Electricité
Console de commande – Conception préliminaire – Ep2
Cet article présente l’implantation générale des cartes électroniques du prototype de la console de commande des équipements électriques de la Batcave du projet BATLab112.
Présentation générale
Le cahier des charges met en avant la présence de quatre équipements industriels nécessaires pour la maintenance de la Batmobile ; la plateforme rotative, le pont élévateur, le pont roulant et les bras robotiques. Chacun de ces équipements doit être piloté soit en mode automatique, à partir d’un système centralisé, soit en mode manuel. Pour chaque équipement industriel, les commandes manuelles sont regroupées sur une console de commande, assurant aussi l’interface avec le système central.
Cette console de commande est composée de 3 cartes électroniques, 2 cartes Arduino et 2 écrans tactiles. Seules, les cartes du panneau des commandes et des relais sont réalisées pour les besoins spécifiques du projet BATLab112. Les autres cartes sont des cartes manufacturées, choisies pour leurs caractéristiques techniques ainsi que leurs dimensions conforme avec les dimensions du diorama.
Cartes électroniques de puissance
Les deux cartes électroniques de puissance sont implantées à l’intérieur de la console de commande. Les deux cartes sont maintenues par 4 vis contre la face avant de la console. La face composants des cartes est accessible depuis l’arrière de la console, avant fixation du panneau de support des écrans.
La carte relais (à gauche) créée pour le projet BATLab112. Ces relais sont utilisés dans les commandes en logique câblée ; auto maintien.
La carte de contrôle des mini moto-réducteurs 6VDC est réalisée à partir d’un contrôleur double pont L298N. Elle permet de sélectionner le sens de rotation des moteurs.
Cartes Arduino
Les cartes Arduino Uno et Arduino Mega sont implantées à l’arrière du panneau de support des écrans des contrôle. La face de dessus face visible pour permettre le câblage des cartes avec les autres cartes électroniques de la console de commande.
La carte Arduino Mega pilote l’écran principal, en charge de l’affichage et de l’horodatage des commandes activées par le panneau des commandes.
La carte Arduino Uno, pilote l’écran secondaire en charge de l’affichage de l’état général de l’équipement pilote (Bras robotique, Pont roulant, Plateforme rotative, Pont élévateur …).
Panneau des commandes
La carte électronique du panneau des commandes, développée pour le projet BATLab112 est implantée dans la face inclinée du pupitre de commande. Cette carte supporte tous les organes de commande ; boutons poussoirs, bouton d’arrêt d’urgence, commutateurs, voyants … Le câblage de cette carte avec les autres cartes électroniques de la console de commande, s’effectue par l’intérieur du pupitre, avant fixation du panneau de support des écrans de contrôle.
Ecrans de contrôle
Modélisation 3D
FreeCAD
La modélisation de la plateforme rotative de la Batmobile équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.19.
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.
Modeles 3D
Ces modèles, téléchargés depuis la plateforme GrabCAD, sont utilisés dans cette phase de conception préliminaire, afin de valider les assemblages mécaniques entre ces différents sous-ensembles et la structure de la console de commande.
Voir aussi
Articles – Conception préliminaire
Articles – Console de commande
Plateforme rotative – Prototype
Résumé :
Cet article présente la réalisation du prototype de la plateforme rotative du diorama pédagogique de la Batcave, à l’échelle 1/12, du projet BATLab112.
+ d’infos :
Actualisé :
Mots clés :
Introduction
La réalisation du prototype de la plateforme rotative du diorama de la Batcave fait suite à la réalisation du prototype de cet équipement.
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Présentation générale
La structure de la plateforme a été fabriquée en bois pour des raisons économiques mais aussi de facilité et rapidité de mise en oeuvre, le montage ayant pu être réalisé par simple collage. La plaque de couverture a été fabriquée en carton. La liaison pivot est assurée par un roulement à bille de type Lazy Susan, généralement utilisé pour des plateaux tournant de table.
La réalisation de ce premier prototype de la plateforme rotative de la Batcave du projet BATLab112 poursuit plusieurs objectifs. Il s’agit dans un premier temps de valider le design issu de la conception préliminaire et dans un deuxième temps de tester la motorisation de ce système.
- Valider le design technique
- Valider le design fonctionnel
- Valider le design mécanique
- Tester la motorisation du système
Vues de détails
Design technique
Ce prototype doit tout d’abord permettre de s’assurer de la faisabilité technique du design issu de la conception préliminaire.
Conception préliminaire
Même si la plateforme rotative a fait l’objet d’une phase de conception préliminaire en 3D avec le logiciel FreeCad, ce prototype permet de faire des ajustements nécessaires suite à des différences de côtes rencontrées lors de la réception de pièces manufacturées.
Prototype n°1
Les différents éléments ont été assemblés par collage. La fabrication de la structure en bois est plutôt satisfaisante. Même si les imperfections des pièces de bois utilisées ne permettent pas une précision au millimètre, cette structure présente une surface d’appui pour le plateau suffisamment plane. Elle est plutôt solide et peut être manipulée avec un minimum de soin. La faisabilité technique de la structure est donc validée.
