Article de méthode

Fonctionnement du système de fabrication composite collaborative (CCM)

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DOI :

10.3791/59969

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1 octobre 2019

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical, Industrial & Aerospace Engineering, Concordia University

Dans cet article

Résumé

Un système de fabrication composite collaboratif est développé pour la mise en place robotique de stratifiés composites à l'aide de la bande prepreg. Le système proposé permet la production de stratifiés composites avec des niveaux élevés de complexité géométrique. Les questions de planification du parcours, de coordination des robots et de contrôle sont abordées dans la méthode proposée.

Résumé

Le placement automatisé de bande et les machines automatisées de placement de fibre (AFP) fournissent un environnement de travail plus sûr et réduisent l'intensité de travail des ouvriers que le placement manuel traditionnel de fibre fait. Ainsi, la précision de la production, la répétabilité et l'efficacité de la fabrication composite sont considérablement améliorées. Cependant, les systèmes actuels d'AFP ne peuvent produire que les composants composites avec de grandes surfaces ouvertes ou de simples pièces révolutionnaires, qui ne peuvent pas répondre à l'intérêt croissant pour les petites structures complexes ou fermées de l'industrie.

Dans cette recherche, en employant un stade de rotation de 1 degré de liberté (DoF), un robot parallèle 6-RSS et un robot de série 6-DoF, la dextérité du système AFP peut être considérablement améliorée pour la fabrication de pièces composites complexes. L'étape de rotation montée sur le robot parallèle est utilisée pour tenir le mandrel et le robot de série porte la tête de placement pour imiter deux mains humaines qui ont assez de dextérité pour poser la fibre au mandrel avec le contour complexe.

Bien que le système CCM augmente la flexibilité de la fabrication composite, il est assez long, voire impossible de générer la voie hors ligne faisable, ce qui assure une mise en place uniforme des fibres ultérieures compte tenu des contraintes comme singularités, collisions entre la tête de placement de fibre et mandrel, changement lisse de direction de fibre et gardant la tête de placement de fibre le long de la norme de la surface de la pièce, etc. En outre, en raison de l'erreur de positionnement existante des robots, la correction de chemin en ligne est nécessaire. Par conséquent, l'algorithme de correction de pose en ligne est proposé pour corriger les trajectoires des robots parallèles et en série, et pour maintenir le chemin relatif entre les deux robots inchangé par la rétroaction visuelle lorsque la contrainte ou les problèmes de singularité dans le planification hors ligne de chemin se produisent. Les résultats expérimentaux démontrent que le système CCM conçu peut répondre au mouvement nécessaire à la fabrication d'une structure composite avec la forme Y.

Introduction

Récemment, le besoin croissant de structures composites de haute performance dans diverses industries a grandement stimulé le développement des technologies de fabricationcomposites 1,2. La production manuelle traditionnelle ne peut pas répondre à l'exigence d'efficacité, de précision et de qualité élevée de l'industrie émergente. Cet aspect a encouragé le développement de nouvelles technologies de production telles que les systèmes DE l'AFP. La technologie AFP automatise la production de structures de matériaux composites à l'aide de prepregs, qui sont présents sous forme de bandes composées de rubans de fibres imprégnés (verre, carbone, etc.) de résine semi-polymétérée. Dans le système AFP, une tête de dépôt avec la capacité de chauffage et de compactage des prepregs de résine est montée sur une machine de placement de fibre ou un robot industriel. La machine de placement de fibre ou robot portant la tête de dépôt pose vers le haut les prepregs traversant la surface des mandrels d'outillage. Dans le processus de fabrication, le mandrel d'outillage est employé comme moule pour être enroulé autour par les prepregs pour former une certaine structure de partie composite. Le mandrel sera enlevé après la guérison de la pièce. Les systèmes actuels d'AFP peuvent améliorer considérablement l'efficacité et la qualité de la production de matériaux composites3,4,5. Cependant, ils sont limités à la production des surfaces ouvertes présentant une surface plate ou profilée, ou des pièces de révolution simples telles que des cylindres ou des cônes en raison de l'insuffisance de DoF du système et des difficultés à générer des trajectoires. En particulier, l'industrie aérospatiale et les industries de production d'équipements sportifs s'intéressent désormais à cette technique de production de structures dont les géométries sont plus complexes, comme les tubes « Y » ou les structures formant des boucles fermées comme les cadres de bicyclettes.

