Membres du projet :
Mael Delahaye
Ryme Hamidouche
Mathis Panet

Adresses email:
Mael.delahaye@gmail.com
Ryme.hamidouche@gmail.com
mathispanet@gmail.com

Jour 1 (26/01/2021) : Choix du projet et esquisse du prototype

Nous avons choisi de travailler sur un appareil mesurant l’élasticité. Nous nous sommes rapidement mis d'accord sur le type d'appareil de mesure que nous voulions faire et nous avons donc commencé a réfléchir au design de notre instrument.

Jour 2 (09/02/2021) : Esquisse du prototype intermédiaire et début de la conception

Nous avons fait un choix, que nous pensions définitif, du prototype et nous avons commencé la réalisation 3D grâce au logiciel freecad. Nous avons aussi fait les premiers essais pour faire fonctionner le servomoteur utilisé dans notre instrument de mesure. Ceux-ci étaient satisfaisants, nous avons donc choisi le modèle du cerveau utilisé.

Jour 3 (02/03/2021) : Impression de la poulie et choix des composants électronique

Nous avons révisé et retouché le prototype final: nous l’avons simplifié car nous n’aurions pas eu le temps de le finaliser autrement. Nous avons imprimé la poulie et commencé la conception de l’armature de notre instrument. De nombreux problèmes surviennent sur la partie électronique.

Bonus 1 (08/03/2021) :

Nous sommes retournés au Fablab en dehors des heures de cours prévu afin de rendre le projet dans les temps. L’armature de la boite est finie, le cadrage autour de l'armature à été commencé mais les problèmes électroniques ne sont pas encore résolus. Et ceux malgré de nombreuses tentatives.

Bonus 2 (10/03/2021) :

Nous sommes passés une deuxième fois au fablab en dehors de nos horaires habituels pour terminer découper notre rail, fabriquer notre wagon et résoudre les derniers problèmes en électronique.

Bonus 3 (12/03/2021) :

Les principaux problème d'électronique (tel que le fonctionnement correct du servomoteur) ont été résolu.

Jour 4 (16/03/2021) : Finissions de la machine et de l'électronique

En début d'heure nous avons découpé les dernière pièces superficielle restante (comme le support pour l'écran) à la découpeuse laser. Nous avons fini la machine en elle même : positionnement et fixation des breadboards, du cerveau moteur, de la poulie, du wagon et de l'écran. Nous nous sommes rendu compte en fin d'heure, lors du premier test, que les frottements étaient trop élevés.

Jour 5 (30/03/2021) : Résolution des problèmes de frottements; calculs mécanique et rédaction du Wiki

Nous avons modifié la machine afin de réduire les frottements (réduction de frottement par la corde en supprimant la remise en place automatisée, modification du waggon). Nous avons fait les calculs du principe de la loi d'Hook. Enfin nous avons retranscrit tout ce qui était noté sur notre carnet de bord (dont les schémas proviennent) sur ce Wiki.

La fabrication de notre machine nous a demandé un servomoteur ; un écran ; une poulie ; un bouton ; des breadboards ; des barres de fer ; des plaques de bois ; de la corde ; des plaques de plexiglas ; une découpeuse laser et une imprimante ainsi que différents matériels présents dans le Fablab.

Ci dessous se trouve une une esquisse de notre machine initiale :

Celle-ci était initialement composée de deux engrenages ; d’un servomoteur ; d’un écran LCD ; de crochet et de bien d’autres éléments. Initialement nous devions faire casser l’élastique, ce qui aurait déclenché un court-circuit au moment où le fil de cuivre et le crochet entraient en contact. La machine se serait arrêtée et la constante de raideur de l’élastique devait s’afficher à l’écran. Cependant ce projet étant trop long et trop laborieux nous avons donc décidé de modifier le prototype.

Nous sommes passés par différents prototypes présents ci dessous :

Malgré les différents ajustements la machine restait trop laborieuse a réaliser dans le temps imparti.

Finalement nous avons opté pour le résultat que vous pouvez voir ci dessous :

Sur ce modèle un programme est envoyé au cerveau moteur grâce aux différentes breadboards présentes. Ce servomoteur enclenche la poulie, celle-ci va enrouler le fil qui lui-même va tirer le petit wagon présent au-dessus de notre machine ce qui étire l’élastique ou le ressort. Le programme n’agit pas seul, il est dirigé par les petits boutons. Lorsqu’on appuie une fois, cela enclenche un tour et demie du cerveau moteur et après calcul du programme, et de nombreuses presses sur le bouton, un nombre s'affiche sur l'écran. Ce nombre est la constante de raideur de l’élastique ou du ressort accroché aux crochets.

Au niveau du rail et du wagon nous avons choisi de prendre du plexiglas, étant donné qu’il s’agit du matériau auquel nous avions accès ayant le plus faible coefficient de frottement avec lui-même. Ainsi cela diminuait les forces de frottements présentes sur notre machine. La corde est une corde très résistante pour assurer qu’elle ne se déchirera pas malgré tension appliqué sur celle-ci par wagon étirant un élastique. Le servomoteur a été choisi car il s’agissait du même que celui présent dans les imprimantes 3D et nous pensions donc qu’il serait assez puissant pour tirer un wagon, même soumis à la force appliquée par un ressort ou élastique tendu. Notre poulie a été imprimée à la machine 3D et le support de l’écran a été découpé à la découpeuse laser.

Ci dessous le prototype que nous avons fabriqué :

Vue de profil :

Vue de face :

Vue de dessus :

Vue de dos :

Pour la partie électronique, nous sommes parties pour deux boutons, un écran lcd ainsi qu'un moteur dit “pas à pas” c'est-à-dire qui tourne de manière constante jusqu'à atteindre un angle. Ce moteur nécessite un “driver”, un composant intermédiaire entre lui et la carte Arduino afin de fonctionner. Pour cela, nous avons pris le driver DRV8825 qui est parfait pour nos besoins. Comme nous n'avons pas besoin de plusieurs vitesses, nous pouvons nous contenter du schéma minimal :

Il a fallu ensuite réaliser le montage mais il a été impossible de faire tourner le moteur même après des changements de composants, de voltage, d'ampérage, etc. En parallèle, nous avons défini le fonctionnement final de notre objet : L'un des boutons provoquerais un étirement du matériau, l'autre, une compression alors que l'écran afficherai la valeur de l'élongation actuelle et la valeur de l'élasticité. Dans le temps dédié au Fablab, nous n'avons pas réussi à faire fonctionner le moteur avec son driver. Nous sommes donc revenus plusieurs en dehors des cours afin d'avancer le plus possible avant la prochaine séance. Après des longues heures où le moteur ne marchait que partiellement nous avons décidé de changer de driver pour prendre un Easy driver qui prenait en charge notre moteur nativement (contrairement au driver précédent). La partie moteur ressemblait donc au circuit suivant :

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Pour la suite, nous avons rajouter les boutons qui faisait tourner le moteur dans les deux sens afin de comprimer ou d'étirer le ressort. Enfin, on a intégré l'écran LCD afin d'afficher l'état actuel de la machine, le nombre de pas (de step de moteur) qu'il a parcouru et surtout la constante de raideur quand elle est calculée. Comme on n'a pas besoin de changer l'intensité du rétro-éclairage de l'écran, on l'a monté sans potentiomètre. On a donc le montage suivant pour la partie affichage :

Après qu'on ait écrit le code, on a assemblée la partie de l'écran et du moteur. On a ce circuit qui est la version qui fut ensuite placé dans la machine :

On a adaptée les fils afin qu'ils s'ajustent parfaitement à notre boite et on a placé l'écran ainsi que le moteur à leurs emplacements finaux. Après une réflexion sur les différents courants necessaires à notre circuit, nous avons décidé d'utiliser une alimentation fixe de 15V à brancher en secteur et de faire un pont diviseur de tension afin d'alimenter en 5v la carte Arduino.

Circuit finale

Pour déterminer la constante de raideur de notre élastique ou de notre ressort nous avons utilisé la loi de Hook. Pour un élastique ou un ressort cette loi peut être énoncé de la manière suivante :

  F=-K*(L-l)
  avec F=la force appliquée sur le système
  K=la constante de raideur 
  L=la longueur du ressort lorsque la force est appliquée
  et l=la longueur du ressort lorsqu'il est au repos.

Cependant cette expression ne s'applique que aux ressorts et aux élastiques, il faut donc utiliser une autre forme de la loi de Hook pour déterminer l'élasticité d'un objet quelconque. Cette formule est la suivante :

  σ=E*ε

Cette expression décrit l’évolution de la contrainte σ (grandeur homogène à une pression obtenu en divisant la force appliquée sur le système par la surface de ce système) en fonction du module d'élasticité E (c'est la grandeur que l'on cherche, elle va décrire l'élasticité de notre objet) et de l’allongement relatif/ la déformation (grandeur sans dimension obtenue en divisant l’allongement par la longueur lorsque le ressort est au repos). Avec ces deux formules on peut donc retrouver la constante de raideurs ou le module d'élasticité de notre objet. Il faut cependant être prudent avec les résultats obtenues car la force exercée par notre moteur n'est pas celle qui est exercée sur notre wagon à cause des pertes du aux différents frottements est à l'élasticité de notre corde.