La stratégie PLM au service des produits mécatroniques Vincent CHEUTET Ingénierie Numérique - SUPMECA GT SYSME – 03/05/10

Plan Introduction Qu’est-ce que le PLM ? Complexité des systèmes mécatroniques PLM pour la mécatronique Conclusions

Introduction Tandis que développer des produits mécatroniques correspond simplement au problème de répondre à une demande du marché, coordonner les différentes équipes d’ingénierie multidisciplinaires autour d’un unique processus de conception relève d’un vrai challenge pour les industriels.

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Définition Le PLM n’est ni un logiciel, ni un ensemble de logiciels, ni un système d’informations. Le PLM est une stratégie d’entreprise visant à fédérer autour d’un référentiel unique l’ensemble des acteurs du développement d’un produit et des données qu’ils manipulent. Conséquence : La composante organisationnelle est au cœur du PLM, Le système d’informations (ensemble des logiciels et flux d’informations) doit être au service de cette stratégie.

PLM /cycle en V

Les concepts-clefs du PLM Le fonctionnement en entreprise étendue, La centralisation des données dans un référentiel unique, La traçabilité des modifications, La gestion de projet, La maquette numérique au cœur du développement des produits, L’interopérabilité de solutions logicielles hétérogènes, … Maintenant qu’on a précisé le cadre du PLM, reprenons les concepts-clefs du PLM.

Les différents niveaux d’outils informatiques Si on s’intéresse maintenant aux outils de systèmes d’information du développement de produit pour une organisation efficace de la gestion de la vie du produit, on en trouve de plusieurs types.

Principales fonctions du SI au cœur du PLM PLM expanding in three directions: People – Product development and product innovation are expanding across the enterprise to more people inside and outside of the business Product – A “product” consists of much more than R&D or engineering specifications, and needs to include a richer view that includes commercial considerations so we are looking at the “whole product.” In addition, the technical view needs to grow to include mechanics, electronics, and embedded software Lifecycle – Product-related processes are being integrated across previously disparate functions Et surtout Process – PLM processes are being expanded and integrated across all three of these directions, and it this extension and integration of processes and information that really puts the value into PLM. Without process, the other three are not possible.

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Spécificités mécatroniques Les systèmes mécatroniques sont définis par : Leur niveau d’intégration : De plus en plus de fonctions dans un ensemble hautement intégré, Un nombre croissant de composants multi-domaines doit être intégré, Diverses physiques imbriquées dans le 3D  couplage multi-physique Différentes disciplines d’ingénierie : Liens complexes  couplage de l’information, Coopérations  difficulté de partager les données et communiquer les savoirs techniques. On est parti de la définition des systèmes mécatroniques. Ces systèmes sont définis par leur haut niveau d’intégration Tout d’abord une intégration fonctionnelle : on cherche à intégrer de plus en plus de fonctions au sein d’un même produit Par exemple, le roulement instrumenté de SKF : qui intègre à la fois sa fonction mécanique de roulement et une fonction électronique de capteur pour compter le nombre de tours, mesurer la vitesse, l’accélération, connaître le sens de rotation…. Le deuxième aspect d’intégration est qu’on cherche à intégrer de plus en plus de composants à l’intérieur des systèmes mécatroniques : Par exemple l’actionneur électromécanique de SKF montre bien l’intégration de nombreux composants mécaniques et électroniques Enfin, cette intégration 3D des composants va accroître les problèmes de couplages multi-physiques, qui sont de plus en plus proches les uns des autres. La 2ème caractéristique des systèmes mécatroniques est son aspect pluridisciplinaire En effet, la forte intégration des produits implique des liens étroits entre les différents domaines et nécessite donc un couplage des informations. Cet aspect se traduit aussi dans la difficulté des différentes équipes à collaborer, pour partager leurs données et communiquer leur savoir. Voyons maintenant pourquoi on a besoin d’un outil PLM pour la conception mécatronique

Complexité multi-domaine Méthodes/Organisation Science multi-disciplinaire : Mécanique, Électronique, Automatique, Informatique Mais aussi tous les métiers aval : fabrication, Supply chain, recyclage… Voyons maintenant un autre aspect qui devra être pris en compte dans l’outil PLM dédié à la mécatronique : son aspect multi-domaine En effet c’est une science récente qui combine la mécanique, l’électronique, l’informatique, l’automatique… Cette particularité implique que les différentes équipes techniques doivent travailler ensemble, mais aujourd’hui chacun travaille avec ses propres outils, méthodes et savoir-faires, sans tenir compte du travail des autres équipes. On le voit dès l’élaboration du CDC : à l’heure actuelle, généralement chaque département rédige son CDC, et on transmet l’ensemble de tous ces CDC et la vérification de la cohérence et des interactions entre ces documents entre eux se fait manuellement et généralement trop tardivement dans le cycle de conception. Pourtant, The development of mechatronic products requires the integration of different technical disciplines by personnel who reside in separate locations Ainsi, l’Concurrent engineering of these products can be enhanced significantly through the use of sophisticated data management and tools such as Product Lifecycle Management (PLM). The key benefit of a PLM system is its ability to facilitate the coordination of the activities among geographically distributed team members. Une solution pour an effective collaborative and concurrent development, amongst different engineering domains, is the ability to integrate information contents and systems.

