CONCEPTION DES ARTICULATIONS - Principe du vérin. (Partie 2)
Le mouvement linéaire par pression hydraulique ou pneumatique.
Si l’utilisation du vérin est plus simple à mettre en œuvre mécaniquement pour des mouvements de translation, le pilotage est lui plus complexe que celui d’un moteur qui ne demande qu’à être alimenté en courant continu. Le vérin nécessite une alimentation en air comprimé et tout un système de pilotage électropneumatique (les distributeurs).
Certaines équipes utilisent aussi les vérins hydrauliques pour mettre en mouvement de très lourdes charges (l’air est remplacée par de l’huile sous pression) mais la mise en œuvre de ces vérins demande une attention toute particulière car l’utilisation d’huile sous pression est très dangereuse en cas de rupture de flexible (le jet d’huile sous pression peut entrainer des blessures graves).
Qu’il soit pneumatique ou Hydraulique, le principe de fonctionnement du vérin (et de son pilotage) reste le même, seul l’énergie diffère. N’utilisant que du pneumatique, nous ne parlerons que de cette catégorie de vérin.
Il faut actionner le vérin par l’intermédiaire d’une électrovanne pneumatique, elle-même pilotée par des fin de course ou bien par un automate programmable.
- L’utilisation de fin de course sur le vérin (ou sur l’articulation) permet d’obtenir un mouvement autonome : chaque fois que le mouvement arrive en butée, il est renvoyé automatiquement dans l’autre sens ; L’utilisation de deux fin de course pour les deux positions du vérin permet alors un mouvement en continu.
- L’utilisation d’un automate programmable permet plus de possibilités par l’utilisation de temporisations ou de programmation de séquences ; plusieurs mouvements peuvent alors être synchronisés (ex : une boîte qui s’ouvre pour laisser sortir un personnage).
Certaines équipes utilisent aussi les vérins hydrauliques pour mettre en mouvement de très lourdes charges (l’air est remplacée par de l’huile sous pression) mais la mise en œuvre de ces vérins demande une attention toute particulière car l’utilisation d’huile sous pression est très dangereuse en cas de rupture de flexible (le jet d’huile sous pression peut entrainer des blessures graves).
Qu’il soit pneumatique ou Hydraulique, le principe de fonctionnement du vérin (et de son pilotage) reste le même, seul l’énergie diffère. N’utilisant que du pneumatique, nous ne parlerons que de cette catégorie de vérin.
Il faut actionner le vérin par l’intermédiaire d’une électrovanne pneumatique, elle-même pilotée par des fin de course ou bien par un automate programmable.
- L’utilisation de fin de course sur le vérin (ou sur l’articulation) permet d’obtenir un mouvement autonome : chaque fois que le mouvement arrive en butée, il est renvoyé automatiquement dans l’autre sens ; L’utilisation de deux fin de course pour les deux positions du vérin permet alors un mouvement en continu.
- L’utilisation d’un automate programmable permet plus de possibilités par l’utilisation de temporisations ou de programmation de séquences ; plusieurs mouvements peuvent alors être synchronisés (ex : une boîte qui s’ouvre pour laisser sortir un personnage).
Exemple d’un mouvement simple:
- L’amplitude du mouvement dépend de la longueur du vérin 2 et du bras 4.
- La force du vérin (et donc la charge pouvant être déplacée au point E) dépend du diamètre du vérin 2 (diamètre du piston) et de la pression d’air de réseau (Force = Pression x Surface du piston).
- La force du vérin (et donc la charge pouvant être déplacée au point E) dépend du diamètre du vérin 2 (diamètre du piston) et de la pression d’air de réseau (Force = Pression x Surface du piston).
Il est bien sûr envisageable d’obtenir toute sorte de mouvement en associant plusieurs embiellages (et plusieurs vérins) mais nous sortons du cadre de cet article didactique.
Il est évidement possible d’effectuer un mouvement de rotation partielle (angulaire) à l’aide d’un vérin en travaillant a l’inverse du principe du moteur + bielle ; Le vérin est chargé du mouvement de translation (B) et par le jeu d’une bielle il entraine un disque en semi rotation (A): l’amplitude de l’angle de rotation est fonction de la longueur de la tige du vérin et du rayon du disque.
