Etiqueteuse à transfert thermique ALX92 - Sciences de l'Ingénieur

BACCALAUREAT GENERALSession 2006Série S Sciences de l’ingénieur Etiqueteuse à transfert thermique ALX92 1/17

!" L'étiqueteuse ALX92 est unemachine capable d'imprimer et dedéposer des étiquettes sur despaquets circulant sur un convoyeur àbande.La partie imprimante utilise latechnologie du transfert thermique etimprime les étiquettes en temps réelau moment de la pose.Le motif à imprimer est :• soit stocké en mémoire ;• soit envoyé au fur et à mesurepar le système informatiqueauquel l'étiqueteuse estconnectée.$ % # Le ruban d’étiquettes est enroulé sur le guide (1). Il est guidé par les rouleaux (2), tendu par la bielle (3)et entre ensuite dans l’imprimante. Les étiquettes sont repérées grâce à un capteur qui informe la cartede commande. Celle-ci commande alors l’impression et :• gère l’avance du ruban d’étiquettes ;• gère l’avance du ruban encreur ;• positionne la tête d’impression par rapport aux rubans d’étiquettes et encreur ;• gère la tête d’impression.L’étiquette imprimée est ensuiteamenée en zone de détachementpour réaliser le collage sur lepaquet. Le ruban sans étiquettesest récupéré sur le cylindre (4).L’avance du ruban d’étiquettesest réalisée grâce à l’arbremoteur (5). 13 2 45 2/17

& !" Présence del’étiquettePosition de la têted’impressionChaîne d’information- Texte affiché- AlarmeACQUERIR TRAITER COMMUNIQUERPrésence d’unpaquet, Etat dusystème- Capteurs - Carte de - InterfacecommandePaquet sansétiquetteSignaux decommandeEtiquette viergeALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTREÉnergieélectrique- Blocd’alimentation-Pont en H- Moteur- Réducteur,- Came,Distribuer uneétiquetteimpriméeChaîne d’énergieEtiquetteimpriméePaquet étiqueté'( )Données et performancesTechnologie d'impressionTête d'impressionRésolution horizontale etverticaleLargeur d'impressionVitesse d’avance du ruband’étiquettesLongueur des étiquettesEconomiseur de rubanCadence d'impressionImpression par transfert thermique.Haute définition, rapide, avec régulation de température intégrée.300 dpi (point par pouce).106,7 mmDe 50 à 400 mm/sDe 20 mm à 400 mmOuiJusqu'à 7000 étiquettes à l'heure3/17

*+ , Première étude : Analyse des performances et du comportement.L'objet de cette étude est d’étudier le fonctionnement de l'appareil pour étiqueter un lot de paquets etde déterminer la cadence horaire d'étiquetage.Deuxième étude: Impression d’étiquettes.L'objet de cette étude est de vérifier les performances (résolution horizontale et verticale) de la têted'impression sur toute la gamme de vitesse donnée dans le cahier des charges.Troisième étude: Économiseur du ruban encreur.L’objet de cette étude est de vérifier que les contraintes sur le ruban encreur, pour effectuer uneéconomie de celui-ci, sont bien respectées et de proposer une solution permettant de régler lepositionnement précis de la tête d’impression.Quatrième étude: Entraîner et protéger le ruban encreur.L’objet de cette étude est l’entraînement et la protection du ruban encreur afin d’éviter les plis et toutdéchirement de ce dernier.4/17

& - ! L'objet de cette étude est d’analyser le fonctionnement de l'appareil pour étiqueter un lot de paquets etdéterminer débit horaire d'étiquetage.Zone dedétachementDétecteur deprésence despaquetsOn désire lancer une tâche d'étiquetage sur un lot de 1400 cartons de dimensions 400×200×120mm,les paquets seront étiquetés dans le sens de leur plus grande longueur.L’espace entre deux cartons est au minimum de 100 mm.Les paquets se déplacent sur un convoyeur à bande à la même vitesse que la vitesse d’avance duruban d’étiquettes.Un capteur optique détecte les paquets, la carte de commande déclenche l'impression et la pose del'étiquette après un temps de retard appelé : « délai d’impression ».Ce délai correspond au temps mis par le paquet pour parcourir la distance entre le capteur optique et lazone de détachement de la machine.Le capteur optique de détection des paquets est positionné à 300 mm de la zone de détachement del'étiqueteuse.. &/ 0 1023 450 1 5/17