Pour pouvoir fabriquer les structures avec des géométries complexes, la flexibilité du système AFP devrait être améliorée. Par exemple, un système 8 DoF AFP a été proposé6 en ajoutant une voie linéaire à un robot industriel 6 DoF et une phase de rotation à la plate-forme de fixation de mandrel. Cependant, le système n'est toujours pas adapté à la fabrication des pièces mentionnées ci-dessus avec des géométries complexes. Le système robotique collaboratif composé de deux robots est une solution prometteuse pour augmenter la dextérité en employant un robot pour tenir la tête de placement de fibre à l'effecteur final et un autre robot pour tenir le mandrel. Le système collaboratif à deux séries-robot peut ne pas résoudre le problème de placement de fibres, puisque les robots en série ont tendance à se déformer et à perdre la précision en raison de sa structure en porte-à-faux, compte tenu du poids de la mandrel et de la force de compactage7. Par rapport aux robots de série, 6 robots parallèles DoF, qui ont été utilisés dans le simulateur de vol et les outils médicaux, jouissent d'une meilleure rigidité et la précision8. Par conséquent, un système de robot collaboratif en série parallèle, en plus d'une étape de rotation montée sur la plate-forme du robot parallèle, est construit pour manipuler les structures complexes de fabrication dans ce papier.

Cependant, le système robotique collaboratif construit rencontre des difficultés dans la conception du contrôleur pour chaque robot afin de répondre à l'exigence de haute précision du placement des fibres. La mesure précise de la position de l'effecteur final pourrait être réalisée en utilisant le système de suivi laser, qui est couramment utilisé pour guider le robot industriel dans diverses applications de forage aérospatial9,10. Bien que le système de suivi laser puisse fournir une mesure de position élevée et précise, les principaux inconvénients résident dans le coût du système et le problème d'occlusion. Le système de suivi laser est coûteux, par exemple, un tracker laser commercial et ses accessoires coûtent jusqu'à 90 000 $ US, et le faisceau laser est facilement occluded pendant le mouvement des robots. Une autre solution prometteuse est le système de mesure de la vision, qui peut fournir la mesure de pose 6D de l'effecteur final avec une précision considérable à un faible coût. La pose est appelée la combinaison de la position 3D et de l'orientation 3D de l'effecteur final par rapport au cadre de base du robot. Le CMM optique (voir Tableau des matériaux) est un capteur visuel à double caméra. En observant plusieurs cibles réflecteurs fixées sur les effets finaux des deux robots, les poses relatives entre les robots peuvent être mesurées en temps réel. Le CMM optique a été appliqué avec succès à l'étalonnage robotique11 et au suivi dynamique des trajectoires12 et est donc introduit pour fournir la mesure de rétroaction aux systèmes de contrôle en boucle fermée du système CCM proposé dans cette étude.

