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Session de 2002

CAPET

Concours Externe

Section GENIE MECANIQUE

option PRODUCTIQUE

ETUDE DUN SYSTEME ET/OU DUN PROCESSUS TECHNIQUE

Dure 8 heures

Aucun document autoris

Moyens de calcul autoriss : calculatrices de poche, y compris les calculatrices programmables

alphanumriques ou cran graphique, condition que leur fonctionnement soit autonome et

quil ne soit pas fait usage dimprimante.

Constitution du sujet

Le sujet de cette preuve comprend six parties repres A, B, C, D, E, F. Le contenu de chaque

partie est indiqu sur la page de garde. Seules les parties B, C, D, E, F font lobjet de questions.

Partie A Prsentation de la fabrication tudie

Partie B Etude de la phase 70 Tournage extrieur de la pice (zones A et B)

Partie C Etude de la phase 100 Fraisage du canal (zone C)

Partie D Etude du rglage de la phase 100 Fraisage du canal (zone C)

Partie E Mtrologie de la pice

Partie F Etude du systme de manutention associ au centre dusinage

Notes aux candidats

Il est recommand au candidat de dbuter par la lecture de lensemble des documents afin de faci-

liter la comprhension du sujet. Toutes les parties sont indpendantes, et les questions de chaque

partie sont indpendantes dans la majorit des cas.

Il est demand au candidat dutiliser des feuilles de copies distinctes pour chacune des parties trai-

tes et dinsrer les documents-rponses, complts ou non, dans les copies relatives la partie

considre. Les cinq parties seront alors places dans une copie qui servira de chemise pour

lensemble de la composition.

Pour rpondre aux questions poses, le candidat est invit formuler toutes les hypothses

juges ncessaires.

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Partie A

Prsentation de la fabrication tudie

Cette partie contient :

Document A1 Prsentation de ltude

Document A2 Dessin de dfinition de la clame

Document A3 Gamme de fabrication de la clame

Document A4 Caractristiques du centre dusinage Mikron HSM 700

Document A5 Caractristiques du mandrin EROWA ITS

Document A6 Caractristiques gnrales du systme de manutention

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Document A1

Prsentation de ltude

Pice tudie

La pice tudie, nomme Clame, est un lment de moule dinjection plastique permettant de

surmouler des portions de fibre optique, avant leur immersion au fond de locan. Le moule est formde quatre clames et de deux btis. Les clames suprieures et infrieures ne diffrent que par la posi-

tion des deux trous de diamtre 5 mm (document A2). Le nombre de navires quiper et la ncessit

de remplacer les clames uses par linjection, conduisent lentreprise produire des sries renouvela-

bles de 100 clames. Devant immerger des fibres dont le diamtre varie entre 10 et 22 mm, il est nces-

saire denvisager, pour la production des clames, une approche par famille de pices qui se

distinguent, entre elles, uniquement par le diamtre de lalsage intrieur.

Les clames servent mettre en position la fibre optique dans le moule, avant linjection de polythy-

lne haute densit (PEHD). La morphologie dune clame se rsume deux entits gomtriques prin-

cipales:

- une entit axisymtrique (lorsque deux clames sont montes ensemble), servant mettre en

place la clame dans le moule (zone A et B).

- une entit cylindrique nomme canal servant de logement la fibre optique (zone C).

La pice est ralise dans un matriau hautes caractristiques mcaniques supportant la temp-

rature et la pression dinjection (X30CrMo17 selon norme NF EN 10027-1 de 1992).

Gamme de fabrication

La pice est dbite dans une barre de section rectangulaire. Toutes les surfaces sont usines.

La gamme de fabrication peut tre dcrite en trois tapes principales, le document A3 la prsente

de manire plus dtaille :

- fraisage des surfaces prismatiques extrieures et percage des trous ;- tournage des profils axisymtriques extrieurs et perage bauche du canal intrieur (zone C) ;

- fraisage UGV de finition du canal intrieur (zone C).

Bti suprieur

Clame

Clame Bti infrieur

Fibre optique

Zone A

Zone B

Zone C

Clame

Document A1

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Moyens de fabrication

La socit prestataire de ltude intgre des cellules de production comportant des centres

dusinage et des systmes de manutention automatiques. En particulier, un centre dusinage Mikron

HSM 700 est utilis pour raliser des pices mcaniques et des lectrodes dlectro-rosion (document

A4). Cette machine est quipe dune broche tournant 42 000 tr/min.

Elle est automatise en vue de fonctionner en 2x8 heures avec un suivi rduit du technicien haute-ment qualifi. Le magasin automatis de palettes standards permet le chargement automatique des

pices.

La machine est intgre dans une cellule qui contient une machine mesurer tridimensionnelle

utilise la fois pour le rglage du centre dusinage et pour la mesure des pices usines.

Prsentation du sujet

Le sujet est partag en cinq parties indpendantes. Dans la plupart des cas, les thmes abords

dans chaque partie sont eux aussi indpendants. Les thmes des questions sont numrots de 1 12,

tout au long du sujet, alors que les questions proprement dites sont numrotes de 1.1 12. 1.

Dans la premire partie, nomme B, le sujet porte sur ltude de la phase 70 concernant les opra-

tions de tournage extrieur de la clame.

La seconde partie, nomme C, aborde lanalyse de la phase 100 de fraisage du canal, soit le choix

de la stratgie dusinage et de loutil.

La partie D traite du rglage de la phase 100 de fraisage du canal sur le centre de production form

par un centre dusinage et une machine mesurer.

La partie E aborde les problmes de mtrologie de la pice.

La partie F traite du problme de lintgration du magasin de palettisation sur le centre dusinage.

Il est demand au candidat dutiliser des feuilles de copies distinctes pour chacune des parties trai-

tes et dinsrer les documents-rponses, complts ou non, dans les copies relatives la partie

considre.

