Memoire: Etude Et Conception D'Une Machine de Soudure [PDF]

Zitiervorschau

Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique

Cycle de formation d’ingénieurs Dans la discipline Génie électromécanique ST-EN07/00 Projet de fin d’étude N° d’ordre : 2016 / DGM 02

Université de Sfax Ecole nationale d’ingénieurs de Sfax

MEMOIRE Présenté à L’Ecole nationale d’ingénieurs de Sfax (Département de génie électromécanique) en vue de l’obtention du diplôme national d’ingénieur en génie électromécanique Par Rania CHAARI Mohamed BOUKHRIS

ETUDE ET CONCEPTION D’UNE MACHINE DE SOUDURE Soutenu le 16 juin 2016, devant la commission d’examen : M. Fouad Halouani

Président

M. Mohamed Bouaziz

Rapporteur

M. Mohamed KHLIF

Encadrant

M. Tarak DAMMAK

Encadrant

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Dédicaces Je rends grâce à Allah le tout puissant de m’avoir donné le courage, l’amour, la miséricorde, pour bien mener ce stage A celle qui a attendu avec patience les fruits de ma bonne éducation, toujours prête à se sacrifier pour le bonheur de ses enfants A ma très chère Mère Sondess A celui qui m’a indiqué la bonne voie en me rappelant que la volonté fait toujours les grands hommes, la présence en toute circonstance m’a maintes fois rappelé le sens de la responsabilité A mon très cher père Jalel A celles Qui je le sais ma réussite est très importante. Que Dieu vous paye Pour tous vos bienfaits A mes très chères sœurs Abir et Islem A ceux qui n’ont cessé de m’encourager, m’assister et me soutenir. Mes chers professeurs Mohamed Khlif et Tarak Damak A celle qui m’a toujours supportée. Merci pour tout votre amour et votre confiance Ma chère amie Emna A tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail.

Rania

i

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Dédicaces Je rends grâce à dieu le tout puissant de m’avoir donné le courage, l’amour, la miséricorde, pour bien mener ce stage A celle qui a attendu avec patience les fruits de ma bonne éducation, toujours prête à se sacrifier pour le bonheur de ses enfants A ma très chère Mère Feiza A celui qui m’a indiqué la bonne voie en me rappelant que la volonté fait toujours les grands hommes, la présence en toute circonstance m’a maintes fois rappelé le sens de la responsabilité A mon très cher père Mohamed A celles Qui je le sais ma réussite est très importante. Que Dieu vous paye Pour tous vos bienfaits A mes très chères sœurs Marwa et Rahma A ceux qui n’ont cessé de m’encourager, m’assister et me soutenir. Mes chers professeurs Mohamed Khlif et Tarak Damak A ceux qui m’ont toujours supporté. Merci pour tout votre amour et votre confiance Mes chers amis Ghazi, Wassef A tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce travail. Merci infiniment.

Mohamed

ii

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Remerciements Nous exprimons notre profonde reconnaissance à Monsieur Adel Hentati, le directeur de production, pour avoir dirigé ce stage de fin d’étude. Ses conseils et ses critiques nous ont aidées à améliorer la qualité du travail. Nous avons l’honneur également de remercier Monsieur Khaled Triki qui nous a aidé et soutenu pendant toute la période du stage. Nos remerciements vont bien sûr aussi à Messieurs Mohamed Khlif, Tarak Damak pour leurs aides précieuses tout au long de l’élaboration de ce travail. Nos remerciements s’adressent également à tous les membres du jury pour l’honneur qu’ils nous ont octroyé par le fait d’avoir assisté à notre soutenance et d’avoir pris la peine de juger notre modeste travail. …….Enfin, nos gratitudes s’adressent à tous ceux qui, de près ou de loin, nous ont aidés à bien mener ce stage. Rania, Mohamed

iii

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

SOMMAIRE Introduction générale.............................................................................................................................. 1 Cahier de charge...................................................................................................................................... 3 Chapitre 1 : Etude bibliographique ......................................................................................................... 5 1

Introduction :................................................................................................................................... 6

2

Présentation de l’entreprise :.......................................................................................................... 6

3

2.1

Organigramme de la société : .................................................................................................. 8

2.2

Les activités de la société : ...................................................................................................... 9

2.3

Qualification : ........................................................................................................................ 10

Les concepts de bases ................................................................................................................... 10 3.1

3.1.1

Système de positionnement de la bride :...................................................................... 11

3.1.2

Système de déplacement : ............................................................................................ 11

3.1.3

Système de soudage : .................................................................................................... 12

3.2

Définition du procédé de soudage : ...................................................................................... 12

3.3

Soudage à l’arc électrique MIG/MAG : ................................................................................ 13

3.4

Les différents systèmes de transmissions : ........................................................................... 14

3.4.1

Système à engrenage : .................................................................................................. 14

3.4.2

Système à pignon et crémaillère : ................................................................................. 15

3.5

Vérins pneumatiques : .......................................................................................................... 16

3.6

Les moteurs : ......................................................................................................................... 17

3.6.1

Moteur pas à pas : ......................................................................................................... 17

3.6.2

Moteur asynchrone : ..................................................................................................... 17

3.7

4

Diagnostic de l’existant : ....................................................................................................... 10

Les capteurs : ......................................................................................................................... 18

3.7.1

Les détecteurs de position : .......................................................................................... 19

3.7.2

Les codeurs : .................................................................................................................. 19

3.8

Variateurs de vitesse : ........................................................................................................... 20

3.9

Exemple de machines de soudure existante : ....................................................................... 20

Conclusion : ................................................................................................................................... 23

Chapitre 2 : Etude et conception........................................................................................................... 24 1

Introduction :................................................................................................................................. 25

2

Problématique ............................................................................................................................... 25

3

Analyse fonctionnelle : .................................................................................................................. 26 3.1

Modélisation A-0 : ................................................................................................................. 26

3.2

Modélisation A0 : .................................................................................................................. 27 iv

Etude et conception d’une machine de soudure

4

Chaari & Boukhris

3.3

Modélisation A2 : .................................................................................................................. 28

3.4

Modélisation A3 : .................................................................................................................. 29

Solutions proposées : .................................................................................................................... 29 4.1

Première solution : système avec réducteur et tige de guidage ........................................... 30

4.1.1

Description : .................................................................................................................. 30

4.1.2

Avantages : .................................................................................................................... 31

4.1.3

Inconvénients : .............................................................................................................. 31

4.2

Deuxième solution : système à vérin électrique ................................................................... 32

4.2.1

Description : .................................................................................................................. 32

4.2.2

Avantages : .................................................................................................................... 33

4.2.3

Inconvénients : .............................................................................................................. 33

4.3

Troisième solution : système à vérin hydraulique ou pneumatique : ................................... 33

4.3.1

Description : .................................................................................................................. 33

4.3.2

Avantages et inconvénients pour le cas d’un vérin hydraulique et pneumatique :...... 34

4.4

4.3.2.1

Cas d’un vérin hydraulique : ...................................................................................... 34

4.3.2.2

Cas d’un vérin pneumatique : ................................................................................... 34

Quatrième solution : système à moteur pas à pas................................................................ 35

4.4.1

Description : .................................................................................................................. 35

4.4.2

Avantages : .................................................................................................................... 36

4.4.3

Inconvénients : .............................................................................................................. 36

4.5

Cinquième solution : système à roue-vis sans fin ................................................................. 36

4.5.1

Description : .................................................................................................................. 36

4.5.2

Avantages : .................................................................................................................... 37

4.5.3

Inconvénients : .............................................................................................................. 37

5

Solution retenue : .......................................................................................................................... 38

6

Conclusion : ................................................................................................................................... 38

Chapitre3 : calcul et dimensionnement ................................................................................................ 39 1

Introduction :................................................................................................................................. 40

2

Dimensionnement de la solution retenue : .................................................................................. 40 2.1

Choix du moteur pas à pas : .................................................................................................. 40

2.1.1

Calcul du nombre de dents du demi-disque denté et du pignon :................................ 41

2.1.2

Calcul du couple du moteur pas à pas :......................................................................... 42

2.1.3

Vérification du module de l’engrenage : ....................................................................... 47

2.1.4

Choix du moteur pas à pas : .......................................................................................... 48

2.2

Vérification de la résistance des différents organes fonctionnels : ...................................... 48

2.2.1

Vérification de la résistance de l’axe d’articulation : .................................................... 49 v

Etude et conception d’une machine de soudure

3

4

Chaari & Boukhris

2.2.2

Etude de cisaillement sur les vis de fixation du palier d’articulation : .......................... 54

2.2.3

Etude de cisaillement sur les vis du plateau principal :................................................. 56

2.3

Choix des coussinets :............................................................................................................ 58

2.4

Simulation par éléments finis : .............................................................................................. 59

2.4.1

Simulation de l’axe d’articulation:................................................................................. 60

2.4.2

Simulation du bras du plateau articulé: ........................................................................ 62

Etude du système de support des tubes : ..................................................................................... 65 3.1

Dimensionnement des vérins de support des tubes : ........................................................... 65

3.2

Etude de cisaillement sur les vis des supports des deux vérins : .......................................... 67

Etude du système d’entrainement en translation : ...................................................................... 68 4.1

Dimensionnement des galets : .............................................................................................. 69

4.2

Choix du moteur asynchrone : .............................................................................................. 70

4.2.1

Calcul de la force de poussée du chariot :..................................................................... 70

4.2.2 Détermination de la puissance minimale nécessaire pour l’entrainement en translation : ................................................................................................................................... 72 4.3 5

Etude du système d’entrainement en rotation : ........................................................................... 73 5.1

Choix du moteur asynchrone : .............................................................................................. 74

5.1.1

Calcul du couple du moteur asynchrone : ..................................................................... 74

5.1.2

Calcul de la puissance du moteur asynchrone : ............................................................ 79

5.2

6

Choix du vérin contre pointe : ............................................................................................... 73

Etude de l’arbre de transmission : ........................................................................................ 80

5.2.1

Dimensionnement de l’arbre de transmission : ............................................................ 80

5.2.2

Dimensionnement de la clavette de l’arbre de transmission : ..................................... 81

5.2.3

Choix des roulements : .................................................................................................. 84

5.2.4

Calcul de la durée de vie des deux roulements : ........................................................... 85

5.2.5

Choix des roulements .................................................................................................... 86

Conclusion : ................................................................................................................................... 86

Chapitre 4 : Partie électrique ................................................................................................................ 87 1

Introduction :................................................................................................................................. 88

2

Automatisation et commande de la machine de soudure : .......................................................... 88 2.1

Programmation de la machine de soudure : ......................................................................... 89

2.1.1

Grafcet de point de vue système : ................................................................................ 89

2.1.2

Grafcet de point de vue partie opérative : .................................................................... 91

2.1.3

Grafcet de point de vue partie commande : ................................................................. 93

2.2

Choix de l’automate programmable industrielle : ................................................................ 95

2.3

Etude de la commande du moteur pas à pas : ...................................................................... 98

vi

Etude et conception d’une machine de soudure

2.3.1

Les composantes du schéma de commande du moteur pas à pas : ............................. 99

2.3.1.1

Système de pilotage du moteur pas à pas : .............................................................. 99