Complexité multi-domaine Intégration 3D La mécanique devient packaging de l’électronique L’électronique embarquée est distribuée dans la mécanique. Active Wheel (Michelin) Roulement capteur (FGP sensors) Les produits industriels tendent à intégrer des aspects mécanique / électronique / informatique / automatique / électrotechnique etc (produits mécatroniques).

Complexité multi-domaine Intégration 3D Représentation géométrique de modèles multi-physiques Les produits industriels tendent à intégrer des aspects mécanique / électronique / informatique / automatique / électrotechnique etc (produits mécatroniques).

Problématique Quelques questions (parmi de nombreuses) à résoudre : Comment assurer la continuité de la chaîne numérique dans un environnement hétérogène ? Comment garantir la traçabilité des modifications entre ces différents acteurs ? Comment garantir la conservation à long terme des données ? Comment permettre le partage des informations, avec leur sémantique propre, et leur « fraîcheur » ? Comment choisir et mettre en œuvre les outils pertinents ? Comment la mécatronique va impacter les métiers du milieu et fin de vie (maintenance, recyclage…) ? A l’issue de la présentation de la complexité des systèmes mécatroniques, plusieurs questions se posent…

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Une proposition de solution une Plate-forme de Gestion des Données de Modèles une Plate-forme de Gestion des Données de Modèles, avec : Soit l’intégration des différents (et nombreux) outils de modélisation souvent mono-domaines et de leurs outils d’interface  mécanismes d’intégration, contrôle du versionnement, gestion du changement, référentiel d’entreprise), Soit par l’utilisation de standards. Pour cela, la plate-forme de gestion des données des modèles devra Soit intégrer la multitude d’outils de modélisation monodomaine existants et les outils d’interfaçage (formats d’échange indépendants de l’outil) pour gérer les fonctionnalités suivantes : mécanismes d’intégration, versionnement, gestion des modifications… Soit utiliser des standards. LA solution intégrée (tout-en-un) n’existe pas. Les faits: un environnement fortement hétérogène . Change and Configuration Management – change and configuration management are hard processes, and they get harder when different disciplines impact the work of others. Unifying a change management (and/or related configuration management) process offers a significant improvement opportunity for most companies, and requires less change to design activities in each of the different disciplines.

Utilisation de standards Double intérêt : économique et sémantique « Open standards and web technology can be mechanisms that overcome the problems caused by distributed organizations and various computer environments » [Lee, 2005] Les normes internationales (STEP par exemple) intègrent l’aspect sémantique lié au métier. L’impact économique de l’utilisation de standards [NIST, 2002]: réduction des coûts liés à l’interopérabilité

Utilisation de standards De nombreux standards coexistent… PLM standards 2D map [Rachuri, 2007] L’impact économique de l’utilisation de standards [NIST, 2002]: réduction des coûts liés à l’interopérabilité

Applications Modules (AM) Standards STEP STandard for Exchange Product model data STEP ISO 10303 : une norme modulaire Applications Modules (AM) AP 201 AP 202 AP 203 AP 203ed2 AP 210 AP 209 AP 204 AP 207 AP 239 PLCS AP 212 AP 214 … AP 233 A significant set of information models for a wide range of industrial applications are defined in ISO 10303 [ISO94], the STEP-standard. The aim of STEP is to provide a neutral mechanism for data exchange, defined independently from any particular information system. Product information related to electronics and mechanics is extensively modelled in the ISO10303 standard (STEP) [ISO94] and can be utilized for further research, but the dimensions of software and mechatronics are not explicitly covered However, STEP has also been shown to be very useful as a basis for product modelling in general [Phelps98][Hallinetal03]. One shortcoming of STEP in a mechatronic product context is that it mainly deals with electronics and mechanics, omitting the phenomenon of software. AP203 - 3D Designs of Mechanical Piece Parts and Assemblies (MCAD) AP209 - Structural Analysis and Related Design (Analysis) AP210 - Electronic Assembly, Interconnect, and Packaging Design (ECAD) AP212 - Electrotechnical Design and Installation (Cable Harnesses) AP238 - Application interpreted model for computer numeric controllers (Mac Experiences with current product data technologies have revealed that standardized neutral file-based exchange of product data is no longer sufficient: business processes have to be aligned and data in the supply chain need to be synchronized. Engineering changes and release information need to be propagated almost instantly. CAD knowledge cannot be seen in isolation from other business knowledge. Solutions for point-to-point transactions need to be replaced by solutions for product lifecycle knowledge sharing, supporting “fit for purpose” access. Open solutions need to respect intellectual property rights. Future information technologies will have to respect industrial needs for the handling of product lifecycle across organizational borders. The STEP APs can be roughly grouped into the three main areas design, manufacturing and life cycle support.