La qualité du produit composite final dépend en grande partie de la façon dont la voie de fibre originale est générée pour l'AFP13,14. Le processus de génération de chemins est normalement effectué à l'aide d'un logiciel de programmation hors ligne. Le chemin généré se compose d'une série de points d'étiquette sur le mandrel, qui indiquent la pose de la tête de placement de fibre. Contrairement à d'autres applications de planification de trajectoire telles que le dépôt de peinture, le polissage ou l'usinage, où différents types de chemins de couverture sont possibles, le choix est limité dans le cas de l'AFP, puisque la fibre est continue et qu'il n'est pas possible d'effectuer des changements de direction (coins pointus) sans l'endommager et la tête de placement doit être maintenue dans la norme de la surface des pièces. Le premier développement de la technique de génération de trajectoire pour l'AFP a été concentré sur la fabrication de grands panneaux plats5 avant de se déplacer vers la fabrication des objets de formes 3D telles que les surfaces courbes ouvertes ou cônes5, 14. Mais aucune méthodologie pratique n'a été développée pour générer des chemins hors ligne pour les pièces avec des géométries complexes telles que la forme Y ou les autres formes. Par conséquent, un algorithme efficace de planification des voies pour les pièces avec des surfaces à contours complexes est conçu pour assurer une mise en place uniforme des fibres ultérieures sans lacunes ou chevauchements dans nos recherches précédentes15. Compte tenu de la praticité et de l'efficacité de l'algorithme de génération de trajectoire, seul le robot de série 6-DoF avec la tête de placement et l'étape de rotation 1-DoF comme le support de mandrel sont considérés comme le système cible pour trouver la planification optimale de trajectoire dans l'espace commun avec des critères de temps minimum. Il pourrait être trop compliqué et trop long de générer la trajectoire hors ligne pour l'ensemble du système 13 DoF CCM en raison du calcul cinématique lourd et de la prise en compte de diverses contraintes comme les singularités, les collisions, le changement de direction en douceur et maintenir la tête de placement dans la norme de la surface des pièces, etc.

La planification de trajectoire hors ligne proposée peut générer la référence servo pour le robot de série 6 DoF et l'étape de rotation respectivement avec le calendrier exact. Même avec cette planification hors ligne de trajectoire, il pourrait être impossible de générer un chemin faisable sous toutes les contraintes pour certaines pièces de géométrie. En outre, les erreurs de positionnement des robots peuvent provoquer les robots à entrer en collision avec le mandrel ou un autre dispositif dans l'environnement de travail. La modification du chemin en ligne est mise en œuvre en fonction de la rétroaction visuelle du CMM optique. Par conséquent, l'algorithme de correction de pose en ligne est proposé pour corriger la trajectoire du robot parallèle et régler un décalage correspondant sur le chemin du robot en série simultanément à travers la rétroaction visuelle. Lorsque la collision et d'autres contraintes sont détectées, la pose relative entre les deux robots est également maintenue inchangée tout en suivant la trajectoire générée hors ligne. Grâce à la correction du chemin en ligne, le système CCM peut éviter ces points en douceur sans aucune terminaison. Grâce à la flexibilité du robot parallèle, les décalages de correction 6D peuvent être générés en ce qui concerne différentes contraintes. Ce manuscrit présente une procédure de fonctionnement détaillée du système CCM à l'aide d'un algorithme de correction de pose en ligne.

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Protocole

1. Définitions de cadres du système CCM

REMARQUE: Le CMM optique est un capteur à double caméra, qui peut suivre l'objet avec un ensemble rigide de réflecteurs comme les cibles en temps réel. Le principe de placement de ces cibles est que les cibles sont bloquées aux endroits asymétriques avec une certaine distance entre elles. Les cibles doivent être fixées sur les robots ou la tête de placement et rester dans le champ de vision (FOV) de l'optique CMM. Au moins quatre cibles doivent être observées pour chaque cadre défini par le CMM optique tout le temps. Le cadre de base du robot parallèle, le cadre de l'effecteur final du robot parallèle, et le cadre d'outil du robot de série sont désignés comme Fb, FtP, et FtS, respectivement. Les définitions de ces images sont indiquées à la figure 1. Étant donné que les cadres de base du robot parallèle et du robot de série sont fixés, la matrice de transformation entre les deux cadres de base peut être dérivée par étalonnage.

figure-protocol-1
Figure 1. Configuration du système de fabrication composite collaborative (CCM). Le matériel du système CCM se compose d'un robot parallèle 6-RSS, d'un stade de rotation 1-DoF, d'un robot de série 6-DoF, d'une tête de placement et du CMM optique. Le mandrel est serré sur le stade de rotation, et le stade de rotation est monté sur le robot parallèle. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

