Morgan Doyen Génie mécanique et productique
Rep. 1 · SAÉ 2.2 · 2 mois

Préhenseur robot modulaire

Concevoir le préhenseur d’une cellule robotisée qui décharge des sacs de billes d’un convoyeur vers une palette, avec un objectif personnel : qu’il soit fabricable à la maison et peu coûteux.

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Cadre
SAÉ 2.2 Conception et robotique, BUT GMP
Durée
2 mois
Équipe
Projet individuel
Logiciels
3DEXPERIENCE (CATIA), simulation robotique
Fabrication
Impression 3D en PETG, profilé aluminium V-slot
Compétences
Analyse fonctionnelle, CAO, dimensionnement, robotique, chiffrage
NomMorgan Doyen
DocumentÉtude de projet, Rep. 1
Échelle1:1
Folio2/3
Maquette 3D du préhenseur : profilé aluminium, moteur, chariots à galets, mâchoires et tendeur

  1. 1Profilé aluminium V-slot 20 × 20
  2. 2Moteur pas à pas Nema 17
  3. 3Chariot à galets (× 2)
  4. 4Mâchoire striée en PETG (× 2)
  5. 5Tendeur de courroie
Fig. 1.1 Le préhenseur sous tous les angles, modélisé sous 3DEXPERIENCE. Manipuler la maquette
01

Le besoin

Un robot doit prendre des sacs de billes sur un convoyeur et les poser sur une palette. Mon rôle : concevoir sa pince, pour un sac de 1 kg, souple, qui se déforme quand on le saisit.

Fonction principale

FP1 Saisir un sac de billes souple et le déposer sur la palette Sac de 25 billes, 1 kg. Deux mâchoires striées, effort de serrage calculé à 58,2 N

Contraintes et solutions retenues

ContraintePréhenseur fabricable à la maison

  • FC1Supporter de nombreux cycles

    Galets en POM sur profilé V-slot, préférés à un rail linéaire ; jeu rattrapé par écrou excentrique

  • FC2Tenir une cadence élevée

    Moteur pas à pas Nema 17 et courroie crantée GT2

  • FC3Rester compact

    Un seul moteur pour les deux mâchoires, guidées sur un profilé aluminium 20 × 20

  • FC4Être imprimable en 3D

    Sens d’impression adapté à chaque pièce ; PETG, qui résiste à la fatigue

  • FC5S’adapter à tout type d’objet

    Conception modulaire, ouverture réglable avec 2 × 75 = 150 mm de course

  • FC6Avoir un faible coût

    Moteur, alimentation et Arduino récupérables ; même visserie partout, une seule commande : 71,90 €

Fig. 1.2 Arbre des contraintes : chaque contrainte mène à la solution technique retenue
02

Choix de la solution

Préhension mécanique ou pneumatique : les atouts et les limites de chaque piste.

J’ai d’abord comparé les grandes familles de préhenseurs. Le pneumatique est rapide et robuste, mais il fonctionne en tout ou rien et demande une installation d’air comprimé coûteuse pour une petite entreprise. La ventouse est compacte, mais l’état de surface du sac rend la prise incertaine.

SolutionAtoutsLimites
Pince à vérin pneumatiqueRapide, effort constant, robusteTout ou rien, air comprimé coûteux, mauvais rendement
Ventouse, préhenseur BernoulliSimple et compactDépend de l’état de surface du sac et du temps d’aspiration
Pince mécanique à serrage directDépose précise, bon maintienEffort moteur élevé, course faible
Pince à deux mâchoires entraînée par courroieSolution retenueOuverture et fermeture précises, grande course, retour d’information du moteurProgrammation plus complexe

J’ai retenu une pince mécanique à deux mâchoires. Chaque mâchoire est montée sur un chariot à galets qui roule sur un profilé aluminium. Les deux chariots sont fixés sur les deux brins opposés d’une même courroie : quand le moteur tourne, ils se rapprochent ou s’écartent de façon symétrique. Un seul moteur suffit donc pour centrer et serrer le sac.

Schéma cinématique : deux chariots fixés sur les brins opposés d'une courroie GT2, avec tendeur réglable[Schéma cinématique]
Fig. 1.3 Schéma cinématique : les chariots sont liés aux brins opposés de la courroie
Arbre de comparaison des solutions mécaniques et pneumatiques[Arbre des solutions]
Fig. 1.4 Comparaison des solutions mécaniques et pneumatiques
Croquis de principe du préhenseur : bâti, galets, courroie, bras et tendeur[Croquis de principe]
Fig. 1.5 Croquis de principe : bâti, galets, courroie, bras et tendeur
03

Démarche

Présentée comme une gamme : une phase par étape, du sujet au prototype.

  1. Phase10

    Analyse du besoin

    Lecture du sujet, étude du plan du sac de billes et des surfaces sur lesquelles le saisir. Chaque contrainte est reliée à une solution technique dans un arbre des contraintes.

    Cahier des chargesAnalyse fonctionnelle
  2. Phase20

    Recherche de solutions

    Comparaison des préhenseurs mécaniques et pneumatiques, croquis à main levée et schéma cinématique de la solution retenue : deux mâchoires symétriques entraînées par une courroie.

