Conception mécatronique et mécanique vibratoire (07_O-CMV)

• Coefficient : 6
• Volume Horaire: 150h estimées de travail (dont 84h EdT)
  CM : 15h encadrées
  Labo : 63h encadrées (et 6h de séances d'études dirigées)
  Travail personnel hors EdT : 66h
• Dont projet : 63h encadrées et 64h projet personnel

Liste des AATs

Description

Ce module permet aux élèves ingénieurs de mettre en application une démarche d'ingénierie en conception et construction mécatronique dans le but de valider expérimentalement les résultats théoriques issues de simulations numériques permettant la prédiction du comportement dynamique d'un système mécanique. Les systèmes physiques étudiés sont des systèmes dynamiques mécaniques "élémentaires" soumis à des excitations mécaniques fréquentielles, leurs réponses font apparaitre des modes propres préjudiciables au bon fonctionnement de nombreux systèmes mécaniques.

• La modélisation de ces systèmes utilise les principes fondamentaux de la dynamique et de la mécanique vibratoire et sert de base à la simulation numérique du comportement dynamique.
• Les résultats de simulation permettent un dimensionnement électro-mécanique du système d'excitation, un chiffrage des valeurs des correcteurs PID d'asservissement et une prédiction des amplitudes de mouvement en fonction de la fréquence d'excitation ce qui met en évidence les modes propres recherchés.
• Le dispositif expérimental est composé d'un système physique, de son excitation fréquentielle motorisée, d'un système de mesure et d'acquisition des amplitudes des mouvements, du controle commande du moteur en boucle fermée, des cartes de commandes électroniques incluants l'implantation des lois de commande et les sécurités câblées de premier niveau et d'un IHM de supervision codé en python permettant l'enregistrement et le paramétrage des essais.
• La comparaison des résulats expérimentaux et théorique nécessite un post-traitement numérique des données brutes d'acquisition réalisé numériquement par un programme python.

Acquis d'Apprentissage visés (AAv)

• AAv1 [heures: 14, E3, E4, E1, F1, F2] (travail en équipe) : Situation: dans un contexte donné et avec un cahier des charges pluridisciplinaire donné, Le groupe d'étudiant doit être capable d'organiser efficacement la restitution du travail d'équipe en définissant les tâches, en les affectant aux ressources, en plannifiant leurs exécutions dans le temps et en présentant de manière synthétique le travail réalisé en s'appuyant sur des documents de synthèses et des preuves techniques de fonctionnement. Plus précisemment, le groupe d'étudiant sera capable de:

  • former un groupe, identifier les compétences des membre de son groupe et d'affecter individuellement les tâches pour maximiser ses chances d'atteindre ses objectifs. Il doit prévoir et suivre l'évolution des tâches réalisées au cours du semestre dans un planning de synthèse pour anticiper les problèmes et rendre compte de l'avancement du projet.
  • synthétiser la démarche utilisé et le travail réalisé à l'aide de documents.
  • Présenter à l'aide de ces documents, de manière synthétique, l'avancement du travail pour bénéficier de conseils techniques et méthodologiques
  • Prouver le fonctionnement technique par des démonstrations partielles sur des sous-ensembles adaptés à l'avancé du travail pour permettre la validation des étapes du projet

• AAv2 [heures: 14, C1, F1, F2] (communication) : A la fin du semestre, le groupe doit être capable de présenter par écrit et par oral, les objectifs à atteindre, la démarche de travail et les résultats obtenus en choisissant les supports les plus appropriés. Plus précisemment, le groupe d'étudiant sera capable de:

  • Rédiger un rapport technique montrant l'approfondissement disciplinaire du travail réalisé et permettant une reprise du travail.
  • Construire un poster de présentation pluridisciplinaire du projet dans le but de mettre en évidence les liens entre tous les aspects techniques du système.
  • Présenter à l'oral le déroulement du projet, les liens entre les tâches réalisées, les méthodes de travail utilisées, les résultats obtenus en confrontation avec le cahier des charges initiales.
  • Prouver le respect du cahier des charges par une mise en oeuvre technique de la solution finale obtenue

• AAv3 [heures: 14, A3, C1, B1, D2, D3, D4] (démarche conception) : A la fin de l'enseignement, dans un contexte pluridisciplinaire donné, avec un système existant imparfait, partiellement documenté et éventuellement non-fonctionnel, et avec un cahier des charges disciplinaires donné, le groupe d'étudiant doit être capable de mettre en oeuvre une démarche complète de conception: analyse du besoin, choix justifié de solutions, conception et dimensionnement, réalisation, validation et documentation. Plus précisemment, le groupe d'étudiant sera capable de:

  • Mettre en oeuvre et analyser le système existant
  • Proposer des axes d'amélioration en lien avec l'objectif fixé dans le cahier des charges
  • Evaluer ces différentes solutions en utilisant une grille critériée
  • Justifier les critères retenus dans le choix de la solution
  • modéliser puis simuler le système afin de dimensionner les composants mécaniques et valider le paramétrage PID de la commande.
  • Dévelloper la solution technique (dessin CAO, programmation)
  • Construire la solution en achetant ou en commanditant la fabrication en interne à l'ENIB ou en réalisant soi-même à la Forge les différents composants nécessaires.
  • Assembler, tester et évaluer la solution mise en oeuvre vis à vis des objectifs visés.
  • Documenter le travail réalisé pour permettre une reprise de conception (nomenclature, mise en plan, diagramme, liste E/S, adressages, analyse critique du résultat obtenu...)

