S.I.I. ET DEMARCHE DE CONCEPTION

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1 S.I.I. ET DEMARCHE DE CONCEPTION
L’environnement numérique au service de l’analyse et la conception des systèmes industriels Jean Marie Reynaud - Lycée Chevrollier Angers Luc Launay - IA-IPR Académie de Nantes

2 Le contexte du professeur
En référence aux textes du programme … L’enseignement des S.I.I. en P.T.S.I. et P.T. s’intéresse aux outils et méthodes d’analyse et de conception, au comportement et à la réalisation de systèmes industriels pluritechniques… répondant à un besoin exprimé.

3 Le contexte de la démarche
Faire juste du premier coup ! Contexte CONC-IND-PROD Contraintes : suite d ’étapes Seul ce qui va poser problème doit être regardé Résultat : « le produit »

4 Organiser un enchaînement d ’étapes dédiées
L’enjeu de la démarche Rendre utile chaque étape CONC-IND-PROD Contraintes Organiser un enchaînement d ’étapes dédiées

5 Adapter l ’exigence au degré de progression du projet
L’enjeu de la démarche Le juste nécessaire à chaque étape CONC-IND-PROD Contraintes Adapter l ’exigence au degré de progression du projet

6 L’enjeu de la démarche En résumé …
Le souci constant de l’ingénieur est donc de conduire son étude à un résultat maîtrisé, adapté en terme de finesse d’investigation. L’aptitude de l’ingénieur doit être grande en terme : d’innovation ; de complexité ; d’écarts ; de compromis.

7 Optimiser la conception d’un système
« La réunion de sous-ensembles optimaux ne constitue pas un ensemble optimal » (Théorème de Bellmann)

8 Une démarche générale en S.I.I.
Proposition pédagogique Authentique Problématique Industrielle 1 Cahier des Charges Fonctionnel, … 3 Modélisation 4 Simulation / Calcul / Expérimentation 5 Interprétation des écarts 6 Support Industriel 2 Support Industriel 2 Validation 7 Contemporain

9 Proposition pédagogique
Le support industriel L'actualité du support industriel conditionne la réalité du problème technique proposé : bonne connaissance du système, des évolutions et modifications techniques qui ont déterminé les choix constructifs au sein du support ; CdCF élément essentiel de la dimension industrielle.

10 Une démarche générale en S.I.I.
Proposition pédagogique Authentique Situation problème industrielle 1 Problématique Industrielle 1 Cahier des Charges Fonctionnel, … 3 Modélisation 4 Simulation / Calcul / Expérimentation 5 Interprétation des écarts 6 Support Industriel 2 Validation 7 Contemporain

11 Proposition pédagogique
La situation problème Le support industriel est exploité pédagogiquement au travers d’une situation problème. Un questionnement ou une problématique qui garantit l’authenticité du problème technique ; la légitimité de l’étude : la vraisemblance des résultats obtenus. L’étudiant apprécie alors naturellement, l’intérêt de la démarche suivie et l’utilité des outils qui lui sont enseignés.

12 La démarche générale en S.I.I.
Proposition pédagogique Authentique Problématique Industrielle 1 Cahier des Charges Fonctionnel, … 3 Cahier des Charges Fonctionnel, … 3 Modélisation 4 Simulation / Calcul / Expérimentation 5 Interprétation des écarts 6 Support Industriel 2 Validation 7 Contemporain

13 Ne pas inventer le fonctionnel Analyse Fonctionnelle en S.I.I.
dérives à proscrire Ne pas inventer le fonctionnel

14 La démarche générale en S.I.I.
Proposition pédagogique Authentique Problématique Industrielle 1 Cahier des Charges Fonctionnel, … 3 Modélisation 4 Modélisation 4 Simulation / Calcul / Expérimentation 5 Interprétation des écarts 6 Support Industriel 2 Validation 7 Contemporain

15 Proposition pédagogique
La modélisation La modélisation, représentation simplifiée et non simpliste de la réalité, autorise les investigations théoriques au regard du point de vue retenu et de la problématique industrielle posée. Considérer avec prudence, les modélisations « automatiques » proposées par certains logiciels, dans la mesure ou l’objectif de l’étude et le point de vue sont ignorés.

