Pr. Patrick MARTIN MCf. Jean-Yves DANTAN MCf. Ali SIADAT

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1 Pr. Patrick MARTIN MCf. Jean-Yves DANTAN MCf. Ali SIADAT
IAEM ECOLE DOCTORALE Lorraine Intégration Produit / Process par les concepts d’activité et de caractéristiques clefs. Application au cas de l’allocation des tolérances. Alain ETIENNE Pr. Patrick MARTIN MCf. Jean-Yves DANTAN MCf. Ali SIADAT Sous la direction de PM C’est une synthèse et pas un bilan de mes travaux… 15 Octobre 2007 – CER ENSAM de Metz

2 Problématique

3 Processus de conception - Situation -
[CAVAILLES 1995] [NADEAU 2002] Qualification Vérification de l’adéquation avec le besoin spécifié Conception détaillée Définition complète à partir du concept retenu Expression du besoin Conception préliminaire Exploration des divers concepts de solution – Optimisation du concept retenu [CAVAILLES 1995] [FANCHON 1994] [AOUSSAT 1990] [AFAV 1994] [BNAE 1999] [PAHL 1996] Tolerance design Parametric design Solution [TROUSSIER 2006] Aller assez rapidement sur ce slide, Préciser le rôle du tolérance design : définir les tolérances afin de limiter les variations [HUBKA 1988] [ULLMAN 2003] [FANCHON 1994] [QUARANTE 1994] [SCARAVETTI 2004] Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

4 Intégration Produit / Process - Pourquoi ? -
Tolerance design Objectif : Définir les tolérances limitant les variations des pièces et du produit, inhérentes aux processus de fabrication afin de garantir les fonctionnalités de celui-ci. Minimisation du coût, Réduction du temps de conception, Amélioration de la qualité de fabrication, Implication du fabricant et des contraintes de fabrication dans le processus de conception amont, Amélioration de la communication entre les services. Dans le cadre de l’intégration produit/process […] les 5 BENEFICES Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

5 Intégration Produit / Process - Comment ? -
Conception préliminaire Fonctions, Structure,Forme Qualité géométrique Structure,Forme, Tolérances Estimation du Coût, fabricabilité Processus de tolérancement [DANTAN 2006] Préconception du processus de fabrication [FENG 2000] Fonctions, Structure,Forme Estimation du Coût, fabricabilité Conception détaillée Pas de flux de décision ! Produit Macro gamme de fabrication Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

6 Problématique de thèse
« Comment, de façon optimale, quantifier les bornes des domaines de validité des variations des paramètres clés Pièce/Produit afin de respecter les exigences définies par l’utilisateur tout en sélectionnant les processus de fabrication et les ressources associées dont les variations sont inhérentes ? » Explication que le vert et l’orange sont très liés Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

7 Sommaire Problématique
Définition de notre approche et des concepts associés Définition du concept de coût pondéré qualité, de caractéristiques clés, d’activités Application au cas de l’allocation des tolérances géométriques Application de notre démarche au cas de l’allocation des tolérances géométriques: Développements, exemple et résultats. Conclusions Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

8 Activity Based Tolerance Allocation
Notre démarche Activity Based Tolerance Allocation QUE NOUS AVONS DEVELOPPEE

9 Démarche ABTA – Modèle simplifié
Ressources Contraintes (Fonctionnelles, d’assemblage,…) Mécanisme complètement connu (caractéristiques quantifiées) Spécifications à quantifier Spécifications allouées optimales Optimiser l’allocation des tolérances Pré-Gammes Gamme de Fabrication Modèle du coût pondéré qualité KC Concept d’activité Connaissance métier Méthode et outils d’optimisation Méthode et outils de sélection du processus Méthode et outils d’analyse des tolérances Ce n’est pas un IDEF0 !!! Prend beaucoup plus de temps Synthétise la problématique de thèse, en rappelant que le flux 1 est fortement dépendant du flux 2 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

10 Le concept de Key Characteristics
Modèle du coût pondéré qualité KC Concept d’activité Optimiser l’allocation des tolérances Comment Expliciter et Structurer les variations ?