Standards STEP Application Protocols 233 & 239 AP233 : est la spécification des échanges relatifs aux données des activités d’ingénierie système. AP239 ou PLCS (Product LifeCycle Support) : adresse le cycle de vie complet depuis le concept jusqu’à sa mise au rebut. Les deux AP assurent l’extensibilité par l’utilisation de données de référence permettant de personnaliser les standards suivant les différents domaines de fonctionnement du produit. A significant set of information models for a wide range of industrial applications are defined in ISO 10303 [ISO94], the STEP-standard. The aim of STEP is to provide a neutral mechanism for data exchange, defined independently from any particular information system. Product information related to electronics and mechanics is extensively modelled in the ISO10303 standard (STEP) [ISO94] and can be utilized for further research, but the dimensions of software and mechatronics are not explicitly covered However, STEP has also been shown to be very useful as a basis for product modelling in general [Phelps98][Hallinetal03]. One shortcoming of STEP in a mechatronic product context is that it mainly deals with electronics and mechanics, omitting the phenomenon of software. AP203 - 3D Designs of Mechanical Piece Parts and Assemblies (MCAD) AP209 - Structural Analysis and Related Design (Analysis) AP210 - Electronic Assembly, Interconnect, and Packaging Design (ECAD) AP212 - Electrotechnical Design and Installation (Cable Harnesses) AP238 - Application interpreted model for computer numeric controllers (Mac Experiences with current product data technologies have revealed that standardized neutral file-based exchange of product data is no longer sufficient: business processes have to be aligned and data in the supply chain need to be synchronized. Engineering changes and release information need to be propagated almost instantly. CAD knowledge cannot be seen in isolation from other business knowledge. Solutions for point-to-point transactions need to be replaced by solutions for product lifecycle knowledge sharing, supporting “fit for purpose” access. Open solutions need to respect intellectual property rights. Future information technologies will have to respect industrial needs for the handling of product lifecycle across organizational borders. The STEP APs can be roughly grouped into the three main areas design, manufacturing and life cycle support. AP233 Standard d’échanges de données basé sur STEP, pour répondre aux besoins de la communauté d’Ingénierie Système. Standards émergents en parallèle en MCAD, ECAD, Analyse d’ingénierie, PDM et développement de produit. Fournit des modèles de données neutres pour échanger et intégrer les informations entre les outils d’ingénierie système.

Standards STEP SE Tool STEP Interface Semantic mapping Neutral data File Database Tool API File Database Raw Data A STEP interface bridges the gap between design tool data in a design tool proprietary format and the exchanged data held in a neutral format. This is not simply a conversion of data between two different formats. There is a semantic mapping as well between the design tool and the Application Protocol which reflects the way a particular design tool is used in the Systems Engineering process, eg. If a data flow notation is used to represent a functional hierarchy then a particular data flow instance in the design tool may map to different entities in the Application Protocol dependent on its relationship to other data flow instances in the design: the top level data flow will map to the system functional context intermediate level data flows will map to composite function definitions bottom level data flows will map to leaf function definitions. The interface needs to be able to access the data in both the design tool and the exchange files, and implement a semantic mapping between the two. Interface development may be supported by a STEP tool using information models, data formats and semantic mapping information as inputs SE Tool Data Format Neutral Data Format STEP Tool Information models Semantic mapping