16 Cahier des charges fonctionnel
Système de soudage par friction inertielle MTI 480 Cahier des charges fonctionnel Moteur SNECMA GE 90 équipant les Boeing B777 Énergie de soudage (proportionnelle à la surface à souder) = 110 J mm-2 Pression de soudage = 360 MPa Vitesse circonférentielle = 100 m min-1 N = 150 tr/min F = 3,6 106 N I = kg.m2

17 Système de soudage par friction inertielle MTI 480
Schéma hydraulique Circuit de mise en accélération Circuit d’alimentation du vérin de poussée Chariot Coulisseau Vérin de poussée Ciseaux Vis Ecrou Volants d'inertie Broche tr min-1 pression p vitesse N déplacement x

18 La démarche générale en S.I.I.
Proposition pédagogique Authentique Problématique Industrielle 1 Cahier des Charges Fonctionnel, … 3 Modélisation 4 Simulation / Calcul / Expérimentation 5 Calcul / Simulation / Expérimentation 5 Interprétation des écarts 6 Support Industriel 2 Validation 7 Contemporain

19 Proposition pédagogique
3 activités essentielles 1) Le modèle de connaissance établi sera confronté avec intérêt aux résultats observés dans le cadre des TP, afin de développer une culture des ordres de grandeur. 2) L’exploitation numérique itérative, servie par la robustesse de la maquette, permettra de : visualiser l’influence relative des différents paramètres, d’étudier une configuration particulière, d’optimiser, de rechercher une situation critique, et dans le cadre d’une confrontation avec les TP d’effectuer un recalage des modèles.  

20 Proposition pédagogique
3 activités essentielles 3) Les travaux pratiques, la manipulation et l’observation permettront de construire des modèles et d’identifier les termes caractéristiques associés à des comportements. L’environnement numérique n’apparaît plus comme une boîte d’outils sophistiqués, mais comme un vecteur d’apprentissage essentiel. Dans ce cadre, plus de virtuel ne peut engager qu’à mieux appréhender le réel.

21 En phase d ’utilisation
Analyse fonctionnelle externe Diagramme des inter-acteurs En phase d ’utilisation FP1 : Déplacer et orienter une pièce FC1 : Se fixer au support FC2 : permettre la commande manuelle FC3 : permettre la commande par programmation FC4 : utiliser l'énergie disponible dans un atelier FC5 : ne pas perturber.

22 Analyse fonctionnelle externe
Caractérisation des fonctions

23 Schéma cinématique spatial du robot
Solutions envisageables : Combinaison de rotations Combinaison de translations Le schéma cinématique minimal du robot ERICC 3 montre que c ’est un robot vertébral cinq axes équipé de pinces. On donne quelques caractéristiques globales. Combinaison de rotations et translations

24 Performances de l ’axe de lacet
Course 270° : Vitesse maxi : 90°. s-1 Accélération maxi : 324 °.s-2 Temps d ’accélération mini : 355 ms ZONE DE L ’ETUDE Nous focaliserons notre attention sur la conception de la partie opérative de l ’axe de lacet, c ’est à dire sur la définition de l ’entraînement de la chaise par rapport au socle.

25 Analyse fonctionnelle interne
FAST FT1 : Tourner la chaise 1 par rapport au socle 0 Solutions associées Transformer l’énergie électrique en énergie mécanique Moteur à courant continu Réduire la vitesse de rotation et augmenter le couple Réducteur standard Adapter et transmettre intégralement le mouvement Poulies-courroie synchrone Il existe une logique de création ou de conception qui se matérialise à partir de l ’analyse fonctionnelle, maintenant normalisée, à l ’aide de différents outils que sont le Cahier des Charges Fonctionnel, le FAST, etc. Notre propos, aujourd’hui, n ’est pas de disserter sur tout ce qui intervient en amont du tracé d ’une maquette numérique à l ’aide de l ’outil CAO. En conséquence notre analyse fonctionnelle est outrageusement simplifiée voire caricaturale. Le Fast ici décrit sommairement les fonctions techniques et les solutions globales associées choisies après une analyse fonctionnelle. Guider les mouvements Liaisons pivot Capter la position de la chaise par rapport au socle Capteur inductif TOR et codeur incrémental Capter la vitesse de la chaise par rapport au socle Génératrice tachymétrique Asservir la position, la vitesse et l ’accélération Carte de commande...

