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POSTE AUTOMATIQUE DE CISAILLAGE DE BARRES PRESENTATION GENERALE 1-
Mise en situation. Le roulement à billes est un constituant mécanique très courant, présentant de nombreux types et nécessitant une fabrication en série utilisant différentes phases d'usinage et de montage. L'un des modes d'obtention peut être décrit par le synoptique suivant :
Cisaillage en lopins
Forgeage des bagues intérieures
Tronçonnage
Usinage des bagues extérieures
Barre d'acier
Tube d'acier
Ebauche sur MOCN*
Contrôle
Montage des éléments
Rectification
Traitement
Expédition
roulants et des cages
et superfinition
thermique Lopin
* MOCN : Machine Outil à Commande Numérique
C'est le poste de cisaillage automatisé qui est l'objet de l'étude.
2-
Vue générale du poste. Voir document 1.
3-
Analyse fonctionnelle. Réglages, gamme de fabrication
Programme A.P.I. Energies électrique, pneumatique
Données d'exploitation W
C
R
E Chutes
Barres
Informations d'état
CISAILLER
Lopins A-O Poste automatique de cisaillage Voir les actigrammes AO et A3 sur le document 2.
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4-
Description du fonctionnement. Le magasin est alimenté en barres d'acier de 6 mètres à l'aide d'un pont roulant. Un opérateur règle la butée escamotable afin que la longueur d'un lopin fournisse un volume de matière correspondant à celui de la bague intérieure avant ébauche. Le cycle automatique étant lancé depuis le pupitre de contrôle, on procède ensuite à une surveillance par échantillonnage toutes les trente minutes (méthode M.S.P. : Maîtrise Statistique des Processus). L'unité de production peut fabriquer trois lopins différents (A, B, C) décrits ci-dessous :
5-
Type de
Longueur
Poids
production
du lopin
du lopin
A
46,7 mm
166 g
B
36,5 mm
129 g
C
29,6 mm
104 g
Caractéristiques techniques. Force de cisaillage maximale : Course du coulisseau : Fréquence de cisaillage :
630 kN 52 mm 80 coups/min
Diamètre de cisaillage : Longueur maximale des lopins : Longueur minimale des lopins :
45 mm 33 mm 120 mm l=d
Raccordement électrique : Moteur principal : Moteur d'avance de l'embarreur : Moteur du tracteur cisaille (servo-moteur) : Moteur de la pompe de graissage :
380 V / 50 Hz triphasé + neutre 15 kW 1,1 kW 4,6 kW 0,18 kW
Poids : Pression d'alimentation en air :
8600 daN 6 bar
Dimensions principales y compris le magasin-embarreur : - Hauteur totale : - Longueur totale : - Profondeur totale :
2,2 m 11 m 4,8 m
pour Rrg = 400 N/mm2 pour Rrg = 750 N/mm2 (15 mm)
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A - Etude générale. Document à consulter : Présentation générale 1-
Quel est l'avantage du procédé de forgeage de la bague intérieure par rapport à l'usinage par décolletage ?
Cadre réponse
2-
Etude de la périodicité d'alimentation du magasin pour le type de fabrication correspondant aux données cidessous. Données :
- Capacité maximale du magasin : 100 barres (d = 24 mm) - Réserve minimale avant alimentation : 10 % - Fréquence de cisaillage : 80 coups/min - Longueur des barres : 6 m - Longueur d'un lopin : 36,5 mm
Hypothèse : Ne pas tenir compte des chutes en début et fin de barre. Calculer la périodicité maximale d'alimentation du magasin (exprimée en heures). Cadre réponse
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B - Etude de la cisaille. I - Vérification du choix du moteur principal.
