Mécatronique : une nouvelle démarche pour la conception des systèmes

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1 Mécatronique : une nouvelle démarche pour la conception des systèmes
MECATRONIQUE Mécatronique : une nouvelle démarche pour la conception des systèmes Jean-Yves CHOLEY SUPMECA – Institut Supérieur de la Mécanique de Paris

2 Un système mécatronique doit pouvoir assurer une fonction…
MECATRONIQUE Un système mécatronique doit pouvoir assurer une fonction… Rover Sojourner Lanceur Delta 2 Misson Pathfinder-Sojourner, NASA 1997

3 dans un environnement et sous des contraintes donnés…
MECATRONIQUE dans un environnement et sous des contraintes donnés… Lancement Rentrée atmosphérique Freinage Atterrissage

4 avec une certaine autonomie…
MECATRONIQUE avec une certaine autonomie… Déploiement et exploration

5 à l’aide de mécanismes…
MECATRONIQUE à l’aide de mécanismes… Motorisation MAXON CC Bogie avant Mobilité Roues arrières plié Dispositifs de déploiement

6 d’une électronique de gestion du système…
MECATRONIQUE d’une électronique de gestion du système… Electronique du Rover (80C85) Electronique du Lander (processeur RAD6000, dérivé du PowerPC)

7 de sources d’énergie, de moyens de communication…
MECATRONIQUE de sources d’énergie, de moyens de communication… Batteries NiCad Panneau solaire GaAs Modem

8 Dispositif Laser Anti-collision
MECATRONIQUE de moyens de contrôle… Caméra CCD Dispositif Laser Anti-collision

9 d’un équipement lui permettant d’agir…
MECATRONIQUE d’un équipement lui permettant d’agir… Caméras optiques Spectromètre déployable Station météo

10 d’une informatique de contrôle-commande…
MECATRONIQUE d’une informatique de contrôle-commande…

11 …et avoir un design évolutif.
MECATRONIQUE …et avoir un design évolutif. Mars kg Mars kg Mars kg  systèmes pluritechnologiques  pluridisciplinarité !

12 MECATRONIQUE Contexte historique Avant 1950, les machines sont des ensembles électromécaniques. Les années 50 voient l’apparition des semi-conducteurs. L’électronique est née. Dans les années 60-70, l’apparition de calculateurs fiables permet le contrôle des machines par logiciel. µP 4004 INTEL En 1969, invention du mot MECATRONIQUE (MECHATRONIC) par un ingénieur japonais (Yaskawa Electric Corporation). Plus récemment, le développement des microcontrôleurs à haute intégration et des mémoires Flash ainsi que l’usage de langages de programmation évolués permettent la conception de commandes très performantes avec des délais très courts.

13 Pluridisciplinarité de la conception
MECATRONIQUE Pluridisciplinarité de la conception Automatique Robotique Mécanique (et hydraulique, pneumatique…) Informatique Electronique Intégration composants CFAO µC Mécatronique

14 Ancienne démarche de conception: 2 principes de décomposition
MECATRONIQUE Ancienne démarche de conception: 2 principes de décomposition Décomposition séquentielle du cycle de vie du produit (conception, fabrication, commercial…) Découpage du produit en sous-systèmes « métiers » (mécanismes, motorisations, capteurs, énergie, commande…) Cette démarche n’est plus compatible avec ce qu’imposent les marchés actuels (qualité, coût, délais, miniaturisation et intégration, maintenance, recyclage, mondialisation…)  nécessité d’une nouvelle démarche de conception…

15 Modélisation globale « classique » des systèmes automatisés
MECATRONIQUE Modélisation globale « classique » des systèmes automatisés PC (partie commande) PO opérative) Microprocesseur mémoire, API… Actionneurs Effecteurs PREACTIONNEURS CAPTEURS Electronique de puissance Interface Homme Machine (IHM) Ce découpage n’est pas conseillé pour l’étude globale des systèmes mécatroniques car il sépare les métiers de la mécanique et les métiers du contrôle-commande (électronique, électromécanique et informatique).  nécessité d’une nouvelle modélisation des systèmes…