Pour améliorer la précision de fabrication, une solution consisterait à rectifier toutes les pièces de bois avant assemblage ou d’opter pour des profilés aluminium.
Design fonctionnel
Ce prototype doit permettre de s’assurer de la fonctionnalité du design issu de la conception préliminaire.
Conception préliminaire
Le poids total, de la plateforme et du modèle réduit de la Batmobile, doit être le plus faible possible, pour autoriser l’utilisation d’un micro-moteur pour la rotation, afin d’être conforme avec les exigences d’échelle 1/12 du projet. Il s’agit donc ici de contrôler particulièrement si l’utilisation de matériaux légers est compatible avec l’assemblage du roulement à bille plus lourd.
Prototype n°1
L’assemblage de la structure en bois sur le roulement à billes de type Lazy Susan est réalisé grâce à 1 cercle de carton. Ce cercle est collé sur la structure. Les pions (en blancs sur la photo) fixent l’ensemble sur le roulement à billes. Cet assemblage est satisfaisant pour solidariser la structure en bois avec la couronne extérieure du roulement à billes. Il autorise la rotation de l’ensemble par rapport à la couronne intérieure. Le design fonctionnel est donc validé.
Une amélioration consisterait à réaliser le cercle d’assemblage entre la structure en bois et le roulement à billes dans un matériau plus rigide que du simple carton d’emballage ce qui éviterait les éventuelles déformations.
Résistance mécanique
Ce prototype doit permettre de contrôler la capacité de la plateforme à supporter le poids du modèle réduit de la Batmobile.
Conception préliminaire
Le plateau de la plateforme doit être d’une épaisseur très mince (inférieure à 2mm), pour des raisons de cohérence avec l’échelle 1/12 du projet. Il est nécessaire de s’assurer d’une part que sa réalisation puisse se faire dans un matériau suffisamment léger (ici du carton) pour ne pas rendre l’ensemble trop lourd pour la capacité des moteurs du pont élévateur et de la plateforme. D’autre part, il est aussi nécessaire de s’assurer que ce plateau ne se déforme pas sous le poids du modèle réduit de la Batmobile.
Prototype n°1
Le plateau de la structure est découpé dans une plaque de carton d’emballage d’épaisseur 1mm. Dans un premier temps, ce plateau est simplement posé sur la structure en bois. L’ensemble structure et plateau supporte tout à fait le poids du modèle réduit de la Batmobile. Le plateau ne se déforme pas sous le poids de la Batmobile. L’architecture de la structure de la plateforme associé à un plateau de faible épaisseur est donc validée.
Une amélioration consisterait à réaliser le plateau par découpe laser pour obtenir une découpe plus précise.
Motorisation
Ce prototype est aussi l’occasion de mettre en oeuvre la motorisation et la transmission du mouvement de rotation pour valider leurs dimensionnements issus de la conception préliminaire.
Transmission mécanique
L’engrenage de transmission est réalisé avec une poulie montée sur l’axe du moteur et une courroie GT2 5mm entourée autour du diamètre extérieur du roulement à billes. La courroie n’a pas été collée mais juste maintenue par du ruban adhésif. Le moteur est lui aussi simplement maintenu par du ruban adhésif contre un des supports provisoires de la plateforme. Le test est concluant malgré un montage sommaire. Cependant, ce montage ne permet pas de réaliser une rotation complète de la plateforme à cause de la présence du ruban adhésif.
La prochaine version de cette transmission devra intégrer le collage définitif de la courroie ainsi qu’une fixation plus appropriée du moteur.
Moteur
Ce test de motorisation a été réalisé avec un micro-moteur 6V à courant continu et un variateur de tension. Ce variateur est utilisé pour contrôler la tension d’alimentation du moteur et ainsi ajuster la vitesse de rotation de la plateforme. Le couple du moteur associé au rapport de réduction de l’engrenage suffit pour entrainer l’ensemble ; plateforme et modèle réduit de la Batmobile. Le test de motorisation est donc validé.
Validation fonctionnelle
Conclusion
Ce premier prototype de la plateforme rotative de la Batmobile équipant l’atelier de la Batcave du projet BATLab112 permet de valider la conception préliminaire de cet équipement. Les points d’amélioration identifiés seront pris en compte dans la prochaine version de ce prototype.
Voir aussi
Articles – Plateforme rotative
Poste électrique HT/BT du diorama BATLab112 : conception détaillée d’un prototype pédagogique
Informations générales
L’article présente la conception détaillée et la réalisation du premier prototype fonctionnel du poste électrique HT/BT à l’échelle 1/12 pour le diorama pédagogique de la Batcave du projet BATLab112. Il s’inscrit dans la phase de conception détaillée visant à reproduire avec fidélité les fonctions d’un poste électrique industriel.… Lire la suite →
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Dernière mise à jour :
Temps de ecture :
8–12 minutes
Mots clés :
Catégorie :
Sommaire
- Contexte et objectifs du projet BATLab112
- Présentation Générale du Poste Électrique à l’Échelle 1/12
- Conception et réalisation du convertisseur de puissance
- Panneau basse tension : conception et fonctionnalités
- Armoire de raccordement électrique
- Edition des schémas électriques
- Retour d’expérience sur la conception détaillée
- Des articles sur l’avancement du réseau électrique du diorama
- Des articles sur les modèles opérationnels et prototypes du diorama
Cet article contient des références à des marques commerciales. Ceci n’est en aucun cas un placement de produit ou de la publicité. Ces produits sont cités au titre de la référence qu’ils représentent dans la recherche de solutions techniques dans le contexte du projet BATLab112.