Le schéma de raccordement du capteur optique à l'étiqueteuse est donné Figure a.Ce montage donne, lors du passage d'un paquet, un signal U capteur tel que celui reproduit Figure 1 dudocument réponse DR1.VccEtiqueteuseFigure a1 Emetteur de lumière2 Récepteur de lumière3 Etage de mise enforme4 Etage de sortie àcontact secCapteurKU capteurR Tirage0 volt. &&/ % $ 6 70 80# 9) 0) : L'étiqueteuse peut recevoir différents types de capteurs. Suivant le type de capteur utilisé, il faut choisirparmi les 2 options suivantes celle qui assurera le bon fonctionnement de la machine :• Option 1 : Front montant : Lors du passage d'un niveau bas à un niveau haut du signald’entrée, U capteur , il y a impression de l’étiquette après écoulement du délai d’impression.• Option 2 : Front descendant : Lors du passage d'un niveau haut à un niveau bas du signald’entrée, U capteur , il y a impression de l’étiquette après écoulement du délai d’impression.. &'/ ) ;5 65, 0). &*/ - 5 $ 6&< 0# /• Online : cette variable est au niveau logique « 1 » si l’imprimante est prête à imprimer.• Spnv : tampon d’impression non vide, cette variable est au niveau logique « 1 » si un motif àimprimer est chargé dans la mémoire de l’imprimante.• Capteur : détection d'un paquet sur le tapis à 300 mm de la machine.. &2/ ) 33 *33 5 ) 7 5 5 8 1 # #*33 6/17

' % L'objet de cette étude est de vérifier les performances (résolution horizontale et verticale) de la têted'impression sur toute la gamme de vitesse donnée dans le cahier des charges. L'impression s'effectue par transfert thermique. Sous l'action de la chaleur une cire synthétique (l'encre)est transférée d'un film polyester (le ruban encreur) vers le support à imprimer (l'étiquette).Le ruban encreur se présente sous forme de rouleau et se dévide en même temps que le support àimprimer.Sens dudéfilementITête d'impressionthermiqueFilm polyesterEncreRuban detransfertthermiqueSens du défilement du support à imprimer (étiquette)Le ruban encreur passe entre la tête thermique et le support à imprimer. La têted’impression va permettre de transférer l’encre du ruban sur le support. La tête d'impression est constituée d'une seule ligne de minuscules pointeschauffantes.Les caractères et les dessins sont imprimés ligne par ligne.La résolution horizontale est fonction du nombre de pointes chauffantes sur la têted'impression, la résolution verticale dépend de la vitesse d'avance du papier devant la têted'impression.. '&/ # 3=5> "&?3 5 7 80 ;) @+ /A&25* Le ruban d'étiquettes est entraîné parfriction par un rouleau d'entraînementde 20mm de diamètre.Le schéma cinématique du systèmed’entraînement est donné ci-contre :Pignon moteur20 dents7/17Galet TendeurPignon du rouleaud'entraînement36 dents

Le moteur utilisé pour l'avance du ruban d’étiquettes est un moteur "pas à pas" dont la résolution estde 200 pas par tour.Ce moteur est commandé en mode "demi-pas" est à dire que chaque impulsion de commande faitavancer le rotor de la moitié d'un pas. A chaque demi pas, une ligne est imprimée.. ''/() # . ''&/( # # B . '''/ # 1 #0 # ; 5 0# 7 #0 #8 ! " Lors de l'impression d'une ligne, chacune des 1280 pointes chauffantes, devant laisser une trace surl'étiquette, est portée à une température de 85°C pour assurer le transfert de l’encre du ruban vers lepapier.L'impression d'une ligne s'effectue en deux mises à feu successives portant chacune sur la moitié despointes chauffantes, ceci pour limiter la puissance dans la tête thermique à 300 Watts.. '*/ &*3Ω# &*05 # . '*&/ # # # C ) ;Le chauffage des pointes(une mise à feu) nécessite le passage d'un courant pendant une duréede 280 µs.On désire vérifier que ce temps est compatible avec la résolution trouvée pour une vitesse d'impressionde 150 mm/s.. '*'/ 0 # B 0 #23 4( 0 . '**/# ; #$$%. '*2/D 5 50# 1 23 45 0 # ) '33 8/17