16 Nouvelle démarche de conception: 2 approches complémentaires
MECATRONIQUE Nouvelle démarche de conception: 2 approches complémentaires Ingénierie concourante ou simultanée: Conception produit (BE) Conception process (BM) Fabrication Commercialisation Approche mécatronique ou système: Conception de fonctions couplées par intégration des aspects mécanique, électronique et informatique. Cette pluridisciplinarité impose de concevoir selon le concept d’ingénierie collaborative (co-développement du système mécanique, du hardware, du software et des interfaces par travail en réseau, mise en commun d’une base de données techniques et d’une maquette numérique, démarche de conception et outils de modélisation communs…)

17 La démarche d’analyse mécatronique
MECATRONIQUE La démarche d’analyse mécatronique « La démarche mécatronique est une approche de conception pluridisciplinaire basée sur l’analyse des systèmes, leur réalisation et leur contrôle » Remarque: les contraintes de conception peuvent être de nature fonctionnelles, structurelles, temporelles… Plusieurs niveaux hiérarchiques d’analyse du système: Niveau fonctionnel Niveau système ou réseau Niveau composant ou géométrique Il est essentiel de partir de la fonctionnalité demandée, le choix des technologies, des capteurs et des actionneurs ne pouvant être que du second ordre.

18 Proposition de démarche pour la conception d’un système mécatronique
MECATRONIQUE Proposition de démarche pour la conception d’un système mécatronique A ce jour, il n’y a pas de théorie unifiée de la mécatronique. Dans le domaine des outils de modélisation et de simulation, tout ou presque reste à faire, que ce soit pour la modélisation fonctionnelle, structurelle ou temporelle. Les tendances actuelles sont les modélisations basées sur les graphes, les langages informatiques orientés objets (UML…). Quelques outils informatiques cependant utilisables : Matlab-Simulink, AMEsim… Nous proposons la démarche suivante: 1 - Niveau fonctionnel : Conduire une analyse fonctionnelle complète du système: Définir la fonction globale du système. Etablir le graphe des interacteurs. Etablir la liste des fonctions mécatroniques du système.

19 Démarche mécatronique : suite…
MECATRONIQUE Démarche mécatronique : suite… 2 - Niveau système : Définir les relations entre les différentes fonctions mécatroniques. C’est le « mapping » du système. les flux d’informations les flux d’énergie les liens structurels (géométrie, positionnement, assemblages…) les liens temporels, causalité… 3 - Niveau composants : Pour chaque fonction mécatronique identifiée, définir le mécanisme agissant, la motorisation, les capteurs, l’électronique de commande, l’électronique de puissance et la stratégie de contrôle-commande informatique . Pour chaque fonction mécatronique, on choisira les technologies les plus adaptées fonctionnellement et économiquement parmi un choix de solutions mécaniques, électroniques et / ou informatiques.

20 Structure d’un système mécatronique
MECATRONIQUE Structure d’un système mécatronique Fonction mécatronique Electronique Actionneur Capteurs Informatique Mécanique Plug & Work ! Ensemble des autres fonctions mécatroniques constituant le système BUS INFORMATIONS TEMPS REEL… INTERACTIONS GEOMETRIQUES & STRUCTURELS, MECANIQUES… BUS ENERGIE…

21 MECATRONIQUE Exemple de composant mécatronique intégré: DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder Microcontrôleur 16 bits intégré H8S2134 Hitachi Interface I/O RS-422 et RS-232 Codage incrémental de position avec technologie magnéto-résistive (précision 1µm) 2 capteurs de fin de course Capteur de force (jauge de contrainte) Mécanisme de conversion du mouvement selon brevet DLR (planetary roller screw) Développe un effort de 1000 N Vitesse maximale 16 mm/s Course de 50 mm Longueur 104 mm Masse 735 g

22 Lève-vitre électrique
MECATRONIQUE Lève-vitre électrique

23 Système mécatronique grand public : le lecteur de CD audio
MECATRONIQUE Système mécatronique grand public : le lecteur de CD audio COMPACT DIGITAL AUDIO 0000 00000 1

24 Lecteur de CD audio (baladeur) Fonction globale
MECATRONIQUE Lecteur de CD audio (baladeur) Fonction globale COMPACT DIGITAL AUDIO Fonction globale: restituer le son mémorisé sur un CD audio. Restituer le son CD audio Son Lecteur-baladeur Informations Commandes Energie Remarque: Terminologie adaptée à l’analyse de la valeur: norme NFX Définition (norme NFX ) du Cahier des Charges fonctionnel.

