logique se présente sous forme de circuit intégré, car il intègre dans un m^me boîtier un maximum de composants électroniques dont le plus important est le transistor. On intègre facilement 1 million transistors par cm2! Ce sont les circuits VLSI (Very Large Size Integration). Les circuits intégrés logiques sont classés suivant leur technologie de fabrication en plusieurs familles logiques. Chaque famille logique a pour point commun la technologie employée ; ils sont alors compatibles entre eux : l'un d'entre eux se raccorde, dans sur n'importe quel autre. Les constructeurs donnent toutes les informations nécessaires (datasheets), pour une meilleure utilisation. Dans ce chapitre, on étudiera les familles, actuellement, les plus populaires, à savoir : • •

La famille TTL (Transistor Transistor Logic), constituée avec des transistors bipolaires ; La famille CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), constituée avec des transistors unijonction.

1.2- Comparaison TTL/CMOS : La comparaison se fait principalement au niveau de la rapidité et de la consommation : • •

La famille TTL est plus rapide que la famille CMOS ; La famille CMOS consomme beaucoup moins que la famille TTL.

1.3- Les variantes technologiques : 1.3.1- Famille logique TTL : • • • • • •

La série 74xx : Série standard. La série 74Lxx : Série à faible consommation (Low power). La série 74Hxx : Série rapide (High speed). La série 74Sxx : Série Schottky qui est 2 fois plus rapide que la 74Hxx pour la même consommation. La série 74LSxx : Compromis entre la 74L et la 74S. La série 74ASxx (Advanced Schottky), 74ALSxx (Advanced Low power Schottky) et 74Fxx (Fast).

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

168

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

TECHNOLOGIE

DES

CIRCUITS

LOGIQUES

1.3.2- Famille logique C-MOS • • •

La série 4000B La série 74HCxx Les série 74HCxx

: Série classique de base. : Série CMOS avec le même brochage qu'une série TTL. : La même que la 74CXX, mais plus rapide (High speed CMOS).

2. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DES CIRCUITS LOGIQUES : 2.1. Tension d’alimentation : •

Famille logique TTL : L’alimentation doit être fixe et égale à 5V avec une tolérance de ± 5%.

•

Famille logique CMOS :

Le choix de la tension d’alimentation est plus large de 3V à 18V.

2.2. Les niveaux logiques : Pour une famille donnée, les niveaux logiques « 0 » ou "L" (Low) et « 1 » ou "H" (High) ne correspondent pas à une tension précise, mais à une certaine « plage » de tension. La terminologie utilisée pour les valeurs de la tension en entrée (Input): •

VIHmin : Tension minimale en entrée qui assure le niveau logique haut.

•

VILmax : Tension maximale en entrée qui assure le niveau logique bas. Fig.1 Niveaux logiques d'entrées

Vcc VIHmin

En TTL :

1 ∅

VILmax (Etat indéfini) 0V

VIHmin = 2 V

VILmax = 0,8 V

En CMOS : (3V ≤ Vcc ≤ 18V)

0

VIHmin = 0,55.Vcc

VILmax = 0,45.Vcc

La terminologie utilisée pour les valeurs de la tension de sortie (Output) : •

VOHmin

: Tension minimale de sortie à l’état logique haut.

•

V0Lmax

: Tension maximale de sortie à l’état logique bas.

Fig.2 Niveaux logiques de sorties

Vcc VOHmi

1 ∅

VOLma (Etat indéfini) 0V

En TTL :

VOHmin = 2,4 V En CMOS : (3V ≤ Vcc ≤ 18V)

0

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

VILmax = 0,4 V

VOHmin = 0,95.Vcc

169

VOLmax = 0,05.Vcc

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

TECHNOLOGIE

DES

CIRCUITS

LOGIQUES

2.3. Les caractéristiques de transfert : Fig.3 Gabarit de transfert d’une porte logique inverseuse en technologie

Vo VI

VOH max VOH min

VO

Plage de tension garantie en sortie pour l’état « 0 »

Plage de tension garantie en sortie pour l’état « 1 »

VOL max VOL min

VI VIH min VIH max

VIL min VIL max

Plage de tension garantie Plage de tension garantie A l’entrée pour l’état « 0 » A l’entrée pour l’état « 0 »

3. INTERFACAGE DES CIRCUITS LOGIQUES Souvent, l’entrée d’un circuit logique TTL change d’état en fonction de l’état d’un contact (interrupteur, contact d'un capteur TOR, etc.). Dans ce cas, il faut prévoir un interfaçage pour assurer le bon fonctionnement : Fig.7 Contact commandant un niveau bas 5V

Sans la résistance R1, la fermeture du contact provoque un court-circuit de l'alimentation 5V. La résistance R1 résout ce problème :

R1

• VI

•

Au repos, le contact est ouvert, R1 assure imposer le '1' logique sur l'entrée de la porte logique ; R1 est typiquement de 10kΩ ; lorsque le contact est fermé, l'entrée logique est au niveau "0" et l'alimentation n'est pas court-circuitée.

Fig.8 Contact commandant un niveau haut 5V

• • R2

VI

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

Au repos, le contact est ouvert, R1 assure imposer le '0' logique sur l'entrée de la porte logique ; R1 est typiquement de 10kΩ ; lorsque le contact est fermé, l'entrée logique est au niveau "1" et l'alimentation n'est pas court-circuitée.

170

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

CHAPITRE 5

ELEMENTS DE BASE EN LOGIQUE SEQUENTIELLE INTRODUCTION : A la différence d'un circuit combinatoire, l'état d'un circuit séquentiel dépend de l'état de ses entrées et de l'état précédent de ses sorties ; il doit donc "se rappeler" ou avoir de la "mémoire". Par mémoire, on exprime le phénomène qui consiste à conserver l'effet d'un événement après sa disparition.

1. CIRCUIT MEMOIRE EN TECHNOLOGIE ELECTRIQUE : Pour introduire à ce type de circuit, on étudie un exemple simple et classique dans ce domaine ; il s'agit de la commande d'un moteur d'une perceuse par exemple : • • • •

Un bouton "m" permet de mettre en marche le moteur et un bouton "a" permet de l'arrêter ; Quand on appuie sur le bouton m, le moteur démarre ; quand on relâche le bouton, le moteur continue à tourner. L'ordre de mise en marche a donc été mémorisé ; Il en est de même pour le bouton a ; L'action arrêt est prioritaire, c'est à dire si m et a sont appuyés en même temps, on arrête le moteur.

On connaît déjà la solution de ce problème, figurant dans le circuit d'auto maintien ou d'autoalimentation : •

Le bouton m est un contact ouvert au repos ; le bouton a est un contact fermé au repos. Le relais K dispose de 2 contacts ;

•

Quand l'utilisateur appuie sur le bouton m, la bobine du relais est alimentée. Les contacts K associés se ferment. Si l'utilisateur relâche le bouton marche, le courant continue à circuler par K, le relais est alors auto-alimenté et le moteur continue à tourner. L'équation du relais X et du moteur M est la suivante : K =(K +m).a 220 V

24 V

a

K K

m

M K

Circuit de commande

Circuit de puissance

Il s'agit du circuit mémoire élémentaire en technologie électrique.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

171

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ELEMENTS

DE

BASE

EN

LOGIQUE

SEQUENTIELLE

2. CIRCUIT MEMOIRE EN TECHNOLOGIE ELECTRONIQUE : Les circuits mémoire électroniques sont d'une grande variété à différents champs d'application ; on étudie ici le circuit le plus élémentaire, qu'on peut qualifier de circuit de base pour tous les autres ; il s'agit de la bascule SR : • • • •

Son symbole est représenté par la figure ci-contre ; On l'appelle bascule, car elle bascule d'un état à l'autre suivant l'état de ses entrées S et R ; S (Set) est l'entrée de mise à 1 de la sortie Q ; R (Reset) est l'entrée de mise à 0 de la sortie Q.