Contexte et objectifs du projet BATLab112
Ce premier prototype fonctionnel du poste électrique de la Batcave du projet BATLab112, a été réalisé suite à sa conception préliminaire, essentiellement destinée à modéliser les enveloppes mécaniques des différents éléments le composant.
La conception détaillée du poste électrique de la Batcave s’inscrit dans l’objectif de réalisme poursuivi par le projet BATLab112 à des fins pédagogiques. À ce titre, les choix de conception opérés visent à reproduire avec la plus grande fidélité possible le fonctionnement de chacun des éléments constitutifs de ce poste électrique, tant sur le plan fonctionnel que didactique.
Les photographies présentées dans cet article illustrent le prototype du poste HT/BT dans son état initial, antérieur à la phase de reprise du design extérieur, engagée en vue d’améliorer le rendu visuel et la cohérence esthétique de l’ensemble.
Présentation Générale du Poste Électrique à l’Échelle 1/12
L’architecture du poste électrique du diorama de la Batcave, dans le cadre du projet BATLab112, s’inspire directement de l’organisation conventionnelle d’un poste électrique industriel réel, identifiée lors de la phase de parangonnage des systèmes existants.
L’armoire de raccordement électrique constitue l’interface entre l’alimentation fournie par le réseau — représentée, dans le cadre du diorama, par une prise 230 VAC 50 Hz — et le réseau électrique interne du diorama. Cette armoire intègre un sectionneur interne permettant d’isoler complètement le réseau du diorama, assurant ainsi une sécurité fonctionnelle et opérationnelle.
Le convertisseur de puissance, ou transformateur, est l’équipement chargé de la transformation de la tension alternative du secteur en tensions continues de basses valeurs, adaptées à l’alimentation des différents équipements du diorama. Quatre niveaux de basses tensions ont été définis en fonction des besoins spécifiques :
- 5 V DC : alimentation des composants électroniques tels que LED, boutons poussoirs et relais.
- 6 V DC : alimentation des petits moteurs du pont roulant et de la plateforme rotative.
- 12 V DC : alimentation des quatre moteurs du pont élévateur.
- 12 V DC secondaire : alimentation des équipements annexes du diorama, notamment l’éclairage.
L’armoire de commande des basses tensions est dotée d’un panneau de commande permettant de contrôler la mise en marche et l’arrêt de la distribution de ces tensions à l’ensemble du diorama. Sa conception reproduit fidèlement le fonctionnement d’un équipement industriel réel, y compris le principe de câblage basé sur des relais électromécaniques, offrant ainsi une expérience pédagogique complète et réaliste.
Conception et réalisation du convertisseur de puissance
Choix techniques et matériaux de fabrication
La structure interne de ce prototype de convertisseur de puissance est réalisée à partir de carton d’emballage de récupération, constituant une solution simple et fonctionnelle pour le support des composants. La structure externe, dédiée à la finition esthétique du convertisseur, est quant à elle conçue à partir de briques d’emballage alimentaire de jus de fruit, dont la face interne en aluminium contribue à la rigidité et à l’aspect visuel de l’ensemble.
Intégration des convertisseurs DC/DC
Ce premier prototype intègre deux convertisseurs DC/DC permettant de fournir des tensions de 5 VDC et de 6 VDC, répondant aux besoins actuels du projet. La réserve d’espace disponible au sein du boîtier autorise l’intégration ultérieure d’un convertisseur DC/DC supplémentaire, en fonction de l’évolution des exigences fonctionnelles du projet BATLab112.
Sourcing des différents composants électriques
Architecture électrique générale
Panneau basse tension : conception et fonctionnalités
Choix techniques et matériaux de fabrication
La structure interne du convertisseur de ce prototype du convertisseur de puissance est réalisé en carton. La structure externe, assurant la finition esthétique du convertisseur, est réalisée avec des briques d’emballage alimentaire (intérieur en aluminium).
Interface de commande et de signalisation
Le panneau de commande des basses tensions est conçu selon une organisation comparable à celle d’un panneau de commande industriel réel. Il est équipé de quatre boutons poussoirs permettant le pilotage des quatre niveaux de tension requis pour l’alimentation électrique des équipements industriels miniaturisés du diorama à l’échelle 1/12, à savoir le pont roulant, le pont élévateur, la plateforme tournante et les bras robotiques. Des voyants lumineux associés assurent la visualisation de l’état des commandes correspondantes, selon un fonctionnement binaire de type ON/OFF.
