Motorisation et asservissement inflecteur dans un cyclotron

[cookielau]

Bonjour à tous,
Je suis actuellement en stage ouvrier pour trois semaines dans une entreprise spécialisé dans les accélérateurs linéaires et circulaires comme le cyclotron. J'effectue mon stage dans le BE Mécanique, et mon projet consiste à débroussailler un peu le projet qu'ils ont de motoriser et asservir en translation l'inflecteur qui permet de dévier et accélérer le faisceau incident. C'est la deuxième semaine et j'ai trouvé quelques solutions qui selon moi conviendrait étant donné l'environnement difficile.( Vide, irradiation, fort champ magnétique,..). J'étais donc parti bien entendu sur l'idée du moteur pas à pas qui est selon moi la meilleure solution pour contrôler un mouvement précis. J'ai vu qu'il existait des moteurs Bibus pneumatique pas à pas avec la possibilité d'un modèle linéaire avec arbre creux et vis sans fin(BPS SR, ou moteur Tesla utilisé dans les IRM) qui répondrait aux difficultés d'environnement. Néanmoins, il serait difficile à asservir. Un moteur pas à pas à courant continu me parait donc le plus intéressant et plus facile à asservir. Pour les codeurs, j'avais pensé à des codeurs optiques incrémentaux qui selon moi pour un asservissement en position sont le mieux. Néanmoins avec l'environnement difficile régnant, il serait surement nécessaire de faire un blindage autour de ceci. Et tout ca a un coût et mon tuteur veut que je lui propose plusieurs solutions et de voir la plus efficace et la moins coûteuse mais j'arrive à court d'idée et de culture scientifique et il n'a pas l'air pour le moment de vouloir commencer cet avant projet.
Je sollicite alors votre aide, merci d'avance
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[DAUDET78]

Bonjour et bienvenue sur FUTURA

J'étais donc parti bien entendu sur l'idée du moteur pas à pas qui est selon moi la meilleure solution pour contrôler un mouvement précis.

Par définition, un moteur pas à pas avance d'un pas , d'un demi pas ou d'un quart de pas (suivant le mode de commande) et sa position est parfaitement connue ( si le couple résistant n'est pas trop fort). Donc, on ne fait pas l'asservissement en position d'un moteur de ce type.... donc pas besoin de codeur !
Par contre, il faut connaitre sa position "zéro" ou de référence (comme pour un codeur incrémental) afin de savoir le nombre de pas a lui faire faire pour atteindre une position donnée (A la mise sous tension, cycle d'aller en butée et ensuite positionnement)

[cookielau]

Bonjour Daudet et merci pour votre réponse. En effet l'intérêt d'un moteur pas à pas c'est de pouvoir connaître le déplacement en connaissant le pas c'est pourquoi je pensais la même chose que vous mais mon tuteur m'a dit qu'il fallait un codeur ou un capteur type potentiomètre pour pouvoir connaitre au mm pres ( course maxi de la translation 11mm) la position à l'aide d'un ordinateur et la régler simplement en donnant une consigne via l'automate, que la position puisse se corriger en temps réel par rapport à la consigne.

[DAUDET78]

mais mon tuteur m'a dit qu'il fallait un codeur ou un capteur type potentiomètre pour pouvoir connaitre au mm pres ( course maxi de la translation 11mm) la position à l'aide d'un ordinateur et la régler simplement en donnant une consigne via l'automate,

Ben, ton tuteur est tordu et ne connait rien ....

que la position puisse se corriger en temps réel par rapport à la consigne.

Complétement farfelu ! Tu corriges la position du moteur pas à pas par rapport à la consigne sans problème (si il est assez puissant et ne perd pas de pas !)

[A voir en vidéo sur Futura]

[cookielau]

Je vois. Vous pensez donc qu'un moteur pas à pas linéaire ou avec un mécanisme de transformation derrière permettrait de réaliser ce mouvement tout en pouvant observer sur un écran d'ordi la donnée de position en temps réel et pouvoir la modifier à souhait?

[mécano41]

Bonjour,

Je vais me faire l'avocat du tuteur tordu.....

