Le sujet de l'épreuve E4 au format Doc - Eduscol

Les orientations retenues en termes de principe de distribution (document technique DT3), de structure fonctionnelle du produit (chaîne d'énergie et chaîne  ...


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Session 2007

BREVET DE TECHNICIEN SUPERIEUR

CONCEPTION ET INDUSTRIALISATION
EN MICROTECHNIQUES

EPREUVE E4 :

CONCEPTION PRELIMINAIRE D’UN SYSTEME MICROTECHNIQUE

Durée : 4 heures
Coefficient : 2



A l’exclusion de tout autre matériel, l’usage de la calculatrice est autorisé conformément à la circulaire n°99-186 du 16 novembre 1999 (calculatrices de poche y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu’il ne soit pas fait usage d’imprimante)




Dès que le sujet est remis, s’assurer qu’il est complet ; le sujet comporte :
un dossier technique : documents techniques DT1 à DT12 jaune
un dossier de travail demandé : pages 1/8 à 8/8 vert
un dossier réponse : documents réponse DR1 à DR3 blanc

Les candidats rédigeront les réponses aux questions posées sur feuilles de copie ou, lorsque cela est indiqué dans le sujet, sur les documents réponses prévus à cet effet.

Tous les documents réponse, mêmes vierges, sont à remettre en fin d’épreuve.





Session 2007

BREVET DE TECHNICIEN SUPERIEUR
CONCEPTION ET INDUSTRIALISATION
EN MICROTECHNIQUES

EPREUVE E4 :
CONCEPTION PRELIMINAIRE D’UN SYSTEME
MICROTECHNIQUE



DOSSIER TECHNIQUE

DISTRIBUTEUR AUTOMATIQUE
DE NOURRITURE D’AQUARIUM

Documents techniques :

DT1 et DT2 : Analyse fonctionnelle externe

DT3 : Principes de stockage et de distribution de nourriture

DT4 : Extrait de simulation numérique

DT5 : Structure de la chaîne d’action retenue

DT6 et DT7 : Eléments de solutions relatifs à certaines fonctions de service

DT8 : Schéma structurel et caractéristiques du circuit électronique

DT9 à DT12 : Documents constructeur



Repère d’épreuve : MCE4CP

Analyse fonctionnelle externe
Expression du besoin
De nos jours, l’aquariophilie – élevage en aquarium de poissons d’ornement – suscite un engouement de plus en plus important. Cependant, la diversité des espèces impose à l’aquariophile de recréer un milieu aquatique le plus fidèle possible au milieu d’origine, tant en terme de température, d’éclairage, de qualité de l’eau que de nourriture.
Même si les aquariophiles prennent plaisir à nourrir eux mêmes leurs poissons, leurs absences, imposent d’avoir recours à un produit permettant de délivrer aux poissons les quantités de nourriture adéquates aux heures voulues.



















L’ensemble des attentes actuelles de l’utilisateur d’un tel produit est défini dans le cahier des charges fonctionnel ci-après (documents techniques DT1 et DT2).

Les orientations retenues en termes de principe de distribution (document technique DT3), de structure fonctionnelle du produit (chaîne d’énergie et chaîne d’information) (document technique DT5), de décomposition de fonctions de service en fonctions techniques (documents techniques DT6 et DT7) et de constitution du circuit électronique (DT8) sont données dans la suite du dossier technique.

Cahier des charges fonctionnel

Fonctions de serviceCritèresNiveauxLimite d’acceptationFlexibilitéFP1 :
Distribuer la nourritureType de nourriture distribuée

Quantité de nourriture distribuée par distribution simple

Réglage de la quantité distribuée :
- type :
- outillage standard :

Durée de la distribution

Horaires de distribution


Type de distribution
flocons ou granulés

de 0 à 20 cm3 maxi



manuel
aucun

10s

définies par l’utilisateur (voir FC4)

programmé
manuel (sur ordre utilisateur)((

+/- 10%



((
((

+/- 1s

((


((
((f0

f2



f0
f0

f2

f0


f0
f0
Fonctions de serviceCritèresNiveauxLimite d’acceptationFlexibilitéFP2 :
Permettre le remplissage de nourritureOutillage standard

