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Conception détaillée de la console de commande BATLab112 : optimisation du pupitre, des cartes Arduino et de l’intégration électronique

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Résumé

Cet article s’inscrit dans la continuité de la série consacrée à la conception de la console de commande des équipements du diorama BATLab112. Il fait suite à l’article présentant la réalisation de la première version opérationnelle de la console, dont l’objectif principal était de valider les choix technologiques retenus au travers d’un prototype fonctionnel.… Lire…

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Sommaire

Contexte et objectifs de l’évolution de la console de commande du diorama BATLab112

Introduction

Cet article s’inscrit dans la continuité de la série consacrée à la conception de la console de commande des équipements du diorama BATLab112. Il fait suite à l’article présentant la réalisation de la première version opérationnelle de la console, dont l’objectif principal était de valider les choix technologiques retenus au travers d’un prototype fonctionnel.

Si cet article précédent mettait principalement en évidence la démarche expérimentale ayant conduit à la réalisation de ce premier modèle, il ne détaillait pas l’ensemble du travail de conception mécanique et électronique réalisé en parallèle depuis la phase de conception préliminaire jusqu’à l’aboutissement du prototype.

Cette nouvelle publication revient donc sur cette étape essentielle afin d’expliquer les évolutions qui ont conduit à la version actuelle de la console.

Retour d’expérience sur le premier prototype de la console de commande

L’analyse critique du prototype a mis en évidence deux axes d’amélioration majeurs qui conditionnent directement l’intégration de la console au sein du diorama ainsi que la fiabilité de son fonctionnement.

Le premier concerne la conception mécanique du pupitre. Les dimensions initiales avaient été définies lors de la phase de conception préliminaire en conciliant deux contraintes : l’encombrement disponible sur la plateforme accueillant l’ensemble des consoles et les dimensions de la carte électronique de prototypage utilisée pour développer le circuit imprimé regroupant les commandes manuelles (interrupteurs, boutons-poussoirs, voyants LED et autres organes de commande).

Si cette approche s’est révélée suffisante pour réaliser un premier prototype, les essais d’intégration ont rapidement montré que le volume interne du pupitre était insuffisant pour accueillir l’ensemble des cartes électroniques, du câblage et des différents connecteurs nécessaires à une exploitation fiable et à une maintenance aisée.

Optimisation de la conception mécanique du pupitre

Cette première limitation a conduit à une révision complète de la géométrie du pupitre. Au-delà de l’augmentation du volume interne, cette évolution a nécessité une réflexion globale sur l’intégration de la console au sein du diorama afin de préserver son esthétique tout en améliorant son accessibilité, son assemblage et son évolutivité.

Cette nouvelle conception s’accompagne également d’adaptations de la structure supportant les consoles afin de garantir une intégration cohérente avec les autres équipements de la plateforme de contrôle.

Refonte de l’architecture électronique de la console

Le second enseignement concerne l’architecture électronique de la console. Les essais réalisés avec les écrans TFT couleur de 2,8 pouces ont montré que leur technologie ne permettait pas un pilotage simultané satisfaisant par une unique carte Arduino Mega sans développer une électronique d’interface spécifique permettant de gérer les deux afficheurs de manière séquentielle.

Une telle solution aurait considérablement augmenté la complexité du système, multiplié les risques de dysfonctionnement et réduit la fréquence de rafraîchissement des affichages. Afin de conserver une architecture simple, robuste et évolutive, le choix a donc été revu en profondeur, conduisant notamment au remplacement de l’une des cartes Arduino Uno initialement prévues par une carte Arduino Mega mieux adaptée aux nouvelles contraintes fonctionnelles.

Les objectifs de cette nouvelle phase de conception

Cet article présente en détail les évolutions apportées à la console de commande à la suite de ce retour d’expérience. Il décrit les nouveaux choix de conception mécanique, leurs conséquences sur l’architecture générale du diorama, ainsi que les évolutions de l’électronique de commande et de l’organisation des cartes Arduino. L’ensemble de ces modifications illustre la démarche d’amélioration continue mise en œuvre tout au long du développement du projet BATLab112 afin d’aboutir à une solution à la fois réaliste, fiable, évolutive et facilement maintenable.

Évolution de la conception de la console de commande sous FreeCAD V1.1.1

Migration vers FreeCAD V1.1.1 : une opportunité pour reprendre la conception

Depuis le lancement du projet BATLab112, FreeCAD constitue l’outil central de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisé pour développer l’ensemble des éléments mécaniques et une partie de l’architecture électronique du diorama de la Batcave à l’échelle 1/12. Au fil des années, le logiciel a connu une évolution constante, tant sur le plan des performances que de la stabilité, jusqu’à la publication de la version 1.1.1, disponible au moment de la rédaction de cet article.

La migration de l’ensemble des fichiers de conception vers cette nouvelle version a constitué une opportunité de réexaminer certains modèles développés lors des premières phases du projet. C’est dans ce contexte qu’a été engagée la reprise complète de la conception détaillée de la console de commande, avec pour objectif d’intégrer les enseignements tirés des premiers prototypes tout en tirant parti des nouvelles fonctionnalités offertes par FreeCAD.

Optimisation du modèle 3D et augmentation du volume interne du pupitre

La principale évolution concerne la conception mécanique du pupitre de commande. La reprise du dessin des flancs, réalisés par impression 3D, a permis d’augmenter significativement le volume interne disponible. Cette modification améliore l’intégration des cartes électroniques, du câblage et des différents organes de commande, tout en conservant les proportions générales de la console à l’échelle du diorama.

Au-delà de cette optimisation technique, cette reprise de conception constitue également un retour sur les premières étapes du développement du projet BATLab112. L’expérience acquise au fil des années dans l’utilisation de FreeCAD met aujourd’hui en évidence plusieurs choix de modélisation qui, sans être bloquants, pouvaient être améliorés afin d’obtenir un modèle numérique plus robuste, plus cohérent et plus facilement maintenable. Cette nouvelle version est ainsi l’occasion de corriger ces imperfections et d’appliquer des méthodes de conception désormais maîtrisées.

Les photographies présentées dans cette section témoignent également de l’évolution progressive du projet. Elles montrent notamment les premières pièces imprimées en PLA gris, réalisées au début de l’aventure BATLab112. Au-delà de leur intérêt technique, ces images rappellent le chemin parcouru et soulignent l’importance des collaborations qui ont accompagné les premières phases du développement. Avant que le projet ne dispose de ses propres moyens de conception et de fabrication, l’appui de contributeurs extérieurs a joué un rôle déterminant dans la réalisation des premiers prototypes, contribuant ainsi à poser les bases de l’évolution actuelle de la console de commande.

Amélioration de la fiabilité du câblage des écrans TFT

Les essais réalisés sur les premières versions des consoles de commande ont également mis en évidence une faiblesse inattendue concernant le raccordement des écrans TFT aux cartes Arduino Mega. Les premiers prototypes utilisaient des câbles Dupont standards, largement répandus dans le prototypage électronique. L’expérience acquise au cours des différentes phases de tests a cependant montré que leur qualité de fabrication était insuffisante pour garantir une utilisation durable.

La plupart de ces câbles sont constitués de conducteurs de faible section (28 AWG) protégés par une gaine en PVC. Avec les manipulations répétées et le vieillissement des matériaux, ces conducteurs deviennent plus sensibles aux ruptures internes et aux mauvais contacts, générant des dysfonctionnements intermittents particulièrement difficiles à diagnostiquer.

Une solution consistait à connecter directement les écrans sur les connecteurs des cartes Arduino Mega afin de supprimer totalement ce câblage intermédiaire. Si cette approche présentait l’avantage d’améliorer la fiabilité des connexions, elle n’a finalement pas été retenue. L’encombrement de l’ensemble constitué par la carte Arduino et son écran aurait nécessité d’augmenter la largeur de chaque console, remettant en cause l’implantation des quatre postes de commande sur la plateforme de contrôle du diorama.

Le maintien d’un câblage distinct répond également à l’un des objectifs fondamentaux du projet BATLab112 : sa vocation pédagogique. En laissant visibles les liaisons entre les différents composants électroniques, la console facilite la compréhension de son architecture et permet d’illustrer concrètement les interactions entre les cartes de commande, les périphériques d’affichage et les différents organes de contrôle. Ce choix privilégie ainsi la lisibilité du système tout en conservant une architecture proche de celle rencontrée dans de nombreux équipements industriels.

Les recherches menées depuis la réalisation du premier prototype ont toutefois permis d’identifier une alternative plus adaptée. Les nouveaux faisceaux utilisent des conducteurs de section plus importante (22 AWG) associés à une isolation en silicone, offrant une bien meilleure résistance aux flexions répétées et une fiabilité accrue des connexions. Cette évolution permet de conserver l’architecture de câblage initiale tout en améliorant sensiblement la robustesse et la pérennité de la console de commande.

Optimisation du PCB des commandes manuelles grâce à l’impression 3D

La reprise de la conception de la console a également porté sur le circuit imprimé regroupant l’ensemble des commandes manuelles. Si l’implantation des composants réalisée lors de la conception préliminaire puis validée sur le prototype fonctionnel ne présentait aucune anomalie sur le plan électrique, elle révélait en revanche une faiblesse de conception affectant le réalisme et la qualité esthétique du panneau de commande.

Lors des premières phases du projet, la maîtrise encore limitée de FreeCAD, combinée à l’absence de solution simple pour fabriquer des pièces de précision — le projet ne disposant pas encore d’une imprimante 3D — avait conduit à implanter certains composants directement sur le circuit imprimé sans dispositif permettant de contrôler précisément leur positionnement en hauteur. Les interrupteurs, boutons-poussoirs et voyants dépassaient ainsi insuffisamment de la façade de la console, ce qui réduisait le réalisme de l’ensemble malgré un fonctionnement parfaitement conforme aux attentes.

La nouvelle version corrige cette limitation en intégrant des supports spécifiquement conçus pour positionner chaque composant à une hauteur parfaitement maîtrisée lors de son montage sur le circuit imprimé. Ces supports, modélisés sous FreeCAD puis fabriquées par impression 3D, garantissent une implantation reproductible tout en simplifiant les opérations d’assemblage de la console.

Amélioration du réalisme du panneau de commande de la console

L’optimisation de l’implantation des composants ne répond pas uniquement à des exigences de précision mécanique. Elle ouvre également de nouvelles possibilités dans la conception du panneau de couverture des commandes manuelles, en permettant de maîtriser avec davantage de précision la position et le relief de chaque organe de commande.

Grâce à cette évolution, les interrupteurs, boutons-poussoirs et voyants présentent désormais des proportions et un débattement plus proches de ceux observés sur les pupitres industriels qui ont servi de référence tout au long de la conception du projet BATLab112. Cette fidélité accrue contribue à renforcer la cohérence visuelle de la console tout en améliorant son ergonomie et sa lisibilité.

Au-delà de l’aspect esthétique, cette évolution traduit la volonté de reproduire le plus fidèlement possible les caractéristiques des équipements réels à l’échelle 1/12. Elle participe ainsi à la qualité globale du diorama, où chaque détail de conception contribue à créer un ensemble à la fois crédible sur le plan technique et immersif sur le plan visuel.

Conclusion

La reprise de la conception détaillée de la console de commande illustre parfaitement la démarche d’amélioration continue qui accompagne le développement du projet BATLab112. Loin de remettre en cause les choix réalisés lors de la conception préliminaire ou les enseignements tirés du premier prototype fonctionnel, cette nouvelle phase de développement s’appuie au contraire sur le retour d’expérience accumulé au fil des essais, des validations techniques et des évolutions des outils de conception.