Peut-être s'est-il mal exprimé ; il a pu vouloir dire qu'il fallait un codeur (absolu) s'il faut à tout prix conserver la valeur de la position en cas de coupure de courant... Sans codeur, il faut réinitialiser en allant sur le capteur d'init. puis recompter les pas...mais ce n'est qu'un avis...de mécanicien...

Cordialement

[cookielau]

Effectivement, j'imagine qu'il y a bien une raison pour qu'il veuille un codeur et qu'il souhaite bien l'asservir. Je lui ai proposé le codeur optique absolu mais il m'a dit que l'optique risquait de ne pas être approprié à l'environnement. Après il n'a pas vraiment réfléchi au projet pour le moment donc je dois simplement proposé les idées qui me viennent. Un verin linéaire électrique pourrait faire peut-être l'affaire aussi. Qu'en pensez-vous? Avez vous des idées d'un système qui pourrait fonctionner dans un tel environnement qu'est un cyclotron

[DAUDET78]

.mais ce n'est qu'un avis...de mécanicien...

Tu as parfaitement raison .... mais on fait des hypothèses en ne sachant pas exactement ce que c'est qu'un

....asservir en translation l'inflecteur qui permet de dévier et accélérer le faisceau incident.

C'est gros? petit? une aile d'avion? un bout de tôle?

[cookielau]

L'inflecteur se compose d'un nez et d'un contre nez qui correspondent respectivement à l'electrode +8V et l'électrode reliée à la terre afin de créer un champ électrostatique permettant de dévier le faisceau de particules dans le plan médian. la taille du nez et du contre nez ne dépasse pas 2-3cm de diametre et 5-6 cm de hauteur (cylindre). Néanmoins la tige qui le relie pour le moment au bouton qui permet de le faire translater sur la paroi du cyclotron, doit mesurer dans les 50 cm.

[DAUDET78]

Donc il n'y a quasiment de couple résistant (sinon l'inertie !) . Comme ça ne doit pas aller très vite(?) ... pas à pas sans codeur .

[cookielau]

D'accord mais je ne vois toujours pas comment je vais faire pour asservir ce système en sachant qu'un moteur pas à pas ne necessite pas de boucle retour donc d'asservissement

[DAUDET78]

D'accord mais je ne vois toujours pas comment je vais faire pour asservir ce système

Il ne faut pas asservir !
Tu dis à ton pas à pas d'aller à une position ... et il y va . point barre.
Tu sais exactement où il est. Pourquoi asservir ?

[cookielau]

Oui j'ai bien compris cela, mais leur projet est bien de motoriser et d'asservir ce système. Il y a bien une raison, malheureusement il n'est pas la cette semaine donc je ne peux pas lui demander. Il m'a dit aussi que les 3 résonateurs (qui accélerent les particules) étaient motorisés et asservis en position avec des moteurs pas à pas et des capteurs potentiométriques. Mais il n'a pas su me donner les références des moteurs utilisés du coup je n'ai pas pu me renseigner dessus ce qui est dommage

[DAUDET78]

Il m'a dit aussi que les 3 résonateurs (qui accélerent les particules) étaient motorisés et asservis en position avec des moteurs pas à pas et des capteurs potentiométriques.

Errare humanum est .....

[f6bes]

Ben, ton tuteur est tordu et ne connait rien ....Complétement farfelu ! Tu corriges la position du moteur pas à pas par rapport à la consigne sans problème (si il est assez puissant et ne perd pas de pas !)

Bjr à toi,
Dans le meme genre , j'en ai connu un qui PAR PRECAUTION ( on ne sait jamais) mettait DEUX lignes de "goto.. xx" au cas ou
le programme sauterait une ligne.
On n'est jamais assez prudent !

Bonne journée

[mécano41]

Je vais essayer de te donner un avis afin que tu essaies de prendre le sujet par le bon bout et surtout, que tu puisses ensuite poser les bonnes questions aux gens qui savent...