Document A1

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Document A3

Gamme de fabrication de la clame

Phase 10

Fraisage face dappui

mise lpaisseur

Phase 20

Fraisage paulement

sur un chant

Phase 30

Fraisage paulement

sur lautre chant

Phase 40

Rectification des chants

Phase 50

Fraisage lpaisseur

Perages

Phase 60

Rectification des faces

Phase 70

Tournage extrieur

bauche - finition

Phase 80

Tournage intrieur

bauche - finition

Phase 90

Perage intrieur

Phase 100Fraisage UGV

finition canal

Phase 110

Traitement thermique

Zone A Zone B Zone C

Document A3

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Document A4

Caractristiques du centre dusinage Mikron HSM 700

Mikron HSM 700

Commande numrique ATEK

changeur 12 outils

Surface de la table 900x550 mm

Poids total machine : 6,5 T

Encombrement au sol Lxl 2,8x2,4 m

Prix de base de la machine : 1236 kF

Structure broche Architecture

verticale portique, adapte UGV

Axe X Y Z

Course (mm) 700 550 450

Pousse maximale (daN) 900 700 700Vitesse de travail (mm/min) 20000 20000 20000

Vitesse rapide (mm/min) 40000 40000 40000

Broche Puissance (kW) Couple (Nm)Frquence maxi.

(tr/min)

12 6,5 42000

Prcision Positionnement Rptabilit Systmes de mesure

+/- 3 m +/- 2,5 m rgles

Document A4

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Document A5

Caractristiques du mandrin EROWA ITS

Prsentation

Le systme de mandrin EROWA ITS est un systme de prise de pice

bas sur une trs grande rptabilit de positionnement et sur la standardi-sation des interfaces mcaniques.

Ce systme est particulirement destin aux industries de la micro-

mcanique, de la mcanique de prcision, du moule et des matrices. Plus

particulirement, il permet de raliser lusinage des lectrodes et de les

fixer sur la machine dlectro-rosion.

Du fait de la simplicit

de remise en position

sur la machine, ce

systme permet

daugmenter la flexibi-

lit, la qualit et la

productivit des moyens

de production. Lutilisa-

tion dun systme de

serrage polyvalent sur

toutes les machines-

outils permet de supprimer les temps morts en

conservant une flexibilit totale.

Caractristiques

Caractristiquesmandrin ITS

pneumatique

Tailles 50 et 100

Prcision de rptabilit 0,002 mm

Indexation 4 x 90

Force de serrage2500 N

(7000 N mandrin NSF)

Dimensions de pices

recommandes

jusqu

140 x 140 x 140 mm

Serragepar ressort

(+6 bar mandrin NFS)

Ouverture pneumatique, min 6 bar

Commandepistolet pneumatique,soupape, unit de com-

mande manuelle

pice

palette

mandrin

Document A5

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Le systme

Un mme mandrin permet la fois de serrer des portes-lectrodes, des palettes ou directement les

lectrodes.

Applications

Le mandrin ITS et les palettes associes sont utilises pour la mesure des lectrodes, leur usinage

et llectro-rosion.

Mandrin ITS

Porte-lectrode

Palette

Plaques de centrage

Palette avec dispositif de serrage

Mesure Usinage Electro-rosion

Document A5

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Document A6

Caractristiques gnrales du systme de manutention

Les systmes de manutention permettent dautomatiser la production par alimentation automatique

des machines-outils en pices et en outils. Le personnel oprateur est dcharg des tches rptitives

et fastidieuses, ce qui se traduit par une disponibilit accrue la fois pour la production des pices et laprparation. Le temps effectif de production est ainsi multipli par trois.

Les systmes de manutention sont composs de trois sous-systmes :

- un magasin rotatif daxe vertical comprenant plusieurs plateaux. Sur certains modles ce

magasin peut contenir jusqu 180 emplacements pour pices et porte-pices ;

Diffrents modles de systmes de manutention

Magasin S pour emplacements

de porte-lectrodes/pices

Magasin M pour emplacements

ITS 115 ou 148

Document A6

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- un poste de pinces pour changement automatique de pinces : le robot change automatiquement

de pince suivant le porte-pice saisir, palette ou porte-lectrode. Un type particulier de pince

est le systme de lecture permettant de lire le code didentification des porte-pices. Ce poste

est aussi un magasin rotatif daxe vertical mais avec un seul plateau ;

- un bras de transfert des palettes constitu suivant le modle de systme de manutention dun ou

plusieurs axes lectriques, pneumatiques ou hydrauliques. Laccrochage des pinces lextr-

mit de ce bras se fait de manire autonome. Le bras est conu de manire pouvoir charger ou

dcharger les pices sur nimporte quel plateau du magasin ainsi que sur le mandrin fix sur la

table du centre dusinage.

Les systmes de manutention peuvent en outre tre quips dun poste de lecture de puce EWIS

permettant la lecture du code du porte-pice.

Diffrents modles de pincesPoste de pinces

Transfert de palette sur un centre dusinage

(axe lectrique)Transferts possibles sur un centre dusinage

(axe hydraulique)

Puces EWIS

Opration de lecture dune puce

Document A6

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Partie B

Etude de la phase 70

Tournage extrieur de la pice (zones A et B)


Document B1 Prsentation et travail demand

Document B2 Documentation du fabriquant des outils

Document rponse DRB1 (2 exemplaires)

Document rponse DRB2 (2 exemplaires)

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Document B1

Prsentation et travail demand

Considrons lopration de tournage associe aux zones A et B de la pice. La zone A est la gorge

frontale en bout de pice, alors que la zone B concerne la gorge extrieure.

A la fin de la phase 60, la forme gnrale de la pice est prismatique. Aucun profil circulaire na t

usin, dans les phases 10 60.

La phase de tournage 70 comprend trois oprations :

- dressage et bauche extrieure

- tournage de la zone A

- tournage de la zone B

Cette phase est ralise sur un tour commande numrique, tourelle arrire, ayant une

frquence de rotation maximale de 5000 tr/min et une puissance maximale de 10 kW. Le corps des

outils utiliss possde une section gale 25x25 mm.

Le machine est rgle pour raliser un lot de 100 pices. Aprs la phase 60, Les pices sont apai-

res et montes par deux dans un mandrin quatre mors indpendants.