À l’instar des installations industrielles réelles, un bouton poussoir d’arrêt d’urgence est intégré au dispositif. Celui-ci permet l’interruption immédiate de l’alimentation électrique des quatre tensions, garantissant l’arrêt simultané de l’ensemble des équipements électriques du diorama.
Carte électronique support des boutons et voyants
La carte électronique intégrée à l’armoire de commande des basses tensions est équipée de quatre relais électromécaniques, permettant de reproduire fidèlement le fonctionnement d’un panneau de commande industriel réel. Le choix d’une commande par boutons poussoirs, fidèle à la réalité, nécessite la mise en œuvre d’un dispositif reposant sur des relais électromécaniques à double contact, assurant une fonction d’auto-maintien.
Chaque action sur un bouton poussoir alimente la bobine du relais correspondant, entraînant la fermeture d’un contact et le maintien de l’état de commande sans action continue de l’utilisateur. L’activation du bouton poussoir d’arrêt d’urgence provoque quant à elle la coupure de l’alimentation électrique des bobines de l’ensemble des relais, entraînant la désactivation simultanée de tous les dispositifs d’auto-maintien et l’arrêt immédiat des équipements commandés.
Sourcing
Schéma électrique de commande des relais avec auto-maintien
Optimisation du nombre de contact de commande
La recherche de composants, présentée dans le paragraphe précédent, met en évidence des relais dont la tension d’alimentation de la bobine est compatible avec la tension 12VDC de sortie du bloc d’alimentation de puissance, mais dont le nombre de contacts est limité à deux. Or, la mise en œuvre des fonctions d’auto-maintien, de commande de la tension de sortie et de pilotage d’une diode électroluminescente utilisée comme voyant de signalisation requiert la disponibilité de trois contacts distincts. Afin de satisfaire cette contrainte fonctionnelle, le schéma électrique proposé repose sur une architecture utilisant deux relais à deux contacts chacun, permettant d’atteindre le nombre de contacts de commande nécessaire.
Schéma électrique d’une commande à relais par auto-maintien
Armoire de raccordement électrique
Contraintes de câblage et de rigidité mécanique
Les structures interne et externe de cette armoire de raccordement sont réalisées avec des briques d’emballage alimentaire de jus de fruit (intérieur en aluminium). Le module interne du sectionneur est réalisé en carton et en brique alimentaire.
Conception du sectionneur électrique
Le sectionneur est constitué de deux interrupteurs capables de supporter des tensions de 230 VAC, intégrés dans une enveloppe assurant à la fois une fonction de support mécanique et un rôle de sécurité, en empêchant l’accès direct aux contacts électriques sous tension. Le raccordement des tensions d’entrée et de sortie en 230 VAC est réalisé, dans ce prototype, à l’aide de dominos électriques. Bien que cette solution ne réponde pas pleinement aux exigences de sécurité relatives à la manipulation, elle présente l’avantage, dans le cadre du développement du prototype, de faciliter la réalisation de relevés de mesure des tensions.
Sourcing
Schéma électrique du sectionneur de l’armoire de raccordement
Principe de fonctionnement du sectionneur électrique du diorama
Le principe de fonctionnement du sectionneur repose sur l’établissement ou la rupture mécanique d’un chemin conducteur entre l’alimentation électrique et le circuit aval. Lorsque le sectionneur est en position fermée, ses contacts fixes et mobiles sont solidarisés, assurant la continuité électrique de l’ensemble des pôles et permettant l’acheminement de l’énergie vers les équipements raccordés.
En position ouverte, l’actionnement du mécanisme provoque l’écartement physique des contacts, créant une coupure visible et garantissant l’isolement électrique du circuit. Cette séparation, réalisée simultanément sur tous les pôles, empêche toute circulation de courant et autorise les opérations de maintenance en conditions de sécurité. Le sectionneur est conçu pour être manœuvré hors charge et pour maintenir de manière stable chacune de ses positions, conformément aux exigences de fiabilité et de sécurité imposées aux dispositifs d’isolement des installations électriques.
Schéma de câblage électrique du sectionneur principal du diorama
Edition des schémas électriques
Les schémas électriques et électroniques du diorama de la Batcave, développé dans le cadre du projet BATLab112, sont réalisés à l’aide de la suite logicielle open source KiCad. Le recours à cet outil permet d’assurer une représentation rigoureuse et normalisée des schémas, en conformité avec les normes techniques en vigueur.
Retour d’expérience sur la conception détaillée
Convertisseur de puissance
Si le revêtement réalisé à partir de briques d’emballage alimentaire permet d’envisager un rendu esthétique globalement satisfaisant, l’emploi de carton pour la structure interne s’est révélé inadapté. En effet, une fois l’ensemble des composants intégrés, la masse du convertisseur excède les capacités mécaniques du carton, entraînant des déformations lors des manipulations nécessaires au câblage interne. Au regard des dimensions de l’équipement, la réalisation de la structure interne en bois apparaît plus appropriée pour les versions ultérieures de ce convertisseur.