Tu as à traiter un dispositif s'intégrant dans un milieu hostile ; il faut poser les questions (à toi-même ou à quelqu'un d'autre) :

1- Vide

- quelle partie du dispositif vais-je pouvoir mettre dans le vide? A priori, je dirais que le vide, le moteur s'en fout complètement mais que le vide, lui, ne va pas aimer avoir un moteur dedans (si le vide doit être poussé : problème de dégazage des bobinages des vernis...etc).
- peut être faut-il alors essayer de "sortir" la mécanique. Si j'ai compris, tu auras un déplacement rectiligne d'une tige de 11 mm maxi : cela peut probablement se traiter au moyen d'un soufflet métallique de la conception qui va bien pour accepter cette course et la pression externe (pression atmosphérique). Attention! de cette pression,résulte un effort qui, selon le sens, s'ajoute ou se retranche de l'effort nécessaire pour manoeuvrer la tige

2- Rayonnements

- il ne faut pas rêver : tout ce qui est en plastique, élastomère... se bouffe à plus ou moins long terme. Si les rayonnements sont importants, on peut augmenter la durée de vie en ajoutant un écran (acier, plomb...). La disposition "mécanique sortie" peut faciliter cet ajout
- il faut éventuellement utiliser des graisses spéciales car les autres se décomposent

3- Champ magnétique

- je n'ai pas d'avis ; si personne ne peut te répondre ici, il vaudra mieux poser cette question particulière dans le forum Physique (en rappelant le lien au présent sujet). Il faudra donner la valeur du champ et dire s'il est constant ou variable (fréquence...)

Mais pour ces trois points, c'est ton tuteur qui devrait être le mieux placé pour te répondre...

Ensuite, sans encore préjuger du système à ajouter, il faut évaluer les besoins :

Au niveau des pièces à manoeuvrer :

- course du dispositif
- vitesses maxi nécessaire (et mini s'il y a lieu)
- effort de manoeuvre nécessaire
- précision souhaitée du système de réglage à concevoir

Ensuite, au niveau du dispositif de manoeuvre et pour chaque idée de principe, il faut te poser les questions :

- puis-je mettre l'actionneur en direct? (selon couple, vitesse, inerties entraînées...) ou dois-je mettre un réducteur? Si la précision souhaitée est grande , il en faudra forcément un. Si l'on transforme le mouvement de rotation en mouvement de translation au moyen d'un système vis-écrou, cela peut-être suffisant dans certains cas
- dans le cas d'un réducteur et si l'on envisage un codeur absolu, potentiomètre ou autre : où vais-je devoir le placer, car son déplacement est en général limité ; si le moteur fait 250 tours pour une course...il ne pourra pas être sur le moteur...

Ensuite, il faut faire les calculs pour chaque principe :

- inertie, frottement, raideur et pression sur soufflet dans le cas cité plus haut...(tous ces éléments ramenés au moteur. Attention à l'inertie entraînée en cas de moteur pas-à-pas. On m'avait conseillé de ne pas dépasser l'inertie du rotor...mais c'était il y a longtemps...)
- définir l'ensemble moteur/électronique de commande permettant de répondre au besoin en course, vitesse, effort et précision

... plus... tout ce que j'ai oublié...et que d'autres intervenants complèteront...C'était juste pour t'orienter un peu...


Cordialement

[cookielau]

Merci pour votre réponse détaillée, je vais appliquer cette démarche !

[cookielau]

J'ai assimilé mon système à un cylindre de 10mm de diamètre environ, de 52mm de hauteur avec une inertie par rapport à l'axe de translation de 10500g.mm². En sachant que je veux un déplacement de 11mm maxi, comment puis-je estimer le couple moteur qu'il va me falloir. Merci

[mécano41]

Je ne comprends pas ton calcul...tu parles d'une inertie en g.mm² et d'une translation...il faudrait faire un croquis simple (en .jpg par ex.) avec les dimensions et masses des éléments principaux et les sens des déplacements...