2.3.1.2

Alimentation : ............................................................................................................ 99

2.3.1.3

Interface entrée afficheur : ..................................................................................... 100

2.3.2 3

Chaari & Boukhris

Schéma de câblage du moteur pas à pas : .................................................................. 101

Etude et conception de l’armoire électrique de la machine de soudure :.................................. 101 3.1

Dimensionnement des différents composants de l’armoire électrique : ........................... 102

3.1.1

Bilan de puissance de l’installation électrique étudiée : ............................................. 102

3.1.1.1 Calcul préliminaire pour le choix des composantes de protection du moteur de rotation : 102 3.1.1.2 Calcul préliminaire pour le choix des composantes de protection du moteur de déplacement :.......................................................................................................................... 102 3.1.1.3 Calcul nécessaire pour le choix des composantes de protection de l’installation électrique :............................................................................................................................... 102 Nous présentons ci-après le choix des différents éléments de l’installation électrique ........ 104 3.1.1.4

Choix des disjoncteurs : ........................................................................................... 104

3.1.1.5

Choix de l’alimentation stabilisée : ......................................................................... 104

3.1.1.6

Schéma de liaison à la terre de la société : ............................................................. 105

3.1.2 3.2

Schémas de câblages électriques et pneumatiques :.......................................................... 109

3.2.1

Schémas électriques : .................................................................................................. 109

3.2.1.1

Schéma de puissance : ............................................................................................ 109

3.2.1.2

Schéma de commande : .......................................................................................... 109

3.2.1.3

Schémas de câblages des différents vérins électriques : ........................................ 110

3.2.1.4

Schéma des entrées/sorties de l’automate : .......................................................... 113

3.2.2 4

Partie puissance de l’armoire électrique : ................................................................... 106

Schémas pneumatiques : ............................................................................................ 114

Conclusion : ................................................................................................................................. 116

Chapitre 5 : Etude technico-économique ........................................................................................... 117 1

Introduction :............................................................................................................................... 118

2

Cout total de la machine : ........................................................................................................... 118

3

2.1

Cout de la matière première : ............................................................................................. 118

2.2

Cout des composants standards et des accessoires : ......................................................... 118

2.3

Cout de la main d’œuvre : ................................................................................................... 122

Conclusion : ................................................................................................................................. 122

Conclusion ........................................................................................................................................... 123

vii

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Liste des figures Figure 1. La société MIG .......................................................................................................................... 6 Figure 2. Organigramme de la société .................................................................................................... 8 Figure 3. Citerne des Semi-remorques ..................................................................................................... 9 Figure 4. Réservoir de stockage d'acide .................................................................................................. 9 Figure 5. Pylône auto-stable tubulaire .................................................................................................. 10 Figure 6. Plateau benne sur camion ..................................................................................................... 10 Figure 7. Gabarit.................................................................................................................................... 11 Figure 8. Poupée mobile ........................................................................................................................ 11 Figure 9. Torche de soudure .................................................................................................................. 12 Figure 10. Schéma de transfert de métal .............................................................................................. 13 Figure 11. Principe de manipulation de la torche.................................................................................. 14 Figure 12. Engrenage avec deux roues dentées .................................................................................... 15 Figure 13. Engrenage avec pignon et crémaillère ................................................................................. 15 Figure 14. Vérins pneumatiques ............................................................................................................ 16 Figure 15. Moteur pas à pas .................................................................................................................. 17 Figure 16. Moteur asynchrone .............................................................................................................. 18 Figure 17. Principe des capteurs ............................................................................................................ 18 Figure 18. Les détecteurs de position [19] ............................................................................................. 19 Figure 19. Principe du codeur incrémental ............................................................................................ 20 Figure 20. Table rotative de soudage .................................................................................................... 21 Figure 21. Machine de soudage pour pylônes à angle droit ................................................................. 22 Figure 22. Poste à souder de bride de long tuyau ................................................................................. 22 Figure 23. Machine de soudure automatique ....................................................................................... 23 Figure 24. Solution existante de variation d'angle ................................................................................ 25 Figure 25. S.A.D.T A-0 ............................................................................................................................ 26 Figure 26. S.A.D.T A0 ............................................................................................................................ 27 Figure 27. S.A.D.T A1 ............................................................................................................................. 28 Figure 28. S.A.D.T A3 ............................................................................................................................. 29 Figure 29. Solution avec système réducteur et tige de guidage ............................................................ 30 Figure 30. Solution à vérin électrique .................................................................................................... 32 Figure 31. Solution à vérin pneumatique ou hydraulique ..................................................................... 33 Figure 32. Solution à moteur pas à pas ................................................................................................. 35 Figure 33. Solution à roue -vis sans fin .................................................................................................. 36 Figure 34. Solution à moteur pas à pas ................................................................................................. 38 Figure 35. Les composantes de la solution d’étude ............................................................................... 41 Figure 36. Système pour articulation du plateau .................................................................................. 49 Figure 37. Représentation du phénomène de flexion sur la poutre ...................................................... 49 Figure 38. Modélisation de la flèche ..................................................................................................... 52 Figure 39. Phénomène de cisaillement d’axe d’articulation.................................................................. 53 Figure 40. Modélisation de l'effort tranchant ....................................................................................... 54 Figure 41. Charge à entrainer en rotation et sa fixation sur le plateau articulé ................................... 55 Figure 42. Charge à entrainer en rotation et sa fixation sur le plateau principal ................................. 56 Figure 43. Répartition des champs de contrainte ................................................................................. 60 Figure 44. Répartition des champs de déplacement ............................................................................. 61 Figure 45. Répartition des champs de déformation .............................................................................. 62

viii

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Figure 46. Répartition des champs de contrainte ................................................................................. 63 Figure 47. Répartition des champs de déplacement ............................................................................. 64 Figure 48. Répartition des champs de déformation .............................................................................. 64 Figure 49. Vérins de support des tubes ................................................................................................. 65 Figure 50. Vue en coupe du vérin pneumatique .................................................................................... 66 Figure 51. Système de positionnement des tubes ................................................................................. 67 Figure 52. Poupée mobile de la machine de soudure ............................................................................ 69 Figure 53. Galet isolé ............................................................................................................................. 70 Figure 54. Vérin contre pointe ............................................................................................................... 73 Figure 55. Charge à entrainer en rotation par le moteur asynchrone .................................................. 74 Figure 56. Ensemble à entrainer en rotation ......................................................................................... 78 Figure 57. Coupe transversale du tube .................................................................................................. 78 Figure 58. Arbre claveté ........................................................................................................................ 81 Figure 59. Efforts appliqués sur l'arbre de transmission ....................................................................... 84 Figure 60. Système de soudage ............................................................................................................. 88 Figure 61. Grafcet de point de vue système .......................................................................................... 90 Figure 62. Grafcet de point de vue partie opérative ............................................................................. 92 Figure 63. Grafcet de point de vue partie commande ........................................................................... 94 Figure 64. Automate programmable type SIEMENS S7-300 ................................................................. 96 Figure 65. Système de pilotage du moteur pas à pas............................................................................ 99 Figure 66. Les différentes configurations de connexion du driver ......................................................... 99 Figure 67. Power supply ...................................................................................................................... 100 Figure 68. Interface entrée afficheur ................................................................................................... 100 Figure 69. Schéma de commande du moteur pas à pas...................................................................... 101 Figure 70. Schéma de principe d’une alimentation 24V DC ................................................................ 104 Figure 71. Régime de liaison à la terre TN-S........................................................................................ 106 Figure 72. Éléments de protection du circuit de puissance ................................................................. 107 Figure 73. Circuit de puissance ............................................................................................................ 109 Figure 74. Circuit de commande des deux moteurs asynchrones ....................................................... 110 Figure 75. Circuit de commande du vérin électrique horizontal gauche ............................................. 110 Figure 76. Circuit de commande du vérin électrique horizontal droite ............................................... 111 Figure 77. Circuit de commande du vérin électrique vertical gauche ................................................. 112 Figure 78. Circuit de commande du vérin électrique vertical droite.................................................... 112 Figure 79. Les entrées accordées à l’automate ................................................................................... 113 Figure 80. Les sorties accordées à l’automate .................................................................................... 114 Figure 81. Bloc pneumatique d’entré d’air sous pression.................................................................... 115 Figure 82. Schéma de câblage des trois vérins pneumatiques ............................................................ 116

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Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Liste des tableaux Tableau 1. Les activités de la société ....................................................................................................... 9 Tableau 2. Nomenclature de la 1ère solution........................................................................................ 30 Tableau 3. Nomenclature de la 2ème solution ...................................................................................... 32 Tableau 4. Nomenclature de la 3ème solution ..................................................................................... 34 Tableau 5. Nomenclature de la 2ème solution ...................................................................................... 35 Tableau 6. Nomenclature de la 5ème solution ..................................................................................... 37 Tableau 7. Caractéristique des roulements ........................................................................................... 86 Tableau 8. Caractéristique de la butée .................................................................................................. 86 Tableau 9. Actionneur de la tourelle de soudure................................................................................... 89 Tableau 10. Caractéristique des trois CPU de l’automate S7-300 ......................................................... 95 Tableau 11. Adressage des entrées de l'automate................................................................................ 96 Tableau 12. Adressage des sorties de l'automate ................................................................................. 97 Tableau 13. Adressage de la partie manuelle ....................................................................................... 98 Tableau 14. Calcul de la puissance nominale de chaque moteur ........................................................ 103 Tableau 15. Consommation en énergie électrique des différents composants électrique .................. 105 Tableau 16. Les différents composants à implanter dans l’armoire électrique................................... 108 Tableau 17. Nomenclature du schéma de vérin électrique ................................................................. 111 Tableau 18. Nomenclature du schéma du bloc pneumatique ............................................................. 115 Tableau 19. Cout total de la matière première ................................................................................... 118 Tableau 20. Cout total des composantes mécaniques ........................................................................ 119 Tableau 21. Cout total des composantes électriques .......................................................................... 120

x

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

AVANT PROPOS Notre travail est élaboré dans le cadre d’un projet de fin d’étude en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur en génie électromécanique de l’Ecole Nationale d’Ingénieus de Sfax (ENIS). Notre objectif est de concevoir une machine de soudure de pylônes de télécommunication. L’apport de notre travail consiste en l’automatisation de la mise en œuvre de l’angle de déviation du plateau sur lequel la bride doit être fixée. Une bonne conception est le résultat d’un bon dimensionnement des différents éléments constituant la machine. Donc il faut mettre en relief les deux corps principaux suivant : -

Dimensionnement des différents éléments de la machine de soudure.