Durée du remplissageaucun

15 s((

+/- 5sf0

f0FC1 :
Stoker la nourritureCapacité

Nombre de zone de stockage

Contrôle de la quantité de nourriture restante150 cm3

1

visuel
+/- 10%

((

((
f2

f0

f0
FC2 :
Maintenir la nourriture sècheTaux d’hygrométrie80%maxif0FC3 :
Utiliser l’énergie disponibleEnergie électrique embarquée
- autonomie :
- indication du niveau de décharge
1 année
85% de décharge

mini
90% maxi

f1
f1
FC4 :
Etre programmable par l’utilisateurPrécision horaire de distribution

Fréquence journalière de distribution programmée

Type de distribution1min

de 0 à 4


simple ou doublemini

4 maxi


((f0

f0


f0FC5 :
Etre stable sur l’aquariumAquarium à galerie plane
- type de fixation :
- outillage standard :

Autres aquarium

manuel
aucun

utilisation d’un module d’adaptation
((
((

((

f0
f0

f0
FC6 :
Respecter les normes et réglementationsNormes électriquesNFC-15 100((f0FC7 :
Résister au milieu ambiantTaux d’hygrométrie

Luminosité

Température80%

1500 lux

de 0° à 40°maxi

maxi

50° maxif0

f0

f0FC8 :
Etre peu encombrantVolume :
- hauteur
- longueur
- largeur

Poids à vide
100 mm
200 mm
100 mm

400g
maxi
maxi
maxi

maxif1
f1
f1

f1FC9 :
Etre esthétiqueDesign


Coloris
Semblable au design des aquariums actuels

Gamme de coloris des aquariums actuels((


((
f0


f0

Principes de stockage et de distribution de nourriture
Principes de stockage et de distribution de nourriture envisagés
Pour les deux principes envisagés, le principe physique retenu est une distribution par gravité : durant la phase de distribution, la nourriture stockée (ou une partie de celle-ci) passe au dessus d’un orifice et tombe par gravité dans l’aquarium.

Les deux principes de stockage et de distribution envisagés sont présentés ci-dessous.






































Etude comparative des principes de stockage et de distribution de nourriture envisagés
Une étude comparative des principes de stockage et de distribution de nourriture envisagés d’un point de vue utilisateur a été menée à partir de critères d’utilisation.

Cette étude, qui n’est pas présentée ici, a permis de retenir le principe de stockage et de distribution de nourriture par tambour.




Simulation numérique relative à l’entraînement du tambour
Modélisation retenue pour la simulation numérique
Le modèle numérique est présenté ci contre (nourriture modélisée par un solide en contact avec le tambour).

Les paramètres de la simulation numériques sont :
facteur de frottement entre la nourriture et la tambour égal 0,01,
loi de vitesse (deg/s) du tambour par rapport au support en fonction du temps (s) donnée ci-dessous.













Résultat de la simulation numérique
La courbe ci-dessous représente les variations du couple (mN.m) nécessaire à l’entraînement du tambour en fonction du temps (s)





























Structure de la chaîne d’action retenue
Structure de la chaîne d’action retenue
Ci-dessous est présentée la structure de la chaîne d’action (chaîne d’information et chaîne d’énergie) retenue pour le distributeur automatique de nourriture d’aquarium.
































Eléments de solutions relatifs à certaines fonctions de service
Fonction de service FP1 « Distribuer la nourriture »
Le diagramme fonctionnel ci-dessous présente le résultat d’une recherche de solutions relatif à la fonction de service FP1 sous forme de fonctions techniques.
































Remarque :
Les dimensions des granulés à distribuer imposent une taille minimale de l’orifice garantissant une bonne distribution des granulés.

Cependant, la seule présence d’un orifice à dimension variable entraîne un vidage trop rapide du tambour en raison d’une faible vitesse de rotation de celui-ci (voir figure ci-dessous) : il est donc nécessaire de canaliser une partie de la nourriture vers l’orifice pour limiter la quantité de nourriture distribuée.