Lors du tournage, on considre que le matriau est assimilable un acier fortement alli, ayant une

duret suprieure ou gale 300 HB.

profil aprstournage de

zone Bzone A

tat de la pice avant les oprations tudies dfinition des zones usiner

lbauche extrieure

diamtre tournlors de lbauche extrieure

X Z

Document B1

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1. Etude de lusinage de la zone A

Question 1. 1.

Identifier les caractristiques gomtriques de la zone A imposant des contraintes sur la

gomtrie de loutil.

Question 1. 2.

Sur le document rponse DRB1, reprsenter loutil et sa trajectoire dusinage :

- dans le cas dun usinage de forme,

- dans le cas dun usinage denveloppe par contournage.

Question 1. 3.

Coter les dimensions caractristiques de loutil capable dusiner la zone A, dans le cas de

lusinage denveloppe.

2. Etude de lusinage de la zone B

Nous considrons lopration dbauche et de finition de la zone B.

Question 2. 1.

Prsenter une dmarche de choix et choisir la rfrence dun outil compatible avec la zone B.

Question 2. 2.

Choisir une rfrence de gomtrie de plaquette rapporte compatible. Justifier le choix.

Question 2. 3.

Choisir les dsignations normalise et commerciale de la nuance de plaquette. Justifier le choix.

Question 2. 4.

Proposer les conditions de coupe - vitesse de coupe, vitesse davance et profondeur de passe -

respectant les critres suivants :

- compatibilit avec le matriau propos,

- diagramme brise-copeau,- puissance maximale disponible.

Question 2. 5.

Calculer le dbit copeau et le temps dusinage de lbauche. On ngligera les temps de

dplacement en vitesse rapide.

Question 2. 6.

Reportez toutes les informations ncessaires la fabrication sur le contrat de phase partiel limit

ltude de la zone A et de la zone B (document rponse DRB2). Reprsenter les silhouettesdes outils lchelle 1 et la trajectoire de loutil usinant la zone B.

Document B1

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Documents SANDVIK

Document B2

Document B2

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Documents SANDVIKDocument B2

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Document rponse DRB1 : Question 1. 2

usinage de forme

E

chelle

1

:1

usinage denveloppe

Document rponse DRB1

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Document rponse DRB2 : Question 2. 6CONTRAT DE PHASE

PREVISIONNEL

PHASE n 70

Ensemble : Moule

PREPARATION

DU

TRAVAIL

Element : Clame

Matire X30CrMo17

Nom : Programme : srie de 100 pices

Dsignation : tournage, contournage des profils extrieursMachine outil : Centre de tournage

Dsignation des oprations Outils Vcm/min N tr/min f mm/tr apmm

Document rponse DRB2

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Partie C

Etude de la phase 100

Fraisage du canal (zone C)


Document C1 PrsentationDocument C2 Travail demand

Document C3 Choix prliminaires de stratgies dusinage

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Document C1

Prsentation

Usinage du canal

Lobjet de cette partie est de prparer la phase dusinage de finition du canal. On assimile la surface

nomme canal un demi-cylindre dun bout lautre de la pice, et dont le diamtre varie entre 10 et

22 mm, selon le diamtre de la fibre optique. La longueur est de environ 190 mm. Ces dimensions ne

permettent pas de raliser cette forme par tournage, du fait de flexions engendres trop importantes.

Lentreprise soriente vers un usinage par fraisage grande vitesse sur le centre dusinage prsent

sur le document A4.

La qualit attendue sur la pice impose une rugosit arithmtique Ra = 0,8 m, et une tolrance de

forme dune surface quelconque de 0,01 mm. Compte tenu du modle gomtrique employ (outil

hmisphrique sur profil plan), il est considr que la valeur de Ra est quivalente une hauteur maxi-

male de profil Rt = 3 m.

Lobjectif est de choisir la direction dusinage et la dimension dun outil qui permettent de minimiser le

temps dusinage, cest dire la longueur de la trajectoire, tout en respectant les exigences de qualit.

FAO, programmation de la trajectoire

Une surface complexe est usine par le balayage dun outil hmisphrique. La forme de loutil et la

distance entre deux passes (entre deux positions du centre de la demi-sphre de loutil) laissent sur la

surface une crte de matire, dont la hauteur maximale admissible doit tre infrieure au paramtre de

rugosit Rt spcifi sur la pice.

outil

direction dusinage

trajectoire dapproche trajectoire de retrait

direction de balayage

passe dusinage

changement de passe

distance entre 2passesprojete dans le plantangent la surface

Document C1

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Document C2

Travail demand

3. Choix de loutil et de la direction dusinage

Question 3. 1.

Soit lusinage dun plan par balayage avec une fraise hmisphrique (voir document C3). La

trajectoire de la fraise est forme dun ensemble de segments de droite parallles. Quelle est la

forme de la trace laisse sur la pice, par le passage de la fraise lors du balayage (la reprsenter

dans un plan perpendiculaire la direction de la trajectoire) ?

Exprimer la relation entre le pas de balayage P, le rayon de loutil R et la hauteur de la crte hc.

On sintresse, maintenant, lusinage dun demi-cylindre de rayon RS et de longueur L. Deux cas

de balayages sont envisageables (voir document C3) :

- le premier dans une direction perpendiculaire laxe du cylindre,

- le second paralllement celui-ci.

Question 3. 2.

Dans le premier cas, exprimer la relation prcdente.

Question 3. 3.

Dans le second cas, exprimer la relation entre P, R, RS et langle

de paramtrage des

positions de loutil (voir document C3).

Question 3. 4.

En tudiant le triangle A, B, C, exprimer une nouvelle relation entre langle et R, RS et hc.

Question 3. 5.

Simplifier cette relation en exprimant le dveloppement limit lordre 2 de cos() pour .

Question 3. 6.

Application numrique : Calculer le pas de balayage permettant dobtenir une rugosit thorique

de 3 m, dans les trois cas (questions 3. 1, 3. 2, 3. 5) prcdents pour des valeurs de diamtre

de loutil gales 6 mm, 8 mm, et 10 mm et des valeurs de rayon de courbure RS gales

16 mm, 18 mm et 22 mm. Des rsultats prcdents, choisir loutil qui permet de minimiser la

longueur du trajet.