-

Dimensionnement des différents éléments constituant l’armoire, le système de commande de la machine.

xi

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Introduction générale L’automatisation, des tâches ou des processus, est devenue inévitable pour les entreprises dans le domaine industriel. Ceci permet d’augmenter la productivité du travail, de garantir une meilleure qualité et de tendre vers le zéro risque en termes de sécurité par la considération de toutes les mesures sécuritaires au travail. Ainsi, dans ce contexte et suite à la demande excessive sur les pylônes de télécommunication, les responsables de la société Mediterranean Industrial Group ‘MIG’ envisagent la réalisation d’une machine de soudure de pylône de télécommunication avec un positionneur automatique de soudure tube avec bride. Ils souhaitent, par cette réalisation, étendre les fonctionnalités de la machine existante et produire une nouvelle machine de soudure, afin de mieux répondre aux besoins de ses clients. C’est dans ce cadre que se déroule notre présent travail. Les machines existantes dans le marché sont équipées d’un plateau dont l’angle de déviation est assuré par des gabarits, chacun d’eux à son propre angle. Alors, pour accéder à l’angle voulu, un changement de gabarit se fait de façon manuelle. Par conséquent, notre projet sera consacrer surtout à rendre le système de variation d’angle automatique. Des solutions seront proposées et le critère de choix sera basé sur l’augmentation de la cadence journalière de production, la précision d’obtention de l’angle du plateau et par suite des pylônes, la qualité de soudage sans oublier le cout qui doit être le minimum possible. Ce rapport est scindé en quatre chapitres : Le premier chapitre se compose de deux parties. La première sera réservée à la présentation de la société accueillante MIG, sa structure et son activité. Tandis que la deuxième comporte une partie de recherche bibliographique concernant l’étude des composantes de la machine à mettre en œuvre. Le deuxième chapitre se concentre sur la proposition de solutions technologiques et sur le choix de la solution optimale tout en tenant compte de certaines contraintes financière et de fonctionnement.

1

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Le troisième chapitre détaille les calculs nécessaires contribuant au dimensionnement des différentes pièces de la machine afin de réaliser un dossier technique obéissant aux normes. Le dernier chapitre est dédié à la partie électrique dans laquelle nous présentons le calcul approprié permettant de choisir les différents éléments de l’armoire d’électrique de commande, le grafcet de la machine de soudure et aussi les schémas de câblages de l’installation. Une conclusion générale achèvera ce rapport. Nous présenterons la solution finale dans un dossier technique comportant le dessin d’ensemble de la machine, les différents sous-systèmes de la machine ainsi que les dessins de définition des différentes pièces.

2

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Cahier de charge Titre de projet : Etude et conception d’un positionneur de soudure bride avec tube pour pylône de télécommunication. Promoteur du projet : (société accueillante) La société MIG (mediterranean industrial group) Objectif : Le but de ce projet consiste à augmenter la cadence journalière de production de pylônes de télécommunication et à améliorer les conditions de travail. Procédé : Soudage MIG/MAG. Caractéristiques : 







cas des tubes utilisés pour la fabrication des pylônes : -

diamètre maximum : 355 mm

-

diamètre minimum : 89 mm

-

longueur maximale : 6015 mm

-

épaisseur maximale : 8 mm

cas des brides : -

diamètre maximum : 605 mm

-

diamètre minimum : 175 mm

-

épaisseur maximale : 40 mm

cas de fil de soudure : -

diamètre : 1,2 mm

-

Acier S235JR

Matériaux :

3

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Chapitre 1 : Etude bibliographique

5

Etude et conception d’une machine de soudure

1

Chaari & Boukhris

Introduction :

Ce premier chapitre présente d’une part une présentation de la société « MIG », son organigramme et ses activités, et d’autre part une étude bibliographique concernant la machine existante, les éléments d’automatisation et le procédé de soudage MIG/MAG.

2

Présentation de l’entreprise :

La société Méditerranean Industrial group ‘MIG’ (CF Figure 1) a été créée en 1981 par son promoteur M MOHAMED LOUKIL.

Figure 1. La société MIG Elle fournit de nombreuses activités. En effet, elle est spécialisée dans la fabrication du matériel agricole et agroalimentaire. Elle est classée parmi les meilleures sociétés dans la conception, fabrication et installation des projets et ouvrages dans les domaines pétroliers, industriels et même dans les secteurs des cimenteries et des télécommunications. De plus, MIG s’est consacrée dans la conception, la fabrication et l´installation des réservoirs, des bacs de stockage, des appareils à pression, du matériel industriel, des divers ouvrages de tuyauteries, ainsi que du matériel de transport ferroviaire et routier. Depuis quelques années, MIG a continué à développer son activité à l’étranger. Ce qui se manifeste par une augmentation de 30 à 50 % de son chiffre d’affaire à l’export. Concernant l’infrastructure, la société MIG possède une superficie totale égale à 80000 m² dont 14500 m² couverts et 25000 m² terrassement ce qui lui favorise une grande capacité de production et de stockage.

6

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Chaari & Boukhris

L’effectif actuel, englobant toutes les catégories, est de l’ordre de 323 salariés qualifiés composé de : - 14 ingénieurs. - 39 Techniciens supérieurs - 15 cadres administratifs - 255 pour la maîtrise et l’exécution. MIG à un taux d’encadrement supérieur à 16,4%, elle est considérée comme l’une des entreprises, de son secteur, les mieux investis en cadre.

Fiche d’identité : –Raison social : MIG – Forme juridique : Société anonyme. – Adresse : Route de Mahdia km10-3054 Sfax – Tél/Fax : (+216) 74 831 666 / (+216) 74 831 655. – E-mail : [email protected]

7

8

Figure 2. Organigramme de la société de qualité

Contrôleur

Managemen

Livraison

Gestion de

stock

Gestion de

Entretien &

Entretien &

Service

centrale

Direction

Transit Service

d’achat

Direction

de

Direction

R.H.

financière

Service

comptabil

export

n Service

Facturatio

Chiffrage

commerci financière

Direction

Direction Direction

Service informatique

de gestion

Direction de contrôle

Transit Service

Service

logistique

de qualité

de

Resp.

Direction de

Direction

Direction

d’ordre &

Bureau

Moncef Zaouali

2.1

DGA

Bassem Loukil

PDG Etude et conception d’une machine de soudure Chaari & Boukhris

Organigramme de la société :

Etude et conception d’une machine de soudure

2.2

Chaari & Boukhris

Les activités de la société :

Ci-joint, un tableau qui présente quelques activités pour les différents secteurs. (CF Tableau 1)

Tableau 1. Les activités de la société

secteurs Pétrolier Chaudronnerie constructions métalliques Ferroviaire

activités Réservoirs stockage et Structures métalliques

de Séparateurs et appareils à Tuyauterie pression pipeline Centrales électriques cimenterie

et

Réfection de wagons Matériels roulants Equipement de chantier télécommunication Pylônes autostables tubulaire Energie Panneaux renouvelable solaires

entretoise

Poteaux caténaires

Matériels aéroportuaires

Bennes des semiremorques Mats tubulaires

Agricole environnement

offset Semi-remorque à boue

Charrue à socs Semi-remorque citerne vide fosse

shelters Equipements éoliennes

déchaumeuse Semi-remorque à ordure ménagère

Ces activités sont bien illustrées par quelques photos pour quelques secteurs cités ci-dessus : -

Pour le secteur d’environnement, il y a la construction des citernes des semi-remorques (CF Figure 3). Aussi, on cite la fabrication des réservoirs de stockage d’acide à utilisation pétrolière (CF Figure 4).

Figure 4. 3. Citerne des Semi-remorques

Figure 4. Réservoir de stockage d'acide

9

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-

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On cite également les pylônes auto-stables tubulaires pour le domaine de télécommunication que la société s’est concentré à leur fabrication récemment (CF figure 5), et les plateaux bennes sur camion pour le secteur des matériels roulants

(CF.Figure 6).

Figure 6. Plateau benne sur camion

Figure 5. Pylône auto-stable tubulaire 2.3

Qualification :

La société MIG est certifiée en ISO 9001 en 1998, ce qui l’a permis de renforcer sa stratégie de management. Elle a obtenu également le certificat en « ASME U stamp ». De ce fait, elle est devenu capable de concevoir et fabriquer en atelier et éventuellement sur chantier les appareils à pression selon le code ASME VIII div 1 et de conquérir de nouveaux marchés dans les domaines de la production de pétrole et de gaz et des centrales électriques.

3 3.1

Les concepts de bases Diagnostic de l’existant :

Dans cette partie, nous nous focalisons sur la présentation de la machine existante dans l’atelier de soudure de la société MIG, nommée « tourelle de soudure ». Cette dernière est destinée à la soudure des pylônes auto-stable tubulaire. Elle comporte trois systèmes principaux :

10

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3.1.1 Système de positionnement de la bride : Ce système est manuel, l’ouvrier réalise le positionnement des brides qui présentent un angle aigu lors du soudage avec le tube. Ce positionnement est effectué par des gabarits (CF Figure 7).

Figure 7. Gabarit 3.1.2 Système de déplacement : Ce système a pour rôle de déplacer la poupée mobile à la distance nécessaire qui correspond à la longueur du pylône. Cette tâche est effectuée par un monte-charge.

Figure 8. Poupée mobile

11

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3.1.3 Système de soudage : L’opération de soudure des deux brides avec leur tube est une opération semi-automatique. En fait, le déplacement de la torche à l’endroit de soudure est effectué par deux vérins pneumatiques. Tout au long de l’opération de soudage, l’opérateur doit être présent pour veiller à préserver l’endroit de soudure Fixe (CF Figure 9).

Figure 9. Torche de soudure 3.2

Définition du procédé de soudage :

Le soudage est un procédé d’assemblage permanent de deux ou plusieurs parties, afin d'en assurer la continuité. Cette continuité est assurée soit par chauffage (avec l’emploi ou non d’un métal d’apport), soit par intervention de pression, ou par le matériau de base. L’assemblage des métaux par fusion se fait en utilisant l’énergie électrique qui est fournie par un générateur de courant de soudage. Celui-ci, Selon le procédé et les travaux à réaliser, va donner une certaine intensité de soudage (4 A à 500 A en soudage manuel) et une certaine tension d’arc (10 V à 40 V). [1] Pour obtenir le courant de soudage, un transformateur doit abaisser le courant d’alimentation primaire (qui est de 230v ou 400v), puis, à travers un redresseur, on va récupérer un courant continu nécessaire pour le soudage.

12

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Le procédé de soudage peut s’appliquer aux métaux, aux céramiques ainsi qu’aux plastiques. Dans ce travail, la partie qui nous intéresse est la partie des métaux.

3.3

Soudage à l’arc électrique MIG/MAG :

De nos jours, le procédé de soudage MIG/MAG est le plus utilisé industriellement, en concurrence avec le soudage à l'arc avec électrode enrobée .Il garantit une meilleure productivité en réduisant les temps d'arrêt pour changer d'électrode. [2] Ce procédé de soudage est dit semi-automatique, car il est obtenu par la fusion des métaux par un arc électrique sous protection gazeuse. L’électrode est fusible et sert de métal d’apport. Il y a protection du bain de fusion et du métal chaud par une enveloppe de gaz inerte (MIG) ou actif (MAG) comme l’illustre la figure 10.

Figure 10. Schéma de transfert de métal Pour s’assurer d’une bonne soudure, certaines conditions doivent être satisfaites : -Une bonne préparation des pièces : Les pièces à souder doivent être bien meulées, ébarbées et dégraissées afin que le bain de fusion se fait correctement et la soudure tienne dans le temps. -Une bonne protection gazeuse : Il faut isoler le bain de fusion de l’air ambiant, car, ce dernier affecte la forme de soudure, le niveau de pénétration, la vitesse de soudage et aussi les caractéristiques mécaniques et métallurgiques du bain de fusion.