  1. Définition du cadre de base du robot parallèle
    1. Chargez le fichier de définition de cadre à travers le logiciel du CMM optique (voir le Tableau des matériaux).
    2. Cliquez sur Le positionnement 'gt; Détecter les cibles. Sélectionnez les cibles qui sont fixées sur les moteurs du robot parallèle. Cliquez sur Accepter de prendre ces cibles comme référence de positionnement de l'ensemble du système.
    3. Dans la liste des entités, cliquez sur Cadre de base et sélectionnez Faire de ce cadre de référence l'origine.
      REMARQUE: Le but de l'étape 1.1 est de prendre Fb comme cadre de référence de l'ensemble du système. Le fichier de définition du cadre peut être obtenu sur le lien suivant : https://users.encs.concordia.ca/wfxie/Jove-program/P3.csf.gt;.
  2. Définition du modèle de suivi du cadre de la plate-forme de l'effecteur final
    1. Sélectionnez les modèles de suivi dans la zone de navigation. Cliquez sur Détecter le modèle, puis sélectionnez les cibles fixées sur la plate-forme d'effet final du robot parallèle. Cliquez sur Accepter.
    2. Cliquez sur le modèle de détection généré. Sélectionnez Up-Frame dans la liste déroulante de la offset Origin. Ensuite, cliquez sur Appliquer.
      REMARQUE : Cette étape consiste à configurer les relations fixes entre le cadre de la plate-forme de l'effecteur final FtP et les cibles fixées sur la plate-forme d'effet final.
    3. Cliquez sur le modèle File-Export-Tracking, et entrez un nom de fichier pour enregistrer le modèle de suivi.
  3. Définition du modèle de suivi du cadre d'outil
    1. Sélectionnez les modèles de suivi. Cliquez sur Détecter le modèle, puis sélectionnez les cibles fixées sur le cadre d'outil du robot de série. Cliquez sur Accepter.
    2. Cliquez sur le modèle de détection généré. Sélectionnez SerToolFrame dans la liste déroulante du décalage Origin. Cliquez sur Appliquer et enregistrer le modèle de suivi défini.

2. Préparation du système

REMARQUE : La disposition du système de contrôle du système CCM est indiquéeà la figure 2 .

figure-protocol-2
Figure 2. Mise en page du système. Deux ordinateurs (A et B) sont utilisés pour contrôler le système CCM. La communication entre eux se fait via RS232. L'ordinateur A contrôle l'état de rotation, le senor photogramtry et le robot de série. Ordinateur B contrôle le robot parallèle, moteurs et vannes, etc. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

  1. Préparation de l'étape de rotation
    1. Chargez l'interface de contrôle intégrée programmée par le langage de programmation piloté par événement sur l'ordinateur A.
      REMARQUE : L'interface de contrôle est indiquéedans la figure 3 . Le programme d'interface peut être obtenu sur le lien suivant : https://users.encs.concordia.ca/wfxie/Jove-program/pcdk-ctrack.rar.gt;.
    2. Cliquez sur Connectez-vous pour connecter le contrôleur de l'étape de rotation. Cliquez Sur Activer pour connecter le moteur de l'étape de rotation. Cliquez ensuite sur Accueil pour déplacer l'étape de rotation vers la position d'accueil.

figure-protocol-3
Figure 3. Interface de contrôle. Le logiciel de contrôle programmé par le langage de programmation événementielle. L'interface est composée de 6 sections : robot de série, robot parallèle, étape de rotation, importation de chemin, CMM optique et contrôle coopératif. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

  1. Préparation du robot en série
    1. Puissance sur le contrôleur du robot de série (voir la Table des Matériaux).
    2. Cliquez sur Connectez-vous sur l'interface de contrôle intégrée pour connecter le serveur robotisé.
  2. Préparation du CMM optique
    1. Puissance sur le contrôleur de l'optique CMM et attendre jusqu'à ce que l'écran du contrôleur montre Prêt.
    2. Cliquez sur Connectez-vous sur l'interface de contrôle intégrée pour connecter le CMM optique via l'interface de programmation d'applications (API).
    3. Importer les modèles construits dans la section 1, qui comprend le modèle Base, le modèle de plate-forme supérieure et le modèle End-effector du robot en série.
    4. Cliquez sur Ajouter la séquence. Ajouter la séquence relative entre les modèles si nécessaire. Cliquez ensuite sur Démarrer le suivi pour suivre la pose des modèles.
  3. Préparation du robot parallèle
    1. Puissance sur le contrôleur du robot parallèle.
    2. Chargez le programme SerialPort-Recevoir et sélectionnez Mode Normal.
      REMARQUE : Le programme SerialPort-Receive ne peut pas contrôler directement le robot parallèle. Il est utilisé pour recevoir les données à distance de l'ordinateur A via le port de communication en série. Le programme SerialPort-Receive peut être obtenu sur le lien suivant : 'lt;https://users.encs.concordia.ca/ 'wfxie/Jove'program/SerialPort'Receive.mdl.gt;.
    3. Chargez le programme ParaRemoteControl et sélectionnez Mode Externe. Cliquez ensuite sur Incremental Build pour vous connecter à la cible.
      REMARQUE : Le programme ParaRemoteControl est utilisé pour recevoir la pose souhaitée du programme SerialPort-Receive et contrôler le robot parallèle. Le programme ParaRemoteControl peut être obtenu sur le lien suivant : https://users.encs.concordia.ca/ wfxie/Jove-program/ParaRemoteControl.mdl.gt;.
    4. Cliquez sur Démarrer la simulation des deux programmes pour initialiser le contrôleur du robot parallèle.

3. Générer le chemin hors ligne

  1. Chargez l'interface de planification de chemin à travers le logiciel de calcul numérique (voir le tableau des matériaux).
    REMARQUE : L'interface est affichée dans la figure 4. L'interface de planification de chemin est le logiciel hors ligne pour générer le chemin pour le système et peut être obtenu au lien suivant : lt;https://users.encs.concordia.ca/wfxie/Jove-program/AFP-PathPlanning-Pcode.zip.gt;.

figure-protocol-4
Figure 4. Interface de planification des chemins. Le logiciel de planification des sentiers est composé de 3 sections : Zone visuelle, Zone de commandement et Boîte d'information. La section " Zone d'affichage " permet de traiter l'affichage 3D des pièces. La section "Zone de commandement" est d'effectuer les principales actions pour générer le chemin hors ligne. La section « Boîte d'information » affiche les informations sur l'état du programme. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

  1. Cliquez sur Import STL et choisissez le fichier de pièce. Ensuite, cliquez sur Segmentation.
    REMARQUE: La pièce est divisée en régions séparées (cylindres et jonctions de la partie en forme de Y). Les différentes régions sont affichées dans différentes couleurs.
  2. Cliquez sur Ajouter la région de travail et sélectionnez la région sur l'extraction des cylindres.
  3. Ajustez le curseur à 100% et cliquez sur Extrait Cylinders.
  4. Cliquez sur Ajouter la région de travail pour sélectionner la branche de départ du chemin.
  5. Cliquez sur Générer Le Chemin. Choisissez la troisième option : Angle de placement constant (CPA) dans la fenêtre de dialogue pop-up.
  6. Choisissez l'angle de placement souhaité 90 degrés dans la fenêtre de dialogue pop-up. Ensuite, choisissez le point rouge.
  7. Pour afficher le chemin généré, cliquez sur Sélectionnez un menu de déroulant Path. Ensuite, sélectionnez le chemin.
  8. Pour enregistrer ce chemin, cliquez sur Fichier 'gt; Enregistrer et entrer un nom de fichier.

4. Décomposition individuelle de la trajectoire du robot en série et de l'étape de rotation

  1. Exécuter la fonction Méthode-Jacobian dans le logiciel de calcul numérique (voir Tableau des matériaux).
    REMARQUE : La fonction méthodique jacobienne est utilisée pour décomposer le chemin généré à l'étape 3 en deux trajectoires individuelles pour le robot en série et l'étape de rotation.
  2. Sélectionnez le fichier de chemin souhaité (généré par l'interface de planification de chemin) et cliquez sur ouvert.
  3. Entrez le numéro de chemin souhaité.
  4. Le premier point de la trajectoire est alors calculé. Choisissez la configuration souhaitée pour que le manipulateur atteigne cette pose.
    REMARQUE : Lorsque l'étape 4.4 est terminée, un graphique montrant l'évolution des valeurs articulaires s'affiche. Un fichier contenant la trajectoire du robot en série et l'étape de rotation est généré.

