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Travaux Personnels Encadrés

Système étudié : Chariot de soudure

Problématique : Comment assurer un soudage de qualité de façon rectiligne et

régulière ?

Sommaire

RUINART Sébastien NIEL Thibaut

CATHELIN Guillaume LAISNE Morgan

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Sommaire

• Présentation du système

• Analyse fonctionnelle • Fonction globale

• Diagramme « bête à cornes »

• Diagramme pieuvre

• Diagramme FAST

• Étude de la régularité de la vitesse et de la linéarité du

système

• Etude de la vitesse angulaire d’une roue ainsi que sa fréquence

• Roulette de guidage

• Étude de la régularité du soudage

• Etude du régulateur de température

• Expérience : régulateur de vitesse

• Étude de la qualité du soudage

• Etude des thermoplastiques

• Détecteur de mur

• Réalisation du système par D.A.O.

• Dessin d’ensemble

• Liaison de l’engrenage : embrayage du chalumeau

• Schéma cinématique minimal

• Conclusion

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Présentation du système

Le système que nous avons étudié est utilisé pour le soudage de revêtements de

sols en PVC et pour le thermocollage de sols en linoléum, il est donc

principalement utilisé dans les métiers du bâtiment.

Ce système est autonome, c'est-à-dire que ce système, après avoir été mis sous

tension, est capable de fonctionner et de s’arrêter sans intervention de

l’utilisateur, grâce notamment au détecteur de murs placé à l’avant du chariot.

Le soudage ou le thermocollage, suivant les cas, sont assurés par l’intermédiaire

d’un chalumeau : celui-ci chauffe un cordon de soudure, se déroulant au fur et à

mesure de l’avancé du chariot, et qui en refroidissant permet de souder deux

parties d’un revêtement de sols entre elles.

Détecteur de murs (avant du chariot)

Chalumeau

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Analyse fonctionnelle

Fonction globale :

Diagramme « bête à cornes » :

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Diagramme pieuvre :

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Diagramme FAST :

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Etude de la régularité de la vitesse et

de la linéarité du système

Etude de la vitesse angulaire et de la fréquence d’une roue du chariot de

soudure :

Cette étude n’est pas théorique : les valeurs sélectionnées pour l’étude suivante

ont été mesurées sur le système, ainsi les résultats sont en accord avec la réalité.

Notre étude portera sur la variation de fréquence de révolution de la roue en

fonction de la vitesse du chariot. Pour mieux imaginer la situation, nous avons

schématisé celle-ci ci-dessous :

R= 50

Vecteur vitesse

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Un bouton sur le chariot permet de régler la vitesse linéaire. Ainsi on peut faire

varier la vitesse selon la tâche à accomplir. Le système peut aller de 1.0 à 7.5

mètres par minute. Nous nous sommes donc intéresser à la fréquence de rotation

des roues en fonction de cette vitesse. Nous avons tout d’abord calculé la vitesse

angulaire des roues afin de pouvoir par la suite trouver cette fréquence et tracer

sa courbe représentative.

Vitesse angulaire d’une roue du chariot à souder :

On utilise la formule : V = R .

Vitesse angulaire d’une roue

Vitesse du chariot rayon de la roue (rad/s)

(m/s) (m)

D’où ω = V/ R

On calculera la vitesse angulaire d’une roue pour une vitesse linéaire de 7,5

m/min :

V= 7,5 m/min = 0,125 m/s

R = 50 mm → 0,050 m

ω = 0,125 / 0,050

= 2,5 rad/s

La vitesse angulaire est donc de 2,5 rad/s pour une vitesse linéaire de 7,5 m/min.

La vitesse linéaire du chariot pouvant varier de 1.0 à 7,5 m/min, on applique la

formule a ces différentes valeurs t on obtient alors le tableau suivant :

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Vitesse linéaire du chariot

(m/min)

1 2 3 4 5 6 7,5

Vitesse angulaire d’une roue

(rad/s)

0 ,3 0 ,7 1 1,3 1,7 2 2,5

On peut représenter ceci sous forme de graphique :

Grâce aux valeurs de la vitesse angulaire nous pouvons en déduire la fréquence

de révolution d’une roue du chariot :

On utilise la formule suivante : F = ω / 2π

Fréquence en tour par minute vitesse angulaire

(tr/min) (rad/s)

De même, on réalise les calculs pour une vitesse linéaire de 7,5 m/min, c’est-à-

dire une vitesse angulaire de 2,5 rad/s.

ω = 2,5 × 60 = 150 rad/min

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F = ω / 2π

= 150 / 2π = 23.9 tr/min

La fréquence de révolution d’une roue est donc de 23,9 tr/min pour cette vitesse.