• AAv4 [heures: 13, C1, C2, C3, D2, D3, D4] (instrumentation) : À l'issue de cet enseignement, le groupe d'étudiants doit être capable de mettre en oeuvre un système numérique permettant de mesurer les grandeurs physiques nécessaires à l'étude et la caractérisation des vibrations d'un système mécanique. Pour mettre en oeuvre cette chaîne d'instrumentation, le groupe d'étudiants devra être capable de :

  • S'approprier le travail déjà réalisé par les groupes qui l'ont précédé sur ce sujet
  • Améliorer et augmenter le système de mesure proposé (possiblement en remettant en cause les choix passés).
  • Réaliser l'électronique d'interfaçage entre les capteurs choisis et le microcontrôleur.
  • Réaliser ou modifier le code embarqué dans le microcontrôleur.
  • Réaliser ou modifier une IHM sur un PC permettant de récupérer, visualiser et analyser les données acquises.
  • Tenir une documentation et des documents de conception à jour pour que leurs travaux réalisés puissent être valorisables.

• AAv5 [heures: 12, C1, C2, C3, D2, D3, D4] (commande) : À l'issue de cet enseignement, le groupe d'étudiants doit être capable d'asservir un moteur en rotation permettant d'exciter un système vibrant. Pour mettre en oeuvre cet asservissement, le groupe d'étudiants devra être capable de :

  • S'approprier le travail déjà réalisé par les groupes qui l'ont précédé sur ce sujet
  • Améliorer et augmenter le correcteur proposé (possiblement en remettant en cause les choix passés).
  • Réaliser l'électronique d'interfaçage et protection.
  • Réaliser ou modifier le code embarqué dans le microcontrôleur
  • Tenir une documentation et des documents de conception à jour pour que leurs travaux réalisés puissent être valorisables.

• AAv6 [heures: 14, C1, B3, B4, C2, C3] (modélisation mécanique) : À l'issue de cet enseignement, le groupe d'étudiants doit être capable de modéliser et simuler le fonctionnement mécanique du système pour élaborer une fonction de transfert mécanique permettant le calcul et la validation des correcteur PID en boucle fermé.

• AAv7 [heures: 14, B2, B3, B4] (modélisation système vibratoire) : Les étudiants sauront écrire le système d'équations dynamique d'un système oscillant discret ou d'un système oscillant continu simple :

  • Ecriture des énergies potentielles, cinétiques et du potentiel de dissipation
  • Application des équations de Lagrange ou du principe d'Hamilton
  • Assemblage des matrices de masse et de raideur

• AAv8 [heures: 14, B2, B3, B4] (résolution système équations mouvement vibratoire) : Les étudiants sauront comprendre et utiliser un programme informatique permettant la résolution d'un système d'équations dynamiques du second ordre à l'aide de la méthode de superposition modale appliquée à un cas d'oscillations libres et/ou harmoniques.

  • Détermination de spectre du système matriciel (pulsations propres et des modes propres) à partir du système matriciel obtenu
  • Résolution du problème dans la base modale
  • Traitement et analyse des résultats dans la base des paramètres généralisés.

• AAv9 [heures: 14, B2, B3, B4] (traitement signal vibratoire) : Les étudiants sauront analyser un signal vibratoire théorique, numérique ou expérimental et en extraire les paramètres modaux au moyen d'un script informatique.

  • Identification des fréquences propres par transformée de Fourier rapide
  • Détermination des taux d'amortissements après filtrage numérique des modes
  • Détermination des déformées modales après analyse des spectre fréquentiels en différents points de la structure analysée

Modalités d'évaluation

Evaluation individuelle scientifique en mécanique vibratoire Evaluation d'une équipe de projet de 4 à 6 étudiants par entretiens oraux réguliers, dossier technique final et présentation orale finale.

Mots clés

Ingénierie mécatronique, mécanique vibratoire, conception mécanique assisté par ordinateur (CAO), modélisation mécanique, calculs numériques, IHM, contrôle commande moteur, acquisition de données capteurs, fabrication électronique et mécanique, programmation python, post-traitement de données d'acquisition.

Pré-requis

• Conception/construction mécanique et dimensionnement RDM.
• Maitrise d’un outil de CAO.
• Modélisation dynamique d’un système mécanique.
• connaissances des algorithmes d'asservissement et leurs performances.
• codage python pour IHM et calculs numériques
• programmation de cartes électronique (commande moteur et acquisition)
• CAO et construction électronique
• calcul numérique

Ressources

• archives des équipes des semestres précédents
• aide méthodologique sur Moodle