S

On développera le circuit de cette bascule en utilisant 2 approches : • •

Q

R

Dans l'approche 1, on exploite le résultat du paragraphe 1 ; Dans l'approche 2, on utilise le raisonnement comme pour un circuit combinatoire.

2.1- Approche 1 : Dans cette approche, on part de l'équation d'auto-alimentation du relais et on fait la correspondance logique : S correspond à m, R correspond à a et Q correspond à K. On en déduit alors l'équation de la bascule SR avec Reset prioritaire, ainsi que son logigramme : R

Q =(Q +S).R

S

Q Retour permettant au circuit de se "rappeler"

Ce circuit est plus connu par sa réalisation simplifiée avec l'utilisation de portes NOR : R

Q =Q

Q

=(Q +S).R

=(Q +S)+R

S

S 0 0 1 1

R 0 1 0 1

Q Fonction de la bascule x Mémorisation 1 Action Reset 0 Action Set 0 Action Reset (*)

X indique l'état précédent (0 ou 1) ( ) * Etat indéterminé si on passe à SR=00

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

172

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

ELEMENTS

DE

BASE

EN

LOGIQUE

SEQUENTIELLE

2.2- Approche 2 : Dans cette approche, on raisonne comme pour un circuit combinatoire. Il est donc nécessaire de connaître l’état de Q pour connaître l’état de la sortie lorsque les deux entrées sont à 0 (état de mémoire). On introduit alors une variable supplémentaire qui indique l'état précédent de Q. On note "q" cette variable.

S 0 0 0 0 1 1 1 1

R 0 0 1 1 0 0 1 1

q 0 1 0 1 0 1 0 1

Q Rq S 00 01 11 10 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0

Q 0 1 0 0 1 1 0 0

Q =SR+Rq

=(q+S).R Puisqu' on a (q = Q), alors : Q =(Q +S).R

2.3- Application : Il s'agit de la version électronique du montage Marche/Arrêt du moteur ; le circuit utilisé est le circuit CMOS CD4011 comportant 4 portes NOR à 2 entrées : •

L'appui sur m correspond à l'action Set de la bascule SR, ce qui fait conduire le transistor T1 et exciter le relais K ; le moteur tourne ; le relâchement de ce bouton correspond à la mémorisation de cet état ;

•

L'appui sur a correspond à l'action Reset, ce qui fait bloquer T1 et désexciter le relais K ; le moteur s'arrête ; le relâchement de ce bouton correspond à la mémorisation de cet état.

220 V

m

D1

a ¼ CD4001 R

Q

R3

K

K

T1 M

12 V S ¼ CD4001 R1

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

R2

Circuit de commande

173

Circuit de puissance

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

CHAPITRE 6

LE GRAFCET INTRODUCTION : La représentation graphique permet de décrire le fonctionnement séquentiel d'un système automatisé sans ambiguïté et d'une façon compréhensible par toutes les catégories de personnel : de l'ingénieur au technico-commercial. En effet, l'œil humain est capable de saisir, d'un regard, une évolution séquentielle représentée graphiquement. Parmi les méthodes possibles, on trouve l'organigramme et le GRAFCET qui est l'objet d'étude de ce chapitre. Le GRAFCET provient de GRAphe Fonctionnel de Commande par Etapes et Transitions. Il est normalisé sur le plan international, depuis 1988 sous le nom de "Sequential Function Chart (SFC)" (norme CEI 848). Pour illustrer les notions traitées dans ce chapitre, on se basera sur le système de perçage automatisé, décrit ci-dessous : Fig1. Perceuse automatisée VM

Dcy

fr

MF

pp

VS pd

ps

Fig2. Fonctionnement du système • L'appui sur le bouton Départ cycle (Dcy) lance le cycle ; • Le vérin de serrage (VS) déplace la pièce pour la serrer ; le capteur (ps) indique que la pièce est serrée ; • Le moteur supportant le forêt (MF) commence à tourner et le vérin (VM) pousse le moteur vers le bas ; • Le perçage de la pièce commence et le capteur (pp) indique que la pièce est percée ; • Alors le vérin VM remonte quand le capteur (fr) est actionné, cela indique que le forêt est retourné ; • Le moteur MF et le vérin VM sont arrêtés ; • Le vérin VS retourne dans l'autre sens ; le capteur (pd) indique que la pièce est desserrée : • On revient alors à l'état initial. Note : Pour la clarté, les noms des capteurs sont en minuscule et ceux des actionneurs sont en majuscule.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

174

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

LE

GRAFCET

1. TYPES DE GRAFCET : Suivant les différents points de vue (utilisateur, technico-commercial, concepteur-réalisateur, etc.), on peut distinguer plusieurs types de GRAFCET. Pour simplifier, on les résume dans 2 types : ƒ ƒ

GRAFCET niveau 1 ; GRAFCET niveau 2. Fig3. GRAFCET niveau 1

1.1- GRAFCET niveau 1 : Dans ce type de GRAFCET, apparaissent les actions à réaliser et les informations nécessaires à leur exécution. Ce modèle est purement descriptif. Le choix des actionneurs et des capteurs n’est pas encore fait. On le désigne aussi par "GRAFCET point de vue système" ou "GRAFCET fonctionnel".

0 Appui sur Dcy 1

Serrage Pièce serrée

2

Rotation MF

Descente VM

Pièce percée

1.2- GRAFCET niveau 2 :

3

Une étude détaillée conduit au choix des solutions technologiques pour la partie opérative (PO) et la partie commande (PC). On le désigne aussi par "GRAFCET point de vue PO et PC" ou "GRAFCET de commande".

Montée VM Retour effectué

4

Desserrage Desserrage effectué

2. ELEMENTS DE BASE : Le GRAFCET se compose d'un ensemble : ƒ ƒ ƒ

D'étapes auxquelles sont associées des actions ; De transitions auxquelles sont associées des réceptivités ; De liaisons orientées reliant les étapes aux transitions et les transitions aux étapes.

2.1- Etape : 2.1.1- Définition : Une étape caractérise un état qui est un comportement invariant d'une partie ou de la totalité de la partie commande. C'est une situation dans laquelle les variables d'entrée et de sortie dela partie commande conservent leur état. Fig4. Symbole d'une étape Une étape est symbolisée par un carré repéré numériquement ; ici, c'est l'étape 1.

Fig5. Etape initiale Si elle est symbolisée par un carré à côtés doublés, il s'agit alors d'une l'étape initiale, par laquelle le système démarre.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

175

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

LE

GRAFCET

Fig6. Etape active S'il est nécessaire de préciser à un instant donné une étape i active, un point est placé comme ci-contre.

Une variable d'étape est associée à chaque étape (en général repéré par Xi, ou i est l'identificateur de l'étape). Cette variable booléenne a pour valeur logique : • •

"1" lorsque l'étape associée est active ; par exemple pour l'étape 0 : X0 = 1) ; "0" logique lorsque celle-ci est inactive ; par exemple pour l'étape 0 : X0 = 0).

2.1.2- Actions associées à une étape : Une ou plusieurs actions peuvent être associées à une étape. Elles traduisent ce qui doit être fait chaque fois que l'étape à laquelle elles sont associées est active. On symbolise les actions par un rectangle relié au symbole de l'étape. Elles peuvent être : •

Externes correspondant aux ordres vers la PO ; Exemple : Serrer la pièce.

•

Internes correspondant à des fonctions qui n'agissent pas sur la PO, telles qu'une temporisation, un comptage, etc. Exemple : Lancer une temporisation de 5 s. Fig7. Exemples d'actions associées à une étape

2.2- Les transitions : 2.2.1- Définition : Un système lors de son fonctionnement séquentiel change d’état. Une transition indique la possibilité d'évolution entre étapes : Fig8. Représentation • •

Elle est symbolisée par une barre perpendiculaire aux liaisons orientées ; Elle définit la condition d'évolution entre étapes, appelée réceptivité.