25 Lecteur de CD audio (version baladeur)
MECATRONIQUE Lecteur de CD audio (version baladeur) Graphe des interacteurs (APTE®) Energie Environnement FSU1 FSU2 FSA5 FSA4 FSA3 FSA6 Lecteur de CD audio Utilisateur COMPACT DIGITAL AUDIO FSU1: Restituer le son mémorisé sur un CD (Fonction de Service d’Usage) FSU11: Lire la piste hélicoïdale FSU111: Faire défiler la piste sous la tête de lecture FSU1111: Mettre le disque en rotation FSU11111: Maintenir constante la vitesse de défilement FSU1112: Déplacer la tête de lecture radialement afin de suivre la piste FSU112: Emettre un faisceau de lumière cohérente (laser) FSU1121: Réguler l’intensité lumineuse FSU1122: Focaliser sur la surface du disque (verticalement) FSU1123: Centrer le faisceau sur la piste (radialement) FSU113: Capter le signal lumineux réfléchi FSU12: Transformer le signal lumineux reçu en son analogique FSU121: Décoder FSU122: Corriger FSU123: Convertir FSU124: Amplifier FSU2: Permettre la mise en place et l’éjection du CD FSA3: Permettre la gestion du lecteur (IHM: afficheur et clavier) (Fonction de Service d’Adaptation) FSA4: Etre protégé de l’environnement (humidité, température…) FSA5: Ne pas dégrader l’environnement (faisceau laser, bruit…) FSA6: Etre alimenter en énergie électrique (sur batterie, autonomie…)

26 MECATRONIQUE Lecteur de CD: Analyse descendante System Analysis Design Technic (SADT®) COMPACT DIGITAL AUDIO Chaque fonction peut à son tour faire l’objet d’une analyse (zoom)

27 MECATRONIQUE Autre outil d’analyse: le diagramme FAST® (Function Analysis System Technic) DIAGRAMME FAST D’UN PILOTE AUTOMATIQUE DE BATEAU Prendre appui dans le cockpit guider la vis en rotation Suspension à cardan Liaison pivot Transformer l’énergie élec. en énergie méca. lier la vis à la sortie du réducteur Moteur électrique encastrement Agir sur la barre Communiquer une énergie méca à la barre Adapter l’énergie méca de rotation transformer le mouvement Vérin électrique à vis Réducteur à engrenages Liaison hélicoïdale Transformer l’énergie méca lier l’écrou à la tige du vérin Mécanisme vis-écrou encastrement Transmettre l’énergie méca à la barre guider la tige du vérin Tête d’homme Liaison glissière

28 La mécatronique au quotidien: des exemples…
MECATRONIQUE La mécatronique au quotidien: des exemples… Aéronautique: commandes de vol et actionneurs électriques… Grand public (Loisirs, électroménager…) Automobile: aides à la conduite, sécurité active, accessoires… Ferroviaire: bogies intelligents (suspension, inclinaison de caisse, essieu radiant, freinage…) Industrie (robotique…)

29 …et des remarques en guise de conclusion
MECATRONIQUE C2 …et des remarques en guise de conclusion La compréhension de la complexité d’un système mécatronique ne peut être envisagée que si les acteurs ont des connaissances de base communes en: mécanique (cinématique, dynamique, technologie, hydraulique…) électronique (microcontrôleur, composants numériques et analogiques…) informatique (algorithmique, langages orientés objets…) Il est également nécessaire d’intégrer ce que l’on entend par ingénierie concourante et ingénierie collaborative. Au delà des outils classiques d’analyse des systèmes (SADT, APTE, FAST, GRAFCET…), il convient également d’envisager des outils plus adaptés à l’étude des systèmes mécatroniques à base de langages informatiques orientés objets et base de données (UML…). Cependant, ceux-ci ne sont pour l’instant que très peu employés. Enfin, il ne s’agit pas de plaquer de l’électronique et de l’informatique sur un mécanisme existant; une reconception complète du système est impérative afin d’optimiser l’intégration des différentes technologies.