La migration vers FreeCAD V1.1.1 a constitué une opportunité de revisiter l’ensemble du modèle numérique afin d’optimiser aussi bien l’architecture mécanique que l’intégration électronique de la console. L’augmentation du volume interne du pupitre, l’amélioration de l’implantation des composants sur le circuit imprimé, l’évolution du câblage des écrans et la révision de l’architecture autour des cartes Arduino témoignent de la volonté constante de concilier réalisme, fiabilité, facilité d’assemblage et maintenabilité.

Ces évolutions mettent également en évidence la montée en maturité du projet. Les premières étapes étaient principalement consacrées à la validation des principes de fonctionnement, tandis que les itérations actuelles permettent d’affiner les détails de conception, d’améliorer la qualité perçue des différents sous-ensembles et de renforcer leur robustesse. Cette progression est caractéristique d’une véritable démarche d’ingénierie, où chaque prototype contribue à enrichir les connaissances et à orienter les développements suivants.

Enfin, cette nouvelle version de la console de commande répond pleinement aux ambitions du projet BATLab112, qui ne se limite pas à la réalisation d’un diorama fonctionnel de la Batcave à l’échelle 1/12. Elle participe également à la création d’un support technique et pédagogique destiné à illustrer les principes de la conception mécanique, de l’électronique embarquée, de la fabrication additive et de la programmation des systèmes embarqués. Chaque évolution documentée contribue ainsi à partager les choix de conception, les difficultés rencontrées et les solutions retenues, dans une logique de transmission des connaissances et de valorisation des méthodes de développement.

Les prochains articles seront consacrés à la finalisation du modèle numérique, à la fabrication des nouvelles pièces, à l’assemblage de la console de commande et aux essais de validation fonctionnelle qui permettront de confirmer les performances de cette nouvelle architecture avant son intégration définitive au sein du diorama BATLab112.

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Articles – Conception détaillée

Conception de l’architecture électronique du pont élévateur du projet BATLab112 : schémas KiCAD, Arduino et régulation des moteurs

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Résumé

Cet article s’inscrit dans la continuité de la publication consacrée au test d’intégration de la nouvelle architecture électronique du système de commande du pont élévateur du projet BATLab112. Les essais réalisés ont permis de valider le fonctionnement de cette nouvelle conception, tant sur les plans matériel que logiciel, confirmant ainsi sa conformité aux objectifs fonctionnels…

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Validation de l’architecture électronique après les essais d’intégration

Cet article s’inscrit dans la continuité de la publication consacrée au test d’intégration de la nouvelle architecture électronique du système de commande du pont élévateur du projet BATLab112. Les essais réalisés ont permis de valider le fonctionnement de cette nouvelle conception, tant sur les plans matériel que logiciel, confirmant ainsi sa conformité aux objectifs fonctionnels définis lors de la phase de conception.

Cette validation constitue une étape déterminante dans le développement du diorama. Elle marque le passage entre la phase de vérification fonctionnelle et celle de la documentation technique, dont l’objectif est de présenter en détail l’organisation de l’architecture électronique ainsi que les choix d’ingénierie qui ont conduit à sa conception.

Une architecture électronique entièrement conçue sous KiCAD

Comme l’ensemble des développements électroniques du projet BATLab112, les schémas du système de commande du pont élévateur ont été réalisés avec le logiciel KiCAD. Cet environnement de conception électronique (EDA) permet d’organiser un projet complexe sous la forme d’une arborescence de schémas hiérarchiques réunis dans un fichier unique.

Cette méthode de conception présente plusieurs avantages. Elle améliore la lisibilité de la documentation, facilite l’identification des différents sous-ensembles fonctionnels et garantit une parfaite traçabilité des évolutions apportées au système tout au long de son développement. Elle reflète également la démarche méthodique d’ingénierie adoptée pour l’ensemble du projet BATLab112.

Une organisation hiérarchique pour comprendre progressivement le système de commande

L’architecture électronique est volontairement organisée selon plusieurs niveaux hiérarchiques. Cette structuration permet de découvrir progressivement le système de commande, en passant d’une vision globale de l’installation jusqu’au détail de chacun des circuits imprimés (PCB).

Le premier niveau de l’arborescence offre une vue d’ensemble des principaux équipements qui composent le système de commande du pont élévateur. Les niveaux suivants détaillent ensuite l’architecture interne de chacun de ces sous-ensembles afin de mettre en évidence leurs fonctions, leurs interactions et leur contribution au fonctionnement global de l’installation.

Niveau 1 : Vue d’ensemble de l’architecture électronique du système de commande

Le premier niveau de l’arborescence des schémas présente l’ensemble des équipements constituant le système de commande du pont élévateur. Cette représentation globale permet d’identifier immédiatement les principaux sous-systèmes ainsi que les liaisons électriques assurant leur fonctionnement coordonné.

L’architecture s’articule autour de plusieurs ensembles fonctionnels spécialisés, chacun remplissant un rôle précis dans le pilotage, l’alimentation et le contrôle du pont élévateur.

Armoires de distribution électrique : alimentation des composants électroniques et des moteurs

Les armoires de distribution électrique assurent la fourniture des différentes tensions nécessaires au fonctionnement du système. 

  • Une alimentation de 5 V courant continu (5 VDC) est dédiée aux composants électroniques tels que les cartes Arduino, les relais, les diodes électroluminescentes (LED) et les différents circuits de commande.
  • Une seconde alimentation en 12 V courant continu (12 VDC) est réservée aux moteurs électriques assurant la transmission du mouvement vers les différents axes du pont élévateur.

Le choix de cette tension d’alimentation, distincte de celle utilisée pour les composants électroniques, résulte des caractéristiques des moteurs retenus lors de la phase de conception. Ceux-ci ont été dimensionnés afin de développer le couple nécessaire à l’entraînement des différents axes du pont élévateur, ce qui impose une alimentation en 12 VDC adaptée à leurs performances électromécaniques.

Plateformes moteurs : transmission du mouvement et mesure de la vitesse de rotation

Le système comprend quatre plateformes moteurs, chacune intégrant les éléments usinants : 

  • Un moteur électrique chargé d’entraîner un axe du pont élévateur.
  • Un capteur optique permettant de mesurer sa fréquence de rotation.
  • Une armoire de raccordement électrique regroupant les connexions de puissance et les liaisons des capteurs.

Cette organisation modulaire facilite les opérations de câblage, de maintenance et de remplacement des équipements.

Armoires de commande : cœur de l’électronique de contrôle du pont élévateur

L’ensemble est piloté par deux armoires électriques intégrant l’électronique de commande du système. Elles regroupent les cartes électroniques assurant le traitement des informations provenant des capteurs, le pilotage des moteurs, la gestion des interfaces d’entrée et de sortie ainsi que les fonctions de sécurité nécessaires au fonctionnement du pont élévateur.

Ces armoires constituent le cœur de l’architecture électronique développée pour BATLab112 et assurent la coordination de l’ensemble des équipements afin de garantir un fonctionnement fiable, reproductible et évolutif du diorama.

Console de commande : centre de pilotage et de supervision du pont élévateur

Les quatre consoles de commande développées dans le cadre du projet BATLab112 reposent sur une architecture mécanique commune. Ce design générique constitue une plateforme standardisée sur laquelle viennent s’intégrer des sous-ensembles électroniques spécifiques à chaque équipement industriel représenté dans le diorama. Cette approche modulaire facilite la conception, la maintenance et les évolutions futures, tout en garantissant une ergonomie homogène entre les différentes consoles.

La console de commande constitue le centre névralgique de l’architecture électronique du système de commande du pont élévateur. Elle centralise l’ensemble des fonctions de pilotage, qu’il s’agisse des commandes manuelles utilisées lors des phases d’exploitation ou des commandes automatiques exécutées par le système de contrôle.

En complément de ces fonctions de commande, la console assure la réception et le traitement des informations transmises par les armoires électriques de contrôle et d’interface ainsi que par les différents capteurs de fin de course répartis sur le pont élévateur. Ces données sont exploitées pour restituer en temps réel l’état de fonctionnement de l’installation, notamment la position des différents axes, l’état des mouvements en cours et les informations nécessaires à la supervision du système.

Si tous les équipements apparaissent dans la vue d’ensemble de l’architecture, ils ne nécessitent pas le même niveau de description. Certains sous-ensembles assurent essentiellement des fonctions de raccordement électrique, tandis que d’autres concentrent les fonctions de traitement, de commande et de régulation qui constituent le cœur du système électronique. Les développements qui suivent portent donc principalement sur ces derniers.

Périmètre de présentation des schémas électroniques

Les niveaux hiérarchiques suivants de l’arborescence des schémas électroniques ne détaillent pas les armoires de distribution électrique ni les plateformes motorisées. En effet, ces sous-ensembles se limitent essentiellement à des fonctions de raccordement électrique réalisées au moyen de borniers, sans intégrer de circuits électroniques de commande ou de traitement de l’information.

Leur représentation détaillée n’apporterait donc aucun élément supplémentaire à la compréhension de l’architecture électronique globale du système de commande du pont élévateur. L’article se concentre ainsi sur les schémas des sous-ensembles assurant les fonctions de contrôle, d’interface et de pilotage, qui constituent le cœur fonctionnel de cette architecture.

Cette première représentation fournit une vision globale de l’architecture du système et constitue le point de départ de l’analyse détaillée développée dans les sections suivantes. Chaque niveau de l’arborescence apportera ensuite un degré supplémentaire de précision afin de présenter successivement les armoires électroniques, la console de commande, puis les différents circuits imprimés qui composent le système.

Niveau 2 – Décomposition fonctionnelle des principaux sous-ensembles électroniques

Après avoir présenté l’organisation générale du système de commande, le deuxième niveau de l’arborescence détaille l’architecture interne des principaux sous-ensembles électroniques. Cette approche permet de comprendre comment les différentes fonctions sont réparties entre les cartes électroniques, les microcontrôleurs et les interfaces de puissance afin d’assurer le pilotage, la régulation et la supervision du pont élévateur.

Architecture électronique de la console de commande du pont élévateur

Le deuxième niveau de l’arborescence des schémas électroniques présente l’organisation interne de la console de commande et détaille les différents sous-ensembles électroniques qui la composent.

Dans le cas de la console de commande du pont élévateur, l’architecture électronique s’articule autour de quatre sous-ensembles fonctionnels principaux :

  • les cartes électroniques (PCB) dédiées aux commandes manuelles, qui regroupent l’ensemble des organes de pilotage mis à la disposition de l’utilisateur. Elles permettent notamment de commander la montée et la descente du pont élévateur, ainsi que les différentes fonctions de contrôle accessibles depuis la console ;
  • les cartes électroniques (PCB) assurant les fonctions spécifiques au contrôle et au pilotage du pont élévateur. Elles permettent notamment de définir la consigne de référence de la vitesse de rotation des moteurs électriques, afin d’adapter la vitesse de déplacement du pont élévateur en fonction des conditions d’exploitation retenues ;
  • les cartes électroniques (PCB) d’interface avec les capteurs de fin de course, chargées de conditionner et de transmettre les informations issues des différents détecteurs répartis sur l’installation. Elles assurent en particulier l’arrêt automatique des moteurs lorsque le pont élévateur atteint sa position haute ou sa position basse, garantissant ainsi le respect des limites mécaniques de fonctionnement ;
  • les cartes Arduino Mega et les écrans TFT de 2,8 pouces, qui assurent le traitement des informations, la communication avec les armoires électroniques de contrôle et d’interface, ainsi que l’affichage en temps réel de l’état du système de commande et de la position du pont élévateur.

Cette organisation hiérarchique met en évidence la séparation des fonctions de commande, d’acquisition des informations, de traitement et de supervision, conformément aux principes d’une architecture électronique modulaire, évolutive et facilement maintenable.

La console de commande constitue l’interface entre l’utilisateur et le système. Son fonctionnement repose cependant sur plusieurs armoires électroniques qui assurent le traitement des informations, la régulation des moteurs et la commande de puissance. L’étude de leur architecture permet de mieux comprendre la répartition des fonctions au sein du système de commande.