Par ailleurs, ce prototype est doté d’une grille d’aération en face avant. Néanmoins, la dissipation thermique liée à la chaleur dégagée par l’alimentation interne 230 VAC / 12 VDC devra faire l’objet d’une analyse plus approfondie, notamment lorsque celle-ci sera sollicitée pour alimenter l’ensemble des équipements électriques du diorama.
Armoire de raccordement
La réalisation des structures interne et externe à partir de briques d’emballage alimentaire ne permet pas d’assurer une rigidité suffisante de l’armoire lorsque celle-ci doit être raccordée à des câbles d’entrée et de sortie de type 3G2,5 afin d’être intégrée au diorama. Compte tenu des dimensions de l’équipement et des contraintes mécaniques associées, le recours à une impression 3D pour la fabrication de la structure interne de la prochaine version de cette armoire apparaît comme une solution plus adaptée.
Par ailleurs, la conception mécanique des charnières de la porte ne s’avère pas satisfaisante, tant du point de vue de la faisabilité technique que de la robustesse. L’intégration de dispositifs de fermeture, tels que des poignées assurant le maintien de la porte en position fermée, devra être prise en compte lors de la conception du prochain modèle de cette armoire.
Panneau Basse tension
Les observations formulées sont identiques à celles précédemment établies pour l’armoire de raccordement. En outre, la conception de la carte électronique supportant les boutons de commande et les voyants lumineux nécessite une révision approfondie, dans l’objectif d’en simplifier l’architecture, d’en améliorer la lisibilité fonctionnelle et d’en faciliter la mise en œuvre.
Voir aussi
Des articles sur l’avancement du réseau électrique du diorama
Des articles sur les modèles opérationnels et prototypes du diorama
Conception préliminaire du poste électrique HT/BT du diorama BATLab112
Informations générales
L’article présente la conception préliminaire du poste électrique HT/BT du diorama BATLab112, détaillant l’architecture, la modélisation des structures mécaniques et le dimensionnement des composants. Il décrit la conversion de la tension secteur 230 V AC en tensions continues adaptées, ainsi que l’intégration des dispositifs de raccordement, de protection et de distribution au sein du réseau électrique…
Première publication :
Dernière mise à jour :
Temps de ecture :
8–12 minutes
Mots clés :
Catégorie :
Sommaire
- Armoire de raccordement électrique : interface secteur du réseau de la Batcave
- Raccordement électrique du diorama au réseau domestique 230 VAC
- Le convertisseur de puissance du poste électrique du diorama
- L’armoire de commande des basses tensions du diorama
- Modélisation 3D avec FreeCAD du poste électrique du diorama à l’échelle 1/12
- Voir aussi
Armoire de raccordement électrique : interface secteur du réseau de la Batcave
Le poste HT/BT est l’élément amont du réseau de distribution électrique du diorama de la Batcave du projet BATLab112. Ce poste HT/BT intègre les fonctions suivantes :
- Le raccordement du diorama au secteur 230V 50Hz
- Le convertisseur de tension AC/DC
- La commande des tensions de sorties du convertisseur
Raccordement électrique du diorama au réseau domestique 230 VAC
Module de raccordement électrique du diorama : Transposition à l’échelle 1/12 du diorama
À l’échelle réelle (1:1), le module de raccordement, implanté en amont du poste HT/BT, assure l’interface entre un réseau de distribution électrique basse tension (BT) et un réseau haute tension (HT).
À l’échelle du diorama, cette fonction est transposée au sein d’une armoire de raccordement dédiée, dont le rôle est d’assurer la connexion du réseau électrique de la Batcave au réseau électrique domestique 230 V – 50 Hz. L’entrée de cette armoire autorise un raccordement direct à une prise secteur standard, au moyen d’un câble électrique de type 3G 1,5 mm².
Architecture interne de l’armoire de raccordement du diorama
L’architecture de l’armoire de raccordement au réseau électrique domestique 230VAC repose sur un ensemble de dispositifs mécaniques et électroniques assurant à la fois le raccordement des câbles et la fonction de sectionneur.
- Deux passe-câbles
- Deux borniers de raccordement
- Un sectionneur
Les passe-câbles
Les deux passe-câbles assurent la fixation mécanique et la protection des câbles, tant à l’entrée, en provenance de la prise secteur, qu’à la sortie, vers le convertisseur. Ces dispositifs permettent de maintenir les câbles en position, d’éviter toute traction ou flexion excessive et de prévenir l’usure ou les dommages mécaniques au niveau des points de passage. En garantissant un cheminement contrôlé et sécurisé des câbles, les passe-câbles contribuent à la fiabilité et à la sécurité de l’ensemble du système électrique du diorama.
Les borniers de raccordement
Les deux borniers de raccordement assurent la connexion électrique sécurisée des câbles en entrée et en sortie du système. Ces borniers constituent des points de jonction essentiels, permettant de relier de manière fiable le câble provenant de la source d’alimentation et celui dirigé vers le convertisseur ou les sous-systèmes. Outre leur rôle de connexion, ils facilitent les opérations de contrôle, de maintenance et de remplacement des câbles, tout en garantissant la continuité du circuit électrique et la sécurité des utilisateurs.