Fonction de service FP2 « Permettre le remplissage de nourriture »
Le diagramme fonctionnel ci-dessous présente le résultat d’une recherche de solutions relatif à la fonction de service FP2 sous forme de fonctions techniques.












Fonction de service FC2 « Maintenir la nourriture sèche »
Le diagramme fonctionnel ci-dessous présente le résultat d’une recherche de solutions relatif à la fonction de service FC2 sous forme de fonctions techniques.


















Fonction de service FC5 « Etre stable sur l’aquarium »
Le diagramme fonctionnel ci-dessous présente le résultat d’une recherche de solutions relatif à la fonction de service FC5 sous forme de fonctions techniques.











Schéma structurel et caractéristiques du circuit électronique
Schéma structurel partiel du circuit électronique

















Nomenclature

RepèreNom du composantS1, S2, S3, S4, S5Boutons poussoirs de programmation et de commandeS6Détecteur de position du tambourR1,R2,R3,R4,R5, R6Résistances 1 K&!R7RésistanceC1, C2Condensateur 0.22 pFC3Condensateur 0,1 µFX1CI1Circuit intégré (microcontrôleur)AF1Afficheur à cristaux liquidesT1Transistor de commutation 2N2222D1Diode de commutation 1N4148M1Moteur à courant continu 
Caractéristique de consommation
Consommation moyenne de la carte électronique et de l'afficheur (moteur exclu) : 0,25 mA
Tension d'alimentation du distributeur : 3V CC

Correspondance des entrées et sorties du microcontrôleur

BOUTONENTREES1I0S2I1S3I2S4I3S5I4S6I5
DOCUMENTS CONSTRUCTEUR
Moteurs électriques à courant continu
DC Motors – 2331 INCLUDEPICTURE "http://igusa.com/images/line1.jpg" \* MERGEFORMATINET 






Dimensions (mm)  INCLUDEPICTURE "http://igusa.com/images/line1.jpg" \* MERGEFORMATINET 

 INCLUDEPICTURE "http://igusa.com/images/motors/182331/182331-dimensions.gif" \* MERGEFORMATINET 

Courbes caractéristiques  INCLUDEPICTURE "http://igusa.com/images/line1.jpg" \* MERGEFORMATINET 


















Prix  INCLUDEPICTURE "http://igusa.com/images/line1.jpg" \* MERGEFORMATINET 

Model Nb.Prices (()2331-240-G-32,50 HT2331-032-G-52,90 HT

Piles électriques alcalines

Types














Caractéristiques
TensionTypeDim. (mm)CapacitéNb pcs.Réf.1,5 VNØ 12 x 30,2800 mAh1LR11,5 VAAAAØ 8 x 40,2500 mAh1LR611,5 VLR03 (AAA)Ø 10,5 x 44,51100 mAh4LR031,5 VLR6 (AA)Ø 14,5 x 50,52600 mAh4LR61,5 VLR14 (C)Ø 26,2 x 507800 mAh2LR14T1,5 VLR20 (D)Ø 34,2 x 61,516500 mAh2LR20T9 V6LR6126 x 17,5 x 49500 mAh16LR614,5 V3R12 (plate)62 x 22 x 674400 mAh13LR1212 VMN21Ø 10,3 x 28,538 mAh1V23GA

Prix

LR1   La pile 1,5 V type N2,17 ¬ HT2,60 ¬ TTCLR61   La pile 1,5 V type AAAA1,00 ¬ HT1,20 ¬ TTCLR03   Les 4 piles 1,5 V type LR033,75 ¬ HT4,50 ¬ TTCLR06   Les 4 piles 1,5 V type LR63,34 ¬ HT4,00 ¬ TTCLR14T   Les 2 piles 1,5 V type LR143,09 ¬ HT3,70 ¬ TTCLR20T   Les 2 piles 1,5 V type LR203,51 ¬ HT4,20 ¬ TTC6LR61   La pile 9 V type 6LR613,34 ¬ HT4,00 ¬ TTC3LR12   La pile 4,5 V type 3R123,18 ¬ HT3,80 ¬ TTCV23GA   La pile 12 V type MN212,34 ¬ HT2,80 ¬ TTC













Transistor de commutation
Référence( miniVCE satVBE2N22221000,40,7
Valeurs normalisées des résistances de la série E12
Les valeurs normalisées des résistances de la série E12 sont des multiples de la série proposée ci-dessous.