13

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Par conséquent, avant de commencer la soudure, il est nécessaire de vérifier le contenu de la bouteille de gaz (Par exemple, pour les métaux ferreux, on utilise l’argon avec le CO2), s’assurer de la présence de gaz en bout de la torche sans oublier les réglages nécessaires sur le poste (tension d’arc, vitesse d’avance de fil,…). -Manipulation de la torche : Il existe deux manières de manipuler la torche, soit en la poussant soit en la tirant. Mais, certaines conditions doivent être conservées (CF Figure 11) : 

Angle de torche (20°).



Vitesse de soudage.



Distance tube contact-pièce/ pièce (5mm < d < 10mm).

Figure 11. Principe de manipulation de la torche

3.4

Les différents systèmes de transmissions :

3.4.1 Système à engrenage : La fonction globale d’un engrenage est de transmettre un mouvement de rotation par obstacles en changeant ses caractéristiques. En fait, c’est un système mécanique composés de deux roues dentées engrenés et mobiles autour d’axes de position relative invariable.

14

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Figure 12. Engrenage avec deux roues dentées La petite roue de l’engrenage est nommée pignon, alors que l’autre peut être soit une roue, une couronne, une vis ou encore une crémaillère. [3] 3.4.2 Système à pignon et crémaillère : Les entraînements pignon-crémaillère (CF Figure 13) sont des actionneurs linéaires qui combinent un système pignon-crémaillère avec un moteur. Ce dernier peut être soit de type asynchrone soit de type pas à pas. Ce système permet de transformer le mouvement de rotation du pignon en un mouvement de translation de la crémaillère ou vice versa. [4]

Figure 13. Engrenage avec pignon et crémaillère 

Avantages :

-pas de phénomène de glissement lors de la transformation de mouvement. -la force de ce système est relativement grande. - système réversible.

15

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

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Inconvénients :

-les engrenages qui sont utilisés peuvent nécessiter une lubrification importante. -ce mécanisme nécessite un ajustement précis à cause des dents entre la roue et la crémaillère. -il y a beaucoup d’usure. 3.5

Vérins pneumatiques :

Un vérin pneumatique est un actionneur qui permet de transformer l’énergie de l’air comprimé en un travail mécanique capable d’obtenir des mouvements dans un sens puis dans l’autre. Ils utilisent de l’air comprimé, de 2 à 10 bars et ils sont très nombreux dans les systèmes automatisés. [5]

Figure 14. Vérins pneumatiques -Avantages: 

Facilité de la transmission de puissance sur de longues distances



Réalisme des constructions.



Bonne force mécanique.



Bonne rigidité (résistance à la flexion et au flambage).



Arrêt de la tige lorsque les butées sont atteintes.



Douceur de pilotage de la vitesse d'action, en agissant sur l'angle d'ouverture du sélecteur.



Simplicité de mise en œuvre.

16

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-Inconvénients : 

Peu précis (surtout si le pilotage s'effectue par un robot ou à longue distance).



Le contrôle automatique des vérins est difficile.



Le bras actionné par un vérin retombe si la pression se retire. Cela paraît anodin, mais ça peut poser problème.



3.6 3.6.1

Les tuyaux peuvent sauter sous une trop grande pression.

Les moteurs : Moteur pas à pas :

Le moteur pas à pas est un moteur qui est alimenté en courant continu dont l’axe tourne par pas. En fonction du moteur, le pas peut être compris entre 0.5° et 90°. C’est pour cela, Ce type de moteurs est dédié pour une utilisation en cas de positionnement angulaire précis (CF Figure 15). Le principe de fonctionnement d’un moteur pas à pas consiste à faire modifier la direction du champ magnétique créé par les bobinages du stator pour orienter le rotor à la position nécessaire. En terme de pilotage, on est conçu à ajouter un étage de puissance vu que la puissance du microcontrôleur n’est pas suffisante pour l’alimenter. [6]

Figure 15. Moteur pas à pas 3.6.2

Moteur asynchrone :

Le moteur asynchrone est utilisé quand on dispose d'une source d'alimentation alternative (réseau triphasé ou monophasé).

17

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Il est très utilisé dans l'industrie grâce à sa capacité d’offrir une grande puissance qui peut aller jusqu’à plusieurs dizaines de Méga Watt. Le moteur asynchrone est caractérisé par sa réversibilité qu’on peut l’utiliser soit en réinjectant l’énergie dans le réseau, soit pour l’obtention d’un couple de freinage.

Figure 16. Moteur asynchrone

3.7

Les capteurs :

Les capteurs sont des composants de la chaîne d'acquisition dans une chaîne fonctionnelle. Ils ont pour fonction de prélever une information sur le comportement de la partie opérative et la transformer en une information exploitable par la partie commande. Autrement dit, les capteurs transforment une grandeur physique en une grandeur normée (généralement de nature électrique ou pneumatique) qui peut être interprétée par un dispositif de contrôle/commande.

Figure 17. Principe des capteurs

18

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3.7.1 Les détecteurs de position : Les détecteurs de position produisent une information de type tout ou rien qui peut être électrique ou pneumatique par exemple. Ces capteurs peuvent être équipés d'un galet, d'une tige souple ou d'une bille : c’est pour cela, ils sont nommés aussi des capteurs de contact (CF Figure 18). [7]

Figure 18. Les détecteurs de position [19] 3.7.2 Les codeurs : Les codeurs rotatifs sont des capteurs de positionnement angulaire. Le disque du codeur est solidaire de l'arbre tournant du système à contrôler. Parmi les codeurs rotatifs, on trouve Les codeurs incrémentaux. -Principe d’un codeur incrémental : [8] Le codeur incrémental est divisé en ‘X’ fentes régulièrement réparti sur sa périphérie, c’est-àdire, il comporte une succession de zones opaques et transparentes. Si un faisceau lumineux, qui est envoyé vers une diode photosensible, est coupé, alors, le capteur envoie un signal qui permet de connaitre la variation de la position de l’arbre. Un deuxième faisceau lumineux peut être utilisé dans le but de connaitre le sens de rotation du codeur. Ce faisceau doit être décalé par rapport au précédent et le premier signal qui va être envoyé parmi eux indiquera le sens de rotation (CF Figure 19).

19

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Figure 19. Principe du codeur incrémental 3.8

Variateurs de vitesse :

Un variateur de vitesse est un dispositif électronique destiné à régler la vitesse et le moment d'un moteur électrique à courant alternatif tout en variant la fréquence et la tension, respectivement le courant, délivré à la sortie de celui-ci. En fait, la régulation de vitesse est une nécessité pour de nombreux procédés industriels. En effet, la plupart des moteurs tournent à vitesse constante. Pour moduler la vitesse des équipements de procédé, on a longtemps eu recours à divers dispositifs mécaniques. Aujourd’hui, on fait surtout appel à des variateurs de vitesse électroniques. [9]

3.9

Exemple de machines de soudure existante :

Afin de bien étudier et concevoir le système positionneur de soudage pour pylônes de télécommunication, une recherche des différents mécanismes de soudure déjà existant s’avère nécessaire. Parmi les mécanismes que nous proposons d’étudier, nous citons :

20

Etude et conception d’une machine de soudure

-

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Table rotative de soudage :

La table rotative de soudage (CF Figure 20-a-) est destinée au positionnement des brides à des inclinaisons pouvant aller jusqu’à 120°. L’opération de soudage par cette table tournante peut être soit manuelle ou bien robotisée. L’avantage de la machine de la figure (CF Figure 20-b-) est embarque un système capable de soulever ou d’abaisser la pièce à souder. Aussi, la soudure peut être effectuée pour n’importe quelle forme de pièces.

-a-

-b-

Figure 20. Table rotative de soudage -

Machine de soudure des brides avec leur tube

La machine à soudure suivante (CF Figure 21) permet d’assurer le soudage des brides avec leur tube. Ces brides sont montées et fixées sur deux mandrins. Cette machine est dédiée seulement pour un soudage à angle droit et soit manuellement soit automatiquement avec un robot.

21

Etude et conception d’une machine de soudure

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Figure 21. Machine de soudage pour pylônes à angle droit -

Poste à souder de bride de long tuyau :

Ce type de machine (CF Figure 22) est utilisable pour le soudage des brides avec de longs tubes en utilisant une potence de soudure glissante sur des rails et commandé par un programme automatique.

Figure 22. Poste à souder de bride de long tuyau

22

Etude et conception d’une machine de soudure

-

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Machine de soudage des pylônes de télécommunication :

Cette machine (CF Figure 23) est destinée pour le soudage automatique des pylônes de télécommunication. Elle se caractérise par la possibilité de faire le soudage pour poteaux en simple coquille ainsi que l’accouplement et le soudage des poteaux composés par deux coquilles de façon simultanée.

Figure 23. Machine de soudure automatique 4

Conclusion :

Dans ce chapitre, nous avons présenté les différents systèmes et éléments (composants) que nous pouvons utiliser et se référer dans la mise en place de notre proposition. Nous avons également exposé une variété de machines envisageable dans différents types d’opérations de soudure. Cette étude nous a servi à acquérir une idée sur l’existant dans le marché et mener une étude conceptuelle approfondie. Dans le chapitre suivant, nous montrons différentes solutions et nous démontrons notre choix pour la proposition la plus optimale ; celle qui répond le mieux aux besoins exigés par la société en terme de coût de rentabilité et de fonctionnalités.

23

Etude et conception d’une machine de soudure

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Chapitre 2 : Etude et conception

24

Etude et conception d’une machine de soudure

1

Chaari & Boukhris

Introduction :

Ce chapitre est consacré en particulier à résoudre le problème de variation manuelle d’angle du plateau pour le soudage des pylônes de télécommunication .Alors, on va proposer des solutions technologiques concernant le problème existant et discuter les avantages et les inconvénients de chacune d’elles afin de choisir la solution adéquate qui satisfait les besoins de la société.

2

Problématique

Le positionnement du plateau, sur lequel est montée la bride, est actuellement assuré par un gabarit (CF Figure 24-b-). Ceci représente la solution adaptée pour le soudage des pylônes de télécommunication. En effet, avant de réaliser la soudure, l’ouvrier doit intervenir pour dévisser les boulons puis monter le gabarit adéquat afin de régler l’angle voulu de déviation du plateau. Ces gabarits sont diversifiés et classés suivant plusieurs angles déjà utilisés. Ils doivent être montés entre le plateau principal et le plateau de positionnement des brides (CF Figure 24-a-).

Plateau principal

Plateau de positionnement des brides

. a- Emplacement du gabarit

b- gabarit

Figure 24. Solution existante de variation d'angle

25

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Cette solution présente des limites pour la société MiG. En fait, elle entraine un gaspillage de temps qui conduit à une diminution de la cadence journalière de production. Ceci sans oublié le non-respect des règles de sécurité au travail pour certain ouvriers trop exposés aux risques.