Architecture électronique de l’armoire de contrôle et d’interface de puissance des moteurs

Le deuxième niveau de l’arborescence des schémas électroniques présente l’organisation interne de l’armoire électrique d’interface de puissance des moteurs du pont élévateur. Cette armoire constitue l’interface entre le système de commande et les actionneurs, en assurant à la fois la distribution des signaux de commande, la gestion de la puissance électrique et les fonctions de sécurité nécessaires au fonctionnement de l’installation.

Son architecture électronique est organisée autour de trois sous-ensembles fonctionnels principaux :

  • Un circuit imprimé (PCB) assurant les fonctions de bornier de raccordement électrique et de sectionneur. Il centralise les liaisons électriques entre les différents équipements et permet l’isolement électrique de l’armoire afin de sécuriser les opérations de maintenance ou les interventions manuelles sur les composants électroniques ;
  • Un premier PCB L298N intégrant un double pont en H, chargé de l’interface de puissance avec deux des moteurs électriques. Il assure le pilotage du sens de rotation ainsi que la régulation de leur vitesse à partir des consignes transmises par le système de commande ;
  • Un second PCB L298N intégrant un double pont en H, assurant les mêmes fonctions pour les deux autres moteurs électriques du pont élévateur. Cette répartition permet de commander indépendamment les quatre moteurs tout en conservant une architecture modulaire, évolutive et facilement maintenable.

Alors que l’armoire d’interface de puissance assure l’alimentation et le pilotage électrique des moteurs, une seconde armoire est dédiée aux fonctions de contrôle et de régulation. Cette séparation des fonctions constitue un choix d’architecture qui améliore la modularité du système tout en simplifiant les opérations de développement, de maintenance et d’évolution.

Architecture électronique de l’armoire de contrôle et de régulation de la vitesse des moteurs

Le deuxième niveau de l’arborescence des schémas électroniques présente l’organisation interne de l’armoire électrique de contrôle et de régulation de la vitesse de rotation des moteurs du pont élévateur. Cette armoire assure le traitement des informations issues des capteurs de vitesse, l’exécution des algorithmes de régulation ainsi que la génération des consignes destinées à l’armoire d’interface de puissance.

À l’image de l’armoire de contrôle et d’interface de puissance, elle intègre :

  • Un circuit imprimé (PCB) assurant les fonctions de bornier de raccordement électrique et de sectionneur. Ce sous-ensemble centralise les connexions électriques de l’armoire tout en permettant son isolement lors des opérations de maintenance ou des interventions sur les composants électroniques.
  • Une carte Arduino Nano R4, le coeur du système, dont le programme met en œuvre les algorithmes de régulation de la vitesse des quatre moteurs électriques. Chaque moteur est piloté indépendamment à partir des mesures fournies par son capteur de vitesse, ce qui permet de compenser les écarts de fonctionnement entre les motorisations et de garantir la parfaite synchronisation de leurs mouvements. Cette régulation indépendante contribue à maintenir l’horizontalité et la stabilité du pont élévateur tout au long de ses déplacements verticaux.
  • Un écran OLED i2c fournissant en temps réel des informations synthétiques sur la vitesse de rotation de chacun des moteurs ainsi que sur l’état de fonctionnement du système de régulation. Implanté au plus près des équipements électroniques, cet affichage constitue un outil de diagnostic particulièrement utile lors des phases de développement, de mise au point des algorithmes de régulation et de réglage des paramètres de fonctionnement du pont élévateur.

Niveau 3 – Schémas détaillés des circuits imprimés et des composants électroniques

Le troisième et dernier niveau de l’arborescence correspond au degré de détail le plus fin de la documentation électronique. Chaque feuille hiérarchique décrit soit un composant complexe, tel qu’une carte Arduino ou un écran TFT, soit le schéma complet d’un circuit imprimé développé spécifiquement pour le projet BATLab112. Cette organisation garantit une parfaite traçabilité entre l’architecture fonctionnelle du système et sa réalisation électronique.

Carte électronique de centralisation des commandes manuelles

Architecture du PCB010 : une organisation modulaire des commandes manuelles

Le PCB010, dédié à la centralisation des commandes manuelles de la console du pont élévateur, est constitué de deux circuits imprimés distincts. Ce découpage résulte d’un choix de conception visant à optimiser l’implantation de l’électronique au sein de la console de commande, à simplifier le câblage et à faciliter les opérations de maintenance ainsi que les évolutions futures du système.

  • Le premier circuit imprimé regroupe l’ensemble des composants directement accessibles à l’utilisateur, tels que les commutateurs (switchs), les boutons-poussoirs et les voyants à LED, qui constituent l’interface de commande et de signalisation de la console.
  • Le second circuit imprimé est exclusivement consacré aux relais de logique câblée, assurant le traitement des commandes manuelles et la mise en œuvre des fonctions logiques nécessaires au pilotage du pont élévateur. Cette organisation contribue à améliorer la lisibilité de l’architecture électronique tout en facilitant l’intégration mécanique des différents composants dans un espace restreint.

Logique câblée : un choix d’ingénierie pour la sécurité et le réalisme du projet BATLab112

Cette architecture répond à une volonté plus large du projet BATLab112 : reproduire le plus fidèlement possible les principes de fonctionnement des installations industrielles réelles. Dans cette optique, les commandes manuelles des quatre consoles pilotant les différents équipements du diorama ont été réalisées selon une logique câblée, plutôt qu’au moyen d’un traitement logiciel intégral.

Ce choix technologique présente plusieurs avantages. Il permet tout d’abord de dissocier les fonctions de commande manuelle des traitements réalisés par les microcontrôleurs, ce qui améliore la robustesse du système et simplifie son analyse fonctionnelle. Il contribue également à renforcer la sécurité de fonctionnement, en particulier pour les équipements mettant en œuvre des mouvements mécaniques tels que le pont roulant, le pont élévateur ou la plateforme rotative.

En effet, les fonctions de commande reposent sur des relais électromécaniques dont le comportement est intrinsèquement sûr : en cas de coupure de l’alimentation électrique, leurs contacts reviennent automatiquement dans leur position de repos. Cette caractéristique facilite la mise en œuvre de fonctions de sécurité passives, sans nécessiter d’intervention logicielle, et garantit l’arrêt des mouvements dans un état prédéfini. Cette approche, largement utilisée dans les installations industrielles, renforce la sécurité des personnes et la protection des équipements tout en participant au réalisme technique recherché par le projet BATLab112.

Carte électronique de contrôle et de réglage du pont élévateur

Réglage des paramètres de fonctionnement du pont élévateur

Le PCB020 regroupe les fonctions de contrôle et de réglage des principaux paramètres de fonctionnement du pont élévateur. Son rôle est de fournir les consignes nécessaires au système de commande, notamment celles relatives à la vitesse de déplacement de l’installation, afin d’adapter le comportement des moteurs aux conditions d’exploitation retenues.

Dans sa version actuelle, cette carte électronique reprend une architecture déjà développée et validée pour le pont roulant bipoutre du projet BATLab112. Elle repose sur un montage astable à base de circuit intégré NE555, capable de générer un signal carré dont le rapport cyclique est réglable. Ce signal constitue la consigne de référence utilisée pour piloter la vitesse de rotation des moteurs du pont élévateur.

Le choix de réutiliser cette architecture illustre l’un des principes de conception appliqués au projet BATLab112 : capitaliser sur les solutions techniques déjà éprouvées afin de limiter les développements spécifiques, d’améliorer la fiabilité des nouveaux équipements et de garantir une cohérence d’ensemble entre les différents systèmes du diorama.

Une architecture susceptible d’évoluer avec le système de régulation

Bien que cette solution réponde actuellement aux besoins du système de commande, son architecture n’est pas encore définitivement figée. Les évolutions en cours d’étude concernant le PCB030, chargé de la gestion des capteurs de fin de course, pourraient conduire à revoir certaines fonctions du PCB020.

En particulier, la mise en œuvre d’un recalage automatique de l’horizontalité du pont élévateur en fin de course pourrait nécessiter une adaptation des paramètres de commande et des stratégies de pilotage des moteurs. Dans cette hypothèse, les fonctions actuellement assurées par le générateur de consigne pourraient évoluer afin de mieux s’intégrer à l’architecture globale de régulation.

Carte électronique de gestion des capteurs de fin de course du pont élévateur

Gestion des positions haute et basse du pont élévateur

Le PCB030 est dédié au raccordement et au traitement des informations issues des capteurs de fin de course du pont élévateur. Ces capteurs assurent la détection des positions extrêmes de l’installation, en fin de montée et en fin de descente, afin de déclencher automatiquement l’arrêt des moteurs lorsque le pont atteint sa position haute ou sa position basse.

Dans sa configuration actuelle, l’architecture repose sur deux capteurs de fin de course : un premier associé à la position haute et un second à la position basse. Cette solution constitue une première étape de validation du système de commande et permet d’assurer les fonctions essentielles de sécurité et de pilotage du pont élévateur.

Limites de l’architecture actuelle et perspectives d’évolution

Si cette architecture répond aux besoins fonctionnels de base, elle reste toutefois conditionnée par les performances de la régulation de vitesse des quatre moteurs. En effet, avec seulement un capteur pour chaque position extrême, le système suppose que les quatre axes du pont élévateur conservent une parfaite synchronisation tout au long des cycles successifs de montée et de descente.

Or, même si l’algorithme de régulation permet d’obtenir une excellente stabilité du pont au cours d’un déplacement et garantit ainsi des conditions de fonctionnement satisfaisantes pour le transport de la Batmobile, de très faibles écarts de synchronisation peuvent subsister entre les différents moteurs. Pris isolément, ces écarts restent négligeables, mais leur accumulation au fil des cycles de fonctionnement pourrait progressivement provoquer un défaut d’horizontalité du pont élévateur.

À terme, ce phénomène pourrait entraîner un décalage entre les quatre axes de levage, susceptible de compromettre la stabilité de la Batmobile lors de ses déplacements ou, dans le cas le plus défavorable, de provoquer un arc-boutement mécanique capable de bloquer le mouvement du pont.

Afin de supprimer ce risque, une évolution de l’architecture est actuellement à l’étude. Elle consisterait à équiper chacun des quatre axes de son propre capteur de fin de course, soit quatre capteurs pour la position haute et quatre capteurs pour la position basse. Au-delà de leur fonction de sécurité, ces capteurs permettraient de mettre en œuvre une procédure de recalage automatique de chaque axe à l’issue de chaque déplacement. Chaque cycle de montée ou de descente deviendrait ainsi une phase de réinitialisation de l’horizontalité du pont, éliminant les erreurs cumulées de synchronisation et garantissant durablement la stabilité mécanique de l’ensemble du système.

Conclusion

Une architecture électronique du diorama conçue selon les principes de l’ingénierie

La conception de l’architecture électronique du système de commande du pont élévateur constitue une étape majeure dans le développement du diorama de la Batcave projet BATLab112. Au-delà de la réalisation d’un simple système de commande, cette architecture traduit une véritable démarche d’ingénierie fondée sur la séparation des fonctions, la modularité des sous-ensembles et la hiérarchisation de la documentation technique.

L’organisation des schémas électroniques sous KiCAD reflète directement cette approche. En structurant la conception selon plusieurs niveaux de détail, depuis la vue d’ensemble du système jusqu’aux schémas des circuits imprimés, elle facilite la compréhension de l’architecture, simplifie les opérations de maintenance et garantit une parfaite traçabilité des évolutions apportées au projet. Cette méthode de conception constitue également un support précieux pour la validation fonctionnelle, le développement de nouvelles fonctionnalités et la documentation technique du diorama.

