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

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

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

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

4 avec une certaine autonomie… MECATRONIQUE Déploiement et exploration

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

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

7 de sources dénergie, de moyens de communication… Batteries NiCad Panneau solaire GaAs Modem MECATRONIQUE

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

9 dun équipement lui permettant dagir… Spectromètre déployable MECATRONIQUE Caméras optiques Station météo

10 dune informatique de contrôle-commande… MECATRONIQUE

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

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

13 Pluridisciplinarité de la conception Automatique Robotique Mécanique (et hydraulique, pneumatique…) InformatiqueElectronique Intégrationcomposants CFAO µC Mécatronique MECATRONIQUE

14 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 nest plus compatible avec ce quimposent les marchés actuels (qualité, coût, délais, miniaturisation et intégration, maintenance, recyclage, mondialisation…) nécessité dune nouvelle démarche de conception… MECATRONIQUE

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

16 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 dingénierie collaborative (co- développement du système mécanique, du hardware, du software et des interfaces par travail en réseau, mise en commun dune base de données techniques et dune maquette numérique, démarche de conception et outils de modélisation communs…) MECATRONIQUE

17 La démarche danalyse mécatronique « La démarche mécatronique est une approche de conception pluridisciplinaire basée sur lanalyse des systèmes, leur réalisation et leur contrôle » Plusieurs niveaux hiérarchiques danalyse du système: Niveau fonctionnel Niveau système ou réseau Niveau composant ou géométrique Plusieurs niveaux hiérarchiques danalyse 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. Remarque: les contraintes de conception peuvent être de nature fonctionnelles, structurelles, temporelles… MECATRONIQUE

18 Proposition de démarche pour la conception dun système mécatronique 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. 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. A ce jour, il ny 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… A ce jour, il ny 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: MECATRONIQUE

19 2 - Niveau système : Définir les relations entre les différentes fonctions mécatroniques. Cest le « mapping » du système. les flux dinformations les flux dénergie les liens structurels (géométrie, positionnement, assemblages…) les liens temporels, causalité… 2 - Niveau système : Définir les relations entre les différentes fonctions mécatroniques. Cest le « mapping » du système. les flux dinformations les flux dénergie les liens structurels (géométrie, positionnement, assemblages…) les liens temporels, causalité… Démarche mécatronique : suite… 3 - Niveau composants : Pour chaque fonction mécatronique identifiée, définir le mécanisme agissant, la motorisation, les capteurs, lélectronique de commande, lélectronique 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. 3 - Niveau composants : Pour chaque fonction mécatronique identifiée, définir le mécanisme agissant, la motorisation, les capteurs, lélectronique de commande, lélectronique 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. MECATRONIQUE

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

21 Exemple de composant mécatronique intégré: DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder MECATRONIQUE 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 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 MECATRONIQUE Lève-vitre électrique

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

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

25 Lecteur de CD audio (version baladeur) MECATRONIQUE FSU1: Restituer le son mémorisé sur un CD (Fonction de Service dUsage) 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 lintensité 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 léjection du CD FSA3: Permettre la gestion du lecteur (IHM: afficheur et clavier) (Fonction de Service dAdaptation) FSA4: Etre protégé de lenvironnement (humidité, température…) FSA5: Ne pas dégrader lenvironnement (faisceau laser, bruit…) FSA6: Etre alimenter en énergie électrique (sur batterie, autonomie…) FSU1: Restituer le son mémorisé sur un CD (Fonction de Service dUsage) 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 lintensité 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 léjection du CD FSA3: Permettre la gestion du lecteur (IHM: afficheur et clavier) (Fonction de Service dAdaptation) FSA4: Etre protégé de lenvironnement (humidité, température…) FSA5: Ne pas dégrader lenvironnement (faisceau laser, bruit…) FSA6: Etre alimenter en énergie électrique (sur batterie, autonomie…) Graphe des interacteurs (APTE ® ) Graphe des interacteurs (APTE ® ) COMPACT DIGITAL AUDIO EnergieEnvironnement FSU1 FSU2 FSA5 FSA4 FSA3 FSA6 Lecteur de CD audio Utilisateur

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

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

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

29 …et des remarques en guise de conclusion MECATRONIQUE C2 La compréhension de la complexité dun 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 dintégrer ce que lon entend par ingénierie concourante et ingénierie collaborative. Au delà des outils classiques danalyse des systèmes (SADT, APTE, FAST, GRAFCET…), il convient également denvisager des outils plus adaptés à létude des systèmes mécatroniques à base de langages informatiques orientés objets et base de données (UML…). Cependant, ceux-ci ne sont pour linstant que très peu employés. Enfin, il ne sagit pas de plaquer de lélectronique et de linformatique sur un mécanisme existant; une reconception complète du système est impérative afin doptimiser lintégration des différentes technologies. La compréhension de la complexité dun 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 dintégrer ce que lon entend par ingénierie concourante et ingénierie collaborative. Au delà des outils classiques danalyse des systèmes (SADT, APTE, FAST, GRAFCET…), il convient également denvisager des outils plus adaptés à létude des systèmes mécatroniques à base de langages informatiques orientés objets et base de données (UML…). Cependant, ceux-ci ne sont pour linstant que très peu employés. Enfin, il ne sagit pas de plaquer de lélectronique et de linformatique sur un mécanisme existant; une reconception complète du système est impérative afin doptimiser lintégration des différentes technologies.


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