    CroquisSchéma cinématique
  3. Phase30

    Dimensionnement

    Choix d’un moteur pas à pas Nema 17 de 0,40 N·m, qui donne un effort de serrage calculé de 58,2 N. Les chariots roulent sur galets en POM dans un profilé V-slot ; un écrou excentrique supprime le jeu et un tendeur règle la tension de la courroie.

    MotorisationCalcul d’effortGuidage
  4. Phase40

    Conception CAO

    Modélisation des pièces et de l’assemblage sous 3DEXPERIENCE, rangés en sous-ensembles (support, chariot, bras, main) pour que le préhenseur reste modulaire. Les pièces sont pensées pour l’impression 3D, avec des inserts filetés pour la visserie. Une simulation des contraintes vérifie la tenue de la mâchoire.

    3DEXPERIENCEAssemblageMise en planSimulationConception pour l’impression 3D
  5. Phase50

    Intégration robotique

    Simulation de la cellule complète, du convoyeur à la palette, et programmation hors ligne du robot en VAL3 : points de passage, approches, prise et dépose du sac.

    RobotiqueProgrammation hors ligne
  6. Phase60

    Chiffrage et fabrication

    Nomenclature complète par sous-ensemble, avec les dimensions, les quantités et un fournisseur pour chaque composant. La commande tient en 71,90 €, dont 37,54 € d’électronique (Arduino Uno, CNC Shield, driver TMC2209, alimentation 24 V). Les pièces ont été imprimées en PETG, puis le préhenseur a été assemblé. Voir la nomenclature chiffrée

    NomenclatureCoûtImpression 3D
04

Mise en plan

1 dessin d’ensemble A2 et 10 dessins de définition A4. Cliquez sur un plan pour l’agrandir.

Dessin d'ensemble du préhenseur au format A2 : vue de face, vue de dessus, vue de côté et coupe A-A, avec les cotes d'encombrement[Dessin d’ensemble]
Fig. 1.6 Dessin d’ensemble au format A2 : trois vues, une coupe A-A et les cotes d’encombrement
Dessin de définition de la mâchoire striée : trois vues cotées à l'échelle 2:1 et une vue en perspective[Dessin de définition de la mâchoire]
Fig. 1.7 Dessin de définition de la mâchoire striée
Dessin de définition de la plaque du chariot à galets : trois vues cotées et une vue en perspective[Dessin de définition du chariot]
Fig. 1.8 Dessin de définition de la plaque du chariot à galets
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Galerie

Cliquez sur une image pour l’agrandir.

Assemblage complet du préhenseur, aperçu de la maquette 3D

Fig. 3D Maquette interactive issue de l’assemblage CATIA (497 pièces). Faites-la tourner à la souris ou au doigt, zoomez à la molette ou en pinçant.
Rendu réaliste du préhenseur avec ses pièces en PETG orange[Rendu réaliste]
Fig. 1.9 Rendu réaliste du prototype en PETG orange
Assemblage complet du préhenseur serrant le sac de billes[Assemblage complet]
Fig. 1.10 Assemblage complet, mâchoires serrées sur le sac de billes
Chariot à galets en POM roulant sur le profilé aluminium V-slot[Chariot à galets]
Fig. 1.11 Chariot à galets sur profilé V-slot
Bras du préhenseur et mâchoire démontable[Bras et mâchoires]
Fig. 1.12 Bras et mâchoire démontable, fixés par inserts filetés
Mâchoire striée imprimée en 3D[Mâchoire striée]
Fig. 1.13 Mâchoire striée pour tenir le sac sans le percer
Simulation des contraintes sur la mâchoire[Simulation des contraintes]
Fig. 1.14 Simulation des contraintes sur la mâchoire
Motorisation : moteur Nema 17 et chariots sur le profilé[Motorisation]
Fig. 1.15 Motorisation par moteur Nema 17 et courroie GT2
Simulation de la cellule robotisée : robot, convoyeur et palette[Simulation de la cellule]
Fig. 1.16 Simulation de la cellule : du convoyeur à la palette
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Chiffrage

55 références achetées, 13 pièces imprimées, un fournisseur par composant.

J’ai chiffré chaque sous-ensemble de l’assemblage, composant par composant. Le total atteint 71,90 €, dont plus de la moitié pour l’électronique de commande. En récupérant le moteur, l’alimentation et la carte Arduino, il descend à 40,93 €.

Commande et annexes37,54 €52 %
Fixation et bâti14,32 €20 %
Partie moteur6,63 €9 %
Parties mobiles (× 2)11,46 €16 %
Partie tendeur1,95 €3 %
Voir le détail des coûts
07

Résultats et bilan

71,90 €Coût total des composants
34,36 €Hors électronique
150 mmCourse des mâchoires
58,2 NEffort de serrage calculé

Le préhenseur a été conçu, dimensionné, chiffré, puis fabriqué : pièces imprimées en PETG et assemblage complet. La prise du sac a d’abord été validée en simulation sur la cellule robotisée, puis le prototype a été testé : il fonctionne. Prochaine étape : mesurer l’effort de serrage réel pour le comparer au calcul de 58,2 N.

Ce que j’en retiens

  • Penser au procédé dès la CAO : le sens d’impression et le matériau changent la forme des pièces.
  • Une contrainte de coût pousse à simplifier : même visserie partout, composants récupérables, une seule commande.
  • Ranger l’assemblage en sous-ensembles rend le modèle lisible et garde le préhenseur modulaire.
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