Zone d'arrachement
Documents à utiliser : 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Lors de l'utilisation de la cisaille à sa capacité maximale, l'apparition de la zone d'arrachement due à une flexion locale, suivie de la rupture par cisaillement de la barre, nécessite une énergie de 1900 Joules. Un volant d'inertie, maintenu en rotation par le moteur principal, fournit cette énergie de coupe pendant le temps très court du cisaillement. 1.1 - Calculer la durée du cycle pour une coupe. En déduire la puissance moyenne du moteur principal. Donnée :
Fréquence de cisaillage = 80 coups/minute
Cadre réponse
1.2 - Effectuer le bilan énergétique de la chaîne cinématique en complétant le tableau de la page suivante. Le détail des calculs doit apparaître ci-dessous. Hypothèses :
Données :
Le volant d'inertie est assimilé à un cylindre plein en acier. Toutes les inerties des pièces autres que celles citées dans le tableau sont négligées. Pour le volant d'inertie :
- R = 490 mm - h = 185 mm - ρ = 7,8 kg/dm3
Expression du moment d'inertie pour le volant : I = M .R2/2
Nota : Le résultat de ce bilan (159188 J) est donné et sert à la question suivante. Cadre réponse Nota : pour calculer les énergies cinétiques, utiliser les formules du document 4 ("Rappel de cours")
Page 3 Elément de la chaîne cinématique
ω
V
Masse
R
I
T (Ec)
rd/s
m/s
kg
m
kg.m2
J
0,50
6162
14,5
13680
Arbre moteur : Rotor + poulie
157
Volant d'inertie
45,53
Embrayage
45,53
Roue 1
45,53
40
0,22
207
Roue 2
8,74
540
81
2819
Came
8,74
21
729
Galet Coulisseau + marteau + outil
0,49
Voir doc. 5
Voir doc. 5
20,12
0,48
55
0,13
0,56
Voir doc. 5
0,48
250
ENERGIE CINETIQUE TOTALE :
159188 J
1.3 - Calculer la variation relative d'énergie cinétique (en %) lors d'un cisaillage. Cadre réponse
1.4 - En déduire la variation relative (en %) de la vitesse du moteur principal (% var. vit. = (% var. Ec) / 2). Cette valeur (en terme de glissement), est-elle admissible pour le type de moteur utilisé (asynchrone), en supposant que celui-ci fonctionne à sa puissance nominale ? Cadre réponse
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1.5 - L'étude précédente a permis de déterminer la puissance moyenne de coupe (Puissance fournie par le moteur principal). Pour cette question et les suivantes on prendra 2700 W (valeur indépendante de celle trouvée à la question 1.1). Choisir dans le document SIEMENS (Document 6) un moteur correspondant à la puissance moyenne de coupe. Donner ci-dessous les caractéristiques demandées. Cadre réponse
Puissance du moteur : Grandeur de la carcasse : Courant nominal sous 380 V : Couple nominal : Couple démarrage/couple nominal : Courant démarrage/courant nominal :
1.6 - Analyse du démarrage du moteur choisi précédemment. On suppose que le démarrage s'effectue directement. Caractéristiques du moteur :
- Couple de démarrage Cd = 54 N.m
Inertie équivalente ramenée à l'axe du moteur :
- Intensité de démarrage = 42 A - Iéq. = 10,8 kg.m2
1.6.1 - Evaluation du temps de démarrage. D'après les caractéristiques ci-dessus et la figure 3 du document 7, déterminer le temps de démarrage (considérer le couple de démarrage constant). Cadre réponse
1.6.2 - Analyse du comportement des protections du moteur lors d'un démarrage à froid. 1.6.2.1 - Les fusibles sont des cartouches cylindriques de type aM et de calibre 8A. En se repportant au document 7, décrire leur comportement. Cadre réponse
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1.6.2.2 - Le relais thermique est réglé au courant nominal du moteur, soit 6,8 A. En se repportant au document 7, décrire son comportement et conclure. Cadre réponse
Conclusion :
1.7 - Justification des choix effectués par le constructeur. Le moteur installé est un moteur asynchrone de marque SIEMENS, réf. 1LA5 166 - 4CA. Son démarrage s'effectue en deux temps par un couplage étoile-triangle de ses enroulements. Lors d'un démarrage, l'ampèremètre du pupitre de commande indique 60 A pendant 60 secondes. Ensuite l'intensité chute à 10 A. Les fusibles sont des cartouches cylindrique aM et de calibre 32 A. Le relais thermique est réglé à In du moteur sous 380 V. 1.7.1 - Justification du choix du démarreur. Analyser les comportements des fusibles et du relais thermique lors d'un démarrage. Conclure. Cadre réponse
Comportement des fusibles :
Comportement du relais thermique :
Conclusion relative au démarrage :
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1.7.2 - Analyse de la marche normale du moteur principal 1LA5 166 - 4CA. On rappelle les données suivantes :
Puissance moyenne de coupe = 2,7 kW Puissance nominale du moteur = 15 kW
D'après les caractéristiques de ce moteur données ci-dessous, déterminer le glissement et le facteur de puissance du moteur. Conclure sur la vitesse de rotation effective et le facteur de charge Cadre réponse
Facteur de puissance cos Φ = P/ 3 .UI Glissement g = (ωs - ω)/ ωs
cos Φ
Valeur du glissement :
1
g 10%
Valeur du facteur de puissance :
CosΦ 0,8
8%
Conclusion : 0,6
6% g
0,4
4%
0,2
2% P en kW
0
3
6
9
12
15
18
1.8 - Analyse de la partie du schéma électrique relative au démarrage du moteur principal (document 8). Indiquer l'ordre chronologique de manœuvre des contacteurs concernés en complétant le grafcet cidessous et en précisant l'opération réalisée à chaque étape. Cadre réponse
80
"Moteur à l'arrêt" Opération réalisée à chaque étape Ordre de démarrage = ................