Une transition est validée si l'étape ou les étapes précédentes sont actives.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

176

Transition

4 5

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

LE

GRAFCET

2.2.2- Réceptivité associée à une transition : a/ Définition : A chaque transition est associée une condition logique appelée réceptivité ou condition de franchissement d'étape. La réceptivité est une fonction combinatoire d'informations booléennes telles que l'état : • • • •

d'un capteur ; d'un bouton de Homme/Machine ; d'une temporisation ; d'une étape, etc.

Fig9. Exemples de réceptivités

1

Pour évoluer de l'étape 0 à l'étape 1, il faut que vérifier l'équation logique : Dcy X0.Dcy. X0 représente l'état de l'étape 0.

l'Interface 4

Pour franchir une étape, il faut que : • •

0

5

Pour évoluer de l'étape 4 à l'étape 5, il faut que vérifier l'équation logique : a0.c3 X4.a0.c3 X4 représente l'état de l'étape 4.

la transition soit validée ; ET la réceptivité soit vraie.

b/ Cas particuliers : Il existe deux cas particuliers : •

Temporisation : Pour faire intervenir le temps dans une réceptivité, il suffit d'indiquer après le repère "t" son origine et sa durée. L'origine sera l'instant de début de l'activation de l'étape déclenchant la temporisation. La notation t/14/5 signifie que la réceptivité sera vraie 5 secondes après l'activation de l'étape repérée 14. La notation normalisée s'écrit 5s/X14.

•

Réceptivité toujours vraie : une telle réceptivité s'écrit "= 1". Le franchissement de cette transition se fera dès que la ou les étapes immédiatement antérieures seront actives sans autre condition. Fig11. Temporisation

Fig10. Réceptivité toujours vraie 4 =1

5

Le passage de l'étape 4 à l'étape 5 est toujours vrai

3. LES REGLES D'EVOLUTION D'UN GRAFCET : Règles N° 1 : Situation initiale L'initialisation précise l'étape ou les étapes actives au début du fonctionnement. Elle caractérise le comportement initial de la partie commande vis-à-vis de la partie opérative. Les étapes initiales sont activées inconditionnellement en début de cycle.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

177

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

LE

GRAFCET

Règles N° 2 : Franchissement d'une transition Une transition est validée lorsque toutes les étapes immédiatement précédentes sont actives. Elle ne peut alors être franchie que : • •

Lorsqu'elle est validée ; ET que la réceptivité associée à la transition est vraie.

Règles N° 3 : Evolution des étapes actives Le franchissement d'une transition entraîne l'activation simultanée de toutes les étapes immédiatement suivantes et la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes.

4. STRUCTURES DE BASE D'UN GRAFCET : Fig12. Séquence linéaire

4.1- La séquence linéaire :

Une séquence linéaire est composée d'un ensemble d'étapes successives où chaque étape est suivie d'une seule transition et chaque transition n'est validée que par une seule étape.

1

V+ s

2

MF

VM+

pb

3

VMph

4.2- Les séquences simultanées : Lorsque le franchissement d'une transition conduit à activer simultanément plusieurs séquences d'étapes, on obtient des séquences simultanées qui s'exécuteront parallèlement mais indépendamment. C'est-à-dire, l'évolution de chacune des séquences d'étapes dépendra des conditions d'évolution du système automatisé. Pour représenter la structure des séquences simultanées, on utilise deux traits parallèles pour indiquer le début et la fin des séquences. Considérons l'exemple de la figure 13 : •

La transition 'h', qui possède 2 étapes de sortie, représente l’exécution en parallèle de plusieurs séquences. On appelle cette structure divergent ET : Si l'étape 1 est active et la réceptivité h = 1, les étapes 2 et 12 sont activées

•

La transition 'm.d', qui possède plusieurs étapes d’entrée, représente la synchronisation de plusieurs séquences. On appelle cette structure convergent ET: Si les 2 étapes 3 et 13 sont actives et la réceptivité m.d = 1, l'étape 14 est activée.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

178

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

LE

GRAFCET

4.3- Sélection de séquences : Une structure alternative permet d'effectuer un choix unique d'évolution entre plusieurs étapes en aval à partir d'une seule étape en amont. Pour représenter la structure alternative, on utilise un simple trait horizontal pour indiquer le début et la fin des séquences. Considérons l'exemple de la figure 14 : •

De l'étape 1 : ƒ ƒ

On va activer l'étape 2 si la réceptivité b = 1 et a =1 ; Ou on va activer l'étape 12 si la réceptivité b = 1 mais a = 0.

On appelle cette structure divergent OU. Il est à noter que les branches d'une divergence en OU doivent avoir des réceptivités exclusives, c'est-à-dire ne peuvent pas être vraies simultanément. •

L'activation de l'étape 14 peut venir : ƒ ƒ

de l'étape 3 si elle est active et e = 1 ; OU de l'étape 13 si elle est active et m = 1.

On appelle cette structure convergent OU.

4.4- Le saut d'étapes : Le saut d'étape représente un saut conditionnel permettant de sauter plusieurs étapes pour activer une étape en aval dans la séquence. Dans l'exemple de la figure 15, il y a un saut de l'étape 1 à l'étape 4 mais conditionné par la réceptivité b.

4.5- Structure répétitive : Une structure répétitive appelée aussi une reprise de séquence, est un saut conditionnel permettant la reprise d'une séquence plusieurs fois (boucle) tant qu'une condition logique fixée n'est pas obtenue. Il y a reprise des étapes 1, 2 et 3 tant que la réceptivité a n'est pas obtenue. On dit aussi que c'est un saut d'étape 3 à 1 par la réceptivité a.b.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

179

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

LE

GRAFCET

EXERCICE RESOLU Fig 18. Remplissage et bouchage des bouteilles V Capteur : H

EV Bouteille

Dcy TP BR F BE H

Capteur : BE

Capteur : F

: Départ du cycle. : Tapis en position. : la bouteille est remplie. : L’électrovanne est fermée. : Le bouchon est enfoncé. : Le vérin V est en position haute

Capteur : BR Moteur M

Capteur : TP Avancer d’un pas

Le système est réalisé autour de : • Un tapis roulant permettant le déplacement des bouteilles. • Un poste de remplissage P1 commandé par l’électrovanne EV. • Un poste de bouchage P2 commandé par un vérin presseur V à double effet. Le déclenchement de la chaîne d’embouteillage se fait par action sur l’interrupteur Dcy. Le moteur ‘ Avance Tapis : M ’ tourne d’un pas jusqu’à l’action du capteur ‘ Tapis en position : TP ’. Une bouteille est alors présente à chacun des postes P1 et P2.Les opération de remplissage et de débouchage s’effectueront simultanément sur les deux bouteilles : •

Le remplissage se fera en deux étapes : ƒ Ouverture de l’électrovanne EV ; ƒ Fermeture de EV après le remplissage de la bouteille. Le capteur ‘Bouteille remplie : BR’ permettra de contrôler le niveau de remplissage des bouteilles.

•

Le bouchage se fera en deux étapes : ƒ Descente du vérin presseur V ; ƒ Remonté du vérin V après l’enfoncement du bouchon.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

180

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

CHAPITRE 7

MATERIALISATION D'UN GRAFCET INTRODUCTION La matérialisation d'un GRAFCET peut être réalisée de deux façons : • •

Logique câblée à base de bascules et portes logiques : elle est simple et adaptée à des petits systèmes figés ; Logique programmée à base d'ordinateur, de microcontrôleur ou d'automate programmable industriel (API) : cette solution présente l'avantage d'être flexible et évolutive puisqu'elle s'adapte facilement à tout changement du système automatisé en par un simple changement de programme.