Cordialement

[cookielau]

Voici un schéma très simplifié

[mécano41]

Voici un exemple pour un dispositif avec système vis-écrou comprenant :

- le nez de masse mnez (en kg)
- la tige de masse mtige (en kg)
- l'écrou lié à la tige et de masse mécrou (en kg)
- le soufflet dont la raideur et la section soumise à la pression atmosphérique induiront un effort maxi : Fs (en N)
- la vis d'inertie Jvis (en kg.m²) et de pas p (en m)
- l'accouplement d'inertie Jaccoup (en kg.m²)
- les guides, produisant un effort de frottement avec la tige : Ff (en N)
- le palier de vis produisant un couple de frottement avec la vis : Cf (en N.m)

il faut translater avec une accélération maxi souhaitée : a (en m/s/s)

La masse totale à translater est mtot=mnez+mtige+mécrou (en kg)

La force pour accélérer la masse en translation est : Fa (en N) = mtot . a

A cela, il faut ajouter :

- l'effort maxi du soufflet (effet du vide compris) : Fs
- les efforts de frottement de la tige sur les guides : Ff

L'effort total de translation sera donc : Ftot (en N) = Fa+Fs+Ff

Le système vis-écrou transforme :

- cet effort nécessaire en couple : C1 (en N.m) = Ftot . p / 2pi
- l'accélération linéaire en accélération angulaire : Omega' ( en rad/s/s) = a . 2pi / p

Le couple d'accélération de l'accouplement sera donc : C2 (en N.m) = Jacc . Omega'

Le couple total minimal nécessaire sur l'arbre moteur sera : Ctot (en N.m) = C1+C2+Cf

Ce n'est qu'un exemple (qu'il faut vérifier!)...tu peux faire la même démarche pour un système pignon-crémaillère par ex.

Il est probable que certains points pourront être négligés (ex. les effets de l'accélération si celle-ci est faible et les masses également. Dans ce cas les frottement seront prépondérants...mais pas toujours faciles à évaluer)

Il faut ensuite vérifier, comme indiqué dans message précédent, que la vitesse maxi, temps de déplacement...etc seront corrects

Cordialement

[cookielau]

Merci pour cet exemple, il va bien me servir pour la suite. Je vais essayer de faire pareil pour les systèmes et solutions que je lui avais proposé et voir avec lui ce qu'il en pense. Merci pour votre aide!

[cookielau]

Du coup pour le moteur, vaut il mieux prendre un pas à pas ou un moteur CC simple et un codeur pour avoir la meilleure précision? si j'opte pour la seconde option, je pourrais placer directement le codeur après l'accouplement ? merci

[Kissagogo27]

bonjour, certains moteurs même pas a pas ont un axe traversant de part en part ^^

[mécano41]

J'ai oublié : j'avais en tête un système vis-écrou à billes donc frottements négligeables ; si c'est un système ordinaire, il faut tenir compte du rendement (de 0,25 à 0,3 seulement)

[cookielau]

D'accord merci pour la précision ! En ce qui concerne la question sur les moteurs, je sais que les moteurs pas à pas ont un arbre traversant comme les moteurs CC mais pour le premier, un codeur n'est pas forcément nécessaire pour connaître la position alors que pour le second oui. Et en terme de coup quelle option serait la plus rentable? Merci

[cookielau]

Désolé de poser encore une question, mais peut on négliger les forces de frottement dans les guides ? Les coefficients de frottement étant très faibles dans la plupart des produits commercialisés

[cookielau]

En négligeant tout ça, je tombe sur un couple moteur de l'ordre du 10^-5 Nm ce qui va être dur à trouver ! Une réduction s'impose donc. Je peux aussi jouer sur le pas de la vis. (J'ai pris 1mm, c'est à peu près le pas que l'on a avec le réglage manuel, 11tours de boutons pour fair eles 11mm)

[mécano41]

En négligeant tout ça, je tombe sur un couple moteur de l'ordre du 10^-5 Nm ce qui va être dur à trouver ! Une réduction s'impose donc. Je peux aussi jouer sur le pas de la vis. (J'ai pris 1mm, c'est à peu près le pas que l'on a avec le réglage manuel, 11tours de boutons pour faire les 11mm)

Je ne comprends pas ...

[cookielau]

Je voulais dire que n'importe quel moteur va suffir pour la couple et qu'un réducteur sera nécessaire pour augmetner le pas et la précision non?