81
................ ................
82
................
KM 110
64 s / X 82 83
................ ................
84
................
................
Ordre d'arrêt = ................
Page 7
II - Etude de la butée escamotable. Documents à consulter : 1, 9, 10, 15. Cette butée, située derrière l'outil de cisaillage (document 1), permet de régler manuellement la longueur des lopins à couper en réalisant un appui mécanique en bout de barre. Lors du cycle (grafcet du document 15), elle s'escamote afin de permettre une coupe "à la volée" (sans butée) du début de chaque barre. Cette coupe est ensuite évacuée. 2.1 - A l'aide de la bibliothèque de schémas de liaisons (document 10), réaliser le schéma cinématique plan de la butée correspondant à la vue de face en coupe A-A (document 9). Tenir compte du dispositif de réglage en position de la butée (vis 12 desserrées). Cadre réponse
2.2 - Expliquer succinctement le fonctionnement de cette butée en précisant le rôle du ressort R. Cadre réponse
Page 8
III - Justification et analyse de la fonction "Avance barre". Documents à consulter : 14, 16. 3.1 - Justification de la vitesse variable. Déterminer la plage de vitesse nécessaire au dispositif d'entraînement des barres ("tracteur cisaille") pour assurer la totalité des fabrications de la machine. Pour cela, compléter le tableau ci-dessous et conclure.
Came à 360°
Came à 300°
Came à 280°
Came à 240°
Came à 220°
V1 ou V2 (V2 = 2,5 V1)
Came à 180°
Vitesse d'avance
Came à 120°
- Longueur de lopin comprise entre 15 mm et 120 mm. - Chronogramme donnant le temps d'avance effectif de la barre lors d'un cycle. Came à 60°
Données :
Arrivée en butée de la barre
Phase de démarrage et de glissement barre/ galets d'entraînement (durée négligeable)
Temps
Phase de glissement barre/galets
Temps effectif d'avance de la barre à vitesse nominale = 0,115 s Temps de rotation du moteur d'avance
Durée du cycle
Cadre réponse
Produit
Longueur
Temps d'avance
X
120 mm
0,115 s
A
46,7 mm
0,115 s
B
36,5 mm
0,115 s
C
29,6 mm
0,115 s
15 mm
0,115 s
Vitesse V1
Remarque : La vitesse V2
Vitesse V2 V2 = 2,5 V1
....
est appliquée à la barre uniquement pour la coupe du dernier lopin.
....