Le sectionneur
L’interrupteur-sectionneur joue un rôle essentiel dans la sécurité et la gestion de l’alimentation électrique du diorama. Il permet d’isoler complètement le système vis-à-vis du réseau électrique, interrompant le flux de courant de manière sûre et contrôlée. Cette fonction d’isolement est indispensable lors des opérations de maintenance, de modification du câblage ou en cas de défaillance électrique, afin de protéger à la fois les utilisateurs et les équipements. En outre, le sectionneur garantit que le diorama peut être mis hors tension rapidement et de manière fiable, sans risque d’arc électrique ni de dommage aux composants connectés.
Principe de fonctionnement de l’armoire de raccordement électrique
Une fois le raccordement au réseau secteur réalisé par l’intermédiaire du bornier d’entrée, le basculement de l’interrupteur-sectionneur en position fermée permet l’alimentation en énergie électrique du convertisseur de puissance du diorama.
À l’inverse, le positionnement de l’interrupteur-sectionneur en position ouverte assure l’isolement complet du diorama vis-à-vis du réseau électrique domestique. Cette armoire constitue l’unique point de raccordement au secteur, afin de garantir un niveau élevé de sécurité pour les utilisateurs et de maîtriser l’ensemble des flux énergétiques alimentant le diorama.
Modélisation 3D des composants électriques de l’armoire de raccordement
Le convertisseur de puissance du poste électrique du diorama
Convertisseur de puissance : Transposition à l’échelle 1/12 du diorama
A l’échelle 1:1, le transformateur est l’équipement central du poste HT/BT. Il assure la transformation de la Haute Tension alternative du réseau de distribution électrique régional, en Basse Tension alternative 230V 50Hz.
A l’échelle du diorama, le transformateur est remplacé par un module – convertisseur de puissance -, qui assure la conversion de la tension secteur alternative 230V 50Hz en basses tensions continues compatibles avec les composants électroniques et actionneurs du projet ; électronique, moteurs…
Architecture du convertisseur de puissance
L’architecture du convertisseur de puissance du diorama repose sur un ensemble de dispositifs mécaniques et électroniques assurant à la fois la conversion des niveaux de tension et la distribution sécurisée de l’énergie électrique vers les différents sous-systèmes.
- Des passes câbles d’entrées et de sorties
- Un convertisseur 230VAC / 12VDC
- Des convertisseurs DC/DC
- Une carte électronique à base de relais électromagnétiques
- Une infrastructure mécanique
Les passe-câbles d’entrée
Les câbles d’entrée du convertisseur sont maintenus mécaniquement par trois passe-câbles distincts. Ceux-ci concernent le câble d’alimentation secteur en 230VAC provenant de l’armoire de raccordement, le câble de sortie en 12VDC à destination du tableau basse tension, ainsi que le câble de commande issu de ce même tableau. Ces éléments garantissent la tenue mécanique, la protection et le cheminement contrôlé des liaisons électriques.
Les passe-câbles de sortie
En sortie, quatre passe-câbles assurent le maintien mécanique et l’acheminement des câbles correspondant aux différentes tensions continues distribuées, notamment les tensions de 5 V DC, 6 V DC et 12 V DC, destinées à l’alimentation des composants électroniques et des actionneurs du diorama.
Chaîne de conversion électrique AC/DC et DC/DC du diorama
Sur le plan fonctionnel, un convertisseur AC/DC assure la transformation de la tension secteur 230V – 50 Hz en une tension continue de 12VDC. Cette tension intermédiaire est ensuite traitée par des convertisseurs DC/DC, dont le rôle est d’abaisser et de réguler la tension afin de fournir des niveaux adaptés, tels que 5VDC et 6VDC, compatibles avec les exigences électriques des sous-systèmes du diorama.
Carte électronique de commutation à base de relais électromagnétiques
Enfin, une carte électronique dédiée, intégrant des relais de puissance, assure la commutation et la distribution contrôlée des différentes tensions continues de sortie, contribuant à la gestion fonctionnelle et à la sécurisation de l’alimentation électrique globale du diorama.
Principe de fonctionnement du convertisseur de puissance
Lorsque l’interrupteur sectionneur de l’armoire de raccordement est basculé en position haute, le convertisseur 230VAC/12VDC du convertisseur de puissance, est alors alimenté en énergie électrique. Il fournit une tension de 12V continue en sortie. Cette tension alimente alors le panneau basse tension pour contrôler l’alimentation électrique des convertisseurs DC/DC.
Lorsque le convertisseur 230VAC/12VDC est sous tension, et que le bouton d’arrêt d’urgence du panneau basse tension est relâché, un appui sur un des boutons poussoirs du panneau de commande, déclenche la commande d’un relais. Ce relais commute la tension du convertisseur DC/DC correspondant, en sortie du convertisseur de puissance.