11.21.51.82.22.73.33.94.75.66.88.2
Chaque valeur du tableau peut-être multipliée par 100 , 101 , 102, 103 ,104 , 105, 106

Puissance normalisée des résistances : ¼ W, ½ W, 1 W, 2 W, 3 W, 5 W, 7 W, 8W

Engrenages mécaniques
Valeurs indicatives de rendement :

Engrenagecylindrique à denture
droitecylindrique à denture hélicoïdaleConiques à axes perpendiculairesRoue et vis sans finRendementde l’ordre de 0,95l’ordre de 0,90de l’ordre de 0,8de l’ordre de 0,6
Engrenages roue et vis sans fin

Vis creuse sans fin – 1 filet

ModuleddaNDNLGLB-H7Poidsmmmmmmmmmmmmmmg0,507,085,541216340,758,5106,041620461,0014,01611,062430626
Roues dentées en POM Homopolymère (Delrin) avec moyeu unilatéral, Module 0,5

Nombre de dentsdadNlNDBCouple maxiPoidsmmmmmmmmmmN.cmg2011,010,048,032,50,632111,510,548,032,80,662212,011,048,033,20,712312,511,548,033,50,802413,012,048,033,90,802513,512,5410,034,30,902614,013,0410,034,71,102714,513,5410,035,11,102815,014,0410,035,61,202915,514,5410,036,01,303016,015,0410,036,51,403116,515,5412,047,01,503217,016,0412,047,61,603317,516,5412,048,21,653418,017,0412,048,81,703518,517,5412,049,41,753619,018,0412,0410,01,803719,518,5412,0410,61,953820,019,0412,0411,32,103920,519,5412,0412,02,154021,020,0412,0412,72,20

Roues dentées en POM Homopolymère (Delrin) avec moyeu unilatéral, Module 0,7

Nombre de dentsdadNlNDBCouple maxiPoidsmmmmmmmmmmN.cmg2015,414,061046,61,502116,114,761047,41,602216,815,461248,22,102317,516,161249,22,102418,216,8612410,12,202518,917,5612411,22,402619,618,2612412,22,502720,318,9612413,42,702821,019,6612414,62,802921,720,3612415,83,403022,421,0615417,13,603123,121,7615418,53,903223,822,4615420,04,103324,523,1615421,74,303425,223,8615423,54,503525,924,5615424,74,603626,625,2615426,04,703727,325,9615427,84,903828,026,6615429,55,203928,727,3615431,45,304029,428,0615433,55,50

Roues dentées en POM Homopolymère (Delrin) avec moyeu unilatéral, Module 1

Nombre de dentsdadNlNDBCouple maxiPoidsmmmmmmmmmmN.cmg202220815529,05,8212321815532,56,2222422815536,06,5232523815540,07,1242624815544,57,6252725815549,08,2262826815554,08,7272927815559,09,3283028815564,09,9293129815569,510,5303230815575,511,2313331818681,512,2323432818688,013,2333533818695,014,33436348186102,015,43537358186109,015,83638368186116,016,63739378186124,017,23840388186132,017,93941398186140,018,84042408186148,019,6

Session 2007

BREVET DE TECHNICIEN SUPERIEUR
CONCEPTION ET INDUSTRIALISATION
EN MICROTECHNIQUES

EPREUVE E4 :
CONCEPTION PRELIMINAIRE D’UN SYSTEME
MICROTECHNIQUE



DOSSIER TRAVAIL DEMANDÉ

DISTRIBUTEUR AUTOMATIQUE
DE NOURRITURE D’AQUARIUM

Avant de lire ce dossier, prendre connaissance du dossier technique
(Temps de lecture 30 min)

Parties :

Conception préliminaire du tambour et de son axe 45 min

Conception préliminaire de la chaîne d’énergie
- fonctions "Convertir" et "Transmettre" 50 min
- fonctions "Distribuer" et "Alimenter" 35 min
- Implantation des composants 35 min

Conception préliminaire de la chaîne d’information 45 min

Les trois parties sont indépendantes, cependant il est préférable de les traiter dans l’ordre.