Voir description de la tâche 4 (document 14)
0,406 m/s
.... .... Y
Conclusion : ................ m/s < Vitesse d'entraînement possible des barres < ................ m/s
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3.2 - Analyse de la gestion de la vitesse. Le dispositif de variation de vitesse est schématisé ci-dessous. L1 L2 L3
Extension CNA TSX ASG 2000
Automate TSX 17
0+
0-
Galet Vc
Variateur triphasé 6SC61
M 3 --Barre
Réducteur
Galet
SERVO-MOTEUR SIEMENS 1FT 5104 OAA 01-2
Caractéristiques du moteur : - N = 1200 tr/min - Couple = 37 N.m - Masse = 39 kg - Moment d'inertie = 185 10-4 kg.m2 - Courant nominal In = 34 A - Puissance = 4,6 kW Caractéristique du système variateur de déplacement de barre
Caractéristique du CNA
V en m/s
Vc 11 V
3 m/s
-1100 1100
Nb
-11 V
10 V
Vc
Calculer les nombres Nb1 et Nb2 représentatifs des deux vitesses V1 et V2 dans le cas de la fabrication du produit A (lopin de longueur 46,7 mm). Cadre réponse
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3.3 - Analyse de la partie puissance du variateur triphasé 6SC61 (voir documents 17, 18 et 19). 3.3.1 - Quelle est la valeur de la tension d'alimentation du variateur 6SC61 ? Cadre réponse
3.3.2 - En déduire la fonction de l'appareil T203. Cadre réponse
3.3.3 - Calculer la valeur de la tension entre les points P200 et M200 (document 17). Justifier. Cadre réponse
3.3.4 - La structure de commande de l'un des bras du variateur 6SC61 est donné dans le document 19. Indiquer sur le schéma ci-dessous, en le surlignant en couleur, le circuit de charge du condensateur C10. Justifier sa tension de service. Cadre réponse
+15v
+Uc
+15v Rapide 1A/400v
220kΩ
+15v
3,3kΩ 8
Rafraîchissement
1
555
10nF
5
4
BS170 4,7Ω
1nF 0,47µF
4,7µF
3 VBIAS
VBF 12
4 Vdd
D1U 19
11 VDF
G1U 18
+15v Commande
2,2kΩ
G2U 17
470pF
≥1
21 EN
VOUT13
&
D
22 U/D
2N2222
G1L 9
10kΩ
2,7kΩ Rouge
10nF
2N2907 47kΩ
2,7kΩ
BS170
Verte
Tension de service de C10 :
(NC) 20
D1L 10
+15v
Vérrouillage
&
&
10kΩ
S
PH 14
SP601
≥1
Défaut
Réarmement Automatique
22Ω
CL2 16
≥1
12kΩ
&
10Ω
TRIPU15
≥1
Retard inter-voie
C10 0,47µF/25v
220nF
1MΩ
AAA AAA AAA
1 FAULT
G2L 8
10Ω 22Ω
TRIPL 6 CL1 7 2 ITRIPSEL
Vss 5
0v
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3.3.5 - Lorsque le bras de pont est en défaut, la sortie FAULT du SP601 est active. Analyser le comportement de la fonction traitement de défaut en complétant le tableau ci-dessous. Cadre réponse
Signal FAULT
Transistor 2N2907 bloqué ou saturé)
Transistor BS170 (Bloqué ou saturé)
Tension V(D) (en volt)
Signal DEFAUT (niveau logique)
Actif = 0 Inactif = 1 3.4 - Vérification du choix des éléments d'assemblage du système d'entraînement de barre de la cisaille (tracteur cisaille) en vue de définir leur référence catalogue et d'effectuer une commande pour leur remplacement. Documents à consulter : 16, 20. Données : Servo-moteur d'entraînement : SIEMENS 1 FT 5104-OAA01-2 Couple nominal = 27 N.m Couple maximal = 37 N.m Vitesse de rotation maxi. = 2000 tr/min Roue 1 : Z = 17 dents m = 6 mm Roue 2 : Z = 62 dents m = 6 mm Roue 3 : Z = 19 dents m = 6 mm Hypothèses :
Roue 4 : Z = 52 dents m = 6 mm Roue 5 : Z = 52 dents m = 6 mm
Diamètre arbre = 60 mm Diamètre arbre = 60 mm
Rendement global de la chaîne cinématique : η = 0,85. L'étude sera faite dans le cas le plus défavorable de la transmission du couple. Lors de la phase de glissement barre/galets (voir chronogramme page 8), les efforts tangentiels de la barre sur les galets sont égaux.