Modélisation 3D des composants électriques du convertisseur de puissance
L’armoire de commande des basses tensions du diorama
Armoire de commande des basses tensions : Transposition à l’échelle 1/12
A l’échelle 1:1, le tableau BT permet de répartir l’énergie électrique sur les différents départs issus du poste de transformation. A l’échelle du diorama, cette armoire centralise les commandes des tensions continues en sortie du convertisseur.
Architecture de l’armoire de commande des basses tensions
L’architecture de l’armoire de commande des basses tensions du diorama repose sur un ensemble de dispositifs mécaniques et électroniques assurant à la fois le raccordement des câbles de distribution des basses tensions et la commutation de ces tensions vers les différents sous-systèmes.
- Des passe-câbles d’entrées et de sorties
- Un Bernier de raccordement des câbles
- Une carte électronique à base de relais électromagnétiques
- Une carte électronique des commandes manuelles
- Une structure matérielle
Les passe-câbles d’entrée et de sortie
Les deux passe-câbles assurent le maintien mécanique du câble en entrée (depuis la sortie du convertisseur 230VAC/12VDC) et en sortie (vers la carte électronique des relais).
Le Bornier de raccordement
Le bornier de raccordement assure la connexion électriques des câbles.
La carte électronique des commandes manuelles
La carte électronique – PCB des commandes -, centralise tous les circuits de commande des tensions de sortie du convertisseur de puissance.
La carte électronique des relais de commutation des basses tensions
La carte électronique – PCB des relais -, assure la commutation des différentes tensions de sortie du convertisseur de puissance, sous le contrôle des commandes.
Les cartes électroniques sont réalisées en logique câblée, à partir de relais électromagnétiques, de boutons poussoirs et de voyants de visualisation réalisés à partir de LEDs.
Principe de fonctionnement de l’armoire de commande des basses tensions
Lorsque le convertisseur 230VAC / 12VDC est raccordé au réseau électrique domestique lors du basculement de l’interrupteur sectionneur de l’armoire de raccordement en position haute, il délivre en sortie une tension de 12V DC. Cette tension est alors utilisée pour alimenter en énergie électrique, une carte électronique de commande et une carte de relais qui contrôlent les tensions de sortie du convertisseur de puissance.
Modélisation 3D des composants électriques de l’armoire de commande des basses tensions
Modélisation 3D avec FreeCAD du poste électrique du diorama à l’échelle 1/12
La modélisation 3D du poste électrique du diorama de la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCAD.
Le projet BATLab112 utilise la version 0.21.2 du modeleur 3D FreeCAD pour la conception du diorama de la Batcave à l’échelle 1/12. FreeCAD permet de structurer la conception du diorama en amont de sa fabrication, de visualiser des volumes, vérifier des proportions et anticiper des contraintes techniques. L’utilisation de FreeCAD constitue un support méthodologique rigoureux pour la réalisation précise et cohérente de l’ensemble.
Dans le cadre de cette phase de conception préliminaire, seule la géométrie générale de la structure mécanique de la console de commande est modélisée. L’assemblage détaillé des différentes sous-parties n’est pas abordé à ce stade. L’objectif principal consiste à valider la faisabilité technique du concept retenu, ainsi que son intégration fonctionnelle et dimensionnelle à l’échelle 1/12. La définition précise des modalités d’assemblage des sous-ensembles sera réalisée ultérieurement, lors de la conception détaillée et de la fabrication du premier prototype.
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 aussi
Des articles sur l’avancement du réseau électrique du diorama
Des articles sur la phase de conception préliminaire du diorama
Commande du bras robotique .V1
Cet article présente la réalisation de la version 1 de l’électronique de commande des bras robotiques équipant le diorama de la Batcave du projet BATLab112.
Cahier des charges
Objectif général
L’objectif opérationnel est de réaliser une maquette électronique assurant la commande en mode manuel et en mode automatique des bras robotisés équipant le diorama de la Batcave du projet BATLab112. Cette maquette doit permettre dans un premier temps, une commande des bras robotiques suivant trois modes de fonctionnement : Mode manuel, Mode automatique, Mode apprentissage.
L’objectif pédagogique consiste à se familiariser avec les principes de commande des servomoteurs.
Spécifications fonctionnelles
La sélection des différents mode de fonctionnement des bras robotiques par l’opérateur doit s’effectuer par des boutons poussoirs. Des voyants assurent la visualisation des états de fonctionnement.
Mode manuel
En mode manuel, les 2 bras robotiques sont commandés indépendamment. La commande des articulations est réalisée par l’intermédiaire de potentiomètres rotatifs. Cette commande doit s’effectuer en temps réel. La rotation de l’axe d’un potentiomètre doit entrainer la rotation de l’articulation correspondante.
Mode automatique
En mode automatique, les 2 bras robotisés sont commandés, indépendamment ou simultanément, suivant des consignes différentes. La commande des articulations est gérée par une unité de contrôle dans laquelle sont enregistrées l’ensemble des consignes nécessaires.