11 Caractéristiques clés - Définition -
« Une caractéristique est un paramètre ou une propriété d’une ou plusieurs entités du produit, ou d’une activité du processus, ou d’une ressource qui impacte le coût, la fiabilité, la qualité du produit lorsque celle-ci varie par rapport à la cible. » [THORNTON 1999][MARGUET 2001][DANTAN 2006] Caractéristique produit processus Fonctionnelle Structurelle Intrinsèque De situation Activité de fabrication Ressource est une est une caractéristique Pas besoin de décrire la taxinomie Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

12 Arborescences de caractéristiques
Caractéristiques Produit : Durée de vie, Déplacements (angulaire, linéaire), Précision, … Identification des caract é ristiques et des sp cifications fonctionnelles D finition de la structure du produit, … Analyse foncitonnelle Conception pr liminaire ristiques du produit et des besoins Analyse fonctionnelle du produit, Embrayer Tendre la courroie Syst è me de remont e automatique de poids d'horloge logement FS1 FC3 FC4 FC5 FC1,2 Horloge & poids nergie utilisateur KC 1 11 12 Flowdown Jeux fonctionnels, FR 1 PR 2 T 3 Condition Flowdown Tp Cp Precision and Assembly requirement , … Tolerance Manufacturing tolerance Caractéristiques Pièce : Dimensionnelle (diamètre, distances, angles), Matériau, Etat de surface, … 2 Caractéristiques Processus : Dispersions, Vitesse d’avance ou de coupe, … Contraint Conditions : Exigences (fonctionnelle ou d’assemblage), Tolérances, Contraintes, … dimensionnelles orientation, Conception d é taill e Identification des caract ristiques des pi è ces et de leurs tol rances, … D finition des formes des pi ces, KC 121 122 123 Dispersions et d ’ Les liens de DEPENDANCE entre KC (et causalité entre Conditions) peuvent être directs ou indirects Conception de la gamme de fabrication Identification des caract é ristiques du processus et de ses capabilit s D finition du processus de fabrication, … 2 KC 1211 1221 Dispersions de fabrication, Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

13 Comment évaluer la performance d’une solution ?
Le coût pondéré qualité Modèle du coût pondéré qualité KC Concept d’activité Optimiser l’allocation des tolérances Comment évaluer la performance d’une solution ?

14 Allocation des tolérances - Principe -
2 1 IT L 3 Comment transférer une exigence système en tolérances sur ses composants ? ? 2 1 IT L 1 2 IT L 2 IT L 2 KC Flowdown Condition Flowdown 2 3 IT L l 2 IT L Assemblage 3 A supprimer ou fusionner / Traduire =! Transfert Pi è ce 1 l 2 l 3 l Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

15 Indicateur de performance : Coût des tolérances ?
b Plusieurs expressions mathématiques Ti k i e × - = K T a + C ) ( Tolérance Coût C (T) Process1 Process2 Process3 [SUTHERLAND 1975] [SPOTTS 1973] [SPECKHART 1972] ai, bi, Ki = ??? Ne pas évaluer le coût des tolérances mais le coût impacté par celles-ci. Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

16 Le coût pondéré qualité - Définition -
Coût indirect dû à un ensemble de pièces satisfaisantes mais non assemblables Coût de production d’un produit satisfaisant Coût indirect de retraitement ... ) ( . + = able NonAssembl P C e NonConform Ok Coût M.O. recyclage production Avantages : Permet de prendre en considération deux critères d’optimisation : la qualité et le coût Limites : Nécessite de quantifier l’ensemble des paramètres (coût et probabilités), La robustesse n’a pas été vérifiée. Probabilité que le risque « pièce non-conforme » apparaisse Coût de retraitement des pièces non conformes Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

17 Le coût pondéré qualité - Besoins -
Est fabriquée Probabilités : que la pièce soit conforme, que le produit soit assemblable, que le produit soit fonctionnel. Coûts : - de Production, - de Retrait, - de Réassortiment. Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

18 Quelles sont les étapes de ce processus d’évaluation ?
Evaluation de la performance Modèle du coût pondéré qualité KC Concept d’activité Optimiser l’allocation des tolérances « Comment évaluer… » Quelles sont les étapes de ce processus d’évaluation ?