Repère d’épreuve : MCE4CP

Conception préliminaire du tambour et de son axe
Définition de formes du tambour et du curseur respectant la fonction de service FP1

Question 1 – sur feuille de copie

A partir du cahier des charges fonctionnel (documents techniques DT1 et DT2) et du diagramme FAST relatif à la fonction de service FP1 (document technique DT6), représenter, sous forme de croquis à main levée, les formes de l’assemblage entre le tambour et la trappe coulissante.

On se limitera aux fonctions techniques suivantes :
FT2111 : Guider la trappe coulissante en translation par rapport au tambour.
FT2112 : Transmettre l’énergie mécanique de l’utilisateur à la trappe coulissante.
FT2113 : Limiter la course de la trappe coulissante par rapport au tambour.
FT 221 : Maintenir en position de la trappe coulissante*.

(*) : le maintien en position pourra être continu ou par pas.

On privilégiera des schémas dans les plans de coupe A-A et B-B, ce qui n’exclue pas tout autre schéma, perspective jugés utile.
On portera sur les schémas toute annotation ou commentaire jugés utile à la compréhension.





















Question 2 – document réponse DR1

A partir du diagramme fonctionnel relatif à la fonction de service FP1 (document technique DT6), représenter à main levée, en complétant les schémas du document réponse DR1,  les formes du tambour.

On se limitera à la fonction technique suivante :
FT231 : Canaliser une partie de la nourriture vers l’orifice.

On représentera la nourriture sur les schémas afin de mettre en évidence la limitation de la quantité de nourriture passant par l’orifice.


Définition de formes du tambour et de l’axe respectant les fonctions de service FP2 et FC2
Question 3 – sur feuille de copie

A partir du diagramme fonctionnel relatif aux fonctions de service FP2 et FC2 (document technique DT7), représenter, sous forme de croquis à main levée, les formes du couvercle de tambour et de son axe.

On se limitera aux fonctions techniques suivantes :
FT3 : Permettre le démontage de l’ensemble {tambour + couvercle de tambour} de l’axe du tambour.
FT512 : Admettre le flux d’air par l’arrière du tambour(axe creux)
FT513 : Empêcher la nourriture de pénétrer dans l’axe creux

On n’omettra pas le rôle de transmission de l’énergie mécanique de rotation de l’axe du tambour au couvercle du tambour réalisé par l’assemblage.
On portera sur les schémas toute annotation ou commentaire jugés utile à la compréhension.
Conception préliminaire de la chaîne d’énergie
Le document technique DT4 présente les résultats d’une simulation numérique relative à l’entraînement du tambour et le document technique DT5 la structure de la chaîne d’énergie retenue.
Détermination du moteur réalisant la fonction « Convertir l’énergie » et du réducteur réalisant la fonction « Transmettre l’énergie »
Compte tenu, notamment, de la faible vitesse de rotation du tambour en phase de distribution et du faible couple nécessaire à son entraînement, le choix du moteur s’oriente vers les deux moteurs à courant continu basse tension - 3V CC - (voir document technique DT9).

L’objectif de cette partie est alors de déterminer le moteur le mieux adapté parmi les deux possibles, à partir de critères technico-économiques.


Question 4 – sur feuille de copie

A partir du cahier des charges fonctionnel, justifier le choix d’un moteur de type à courant continu.

Vérification de la possibilité d’interposer des réducteurs énergétiquement satisfaisants

On se propose de vérifier s’il est possible d’interposer un réducteur, entre chaque moteur et le tambour, garantissant l’entraînement du tambour à partir de critères cinématiques et énergétiques.

On se place, dans cette partie, en phase de fonctionnement à régime permanent.


L’allure de la courbe du couple nécessaire à l’entraînement du tambour est représentée ci-contre. Cette courbe comporte deux phases :
une phase de démarrage (1),
une phase de fonctionnement à régime permanent (2).

Compte tenu de la faible durée de la phase de démarrage devant la durée de la phase de fonctionnement à régime perman