3

Analyse fonctionnelle :

L’analyse fonctionnelle est une démarche qui consiste à identifier, caractériser, ordonner et valoriser toutes les fonctions offertes par un produit durant tout son cycle de production. Cette démarche est faite dans le but de créer ou améliorer un produit en utilisant le diagramme SADT (System Analysis Design Technic)

3.1

Modélisation A-0 :

Pour son fonctionnement ; la machine nécessite en premier lieu, de l’énergie électrique et pneumatique. En deuxième lieu, un programme implanté dans l’automate programmable et en troisième lieu, une interface homme machine à partir de laquelle nous pouvons commander la machine et superviser son fonctionnement. La fonction globale du système est donnée par l’actigramme de la figure suivante (CF Figure 25):

Opérateur Energie Pneumatique

Pylônes non positionnés et non soudés

Energie électrique

Réglage

Ordre de commande

Positionner et souder les pylônes de télécommunication

Fumée Bruit Pylônes positionnés et soudés Chaleur

Machine spéciale pour le positionnement et le soudage des pylônes de télécommunication Figure 25. S.A.D.T A-0

26

Etude et conception d’une machine de soudure

3.2

Chaari & Boukhris

Modélisation A0 :

L’opération de positionnement et de soudage de pylônes de télécommunication est composée de trois fonctions principales. La première concerne l’étape de chargement du tube. Celle-ci est effectuée par un système de maintien (vérin-galets). La suivante présente la phase de positionnement et de serrage de l’ensemble tube avec leurs brides. La dernière montre le soudage automatique. La figure suivante (CF Figure 26) présente l’analyse fonctionnelle du système par l’actigramme A0 :

Energie Pneumatique

Energie électrique

Opérateur

Ordre de commande Pylônes non positionnés et non soudés

Charger le tube A1 Système de maintient

Positionner et serrer l’ensemble tube + brides A2 Positionneur tube-brides

Souder l’ensemble automatiquement Machine automatisé De soudage

Figure 26. S.A.D.T A0

27

Pylônes positionnés et soudés A3

Etude et conception d’une machine de soudure

3.3

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Modélisation A2 :

Le système de positionnement et de serrage de l’ensemble tube avec brides est de même basé sur trois opérations : Après avoir positionné l’angle nécessaire à la déviation du plateau supportant la bride, on fait avancer la poupée mobile à l’aide d’un système pignon-crémaillère. Enfin, on assure le serrage de l’ensemble (tube + brides) par le biais d’un vérin de serrage à contre pointe. La figure suivante (CF Figure 27) présente l’analyse fonctionnelle du système par le nœud A1.

Ordre de commande

Pièces non positionnées et non soudées

Opérateur

Positionner l’angle de déviation du plateau

Energie électrique

Energie pneumatique

Avancer la poupée mobile A21 A22

Positionneur d’angle

Système d’avance

Serrer l’ensemble (tube + brides) Système de serrage

Figure 27. S.A.D.T A1

28

A23

Pièces positionnées et soudées

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3.4

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Modélisation A3 :

Le soudage automatique est basé sur deux fonctions principales. La première fonction consiste à déplacer les torches de telle sorte à les positionner à l’endroit fixé pour la soudure. Une fois cette étape est achevée, on passe à la phase de soudure automatique de l’ensemble (tube + brides) dont laquelle un palpeur doit suivre le mouvement de déviation du plateau à fin de maintenir la distance de soudure fixe. La modélisation de cette fonction est illustrée par la figure (CF Figure 28)

Energie électrique

Tube + brides non soudés

Ordre de commande

Déplacer les torches à l’endroit de soudure

Système torches

A31

Souder l’ensemble tube + brides

Tube + brides soudés A32

Suiveur

Figure 28. S.A.D.T A3 4

Solutions proposées :

Dans cette partie, nous nous focalisons sur le système de variation d’angle. Ainsi, nous essayons de résoudre le problème défini par le cahier de charge et qui exige de concevoir un système positionneur de soudure tube avec brides de pylônes de télécommunication. Alors, des solutions seront proposées dans la suite, tout en tenant compte de leurs avantages et inconvénients, pour aboutir enfin à la solution optimale qui sera acceptée par l’entreprise.

29

Etude et conception d’une machine de soudure

4.1

Chaari & Boukhris

Première solution : système avec réducteur et tige de guidage

4.1.1 Description : Pour la première solution (CF Figure 29), la rotation manuelle du levier (repère 3) permet une déviation angulaire du plateau (repère 1) qui est articulé à son centre. La tige (repère 7) assure le guidage du plateau (repère1).

a- schéma de principe

b- schéma cinématique

Figure 29. Solution avec système réducteur et tige de guidage Tableau 2. Nomenclature de la 1ère solution Repère

Désignation

1

Plateau articulé

2

réducteur

3

Levier

4

disque gradué

5

Arbre d’entrainement

6

Plateau principal

7

tige de guidage

30

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4.1.2 Avantages : -Simple à réaliser. -Permet une mesure exacte de grands angles de déviation. -Rendement élevé par rapport à la solution existante. 4.1.3 Inconvénients : - Encombrement à cause de la grande taille du réducteur pour avoir une grande précision. -Ne permet pas une mesure exacte des petits angles de déviation. -Opération manuelle.

Si on utilise au lieu d’un réducteur un plateau diviseur alors, on élimine l’encombrement et on réduit le prix tout en gardant une très grande précision angulaire.

31

Etude et conception d’une machine de soudure

4.2

Chaari & Boukhris

Deuxième solution : système à vérin électrique

4.2.1 Description : Pour cette solution (CF Figure 30), La rotation du plateau articulé à son centre (repère1) est assurée par un vérin électrique.

a- schéma de principe

b- schéma cinématique

Figure 30. Solution à vérin électrique Tableau 3. Nomenclature de la 2ème solution Repère

Désignation

1

Plateau articulé

2

Système de transformation de mouvement

3

Moteur pas à pas

4

disque gradué

5

Arbre d’entrainement

6

Plateau principale

32

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4.2.2 Avantages : -Facile à réaliser -Précision de l’angle pour le soudage. -commande automatique. 4.2.3 Inconvénients : -cout élevé. -peu robuste.

4.3

Troisième solution : système à vérin hydraulique ou pneumatique :

4.3.1 Description : Dans cette solution (CF Figure 31), la sortie de la tige du vérin (repère2) entraine la rotation du plateau (repère1) qui est articulé à son centre.

a- schéma de principe

b- schéma cinématique

Figure 31. Solution à vérin pneumatique ou hydraulique

33

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Tableau 4. Nomenclature de la 3ème solution Repère

Désignation

1

Plateau articulé

2

Vérin hydraulique ou pneumatique

3

disque gradué

4

Arbre d’entrainement

5

Plateau principal

4.3.2 Avantages et inconvénients pour le cas d’un vérin hydraulique et pneumatique : 4.3.2.1 Cas d’un vérin hydraulique : 

Avantages : -Grande précision d’angle (incompressible) -Très Robuste.



Inconvénients : -Cout élevé -Nécessité d’une centrale hydraulique

4.3.2.2 Cas d’un vérin pneumatique : 

Avantages : -Cout faible -Très robuste. -Facile à installer.



Inconvénients : -Difficile de contrôler automatiquement le vérin. Donc, Pas de précision d’angle du plateau (compressible).

34

Etude et conception d’une machine de soudure

4.4

Chaari & Boukhris

Quatrième solution : système à moteur pas à pas

4.4.1 Description : Pour cette solution (CF Figure 32), la rotation du plateau (repère1), qui est articulé à son centre, est assurée par un moteur pas à pas qui va entrainer le demi-disque denté.

a- schéma de principe

b- schéma cinématique

Figure 32. Solution à moteur pas à pas Tableau 5. Nomenclature de la 2ème solution repère

Désignation

1

Plateau articulé

2

Tige de guidage

3

Demi-disque denté

4

pignon

5

Moteur pas à pas

6

Plateau principal

35

Etude et conception d’une machine de soudure

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4.4.2 Avantages :

- Grande précision angulaire. -pas de glissement. -rapport de vitesse constant. 4.4.3 Inconvénients : -encombrement. -nécessité d’une lubrification.

4.5

Cinquième solution : système à roue-vis sans fin

4.5.1 Description : Dans cette solution (CF Figure 33), la rotation du plateau (repère1) se fait par un système rouevis sans fin (repère4). La rotation de la vis est assurée par un levier (repère3).

a- schéma de principe

b- schéma cinématique

Figure 33. Solution à roue -vis sans fin

36

Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

Tableau 6. Nomenclature de la 5ème solution repère

Désignation

1

Plateau

2

Levier

3

Arbre

4

Système roue-vis sans fin

4.5.2 Avantages : -Facile à manipuler. -Bonne précision car il assure un rapport de réduction très important. -Irréversible. 4.5.3 Inconvénients : -Guidage en rotation difficile. -Encombrement. -Difficile à réaliser.

37

Etude et conception d’une machine de soudure

5

Chaari & Boukhris

Solution retenue :

En analysant les différentes solutions technologiques décrites ci-dessus (CF Figure 34) et en prenant en considération l’avis de l’encadreur industriel, on a choisi la quatrième solution, qui correspond au système moteur pas à pas.

Figure 34. Solution à moteur pas à pas

6

Conclusion :

A partir de ce chapitre, on a pu aboutir, après une comparaison détaillée des différents systèmes proposés, à choisir la solution optimale qu’on va dimensionner. C’est l’objectif du chapitre suivant.

38

Etude et conception d’une machine de soudure

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Chapitre3 : calcul et dimensionnement

39

Etude et conception d’une machine de soudure

1

Chaari & Boukhris

Introduction :

L’objectif de ce chapitre consiste à étudier et à dimensionner les différents éléments de la machine de soudure de pylônes de télécommunication.

2

Dimensionnement de la solution retenue :

Dans cette partie, nous commençons par le calcul nécessaire permettant d’assurer le dimensionnement du système proposé dans la solution retenue, afin d’assurer une bonne performance et précision de la machine. Par la suite, nous procédons au choix des différentes composantes par rapport à leurs caractéristiques techniques internes et à leurs intégrations de manière homogène dans la machine de soudure que nous proposons. Nous détaillons dans le reste du chapitre, le choix du moteur pas à pas adéquat permettant de développer le couple nécessaire à la rotation du plateau articulé. Ensuite, nous présentons le calcul théorique de résistance mécanique des matériaux des différents organes fonctionnels. Puis, nous passons au choix des coussinets de l’axe d’articulation du plateau. Enfin, nous abordons la modélisation par éléments finis permettant la vérification de la résistance mécanique de ces organes.

2.1

Choix du moteur pas à pas :

Dans cette partie, l’étude sera focalisée sur les composantes suivantes : le pignon, le demidisque denté et le plateau articulé comme le montre la figure 35. Cette étude représente le pilier de base dans le processus du choix du moteur pas à pas adéquat. Nous envisageons par notre solution, mettre en œuvre un moteur pas à pas qui sera capable de donner la déviation du plateau voulu, tout en gardant une bonne précision.