Les choix retenus, tels que la séparation des fonctions de régulation et d’interface de puissance, la commande indépendante des quatre motorisations, l’utilisation de cartes Arduino spécialisées ou encore la standardisation de la console de commande, illustrent la volonté de concevoir un système à la fois fiable, évolutif et facilement maintenable. Cette architecture offre ainsi une base robuste pour les futures évolutions du pont élévateur, tout en restant cohérente avec les principes de conception appliqués à l’ensemble des équipements industriels du projet BATLab112.

BATLab112 : un diorama pédagogique fondé sur une démarche d’ingénierie

Au-delà de ses aspects techniques, cette architecture illustre également la philosophie qui guide le développement du projet BATLab112. Bien qu’il s’agisse d’un diorama à l’échelle 1/12 inspiré de l’univers de Batman, sa conception repose sur les mêmes méthodes, outils et exigences que celles mises en œuvre dans les projets industriels. Chaque sous-ensemble est étudié, documenté, testé puis validé selon une démarche méthodique, où les choix de conception sont justifiés par des considérations fonctionnelles, mécaniques, électroniques et logicielles. Le diorama devient ainsi un véritable support d’expérimentation et de démonstration des pratiques de l’ingénierie des systèmes complexes.

Cette approche répond pleinement aux objectifs du projet BATLab112 : démontrer qu’il est possible de transposer, à l’échelle d’une maquette fonctionnelle, les méthodes de conception utilisées dans l’industrie afin de créer un système cohérent, évolutif et techniquement documenté. Au-delà de la réalisation d’un objet de démonstration, le projet a vocation à constituer une ressource pédagogique permettant d’illustrer les interactions entre la mécanique, l’électronique, l’automatisme, l’informatique embarquée et la modélisation numérique. Chaque article publié contribue ainsi à documenter cette démarche et à partager les choix d’ingénierie qui ont conduit à la réalisation progressive du diorama.

Une architecture modulaire au service des évolutions futures

Les prochains articles de cette série approfondiront chacun des sous-ensembles présentés ici. Ils détailleront notamment la conception des différents circuits imprimés (PCB), les choix de dimensionnement des interfaces électroniques, les algorithmes de régulation développés pour l’Arduino Nano R4, ainsi que les programmes assurant le pilotage de la console de commande et la supervision du pont élévateur. Cette exploration progressive permettra de suivre l’ensemble du processus de conception, depuis les premiers schémas électroniques jusqu’à la validation fonctionnelle du système complet, tout en mettant en lumière la démarche d’ingénierie qui constitue l’identité même du projet BATLab112.

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Avancement de la conception 3D du diorama de la Batcave avec FreeCAD 1.1.1

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Résumé

La migration du projet BATLab112 vers la version 1.1.1 de FreeCAD, logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisé pour développer le diorama fonctionnel de la Batcave à l’échelle 1/12, constitue l’occasion de présenter un état d’avancement des travaux de conception numérique.… Lire la suite →

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Sommaire

La migration du projet BATLab112 vers la version 1.1.1 de FreeCAD, logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisé pour développer le diorama fonctionnel de la Batcave à l’échelle 1/12, constitue l’occasion de présenter un état d’avancement des travaux de conception numérique.

Après plusieurs années de développement, la modélisation 3D du diorama atteint un niveau de maturité important. Les principaux équipements industriels de la Batcave sont désormais entièrement définis dans leur architecture mécanique, tandis que les dernières évolutions portent essentiellement sur les systèmes électroniques et les détails d’intégration nécessaires à la réalisation des modèles opérationnels.

Une conception 3D des équipements industriels désormais largement finalisée

La conception détaillée des principaux équipements industriels du diorama est aujourd’hui pratiquement achevée. Les différentes architectures mécaniques ont été progressivement validées au moyen de simulations cinématiques réalisées sous FreeCAD, permettant de vérifier les déplacements, les courses mécaniques ainsi que les interactions entre les différents sous-ensembles.

Les derniers travaux concernent principalement le pont élévateur, équipement central du diorama BATLab112. Si sa conception mécanique est désormais stabilisée, les développements se concentrent sur les systèmes électroniques de commande, de contrôle et d’asservissement qui pilotent son fonctionnement. Leur développement approche désormais de son terme, même si quelques ajustements techniques restent encore nécessaires avant la validation définitive.

Migration vers FreeCAD 1.1.1 : une évolution bénéfique pour la conception du diorama

Comme évoqué dans le précédent article consacré aux évolutions de FreeCAD 1.1.1, la migration vers cette nouvelle version est née d’un besoin concret rencontré lors de la conception des éléments mécaniques associés au système électronique du pont élévateur.

Cette évolution du logiciel a permis de résoudre plusieurs difficultés techniques, notamment en améliorant significativement le rendu graphique des modèles 3D. La gestion des ombres projetées, auparavant source de confusion lors de l’analyse des assemblages complexes, offre désormais une représentation plus lisible des différentes pièces mécaniques.

La nouvelle fonctionnalité Lien (Link) constitue également une évolution majeure du processus de conception. Elle permet de créer des références vers des ensembles complets de pièces, selon un principe comparable aux clones déjà disponibles pour les objets individuels. Cette approche facilite considérablement la conception des structures répétitives, en particulier les supports mécaniques destinés aux chemins de câbles électriques présents dans l’ensemble du diorama.

Au-delà du gain de productivité, cette fonctionnalité améliore également la cohérence des modèles 3D en garantissant une meilleure synchronisation entre les différents assemblages utilisant des composants identiques.

Révision du modèle numérique et harmonisation des fichiers de conception

La migration vers FreeCAD 1.1.1 s’est également accompagnée d’une révision approfondie de l’ensemble du modèle numérique. Le nouveau rendu graphique, caractérisé par une apparence plus brillante des matériaux selon les paramètres d’affichage par défaut, a facilité l’identification de plusieurs imperfections mineures introduites au fil des nombreuses évolutions du projet.

Cette phase de relecture a conduit à corriger certains détails de conception tout en harmonisant les nomenclatures des fichiers, les conventions de nommage et les systèmes de gestion des versions. Ces opérations contribuent à améliorer la maintenabilité du projet et à préparer plus efficacement les futures évolutions.

Cette démarche est particulièrement illustrée par la conception des consoles de commande du pont élévateur. Les quatre consoles reposent désormais sur un modèle générique unique, enrichi de composants spécifiques en fonction des fonctions assurées par chaque équipement industriel. Cette approche modulaire simplifie les évolutions futures tout en garantissant une parfaite cohérence de conception.

Les systèmes électroniques du pont élévateur prennent forme

Depuis les dernières présentations consacrées aux simulations cinématiques des équipements industriels, les évolutions les plus significatives concernent les systèmes électroniques assurant le pilotage du pont élévateur.

L’ensemble est aujourd’hui constitué de quatre plateformes motorisées, de deux armoires électriques ainsi que du réseau complet de chemins de câbles assurant la distribution des alimentations électriques et des liaisons de commande. Ces différents équipements occupent désormais la totalité du niveau 0 de la Batcave, conformément à l’architecture fonctionnelle définie lors des phases de conception.

Les modèles opérationnels des plateformes motorisées ainsi que les armoires électriques intégrant les systèmes électroniques de contrôle et de régulation ont déjà été réalisés. Les prochaines étapes porteront principalement sur la fabrication et l’intégration des structures mécaniques supportant les chemins de câbles, dernière composante majeure de cet ensemble technique.

Une conception numérique qui prépare la réalisation du diorama fonctionnel

L’avancement actuel du projet BATLab112 témoigne de l’intérêt d’une démarche de conception numérique complète avant toute fabrication. La modélisation 3D sous FreeCAD, associée aux simulations cinématiques et au prototypage progressif des différents équipements, permet de sécuriser les choix techniques tout en réduisant les risques d’erreur lors de la réalisation des modèles opérationnels.

Cette méthodologie, inspirée des pratiques de l’ingénierie industrielle, contribue à faire du diorama de la Batcave non seulement un projet de modélisme fonctionnel à l’échelle 1/12, mais également un support pédagogique illustrant les différentes étapes de la conception mécanique, électronique et informatique d’un système technique complexe.

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Pont élévateur – Electronique – Conception Ep2

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Suite à la réalisation du premier prototype opérationnel, cet article présente la reprise de la conception de l’électronique de commande du pont élévateur, du diorama de la Batcave du projet BATLab112.

  1. Introduction
  2. Modification de la conception initiale
  3. Les éléments conservés depuis la version initiale
  4. Schéma électronique
  5. Script Arduino
  6. Bienfaits des limites de TinkerCAD
  7. Prototypage de validation
  8. Voir aussi

Introduction

Cet article fait suite à la conception détaillée de l’électronique de commande et la réalisation d’un premier prototype opérationnel de l’électronique de commande du pont élévateur du diorama pédagogique à l’échelle 1/12 de la Batcave du projet BATLab112.

Modification de la conception initiale

Les essais effectués à l’aide du montage prototype ont mis en évidence que les modules de conversion des signaux de fréquence, issus des capteurs optiques des plateformes moteurs, en signaux de tension exploitables par la carte Arduino Mega intégrée à la console de commande du pont élévateur, ne sont pas adaptés. En effet, la conversion de signaux de fréquence trop faibles génère des tensions dont les variations en amplitude, corrélées à la fréquence, sont insuffisantes pour permettre une interprétation fiable et précise par le microcontrôleur.

L’objet de cet article est double. Il s’agit, dans un premier temps, de proposer une nouvelle conception de l’électronique de commande, en remplaçant les modules de conversion fréquence/tension par des cartes Arduino, capables d’assurer directement la lecture, le traitement et la transmission des signaux issus des capteurs optiques.
Dans un second temps, l’objectif est d’introduire plusieurs améliorations fonctionnelles absentes de la première version du système, notamment la mise en place d’une régulation de vitesse pour chacun des quatre moteurs assurant l’entraînement des axes du pont élévateur. Cette évolution vise à garantir un mouvement synchronisé et sécurisé de l’ensemble des plateformes, tout en offrant une meilleure stabilité et une précision accrue lors des phases de montée et de descente.

Les éléments conservés depuis la version initiale

Dans une volonté de minimiser l’impact des modifications envisagées, tant en termes de temps que de coût, certains éléments existants doivent être conservés. Cette approche vise à réutiliser au maximum les composants et sous-ensembles déjà en place, afin de limiter les interventions matérielles et de garantir la compatibilité avec l’infrastructure électrique actuelle du projet.

Les armoires électriques

L’implantation de cette électronique au sein des deux armoires électriques est conservée. Les dimensions mécaniques de ces armoires demeurent inchangées, afin de maintenir la cohérence avec les autres ensembles électriques similaires du projet.

La conception de l’agencement de l’armoire dédiée au contrôle de la vitesse et du sens de rotation des moteurs n’est que marginalement affectée par le changement de procédé de mesure de la vitesse. Cependant, l’analyse du fonctionnement du prototype a mis en évidence la nécessité d’une évolution majeure : le système doit désormais permettre de piloter la vitesse de rotation de chacun des moteurs de manière indépendante. Cette modification ouvre la voie à une régulation plus fine du mouvement de chaque axe du pont élévateur, garantissant un meilleur équilibrage et une synchronisation plus précise de l’ensemble.

Dans le montage initial, le signal issu du générateur à rapport cyclique variable, conçu à partir d’un oscillateur NE555, produit un signal carré unique distribué simultanément vers les quatre entrées des deux doubles ponts en H assurant le pilotage des moteurs.
Cependant, ce dispositif, entièrement autonome et dépourvu de rétroaction, ne permet aucune régulation dynamique du rapport cyclique en fonction des variations de vitesse propres à chacun des moteurs. En conséquence, toute fluctuation mécanique ou électrique affectant un moteur se répercute sur l’équilibre global du système, sans possibilité de correction différenciée.