* ( En mode d'impression normal, l'avance du ruban encreur s'effectue simultanément à celle du ruband’étiquettes. Si des zones vierges existent sur l’étiquette, un dispositif économiseur de ruban encreurinterrompt l'avance de celui-ci. On réalise ainsi une économie de ruban encreur (voir la Figure cidessous).Zone viergeZone viergeAfin de stopper l’avance du ruban encreur tout en permettant l’avance du ruban d’étiquettes, la têted’impression doit être remontée d’au moins 0,8 mm.Pendant cette remontée, le ruban continue à avancer. Il est donc gaspillé. Pour limiter ce gaspillage, ilest nécessaire de minimiser le mouvement de la tête. Le constructeur a fixé une hauteur maximale deremontée de 1mm.L’objet de cette étude est de vérifier que ces contraintes sont bien respectées et de proposer unesolution permettant de régler précisément l’élévation de la tête d’impression.. */ E 0 1 ) ; " &33 *5 θ & Moteur deremontée de latête d’impressionPhase de fonctionnement du moteurZéro voltθ cameRoulette dulevierα impressionUne période = 4 pas du moteur9/17

Pour initialiser la position de la tête d’impression, la roulette du levier se positionne initialement dans le« creux » de la came on a alors α impression =α maxi .Pour placer la tête d’impression en « position impression », la came effectue une rotation d’un angleθ came =+80° par rapport à la position initiale.Lors de la phase de remontée de la tête (rotation d’un angle α r ), on considèrera que la came tourned’un angle θ came =-32°.Le diagramme ci-dessous a été obtenu au moyen d’un logiciel de simulation mécanique. Il met enrelation l’angle de rotation de la came θ et l’angle d’inclinaison du levier α impression lié en liaisonencastrement à la tête d’impression.. *&/ 70 ' $ &8 - 5 1 5 1 0( 0 α (α impression )15°10°5°0°-5°0° 50° 100° 150° 200° 250° 300° 350° (θ came ). *'/( ;5 F G ; ) @Tête d’impressionα 25°46mmRouleau d’entraînementRuban d’étiquettes10/17

La grande précision demandée pour positionner la tête d’impression par rapport à l’étiquette entraîneun montage précis du levier en liaison encastrement avec l’axe de la tête d’impression. Le levier estpositionné axialement par rapport à l’axe de la tête d’impression grâce à un positionneur axial contrelequel le levier prend appui. Son réglage angulaire est réalisé de façon peu précise. Son maintien enposition est réalisé au moyen d’une vis.LevierRéglageangulaireAxe de la têted’impressionVis demaintienPositionneuraxialCette solution présente un inconvénient : le positionnement angulaire du levier est très imprécis.Pour remédier à ce problème, on se propose d’affiner ce positionnement au moyen d’un dispositif visécrou. Le schéma technologique ci-dessous présente la solution. . **/ () 0 B ) . *2/ E 0 ) '$ * $ & H 5 1 05 '$ B ;Remarque : Le document technique DT1 (page 17/17) propose un choix de vis de réglage.11/17