De nos jours, la logique câblée se fait de plus en plus rare, alors que la logique programmée, en particulier avec API est la solution la plus utilisée, car elle a été pensée effectivement pour la commande de systèmes automatisés ; de ce fait, elle est bien adaptée à ces systèmes par : • • •

Ses langages de programmation faciles et spécifiques aux automaticiens et électriciens ; Sa modularité et de sa flexibilité ; Sa fiabilité, etc.

1/ LOGIQUE CABLEE L'élément de base dans cette logique est la bascule SR. Dans ces conditions, l'équation de la sortie Q de la bascule SR a pour expression : Q = ( Q + S ). R

L'action Reset est prioritaire, c'est à dire si S = R = 1 alors Q = 0.

Pour matérialiser un GRAFCET, on associe à chaque étape une bascule SR ; en effet, dans un GRAFCET, une étape : • • • • •

est activée (action Set) par la condition (Etape précédente ET réceptivité vraie) ; reste activée même si la condition (Etape précédente ET réceptivité vraie) devient fausse ; est désactivée (action Reset) si l'étape suivante est activée.

Ce fonctionnement est donc traduit par le schéma cicontre. On appelle l'ensemble formée par la bascule SR et la porte ET "module d'étape", car chaque étape sera matérialisée par ce module de base : • •

i indique une étape i ; Ri indique la réceptivité associée à l'étape i.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

181

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

MATERIALISATION

D’UN

GRAFCET

Exemple :

• •

On passe du GRAFCET au schéma avec modules d'étapes comme expliqué plus haut ; L'équation d'une sortie se détermine : ƒ ƒ ƒ

en cherchant toutes les étapes où cette sortie est active ; et en liant les sorties Q des bascules (X) associées à ces étapes par un opérateur logique OU.

Dans le cas de l'exemple ci-dessus : • •

La sortie V est active dans l'étape 1 OU 2 OU 3, alors V = X1 + X2 + X3 ; La sortie MB est active uniquement dans l'étape 1, alors MB = X1 ; de même, MK = X3.

2/ AUTOMATE PROGRAMMABLE INDUSTRIEL : 2.1- Structure : Un Automate Programmable Industriel (API) est une machine électronique programmable destinée à piloter en ambiance industrielle et en temps réel des systèmes automatisés. La fonction globale d'un API est : Présence énergie

Consignes (IHM) Comptes-rendues (Capteurs)

Présence programme

Ordres (Pré-actionneurs) Traiter les informations

Messages (IHM)

API

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

182

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

MATERIALISATION

D’UN

GRAFCET

La structure interne d'un API est représentée par la figure suivante : Console de programmation

Bus

Module d’entrées logiques

Unité centrale de traitement

Module de Sorties Logiques

Mémoire Alimentation

Signalisation Représente l’état des entrées et des sorties

Entrées / Sorties Liaison avec les capteurs et les préactionneurs

Issue de programmation Connexion avec le la console de programmation.

•

Mémoire additionnelle

La mémoire : Elle permet : ƒ ƒ ƒ

De recevoir les informations issues des entrées ; De recevoir les informations générées par le processeur et destinées à la commande des sorties (valeur des sorties, des temporisation, etc.) ; De recevoir et conserver le programme du processus.

•

L’unité de traitement : Elle réalise toutes les fonctions logiques et arithmétiques à partir d'un programme contenu dans sa mémoire : elle lit et écrit dans la mémoire et actualise les sorties. Elle est connecté aux autres éléments (mémoire et interface E/S) par des liaisons parallèles appelées "Bus" qui véhiculent les informations entre ces éléments.

•

Les interfaces d'entrées/sorties :

Modules d'E/S

ƒ Les entrées reçoivent des informations en provenance des éléments de détection et du pupitre opérateur ; ƒ Les sorties transmettent des informations aux pré-actionneurs et aux éléments de signalisation du pupitre. Ces interfaces d'Entrée/Sortie (E/S) se présentent généralement sous forme d’interfaces modulaires qu’on ajoute selon le besoin.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

183

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

MATERIALISATION

D’UN

GRAFCET

L’interface d'entrée a pour fonction de : • Recevoir les signaux logiques en provenance des capteurs ; • Traiter ces signaux en les mettant en forme, en éliminant les parasites d'origine industrielle et en isolant électriquement l'unité de commande de la partie opérative (isolation galvanique) pour la protection ; • Généralement les entrées sont désignées ainsi : %Ii.j où i est le numéro du module et j le numéro de l'entrée dans ce module, le signe "%" est spécifique au constructeur (ici Telemecanique) . Exemple : %I0.3 représente l'entrée 3 du module 0. L’interface de sortie a pour fonction de : • Commander les pré-actionneurs et éléments des signalisation du système • Adapter les niveaux de tension de l'unité de commande à celle de la partie opérative du système en garantissant une isolation galvanique entre ces dernières ; • Généralement les sorties sont désignées ainsi : %Qi.j où i est le numéro du module et j le numéro de la sortie dans ce module. Exemple : % Q1.5 représente la sortie 5 du module 1. •

La console de programmation : C'est généralement un PC où est installé qui contient le logiciel de programmation spécifique à l'API. Ce logiciel permet d'éditer le programme, de le compiler et de le transférer à l'automate. Le PC peut également servir de poste opérateur pour assurer la conduite de l'unité. Un autre logiciel est alors nécessaire pour assurer le dialogue avec l'automate.

2.2- Cycle d'exécution d'un automate : Durant son fonctionnement, un API exécute le même cycle de fonctionnement qu'on appelle "cycle automate" ; la durée de ce cycle est typiquement de 1 à 50 ms : • •

•

Avant chaque traitement, l'API lit les entrées et les mémorise durant le cycle automate ; Il calcule les équations de fonctionnement du système en fonction des entrées et d'autres variables et les mémorise ; Les résultats sont recopiés dans les sorties.

Lecture des entrées

Exécution du programme

Mise à jour des sorties

2.3- PROGRAMMATION DE L’API La programmation d'un API consiste à traduire dans le langage spécialisé de l'automate, les équations de fonctionnement du système à automatiser. Parmi les langages normalisés, on cite quelques-uns des plus connus et plus utilisés : • • •

Langage à contacts (LADDER) ; Langage List d'instructions (Instruction List) ; Langage GRAFCET (Sequential Function Chart : SFC).

Généralement, les constructeurs d'API proposent des environnements logiciels graphiques pour la programmation. Un exemple typique d'interface graphique se présente comme ci-contre :

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

184

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

MATERIALISATION

D’UN

GRAFCET

2.3.1- Le LADDER a/ Description : Le langage Ladder est une succession de "réseaux de contacts" véhiculant des informations logiques depuis les entrées vers les sorties. C'est une simple traduction des circuits de commande électriques. %Q0.0

% I0.2

% I0.0

S2 S1

% I0.1

S3

S1 S2 S3 KM

KM

: % I0.1 : % I0.0 : % I0.2 : % Q0.0

b/ Exemple : Dans ce exemple, on traduit le GRAFCET correspondant au poste de perçage automatique en langage LADDER : Pour matérialiser ce GRAFCET, on utilise les association suivantes :

•

Pour les fin de courses : Départ de cycle Pièce serrée Pièce percée Retour effectué Desserrage effectué

% % % % %

I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5

•

Pour chaque étape, on associe une variable automate dont l’indice est le numéro d’étape : X0 pour l’étape 0, X1 pour l’étape 1, etc.

•

Pour chaque action, on associe une variable de sortie de l’API.