40

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2.Demidisque denté

Figure 35. Les composantes de la solution d’étude En effet, le choix du moteur pas à pas nécessite avant tout, le calcul du nombre de dents nécessaires pour le demi-disque et le pignon. Ce calcul est suivi par le calcul du couple moteur ainsi que la vérification du module d’engrenage. 2.1.1 Calcul du nombre de dents du demi-disque denté et du pignon : Le calcul du nombre de dents des deux composantes précisées, nécessite le calcul du rapport de réduction de vitesse. Pour entamer la détermination des paramètres de ce rapport, nous devons fixer la précision sur le plateau articulé à une valeur de 10’ ; ce qui permet d’obtenir une déviation d’angle égale à 10/60 (0.16°). Ce choix est justifié par la précision fine de l’angle de déviation nécessaire. Ainsi, afin de calculer le rapport de vitesse, nous précisons que d’après le catalogue des moteurs pas à pas (Cf. annexe 1), l’angle minimum que peut donner un moteur pas à pas est 1.8°. La formule suivante montre le rapport de réduction de vitesse demandé.

𝑖12 =

𝑤1 𝑤2

=

𝑍2 𝑍1

=

𝜑1 𝜑2

41

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A .N

𝑖12 =

1.8 0.16

𝑖12 =11 Afin d’éviter le problème d’interférence de taillage et par suite la correction de la roue dentée, nous fixons le nombre de dents minimal du pignon à 𝑍1 = 17 dents, ce qui correspond à 𝑍2 = 187 dents pour le demi-disque denté. Dans ce qui suit, nous choisissons la valeur du module d’engrenage 𝑚 = 2 pour pouvoir calculer les diamètres du pignon et du demi-disque denté, afin de déterminer le couple du moteur pas à pas. Ainsi, d’après la relation « di », nous obtenons les valeurs de d1 et d2 : 𝑑𝑖 = 𝑚 𝑍𝑖

i= {1,2}

Avec 𝑑𝑖 : Le diamètre de l’élément i 𝑍𝑖 : Le nombre de dents de l’élément i 𝑑1 = 34 𝑚𝑚 𝑑2 = 374 𝑚𝑚 2.1.2 Calcul du couple du moteur pas à pas : Pour calculer le couple du moteur pas à pas (repère 4), nous appliquons le principe fondamental de la dynamique en rotation sur l’ensemble comportant le pignon, le demi-disque denté et le plateau articulé : PFD :

Σ 𝐶𝑖é𝑞 = 𝐼é𝑞 Ӫ

Dans notre cas, on a autour de l’axe d’articulation du plateau: 𝐶𝑚 = 𝐶𝑟 + 𝐼𝑒𝑞 Ӫ

42

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Avec Σ 𝐶𝑖é𝑞 : Somme des moments agissant sur l’ensemble composé du pignon, du demi-disque denté et du plateau articulé. 𝐶𝑚 : Couple moteur en [N.m] 𝐶𝑟 : Le couple résistant en [N.m] : c’est le couple nécessaire pour maintenir une masse à une distance donnée à partir de l’axe d’articulation du plateau. 𝐼𝑒𝑞 : Moment d’inertie équivalent en [kg.m²] Ӫ: Accélération angulaire en [rad/s²] 

Calcul du moment d’inertie équivalent :

D’après la formule de calcul des moments d’inertie équivalents, on a : 2

2

2

𝑤1 𝑤2 𝑤3 = 𝐼1 ( ) + 𝐼2 ( ) + 𝐼3 ( ) 𝑤é𝑞 𝑤é𝑞 𝑤é𝑞

𝐼é𝑞 Avec

𝑤é𝑞 = 𝑤1 𝑒𝑡 𝑤2 = 𝑤3 =

𝑤1 𝑖12

Iéq : Moment d’inertie équivalent en [kg.m²] I1 : Moment d’inertie du pignon par rapport à l’axe d’articulation du plateau en [kg.m²] I2 : Moment d’inertie du demi-disque denté en [kg.m²] 𝐼3 : Moment d’inertie du plateau par rapport à l’axe d’articulation du plateau en [kg.m²] -

Pour le cas du pignon « I1 » :

En appliquant le théorème d’Huygens sur le pignon (repère 1), le moment d’inertie par rapport à l’axe d’articulation est donnée par : 1 𝐼1 = 𝑚1 𝑅1 2 + 𝑚1 dr ² 2 •

𝑅1 : rayon du pignon en [mm].

•

𝑚1 : masse du pignon en [kg] : 𝑚1 = 𝜌 𝑠1 𝑒1

•

𝑠1 : 𝑠𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑢 𝑝𝑖𝑔𝑛𝑜𝑛 𝑒𝑛 [𝑚𝑚2 ]: 𝑠1 = 𝜋 𝑅1 ²

•

𝑑𝑟 : distance entre l’axe d’articulation du plateau et l’axe de rotation du pignon

43

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•

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ρ: masse volumique du matériau qui est l’acier.

Les valeurs des différents paramètres d’entrée : 𝑅1 = 17 mm 𝑒1 = 20 mm 𝑑𝑟 =204 mm 𝜌 = 7800 𝑘𝑔/𝑚3 A.N 𝑚1 = 7800 ∗ 𝜋 ∗ 0.017² ∗ 0.02 𝑚1 = 0.14 𝑘𝑔 𝐼1 = 5.8410−3 𝑘𝑔 𝑚2

-

(1)

Pour le cas de la demi-roue « I2 » :

Le moment d’inertie de la demie-roue denté par rapport à son axe, qui est de même l’axe d’articulation du plateau, est donné par : I2 =

1 m R ² 4 2 2

Avec 𝑅2 : Le rayon de la demi-roue denté en [mm]. 𝑚2 : La masse de la roue dentée en [kg] : 𝑆2 : Section de la roue dentée en [mm²]

𝑚2 = 𝜌 𝑆2 𝑒2 𝑆2 = 𝜋 𝑅2 ²

𝑒2 : Épaisseur de la roue dentée en [mm]. Les valeurs des différents paramètres d’entrée : 𝑅2 = 187 mm 𝑒2 = 20 mm 𝜌 = 7800 𝑘𝑔/𝑚3

44

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A.N 𝑚2 = 7800 ∗ 𝜋 ∗ 0.187² ∗ 0.02 𝑚2 = 17.12 𝑘𝑔 𝐼2 =

1 ∗ 17.12 ∗ 0.187² 4 𝐼2 = 0.149 𝑘𝑔. 𝑚2

-

𝐼3 =

𝑚3

4

2

(𝑅3 +

𝑒3 2

3

(2)

Pour le cas du plateau « I3 » :

) + 𝑚3 𝑑𝑝 ²

Avec 𝑑𝑝 : Distance entre l’axe d’articulation du plateau et son centre en [mm] 𝑅3 : Rayon du plateau en [mm] 𝑒3 : Epaisseur du plateau en [mm] 𝑚3 : Masse du plateau en [kg] : 𝑚3 = 𝜌 𝑆3 𝑒3 𝑆3 :

Section

du

plateau

en

Les valeurs des différents paramètres d’entrée : 𝑅3 = 350 mm 𝑒3 = 20 mm 𝜌 = 7800 𝑘𝑔/𝑚3 d= 50 𝑚𝑚 A.N 𝑚3 = 7800 ∗ 𝜋 ∗ 0.3502 ∗ 0.02 𝑚3 = 60.3 𝑘g

45

[mm²] :

𝑆3 = 𝜋 𝑅3 ²

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𝐼3 =

60.3 4

(0.35²+

0.02² 3

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) + 60.3 ∗ 0.05²

𝐼3 = 1.99 𝑘𝑔 𝑚²

(3)

Ainsi, les moments d’inerties (1), (2) et (3) donnent la valeur de Iéq suivante : 𝐼é𝑞 = 2.15 𝑘𝑔. 𝑚² 

Calcul du couple résistant :

𝐶𝑟 = 𝑃 ∗ 𝑑 Avec : P : poids du demi-disque denté avec le plateau. d : distance entre le centre de masse de l’ensemble (demi-disque denté et plateau) et le centre d’articulation du plateau.

𝑑=

∑ 𝑥𝑖 𝑚𝑖 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒

; i= {2, 3}

Tel que : 𝑥𝑖 : Distance entre centre de masse de la pièce (repère i) et le centre d’articulation du plateau en [mm]. 𝑚𝑖 : Masse de l’élément (repère i) en [kg]. 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 : Masse totale du demi-disque denté et le plateau en [kg]. A.N 𝑑 = 10 𝑚𝑚. 𝐶𝑟 = 675.51 ∗ 10 10−3 𝐶𝑟 = 6.75 𝑁𝑚 Le temps de démarrage du moteur pas à pas adopté est égal à 0.3s et sa vitesse de rotation angulaire s’élève à 𝑤 = 0.031 𝑟𝑎𝑑/𝑠, d’où : 𝐶𝑚 = 2.15 ∗

0.031 0.3

+ 6.75

A.N 𝐶𝑚 = 6.97 𝑁𝑚 46

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D’après l’annexe (CF annexe 2), nous adoptons un coefficient de sécurité 𝑠 = 1.25 ; ce qui permet d’obtenir :

𝐶𝑚 = 8.71 𝑁𝑚

2.1.3 Vérification du module de l’engrenage : En se basant sur un calcul de résistance des matériaux, nous effectuons la vérification du module de l’engrenage, que nous l’avons déjà choisie dans la partie précédente. La relation de résistance des matériaux est la suivante :

𝑚 ≥ 2.34 √

𝐹 𝐾 𝑅𝑝𝑒

Avec m : module de l’engrenage en [mm]. F : effort tangentiel sur la dent en [N]. K : coefficient de largeur de denture ([8-10] en général) [11] Rpe : résistance pratique à l’extension (dépend du matériau utilisé) Dans notre cas : •

le matériau utilisé est l’acier S235 JR dont Rpe=210 MPa.

•

on choisit K=10

•

la force exercée sur le pignon est :

𝐹=

𝐶𝑚

𝑅1

Avec 𝐶𝑚 : Couple du moteur pas à pas en [N.m] 𝑅1 : Rayon du pignon en [mm].

47

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A.N 𝐹=

8.71 0.017

𝐹 = 512.35 N D’où, 𝑚 ≥ 1.15 𝑚𝑚

On prend :

𝑚 = 2 mm

Nous avons effectué tout le calcul précédent tout en supposant que 𝑚 = 2 mm. Ce calcul est valide étant donné que nous avons obtenu une valeur du module d’engrenage supérieur ou égal à 1.15 𝑚𝑚. 2.1.4 Choix du moteur pas à pas : D’après le catalogue Nema 34 et les résultats obtenus, nous choisissons le moteur pas à pas de référence M1343050. (Cf. annexe 3) Les caractéristiques du moteur :

2.2

-

Moteur pas à pas hybride à deux phases

-

Angle : 1.8°

-

Couple nominal : 9.2 Nm

Vérification de la résistance des différents organes fonctionnels :

Notre système proposé dans la solution retenue comporte différentes pièces fonctionnelles qui sont sollicitées à des contraintes. En conséquence, en vue d’assurer une bonne tenue en service de la machine de soudure, il est recommandable d’effectuer une étude des conditions de résistances mécanique de ces différents composantes. Ainsi, nous présentons dans ce qui suit les différentes vérifications de résistance sur les composantes de la machine.

