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Intégration Produit / Process par les concepts dactivité et de caractéristiques clefs. Application au cas de lallocation des tolérances. 15 Octobre 2007.

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1 Intégration Produit / Process par les concepts dactivité et de caractéristiques clefs. Application au cas de lallocation des tolérances. 15 Octobre 2007 – CER ENSAM de Metz Alain ETIENNE Pr. Patrick MARTIN MCf. Jean-Yves DANTAN MCf. Ali SIADAT

2 Problématique

3 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 3 Tolerance design Parametric design Solution design [TROUSSIER 2006] [NADEAU 2002] Processus de conception - Situation - [SCARAVETTI 2004] [CAVAILLES 1995] [FANCHON 1994] [AOUSSAT 1990] Qualification Vérification de ladéquation 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] [AFAV 1994] [BNAE 1999] [PAHL 1996] [HUBKA 1988] [ULLMAN 2003] [FANCHON 1994] [QUARANTE 1994]

4 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 4 Intégration Produit / Process - Pourquoi ? - 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. 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.

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

6 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 lutilisateur tout en sélectionnant les processus de fabrication et les ressources associées dont les variations sont inhérentes ? »

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

8 Notre démarche Activity Based Tolerance Allocation

9 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 9 Démarche ABTA – Modèle simplifié Spécifications à quantifier Spécifications allouées optimales Pré-Gammes Gamme de Fabrication Ressources Contraintes (Fonctionnelles, dassemblage,…) Mécanisme complètement connu (caractéristiques quantifiées) Connaissance métier Méthode et outils doptimisation Méthode et outils de sélection du processus Méthode et outils danalyse des tolérances Optimiser lallocation des tolérances Modèle du coût pondéré qualité KC Concept dactivité

10 Le concept de Key Characteristics Comment Expliciter et Structurer les variations ? Modèle du coût pondéré qualité KC Concept dactivité Optimiser lallocation des tolérances

11 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 11 Caractéristiques clés - Définition - « Une caractéristique est un paramètre ou une propriété dune ou plusieurs entités du produit, ou dune activité du processus, ou dune 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 Caractéristique processus Fonctionnelle Structurelle Intrinsèque De situation Activité de fabrication Ressource est une est une caractéristique

12 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 12 Arborescences de caractéristiques Contraint FR 1 PR 1 2 T 1 T 2 T 3 ConditionFlowdown Tp 1 2 Cp 3 Precisionand Assembly requirement,… Tolerance,… Manufacturing tolerance,… Conception de la gamme de fabrication Identificationdes caractéristiques du processus et de ses capabilités Définition du processus de fabrication,… 22 KC 1211 KC 1221 Dispersions de fabrication,… dimensionnelles orientation, Conception d é taill é e Identification des caractéristiques des pièces et de leurs tolérances,… Définition des formes des pièces,… KC 121 KC 122 KC 123 Dispersions et d … 2 Caractéristiques Processus : - Dispersions, - Vitesse davance ou de coupe, - … Caractéristiques Produit : - Durée de vie, - Déplacements (angulaire, linéaire), - Précision, - … Caractéristiques Pièce : - Dimensionnelle (diamètre, distances, angles), - Matériau, - Etat de surface, - … Conditions : - Exigences (fonctionnelle ou dassemblage), - Tolérances, - Contraintes, - …

13 Comment évaluer la performance dune solution ? Le coût pondéré qualité Modèle du coût pondéré qualité KC Concept dactivité Optimiser lallocation des tolérances

14 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 14 Allocation des tolérances - Principe - 2 IT L IT L IT L IT L KCFlowdownConditionFlowdown Assemblage Pièce 2 IT L l 1 l 2 l 3 l IT L IT L IT L Comment transférer une exigence système en tolérances sur ses composants ? ???

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

16 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 16 Le coût pondéré qualité - Définition -...)(.)(. )( ableNonAssemblPCeNonConformPC OkP C Coût M.O. recyclage production Coût de production dun produit satisfaisant Coût indirect de retraitement Coût indirect dû à un ensemble de pièces satisfaisantes mais non assemblables Coût de retraitement des pièces non conformes Probabilité que le risque « pièce non-conforme » apparaisse

17 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.

18 Quelles sont les étapes de ce processus dévaluation ? Evaluation de la performance Modèle du coût pondéré qualité KC Concept dactivité Optimiser lallocation des tolérances

19 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 19 Intégration au concept de KC KC 12 PR 1 PR 2 Jeu fonctionnel, … KC 121 KC 122 KC 123 T1T1 T2T2 T3T3 Assemblage Pièce Fabrication Tolérances, … Dispersions dimensionnelles et dorientation, … Exigences dassemblage, … A1A1 A2A2 A3A3 AiAi Sélection / génération Synthèse descendante A1A1 A2A2 A3A3 AiAi A1A1 A2A2 A3A3 AiAi Gammes KC 1211 KC 1221 Dispersions de fabrication, … Identification Quantification A1A1 A2A2 A3A3 AiAi Analyse Ascendante Coût Quantification Propagation et vérification P(conforme) P(assemblable) P(fonctionnel) C MO C Retrait C Production