Serrage Rotation MF Descente VM Montée VM Desserrage

% % % % %

Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5

On a vu dans la matérialisation par bascules que : • •

Si l’étape i est active et si la réceptivité suivante est vraie alors l’étape (i+1) est activée. L’activation de cette étape (i+1) désactive l’étape i. Pour l’étape1, en LADDER, ceci est représenté par : % I0.1

% X0

% X1 S

% X1

Si X0=1 et I0.1=1 alors Set X1

% X0

Si X1=1 alors Reset X0

R

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

185

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

MATERIALISATION

D’UN

GRAFCET

Le programme complet sera alors : % I0.1

% X1

% X0

% I0.5

% X0

% X4

S

S

% X0

% X1

% I0.2

% X4

% X0

R

R

% X2

% X1

S

Traitement postérieur :

% X1

% X2

% X1

% Q1.1

% X2

% Q1.2

R % I0.3

% X3

% X2

S % X2

% X3

% Q1.3

R % I0.4

% X4

% X3

S % X3

% X4

R

% X3

% Q1.4

% X4

% Q1.5

2.3.2- L’instruction liste "IL" : a/ Description : L'IL est un langage dans lequel toutes les opérations sont décrites par des instructions mnémoniques ; ce n’est pas un langage graphique. Le tableau suivant donne une liste représentative de ce langage : Instruction

Fonction

LD LDN AND ANDN OR ORN N ST STN S R END

Lire une entrée ou une variable interne. Lire l’inverse d’une entrée ou d’une variable interne. ET logique entre le résultat de l'instruction précédente et l'état de l'opérande. ET logique entre le résultat de l'instruction précédente et l'état inverse de l'opérande. OU logique entre le résultat de l'instruction précédente et l'état de l'opérande. OU logique entre le résultat de l'instruction précédente et l'état inverse de l'opérande. Négation du résultat de l'instruction précédente L'opérande associé prend la valeur du résultat de la zone test. L'opérande associé prend la valeur inverse du résultat de la zone test. L'opérande associé est mis à 1 lorsque le résultat de la zone test est à 1. L'opérande associé est mis à 0 lorsque le résultat de la zone test est à 1. Fin de programme.

LD ANDN OR ST

S2 S1

S3

S1 S2 S3 KM

KM

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

186

% I0.0 % I0.2 % I0.1 % Q0.0 : % I0.1 : % I0.0 : % I0.2 : % Q0.0

TRAITEMENT DE L’INFORMATION

MODULE 3

PARTIE 3 COMMUNICATION DE L’INFORMATION

PRESENTATION Après le traitement des informations, le résultat de traitement est communiqué à son environnement, qui est principalement représenté par :

¾ ¾

Les actionneurs, via les preactionneurs, qui agissent sur la matière d'œuvre ; L'Interface Homme/Machine qui reçois de l'unité de traitement des messages renseignement sur l'état du système.

La position de la fonction "Communiquer" dans une chaîne d'information, ainsi que les différentes réalisations principales sont représentées par la figure suivante.

CHAPITRE 1

LIAISON PARALLELE ET LIAISON SERIE INTRODUCTION : A l'intérieur, l'unité de traitement d'un système automatisé (logique, câblée, microcontrôleur, API, etc.) communique les informations naturellement en parallèle sous un format de 8 bits ou plus. Mais, quand il s'agit de communiquer avec le milieu extérieur, l'unité de traitement communique soit en parallèle, soit en série suivant le type de périphérique avec lequel elle communique. Pour simplifier, on peut dire que l'unité de traitement, en particulier l'API communique : • •

En parallèle avec les actionneurs via les pré-actionneurs ; En série avec les périphériques de dialogue tel un ordinateur de type PC pour la programmation, la supervision, etc.

PRINCIPE : 0 1 1 0 Unité de traitement 1 1 0 0

0 1 1 0 Périphérique 1 parallèle 1 0 0

0 1 1 Unité de 0 traitement 1 1 0 0

Liaison parallèle Les 8 bits sont communiqués en parallèle sur 8 fils !

Liaison parallèle

Liaison série

0 1 1 0 Périphérique 1 série 1 0 0

Liaison série Les 8 bits sont communiquées en série un par un sur un seul fil

Avantages Plus Rapide ƒ Distance plus longue ƒ Moins de fils

Inconvénients Plus de fils Moins rapide

Exemple 1 : Imprimante parallèle et imprimante série Un texte est un ensemble de caractères ; chaque caractère est codé par un nombre de 8 bits (code ASCII). • •

Avec une imprimante parallèle, le PC envoie le texte caractère par caractère, mais en parallèle, c'est à dire 8 bits / 8bits ; Avec une imprimante série, le PC envoie le texte caractère par caractère, mais en série, c'est à dire chaque caractère est transmis bit / bit.

On en déduit que l'imprimante parallèle est 8 fois plus rapide que l'imprimante série.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

188

COMMUNICATION DE L’INFORMATION

LIAISON

PARALLELE

ET

LIAISON

SERIE

Exemple 2: Souris d'ordinateur La souris code sa position sur l'écran avec un nombre important, disons codé sur 8 bits pour simplifier. La liaison entre la souris et le PC doit donc comporter au moins 8 fils, ce qui n'est pas pratique. En pratique, la souris communique avec le PC en série, donc avec 2 fils au plus.

2. LIAISON PARALLELE Un API est à base de microcontrôleur ; il traite les données qu'il acquiert des entrées TOR en parallèle et communique les ordres aux sorties TOR en parallèle :

I.0 I.1

Q.0 Q.1

I.7

Q.7 API

L'API actualise ou rafraîchit l'état des sorties TOR simultanément, c'est à dire en même temps. Dans l'exemple de la figure ci-dessus, il s'agit d'un API avec 8E/8S TOR. L'API commande alors les 8 actionneurs branchées à ses sorties TOR en même temps, à la fin de chaque cycle automate.

3. LIAISON SERIE : Lorsque la distance devient grande, la liaison parallèle devient techniquement difficile à réaliser à cause de la longueur du câblage et des parasites de transmission ; on utilise alors la liaison série. Dans le contexte d'un API, on a les cas suivants : • •

Généralement, un API est programmé avec un PC ; le mode de communication dans cette situation est le mode série ; Dans les systèmes automatisés complexe, l'API communique dans le mode série pour échanger des informations avec d'autres API ou avec un PC pour le contrôle et la supervision

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

189

Programmation d'API avec PC

Supervision de l'état d'API et processus avec PC

COMMUNICATION DE L’INFORMATION

CHAPITRE 4

RESEAU LOCAL - INTERNET GENERALITES : Au fil des dernières décennies, l’ordinateur a connu des progrès et des développements matériel et logiciel qui l'on rendu utilisable partout (bureaux d’entreprises, ateliers de production, etc.). Cette omniprésence des ordinateurs a fait naître le besoin de communication entre eux, pour faciliter l'accès à l'information voulue au moment et à l'endroit voulu, avec un gain estimable en efficacité de travail. Les réseaux informatiques permettent ainsi l'interconnexion physique et logique entre les ordinateurs pour permettre la communication entre eux.

1. DEFINITIONS : Un réseau d’ordinateurs est un groupe de machines autonomes interconnectées et situés dans un certain domaine géographique. Un tel réseau doit disposer : • •

•

De ressources à partager sous forme de données ou de machines (fichiers, imprimantes, etc.) ; D’une voie de transmission des données (câbles électriques, ondes, fibres optiques, etc.) ; D’un ensemble de règles gouvernant la façon de communiquer à l'intérieur du réseau. On appelle "Protocoles" cet ensemble de règles. Fig.1 Description d'un réseau Machine pouvant contenir des ressources en partage (fichiers, etc.) Imprimante partagée

Média de transmission partagé

2. LES TYPES DE RESEAUX : On distingue différents types de réseaux selon leur taille, leur vitesse de transfert des données ainsi que leur étendue géographique. On fait généralement trois catégories de réseaux : Fig.1 LAN : réseau local

•

Le réseau local (LAN : Local Area Network) : C’est un groupe de machines et périphériques de communication interconnectés sur une zone géographique limitée (locale) comme un Bâtiment (entreprise, usine, centre de formation, etc.) ;

•

Le réseau métropolitain (MAN : Metropolitan Area Network) : C’est un réseau qui utilise des lignes téléphoniques, physiques ou hertziennes, pour relier des réseaux locaux à l’échelle d’une ville (grandes entreprises, universités, etc.) ;

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

190

COMMUNICATION DE L’INFORMATION

RESEAU

LOCAL

-

INTERNET

Fig.2 MAN : réseau métropolitain

•

Le réseau étendu (WAN : Wide Area Network) : C’est un réseau de réseaux (inter-réseau) à l’échelle d’un pays, voire la planète (très grandes entreprises, multinationales, etc.). L'Internet est un exemple de réseau WAN.