Il est évidement possible d’effectuer un mouvement de rotation partielle (angulaire) à l’aide d’un vérin en travaillant a l’inverse du principe du moteur + bielle ; Le vérin est chargé du mouvement de translation (B) et par le jeu d’une bielle il entraine un disque en semi rotation (A): l’amplitude de l’angle de rotation est fonction de la longueur de la tige du vérin et du rayon du disque.
Deux types de vérins pneumatiques utilisés dans nos articulations :
Vérin ‘classique’ double effet Vérin translateur sans tige
Pilotage pneumatique, automatisme :
Les vérins que nous utilisons sont dits à double effet car il faut commander et la sortie et la rentrée de la tige du vérin, contrairement aux vérins simple effet qui incluent un ressort de rappel pour faire rentrer la tige dès que le vérin n’est plus actionné.
Pour activer le mouvement de la tige il faut envoyer de l’air dans le vérin, et pour envoyer de l’air il faut un distributeur pneumatique et il existe toute sorte de distributeur à commande électrique, pneumatique, simple pilotage, double pilotages, monostable, bistable, … mais le principe reste le même.
Pour notre part nous utilisons des distributeurs à commande électrique (bobines 24V) et simple ou double commande et toujours avec deux positions (pour vérin double effet donc).
Un distributeur pneumatique est en fait composé d’un ‘tiroir’ qui distribue l’air sur ses sorties en coulissant en fonction du pilotage :
- Un distributeur simple commande dispose d’une seule bobine pour les deux positions ; il intègre un ressort de rappel qui ramène le tiroir en position initiale dès que le distributeur n’est plus piloté.
- Un distributeur double commande dispose de deux bobines ; le tiroir est directement piloté par les deux commandes, chaque pilotage agit donc directement sur le mouvement de la tige du vérin.
Pour activer le mouvement de la tige il faut envoyer de l’air dans le vérin, et pour envoyer de l’air il faut un distributeur pneumatique et il existe toute sorte de distributeur à commande électrique, pneumatique, simple pilotage, double pilotages, monostable, bistable, … mais le principe reste le même.
Pour notre part nous utilisons des distributeurs à commande électrique (bobines 24V) et simple ou double commande et toujours avec deux positions (pour vérin double effet donc).
Un distributeur pneumatique est en fait composé d’un ‘tiroir’ qui distribue l’air sur ses sorties en coulissant en fonction du pilotage :
- Un distributeur simple commande dispose d’une seule bobine pour les deux positions ; il intègre un ressort de rappel qui ramène le tiroir en position initiale dès que le distributeur n’est plus piloté.
- Un distributeur double commande dispose de deux bobines ; le tiroir est directement piloté par les deux commandes, chaque pilotage agit donc directement sur le mouvement de la tige du vérin.
Principe de commande d’un vérin double effet :
Pour faire sortir la tige du vérin, il faut envoyer l’air sur la sortie 2 du distributeur, la sortie 4 devient donc une entrée pour que l’échappement de l’air s’effectue par la sortie 5.
Pour faire rentrer la tige du vérin, il faut envoyer l’air sur la sortie 4 du distributeur, la sortie 2 devient donc une entrée pour que l’échappement de l’air s’effectue par la sortie 3.
Le pilotage des distributeurs étant direct et instantané, il faut amortir les mouvements de la tige du vérin pour ne pas obtenir de mouvements d’articulation brusques et violents (et dangereux !). Nous plaçons donc des limiteurs d’échappement directement sur les sorties 3 et 5 du distributeur ou bien des régulateurs de débit directement sur chaque entrée du vérin, tout dépend du type de distributeur. Dans les deux cas le principe est le même, il suffit d’agir sur une vis de réglage pour limiter l’échappement de l’air en provenance du vérin et donc la vitesse de mouvement de la tige (imaginez quand vous obstruez l’embouchure de sortie d’une pompe à vélo il est beaucoup plus difficile de pomper).
Les deux types de distributeurs utilisés :
2 positions, simple commande (monostable)
2 positions, double commande (bistable)
Commande d’un distributeur monostable simple commande :
En appuyant sur le bouton poussoir Sbp la bobine YV est alimentée et le distributeur change de position entrainant la sortie de la tige du vérin.