26 Recherche d ’une solution cinématique
Moto-réducteur lié au socle

27 Recherche d ’une solution cinématique
Moto-réducteur lié à la chaise

28 Recherche d ’une solution cinématique

29 Recherche d ’une solution cinématique
Choix d ’une solution

30 A - Rechercher et choisir une solution
Recherche d ’une solution cinématique Solution retenue A - Rechercher et choisir une solution

31 Influence de la densité matériau
Pré-dimensionnement Essai avec inertie estimée Influence de la densité matériau B - Pré-dimensionner des composants

32 Pré-dimensionnement Essai avec inertie estimée

33 Pré-dimensionnement Moteur à courant continu D’après document PAVEX
Calculs complémentaires

34 Pré-dimensionnement Moteur à courant continu D’après document PARVEX
Calculs complémentaires Le couple nécessaire en entraînement direct est de 17 Nm pour un bras en acier Soit une puissance maximale de 26 W à l'instant où la vitesse de rotation atteint 90°. s-1.

35 Pré-dimensionnement Réducteur harmonic Drive
« Sous carter » D’après document GAMMATIC Vitesse maximale d’entrée (lubrification à la graisse) : 5000 tr/min

36 La transmission poulie-courroie doit avoir une réduction de 3,3
Pré-dimensionnement Poulies courroie synchrones La transmission poulie-courroie doit avoir une réduction de 3,3

37 Pré-dimensionnement Limites d ’utilisation d ’un moteur CC
Zone de fonctionnement intermittent Zone de fonctionnement permanent

38 Pré-dimensionnement Limites d ’utilisation d ’un moteur
Le moteur s'échauffe à cause des pertes par effet joule La puissance moyenne sur un cycle est : Avec le couple thermique équivalent

39 Pré-dimensionnement Vérification moteur

40 Pré-dimensionnement Vérification moteur

41 Pré-dimensionnement Moto-réducteur de lacet Bride Boîtier excentrique
Poulie motrice Roulement Moteur Parvex Arbre moteur Rondelle d ’adaptation Réducteur Harmonic Drive Circlips L ’ensemble motoréducteur est donné. Son éclaté précise sa constitution. En particulier le boîtier excentrique permet le réglage manuel de la tension de la courroie à l ’aide d ’une broche puis le boîtier est immobilisé par la bride sur la chaise.

42 Pré-dimensionnement Poulie réceptrice

43 Pré-dimensionnement Éléments pré-dimensionnés

44 Ces schémas peuvent bien sur être tracés à main levée
Recherche d ’une solution constructive Schémas technologiques Ces schémas peuvent bien sur être tracés à main levée Au fil de la réflexion, et en se posant les bonnes questions : quels roulements choisir ? montage en X ou en O, quelles bagues monter serrées ? dans quel ordre effectuer le montage des différentes pièces ? etc; l’analyse fonctionnelle se concrétise par diverses solutions et dispositions constructives schématisées. Il faut les analyser et les évaluer à la lumière du CdCF. Puis il faut faire un choix. Nous pensons que l’ultime étape avant de se placer sous SW est, sans doute, au moins un schéma technologique ou de construction de ce que l ’on veut représenter. Ce schéma contient l ’idée d ’une construction modulaire : -s-e 1 : boîtier + arbre + roulements (liaison pivot du lacet)+poulie fixe ; ce sous-ensemble est relié au socle et à la chaise. -s-e 2 : motoréducteur lié complètement à la chaise. Ces sous-ensembles seront éventuellement adaptables aux autres axes du robot moyennant quelques modifications. C - Rendre possible la comparaison entre différentes solutions techniques à une même fonction technique