Question 3. 7.

Dans le cas du cylindre, calculer la longueur du trajet dusinage parcouru suivant les deux

modes dusinage proposs et loutil choisi. En dduire la direction dusinage la plus conomique.

Application numrique : L = 190 mm, RS = 16 mm, R = 10 mm et R = 3 m.

0

Document C2

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4. Choix des conditions de coupe

Cette question a pour but de choisir ou dtudier les conditions de coupe durant lusinage. Une

frquence de rotation de N=30 000 tr/min est programme.

Question 4. 1.

On considre une passe dusinage selon le premier cas, calculer la vitesse de coupe aux

diffrents points A, B, C, D, E reprsents sur le document C3. Que peut-on conclure ?

Question 4. 2.

Comment utiliser les questions de la partie 3 pour calculer la valeur de lavance la dent ?

Document C2

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Document C3

Choix prliminaires de stratgies dusinage

Balayage du plan

Balayage du cylindre et modlisation du balayage

P/2

hc

RS

R

RS

R

RS - R

RS - hc

P/2

A

B

C

D

1er Cas

2eme Cas

A

B

C

D

E

45 45

Document C3

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Partie D

Etude du rglage de la phase 100

Fraisage du canal (zone C)


Document D1 Prsentation

Document D2 Travail demand

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Document D1

Prsentation

Utilisation du centre de production

Nous nous intressons maintenant lusinage du canal. Latelier dispose, en particulier, dun centre

dusinage Mikron HSM 700 palettis et une machine mesurer tridimensionnelle. Ce centre dusinage

est utilis par lentreprise pour usiner des pices mcaniques et des lectrodes, et notamment le canal

des pices tudies.

Pour gagner en productivit et garantir une bonne prcision, la socit base son processus de fabri-

cation sur lutilisation de palettes. Ces palettes assurent la mise et le maintien en position des pices et

des lectrodes lors de leur usinage, de leur mtrologie et des autres oprations de fabrication. Durant

tout le processus, la pice reste fixe sur la palette. Des mandrins spcifiques permettent de posi-

tionner celle-ci sur les diffrentes machines. Le centre dusinage et la machine mesurer tridimension-

nelle possdent un mandrin porte-palette identique.

La pice est mise en position sur une palette par lintermdiaire dun appui plan sur la face D et dun

systme centreur-locating lintrieur des deux alsages de diamtre 5 mm. Cette mise en position ne

permet pas de garantir le respect de la spcification de coaxialit affecte au canal, sans avoir retou-

cher systmatiquement le rglage de la machine-outil. Aussi, on envisage de procder systmatique-

ment la mesure pralable sur MMT de la position de la pice fixe sur la palette, avant lusinage.

Ainsi, la sortie des oprations de tournage, chaque clame est fixe sur une palette. Puis, elle estmesure sur la machine mesurer tridimensionnelle, pour dfinir les paramtres gomtriques nces-

saires au rglage de lusinage. Enfin, la palette est monte sur le centre dusinage qui ralise lopra-

tion de fraisage.

Le centre dusinage est quip dun mandrin EROWA (document A5). Dornavant, on considre

que la pice usiner est fixe sur la palette sans dmontage et quun mandrin est fix sur la table de la

machine-outil demeure. Un second mandrin est galement fix sur la table de la MMT demeure.

Lobjectif de cette partie est dintgrer le mandrin dans le centre dusinage et didentifier ses lments

gomtriques ncessaires au rglage de la cellule lmentaire dusinage.

1

2

3

45

6

Document D1

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Rglage du centre dusinage

Le rglage du mandrin sur le centre dusinage est conduit en utilisant une palette talon monte sur

le mandrin. En effet, il est dgauchi de telle manire que la rgle de direction Xe soit parallle laxe X

de la machine. On dfinit aussi sur cette palette, un cylindre Ce et un plan Pe de rfrence. Un tel

rglage est rendu possible grce la trs faible dispersion de remise en position des palettes sur le

mandrin, infrieure 2 m.

Pour rgler le centre dusinage, on utilise la modlisation vectorielle de la cellule lmentaire

dusinage ainsi obtenue. Pour cela, on identifie un ensemble de points particuliers de la cellule lmen-

taire dusinage :

- le point R de rfrence situ linterface entre le nez de broche et son axe,- lorigine mesure Om, position de R linstant de mise en rfrence des mobiles,

- lorigine programme Opr,

- lorigine pice Op, point dintersection entre Pe et laxe de Ce,

- le point pilot P.

30

115

Xe

Pe

Ce

Om

Op

PX

Y

Z

Opr (exemple)

R

Document D1

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Document D2

Travail demand

5. Rglage initial du centre de production

On sintresse maintenant au rglage initial du centre dusinage avant linstallation de lusinage

proprement dit. La machine est rceptionne et un mandrin est fix et dgauchi sur la table.

Question 5. 1.

La palette talon est monte sur la machine-outil. Un outil talon de jauge Jz=100 mm est mont

dans la broche. Le point R est approch par rapport au point Op, tel que : .

Calculer le vecteur de rference de la machine , sachant que lon a :

Que reprsente le vecteur ?

Question 5. 2.

On monte maintenant la palette talon sur la machine mesurer tridimensionnelle. Proposer une

gamme de mesure qui permette de dfinir un repre de dgauchissage associ aux lments

gomtriques de rfrence de la palette talon. O est physiquement situ le point de

coordonnes x=0, y=0, z=0 exprimes dans le repre de dgauchissage ?

A la suite du rglage initiale, on constate que la palette talon a permis de dfinir la position de Op

dans le repre de la machine-outil, et que cette mme palette talon a permis galement didentifier

cette mme origine Op sur la palette dans le repre de la MMT.

Du fait de la prcision de remise en position des palettes sur les deux mandrins, on considre que la

dispersion de la position du point Op entre les diffrentes palettes utilises est ngligeable.

6. Installation de lopration dusinage

On envisage maintenant lusinage complet du canal (zone C), tel que reprsent sur le dessin de

dfinition (y compris dtail C). Une pice produire est fixe sur une palette et entre dans la cellule de

production.