48

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2.2.1 Vérification de la résistance de l’axe d’articulation : L’axe d’articulation (repère 1) est soumis à la flexion et au cisaillement au niveau des deux paliers. (CF Figure 36). Dans la suite, nous vérifions la résistance de l’axe à ces deux phénomènes à partir de la détermination de son diamètre minimum exigé. 1. Axe d’articulation

2. Bras 4. Plateau articulé

3. Palier d’articulation

Figure 36. Système pour articulation du plateau



Cas de flexion :

L’axe d’articulation, assimilé à une poutre, est soumis à la flexion au niveau des deux paliers d’articulation comme le montre la figure suivante 𝐹2

𝐹1 𝑅𝐴

𝐹3

𝑅𝐵

𝐹4

Y

x

𝐿1

𝐿2

𝐿3

𝐿4

𝐿5

Figure 37. Représentation du phénomène de flexion sur la poutre Pour que l’axe résiste au phénomène de flexion, il faut que : 𝜎𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝜎𝑎𝑑𝑚

𝜎𝑚𝑎𝑥 =

Avec

𝑀𝑓𝑧 𝐼𝐺𝑧 ᵞ

𝜎𝑎𝑑𝑚 = 𝑅𝑝𝑒 =

𝑅𝑒 𝑠

49

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𝐼𝐺𝑧 𝜋𝑑 3 = ᵞ 32 Nous choisissons comme matériau de l’axe : l’acier C45 de limite élastique 𝑅𝑒 = 550 et comme coefficient de sécurité :𝑠 = 3 (annexe 3) Le coefficient de sécurité sert à prendre une marge de sécurité entre le calcul théorique et la réalité. 𝑀𝑓𝑧 est calculé à partir des torseurs de cohésions : On a : 𝐿1 = 𝐿2 = 𝐿4 = 𝐿5 = 20 𝑚𝑚 𝐿3 = 50 𝑚𝑚 La force totale appliquée sur l’arbre est : 3231 N La poutre est en équilibre si : 𝛴𝐹𝑒𝑥𝑡 = 0 𝛴𝑀 = 0 D’où 𝐹1 = 𝐹2 = 𝐹3 = 𝐹4 = 𝐹5 = 808 𝑁 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = 3231 𝑁 

𝛴𝑀𝐴 (𝑥, 𝑦) = 0

Dans le plan horizontal (𝑥, 𝑦)

D’où 𝐹1 𝐿1 − 𝐹2 𝐿2 − 𝐹3 (𝐿2 + 𝐿3 ) + 𝑅𝐵 (𝐿4 + 𝐿3 + 𝐿2 ) − 𝐹4 (𝐿4 + 𝐿3 + 𝐿2 + 𝐿5 ) = 0 𝑅𝐵 = 1616 𝑁 

𝛴𝑀𝐵 (𝑥, 𝑦) = 0

Dans le plan horizontal (𝑥, 𝑦)

𝐹3 𝐿4 − 𝐹4 𝐿5 + 𝐹2 (𝐿3 + 𝐿4 ) + 𝐹1 (𝐿4 + 𝐿3 + 𝐿2 + 𝐿1 ) − 𝑅𝐴 (𝐿4 + 𝐿3 + 𝐿2 ) = 0 𝑅𝐴 = 1616 𝑁 On obtient : 0 0 0 0 {𝜏1 }=, {−𝐹1 0} {𝜏2 }= {−𝐹2 0} 0 0 0 0 0 0 0 0 {𝜏𝐴 }={−𝑅𝐴𝑌 0} , {𝜏𝐵 }={−𝑅𝐵𝑌 0} 0 0 0 0

0 {𝜏3 }={−𝐹3 0

50

0 0} 0

,

0 {𝜏4 }={−𝐹4 0

0 0} 0

,

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 Pour 0 ≤ 𝑥 ≤ 20 : 0 {𝜏𝑐𝑜ℎ }1 = -{𝜏1 }𝐺 ={808 0

0 0 } −808 𝑥

Pour 𝑥 = 0 mm; 𝑀𝑓𝑧 = 0 Pour 𝑥 = 20 mm; 𝑀𝑓𝑧 = −16160 𝑁𝑚𝑚  Pour 20 ≤ 𝑥 ≤ 40 : {𝜏𝑐𝑜ℎ }2= {𝜏𝑐𝑜ℎ }1-{𝜏1 }𝐺 0 {𝜏𝑐𝑜ℎ }2 ={−808 0

0 } 0 808 𝑥 − 20 × 1616

Pour 𝑥 = 20 mm; 𝑀𝑓𝑧 = −16160 𝑁𝑚𝑚 Pour 𝑥 = 20 mm; 𝑀𝑓𝑧 =0  Pour 40 ≤ 𝑥 ≤ 90 : {𝜏𝑐𝑜ℎ }3= {𝜏𝑐𝑜ℎ }2-{𝜏2 }𝐺 0 0 {𝜏𝑐𝑜ℎ }3 ={0 0} 0 0  Pour 90 ≤ 𝑥 ≤ 110 : {𝜏𝑐𝑜ℎ }4= {𝜏𝑐𝑜ℎ }3-{𝜏3 }𝐺 0 {𝜏𝑐𝑜ℎ }4 ={808 0

0 0 } −808 (𝑥 − 90)

Pour 𝑥 = 90 mm; 𝑀𝑓𝑧 = 0 Pour 𝑥 = 110 mm; 𝑀𝑓𝑧 = −16160 𝑁𝑚𝑚  Pour 110 ≤ 𝑥 ≤ 130 : {𝜏𝑐𝑜ℎ }5= {𝜏4 }𝐺 0 −808 {𝜏𝑐𝑜ℎ }4 ={ 0

0 0 } 808 (𝑥 − 110) 51

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Pour 𝑥 = 110 ; 𝑀𝑓𝑧 = −16160 𝑁𝑚𝑚 A.N 3 32 ∗ 1616 𝑑≥√ 𝜋 ∗ 183.33

𝐷 ≥ 9.47

(4)

mm

Afin de vérifier la résistance de l’axe d’articulation, nous utilisons le logiciel RDM6. L’axe est un tube plein de diamètre 25mm, de longueur 180mm et de matériaux C45. Il repose sur deux appuis en X=40mm et X = 150mm (appuis correspondant aux paliers) et est soumis à une charge répartie sur les deux paliers de valeur égale à 3231 N

Figure 38. Modélisation de la flèche La flèche maximale de la poutre est de 0.045 mm (très faible). Ce déplacement ne risque pas d’affecter le fonctionnement de ce système.

52

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

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Cas du cisaillement :

L’axe est sollicité par un effort tangent à ses quatre sections au niveau des deux paliers d’articulation. Ces quatre sections subissent un cisaillement comme le montre la figure (CF Figure 39). Axe d’articulation Bras

Section cisaillée Plateau articulé Palier d’articulation

Figure 39. Phénomène de cisaillement d’axe d’articulation Pour que l’axe résiste au cisaillement, il est nécessaire que la condition de RDM suivante soit vérifiée : 𝜏 ≤ 𝑅𝑝𝑔 tel que 𝜏= 𝑅𝑝𝑔 =

𝑇 4𝑆

𝑅𝑒𝑔 𝑠

Avec 𝜏 : Contrainte de cisaillement simple supposée répartie uniformément sur toute la section cisaillée en [MPa]. 𝑇: L’effort tangentiel à la section droite appelé aussi effort tranchant en [N]. 𝑅𝑝𝑔 : La résistance pratique au glissement en [MPa (ou N/mm²)] : 𝑆: Section cisaillée en [mm²]. s : coefficient de sécurité qu’on l’adopte égal à 4. (CF annexe 4)

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A.N 3231 × 4 × 4 × 𝑑≥√ 2 × 𝜋 × 0.8 × 550 𝑑 ≥ 4.32 𝑚𝑚

(5)

La résistance de l’axe au phénomène de cisaillement est bien vérifiée en utilisant le logiciel rdm6 :

Figure 40. Modélisation de l'effort tranchant 𝜎𝑚𝑎𝑥 < 𝑅𝑝𝑔 , ce qui prouve que l’axe résiste bien au cisaillement. (4) et (5) nous mène à choisir le diamètre de l’axe d’articulation. On prend 𝑑 = 25 𝑚𝑚

2.2.2 Etude de cisaillement sur les vis de fixation du palier d’articulation : Afin de fixer les deux paliers d’articulation par rapport au plateau comme le montre la figure 41, nous utilisons quatre vis CHC pour chaque palier de classe 3.6 et de limite élastique correspondante à 𝑅𝑒 = 180 𝑀𝑃𝑎 (CF annexe 5). Nous détaillons ainsi le dimensionnement des vis de telle sorte qu’elles résistent en toute sécurité au chargement imposé.

54

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Figure 41. Charge à entrainer en rotation et sa fixation sur le plateau articulé La charge totale appliquée sur les deux paliers est : 𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 = Avec

𝟏 (𝟐 ∗ 𝒎𝒑𝒍𝒂𝒕𝒆𝒂𝒖 + 𝟐 ∗ 𝒎𝒃𝒓𝒊𝒅𝒆 + 𝒎𝒕𝒖𝒃𝒆 ) + 𝒎′ 𝟐

𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 : masse totale appliqué sur les deux paliers en [kg]. 𝒎′ = 𝒎𝟏𝒅𝒊𝒔𝒒𝒖𝒆 + 𝟐𝒎𝒔𝒖𝒑𝒑𝒐𝒓𝒕 + 𝟐𝒎𝒂𝒓𝒕𝒊𝒄𝒖𝒍𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝟐

𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 = 𝟑𝟐𝟗. 𝟔𝟒 𝑲𝒈

A.N

L’effort total appliqué sur les deux paliers est

𝑭𝒕𝒐𝒕 = 3233.86 N. Alors, l’effort appliqué sur

une vis d’un palier est calculé par la formule suivante : 𝐹=

𝑭𝒕𝒐𝒕 𝟐𝒏

Avec n : nombre des vis d’un seul palier (n = 4). A.N F = 404.23 N Pour qu’une vis résiste au cisaillement, il faut vérifier que :

𝜏

𝑚𝑜𝑦=

𝐹 ≤ 𝑅𝑝𝑔 𝑆

Avec Rpg = la résistance pratique au glissement en [MPa (ou N/mm²)] : 𝑅𝑝𝑔 = S = Surface résistante de la vis en [mm²] : 𝑆 = 𝜋 55

𝑑² 4

𝑅𝑒𝑔 𝑆

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s = Coefficient de sécurité Reg = la limite d'élasticité au glissement en [MPa] :

𝑅𝑒𝑔 = 0.5 𝑅𝑒

(CF annexe 6)

Re = limite élastique en [MPa (ou N/mm²)] d : Diamètre de la vis en [mm]. Pour avoir une bonne résistance du matériau, nous choisissons pour le cas des vis s=4 (Cf. annexe 7). En effet, la valeur du diamètre minimum peut être déterminée par l’équation suivante : 𝐹𝑠 𝑑 ≥2 ×√ 0.5 𝑅𝑒 𝜋 A.N 404.23 ∗ 4 𝑑 ≥2 ×√ 0.5 ∗ 180 ∗ 𝜋 𝑑 ≥ 4.78 mm Ainsi, nous choisissons d’utiliser des vis de diamètre 8 mm, de longueur 25 mm pour la fixation des deux articulations sur le plateau, conforme à la norme iso-M8-25-3.6. (CF annexe 8) 2.2.3 Etude de cisaillement sur les vis du plateau principal : Les deux bras, liés au plateau articulé à son centre par des liaisons pivots, sont fixés sur le plateau principal par des vis d’assemblage (CF Figure 42).