19 Intégration au concept de KC
CMO CRetrait CProduction A1 A2 A3 Ai Sélection / génération Synthèse descendante Gammes KC1211 KC1221 Dispersions de fabrication, … Identification Quantification A1 A2 A3 Ai Analyse Ascendante Coût Quantification Exigences d’assemblage, … Jeu fonctionnel, … P(conforme) P(assemblable) P(fonctionnel) Propagation et vérification KC12 PR1 PR2 Assemblage Dispersions dimensionnelles et d’orientation, … Pièce Tolérances, … KC121 KC122 KC123 T1 T2 T3 Pour faciliter la transition : insister que l’originalité de l’approche est le passage par les activités que l’on présente dans l’étape suivante. Tout est centralisé par le concept d’activités + manque une flèche (Part KC => Tolérances) Fabrication Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

20 Quel est le support de ce processus d’évaluation ?
Le concept d’activité Modèle du coût pondéré qualité KC Concept d’activité Optimiser l’allocation des tolérances Quel est le support de ce processus d’évaluation ?

21 Objectifs du processus de fabrication Sélection / génération Evaluer la performance d'une solution propagation des variations Identification et Activités => Montrer le rôle clef des activités dans notre démarche (le support commun de ses trois étapes majeures) => Expliciter leurs comportements informatiques Les deux objectifs de cette partie sont : => Préciser le concept, le formaliser => Expliciter son fonctionnement informatique Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

22 Activity Based Costing (ABC)
[MEVELLEC 1993] CONSOMMATION Produits Inducteur d’activité Inducteur de coût Inducteur de ressources Activités Consomment Ressources [MP] Décrire plus précisément les axes d’utilisation les pour et contre de cette approche… Outil de Gestion =! Pas de comptabilité ESTIMATION DU COÛT Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

23 ABTA – Enrichissements de l’ABC
 Sélection du Processus  Estimation des coûts  Analyse des variations ESTIMATION DES DISPERSIONS ) ( able NonAssembl P e NonConform Ok Génère Occurrence Performance Activités Produits Consomment Consomment Ressources ESTIMATION DU COÛT C MO Recyclage Production Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

24 Activités dans le formalisme ABTA
Plusieurs types d’activités : Production, Contrôle de Conformité, Assemblage, Retrait, Logistique, … Activité Produit entrant Produit sortant Ressources Exigences, Spécifications Variations et Probabilités Coût Produit final Brut Activité Gamme Ressources Exigences Probabilités Coût Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

25 Activité de Production
- Exemple - Activité d’usinage : Perçage Foret25 Machine41 Posage géométrique Spécification sur diamètre Dispersions d’usinage Capabilité 2.82€ Activité de production Ressources Exigences, Spécifications Coûts Caractéristiques Probabilités de respect des exigences et des spécifications Produit / Pièce à l’état j Produit / Pièce à l’état j + 1 A voir si possible de fusionner Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

26 Processus de fabrication - Extrait -
Spécification de perpendicularité IT=0.05 P(respect estimé)=0.66 Spécification dimensionnelle 10±0.02 P(respect estimé)=1 14 MO Outils de mesure Activité de contrôle de conformité localisation Activité de retrait Occur. = 15% 2 MO Convoyeur Discours plus coulé… => Traitement informatisé => Insister que je présente le comportement informatique de la classe activité 2P1b-2P2b-2P4b 2P1b-2P2b-2P4b Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

27 Application dédiée à l’allocation des tolérances géométriques
Du concept au logiciel

28 Allocation des tolérances géométriques
Hypothèses : Allocation des tolérances géométriques, Non prise en compte des outils spécifiques, Produits de morphologie hétérogène, Procédé limité à l’usinage, Volonté de ne pas générer de gammes, Objectifs : Valider et implémenter les deux étapes de l’ABTA dans le cas de l’usinage (Analyse et Synthèse). Préciser pourquoi on n’a pas voulu générer le processus de fabrication Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

29 Bilan : le rôle clef des activités
Sélection du processus Propagation par contrainte Système Expert Approche algorithmique Analyse des variations Approche par les l Approche par domaines Approche par analyse des graphes Calcul du coût Coût pondéré qualité Coût paramétriques Méthode ABC Activités Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

30 Optimiser l’allocation des tolérances
Les entrées  t2 M A Plusieurs spécifications géométriques à quantifier (localisation, dimensionnelles,…) Optimiser l’allocation des tolérances Une ou plusieurs prégammes, proposées par un gammiste Sous phase 10: Posage sur 2P1b, 2P2b, 2P4b Réaliser 2P3, 2T1 et 2T2 Machine 3Axes Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