20 Le concept dactivité Quel est le support de ce processus dévaluation ? Modèle du coût pondéré qualité KC Concept dactivité Optimiser lallocation des tolérances

21 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 21 Objectifs Activités => Montrer le rôle clef des activités dans notre démarche (le support commun de ses trois étapes majeures) => Expliciter leurs comportements informatiques

22 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 22 Activity Based Costing (ABC) Produits Inducteur dactivité Inducteur de coût Inducteur de ressources Activités Consomment Ressources Consomment CONSOMMATION ESTIMATION DU COÛT [MEVELLEC 1993]

23 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 23 Sélection du Processus ABTA – Enrichissements de lABC Produits Activités Consomment Ressources Consomment Estimation des coûts ESTIMATION DU COÛT C MO C Recyclage C Production Analyse des variations ESTIMATION DES DISPERSIONS )(ableNonAssemblP )(eNonConformP )(OkP Génère Occurrence Performance

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

25 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 25 Activité de Production Produit / Pièce à létat j Activité de production Ressources Exigences, Spécifications Coûts Caractéristiques Probabilités de respect des exigences et des spécifications Produit / Pièce à létat j Exemple - Activité dusinage : Perçage Foret25 Machine41 Posage géométrique Spécification sur diamètre Dispersions dusinage Capabilité 2.82

26 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 26 Spécification de perpendicularité IT=0.05 P(respect estimé)=0.66 Spécification dimensionnelle 10 ±0.02 P(respect estimé)=1 Processus de fabrication - Extrait - 2P1b-2P2b-2P4b 14 MO Outils de mesure Activité de contrôle de conformité localisation 14 MO Outils de mesure Activité de retrait Occur. = 15% 2 MO Convoyeur 2 MO Convoyeur

27 Application dédiée à lallocation des tolérances géométriques Du concept au logiciel

28 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 28 Allocation des tolérances géométriques Hypothèses : Allocation des tolérances géométriques, Non prise en compte des outils spécifiques, Produits de morphologie hétérogène, Procédé limité à lusinage, Volonté de ne pas générer de gammes, Objectifs : Valider et implémenter les deux étapes de lABTA dans le cas de lusinage (Analyse et Synthèse).

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

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

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

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

33 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 33 Formalisation des données & Connaissances métier

34 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 34 Outil danalyse de performance - Maquette logicielle - Décomposition des posages géométriques Paramètres des activités Définition des ressources, Cartes de Visite Définition des besoins fonctionnels Affichage de la gamme résultante

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

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

37 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 37 Outil doptimisation - Résultats - Coût pondéré Itérations de lalgorithme génétique Adaptation moyenne Adaptation de lindividu le plus adapté Itérations de lalgorithme génétique

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

39 Conclusions Bilan et Travaux futurs

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

41 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 41 Bilan de lapproche ABTA Approche de quantification de certains paramètres de conception (tolérances) en explorant lespace 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 détude,

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

43 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 43 Perspectives - Amélioration de loutil - Fusionner les deux maquettes de validation et terminer la programmation modulaire de lapproche, 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 lopérabilité de loutil avec des logiciels métiers (Delmia, SmartTeam, outils de simulation, danalyse des tolérances 3D…) Enrichir les types de relations de causalités entre les caractéristiques

44 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 44 Perspectives - Amélioration de la démarche - Améliorer la portée de lapproche : Intégrer lapproche dans une démarche doptimisation multi-objectifs (MDO) Parametric design Tolerance design Usinage Process Control Design Fonderie Forge Electronique Optique …

45 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 45 Des questions ? 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)

46 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 46 Méthode doptimisation - Comparaison - Approche au pire des cas Approche par domaines (écarts et jeux) + coût pondéré t t t t t t t Coût3.32.7

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

48 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 dévolution 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 ladaptation du nouvel individu Ajouter le nouvel individu Sélectionner les processus permettant dusiner 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

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

50 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 50 Process Plan Analyse des tolérances - Exemple - 2D2 2P3 2D1 2P2 2P1 2P4 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

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

52 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre Alain ETIENNE 52 Tolérance de réglage Elle nest pas à lheure actuelle prise en compte dans les maquettes logicielles, cependant lapproche ABTA reste compatible : Elle nécessite lajout dun paramètre liés aux ressources décrivant la loi suivie par leur dérive, Pour lestimation de la performance dune activité de production, il est nécessaire dutiliser un indicateur plus riche comme le Cpk, Produit / Pièce àlétat j Activitéde réglage OM Cible xx Limite la dérive des ressources Produit / Pièce àlétat j + 1 Lanalyse et lestimation des variations par simulations de Monte Carlo restent compatibles, Pour contrer les dérives des ressources, on peut créer une activité de réglage :


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