Question 6. 1.

Choisir la position de lorigine programme Opr.

Question 6. 2.

Proposer une gamme de mesure permettant didentifier la position de lorigine programme Opr

dans le repre de dgauchissage.

OpP 150z=

OmOp

OmR 690 125x,

270 235y, 245 450,

z+=

OmOp

Document D2

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Question 6. 3.

Des points sont dfinis par mesurage tridimensionnel sur la pice fixe sur une palette (voir

figure suivante). Le tableau suivant indique leurs coordonnes dans le repre de dgauchissage.

Calculer le vecteur .

Question 6. 4.

Comment modifier le rglage initial du centre dusinage pour tenir compte de la position de Opr

et raliser un usinage respectant les spcifications gomtriques ?

Question 6. 5.

En dduire la commande de position du point R par rapport Om raliser par la machine outil,

pour venir positionner la pointe dune fraise hmisphrique de diamtre 10 mm, et de jauge

Jz=65,2 mm au point de dpart de lusinage, cest dire x=0, y=0, z= 50 mm.

Question 6. 6.

Ltude des points mesurs, dans le tableau prcdent, montre un dsaxage de la pice par

rapport la direction Xe de la palette. Evaluer la valeur de ce dsaxage. Comment le prendre en

compte lors du rglage du centre dusinage ?

Points P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

X -43,949 -44,025 44,028 43,982 -73,936 -74,038 58,044 57,937 66,016

Y -19,823 20,161 -19,657 20,323 -27,859 28,116 -27,636 28,354 -18,648

Z 23,005 23,002 23,002 23,004 23,005 23,005 22,998 22,998 23,005

Points P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18

X 65,957 91,052 90,984 101,042 100,923 111,059 110,950 -74,019 114,011

Y 19,353 -18,577 19,405 -34,070 34,935 -34,054 34,930 0,135 0,440

Z 22,995 22,997 22,997 23,002 22,999 23,002 23,002 23,005 23,003

OpOpr

Y

X

P5

P2

P3

P4

P1

P6

P7

P8

P9

P10

P11

P13

P14

P15

P16

P17

P18

P12

Document D2

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Partie E

Mtrologie de la pice


Document E1 Travail demand

Document rponse DRE1 (6 exemplaires)

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Document E1

Travail demand

7. Analyse de la cotation - validation du processus

Bien quindpendante des parties B et D, cette question suppose davoir bien compris les

processus dcrits dans les parties B et D.

Lobjet de cette partie est dtudier si le processus mis en oeuvre permet de garantir la spcification

fonctionnelle de coaxialit entre le canal et la surface de rfrence A. Le respect de cette spcification

assure la mise en position correcte de la fibre optique dans le moule et sa fermeture. Fonctionnelle-

ment, ces deux surfaces sont des cylindres, mais la conception du moule impose de raliser ces

surfaces cylindriques en deux parties. Aussi une fois les pices termines, il existe un dfaut de

coaxialit entre les deux surfaces, que lon cherche quantifier.

Question 7. 1.

Indiquer quelles sont les phases qui influent directement sur lobtention des surfaces

cylindriques et donc sur le respect de la coaxialit tudie. Pour chaque tape, indiquer ltat

davancement de la fabrication et la mise en position de la pice.

Question 7. 2.

Considrons la phase 70 de tournage. La surface ralise nest pas parfaitement identique, en

forme, en position et en orientation, au modle nominal du fait de lexistence de dispersions ou

de dfauts gomtriques de la machine.

Quelle est la forme thorique gomtrique de la surface usine et donner, avec prcision, les

dfauts associs la forme ?

Quelle est la position et lorientation thoriques de la surface usine dans la phase par rapport

aux surfaces dappui et les dfauts associs ?

Question 7. 3.

Considrons la phase 100 de fraisage. Reprendre la question 7.2 en sintressant au canal.

Question 7. 4.

Pourquoi nest-il pas ncessaire de transfrer la spcification de coaxialit liant le canal la

surface de rfrence A ?

Question 7. 5.

On considre le montage final des clames dans le moule. Expliquer comment sont mises en

position les clames lorsque le moule est ferm. Par un dessin, montrer la position relative des

deux clames la fermeture du moule.

Quel dfaut apparat la fermeture du moule ?

En quoi ce dfaut influe-t-il sur le bon fonctionnement du moule ?

Document E1

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8. Analyse des spcifications

Question 8. 1.

Sur le document rponse DRE1, effectuer lanalyse des spcifications gomtriques suivantes :

9. Mtrologie de la pice

Le contrle de est effectu sur la machine mesurer tridimensionnelle.

Question 9. 1.

Rpresenter sur un schma, la mise en position de la pice sur la machine mesurer

Question 9. 2.Proposer une gamme de mesure de la spcification, cest dire :

- identifier et numrer les surfaces palper,

- pour chacune, donner le nombre de points palper et la direction de palpage,

- identifier et numrer la liste des lments construits,

- pour chacun, expliquer la construction gomtrique associe,

- prsenter lenchanement chronologique des oprations et des manipulations raliser

sur la machine mesurer.

Question 9. 3.

Quelles mesures ou calculs permettent de vrifier la spcification ?

Question 9. 4.

Application : la mesure suivante donne la position de quatre points reprsentatifs des centres

des alsages contrler, dans le repre de rfrence. Est-ce que la pice respecte la

spcification ?

Question 9. 5.

Dans le cas o la pice ne respecte pas la spcification, identifier :

- les dfauts gomtriques ;

- les causes associes ;

- les modifications du processus ncessaires.