2 ( B Pour que l’impression se fasse dans de bonnes conditions, on doit contrôler l’avance du ruban encreuren maintenant la tension de ce dernier dans des limites qui permettent d’une part d’éviter les plis etd’autre part d’éviter tout déchirement de celui-ci.L’objet de cette étude est l’entraînement et la protection du ruban encreur afin d’éviter les plis et toutdéchirement de ce dernier.5.1. Etude de la commande du moteur d'entraînementLe moteur d'entraînement du ruban encreur de l'étiqueteuse est detype pas à pas. La rotation d'un tel moteur est assurée par lacommutation du courant dans deux bobines appelées phase A etphase B.Le passage du courant dans chaque bobine est assuré par un pont àquatre transistors MOS associé à une logique de contrôle comme lemontre la figure ci-dessous.Le fonctionnement des transistors MOS est rappelé sur ledocument technique DT1.+VCC=24VPhase ARotorPhase BFreinageDirectionLogiquedecontrôleQ 2U_Ph_AOut 1S 01Q 3Q 4I_Ph_A0 VoltQ 11Principe de la commande d'une phase moteurLe courant dans une phase du moteur est représenté sur la figure 5 du document réponse DR3.. 2/D # # 1* 2 $ '. 2&/ % 2 $ ' # 7 8 . 1. * 0 & . 2'/ = $ ' 0 %I I - : I I - ;E0 2 $ 'F D S 0 S 1. 2*/$ 10; )3 6 768$ 7$ 80 0 1 00 1 0 11 0 1 11 1 1 112/17

5.2. Etude de la protection du ruban contre le déchirementPour éviter la rupture du ruban encreur, le couple du moteur doit être contrôlé. A cet effet le circuit decommande du moteur possède une structure de limitation du courant configurable à l'aide d'un motbinaire.Pour limiter le couple du moteur à une valeur inférieure à 1Nm le courant de phase I_Ph ne doit pasexcéder 2,4 Ampères.Deux des transistors du pont (Q 1 et Q 2 de la structure page 12) possèdent une détection de courantintégrée.Le courant Is issu de la fonction détection vaut 1/4000 du courant IQ 1 ou IQ 2 et donc de I_Ph.IQ 1 IQ 2V surintVréf= 5 VoltsDétection ducourant de phaseIS10(e + - e -- )Vref inCNAComparateurD 3 D 2 D 1 D 0K 3 K2 K1 K0ViRs6,2KΩV surint0 voltCe courant crée aux bornes de la résistance R s une tension image du courant I_Ph.Cette tension est comparée à une référence issue d'un convertisseur numérique analogique.La fonction de transfert du convertisseur est = × (n=nombre de bits du convertisseur)Le nombre N est appliqué à l'entrée numérique du convertisseur (4 bits) grâce aux interrupteurs K 0 , K 1 ,K 2 , K 3. si K i est ouvert D I est au niveau logique haut.. 2&/. 0 07 # J - 0 J 0# 8@. 2&&/- C ; 0K 7 C %8@. 2&'/ . 0 ) C 5 0 ) @. 2&*/ ( 5 0 5 J # 1# 0 1 0 1J @13/17

Document réponse DR1Figure 1 (Question 2.2 page 6/17)U capteur (V)VccPassage dupaquet devantle capteurt (s)Interrupteur K…………...Interrupteur K…………...Figure 2 (Question 2.4 page 6/17)0Snpv • …….10T 0 /…./…..20Imprimer uneétiquette=114/17

Document réponse DR2Figure 37. *&34>8(α impression )15°10°5°0°-5°0° 50° 100° 150° 200° 250° 300° 350°(θ came )Figure 47. *24>8' ( 15/17

Document réponse DR3Figure 57. 2&&4>8+ L ; 73- 8T 1T 2Valeur crête : 2 AQ 1 :…Q 2 :…Q 3 :…Q 4 :…Q 1 :…Q 2 :…Q 3 :…Q 4 :…Figure 6 (. 2'&4>8Freinage Direction S 0 S 1 Etat Q 1 Etat Q 2 Etat Q 3 Etat Q4 U bobine I bobine0 0 1 00 1 0 11 0 1 11 1 1 1 P assant P assant B loqué B loqué 0 Volt 0 Ampère16/17

Document technique DT1Rappel sur le fonctionnement du transistor MOS.Un transistor MOS se comporte comme un interrupteur commandé.Si un niveau logique « 1 » est présenté sur sa grille, le mos se comporte comme un interrupteur fermé.DrainDrainGrilleSourceSourceSi un niveau logique « 0 » et présenté sur la grille le mos se comporte comme un interrupteur ouvert.DrainDrainGrilleSourceSource17/17