45 Schéma technologique, croquis à main levée ; …
Démarche de modélisation 3D d’un ensemble Du principe de solution optimisée au squelette volumique fonctionnel Schéma technologique, croquis à main levée ; … Etape 3 Squelette volumique fonctionnel Etape 1 Mise en place des éléments connus ou Etape 2 Esquisses contraintes (contours 2D) Squelette volumique fonctionnel optimisé éléments standards pièces ou sous-ensembles existants Etape 4 Simulations numérique conception reconception

46 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
Esquisse de conception à main levée Dans une deuxième étape il s ’agit de tracer les esquisses des différentes pièces à concevoir en s ’appuyant sur les éléments donnés Bien sûr pour tracer ces esquisses il faut savoir, comme sur la table à dessin, ce que nous voulons représenter. Selon les cas nous partirons soit d’un dessin à main levée ou soit directement du schéma technologique. Sur ces esquisses n ’apparaîtront que les traits représentatifs des surfaces fonctionnelles des liaisons et des surfaces limites de la matière des pièces (sans aucune préoccupation du procédé d ’obtention). Les esquisses seront aussi contraintes que possible afin d ’obtenir un modèle robuste qui permettra ultérieurement les modifications. D  ’aucuns pensent que la représentation 2D est morte, pas complètement car il faut toutefois être capable de dessiner à l ’écran voire à main levée l ’esquisse de l ’ensemble à concevoir. Mais à terme la mise en plan traditionnelle disparaîtra D - Proposer une solution constructive

47 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
La conception hors assemblage

48 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
La conception dans l’assemblage

49 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
Combinaison des modes ascendant et descendant

50 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
Modélisation d ’une pièce isolée Dessin à main levée Esquisse sur logiciel 3D Résultats

51 E - Mettre en place les éléments donnés
Démarche de modélisation 3D d’un ensemble Modélisation dans l ’assemblage E - Mettre en place les éléments donnés

52 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

53 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

54 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

55 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

56 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

57 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

58 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

59 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

60 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

61 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

62 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

63 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

64 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

65 F - Tracer le squelette volumique fonctionnel
Démarche de modélisation 3D d’un ensemble F - Tracer le squelette volumique fonctionnel

66 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
Il est possible de tracer l ’ensemble des esquisses sans générer de volume mais la lecture du résultat est difficile. La compréhension est aisée si on génère les volumes dès que c’est possible. Dans tous les cas, les esquisses doivent être complètement contraintes. La robustesse de la maquette numérique est améliorée si les contraintes sont placées entre entités de construction (esquisses, axes…).

67 G - Vérifier les performances et le dimensionnement des composants
Démarche de modélisation 3D d’un ensemble Simulation Si l ’assemblage a été structuré en sous ensembles cinématiquement équivalents, alors le ré-assemblage pour faire une simulation mécanique est simple et rapide G - Vérifier les performances et le dimensionnement des composants

68 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble Simulation
La modélisation peut être faite en utilisant les liaisons cinématique minimales si on ne s ’intéresse qu ’à la transmission de puissance

69 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble Simulation
On choisira une modélisation plus détaillée si l ’on souhaite en plus calculer les charges dans les roulements... Attention : modélisation hyperstatique. Il faut rendre la solution isostatique ou imposer une inconnue pour rendre le calcul possible. L ’utilisation d ’une méthode appropriée est alors nécessaire pour trouver les charges axiales dans les roulements