On sait que la vitesse linéaire du chariot peut varier, on en déduit le tableau

suivant :

Vitesse moyenne des roues (m/min) 1 2 3 4 5 6 7,5

Fréquence de révolution d’une roue

(tr/min)

3,18 6,35 9,54 12,7 15,9 19,1 23,9

On peut également représenter ceci sous forme de graphique :

Malgré cette vitesse, le chariot assure un déplacement rectiligne grâce à une

roulette de guidage.

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Roulette de guidage :

La roulette de guidage

permet malgré la vitesse du

chariot, tout de même

importante, de garder une

trajectoire rectiligne, et ainsi

permettre un soudage

rectiligne et régulier.

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Etude de la régularité du soudage

Etude du montage de régulateur de température :

Cette étude est théorique, c’est à dire que l’on étudie le fonctionnement, ainsi les

valeurs ne sont pas celles du robot.

On cherche à montrer, dans cette étude, le principe de régulation de température

appliqué au chalumeau. Celui-ci consiste à couper le courant qui arrive dans le

chalumeau à partir d’une certaine température. Puis, quand la température passe

en-dessous d’un seuil minimal, le chalumeau chauffe à nouveau

Afin de visionner ce phénomène, nous avons réalisé le montage électrique

suivant :

Potentiomètre de régulateur de température

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1. Etude du fonctionnement d’un amplificateur en mode

comparateur :

Dans cette étude, on utilise un amplificateur opérationnel (AOP) en mode

comparateur de tension. En effet, on souhaite que le chalumeau ne chauffe

plus au delà d’une certaine température. Le comparateur est ici chargé

d’analyser les deux tensions d’entrée pour ensuite délivré une tension qui

permet d’alimenter le système de chauffage de la source de chaleur. L’AOP

délivre une tension à sa sortie uniquement lorsque la tension de la branche

qui comporte la thermo-résistance est plus élevée que celle de la deuxième

branche.

2. Etude de la formation du montage

Ce montage doit permettre à l’utilisateur de contrôler la température de la source

de chaleur qui s’échappe du chalumeau. La particularité de celui-ci réside dans

la thermo-résistance, qui permet de faire varier la résistance de celle-ci en

fonction de la température dégagée par le chalumeau. On se sert des ponts

diviseurs de tension, lesquels sont reliés à l’AOP. En effet, nous avons placé

deux branches, l’une avec une tension fixe, grâce à deux résistances qui ne

varient pas ; au contraire, dans la seconde branche, la thermo-résistance permet

à la tension de la branche de varier grâce au principe du pont diviseur de tension.

C’est pourquoi, lorsque la température passe en dessous d’un certain seuil, la

valeur de la thermo-résistance augmente, ainsi que la tension de la branche. Puis

le principe de l’AOP expliqué ci-dessus s’applique. La DEL, présente dans le

montage, a ici un rôle de témoin : elle représente le système de chauffage de la

flamme. Lorsque celle-ci est allumée, ce système est alors en fonctionnement,

c’est à dire que l’AOP laisse passer le courant électrique.

AOP en mode

comparateur

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3. Application numérique :

U1

Etude de la branche n°1 :

On utilise la loi d’Ohm : U= (R1+ R2) × I1

D’où I1= U / ( R1 + R2 )

Or U1= R1 × I1

U1= R1 × ( U / ( R1 + R2 ) )

U1= ( R1 × U ) / ( R1 + R2 )

A.N.: U1= ( 10 × 9 ) / ( 10 + 10 )

U1= 90 / 20 = 4.5 V

Donc la tension à la 1ere borne de l’amplificateur opérationnel est

de 4.5 V.

Etude de la branche n°2 :

On utilise la loi d’Ohm : U= ( R3 + R4 ) × I2

D’où I2 = U / ( R3 + R4 )

Or U2 = R3 × I2

U2 = R3 × ( U / ( R3 + R4 ))

U2 = ( R3 × U ) / ( R3+ R4 )

A.N.: U2 = ( 25 × 9 ) / ( 25 + x )

x étant la valeur de la thermo-résistance, elle varie en fonction

de la température.

U2

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Or les deux branches du circuit sont reliées à un amplificateur opérationnel en

mode comparateur, ainsi d’après le fonctionnement expliqué ci-dessus, la

tension de sortie de la deuxième branche doit être supérieure à la tension de

sortie de la première branche du circuit pour que le chalumeau puisse chauffer.

Donc U2 doit être supérieure à 4,5V, donc on doit calculer la valeur de la

résistance, pour laquelle la tension U2 est supérieure à U1 :

On résout en fait l’équation : 4,5 = ( 25 9 ) / ( 25 + x )

4,5 ( 25 + x ) = 225

112,5 + 4,5x = 225

4,5x = 112,5

x = 112,5 / 4,5 = 25 k

Donc la thermo-résistance doit être supérieure à 25 k, pour une température

d’environ 10°C, afin que la tension soit plus élevée dans la deuxième branche

que dans la première branche.

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Expérience : régulateur de vitesse

Afin de faire une étude plus concrète de notre système, nous avons mis au

point une expérience. En effet, nous nous sommes demandés comment

s’exerçait la régulation de la vitesse sur le chariot de soudure.

Nous sommes rendus compte, qu’en faisant varier le rapport cyclique du

signal émis par le système, nous étions capable de d’agir sur la vitesse du

chariot.

- Plus la valeur du rapport cyclique est faible (photo 2), plus la vitesse est petite.

- Plus la valeur du rapport cyclique est élevée (photo 1), plus la vitesse est

importante.

La régulation de la vitesse a un rôle essentiel dans la qualité de la soudure

exercée par le chariot, et plus précisément dans la régularité du soudage.

Photo 1 Photo 2

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Etude de la qualité du soudage

Etude des thermoplastiques :

Le chariot de soudure a pour but de réaliser une soudure entre deux parties de

revêtement de sol, que l’on peut alors considérée comme un joint. C’est ici

qu’intervient le cordon de soudure, chauffé par le chalumeau jusqu’à fusion, et

qui en durcissant permet d’obtenir le résultat voulu.

La soudure plastique est un ensemble de techniques utilisées pour souder

deux matières plastiques entre-elles. Notre système emploie l’une de celle-ci par

l’intermédiaire du cordon. Celui-ci est conçu en matière thermoplastique,

capable de ramollir sous l’action de la chaleur est de prendre une forme

différente en durcissant. Nous allons donc étudier les propriétés chimiques des

thermoplastiques.

Notre étude portera plus particulièrement sur le polychlorure de vinyle, étant

donné que le cordon est le plus souvent constitué de PVC, en raison de sa faible

température de fusion (65ºC), de son étanchéité et de forte résistance aux

conditions difficile de l’environnement qui l’entoure.

Le polychlorure de vinyle, comme tous les thermoplastiques, est un dérivé de

polymère, macromolécule constituée de monomères.

Cordon de soudure

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La polymérisation est une réaction chimique qui permet la synthèse d’un

polymère à partir de monomères. La polymérisation par polyaddition consiste à

additionner les unes après les autres un nombre important de monomères. Lors

de cette réaction chimique, le monomère de chlorure de vinyle, constitué d’une

double liaison C=C, va briser cette liaison pour permettre à un autre monomère

de venir s’attacher à lui.

Les polymères ont un autre atout : ils sont capable de passer d’un matériau à

un autre, et donc vont pouvoir accrocher un autre matériau, c'est-à-dire exercés

un effet adhésif sur ce dernier. C’est par ce moyen qu’on obtient une soudure

plastique. C’est grâce à cette technique que le chariot peut effectuer un soudage

de bonne qualité.

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Etude du détecteur de murs :

Ce détecteur de murs permet au chariot de soudure de

couper l’alimentation du système automatiquement et ainsi

toutes les actions en cours.

Pour réaliser cette action, on peut utiliser une porte logique

NON.

Logique : équation : S = C

_ Lorsque le capteur est à un niveau 0, le système peut alors

fonctionner

_ Lorsque le capteur passe à un niveau 1, le système se coupe

automatiquement.

Chronogramme : Schéma équivalent à contact :

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Réalisation du système par D.A.O

Dessin d’ensemble :

Ce dessin représente le système avec ses points principaux juste avant le contact

avec un mur.

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Liaison de l’engrenage : embrayage du chalumeau

Ce dessin représente la liaison engrenage qui forme l’embrayage du chalumeau.

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Schéma cinématique minimal :

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Conclusion du TPE

Afin de répondre à notre problématique, nous avons étudié différents points

essentiels du système. Nous avons vu que la régularité du soudage était assuré

par un montage de régulateur de température ainsi qu’un montage de régulateur

de vitesse. La linéarité du système, quant à elle est assurée par une roulette de

guidage qui compense une vitesse assez conséquente des roues. Le chalumeau

permet de souder les revêtements de sols en chauffant des matières plastiques,

les thermoplastiques. C’est cette technique qui permet au système d’assurer un

soudage de bonne qualité. De plus, le système est muni d’un capteur, qui

lorsqu’il rencontre un obstacle, permet d’arrêter le système afin d’éviter des tas

de soudures sur le sol et donc de préserver également un bon soudage.