Schéma électronique

La reprise de cette conception électronique a également constitué l’occasion d’utiliser, pour la première fois dans l’avancement du projet BATLab112, l’outil en ligne TinkerCAD, dédié à la conception et à la simulation de circuits électroniques. Cet environnement virtuel a permis de modéliser les nouveaux schémas de commande avant leur réalisation concrète, facilitant ainsi les phases de test, de validation et d’ajustement.
L’usage de TinkerCAD a également contribué à limiter les erreurs de conception, qui se sont déjà avérées coûteuses en temps et en ressources matérielles, en permettant d’anticiper les incompatibilités potentielles entre composants et de valider les principes de fonctionnement avant toute phase de prototypage physique.

Pour accéder à TinkerCAD cliquer sur l’image ou sur ce lien : https://www.tinkercad.com/things/4NAy7qcVIJG

Présentation générale

Au centre de ce schéma, les deux cartes Arduino Uno jouent un rôle de représentation :

  • celle située à gauche symbolise la carte Arduino Mega 2650 utilisée dans la console de commande ;
  • celle située à droite correspond à la nouvelle carte Arduino intégrée au montage, dédiée à l’acquisition et au traitement des signaux électriques provenant des capteurs optiques de mesure des vitesses de rotation des moteurs.

Dans cette simulation, l’écran TFT 2,8″ associé à la carte Mega a dû être remplacé par un écran LCD I2C 16×2, en raison des limitations de la bibliothèque de composants disponibles dans TinkerCAD. Toutefois, ce remplacement s’est révélé être une opportunité technique : il a permis d’envisager une solution d’affichage local, directement au plus près des armoires de raccordement électriques.
Les faibles dimensions et la simplicité de câblage de ces écrans LCD offrent de nouvelles perspectives d’intégration, notamment sur la porte même des armoires électriques.

La platine de prototypage électronique présente sur le schéma remplit quant à elle un rôle symbolique, représentant la console de commande physique du dispositif.

Enfin, les quatre générateurs de fonctions simulent les signaux issus des capteurs optiques placés sur les plateformes moteurs. Ces générateurs, réglables individuellement, sont associés à quatre oscillogrammes permettant d’observer les rapports cycliques et les signaux de commande de vitesse de rotation produits par la carte Arduino.
Cette configuration a notamment permis de valider expérimentalement la régulation de vitesse des moteurs dans un environnement virtuel.

Évolution depuis la version initiale

Mesure de la vitesse de rotation des moteurs

La mesure de la vitesse de rotation des moteurs est la fonction la plus impactée par les évolutions de cette nouvelle conception. Jusqu’à présent, cette mesure était assurée par des modules de conversion fréquence/tension, qui se sont révélés inadaptés aux conditions réelles de fonctionnement et aux niveaux de signaux fournis par les capteurs.

Comme évoqué précédemment, l’objectif consiste à remplacer ces modules par une ou plusieurs cartes Arduino, chargées d’assurer l’acquisition, le traitement et la conversion des signaux de fréquence issus des capteurs optiques positionnés sur les quatre plateformes moteurs.


L’utilisation de l’outil de simulation TinkerCAD joue ici un rôle essentiel : elle permet d’expérimenter différentes configurations pour déterminer le nombre de cartes Arduino nécessaires à la gestion simultanée des signaux, ainsi que le modèle le plus approprié. Ce choix dépendra à la fois des capacités d’entrée/sortie disponibles et des contraintes d’encombrement mécanique, afin de garantir une intégration optimale en remplacement direct des anciens modules de conversion.

Edition des schémas électroniques

La simulation du montage électronique du diorama de la Batcave du projet BATLab112 est éditée avec l’application Web TinkerCAD.

Voir la page dédiée à TinkerCAD

Script Arduino

Script d’acquisition et traitement des signaux de vitesse moteur

/**************************************************************/
/* Script for Arduino Check Measure			      */
/* Measures and converts the frequency values from the	      */
/* generators to transmit them to the second Arduino 	      */
/**************************************************************/
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define COUNTER     	1       // Nb pulses/measure
#define DUTY_CYCLE_INIT	70	// Initialization Duty Cycle

LiquidCrystal_I2C lcd_1(38, 16, 2);

/* GLOBAL VARIABLES *******************************************/
int PulseCounter = 1;
int Freq_min;
int Motor_min;

float Period[]={0,0,0,0};
float old_Period[]={0,0,0,0};

float Freq[]={0,0,0,0};
int Freq_int[]={0,0,0,0};
char Freq_char[4][4]={"000","000","000","000"};

int Duty_cycle[4]={DUTY_CYCLE_INIT,DUTY_CYCLE_INIT,DUTY_CYCLE_INIT,DUTY_CYCLE_INIT};
float Duty_cycle_control[4]={1,1,1,1};

const byte pinIn[] = {4, 7, 12, 13};	// Pins used to get Freq
const byte pinPWM[] = {3, 9, 10, 11};	// Pins PWM

/**************************************************************/
/* Void setup()												 */
/**************************************************************/
void setup()
{  
  /* ARDUINO PINOUT *******************************************/
  //MANUAL COMMAND PIN
  int PIN_FREQ0	= 4;
  int PIN_FREQ1	= 7;
  int PIN_FREQ2	= 12;
  int PIN_FREQ3	= 13;
  
  pinMode(PIN_FREQ0, INPUT);
  pinMode(PIN_FREQ1, INPUT);
  pinMode(PIN_FREQ2, INPUT);
  pinMode(PIN_FREQ3, INPUT);
  
  //PWM PINS
  int PIN_PWM0  = 3;
  int PIN_PWM1  = 9;
  int PIN_PWM2  =10;
  int PIN_PWM3  =11;
  
  pinMode(PIN_PWM0, OUTPUT);
  pinMode(PIN_PWM1, OUTPUT);
  pinMode(PIN_PWM2, OUTPUT);
  pinMode(PIN_PWM3, OUTPUT);	
  
  
  /* SET PWM FREQUENCY DIVISOR ********************************/
  // PWM PIN 9 & 10 → 31372.55 Hz
  //TCCR1B &= 0b11111000;
  //TCCR1B |= 0b00000001; 
  // PWM PIN 3 & 11 → 31372.55 Hz
  //TCCR2B &= 0b11111000;
  //TCCR2B |= 0b00000001; 
  
  /* POWER PWM SIGNALS ****************************************/
  analogWrite(PIN_PWM0, map(DUTY_CYCLE_INIT,0,100,0,255));
  analogWrite(PIN_PWM1, map(DUTY_CYCLE_INIT,0,100,0,255));
  analogWrite(PIN_PWM2, map(DUTY_CYCLE_INIT,0,100,0,255));
  analogWrite(PIN_PWM3, map(DUTY_CYCLE_INIT,0,100,0,255));

  /* INIT SERIAL1 PORT ****************************************/
  Serial.begin(9600);
  
  /* LCD FIRST DISPLAY ****************************************/
  lcd_1.init();
  lcd_1.backlight();
  lcd_1.setCursor(0,0);
  lcd_1.print("MEASURE");
  lcd_1.setCursor(0,1);
  lcd_1.print("WIP...");
  
  delay(3000);
}

/**************************************************************/
/* Void loop()						      */
/**************************************************************/
void loop() {
  
  /* CHECK FREQUENCIES ****************************************/
  for(int i=0; i<4; i++)
  {
    Period[i] = ReadPeriod(pinIn[i]);	// Period in µsec
    Freq[i] = (1000000/Period[i]);		// Frequency in Hz
  }
  
  /* DUTY_CYCLE CONTROL VALUE *********************************/
  Freq_min = min(min(min(Freq[0],Freq[1]),Freq[2]),Freq[3]);
  for(int i=0; i<4; i++)
  {
    if(Freq_min == Freq[i])
    {
      Motor_min = i;
    }
  }
  for(int i=0; i<4; i++)
  {
    Duty_cycle_control[i] = Freq_min/Freq[i];
    Duty_cycle[i] = Duty_cycle[i] * Duty_cycle_control[i];
    analogWrite(pinPWM[i], map(Duty_cycle[i],0,100,0,255));
  }

  /* FORMAT FREQ VALUE ON 3 DIGITS ****************************/
  // Freq value range : 10 Hz -> 500 Hz
  for (int i=0;i<4;i++)
  {
    /*if (Freq[i]==0)
    {
      for(int c=0;c<3;c++)
      {
        Freq_char[i][c]="0";
      } 
    }*/
    if (Freq[i]<10)
    {
      Freq[i] = Freq[i] + 910;
    }
    if (Freq[i]<100)
    {
      Freq[i] = Freq[i] + 900;
    }

    /* CONVERTING (FLOAT) FREQ VALUE in CHAR ******************/
    if(Freq[i]!=0)
    {
      Freq_int[i] = round(Freq[i]);
      itoa(Freq_int[i],Freq_char[i],10);
    }
  }

  /* SEND FREQ_CHAR VIA RxTx PORT *****************************/
  for(int i=0; i<4; i++)
  {
    Serial.write(Freq_char[i],3);
  }

  /* DISPLAY VALUES *******************************************/
  // FIRST : FREQUENCIES
  lcd_1.init();
  lcd_1.setCursor(0,0);
  lcd_1.print("F0:");
  lcd_1.print(Freq_char[0]);
  lcd_1.setCursor(0,1);
  lcd_1.print("F1:");
  lcd_1.print(Freq_char[1]);
  lcd_1.setCursor(9,0);
  lcd_1.print("F2:");
  lcd_1.print(Freq_char[2]);
  lcd_1.setCursor(9,1);
  lcd_1.print("F3:");
  lcd_1.print(Freq_char[3]);
  
  delay(3000);
  
  // SECOND : DUTY CYCLE
  lcd_1.init();
  lcd_1.setCursor(0,0);
  lcd_1.print("D0:");
  lcd_1.print(Duty_cycle[0]);
  lcd_1.setCursor(0,1);
  lcd_1.print("D1:");
  lcd_1.print(Duty_cycle[1]);
  lcd_1.setCursor(9,0);
  lcd_1.print("D2:");
  lcd_1.print(Duty_cycle[2]);
  lcd_1.setCursor(9,1);
  lcd_1.print("D3:");
  lcd_1.print(Duty_cycle[3]);
  
  PulseCounter = 0;
  delay(2000);
}

/**************************************************************/
/*  Function : ReadPeriod()			  	      */
/*  Input    : The signal number of the measured period       */
/*  Return	 : none	 				      */
/*  Digest	 : Use the Arduino pulseIn command to measure */
/*	           the signal period in microseconds          */
/**************************************************************/
float ReadPeriod(int signal)
{
  int pin = 0;
  float VarPeriod = 0;
  PulseCounter = 0;
  while(PulseCounter <= COUNTER)
  {
    VarPeriod = (VarPeriod + pulseIn(signal,HIGH));
    VarPeriod = (VarPeriod + pulseIn(signal,LOW));
    PulseCounter++;
  }
  VarPeriod = VarPeriod / PulseCounter;
  return VarPeriod;
}

Limite de fonctionnement du script

Régulation de la vitesse de rotation des moteurs

Le modèle de la bibliothèque TinkerCAD de moteur à courant continu équipé d’un encodeur ne permet, à priori, pas de simuler le fonctionnement réel de l’encodeur. Cette limitation a directement conduit à adopter une approche simplifiée pour la régulation de la vitesse des moteurs. En l’absence de signaux de retour exploitables, la régulation du rapport cyclique du signal PWM de pilotage reste très rudimentaire dans cette première version du script.

À partir d’une configuration initiale des rapports cycliques fixée à 70 % :

#define DUTY_CYCLE_INIT 70

La plus petite valeur parmi les quatre vitesses de rotation simulées est utilisée comme référence pour ajuster les rapports cycliques des trois autres moteurs. Cette méthode, bien que cohérente dans le cadre des contraintes de la simulation, ne constitue pas une véritable régulation en boucle fermée : elle repose uniquement sur une logique de comparaison relative, sans mesure réelle de la vitesse issue d’un encodeur.