Points P1 P2 P3 P4

X -72,06 -72,014 -158,975 -159,063

Y 20,155 -19,828 -19,872 20,043

Z 0 0 0 0

0,02 0,1 B A C 0,05 B A

0,1 B A C

Document E1

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Document rponse DRE1 : Question 8. 1

Document rponse DRE1

Spcificatio

n:

Elmentsnonidaux

Elmentsidaux

Typedespcification:

Elment(s)tolranc(s)

Elment(s)derfrence

Rfrence(s)spcifie(s)

Zonedetolrance

Co

nditiondeconformit:

llment

tolrancdoitsesituerlint-

rieu

rdelazonedetolrance.

unique

groupe

unique

multiple

s

simple

commune

systme

simple

compose

Contraintes

orientationet/ouposi-

tionparrapp

ortlarf-

rences

pcifie

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Partie F

Etude du systme de manutention

associ au centre dusinage


Document F1 Prsentation

Document F2 Travail demand

Document F3 Graphe des situations accessiblesDocument F4 Langages de programmation

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Document F1

Prsentation

Le systme de manutention

Lobjet de cette partie est ltude dun systme de manutention de pices associ un centre

dusinage. Le systme permet de stocker un nombre important de pices, de les charger et de les

dcharger automatiquement sur le centre dusinage. Les pices sont stockes dj montes sur leur

palette (voir document A6).

Partie oprative du poste

Le systme de manutention est plac cot du centre dusinage, de telle faon que le bras de

transfert puisse accder lespace de travail afin de pouvoir transfrer une palette du magasin vers le

centre dusinage et vice versa (figure suivante).

La parie oprative comprend :

- un magasin rotatif daxe vertical comprenant 4 plateaux et 8 emplacements pour palettes par

plateau. Ce magasin est actionn par un moteur lectrique un sens de rotation ;

- un poste de pinces pour changement automatique de pinces : le robot change automatiquement

de pince suivant la palette saisir. Un type particulier de pince est le systme de lecture permet-

tant de lire le code didentification des palettes. Ce poste ne sera pas tudi dans cette tude ;

- un bras de transfert des palettes constitu de :

- deux axes de translation Z et X pour changer de pince, saisir les palettes, les sortir ou

rentrer du magasin et les dposer sur la table de la machine-outil,

- un axe de rotation Y pour dplacer les palettes du magasin vers lespace de travail du

centre dusinage et vice versa,

- un systme de serrage et desserrage de la pince.

Centre

dusinage

Poste de

manutention

Bras de transfert

(2 positions dessines)

Magasin

rotatif

Porte

daccs

Document F1

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Partie commande du poste

Les palettes sont identifies par une puce EWIS. Cette puce stocke un numro permettant au

systme de supervision didentifier la pice usiner, le programme dusinage associ, le type de

palette, les outils utiliser, les dcalages et les jauges outils.

Pour que le transfert des palettes vers le centre dusinage soit le plus rapide possible, il est indis-

pensable que la commande du systme mmorise pour chaque emplacement le numro de la palette

stocke dans cet emplacement. Cette mmorisation se fait par lintermdiaire dune table didentifica-

tion permettant chaque instant de retrouver lemplacement dans lequel est stocke la palette dsire.

Fonctionnement nominal

En fonctionnement nominal, le rle de loprateur vis--vis du poste de manutention est de remplir

le magasin avec les palettes portant les pices usiner et denlever les palettes portant les pices

usines. Il doit galement remplir le magasin doutils du centre dusinage. Le systme de supervision

se charge dassurer le suivi des ordres de fabrication, cest dire pour chacun deux de :

- demander au poste de manutention de charger la palette portant la pice usiner sur le centre

dusinage,

- tlcharger le programme dusinage, les dcalages et les jauges outils dans la commande

numrique du centre dusinage,

- lancer lexcution des programmes dusinages sur le centre dusinage,

- demander au poste de manutention de dcharger la palette portant la pice usine dans le

magasin.

A chaque fois que loprateur ajoute ou enlve une palette du magasin, il faut identifier le numro de

cette palette afin de faire correspondre ltat de la table didentification avec le nouvel tat du magasin.

Cette mise jour peut se faire pour un plateau donn (tous les emplacements du plateau sont tests)

ou globalement (tous les plateaux du magasin sont tests).

La situation initiale de la partie oprative pour effectuer cette mise jour doit tre la suivante :

- porte ferme,

- bras en position recule,

- mise jour demande (un numro de plateau a dj t indiqu par loprateur).

Axe XAxe Z

Axe Y

Magasin

rotatif

Systme de

transfert

Document F1

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Le systme de lecture est considr comme dj mont sur le systme de transfert.

Pour un plateau donn, les tches effectuer sont :

- T1 : dplacer le systme de lecture afin de lamener la hauteur du plateau tester,

- T2 : amener le magasin rotatif en position de rfrence,

- T3 : identifier le numro de la palette prsente cet emplacement,

- T4 : dplacer le magasin rotatif jusqu la position suivante,

- recommencer les tches T3 et T4 jusqu ce que tous les emplacements (numrots de 1 8)

aient t tests.

Les tches T1 et T2 dmarrent en mme temps afin de gagner du temps. La tche T3 ne peut

commencer que si les tches T1 et T2 sont termines. T4 dmarre ds que T3 est termine.

La tche T1 consiste simplement monter, descendre ou ne pas modifier la hauteur du systme

de lecture suivant sa position initiale qui peut correspondre la hauteur (numrote de 1 4) de

nimporte lequel des plateaux.

La tche T2 ncessite de raliser successivement les oprations suivantes :

- dsindexer le magasin,

- tourner le magasin jusqu atteindre la position de rfrence,

- indexer le magasin.

La tche T2 nest considre comme termine que lorsque le plateau est correctement index.

La tche T3 comporte quatre oprations successives :

- avancer le bras,

- lire ltiquette,

- stocker le numro lu,

- reculer le bras.

Enfin, la tche T4 est proche de la tche T2 puisquelle consiste en :

- dsindexer le magasin,

- tourner le magasin jusqu atteindre la position suivante,

- indexer le magasin.

La tche T4 nest considre comme termine que lorsque le magasin est correctement index.

Proprits de scurit

Afin de supprimer tout risque de collision, la commande du systme doit respecter les proprits

suivantes :

- si le bras nest pas en position recul, le magasin ne doit pas tourner,

- si le bras nest pas en position recul, le bras ne doit ni monter, ni descendre.

Document F1

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Document F2

Travail demand

10. Modlisation de la partie commande

Le but de cette partie est la modlisation sous forme de grafcets du comportement de la partie

commande suite une demande de mise jour de la table didentification, en fonctionnement nominal.

