Conception et commande d’un système multi-actionneurs piézo-électriques pour l’assistance au forgeage par vibrations

Design and control of a piezoelectric multi-actuators for assistance in forging by vibration

• Auteur / Autrice : Thanh Hung Nguyen
• Direction : Betty Lemaire-Semail, Gabriel Abba, Christophe Giraud-Audine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 02/04/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lutz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Betty Lemaire-Semail, Gabriel Abba, Christophe Giraud-Audine, Moustapha Hafez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Maussion, Damien Chablat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique

Préhenseurs (ingénierie)

Mots clés libres

Conception

Commande par inversion

Actionneur piézoélectrique

Vibration

Guidage élastique

Représentation Energétique Macroscopique

Design

Control

Piezoelectric actuator

Vibration

Forging

Energetic Macroscopic Representation

Résumé

Il a été montré dans différentes études que l'application de vibrations ultrasonores durant le forgeage permettaient entre autre de réduire les efforts et d'améliorer la qualité du produit. Plus récemment, des effets similaires ont été obtenu à basse fréquence, pour des formes d'ondes plus complexes, mais nécessitant moins de puissance. En raison de leur rigidité, et compte tenu des amplitudes et des fréquences mises en jeu, les actionneurs piézoélectriques sont bien adaptés à la génération des vibrations nécessaires mais leurs efforts restent limités et l'effet de vibrations est bénéficié selon une seule direction verticale. L'objectif de cette étude est de proposer un système multi-actionneurs piézoélectriques afin d'obtenir une plus grande force totale et des vibrations complexes combinant des rotations autour des axes du plan de la matrice et des translation selon son axe vertical. Un système mécanique à trois degrés de liberté est conçu à cet effet en utilisant des guidages élastiques en raison des faibles déplacements des actionneurs qui excluent la présence de jeux. Pour uniformiser les étapes de conception, modélisation et commande du système, une approche systémique énergétique est abordée en utilisant l'outil de Représentation Énergétique Macroscopique (REM). A l'aide de règles d'inversion de la REM, une structure de commande et une stratégie de gestion d'énergie dans le système sont développées et validées expérimentalement.

The superimposition of vibration during forging is known to reduce force and improve the mechanical properties of the workpiece. Until now, ultrasonic frequencies were used, but more recent results have shown that more complex vibrations at low frequencies had similar effects, with less power. Although piezoelectric actuator can generate high forces and have large rigidity, they are still limited with regards to the necessary forces during forging.Therefore, this work addresses the design of a worktool combining several actuators to generate complex vibration waveforms consisting in rotations in the plane of the die and displacement along the vertical direction. It relies on the use of flexible hinges due to the small displacement generated by the actuators. The design and control of the system is realized using a systemic approach based on the Energetic Macroscopic Representation. Thank to this tool, the control is systematically deduced by inversion. The design and its control strategy is validated experimentally on a mock-up specially realized during this work.