3. LES MODELES DE RESEAUX : 3.1. Définitions : Dans un réseau local, on appelle : •

Serveur: tout ordinateur qui peut mettre ces ressources physiques (disque dur, imprimante, ….) et logicielles (applications, logiciels, …) à la disposition des autres ordinateurs du réseau.

•

Station de travail : tout ordinateur relié au réseau (client) et capable d'utiliser sans limitation ces ressources locales et avec permission les ressources réseaux offertes par les serveurs.

Un modèle de réseau renseigne sur la relation entre les ordinateurs du réseau et l'organisation de la communication au sein de ce réseau. On distingue 2 modèles dans l’architecture des réseaux : • •

Modèle "Egal à Egal" ou "Poste à Poste" (Peer to Peer) Modèle Client/Serveur ;

A chaque modèle de réseau correspond un système d'exploitation optimisé pour les tâches requises par le modèle de réseau : • Windows 98, Windows Millenium sont des systèmes d'exploitation pour des réseaux égal à égal. • Windows NT4 Server et Windows 2000 Server sont des systèmes pour les réseaux Client/Serveur.

3.2. Modèle Poste à Poste : Dans le modèle Poste à Poste, les ordinateurs opèrent en égaux c'est-à-dire, tour ordinateur peut se comporter aussi bien comme un serveur pour les autres ordinateurs que comme une station de travail : Avantages : • •

un coût réduit (les coûts engendrés par un tel réseau sont le matériel, les câbles et la maintenance) ; une simplicité à toute épreuve.

Inconvénients : • •

ce système n'est pas du tout centralisé, ce qui le rend très difficile à administrer ; la sécurité est très peu présente.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

191

COMMUNICATION DE L’INFORMATION

RESEAU

LOCAL

-

INTERNET

3.3. Modèle Client/Serveur Dans un modèle Client/Serveur, les ordinateurs du réseau sont répartis en 2 catégories : • •

Un Serveur ou des Serveurs qui ont pour unique fonction de rendre des services aux autres ordinateurs du réseau ; Des Clients ou "stations de travail" qui, pour une tâche donnée émettent des requêtes de services vers un serveur, qui répond à leurs requêtes.

Pour cela, un serveur doit être fonctionnellement puissant et doit disposer : • • •

De plus de mémoire vive ; De plus d’espace disque ; D’un processeur plus puissant et plus rapide, voire plusieurs processeurs.

Ce modèle est conseillé pour un réseau professionnel avec des données sensibles nécessitant une meilleure sécurité et une gestion centralisée des ressources.

4. LES TOPOLOGIES DE RESEAUX : Un réseau local est constitué d'ordinateurs reliés entre eux grâce à du matériel (câblage, cartes réseau), ainsi que d'autres équipements permettant d'assurer la bonne circulation des données. L'arrangement physique de ces éléments s'appelle "Topologie".

4.1. Topologie en Bus : C'est l'organisation la plus simple d'un réseau. En effet tous les ordinateurs sont reliés à une même ligne de transmission (Bus) par l'intermédiaire de câble, généralement coaxial. La connexion poste - câble constitue un nœud et un message est émis à partir de n'importe quel poste et dans les deux sens.

4.2. Topologie en Anneau : Cette topologie équivaut fonctionnellement à un Bus dont le câble se referme sur lui même. Les ordinateurs du réseau communiquent chacun à leur tour, on a donc une boucle d'ordinateurs sur laquelle chacun va "avoir la parole" successivement. Cette topologie a l’inconvénient suivant : si le câble présente un défaut, le réseau ne fonctionne plus. Cette topologie est beaucoup moins utilisée car elle est très chère.

Fig.6 Topologie en Anneau

4.3. Topologie en Etoile : Dans cette topologie, chaque machine est reliée par un câble différent à un nœud central appelé "Hub" ou "Concentrateur". Le Hub contient un certain nombre de ports sur lesquels sont branchées les machines du réseau. Il propage les signaux arrivant sur chacun de ses ports vers tous les autres ports. Ainsi les signaux émis par chaque ordinateur atteignent tous les autres ordinateurs.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

192

COMMUNICATION DE L’INFORMATION

RESEAU

LOCAL

-

INTERNET

Cette topologie offre plus de tolérance de panne, car une coupure dans un câble n’affecte que l’ordinateur qui est branché dessus et non pas le reste du réseau. Fig.7 Hub

5. INTERNET : 5.1. Introduction : Internet est un réseau informatique mondial de type WAN, constitué par une interconnexion de réseaux différents, accessibles aux professionnels comme aux particuliers et permettant d'échanger des informations en toute liberté. Fig.9 Réseau mondial

Aujourd’hui, Internet permet à tout individu d’accéder à une multitude de données se présentant sous divers formats : textes, bases de données, images, vidéos, etc. Il offre de nombreux services aux professionnels comme aux particuliers : acheter des marchandises en Asie, consulter les catalogues de constructeurs automobiles, passer des commandes, etc.

5.2. Accès à Internet : Pour accéder au réseau Internet, l’utilisateur doit bien sûr posséder : • • •

Un micro-ordinateur possédant au moins 4 Mo de RAM et 5 Mo sur son disque dur et équipé d'un système d'exploitation comme Windows ; Un logiciel de navigation qui permet de parcourir les sites du réseau (Netscape ou Internet explorer) ; Un Modem permettant de transmettre et de recevoir textes, images et sons via les lignes téléphoniques ou des lignes spécialisées comme l’ADSL.

Le réseau Internet contenant une foule d’informations en tout genre, il est parfois difficile de trouver celle que l’on recherche au moment opportun. C’est pourquoi on utilise des moteurs de recherche comme Google permettant de lancer une recherche par un mot ou une expression sur tous les sites Internet recensés par ce système, et de retrouver ainsi l’information désirée par l’utilisateur.

MODULE 3 : CHAINE D'INFORMATION

193

COMMUNICATION DE L’INFORMATION

A N N E X E S PRESENTATION Les annexes ont pour but de donner une touche finale à l'ouvrage, dans la mesure où ils proposent des activités d'ordre pratique, qui sont tout à fait liées aux concepts théoriques étudiés tout le long de l'ouvrage. Il s'agit de 2 annexes : Annexe A et Annexe B.

•

Annexe A : C'est une présentation de quelques systèmes-support typiques, largement connus et diffusés dans les domaines industriel et "grand public" : ƒ ƒ

Les systèmes-support permettent d'offrir des situations didactiques où les élèves peuvent faire des activités pratiques diverses. Les activités proposées ne sont pas exhaustives, mais donne des lignes directrices conformes aux 3 modules principaux du programme officiel.

Exemple de système : Portail automatisé.

•

Annexe B : C'est une présentation de quelques directives à propos du projet simple encadré (PSE). ƒ

Les directives en question n'ont pas pour rôle, de dire à la lettre ce qui devrait être fait dans ce processus complexe, mais plutôt de donner un fil directeur figurant dans quelques principes et conduites parmi beaucoup d'autres, largement admises aussi bien dans les milieux industriels que dans les milieux éducatifs.