Les tableaux suivants donnent la liste des entres et sorties de la commande.

Tableau 1 : Liste des entres

Mnmonique Signification

Porte ferme Porte daccs de loprateur au magasin ferme.

Dcy Demande de mise jour de la table didentification.

Bras avancLa pince est en position rapproche du magasin, permettant la lec-

ture ou la saisie dune palette.

Bras recul La pince est en position loigne du magasin.

Magasin index

Magasin dsindex

Position de rfrence

Le magasin est en position de rfrence (emplacement numrot 1).

Cette position permet par comptage de retrouver le numro des

emplacements du plateau.

PositionLe magasin a atteint une position angulaire correspondant un

emplacement de palette.

HauteurLe bras a atteint suivant laxe Z une position correspondant la hau-

teur dun des plateaux du magasin rotatif.

Hauteur dsirePosition suivant laxe Z que doit atteindre le bras afin que le systmede lecture puisse lire les puces des palettes prsentes sur le plateau

tester.

Etiquette lue Le code de la palette a t lu.

Numro stock Le code de la palette a t stock dans la table didentification.

Tableau 2 : Liste des sorties

Mnmonique Signification

Monter Dplacer le bras suivant laxe Z, vers le haut.

Descendre Dplacer le bras suivant laxe Z, vers le bas.

Avancer Dplacer le bras suivant laxe X, la pince approche du magasin.Reculer Dplacer le bras suivant laxe X, la pince sloigne du magasin.

IndexerIndexer le magasin, assure la mise en position angulaire et larrt en

rotation du magasin.

Dsindexer Dsindexer le magasin, celui-ci est alors libre de tourner.

Tourner Tourner le magasin.

Lire Lire le code de la palette.

Stocker numro Stocker le numro de la palette dans la table didentification.

Document F2

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Question 10. 1.

Ecrire sous forme de grafcets le comportement de la commande du systme suite une

demande de mise jour de la table didentification.

Chaque tche sera dcrite sous la forme dun grafcet connexe qui sera synchronis un grafcet

matre par utilisation dtat dtapes. Les tches T2 et T4 seront dcrites par le mme grafcet

connexe. Toutes les tapes de tous les grafcets porteront des numros diffrents. Le comptage

des emplacements tests devra obligatoirement apparatre dans le grafcet matre.

11. Validation du modle grafcet

Lobjectif de cette partie est de dmontrer que le modle grafcet prcdent respecte les proprits

de scurit nonces en fin de document F1.

Question 11. 1.

A laide de lalgorithme joueur du document F3, reprsenter sous la forme dun graphe des

situations accessibles lvolution des situations stables de lensemble des grafcets construits

dans la question 10. 1.

Il est rappel au candidat que le modle Grafcet exclut formellement la simultanit doccurence

de deux vnements externes non corrls.

Question 11. 2.

Traduire sous la forme de situations ne pas atteindre chacune des proprits de scurit

nonces dans le document F1.

La commande dcrite en 10. 1. respecte-t-elle ces proprits ? Pourquoi ?

12. Implantation du modle grafcet

Lobjectif de cette partie est de traduire le grafcet de gestion du magasin en un programme excu-

table par lautomate programmable implant dans la partie commande du robot.

Question 12. 1.

A laide du document F4, crire le programme correspondant au grafcet matre construit dans laquestion 10. 1.

Les entres (resp. sorties) cbles boolennes ncessaires seront affectes au module numro

1 (resp. 2).

Document F2

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Document F3

Graphe des situations accessibles

Prsentation

Linterprtation de grafcets sous la forme dun graphe des situations accessibles permet de valider

ces grafcets, cest--dire de prouver leur adquation avec le cahier des charges quils reprsentent.

Les proprits valides peuvent tre des proprits de scurit (ce quil ne faut pas faire) ou de vivacit

(ce quil faut faire). Ce graphe est obtenu par interprtation du comportement temporel des grafcets par

lintermdiaire dun algorithme joueur permettant de formaliser lutilisation des 5 rgles dvolution du

Grafcet (repres de R1 R5). La figure suivante reprsente lalgorithme joueur retenu.

Exemple dapplication de lalgorithme joueurCet exemple correspond lutilisation de lalgorithme pour la reprsentation des situations stables

dun grafcet (la flche associe une seule situation permet de reprsenter la situation initiale).

Appliquer la rgle de la situation initiale (R1) ou se

donner une situation particulire.

Fixer une valeur lensemble des entres.

Se donner une volution de lensemble

des entres.

Dterminer lensemble des transitions franchissables

par la rgle de franchissement dune transition (R2).

Existe-t-il des transitions

franchissables ?

Dterminer la nouvelle situation atteinte en

appliquant la rgle dvolution des tapes (R3)et la rgle des franchissements simultans (R4).

En cas de conflit dactivation/dsactivation,

lever ces conflits par la rgle dactivation-dsac-

tivation simultanes (R5).

Lvolution correspond-t-elle une volu-

tion dj rencontre dans ce cycle ?

Situation stable

Faire voluer lensemble dessorties conformment aux

actions associes aux tapes

actives composant la situation

stable.

Instabilit totale

oui

non

ouinonn infini

a

Etat initial

de a et b :

a 0=

b 0=

0

b

X0 X2,X10a

a

1

a.X2

10

202

X2,X20

a.b

a.b

b

Situations stables

Document F3

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Document F4

Langages de programmation

Rappels sur les langages

Lautomate utilis se programme laide de langages respectant la norme IEC 1131-3. Cette norme

spcifie la syntaxe et la smantique dune srie unifie de langages de programmation pour auto-

mates programmables. Ces langages se composent de deux langages littraux - le langage IL (liste

dinstructions) et le langage ST (littral structur) - et de deux langages graphiques : le langage LD

(langage contacts) et le langage FBD (diagramme fonctionnel). La norme dfinit galement les

lments de schma SFC (diagramme fonctionnel en squence) destins structurer lorganisation

interne des programmes.

Les seuls langages utiliss dans cette tude seront le SFC et le LD. Ces langages sont prsents

dans les sections suivantes. Ces prsentations ne sont pas exhaustives : seuls les lments principaux

sont prsents.

Adressage des variables

Les types de variables utilises dans cette application :

- entre (resp. sortie) boolenne : %IXi.j (resp. %QXi.j), i position du module et j numro de voie,

- variable interne numrique : %MWi avec i numro de la variable (de 0 511),

- variable interne boolenne : %MXi avec i numro de la variable (de 0 255),

- bit dtape : %Xi avec i numro dtape.

Le SFC

Un programme SFC se compose dobjets graphiques prsents dans le tableau suivant.

Les lments graphiques sont relis par des liaisons orientes. La liaison oriente relie une tape

une transition ou une transition une tape. Elle indique une voie dvolution, et se lit par dfaut de

haut en bas. Une liaison oriente vers le haut doit tre marque par une flche. Les liaisons de conver-

gence et de divergence sont prsentes dans le tableau suivant.

Tableau 3 : lments graphiques du langage SFC

Etape

Ltape caractrise un tat de fonctionnement squentiel de lautoma-

tisme. Elle est identifie par un numro.

Des actions peuvent lui tre associes. Celles-ci sont exprimes en

LD, IL ou ST.

Etape initialeLtape initiale dfinit la situation initiale de lautomatisme. Il ny a

quune seule tape initiale par SFC schma connexe.

Transition

La transition indique la possibilit dvolution entre plusieurs tapes.

Une condition de transition appele rceptivit lui est associe. Elle

est exprime en LD, IL ou ST. Les transitions sources et puits ne sont

pas admises en SFC.

2

1

Document F4

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Le LD

Un programme crit en LD se compose d'une suite de rseaux excuts squentiellement par

l'automate. Dessin entre deux barres de potentiel, un rseau est constitu de deux parties :

- une zone de test comportant les contacts, les blocs fonctions et les blocs comparaisons,

- une zone daction comportant les bobines et les oprations.

Les lments graphiques de base sont prsents dans les tableaux suivants :

Tableau 4 : liaisons particulires

Divergence en ET Divergence en OU

Convergence en ET Convergence en OU

Tableau 5 : lments de test

Contact fermeture Contact passant quand lobjet bit qui le pilote est ltat 1.

Contact ouverture Contact passant quand lobjet bit qui le pilote est ltat 0.

Contact front montant Dtection du passage de 0 1 de lobjet bit qui le pilote.

Contact front descendant Dtection du passage de 1 0 de lobjet bit qui le pilote.

Tableau 6 : lments de liaison

Connexion horizontalePermet de relier en srie (ET logique) les lments graphiques

de test et daction.

Connexion verticalePermet de relier en parallle (OU logique) les lments graphi-

ques.

3 4

2 2

3 4

2 3

4

2 3

4

%IX1.0 %IX1.1 %QX1.1

Rseau LD Equation boolenne

correspondante

Barre de potentiel Zone dactionZone de test

%QX1.1=%IX1.0%IX1.1

Barre de potentiel

P

N

Document F4

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Passage dune spcification Grafcet une implantation IEC 1131-3

Prsentation de la dmarche

Il est bien entendu possible de passer dune spcification crite en grafcets une implantation utili-

sant les langages de programmation de diffrentes manires. Celle qui est propose ici nest ni

meilleure, ni moins bonne quune autre, mais elle vous est impose : veuillez lappliquer la lettre.

Le programme sera structur en deux parties :

- un traitement squentiel qui contiendra le schma SFC et les conditions de transitions expri-

mes en langage LD ;

- un traitement postrieur comprenant lensemble des affectations de sorties exprim sous la

forme de rseaux Ladder.

Tableau 7 : lments daction

Bobine directe Lobjet bit associ prend la valeur du rsultat de la zone de test.

Bobine inverseLobjet bit associ prend la valeur inverse du rsultat de la zone

de test.

Bobine denclenchementLobjet bit associ est mis 1 lorsque le rsultat de la zone de

test est 1.

Bobine de dclenchementLobjet bit associ est mis 1 lorsque le rsultat de la zone de

test est 1.

Bobine de rceptivitLobjet bit associ est mis 1 lorsque le rsultat de la zone de

test est 1.

Tableau 8 : blocs comparaisons

Bloc comparaison

horizontale

Permet la comparaison de 2 oprandes, la sortie passe

1 lorsque le rsultat est vrifi. Les test peuvent tre

> (suprieur), = (suprieur

ou gal), (resp. =,

OP1

OP2

EN

compare

%MW10:=10

Document F4

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Ces deux traitements font partie de la tche matre qui a un fonctionnement cyclique. Les autres

parties du programme ne seront pas utilises.

La traduction du grafcet se fera selon les tapes suivantes :

- la structure du grafcet sera traduite sous la forme dun schma SFC. Si un grafcet connexe

contient plusieurs tapes initiales, il devra tre scind en plusieurs grafcets connexes ne

comportant chacun quune seule tape initiale (mais le comportement global devra rester le

mme) ;

- chaque rceptivit sera traduite sous la forme dune condition de transition exprime sous la

forme dun rseau Ladder. Chaque rseau sera identifi par les numro des tapes amont et

aval la transition concerne, sous la forme : %Xi -> %Xj ;

- lensemble des actions seront traduites sous la forme de conditions exprimes sous la forme de

rseaux Ladder. Chaque rseau exprimera lensemble des conditions permettant de changer

ltat dune variable particulire.

Exemple

Soit le grafcet suivant et la table de correspondance :

Le programme correspondant de lautomate :

dcy

1

2

a1

3

4

b

a0

A-

A+

C

C

Entres Adresse Sortie Adresse

dcy %IX1.0 A+ %QX2.0

a1 %IX1.1 A- %QX2.1

a0 %IX1.2 C %QX2.2

b %IX1.3

1

2

3

4

%IX1.0

%X1 -> %X2

#

%IX1.1

%X2 -> %X3

#

%IX1.2

%X3 -> %X4

#

%X2

%X3

%X2

%QX2.0

%QX2.2

%QX2.1

Traitement squentiel Traitement postrieur

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