5. Exécution du chemin hors ligne sans l'algorithme de modification de chemin

  1. Appuyez sur Sélectionnez sur le pendentif d'enseignement et choisissez le nom du fichier importé. Appuyez sur Entrez pour charger le fichier de chemin.
  2. Tournez le commutateur du contrôleur robot en mode Automatique. Tournez le pendentif d'enseignement ON/OFF en arrêt .
  3. Démarrage du cycle de presse du contrôleur du robot en série pour exécuter le chemin.
  4. Cliquez sur Cooperative Move situé au panneau de contrôle coopératif.
    REMARQUE : Le système exécutera le chemin hors ligne sans l'algorithme de modification de chemin en ligne. Si l'articulation atteint la singularité ou la condition de contrainte, le système s'arrêtera.

6. Exécution du chemin hors ligne avec l'algorithme de modification de chemin

  1. Répétez les étapes 5.1-5.3. Cliquez ensuite sur DPM Connect situé au panneau de contrôle coopératif de la figure 3 pour ajouter la capacité de modification du chemin en ligne pour le système.
  2. Cliquez sur Cooperative Move situé au panneau de contrôle coopératif.
    REMARQUE : Le système exécutera le chemin hors ligne avec l'algorithme de modification de chemin en ligne. Pendant l'exécution, les singularités et les contraintes des articulations sont surveillées par la mesure encodeur du robot en série. Le système peut passer en douceur les points de limitation de singularité ou de contrainte sans résiliation.

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Résultats

L'expérience vise à démontrer le processus de réalisation du mouvement de pose de la fibre sur le mandrel en forme de Y du système CCM proposé. Le processus se déroule en trois étapes : la génération de chemins; décomposition de la trajectoire; et la singularité et l'évitement des contraintes.

Génération de chemin
Normalement, l'orientation standard est utilisée dans l'industrie pour définir les différentes p...

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Discussion

Les résultats expérimentaux montrent le processus de fabrication des angles de placement de 90 degrés du système CCM conçu. Les méthodologies proposées dans ce document peuvent être utilisées pour poser la fibre avec des angles de placement de ply de 0 et 45 degrés sur le mandrel avec Y-Shape et d'autres formes. Alors que le contrôleur intégré du robot de série est capable de fournir la caractéristique d'évitement de singularité17, seul le mouvement linéaire de l'effecteur final est pris en charge...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

Ce projet a été financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (CRSNG) de la Chaire de recherche industrielle du Canada en fabrication automatisée de composites et le Fonds de recherche du Québec - Natrue et technologies (FRQNT).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AeroBasicAerotechLogiciel de contrôle de mouvement
Système collaboratif de fabrication de matériaux composites (CCM)Université ConcordiaUn système de CCM est proposé pour fabriquer des composants composites plus complexes qui posent une forte demande de planification de trajectoire que ceux du système AFP actuel. Le système se compose d’un robot série à 6 degrés de liberté (DOF) tenant la tête de placement de fibres, d’un robot parallèle REVOLUTE-sphérique-sphérique (RSS) à 6 degrés de liberté sur lequel un support de mandrin à 1 degré de liberté est installé et d’un capteur CMM optique œil à main, c’est-à-dire C-track, pour détecter les poses des effecteurs finaux du robot parallèle et du robot série.
C-trackCreaform Inc.Un capteur MMT optique œil à la main
Fanuc M-20iAFanuc Inc.Robot série
MatlabMathWorksUn logiciel de calcul numérique multi-paradigme
Quanser QuanserInc.Fournir les équipements de laboratoire d’ingénierie pour l’enseignement et la recherche.
VBMicrosoftVisual Basic
VxelementsCreaform Inc.Logiciel pour C-track

Références

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Mots-clés

Placement automatis de fibresplateau rotatifrobot parall lerobot s rieMMT optiqueplanification de trajectoirecorrection de posemandrin en forme de Ycommande coop rative

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