3.4.1 - Calculer le couple transmis par l'arbre 4 en raisonnant sur les puissances. Cadre réponse
3.4.2 - Donner la référence de commande de l'élément d'assemblage entre roue et arbre et vérifier son choix. Cadre réponse
Elément d'assemblage conique TLK 200,
3.4.3 - Quels sont les avantages de ce type d'assemblage ? Cadre réponse
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C - Etude de l'embarreur. Etude de l'ensemble presseur de l'embarreur. Vérification du choix du moto-variateur. Documents à consulter : 1, 21. Le système représenté sur le document 21 a pour fonction d'amener les barres de l'embarreur vers les galets d'entraînement de la cisaille (voir document 1). Afin de maintenir les barres qui se succèdent en contact, le système d'entraînement étudié doit être réglé (réglage de la vitesse de sortie du moto-variateur-réducteur) de sorte qu'il existe un glissement entre galet d'entraînement et barre (valeur optimale fixée à 500 mm/s). Ce réglage est nécessaire pour maintenir la vitesse de glissement à la valeur spécifiée en raison des longueurs de lopins variables (entre 15 mm et 120 mm) et de la cadence de coupe imposée et fixe (80 coups/min). Lorsque la barre est prise par les galets du tracteur cisaille : - le vérin FESTO double effet remonte le galet presseur supérieur qui n'exerce plus aucune action sur la barre, - le moto-variateur-réducteur LENZE (référence 11432 13 12 3), à réglage manuel, n'est plus alimenté. Schémas 3D du dispositif :
Vérin FESTO double effet
Moto-variateur-réducteur LENZE
1 - Etude préliminaire. Hypothèses :
La liaison 2/1 d'axe O,y est une liaison pivot parfaite. Les poids propres des pièces sont négligés. Au contact barre-galet presseur 3 (point A), il y a roulement sans glissement. Au contact barre-galet entraîneur 4 (point C), il y a glissement tel que f = 0,2. La liaison 3/2 est une liaison pivot glissant d'axe y. Rendement global de la chaîne cinématique : η = 0,85
Données : Vérin FESTO DNN-560-200-PPV-A : diamètre alésage = 50 mm p alim = 6 bar * Couple de roues dentées de chaîne : Z coté variateur = 24 dents Z coté galet = 12 dents * Diamètre galet entraîneur : 218 mm * Diamètre galet presseur : 131 mm Dans le repère Oxyz :
A * pour information.
177 0 - 52
B
385 - 68 29
C
177 0 - 76
B vérin
0 0 -117,8 daN
Page 13
1.1 - Déterminer l'effort presseur en A. Cadre réponse
Page 14
1.2 - Etude du contact en C. Remarque : La barre, lors de son entraînement, est soumise aux efforts suivants :
AA AA AA AA AA AA AA AA AA AAAA AAAA AAAA Actions des galets porteurs sur la barre (négligées)
A
Galet presseur Action de la barre précédente sur la barre étudiée
C
Galet entraîneur
Poids (négligé)
Galets porteurs
Hypothèse simplificatrice : On admet que la composante normale en C de l'action barre/galet entraîneur 4 est égale à l'action en A du galet presseur 3 sur la barre. Déterminer l'effort tangentiel T au point C. Cadre réponse
1.3 - Calculer la puissance dissipée au niveau du contact barre/galet entraîneur (point C) lors du glissement (P = T.Vglissement). Cadre réponse
2-
Puissance du moto-variateur-réducteur. Vérifier que la puissance du moto-variateur-réducteur installé (1,1 kW) est suffisante.