Le fait de relâcher le bouton poussoir Sbp coupe l’alimentation de la bobine YV, le distributeur revient donc à sa position initiale entrainant la rentrée de la tige du vérin.
Le fait de relâcher le bouton poussoir Sbp coupe l’alimentation de la bobine YV, le distributeur revient donc à sa position initiale entrainant la rentrée de la tige du vérin.
Commande d’un distributeur bistable double commande :
Le distributeur est dit bistable car il suffit d’une impulsion sur les bobines pour le faire changer de position ; la position est maintenue même si les bobines ne sont plus alimentées.
- En donnant une impulsion sur le bouton poussoir Sbp1 la bobine YV1 est alimentée et le distributeur change de position entrainant la sortie de la tige du vérin.
- En donnant une impulsion sur le bouton poussoir Sbp0 la bobine YV0 est alimentée et le distributeur change de position entrainant la rentrée de la tige du vérin.
L’intérêt de ce type de distributeur bistable est que nous pouvons remplacer les deux boutons poussoir par des fin de course placés sur le vérin ou sur l’articulation ce qui créé un mouvement continu autonome :
- Tige du vérin rentrée complètement et fin de course Sbp1 activé, la bobine YV1 est alimentée provoquant la sortie de la tige.
- Tige du vérin sortie complètement et fin de course Sbp0 activé, la bobine YV0 est alimentée provoquant la rentrée de la tige.
- Et ainsi de suite…
- En donnant une impulsion sur le bouton poussoir Sbp1 la bobine YV1 est alimentée et le distributeur change de position entrainant la sortie de la tige du vérin.
- En donnant une impulsion sur le bouton poussoir Sbp0 la bobine YV0 est alimentée et le distributeur change de position entrainant la rentrée de la tige du vérin.
L’intérêt de ce type de distributeur bistable est que nous pouvons remplacer les deux boutons poussoir par des fin de course placés sur le vérin ou sur l’articulation ce qui créé un mouvement continu autonome :
- Tige du vérin rentrée complètement et fin de course Sbp1 activé, la bobine YV1 est alimentée provoquant la sortie de la tige.
- Tige du vérin sortie complètement et fin de course Sbp0 activé, la bobine YV0 est alimentée provoquant la rentrée de la tige.
- Et ainsi de suite…
On peut bien sûr piloter aussi ce type de distributeur par automate programmable en remplaçant les deux boutons poussoirs par deux contacts de sortie, l’avantage est que nous pouvons gérer les articulations soit en utilisant des temporisations, soit par gestion des fin de course soit en créant de cycles.
Exemple de gestion de temporisation par programme Automate TSX 37 :
Exemple d’articulation par Vérin sur le char ‘Vous Allez LA, DO, RE’:
Le but était de faire bouger en même temps les sept pattes de la pieuvre et pour cela nous avons dû concevoir un mécanisme avec sept bras de leviers mis en mouvement par un unique vérin pneumatique.
- Nous avons étudié une structure en demi-cercle,
- Les sept bras de leviers sont répartis à égale distance les uns des autres avec un point de pivot sur la structure,
- C’est la base des bras de levier qui est mise en mouvement grâce à une partie mobile.
- La partie mobile coulisse sur deux tubes et est reliée à la tige du vérin ; en translatant elle entraine les sept bras de leviers et donc les pattes de la pieuvre.
- Le débattement du vérin est de 30 cm, par contre l’extrémité des pattes se déplace de plus de 2 mètres !
Sur le char nous avions au total 9 articulations par vérin pilotées par automate et deux par moteur 12V.
- Nous avons étudié une structure en demi-cercle,
- Les sept bras de leviers sont répartis à égale distance les uns des autres avec un point de pivot sur la structure,
- C’est la base des bras de levier qui est mise en mouvement grâce à une partie mobile.
- La partie mobile coulisse sur deux tubes et est reliée à la tige du vérin ; en translatant elle entraine les sept bras de leviers et donc les pattes de la pieuvre.
- Le débattement du vérin est de 30 cm, par contre l’extrémité des pattes se déplace de plus de 2 mètres !
Sur le char nous avions au total 9 articulations par vérin pilotées par automate et deux par moteur 12V.
Ci-dessous le système articulé des 7 tentacules de pieuvre