ƒ

Il s'agit donc de proposer :

− −

Une organisation pour gérer un PSE ; Quelques thèmes pour PSE.

Exemple de PSE : Réalisation d'une maquette de feux de croisement.

COMPETENCES ATTENDUES • • • •

Apprendre à traiter collectivement une problématique à caractère scientifique et technologique. S’initier à la démarche du projet industriel. S’initier à l’utilisation de tous les moyens d’investigation de manière autonome (bibliothèque, Internet, visite d’entreprise, etc.). Communiquer en utilisant les moyens appropriés.

ANNEXES

194

SYSTEME 1

STORE AUTOMATISE

INTRODUCTION La manipulation journalière des stores est fastidieuse. De plus en cas d'absence de l'opérateur, le store peut se détériorer lors d'une rafale de vent. La commande automatique permet par l'information des capteurs de vent et du soleil une utilisation rationnelle et fiable du store.

Système Système

ACTIVITES PROPOSEES Analyse fonctionnelle

ƒ Fonction globale du système ; ƒ Fonctions de service

(Diagramme de pieuvre) ; ƒ Fonctions techniques (Diagramme FAST et SADT)

Chaîne d'énergie

Chaîne d'information

ƒ Montage/Démontage ; ƒ Etude de la commande du moteur du store ; ƒ Etude des liaisons, en particulier la liaison

pivot très présente dans ce système ; 3D des engrenage réduction de vitesse du moteur animation ; ƒ Représentation 2D ; ƒ Représentation

SYSTEME 2

de et

ƒ Commande par logique

câblée combinatoire.

PORTAIL AUTOMATISE

INTRODUCTION L'ouverture ou la fermeture d'un portail d'une propriété privée peut être particulièrement contraignante : portail lourd à manœuvrer, pluie, passage de véhicules, etc. L'ouvre portail automatisé doit donc permettre de réduire voire d'éliminer ces contraintes d'utilisation. Pour simplifier l'étude, celle-ci devrait donc porter sur un système constitué d'une partie commande et d'une seule partie opérative (un battant). Système didactisé

Système réel

Un battant

ACTIVITES PROPOSEES Analyse fonctionnelle

ƒ Fonction globale du système ; ƒ Fonctions de service

(Diagramme de pieuvre) ; ƒ Fonctions techniques (Diagramme FAST et SADT)

ANNEXES

Chaîne d'énergie ƒ Montage/Démontage ; ƒ Etude de la commande du moteur du portail ; ƒ Etude des liaisons, en particulier les liaisons

pivot et complète très présente dans ce système ; ƒ Représentation 3D du bras et animation ; ƒ Représentation 2D du bras ;

195

Chaîne d'information ƒ Commande par logique

câblée.

ƒ Commande

par modules d'étapes ; ƒ Commande par API ;

SYSTEME 3

PERCEUSE AUTOMATISE

INTRODUCTION Le système permet de percer un trou dans une pièce d'une façon automatisé. Dans ce système, on distingue 3 sous–ensembles fonctionnels qui concourent à la réalisation de la fonction globale du système :

• • •

Sous–ensemble de serrage de la pièce ; Sous–ensemble de perçage de la pièce ; Sous–ensemble d'évacuation de la pièce.

Système didactisé

ACTIVITES PROPOSEES Analyse fonctionnelle ƒ Fonction globale du système ; ƒ Fonctions de service

(Diagramme de pieuvre) ; ƒ Fonctions techniques (Diagramme FAST et SADT)

SYSTEME 4

Chaîne d'énergie ƒ Montage/Démontage ; ƒ Etude des distributeurs

et vernis pneumatiques ; ƒ Etude des liaisons, en particulier la liaison glissière très présente dans ce système ; ƒ Représentation 3D de la mini perceuse et animation ; ƒ Représentation 2D de la colonne ;

Chaîne d'information

ƒ Commande

par modules d'étapes ; ƒ Commande par API ;

POSITIONNEUR D'ANTENNE PARABOLIQUE

INTRODUCTION Si l’on veut recevoir les programmes en provenance de plusieurs satellites, la parabole et sa tête de lecture doivent pouvoir être orientés vers chaque satellite situé sur la partie d’arc de l’orbite géostationnaire visible du lieu d’installation. Cette orientation se fait par rotation de la parabole autour d’un axe perpendiculaire au plan de l’équateur (axe parallèle à l’axe de rotation de la terre), ce qui est assuré par le positionneur de parabole.

ACTIVITES PROPOSEES Analyse fonctionnelle ƒ Fonction globale du système ; ƒ Fonctions de service

(Diagramme de pieuvre) ; techniques (Diagramme FAST et SADT)

ƒ Fonctions

ANNEXES

Chaîne d'énergie

Chaîne d'information

ƒ Montage/Démontage ; ƒ Etude de la commande

du moteur du positionneur ; ƒ Etude des liaisons, en particulier les liaison pivot et glissière très présentes dans ce système ; ƒ Représentation 3D du mécanisme d'orientation et animation ; ƒ Représentation 2D de la pièce de serrage ;

196

ƒ Commande par logique

câblée.

SYSTEME 5

ESSUIE-GLACE

INTRODUCTION Le système permet d'améliorer la visibilité d'un pare-brise. Il assure les fonctions suivantes : Système R2EL

• balayage (essuyage) du pare-brise avec différentes vitesses et lavage du pare-brise; • Toutes ces fonctions sont gérées par un module électronique qui reçoit des informations des commandes (interrupteurs, boutons poussoirs, etc.) et des différents capteurs situés dans le véhicule. On note en particulier le capteur qui indique si le système est revenu à sa position initiale. Après traitement de ces informations, le module électronique pilote le moteur d'essuie-glace.

ACTIVITES PROPOSEES Analyse fonctionnelle ƒ Fonction globale du système ; ƒ Fonctions de service

(Diagramme de pieuvre) ; ƒ Fonctions techniques (Diagramme FAST et SADT)

Chaîne d'énergie

Chaîne d'information

ƒ Montage/Démontage ; ƒ Etude de la commande du moteur ; ƒ Etude des liaisons, en particulier les liaisons

pivot et rotule très présentes dans ce système ; ƒ Représentation 3D du système biellemanivelle et animation ; ƒ Représentation D de la bielle ;

SYSTEME 6

ƒ Commande par logique

câblée à base du circuit NE 555 (par exemple)

COMMANDE D'AXE

INTRODUCTION La commande d'axe est le principe qui consiste à déplacer une charge suivant un axe. Un tel mécanisme est utilisé dans divers systèmes industriels. On cite par exemple : • Déplacement d'un outil dans une machine à commande numérique ; • Déplacement d'une table d'un scanner (équipement médical utilisé dans les hôpitaux pour prendre des images sur un patient). ACTIVITES PROPOSEES Analyse fonctionnelle ƒ Fonction globale du système ; ƒ Fonctions de service

(Diagramme de pieuvre) ; techniques (Diagramme FAST et SADT)

ƒ Fonctions

ANNEXES

Chaîne d'énergie ƒ Montage/Démontage ; ƒ Etude de la commande

du moteur du positionneur d'axe ; ƒ Etude des liaisons, en particulier la liaison glissière présentes dans ce système ; ƒ Représentation 3D du mécanisme système vis-écrou et animation ; ƒ Représentation 2D de la pièce de serrage ;

197

Chaîne d'information ƒ Observation

des signaux fournis par le codeur incrémental ; ƒ Commande de moteur par logique câblée ;

A N N E X E

B

PROJET SIMPLE ENCADRE : DIRECTIVES INTRODUCTION : Le projet simple encadré (PSE) ou mini-projet s'inscrit dans le cadre de la pédagogie de projet. La pédagogie de projet est reconnue comme facilitatrice des processus d'apprentissage, tant sur le plan individuel que collectif, au sein d'une classe ou dans l'établissement tout entier. Son apport majeur figure dans la capacité l'apprenant comme constructeur et acteur essentiel de ses savoirs, suivant une logique qui dit que :

"On apprend mieux ce qu'on l'on construit soi-même, ou ce que l'on contribue à construire" En effet, en résolvant des problèmes liés au projet, les élèves délaisseront leur rôle de spectateur pour celui d'acteur. Le projet met les élèves dans des situations-problème conçues de telle sorte que les élèves ne peuvent pas résoudre les problème posés par simple répétition de connaissances acquises, ce qui polarise son attention et le pousse à chercher les informations constituants les éléments de réponse.