Cadre réponse
Page 15
D - Etude de la gestion du système. Le fonctionnement global de la machine est décrit dans le GEMMA du document 22. Le cycle automatique de coupe en continu peut être divisé en cinq tâches (voir document 11 : synchronisation des tâches). Tâche 1 : Charger le magasin en barres de 6 m. Cette tâche est faite manuellement. Tâche 2 : Alimenter l'embarreur (voir document 12). Lorsque l'embarreur manque de barres ("embarreur vide" = 1), le moteur élévateur se met en route. Une barre est saisie par le crochet lors de la rotation et est élevée. Arrivée au point haut, elle chute par gravité et roule sur le plan incliné de l'embarreur, actionnant le capteur "embarreur plein". Si celui-ci est relâché avant une seconde le mouvement continue. Tâche 3 : Placer une barre dans la cisaille (voir document 13). Lorsqu'une fin de barre est annoncée, un séparateur prend une barre dans l'embarreur et la dépose dans l'alignement des galets porteurs. Le galet presseur vient alors la plaquer sur le galet entraîneur ce qui permet l'avance de celle-ci par friction. L'avance de la barre s'effectue pendant 4 secondes, temps pendant lequel elle rattrape la précédente. Le contact étant établi, il y a ensuite glissement du galet entraîneur sur la barre. Tâche 4 : Cisailler (voir document 14). Ce cycle est continu, le volant d'inertie absorbant les à-coups de puissance. La position angulaire de la came est donnée par un codeur incrémental. Le cycle démarre pour l'angle θ = 0°. De θ = 160° à θ = 190°, il y a soufflage pour évacuer le lopin coupé. De θ = 220° à θ = 280°, il y a avance de la barre à l'aide du servomoteur d'avance barre. Cette avance se fait à une vitesse V1, sauf pour le dernier lopin de la barre où la vitesse vaut sensiblement 2,5 V1 (vitesse V2). Tâche 5 : Trier (voir document 15). Cette opération de tri consiste à diriger les deux derniers lopins d'une barre et le premier de la suivante vers un caisson de rebut. L'avant dernier lopin est éventuellement recyclé après contrôle. Lopins de longueur incorrecte
Lopin éventuellement recyclé
Lopins triés vers rebus Sens d'avance des barres
Le volet de tri se place en position rebut lorsque l'avant-dernière coupe d'une barre est annoncée et que la came est à 90° (voir graphe commande volet de la tâche 5, document 15). Il garde cette position pendant deux cycles de coupe, soit 1,5 secondes. La butée d'arrêt de la barre doit s'escamoter lors de l'engagement de la barre suivante. Ceci se produit après la dernière coupe et lorsque la came est à 90° (voir graphe commande butée de la tâche 5). La première coupe de la barre suivante est alors faite "au vol" sans la butée. Celle-ci se remet en place la première coupe terminée.
Page 16
1-
Analyse des Modes de Marche et d'Arrêt. En se référant au Graphe des Modes de Marches et d'Arrêt du document 22 et au schéma de commande du document 23, rédiger en quelques lignes la procédure à suivre pour effectuer une remise en route de la machine après un arrêt d'urgence.
Cadre réponse
2 - Analyse point de vue PC de la tâche 4 "Cisailler". Cette tâche est décrite dans le document 14 à l'aide des graphes point de vue PO. Le codeur incrémental "Balluff" utilisé est un RB500 (voir document 24). L'adressage automate est donné dans le document 25. Le compteur rapide FC est géré à partir des signaux du codeur via les entrées I0,24 et I0,25. - CW1 contient le nombre représentatif de la vitesse V1. - CW2 contient le nombre représentatif de la vitesse V2. - OW2,O est l'adresse du convertisseur numérique/analogique. 2.1 - Compléter le tableau de gestion du compteur.
Cadre réponse
Signal codeur
Adresse Automate
Entrée compteur FC
Remise à zéro
Entrée compteur
Page 17
2.2 - Compléter le graphe ci-dessous point de vue PC "Réalisateur". Cadre réponse
40 X10 . FC = 0
41 .................... 42
............... ....................
43
.................... 44
...............
X48 CW1
OW2,O
X48 CW2
OW2,O
....................
2.3 - Analyse de la fonction "avance barre correcte". La tâche 4 "Cisailler" décrite dans le document 14 comporte une fonction secondaire de contrôle de l'avance de la barre. Principe : lorsque la barre avance, un compteur (CTDPL) totalise le déplacement effectué par la barre à partir des impulsions délivrées par un codeur incrémental. En fin de déplacement, il y a comparaison entre le contenu de CTDPL et le nombre AVBN correspondant au déplacement correct de la barre : - Si CTDPL = AVBN, alors le cycle peut se poursuivre. - Si CTDPL <> AVBN, alors un signal de défaut apparaît. La fonction ne peut se poursuivre qu'après acquittement. Etablir (sur la page 18) le graphe de la fonction "avance barre correcte".
Page 18
Cadre réponse
60