Mode apprentissage
En mode apprentissage, les 2 bras robotisés sont commandés indépendamment ou simultanément. L’enchainement des positions à apprendre pour chaque bras robotisé est défini par l’utilisation des commandes du mode manuel. La restitution de l’enchainement des positions enregistrées pour chaque bras est réalisée en mode automatique.
Spécifications techniques
Les actionneurs à commander
Chaque articulation des bras robotiques est équipée d’un servomoteur. Chaque bras est ainsi équipés de 4 servomoteurs.
L’unité de contrôle
L’unité de contrôle est une Carte Arduino Due.
Listes du matériel
Liste du matériel support
| Désignation | Qté | Référence | Source |
|---|---|---|---|
| Platine de prototype | 1 | Breadboard 830 NeufTech | www.amazon.fr |
| Alimentation 5VDC | 2 | USB | |
| Alimentation 6VDC | 1 | Servomoteurs |
Remarque : Les composants des alimentations électriques seront spécifiquement traités dans un prochain article.
Liste des composants utilisés
| Désignation | Qté | Référence | Source |
|---|---|---|---|
| Unité de contrôle | 1 | Carte Arduino Due | store.arduino.cc |
| Bouton rotatif | 8 | Potentiomètre | www.amazon.fr |
| Bouton poussoir | 6 | Bouton poussoir tactile | www.amazon.fr |
| Voyant rouge | 2 | Led 3mm rouge | www.amazon.fr |
| Voyant bleu | 3 | Led 3mm bleu | www.amazon.fr |
| Voyant vert | 5 | Led 3mm verte | www.amazon.fr |
| * | 9 | Résistance |
Schéma de câblage
Dans le cadre du projet BATLab112, les schéma électriques ou électroniques sont réalisés avec le logiciel KICAD. Vous pouvez télécharger le fichier du schéma de câblage au format PDF par le lien qui suit.
Code Arduino
Commentaires concernant ce code
Le code présenté ici est une première approche pour mettre en oeuvre les fonctions nécessaires aux commandes des servomoteurs et valider le principe général de commande de la maquette. Ce code n’est donc pas optimisé.
Validation technique et fonctionnelle
La maquette du bras robotisé
Cette maquette est réalisée pour les besoins de la validation technique et fonctionnelle de l’électronique de commande associée au code développé pour la carte Arduino Due qui pilote l’ensemble.
Cette maquette est réalisée avec des emballages de briques de jus de fruit. Cette matière légère, est suffisamment résistante pour supporter les assemblages nécessaires (ruban adhésif + boulon). Elle présente aussi une face dont l’état de surface est semblable à celui de l’aluminium, ce qui donne un rendu plutôt satisfaisant.
Cette maquette ne respecte pas fidèlement le design conçu en modélisation 3D et présente des défauts de fabrication qui induisent des perturbations dans les mouvements telles que des vibrations.
La vidéo du mode automatique
Conclusions
Electronique de commande
Ces tests permettent de valider le montage de l’électronique de commande des servomoteurs.
Trois points d’améliorations sont identifiés pour être intégrés dans les futures versions.
- Point n°1 : Commandes manuelles
- Constat : Les actions sur les potentiomètres de commande des servomoteurs impliquent l’usage d’un tournevis.
- Evolution : Equiper les potentiomètres de boutons
- Points n°2 : Enregistrement des positions en mode automatique
- Constat : Les positions prédéfinies du mode automatique nécessitent la programmation de la Carte Arduino Due.
- Evolution : Disposer d’un interface plus élaboré que des boutons poussoirs pour enregistrer ces positions sans avoir recours à la re-programmation systématique de la carte (exemples : clavier + écran ou écran tactile).
- Points n°3 : Enregistrement des positions en mode apprentissage
- Constat : Le nombre de positions disponible dans le mode apprentissage est limité à 5, ce qui est insuffisant pour envisager des enchaînement de trajectoires complexes.
- Evolution : Disposer d’un interface plus élaboré que des boutons poussoirs et des Leds pour enregistrer ces positions (exemples : clavier + écran ou écran tactile).
Arduino Due + Code
Ces tests permettent de valider l’utilisation de la Carte Arduino Due et sa capacité à supporter le code nécessaire à la commande des servomoteurs.
Un point d’amélioration est identifié pour être intégré dans les futures versions.
- Point n°4 : Codage de trajectoire plus fluide
- Constat : Dans la démonstration réalisée en mode automatique les servomoteurs sont pilotés les uns après les autres pour atteindre chacune des positions. Cette méthode induit des mouvements lents et décomposés.
- Evolution : Développer un pilotage simultané des servomoteurs pour obtenir des mouvement plus fluides et rapides
Servomoteurs
Ces tests permettent de valider l’utilisation de 3/4 servomoteurs comme actionneurs des articulations des bras robotisés. Une effet, le servomoteur utilisé pour l’articulation de l’épaule semble manqué par moment de couple. Cependant, compte tenu de la qualité de fabrication de la maquette qui n’est pas optimum il est difficile de conclure.
BATLab112 