70 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
Simulation

71 Démarche de modélisation d ’une pièce
Relation produit-procédé-matériau Squelette volumique fonctionnel Pièce finie Procédé de fabrication et modules métiers Etape 1 Volume matière fonctionnel de base Etape 2 Pièce fonctionnelle optimisée Etape 3 Formes du brut Modules calculs Deuxième grande phase de l ’avant-projet :La démarche de modélisation d ’une pièce ou comment passer du squelette volumique fonctionnel à la pièce finie. Le squelette volumique permet d ’obtenir le volume matière fonctionnel de base de chacune des pièces. A l ’aide de modules de calcul : rdm, éléments finis, on obtiendra, après modifications éventuelles des esquisses de base, la pièce fonctionnelle optimisée. Là encore les formes de pièce doivent être simples (pas simplistes !) Il faut ensuite définir précisément les pièces finies c ’est à dire définir leur préforme et les différents usinages éventuels toujours en s ’appuyant sur des modules de calcul, des modules métiers et en compte des contraintes imposés par la relation produit-procédé-matériau.

72 Démarche de modélisation d’une pièce
Relation produit-procédé-matériau Brut moulé Volumes fonctionnels Pièce finie

73 H - Faire intervenir la relation produit-procédé-matériau
Démarche de modélisation d’une pièce Relation produit-procédé-matériau H - Faire intervenir la relation produit-procédé-matériau

74 Démarche de modélisation 3D d’un ensemble
Mise en place des éléments d ’assemblage

75 Principe de la commande en courant
Modélisation de la commande Asservissement en position de l’axe Principe de la commande en courant

76 Principe de la commande en courant
Modélisation de la commande Asservissement en position de l’axe Principe de la commande en courant

77 Principe de l ’asservissement virtuel
Modélisation de la commande Asservissement en position de l’axe Principe de l ’asservissement virtuel

78 Simulation Asservissement en position de l’axe

79 Simulation Asservissement en position de l’axe

80 Simulation Asservissement en position de l’axe
I - Vérifier les performances attendues. Valider les choix

81 Simulation Zone d ’utilisation du moteur

82 Retour au réel Mesures sur le robot ERICC3 Temps d ’accélération en ms
Bras tendu et perpendiculaire à l ’axe du lacet ; ;Programme..…10. : ;Auteur .....…JMR : ;Fonction ..…Vérification performances lacet ;Dernière mise a jour : CLOSE DELETE GATHER OPEN PROG 10 CLEAR ;Paramétrage de l'accélération TS0 TA355 ;Paramétrage de la vitesse F90 x0y0z-90u0a0 x90y0z-90u0a0 Temps d ’accélération en ms Vitesse maximale en °/s Commande position en coordonnées articulaires (1, 2, 3, 4, 5)

83 Retour au réel Mesures sur le robot ERICC3 : 90°/s
La consigne de position n’est pas respectée

84 Retour au réel Mesures sur le robot ERICC3 : 90°/s
Le courant sature à 1,7A et le robot n ’arrive pas à suivre la vitesse souhaitée

85 Retour au réel Mesures sur le robot ERICC3 : 90°/s
Le moteur est utilisé seulement dans la zone de fonctionnement permanent

86 Retour au réel Mesures sur le robot ERICC3 : 40°/s
La consigne est respectée Les liaisons ne sont pas parfaites : courant dû aux frottements

87 Retour au réel Mesures sur le robot ERICC3 : 40°/s
J - Identifier les écarts et recaler les modèles Les liaisons ne sont pas parfaites : courant dû aux frottements

88 Éléments de conclusion
Un support industriel riche et contemporain pour enseigner … L’automatique et la mécanique au service de la conception des systèmes industriels La modélisation fonction du point de vue et du problème posé. La simulation numérique encadrée par une analyse préalable du problème et une validation terminale des résultats.

89 Avec la collaboration précieuse et complice
Bibliographie Avec la collaboration précieuse et complice de Jacques DURAND. Séminaire du nouveau référentiel BTS CPI - Albi décembre 2004 Séminaire des corps d’inspection - Clermont Ferrand avril 2003 Stage Liesse - Angers mai 2003 Stage Liesse - Clermont Ferrand mai 2001 « Les excès novateurs de la veille étonnent toujours par leur timidité. » Paul Valéry