31 Les contrôles Mécanisme complètement connu Produit simple et hyperstatique Ressources (outil et machine) et leurs lois statistiques de dispersion associées Plusieurs exigences fonctionnelles et de montabilité. Exemple : Battement angulaire du bras de robot (notée FR1) Optimiser l’allocation des tolérances Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

32 Optimiser l’allocation des tolérances
Les supports Optimiser l’allocation des tolérances L’analyse des variations repose sur le couple approche par l / simulation de MonteCarlo outil machine opération entité géométrique compatibilité La méthode d’optimisation retenue repose sur un algorithme génétique, où un gène = une tolérance Connaissances métier capitalisées, modélisant les habitudes de l’entreprise et des gammistes. + + Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

33 Formalisation des données & Connaissances métier
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34 Outil d’analyse de performance - Maquette logicielle -
Définition des besoins fonctionnels Définition des ressources, Cartes de Visite Paramètres des activités Préciser que ce sont deux maquettes qui ont été réalisées : l’une propose de calculer la performance d’une allocation et la seconde est une optimisation des tolérances avec une fonction objectif simple (). Affichage de la gamme résultante Décomposition des posages géométriques Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

35 Outil d’analyse de performance - Résultats -
Moins de 30 secondes pour évaluer le coût d’une allocation de tolérances et sélectionner les gammes associées (3) à partir d’une pré-gamme Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

36 Outil d’optimisation - Maquette logicielle -
Gestion des ressources Gestion des connaissances Optimisation des tolérances Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

37 Outil d’optimisation - Résultats -
Adaptation moyenne Adaptation de l’individu le plus adapté Coût pondéré Itérations de l’algorithme génétique ZOOMER Itérations de l’algorithme génétique Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

38 Analyse Fonctionnelle technique
Méthode Algorithme génétique Algorithme / PPC Monte Carlo l Coût pondéré - Outils retenus Estimation du Coût Analyse du produit Analyse Fonctionnelle technique Sélection du Processus Définition des spécifications et des pré-gamme(s) Optimisation de l’allocation des tolérances € Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

39 Bilan et Travaux futurs
Conclusions Bilan et Travaux futurs

40 Ordonnées dans un processus
Bilan conceptuel Caractéristiques Exigences Tolérances Ordonnées dans un processus Dispersions Coût KC Flowdown Connaissances Activités Produit Process [GAMA 1990] Ressources Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

41 Bilan de l’approche ABTA
Approche de quantification de certains paramètres de conception (tolérances) en explorant l’espace de solutions du processus de fabrication, Recherche du compromis qualité / coût, Intégration facilitée des outils de conception (du produit et du processus) dans la démarche par les activités, Implémentation et validation sur un cas d’étude, Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

42 Limites De l’approche : De l’outil :
Sa robustesse n’a pas été validée ni évaluée, Sa validation est limitée au cas de l’usinage Sa grande sensibilité aux données et connaissances capitalisées, Le risque de l’explosion combinatoire, De l’outil : Nombreuses limitations dues à la programmation et aux choix techniques opérés. Ces limites peuvent être surpassées. Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

43 Perspectives - Amélioration de l’outil -
Fusionner les deux maquettes de validation et terminer la programmation modulaire de l’approche, Mettre à disposition de la communauté un outil facilement adaptable Effectuer une génération de la gamme de fabrication, Supprimer la description des pré-gammes Proposer l’opérabilité de l’outil avec des logiciels métiers (Delmia, SmartTeam, outils de simulation, d’analyse des tolérances 3D…) Enrichir les types de relations de causalités entre les caractéristiques Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

44 Perspectives - Amélioration de la démarche -
Améliorer la portée de l’approche : Parametric design Tolerance design Usinage Process Control Design Fonderie Forge Electronique Optique … Préciser en quoi la méthode est transposable => aussi bien dans les cycles de vie que dans d’autres domaines (Ne plus se limiter aux défauts d’ordre 1) Intégrer l’approche dans une démarche d’optimisation multi-objectifs (MDO) Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