De plus, les délais d’exécution du code et les latences propres à l’environnement de simulation TinkerCAD limitent la précision des ajustements et induisent un comportement parfois irrégulier. Ces approximations rendent difficile toute extrapolation directe du fonctionnement simulé vers un système physique réel.

Ainsi, le script doit être considéré avant tout comme une première approche conceptuelle de la régulation multi-moteurs. Il permet de valider les principes d’organisation du code — gestion des signaux PWM, comparaison des vitesses, et synchronisation relative — tout en offrant une base solide pour une future version du programme. 

Fréquences des signaux PWM

/* SET PWM FREQUENCY DIVISOR ********************************/
  // PWM PIN 9 & 10 → 31372.55 Hz
  // TCCR1B &= 0b11111000;
  // TCCR1B |= 0b00000001; 
  // PWM PIN 3 & 11 → 31372.55 Hz
  // TCCR2B &= 0b11111000;
  // TCCR2B |= 0b00000001;

Ces lignes de script déclarées en commentaire correspondent à la mise en œuvre initiale de diviseurs de fréquence appliqués aux signaux PWM générés par les broches 3, 9, 10 et 11. L’objectif de cette modification était d’augmenter la fréquence de modulation, passant d’environ 490 Hz à des valeurs supérieures à 20 kHz, afin de rendre les signaux inaudibles pour l’oreille humaine. Cette approche avait été envisagée pour améliorer le confort sonore du système lors des phases de commande moteur. Cependant, elle a été finalement mise de côté, car l’augmentation de la fréquence PWM provoquait des dysfonctionnements dans la communication I2C utilisée par l’écran LCD, rendant son affichage inopérant.
Une solution alternative, consistant à utiliser des bibliothèques spécialisées telles que PWM.h, sera étudiée ultérieurement afin d’obtenir un contrôle plus fin des fréquences de modulation sans interférer avec les autres périphériques du système.

Bienfaits des limites de TinkerCAD

Les limites rencontrées lors de l’utilisation de TinkerCAD apparaissent clairement dès la conception du schéma électronique, notamment en raison de l’absence de certains composants essentiels utilisés dans le cadre du projet BATLab112, tels que la carte Arduino Mega 2560 ou encore les écrans TFT 2,8″.

Cependant, loin de constituer un frein, ces contraintes se sont révélées particulièrement formatrices. Elles ont favorisé une approche plus inventive et une optimisation du travail de conception. En effet, cette première expérience d’utilisation de TinkerCAD a permis de démontrer qu’une seule carte Arduino Uno pouvait remplacer les quatre modules de conversion fréquence/tension initiaux, tout en assurant l’acquisition et le traitement des signaux issus des capteurs.

L’absence de certains composants dans l’environnement de simulation a également encouragé la recherche de solutions alternatives et l’amélioration des montages existants. Ainsi, la nécessité d’optimiser l’utilisation des broches disponibles sur l’Arduino Uno, en nombre plus limité que sur la Mega 2560, a conduit au développement de nouvelles stratégies de communication.
Parmi celles-ci, la mise en place d’un échange de données par liaison série entre l’Arduino dédié à l’acquisition et au traitement des signaux de vitesse de rotation des moteurs, et l’Arduino de la console de commande responsable de l’affichage, constitue une évolution majeure. Cette approche a permis non seulement d’alléger le câblage, mais aussi d’améliorer la modularité et la clarté fonctionnelle du système.

Prototypage de validation

Maquette de prototypage

Cette maquette de prototypage est destinée à valider le câblage ainsi que le fonctionnement de la carte Arduino dédiée à l’acquisition, au traitement et à la transmission des signaux de vitesse des quatre moteurs. Elle constitue une étape préalable essentielle avant l’intégration du système complet sur le prototype fonctionnel.

Adaptations par rapport au montage TinkerCAD

Dans cette version matérielle, les générateurs de fréquences utilisés dans le montage TinkerCAD sont remplacés par un clone d’Arduino Mega, chargé de délivrer quatre signaux PWM. Deux de ces signaux sont associés à un diviseur de fréquence, permettant d’alterner entre deux valeurs de fréquences distinctes afin de simuler différentes vitesses de rotation des moteurs.

La carte Arduino Uno couplée à un écran LCD, représentant la console de commande dans la simulation TinkerCAD, est remplacée par la carte Arduino Mega équipée d’un écran TFT 2,8″. Cet ensemble est directement issu de la console de commande réelle du système.

De son côté, l’écran LCD initialement utilisé sur la carte Arduino Uno en charge de la mesure, du traitement et de la transmission des informations, est désormais remplacé par un écran OLED I2C, plus compact et offrant une intégration dans l’armoire électrique.

Conclusion

Le fonctionnement général de cette maquette est validé. Les échanges entre les cartes, ainsi que la génération et la lecture des signaux de vitesse, se comportent conformément aux attentes.
La prochaine étape consistera à intégrer ce montage dans les armoires électriques du prototype initial du système de commande, en liaison avec les plateformes moteurs, afin de procéder aux essais en conditions réelles.

Voir aussi

Articles – Pont élévateur

Articles – Conception détaillée

Pont élévateur – Electronique – Conception Ep1

Stef1 commentaire

Cet article présente la première partie de la conception et du prototypage de l’électronique de commande du pont élévateur, du diorama de la Batcave à l’échelle 1/12, du projet BATLab112.

  1. Introduction
  2. Cahier des charges
  3. Principe de fonctionnement général
  4. Schéma électronique
  5. Sourcing
  6. Modélisation 3D
  7. Intégration
  8. Voir aussi

Introduction

Cet article fait suite à la conception détaillée mécanique et la réalisation des quatre prototypes de la plateforme de motorisation des axes du pont élévateur. Cet article présente la conception détaillée de l’électronique de commande qui va contrôler les mouvements du pont élévateur en pilotant les moteurs des plateformes.

Pour plus d’infos :

Cahier des charges

Atelier de la Batcave – Cahier des charges – Freecad 3D

Le cahier des charges de l’électronique de commande est conforme au cahier des charges général du projet BATLab112 présenté dans l’article ci-dessus. La vidéo associée est la mise à jour de l’illustration de ce cahier des charges initial, intégrant l’avancement de la conception 3D des différents composants du diorama.

L’électronique doit permettre de commander le pont élévateur par la mise en oeuvre des fonctions suivantes :

  • Commander le sens de déplacement à la verticale du pont élévateur en fonction des actions sur les commandes manuelles.
  • Maintenir une vitesse constante lors du déplacement à la verticale du pont élévateur pour maintenir l’horizontalité du pont élévateur lors de son déplacement à la verticale.
  • Détecter les positions haute et basse du pont élévateur pour interdire le déplacement au-delà de ces positions.
  • Détecter un défaut de rotation d’un des moteurs pour anticiper un éventuel défaut d’horizontalité.
  • Transmettre des informations sur l’état du système : Position des commandes manuelles, vitesse de rotation des moteurs, défauts …

L’ensemble des fonctions décrites dans le cahier des charges doit être entièrement compatibles avec un raccordement du pont élévateur sur un modèle de console de commande déjà mise en oeuvre dans le diorama pour piloter la plateforme rotative et le pont roulant.

Pour plus d’infos :

Principe de fonctionnement général

Le mouvement vertical du pont élévateur est assuré par les 4 plateformes de motorisation des 4 axes verticaux.  Le principe est très simple la rotation des moteurs entraine la rotation des 4 axes. Ces axes sont des vis sans fin, sur lesquelles est fixé le pont élévateur. La rotation de ces vis sans fin entraine le déplacement verticale du pont.

La console de commande regroupe l’ensemble des commandes manuelles et automatiques pour contrôler la vitesse et le sens de rotation des moteurs, mais aussi les écrans d’affichage de ces informations. La conception de la console de commande a déjà donné lieu à la réalisation de deux modèles opérationnels mis en œuvre pour commander la plate-forme rotative et le pont roulant bipoutre. 

Deux armoires électriques regroupent l’ensemble des composants, des circuits électriques et électroniques nécessaires pour transmettre et convertir les signaux électriques. 

Les signaux de commandes issues de la console de commandes sont transmises à une armoire électrique dans laquelle se trouvent deux PCB de type : Double Pont en H à base de L298N. Ces  PCB convertissent les signaux de commandes du sens de déplacement vertical du pont élévateur, portés par des tensions de 5VDC, en signaux de tension 12VDC, compatibles avec l’alimentation électrique des moteurs.

ScreenShot FreeCAD Conception 3D

Les plateformes de motorisation des axes du pont élévateur sont connectées, d’une part à l’armoire de contrôle des moteurs, et d’autre part, à une deuxième armoire électrique dans laquelle se trouvent 4 PCB de type convertisseur de fréquence en tension. Ces PCB transforment les signaux électriques en fréquence, issus des photocoupleurs des capteurs de vitesse de rotation présents sur chacune des plateformes, en signaux électriques en tension, compatibles avec les broches d’entrées de l’Arduino en charge de l’affichage de ces informations sur les écrans de la console de commande. 

Schéma électronique

Screenshot KiCAD Contrôle des moteurs
Screenshot KiCAD Mesure de la vitesse de rotation

Le schéma du montage électronique se partage en deux parties. La première partie correspond au circuit de contrôle de la vitesse et du sens de rotation des moteurs. La deuxième partie correspond au circuit de conversion des signaux électriques issus des capteurs photocoupleurs de mesure de la vitesse de rotation des moteurs.

Contrôle de la vitesse et du sens de rotation des moteurs

Au centre de ce schéma on retrouve les deux doubles pont en H à base de composants L298N. Chaque pont en H pilote 2 moteurs directement raccordés sur chacune de ses sorties.

Le signal carré à rapport cyclique variable est dirigé vers les entrées EnA et EnB des deux double pont en H pour garantir une vitesse de rotation des moteurs identiques.

+ d’infos : https://arduino.blaisepascal.fr/pont-en-h-l298n/

Comme mentionné au dessus, la variation de la vitesse de rotation des moteurs est commandée par un générateur de signal carré, à rapport cyclique variable. Ce montage est réalisé à partir d’un oscillateur NE555.

Dans ce montage la résistance R301 et le condensateur C301 fixe la valeur de la fréquence. Le potentiomètre P300 permet le réglage du rapport cyclique.

Les commandes manuelles ont été schématisées le plus simplement possibles ; Deux switches dont la combinaison de leurs positions donne la commande du sens de rotation.

S2S1Moteur
00Stop
01Sens 1
10Sens 2
11Stop

Le détails de ces commandes sera développé lors de la conception de la Console de commandes associée au pont élévateur.

Mesure de la vitesse de rotation des moteurs

Au centre de ce schéma, on retrouve quatre convertisseurs de fréquence en tension (Hz to V), MIKROE 2890. Ces convertisseurs transforment les signaux électriques en fréquence, issus des photocoupleurs des capteurs de vitesse de rotation, en signaux électriques en tension, compatibles avec les broches d’entrées de l’Arduino.

Le convertisseur Hz to V ayant besoin d’une tension d’alimentation électrique de 3,3V, un convertisseur Tension / Tension, LM33V assure la conversion de la tension d’alimentation électrique de 5VDC en 3,3VDC.

Edition des schémas électroniques

LEs schéma électriques et électroniques du diorama de la Batcave du projet BATLab112 sont édités avec la suite logicielle Open Source KiCad .

Voir la page dédiée à KiCad

Sourcing

Le sourcing des composants principaux est réalisé dès la phase de conception pour intégrer la modélisation 3D de ces composants dans la conception détaillée des armoires électriques.

Le sourcing est réalisé à partir d’une plateforme de ventes en ligne. Ce choix est essentiellement dicté par un objectif de limitation du nombre de fournisseurs, mais aussi de centralisation des commandes et ainsi envisager des économies d’échelle, notamment sur les frais de livraison.

Sourcing câblage

1. Jack 3,5 mm
2. Jack 5,5 mm
3. Bornier vert
4. Bornier bleu
5. Presse étoupe
  1. Les prises Jack 3,5 mm sont utilisées en entrées/sorties pour connecter des câbles de très petites sections véhiculant des signaux de commandes de très faibles intensités.
  2. Les prises Jack 5,5 mm sont utilisées en sorties pour connecter des câbles de sections plus importantes pour alimenter des éléments tels que les moteurs à courant continu.
  3. Les borniers verts sont utilisés en entrées/sorties pour connecter des câbles de très petites sections véhiculant des signaux de commande en interne d’une armoire électrique.
  4. Les borniers bleus sont utilisés en entrées/sorties pour connecter des câbles de sections plus importantes véhiculant des tensions d’alimentation d’éléments tels que des moteurs.
  5. Les presse étoupes sont utilisé en entrées d’une armoire électrique pour connecter le câble d’alimentation général de l’armoire.

Sourcing des composants actifs

Le contrôle du sens et de la vitesse de rotation des moteurs à courant continu est assuré par une carte électronique de type Double pont en H équipée d’un composant L298N.

Une carte est capable de piloter deux moteurs simultanément, par conséquent, deux cartes de ce type sont nécessaires pour piloter les moteurs des quatre plateformes de motorisation des quatre axes du pont élévateur.

La mesure de la vitesse de rotation des moteurs est assuré par une carte électronique convertisseur fréquence / Tension. Ce PCB convertit les signaux en fréquence issus des capteurs des plateformes en signaux en tension compatible avec les micro-controlleurs Arduino des consoles de commandes.

Une carte est capable de convertir un signal en fréquence, par conséquent, quatre cartes de ce type sont nécessaires pour mesures les vitesse de rotation des moteurs des quatre plateformes des quatre axes du pont élévateur.

Modélisation 3D

Conception 3D

La modélisation du poste électrique équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.21.2

Voir la page dédiée à FreeCAD

Bibliothèque de modèles 3D

Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.

Voir la page dédiée à GrabCAD

Intégration

Screenshot FreeCAD Motors Control
Screenshot FreeCAD Measures Control

Tous les composants d’une même page de schéma sont regroupés dans une armoire électrique à l’échelle 1/12. On obtient ainsi, une première armoire électrique sur laquelle sont raccordés les moteurs électriques, les commandes manuelles et le signal carré de contrôle de la vitesse de rotation des moteurs, issus de la console de commandes. La deuxième armoire électrique est raccorder aux photocoupleurs des capteurs de mesure de la vitesse de rotation des moteurs et à la console de commande pour lui transmettre les signaux électriques correspondants aux vitesses de rotation.

Cet article ne détaille pas la conception de la structure des armoires électriques. Cette conception a déjà fait l’objet d’un article spécifique.

Pour plus d’infos :

Détail des borniers de raccordement électriques

Screenshot FreeCAD Terminal Block Motors Control
Screenshot FreeCAD Terminal Block Measures Control

Compte tenu des dimensions à l’échelle 1/12 de ces armoires électriques, la conception de l’intégration des composants doit être précise. Le point crucial réside dans le design et l’intégration des borniers de raccordement électriques.

Voir aussi

Articles – Pont élévateur

Articles – Conception détaillée

Pont élévateur – Conception Détaillée – Plateformes moteurs

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Cet article présente la deuxième partie de la conception détaillée, du pont élévateur à l’échelle 1/12, du diorama de la Batcave du projet BATLab112. Cette deuxième partie porte plus particulièrement sur les quatre plateformes moteurs et leur raccordement électrique.

  1. Introduction
  2. Benchmarking
  3. Conception mécanique
  4. Conception électrique
  5. Modélisation 3D
  6. Conception détaillée de la plateforme
  7. Vue d’ensemble
  8. Prochaine étape
  9. Voir aussi

Introduction

Cet article est la suite de la conception détaillée de la structure mécanique du pont élévateur. L’objectif est à présent de concevoir le design mécanique des 4 plateformes de motorisation des 4 axes du pont élévateur.

Pour plus d’infos :

Benchmarking

Pour respecter l’objectif de réalisme du diorama pédagogique du projet BATLab112, le design des plateformes des moteurs du pont élévateur du diorama est directement inspiré de plateformes réelles.

Le type d’équipement représentée sur la photo est une pompe à eau horizontale électrique très largement utilisé dans l’industrie.

source : modopump.com

Présentation générale

Conception mécanique

La motorisation des axes du pont élévateur se compose de 4 plateformes identiques, équipées chacune d’un moteur à courant continu couplé à une boîte de renvoi d’angle à 90°. Sur les 4 axes de couplage, une roue codeuse permet à un capteur optique de mesurer la vitesse de rotation du moteur et ainsi de contrôler la vitesse de déplacement vertical du pont élévateur.

  • BATLab112 Project – Lifter Bridge – Motor Platform – Design Overview
  • BATLab112 Project – Lifter Bridge – Motor Platform – DC Motor
  • BATLab112 Project – Lifter Bridge – Motor Platform – Encoder
  • BATLab112 Project – Lifter Bridge – Motor Platform – Gearbox

Sourcing

Pour définir le design final de cet ensemble et s’assurer de son intégration mécanique dans le diorama, les composants sont sélectionnés dans la phase de conception détaillée en fonction de leurs dimensions et de leurs caractéristiques techniques.

Moteur
Roue codeuse
Engrenage angulaire

Caractéristiques techniques

  • Alimentation . : 12V CC
  • Puissance …… : 7W
  • Vitesse : 2000 tr/min

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Alimentation : 3,3V à 5V CC
  • Sortie : Numérique
  • Capteur : Infrarouge

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Réduction . : 1:1
  • Engrenage : Conique
  • Matière : Nylon et Acier

Sourcing

Moteur à courant continu

Ce modèle de moteur est sélectionné pour ses dimensions mécaniques compatibles avec le rendu réaliste imposé par l’échelle 1/12 du diorama, mais aussi pour ses caractéristiques électriques garantissant le bon fonctionnement final du système. La tension d’alimentation en 12V, associée à une vitesse de rotation nominale élevée, laissent envisager un couple mécanique satisfaisant après réduction de la vitesse de rotation.

Roue codeuse et capteur optique

Ce capteur est sélectionné pour la simplicité de sa mise en œuvre, son encombrement compatible avec l’échelle du diorama et un signal de sortie numérique. Comme le montre la photo, ce modèle est souvent vendu par petit lot de pièces.

Engrenage angulaire

Le choix de ce type d’engrenage est relativement restreint sur un marché grand public autorisant des commandes à l’unité. Ce modèle d’engrenage angulaire est sélectionné pour son rapport de réduction de 1:1 mais aussi pour son design mécanique robuste, équipé de pattes de fixation.

Conception électrique

La conception électrique porte ici essentiellement sur l’armoire électrique qui doit assurer le raccordement de la tension d’alimentation des moteurs ainsi que le signal de sortie de la roue codeuse. Pour concevoir le design mécanique de cette armoire électrique, ainsi que son intégration générale sur la plateforme, il est nécessaire de penser auparavant sa conception électrique

L’objectif de reproduction réaliste du câblage d’une telle armoire n’est pas envisageable compte tenu des contraintes d’intégration des composants nécessaires. Cependant, les armoires électriques du pont élévateur vont faire l’objet d’une évolution dans leur design, par rapport à la conception des précédentes armoires électriques du diorama du projet BATLab112.

Screenshot

Sectionneur électrique

Le premier objectif est de remplacer le bloc de jonction, présent dans les premières armoires électriques du diorama, pour le raccordement électrique d’alimentation des moteurs, par un système à base de switches et de deux connecteurs, faisant office de sectionneur électrique comme illustré sur l’extrait du schéma ci-contre.

Bornier de raccordement

Le remplacement du bloc de jonction contraint aussi le câblage de la roue codeuse de chaque moteur. Elles seront donc raccordées via un connecteur à trois contacts, faisant office de bornier électrique.

Sourcing

Connecteur 2 broches
Switch à glissière
Connecteur 3 broches

Caractéristiques techniques

  • Tension ….. : 300V CC
  • Intensité … : 10A
  • Broche …… : 2

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Tension ….. : 50V CC
  • Intensité … : 0,5A

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Tension ….. : 300V CC
  • Intensité … : 10A
  • Broche …… : 3

Sourcing

Modélisation 3D

FreeCAD

Le projet BATLab112 utilise la version 0.21.2 de FreeCAD dans le cadre de la conception préliminaire et détaillée du diorama de la Batave à l’échelle 1/12.

La modélisation du poste électrique équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.21.2

Voir la page dédiée à FreeCAD

Modélisation des pièces mécaniques

Moteur électrique
Roue codeuse
Engrenage angulaire

Contrairement à d’autres composants utilisés dans les systèmes industriels de la Batcave, aucun modèle 3D n’est disponible librement pour chacun dses composants de la plateforme ; moteur, roue codeuse, engrenage à renvoi d’angle. Par conséquent, leur modélisation 3D est réalisée avec le logiciel FreeCAD pour définir dans un premier temps leur design général. La prise en compte de leurs dimensions externes permet de présenter leurs intégration sur une plateforme.

Modélisation des composants électroniques

Les modèles 3D des composants électroniques sont disponibles dans la bibliothèque de GrabCAD

Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.

Voir la page dédiée à GrabCAD
Electronic component
Electrical cabinet frame
Electrical cabinet overview

Conception détaillée de la plateforme

La modélisation complète et détaillée d’une plateforme nécessite l’intégration d’éléments complémentaires, comme le coupleur monté sur l’axe vertical en sortie de l’engrenage à renvoi d’angle, le portique supportant l’armoire électrique et aussi la base d’accueil et de fixation de tous les composants.

Vue d’ensemble

Prochaine étape

La première version de la conception détaillée de tous les composants mécaniques du pont élévateur est achevée. La prochaine étape consiste à concevoir et réaliser le prototype de l’électronique de commande.

Voir aussi

Articles – Pont élévateur

Articles – Conception détaillée

Pont élévateur – Conception détaillée – Ep 1

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Cet article présente la première partie de la conception détaillée, du pont élévateur à l’échelle 1/12, du diorama de la Batcave du projet BATLab112. Cette première partie porte plus particulièrement sur le design mécanique de la motorisation des axes du pont élévateur. La deuxième partie portera sur l’électronique de commande pour contrôler les moteurs.

  1. Introduction
  2. Présentation générale
  3. Modélisation 3D
  4. Assemblage
  5. Voir aussi

Introduction

Le dimensionnement mécanique du pont élévateur lors de la conception préliminaire ainsi que le premier prototype réalisé, ont permis de valider la cinématique de ce système, et ainsi de développer et produire les prototypes des autres systèmes industriels équipant le diorama de la Batcave du projet BATLab112.

Pour plus d’infos :

L’objectif de la conception détaillée est à présent de définir plus précisément la motorisation électrique du pont élévateur de la Batcave. En effet, lors de la conception préliminaire la motorisation du pont élévateur a été représentée par 4 moteurs pas à pas fixés directement sur les 4 axes. L’objectif était de pouvoir en définir la structure mécanique, cette partie du système a donc été mise de côté. À présent, il convient de proposer une solution technique fonctionnelle et compatible avec le niveau de réalisme d’un diorama pédagogique.

Présentation générale

La nouvelle motorisation des axes du pont élévateur se compose de 4 plateformes identiques, équipées d’un moteur à courant continu couplé à une boîte de renvoi d’angle à 90°. Sur les 4 axes de couplage, une roue dentelée permet à un capteur optique de mesurer la vitesse de rotation du moteur et ainsi de contrôler la vitesse de déplacement vertical du pont élévateur.

Conception mécanique

Pour définir le design final de cet ensemble et s’assurer de son intégration mécanique dans le diorama, les composants sont sélectionnés dés la phase de conception détaillée en fonction de leurs dimensions et de leurs caractéristiques techniques.

Moteur
Roue codeuse
Engrenage angulaire

Caractéristiques techniques

  • Alimentation . : 12V CC
  • Puissance …… : 7W
  • Vitesse : 2000 tr/min

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Alimentation : 3,3V à 5V CC
  • Sortie : Numérique
  • Capteur : Infrarouge

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Réduction . : 1:1
  • Engrenage : Conique
  • Matière : Nylon et Acier

Sourcing

Moteur à courant continu

Ce modèle de moteur est sélectionné pour ses dimensions mécaniques compatibles avec le rendu réaliste imposé par l’échelle 1/12 du diorama, mais aussi pour ses caractéristiques électriques garantissant le bon fonctionnement final du système. La tension d’alimentation en 12V, associée à une vitesse de rotation nominale élevée, laissent envisager un couple mécanique satisfaisant après réduction de la vitesse de rotation.

Roue codeuse et capteur optique

Ce capteur est sélectionné pour la simplicité de sa mise en œuvre, son encombrement compatible avec l’échelle du diorama et un signal de sortie numérique. Comme le montre la photo, ce modèle est souvent vendu par petit lot de pièces.

Engrenage angulaire

Le choix de ce type d’engrenage est relativement restreint sur un marché grand public autorisant des commandes à l’unité. Ce modèle d’engrenage angulaire est sélectionné pour son rapport de réduction de 1:1 mais aussi pour son design mécanique robuste, équipé de pattes de fixation.

Conception électrique

La conception électrique porte ici essentiellement sur l’armoire électrique qui doit assurer le raccordement de la tension d’alimentation des moteurs ainsi que l’alimentation électrique et le signal de sortie de la roue codeuse.

L’objectif de reproduction réaliste du câblage d’une telle armoire n’est pas envisageable compte tenu des contraintes d’intégration des composants nécessaires. Cependant, les armoires électriques du pont élévateur vont faire l’objet d’une évolution dans leur design, par rapport à la conception des précédentes armoires électriques du diorama du projet BATLab112. L’objectif est de remplacer le bloc de jonction de raccordement de la tension d’alimentation des moteur, par un système à base de switcher de connecteur, faisant office de sectionneur électrique. La roue codeuse sera raccordée quant à elle via un autre connecteur faisant office de bornier électrique.

Connecteur 2 broches
Switch à glissière
Connecteur 3 broches

Caractéristiques techniques

  • Tension ….. : 300V CC
  • Intensité … : 10A
  • Broche …… : 2

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Tension ….. : 50V CC
  • Intensité … : 0,5A

Sourcing

Caractéristiques techniques

  • Tension ….. : 300V CC
  • Intensité … : 10A
  • Broche …… : 3

Sourcing

Modélisation 3D

FreeCAD

Cet article intervient après un changement d’environnement technique autorisé par le changement d’ordinateur. A présent la version 0.21.2 de FreeCAD est utilisée pour une meilleure définition de la conception du projet BATLab112.

La modélisation du poste électrique équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.21.2

Voir la page dédiée à FreeCAD

Modélisation des pièces mécaniques

Moteur électrique
Roue codeuse
Engrenage angulaire

Contrairement à d’autres composants utilisés dans les systèmes industriels de la Batcave, aucun modèle 3D n’est disponible librement pour chacun de ces composants. Par conséquent, leur modélisation 3D via FreeCAD s’attache essentiellement à leurs designs généraux pour en définir les dimensions externes.

Modélisation des composant électronique

Les modèles 3D des composants électroniques sont disponibles dans la bibliothèque de GrabCAD

Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.

Voir la page dédiée à GrabCAD
Electronic component
Electrical cabinet frame
Electrical cabinet overview

Modélisation d’une plateforme de motorisation

Design d’une plateforme de motorisation d’un axe vertical du pont élévateur

Pour modéliser une plateforme complète, des éléments complémentaires sont ajoutés comme les coupleurs d’axes et le portique de l’armoire électrique assurant la centralisation des raccordements électriques.

Vue d’ensemble

Voir aussi

Articles – Pont élévateur

Articles – Conception détaillée

Local électrique – Conception Détaillée – V3

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Cet article présente la troisième version de la conception détaillée, du local électrique à l’échelle 1/12, du diorama de la Batcave du projet BATLab112. Cette mise à jour de cette conception est en lien avec la mise en jour du modèle opérationnel du local technique.

  1. Introduction
  2. Présentation générale
  3. Une quatrième armoire de distribution
  4. La structure cantilever
  5. La passerelle d’accès
  6. Modélisation 3D
  7. Voir aussi

Introduction

Cet article fait suite à la réalisation du premier modèle opérationnel du local électrique du diorama de la Batcave du projet BATLab112.

Batcave Diorama Electricity Station

Présentation générale

Batcave Diorama Electricity Station Design by FreeCad

Modélisation 3D

FreeCAD

Cet article intervient aussi après un changement d’environnement technique autorisé par le changement d’ordinateur. A présent la version 0.21.2 de FreeCAD est utilisée pour une meilleure définition de la conception du projet BATLab112.

La modélisation du poste électrique équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.21.2

Voir la page dédiée à FreeCAD

Voir aussi

Articles – Electricité

Articles – Conception détaillée

Local électrique – Conception Détaillée – V2

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Screenshot

Cet article présente la deuxième version de la conception détaillée, du local électrique à l’échelle 1/12, du diorama de la Batcave du projet BATLab112. Cette mise à jour de cette conception est en lien avec la réalisation du premier modèle opérationnel du local technique.

  1. Introduction
  2. Présentation générale
  3. Une quatrième armoire de distribution
  4. La structure cantilever
  5. La passerelle d’accès
  6. Modélisation 3D
  7. Voir aussi

Introduction

Cet article fait suite à l’article précédent sur la conception détaillée du local technique et ceux de la fabrication des différents éléments du modèle opérationnel.

Présentation générale

  • Vue d’ensemble du local électrique
  • Armoire de raccordement haute tension
  • Armoire de commande des basses tensions
  • Convertisseur de puissance
  • Armoires de distribution
  • Structure Cantilever de support des chemin de câble
  • Passerrelle d’accès au local électrique

Les modifications par rapport à la précédente version de la conception détaillée :

  • Une quatrième armoire de distribution
  • La structure Cantilever de support des chemin de câbles
  • Un premier design de la passerelle d’accès au local électrique

Une quatrième armoire de distribution

Cette quatrième armoire de distribution, identique dans sa conception au 3 premières est une armoire supplémentaire pour assurer la distribution des tensions 12VDC.

Armoires de distribution

La structure cantilever

Cette structure est conçue comme support au chemin de câble. Le détail de sa conception fera l’objet d’un prochain article en cours de rédaction.

Structure Cantilever de support des chemin de câble

La passerelle d’accès

La conception de cette passerelle n’est pas encore totalement aboutie lorsque cet article sera mis en ligne. Un article dédié est en cours de rédaction.

Passerrelle d’accès au local électrique

Modélisation 3D

FreeCAD

La modélisation du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.19.

Voir la page dédiée à FreeCAD

Voir aussi

Articles – Electricité

Articles – Conception détaillée

Pont roulant bipoutre – Conception détaillée

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Résumé :

Cet article présente la conception détaillée du pont roulant bipoutre du diorama pédagogique de la Batcave, à l’échelle 1/12, du projet BATLab112.

Actualisé :

05 octobre 2023

Mots clés :

, , , ,

Sommaire :

  1. Vue générale
  2. Vues de détails
  3. Modélisation 3D
  4. Voir aussi

Introduction

La conception détaillée du pont roulant bipoutre fait suite à la réalisation de son prototype.

Si ce prototype permet de valider le design de la structure du quadrilatère du pont roulant, il reste à présent à définir plus précisément le design des rails de roulement du pont ainsi que le système de festons de câbles électriques.

Vue générale du pont roulant

  • Screenshot n°1 : Armoires de raccordement électrique des moteurs
  • Screenshot n°2 : Festons de câbles électriques
  • Screenshot n°3 : Rails de guidage et butées de fin course
  • Screenshot n°4 : Sommiers du pont roulant
  • Screenshot n°5 : Poutres du pont roulant

Festons de câble

Vues générales

Cette vue en perspective axonométrique plongeante montre le design d’un rail équipé de son feston de câble (Trolleys + Câble).

Cette vue en perspective axonométrique en contre plongée montre le design d’un rail équipé de son feston de câble (Trolleys + Câble).

Vues de détails

Bras de suspension des rails des festons des câbles

Les rails de guidage des festons de câble sont suspendus par des bras. Ces bras sont composés de deux parties : Le bras de suspension du rail et l’étrier de maintien du bras. Le design de ces deux pièces est conçu pour une réalisation par impression 3D. La fixation des étriers sur la structure du diorama est réalisée par des clous à tête suivant l’implantation des rangées de trou. Le nombre d’ensembles bras et étrier reste à définir en fonction des contraintes lors de la fabrication du modèle opérationnel.

Bras de suspension terminaux des festons de câbles

Pour guider le câble vers son point de raccordement électrique et éviter toute tension due au déplacement du pont, deux bras de suspension du rail de guidage sont fixés par un étrier double. Un guide de câble est alors positionné sur le rail entre les deux bras. En passant dans ce guide, le câble est alors dirigé vers son point de raccordement, tout en étant maintenu en position face à la tension exercée sur le câble lors du déplacement du pont roulant.

Trolleys de roulement des festons

Pour garantir le guidage du câble le long de son rail, des trolleys sont utilisés pour supporter le câble et assurer son guidage grâce à 2 séries de 2 rouleaux enserrant la partie inférieure du rail de guidage. Le design de ces pièces est conçu pour une réalisation par impression 3D.

Butées de fin de course

Vues générales

Les butées de fin de course sont placées à l’extrémité des rails de roulement d’un pont roulant. Ces dispositifs constituent une limite physique dans le déplacement du pont roulant, servant de sécurités en empêchant le pont roulant de sortir de ses rails, chuter et faire chuter la charge qu’il transporte.

Les bumpers sont des tampons d’amortissement du choc du contact du pont roulant avec les butées de fin de course. Ils sont installés aux extrémités des deux sommiers du pont roulant (éléments moteur du pont roulant).

Vues de détails

Chacune des quatre butées de fin de course est équipée d’un capteur coupe circuit. Si le pont roulant vient jusqu’au contact d’une butée, il actionne alors son capteur qui coupe l’alimentation électrique des moteurs, entrainant l’arrêt du pont. Le design du corps de ces butées est conçu pour être réaliser par impression 3D. La fixation des butées sur la rail de roulement du pont est réaliser par 6 boulons M2. Le capteur électrique est inséré dans le corps de la butée, maintenu en position par 2 boulons M2.

Bumpers

Le design des bumpers est conçu pour être réaliser par impression 3D. Ils sont fixés sur les extrémités des sommiers par 2 rangées de 3 clous à tête.

Modélisation 3D

FreeCad

La modélisation du pont roulant bipoutre équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.19.

Voir la page dédiée à FreeCAD

GrabCAD

Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire pont roulant bipoutre équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.

Voir la page dédiée à GrabCAD

Fabrication

Le design de toutes ces pièces ont été conçus pour être réaliser par impression 3D.

L’impression 3D des pièces des équipements industriels de la Batcave du projet BATLab112 a été réalisée avec une imprimante Anet A8 et le logiciel Cura.

Voir la page dédiée à l’ANET A8

Voir aussi

Articles – Pont roulant

Articles – Conception détaillée