Figure 42. Charge à entrainer en rotation et sa fixation sur le plateau principal La charge totale appliquée sur le plateau principal est :

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𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 =

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𝟏 (𝟐 ∗ 𝒎𝒑𝒍𝒂𝒕𝒆𝒂𝒖 + 𝟐 ∗ 𝒎𝒃𝒓𝒊𝒅𝒆 + 𝒎𝒕𝒖𝒃𝒆 ) + 𝒎′ 𝟐

𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 : masse totale appliqué sur le plateau en [kg].

Avec

𝒎′ = 𝟐 ∗ 𝒎𝒑𝒂𝒍𝒊𝒆𝒓 + 𝒎𝒂𝒓𝒃𝒓𝒆 + 𝒎𝟏𝒅𝒊𝒔𝒒𝒖𝒆 + 𝟐 ∗ 𝒎𝒃𝒓𝒂𝒔 + 𝒎𝒎𝒐𝒕𝒆𝒖𝒓 𝟐

𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍𝒆 = 𝟑𝟔𝟎. 𝟒𝟓 𝑲𝒈

A.N

L’effort total appliqué sur le plateau principal est alors 𝑭𝒕𝒐𝒕 = 3536.09 N . D’où, l’effort appliqué sur une vis est : 𝐹=

𝑭𝒕𝒐𝒕 𝟐𝒏

Avec n : nombre des vis d’un seul bras (n = 4). A.N

F = 442.01 N

Pour qu’une vis résiste au cisaillement, il faut vérifier que :

𝜏

𝐹 𝑚𝑜𝑦=𝑆 ≤ 𝑅𝑝𝑔

Avec 𝑅𝑝𝑔 =

𝑅𝑒𝑔 𝑆

𝑆 = 𝜋 𝑅² En fait, nous adoptons des vis CHC de classe de résistance 3.6, ayant une limite élastique Re= 180 MPa (CF annexe 5) D’où

Reg= 0.5×Re.

(CF annexe 6)

Avec : Rpg : la résistance pratique au glissement en [MPa (ou N/mm²)] S : Surface résistante de la vis en [mm²] s : Coefficient de sécurité Reg : la limite d'élasticité au glissement en [MPa] Re : limite élastique en [MPa (ou N/mm²)] d : diamètre de la vis en [mm].

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Le coefficient de sécurité que nous adoptons est s=4 (CF annexe 7).

𝐹𝑠 𝑑 ≥2 ×√ 0.5 𝑅𝑒 𝜋 A.N 442.01 ∗ 4 𝑑 ≥2 ×√ 0.5 ∗ 180 ∗ 𝜋 𝑑 ≥ 5 mm En conséquent, nous préférons des vis de diamètre 10 mm, de longueur 25 mm pour la fixation des deux articulations sur le plateau, selon la norme iso-M10-25-3.6. (CF annexe 8)

2.3

Choix des coussinets :

Les coussinets utilisés dans notre système sont des bagues cylindriques, de forme tubulaire et interposé entre l’axe d’articulation et son logement pour faciliter le mouvement de rotation. Ils sont construits à partir du bronze fritté présentant de bonnes qualités frottantes. Pour que ces coussinets conviennent à notre montage, il faut que : 𝑝 ≤ 𝑃𝑎𝑑𝑚 et 𝑝 ∗ 𝑣 ≤ 1.8 𝑃=

Tel que

𝐹 d∗L

Avec : P : pression diamétrale en [MPa] F : charge sur le palier en [N] d : diamètre de l’alésage en [mm] L : longueur du coussinet en [mm]

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𝑃𝑎𝑑𝑚 : Pression admissible en [MPa] : c’est une valeur expérimentale utilisé pour le matériau. Le type des coussinets dans notre cas est le bronze-plomb. 𝑣 : vitesse de rotation du plateau en [m/s]. Les valeurs des différents paramètres d’entrées sont : 𝑑 = 25 𝑚𝑚 𝐹 = 3233.76 N 𝑃𝑎𝑑𝑚 = 20 𝑀𝑃𝑎 : (CF annexe 9) 𝑣 = 0.0405𝑚/𝑠 Avec la valeur 𝐿 = 20 𝑚𝑚, : 𝑃=

3233.76 25 ∗ 20

𝑃 = 6.46 𝑀𝑃𝑎 Par conséquent, 𝑃 = 6.46 ≤ 𝑃𝑎𝑑𝑚 = 20 𝑀𝑃𝑎 𝑚 𝑃 ∗ 𝑣 = 0.26 < 1.8 𝑀𝑃𝑎. 𝑠

(6) (7)

Les équations (6) et (7) prouvent que les coussinets seront capables de supporter l'énergie engendrée par le frottement. Par conséquent, ces coussinets conviennent pour notre montage.

2.4

Simulation par éléments finis :

Dans le but de vérifier la résistance mécanique des différents composants les plus sollicités, nous utilisons la méthode numérique des éléments finis en se basant sur le critère de Von-mises. Cette méthode consiste à appliquer, sur la géométrie graphique du modèle, le matériau de la pièce à simuler. Puis, on la sollicite virtuellement au chargement imposé adéquat. La contrainte équivalente de Von-mises doit être inférieure à la contrainte admissible 𝜎𝑎𝑑𝑚 . 𝜎é𝑞≤𝜎𝑎𝑑𝑚

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Avec 2 + 3𝜏 2 + 3𝜏 ² 𝜎é𝑞 = √𝜎x2 + 𝜎y2 + 𝜎z2 − 𝜎x 𝜎y − 𝜎x 𝜎z − 𝜎y 𝜎z + 3𝜏𝑥𝑦 𝑥𝑧 𝑦𝑧

𝜎𝑎𝑑𝑚 =

𝑅𝑒 𝑠

Tel que 𝑅𝑒 : La limite élastique du matériau. 𝑠 : Le coefficient de sécurité. Pour cela, on a recourt au logiciel de simulation numérique par éléments finis : solidworks. 2.4.1 Simulation de l’axe d’articulation: L’axe de rotation est en acier C45 (XC48), dont les caractéristiques mécaniques sont représentées par l’annexe (CF annexe 10). 

Géométrie :

Axe de diamètre 30 mm et de longueur 186 mm 

Chargement appliqué :

La force sollicitée sur l’axe est de l’ordre de 3231 N. Elle est également répartie sur les deux paliers d’articulation suivant deux chargements pour chacun.  Simulation de la contrainte : La figure (CF Figure 43) représente la répartition de la contrainte de Von-mises sur l’axe. Les conditions aux limites sont un encastrement au niveau de la liaison bras avec axe et un chargement appliqué au niveau des deux paliers de valeur égale à 3231 N.

Figure 43. Répartition des champs de contrainte

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Etude et conception d’une machine de soudure

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D’après les résultats obtenus après la Simulation, nous remarquons que la contrainte maximale de Von-mises est de l’ordre de 0.739 MPa. Or, 𝜎𝑝 =

𝑅𝑒 𝑠

A.N 𝜎𝑝 =

580 3

𝜎𝑝 = 193.33 𝑀𝑃𝑎 Puisque 𝜎𝑚𝑎𝑥 < 𝜎𝑝 . ; Nous concluons que la condition de résistance est bien vérifiée.  Simulation du déplacement : La figure 44 représente la répartition des champs de déplacement sur l’axe.

Figure 44. Répartition des champs de déplacement Les résultats fournis lors de la simulation du déplacement montrent que le déplacement maximum que peut subir l’axe se trouve au niveau de l’extrémité des deux paliers. Il est de l’ordre de : 2.79 .10−5 mm. Cette valeur est trop faible pour qu’elle puisse affecter le bon fonctionnement de la machine. Nous affirmons donc que le dimensionnement de l’axe des deux paliers en termes de déplacement est acceptable.

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 Simulation de la déformation : La figure 45 représente la répartition des champs de déformation sur l’axe

Figure 45. Répartition des champs de déformation D’après la modélisation faite par solidworks, nous trouvons que la déformation est de l’ordre de 3.032 .10−6 . Étant donné que cette dernière est une valeur très faible; nous approuvons que nous restons toujours dans le domaine élastique du matériau et que la résistivité de l’axe aux conditions du travail est bonne. 2.4.2 Simulation du bras du plateau articulé: Le bras, assurant le maintien du plateau articulé, est en acier S235 JR dont les caractéristiques mécaniques sont représentées dans l’annexe (CF annexe 11). 

Chargement appliqué :

La force sollicitée sur les deux bras du plateau articulé est de l’ordre de 3231 N, également répartie sur chacun d’eux.

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Chaari & Boukhris

 Simulation de la contrainte : La figure 46 représente la répartition de la contrainte de Von-mises sur l’axe. Les conditions aux limites sont : -

Un encastrement au niveau de la facette du côté du plateau principal.

-

Un chargement appliqué au niveau de la liaison bras avec axe qui est de l’ordre de 1616 N.

Figure 46. Répartition des champs de contrainte D’après les résultats obtenus après la simulation, nous remarquons que la contrainte maximale de Von-mises est de l’ordre de 1.87 MPa. Or, 𝜎𝑝 =

𝑅𝑒 𝑠

A.N 𝜎𝑝 =

235 3

𝜎𝑝 = 78.33 𝑀𝑃𝑎 Puisque 𝜎𝑚𝑎𝑥 < 𝜎𝑝 . Nous concluons que la condition de résistance est bien vérifiée.

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Chaari & Boukhris

 Simulation du déplacement : La figure 47 représente la répartition des champs de déplacement sur le bras.

Figure 47. Répartition des champs de déplacement Les résultats fournis lors de la simulation du déplacement montrent que le déplacement maximum que peut subir le bras se trouve au niveau de l’articulation et qui est d’une valeur égale à : 1.78 .10−7 m. Etant donné que cette valeur est négligeable ; nous affirmons que le dimensionnement du bras en termes de déplacement est acceptable.  Simulation de la déformation : La figure 48 représente la répartition des champs de déformation sur le bras.

Figure 48. Répartition des champs de déformation

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Etude et conception d’une machine de soudure

Chaari & Boukhris

D’après la simulation faite par solidworks, nous constatons que la déformation est de l’ordre de 6.37 .10−6 . Etant donné que cette valeur est très faible ; nous approuvons que nous sommes toujours dans le domaine élastique du matériau et que la résistivité du bras aux conditions du travail est bonne.

3

Etude du système de support des tubes :

3.1

Dimensionnement des vérins de support des tubes :

Dans cette partie, nous abordons le calcul nécessaire permettant d’aboutir à un choix correct d’un vérin pneumatique. En effet, le positionnement des tubes avec leurs brides déjà fixés sur les deux plateaux nécessite un positionnement primaire sur deux vérins comme le schématise la figure suivante.

Figure 49. Vérins de support des tubes La charge réelle appliquée sur les deux vérins est égale au poids maximum du tube : 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 𝑟é𝑒𝑙𝑙𝑒 = 3778.71 𝑁 La relation suivante permet de calculer l’effort dynamique nécessaire pour le maintien du tube : 𝑇𝑎𝑢𝑥 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 =

𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 𝑟é𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑒𝑓𝑓𝑜𝑟𝑡 𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒

Avec 0.5