45 Des questions ? Merci pour votre attention !
Publications associées à la thèse : 5(+1) articles dont 2(+1) dans des revues internationales avec comité de relecture (CII, JMS, IJPR) Présentations associées à la thèse : 4 conférences effectuées dont 2 internationales (CIRP ICME et CAT) Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

46 Méthode d’optimisation - Comparaison -
Approche au pire des cas Approche par domaines (écarts et jeux) + coût pondéré t2 0.04 0.07 t3 0.033 0.05 t4 0.02 t5 0.09 t6 0.06 t7 0.03 t8 0.08 Coût 3.3 2.7 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

47 Optimisation - Algorithme génétique -
Basé sur le principe d’évolution darwinien : Seuls les individus d’une espèce les mieux adaptés à leur environnement survivent et peuvent transmettre leur patrimoine génétique… Dans notre cas d’utilisation : Un gène = une tolérance quantifiée, Un individu = le produit totalement spécifié, Adaptation = coût pondéré qualité Croisement des gènes par l’opérateur de Guo, Sélection des parents aléatoire, Remplacement ellitiste du plus mauvais individu, Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

48 Optimisation - Algorithme génétique
Start Initialisation des données et des paramètres propres au nouveau problème Générer les premiers individus : les gènes doivent appartenir au domaine d’évolution Pour chacun de ces individus de la population originelle, calculer leur adaptation Convergence ou nombre de générations défini atteint ? Affichage des résultats Sélectionner deux individus parents Générer un nouvel individus par croisement mutation des gènes des parents Le nouvel individu est il meilleur que le plus mauvais individus de la population Calculer l’adaptation du nouvel individu Ajouter le nouvel individu Sélectionner les processus permettant d’usiner les entités de la pièce Analyser le respect des tolérances fonctionnelles et déterminer les probabilités de défaillance par simulation de Monte Carlo Calculer le coût pondéré qualité du produit Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

49 Analyse des tolérances - Algorithme -
Déterminer la loi de probabilité des Entitéi paramètres descriptifs de l’assemblage considérant les processus de fabrication + Distribution statistique des paramètres dimensionnels de l’ Entité i = Tirer aléatoirement une valeur à chaque paramètres descriptif Évaluer l’aspect fonctionnel , la montabilité et le respect des tolérances Nb ( NonMontable ) Nb ( NonConforme ) Nb ( Ok ) + 1 + 1 + 1 Nb Tirage atteint ? Calculer P ( Non Montable ) , P ( Ok ) , P ( non - conforme ) Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

50 Analyse des tolérances - Exemple -
Process Plan Composition des déplacements : (1) = f(PA2) (2) = f(CF1, CF2, PA2, PA4, TR1) PA : Activité de Production TR : Activité de rotation de table CF : Activité de changement de posage Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

51 Méthode Cible Analyse du produit en 3D
PROPOSER UN INDICATEUR DE PERFORMANCE FLEXIBLE ET PERTINENT GENERALISER L’APPROCHE D’ANALYSE Analyse du produit en 3D Estimation du coût pondéré enrichi & robuste Analyse Fonctionnelle EVITER L’EXPLOSION COMBINATOIRE ET PROPOSER DES SOLUTIONS ORIGINALES Génération contrôlée du processus de fabrication Définition des spécifications LIMITER LA SAISIE DE CONNAISSANCES LIEE A LA FABRICATION € Optimisation discrète, flexible dont la convergence est assurée et rapide MINIMISER LE TEMPS DE CALCUL EN ASSURANT LA CONVERGENCE Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE

52     Tolérance de réglage
Elle n’est pas à l’heure actuelle prise en compte dans les maquettes logicielles, cependant l’approche ABTA reste compatible :  Elle nécessite l’ajout d’un paramètre liés aux ressources décrivant la loi suivie par leur dérive,  Pour l’estimation de la performance d’une activité de production, il est nécessaire d’utiliser un indicateur plus riche comme le Cpk,  L’analyse et l’estimation des variations par simulations de Monte Carlo restent compatibles, Produit / Pi è ce à l ’é tat j Activit é de r glage OM Cible xx € Limite la dérive des ressources tat j + 1 DERIVE des ressources de fabrication => un loi + le nombre d’utilisation de la ressource  Pour contrer les dérives des ressources, on peut créer une activité de réglage : Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE