Analyse modale expérimentale AME du bras

Analyse modale expérimentale AME du bras 

Méthodologie utilisée

On effectue des mesures sur la structure en un certain nombre de points bien choisis pour obtenir des déformées significatives. L’excitation peut être fournie par un excitateur de vibrations électrodynamique (aléatoire ou sinusoïdale) ou un marteau d’impact (choc), avec éventuellement différentes localisations de la force.

Le signal d’entrée en fonction du temps est mesuré à l’aide d’un capteur de force. La réponse (mouvement résultant de la structure) est généralement mesurée par un ou plusieurs accéléromètres. Le processus de mesure est exécuté par un analyseur FFT qui transforme les signaux temporels d’excitation (entrée en force) et de réponse (accéléromètres) en un spectre de fréquence par FFT et calcule la fonction de transfert (rapport des deux signaux). Ce rapport est appelé la Fonction de Réponse en Fréquence (FRF) [12]. Le traitement des données mesurées est poursuivi jusqu’à l’extraction des paramètres modaux de la structure grâce à un traitement de signal approprié. L’analyseur FFT, les accéléromètres, les capteurs de force, les logiciels de traitement de signal ainsi que tout le matériel d’acquisition composent ce qu’on appelle la chaîne de mesure .

Pour notre étude, l’excitation est donnée par un marteau d’impact muni d’un capteur de force pour mesurer la force d’excitation. On mesure la réponse du bras du robot Scompi à cette excitation grâce à des accéléromètres piézo-électriques. Ainsi, le bras sera instrumenté de façon à mesurer le mouvement de chaque membrure du bras dans les trois axes sans martelage dans un premier temps. La réponse normalisée par rapport à la force d’excitation (fonction de transfeti) est traitée par FFT grâce à un analyseur. La FRF ainsi obtenue sera analysée pour obtenir les paramètres modaux. Vu la taille et la nature de la structure, on s’intéresse à une gamme de fréquence de 0 à 50 Hz (basses fréquences).

Description de l’appareillage, moyens mis en œuvre

• Système d’acquisition des données
C’est un analyseur FFT Medaillon® Zonic Pcmcia à huit canaux d’Iotech [19] , il permet d’échantillonner et de traiter le signal délivré par les accéléromètres et le capteur de force du marteau. Il fonctionne avec le logiciel FAS 6.21® programmé sous Labview® dédié à cette carte. Le logiciel permet d’effectuer différents traitements de signal.

• Marteau d’impact
Le marteau d’impact  est la méthode la plus commode pour exciter une structure car elle demande moins de moyens. C’est un marteau avec un capteur de force incorporé dans la tête. Un coup de marteau applique à la structure sous essai une impulsion de gamme de fréquence étendue. Cette impulsion excite simultanément tous les modes de vibration [18].

Le signal provenant du capteur de force passe d’abord par un amplificateur. Le marteau utilisé est le 086C de PCB Piezotronics [20], la sensibilité de son capteur de force est de 12,1 mv/g (pour notre configuration). On peut changer les embouts du marteau suivant l’application. Dans notre cas nous utilisons des embouts mous, pour donner une plus grande amplitude à la structure. On ajoute une masse au marteau pour cet effet aussi.

• Accéléromètre
Trois facteurs interviennent dans le choix des accéléromètres pour des essais de structure: masse (ne pas charger des structures légères par des capteurs lourds), sensibilité (les niveaux des réponses très faibles des grandes structures nécessitent des accéléromètres très sensibles) et la gamme de fréquence [18]. Certains capteurs sont sensibles à l’environnement (transitions thermiques et contraintes de base). La fixation sur la structure se fait par goujon vissé, aimant ou de la cire d’abeille.

L’accéléromètre utilisé est le 352C65 de PCB uniaxial  . C’est un capteur piézo-électrique de haute précision à semi-conducteur en céramique, très léger pouvant  mesurer le signal à basses fréquences. Il a une sensibilité de 98, 1 m V 1 g, et une bande de fréquence de 0,5 à 10 000 Hz (±5%) [20]. Nous l’avons fixé avec de la cire.

• Préamplificateur
L’adaptation de la sortie haute impédance des accéléromètres piézo-électriques et des capteurs de force à l’ entrée de plus basse impédance des appareils de mesure et d’analyse est effectuée par des préamplificateurs.

Ils peuvent effectuer du conditionnement de signal (intégration pour avoir vitesse et déplacement), réduction de la bande de fréquence, conditionnement de la sensibilité des capteurs et niveau de sortie unifié .

On dispose de plusieurs types d’amplificateurs PCB qui servent à conditionner le signal. On peut choisir le model 442B04 ICP à quatre canaux ou le 480E09 ICP à un canal  . Ce dernier dispose des facteurs d’amplification de 1, 10 ou 100 [20].

Vibrations libres

La fréquence naturelle d’un système mécanique dépend uniquement de sa rigidité et de sa masse. La mesure du rapport d’amplitude entre deux oscillations et de la période permet de caractériser un système mécanique (k, c ). Les modes propres représentent la forme des déformations dynamiques d’une structure, et le rapport des amplitudes défini une façon de vibrer avec une certaine relation de phase et d’amplitude entre les deux coordonnées. Un mode de vibration est donc caractérisé par : sa fréquence naturelle et son vecteur modal appelé souvent en pratique déformée modale.

Déroulement des essais 

On choisit les points de mesure sur le bras du robot et on fixe l’accéléromètre avec de la cire d’abeille. On peut utiliser plusieurs capteurs ou déplacer le même capteur après chaque mesure. Le reste du traitement s’effectue sur le logiciel FAS. On calibre les capteurs (accéléromètres et capteur de force) à l’aide de la fonction auto range AR qui a pour but de détenniner le niveau FSV qui est le voltage maximum délivré par le capteur et rejeter éventuellement les coups forts (overload). On configure dans le menuAnalyzer Setup la plage de fréquence désirée, la fréquence d’échantillonnage, le fenêtrage (exponentielle), le type de moyenne (linéaire), et la fonction impulsion pour l’excitation.

La mesure est effectuée en mode Trigger (Input Channel) : le logiciel attend le signal du marteau (capteur de force) pour déclencher l’acquisition. Ce signal doit dépasser un certain seuil (défini ultérieurement) de la valeur maximum de la force FSV définie par auto range [ 19]. Dans le menu Channel Setup on donne la sensibilité des capteurs, l’unité de mesure, le type de variable à mesurer (accélération et force). Enfin on configure les entrées (canaux) ainsi que leur rapport (fonction de transfert). Dans notre cas, les mesures sont effectuées par moyennes linéaires de cinq essais. Les mesures dues aux coups doubles et forts seront rejetées. Pour la visualisation on choisit les fenêtres de l’ accélération en temporel et en fréquentielle, le déphasage entre les deux composantes réelle et imaginaire de l’accélération et enfin la cohérence.

Les méthodes d’analyse modale se divisent en deux grandes familles : les méthodes opérant dans le domaine temporel et celles opérant dans le domaine fréquentiel unifié [12]. L’analyse temporelle donne le niveau crête et se limite à l’obtention de la première fréquence de résonance avec un taux d’amortissement global de la structure . Grâce à l’analyse fréquentielle on peut obtenir les paramètres modaux de tous les modes.