1 Conception et réalisation d’un banc d’expérimentation de positionnement à l’échelle micrométrique Soutenance de stage 30/06/2009 Le Breton Ronan Master 2 mécatronique

2 Sommaire 1.Concepts de la maquette 2.Conception et démarche 3.Perspectives

3 1. Concepts – Pourquoi cette maquette? Besoin d’une maquette à l’échelle micrométrique –S’affranchir des problèmes d’instrumentation –Simuler différentes perturbations pour une étude exhaustive –Développer la démarche d’élaboration des lois de contrôle

4 1. Concepts – Caractéristiques de la maquette – Contrôle du déplacement à 1% : Déplacement : 100µm Précision : 1 µm – Bande passante Hz – Sources multiples de vibrations Actionneur Perturbateur Actionneur « Correcteur » Capteur (sans contact) Actionneur Perturbateur Déplacements « aléatoires » Réf. labo. Actionneur Perturbateur Capteur (sans contact) PLAN à « Contrôler » Capteur (sans contact ) Actionneur Correcteur Actionneur Correcteur Source excitatrice – Approche multi-capteurs multi-actionneurs  Implication du dans ce projet

5 1. Concepts – Etapes de l’étude Réaliser 1 pied –Essais – qualification 2 pieds : contrôle d’une poutre –Résonnance(s) de la poutre dans la bande passante. 3 pieds : contrôle d’un plan Actionneur Perturbateur Actionneur Correcteur Actionneur Perturbateur Actionneur Correcteur

6 2. Démarche de conception 1 er étape Choisir les capteurs et actionneurs 2 ème étape Déterminer la structure d’un pied 3 ème étape Dimensionner les éléments de la structure 4 ème étape Essais et qualification

7 2. Conception – Choix des actionneurs Actionneurs Piézoélectriques Amplifiés : –Allongement max. 110 µm(>100µm) –Résolution ≈ 10 nm (<0,1µm) –Fréquence résonance 1900 Hz (>100Hz) –Force max. 184 N –Actionneurs instrumentés (perturbateurs) APA 100M – CEDRAT

8 –Plage de mesure > 2 x100 µm –Précision dynamique < 0,1µm (1µm/10) 2. Conception – Choix des capteurs 2 types de capteursCapteurs capacitifsTriangulation LASER Plage de mesure250 µm500 µm Résolution*0,07 µm>0,5 µm ** Utilisation Boucle de commande Mesures positions Référence (Fabricant) Elite CPLx90 - C23 (Lion Precision) OptoNCDT (Micro-Epsilon) *Résolution sans moyennage à 1kHz - **Déterminée expérimentalement

9 2. Conception – Définir la structure d’un pied Actionneur «Perturbateur » Actionneur «Correcteur» Schéma cinématique d’un pied APA Poutres Bâti Solution technologique sans frottement sec Schéma structurel d’un pied

10 Dimensionner le système → dimensionner les poutres : –Modéliser le système (Statique/dynamique) –Déterminer et appliquer des critères (3)  Déduire une géométrie des poutres 2. Conception – Dimensionnement

11 2. Conception – Dimensionnement Modélisation de la structure : statique Modèle statique d’un pied – Modéliser les poutres par des ressort – Etablir un modèle des actionneurs piézoélectriques Effort d’un APA en fonction de l’allongement et de la tension de commande

12 2. Conception - Dimensionnement Modélisation de la structure : dynamique Modèle dynamique d’un pied – Modéliser les poutres par leur 1 er mode de résonance en un système masse - ressort – Modèle des actionneurs piézoélectriques par un système masse - ressort

13 Critère 1 : Obtenir au moins 80% de l’allongement d’un APA pour 90% de sa commande. 2. Conception – Dimensionnement Espace de solution pour les raideurs des poutres 1 et 2 (critère 1)  Un espace de solutions pour les raideurs des poutres 1 et 2 :

14 Critère 2 : Résonances éloignées des fréquences de fonctionnement. 2. Conception – Dimensionnement  Cahier des charges validé  Critère peu discriminant Variation de la fréquence du 1 er mode de résonnance du système en fonction de la géométrie des poutres Sur l’ensemble défini par le critère 1 :

15 Critère 3 : L’allongement de l’APA 2 doit être supérieur en valeur absolue de 5% à celui de l’APA 1 2. Conception – Dimensionnement  Un espace de solutions pour les raideurs des poutres 1 et 2 modifié  Choix d’une géométrie : Poutre 1Poutre 2 L60 mm l7,5 mm h0,9 mm0,5 mm Espace de solution pour les hauteurs des poutres 1 et 2 (critère 1 + critère 3)

16 2. Conception – Solutions technologiques Concevoir la structure Modèle C.A.O. partiel de la structure pour le contrôle d’une poutre

17 3. Perspectives Fin du stage (juillet): –Finir conception (support des capteurs, …) –Réaliser le montage –Le mettre en œuvre –Tester les performances L’étude des lois de commandes fera l’objet d’un doctorat.

18 Remerciements L’ensemble du personnel du laboratoire SYMME. Les membres de l’entité LAViSta Le centre de ressources mécatronique du CETIM