DIRECTIVES Activités des élèves :

Dans le cadre du PSE, la production attendue des élèves devrait faire principalement appel à des savoirs et savoir-faire déjà abordés dans les différents cycles de travaux pratiques, pour leur donner du sens et éventuellement les renforcer et les consolider. L’organisation et le déroulement des activités privilégient : • la créativité ; • l’initiative et • le travail de groupe avec ses contraintes de répartition des tâches, de communication et de synchronisation. Les élèves mènent leurs activités à partir : • du dossier technique et de tout ou partie relatif à un produit existant dans le laboratoire ; • de bases de données accessibles (catalogues, bases documentaires informatisées, bibliothèques de composants, sites Internet, etc.) ; • d’une éventuelle visite d’entreprise. Organisation :

La réussite • • • • •

d'un PSE impose : D’y penser longtemps à l’avance ; Une adhésion des élèves ; Une adhésion des professeurs ; Un choix judicieux des mini-projets ; Une évaluation formative et sommative.

On discute ci-après les 2 derniers points, vu leur poids dans cette démarche. Choix d'un PSE :

Le choix d'un thème pour un PSE n'est pas chose facile, puisqu'il faut tenir compte simultanément de plusieurs facteurs intervenant dans cette démarche. On cite, entre autres, les facteurs les plus influents :

• • • • •

L'élève en premier lieu, car il est le centre du système éducatif ; Les programmes avec une synergie de toutes les disciplines possibles, impliquant ainsi l'équipe pédagogique ; Le besoin qui doit être justifié ; Le temps dont la gestion est d'une grande importance pour mener à terme le projet ; L'évaluation qui doit aussi bien formatrice que sommative, etc.

On décrit dans ci-après les 2 derniers points, vu leur poids dans ce processus. ANNEXES

198

Evaluation d'un PSE : L’évaluation devrait se faire : • D'une façon formative sous forme d'un suivi régulier : ƒ Au cours des phases du projet par une aide individuelle et collective (groupe) ; ƒ Au cours des revues de projet : ƒ En fin de recherches de solutions ; • D'une façon sommative à la fin du PSE ; elle devrait porter sur : ƒ Le travail écrit (rapport ou mémoire) contenant les différents dossiers ; ƒ L'exposé devant un jury, occasion privilégiée pour évaluer les capacités de communication et expression des élèves.

EXEMPLES DE PROPOSITIONS DE PSE On donne à titre d'exemple quelques idées pour PSE, qui peuvent aboutir à des réalisations autonomes ou des améliorations de systèmes existants. En voici quelques exemples : • Réalisation de partie commande de la perceuse automatisée : ƒ Utilisation des modules d'étape ; ƒ Utilisation d'API : − GRAFCET de coordination ; − GRAFCET de marche automatique ; − GRAFCET de marche manuelle ; • Réalisation de partie commande d'un essuie-glace à base du circuit NE555 pour : ƒ Grande vitesse et Petite vitesse ; ƒ Très petite vitesse avec le temps de balayage très inférieur au temps de repos ; ƒ Pompe à eau. • Réalisation de circuit de commande simple pour positionneur d'antenne parabolique, avec simple circuit électrique (transformateur, diodes et boutons poussoirs). • Réalisation de partie commande Portail : ƒ Utilisation des modules d'étape ; ƒ Utilisation d'API ; ƒ Utilisation d'une télécommande pour autoriser l'accès au portail. • Réalisation d'une maquette pour feux de carrefour dans un esprit de groupe : ƒ Un élève ou 2 étudie le GRAFCET de coordination ; c'est l'occasion de découvrir un tel type de GRAFCET appelé aussi GRAFCET de synchronisation ; ƒ Un élève ou 2 étudie le GRAFCET de nuit (jaune clignant) ; ƒ Un élève ou 2 étudie le GRAFCET de fonctionnement normal ; ƒ Un élève ou 2 étudie le GRAFCET de forçage, etc. • Réalisation d'un sèche-mains à base de circuit NE555 et sèche-cheveux ; • Réalisation d'une minuterie d'escalier à base de circuit NE555 ;

BIBLIOGRAPHIE [1] F. BENIELLI et al. Technologie des systèmes automatisés. Foucher, Paris, 1994. [2] R. GOURANT et al.Initiation aux sciences de l'ingénieur. Hachette, Paris, 2001. [3] C. BRYSELBOUT et al. Sciences de l'ingénieur, première S. Foucher, Paris, 2003. [4] C. BRYSELBOUT et al. Sciences de l'ingénieur, Terminale S. Foucher, Paris, 2003. [5] C.BARLIER et al. Construction mécanique industrielle. Foucher, Paris, 1993. [6] R. BOURGEOIS et al. Electrotechnique automatique et informatique industrielle. Foucher, Paris, 1995. [7] I. RAK et al. La démarche de projet industriel. Foucher, Paris 1992. [8] Marcel Gindre et al. Electronique Numérique logique combinatoire, McGraw-Hill, Paris, 1987. [8] Marcel Gindre et al. Electronique Numérique logique séquentielle, McGraw-Hill, Paris, 1987. [9] M. DARBELET et al. Economie d'entreprise, Foucher, Paris, 1993. [10] M. LANGLOIS. Gestion et informatique, DELAGRAVE, Toulouse, 1993.

ANNEXES

199

INDEX Format

3 3D

126

A Accouplements Afficheurs AND Automate programmable

122 147 152 182

G Gestion de production GRAFCET Guidage

Hachures

Cahier de charge (fonctionnel) 23 Capteur Numérique 145 Capteurs 140 TOR 141 Cartouche 84 Chaine fonctionnelle 28 Circuit imprimé 61 Code ASCII 161 Code BCD 161 Code binaire 159 Code GRAY 160 Commande numérique 135 Contacteur 65 Coupes 97 Courroie Voir Poulie

K

69

E 84 73 119 30

Q Qualité

L LADDER Liaisons complétes Liaisons mécaniques

185 108 101

NAND Nomenclature NOR

SADT Sectionneur Sections Sécurité électrique Serveur

93 163 192 191 127 74 132

Table de vérité Temporisation Topologie Anneau Bus Etoile Topologie (reseau) Transformateur Transistor Typon

Usinage

168 20 48 15

200

192 192 192 192 46 49 58

133

V

O

Perspective Pieuvre (diagramme) Pignons Pneumatique (Enérgie)

157 50

U

151 153

Ventouse Verrin Vis-Ecrou

P

F

21 66 99 55 191

T

154 85 155

Opérations booleennes OR

47 48 67 190 191 190 190

S

M Materiaux Méthodes algébriques Modèle Client/Serveur Poste à Poste Modeleur volumique Moteur électrique Moulage

37

Redressement Régulation Relais Réseau Etendu Local Métropolitain

165

N

D

Famille logique FAST Filtrage Fonction

193

Karnaugh

C

Echelle Electrovanne Engrenage Entreprise

98

Internet

117 10 90

R

I 172 9, 11 12 146

Distributeur

36 175 113

Poulie Produit Projection

H

B Bascule Besoin Bête à corne Bouton poussoir

83

87 16 119 53

80 78 123

X XOR

156