Aspect Multi-vue & Multi-échelle dans le PDM Vues “domaine” interactives  pour faciliter le travail de chaque équipe technique et s’assurer que les exigences sont contrôlées par et allouées à chaque équipe mono-domaine. Gestion du raffinement de l’information : Décomposition du système par les modèles requiert une approche de raffinement. Les modèles partiels d’un élément de solution peuvent avoir plusieurs niveaux de détails (comportement mécanique, électronique, forme géométrique…). Le calcul de couplage peut nécessiter de travailler avec des modèles simplifiés des autres domaines représentation granulaire. Le système PLM doit fournir des vues interactives par domaine pour faciliter le travail de chaque département Indeed, the system modelling breakdown (from a global complex function to elementary parts) needs to have a refinement approach to facilitate the design process. Solution elements can be mechanical parts as well as electronic devices, information components and mechatronic function modules, e.g. sensors, actuators... Each solution element is defined by its partial models that describe its geometrical shape, its mechanical and electrical behaviour and its related information processing. So these partial models can have various levels of detail. Furthermore, during the pre-design phase, coupling calculus may need to work on a simplified model carried out by other technical teams and so it requires having granular representation of models in order to allow a multi-scale view depending on user needs. Finally, to enable design evolutions through different detail levels, the PLM tool should: · ensure traceability of requirements and that they continue to be verified throughout the design refinement process, and be able to define dynamic links between the different views of the system. 23

Aspect Multi-vue & Multi-échelle dans le PDM Quoiqu’il en soit, l’outil doit continuer à assurer la traçabilité et la vérification des exigences pendant le processus de raffinement et définir les liens dynamiques entre les différentes vues. Proposition d’une ontologie support à la conception de produit mécatronique : Meilleure définition du périmètre, Collaboration améliorée, Le système PLM doit fournir des vues interactives par domaine pour faciliter le travail de chaque département Indeed, the system modelling breakdown (from a global complex function to elementary parts) needs to have a refinement approach to facilitate the design process. Solution elements can be mechanical parts as well as electronic devices, information components and mechatronic function modules, e.g. sensors, actuators... Each solution element is defined by its partial models that describe its geometrical shape, its mechanical and electrical behaviour and its related information processing. So these partial models can have various levels of detail. Furthermore, during the pre-design phase, coupling calculus may need to work on a simplified model carried out by other technical teams and so it requires having granular representation of models in order to allow a multi-scale view depending on user needs. Finally, to enable design evolutions through different detail levels, the PLM tool should: · ensure traceability of requirements and that they continue to be verified throughout the design refinement process, and be able to define dynamic links between the different views of the system. 24

Aspect Collaboratif du PLM Anticiper les priorités de décisions, l’administration des droits, les éventuelles négociations gestion du versionnement. Interopérabilité des systèmes d’informations ou une base de données partagée. Propagation instantanée des modifications et des mises-à-jour  Intégration des modèles ou standards d’échange. Augmentation de l’utilisation des ressources  faciliter la réutilisation de l’information et éviter les tâches de développement répétitives. Gestion de la diversité et de configuration. 25

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Conclusions Objectif : Mécatronique : produire des systèmes mécatroniques innovants, en réduisant le temps des cycles de développement. Mécatronique : systèmes multidisciplinaires complexes hautement intégrés (continuité et cohérence multi-niveaux, multi-domaines, multi-vues  collaborations). Outil(s?) au service de la stratégie PLM : permettre de concevoir et développer efficacement (réutilisation, automatisation des processus) dans un environnement hétérogène (équipes multidisciplinaires, dispersées géographiquement, données hétérogènes). Mais l’organisation prime sur le choix, le déploiement et l’utilisation des outils informatiques (au service de l’utilisateur et de l’organisation)… Mechatronics design process is related to the design of highly-integrated products, which assumes many levels of complexity. Be it in the need of consistency between the different levels of design, or in the management of multi-domain data and their related couplings, or also in the difficulty of a pre-design enabling a global optimization between all multi-physical parameters and geometrical parameters, a specific PLM tool is required. So we have proposed some specifications in order to provide in an integrated top-down, systems-level development/design environment, a functional data model rich enough to represent a fine grain level of details of requirements, functional, and physical aspects of mechatronic products, and in order to manage dynamic links for multidomain couplings, taking into consideration collaborations inside different technical teams or between industrial partners. permettent de concevoir et développer efficacement dans un environnement hétérogène et ils facilitent la réutilisation des conceptions et des pièces. Avec nos outils de collaboration, les équipes de conception et les sites de production, même dispersés géographiquement, peuvent travailler ensemble sur un même projet, et donc réduire considérablement le temps des cycles de développement de produits. Enfin, nos outils de publication dynamique permettent d'automatiser le processus de création de publication technique et, par conséquent, de compresser les coûts et d'accélérer la publication. automatise les processus de développement de produits et de gestion de programme ; il permet par ailleurs d'avoir une visibilité et un contrôle complets sur les informations associées, assurant ainsi un développement de produits collaboratif sécurisé. Notre solution logicielle pour l'industrie Aérospatiale & Défense offre également une application de publication dynamique qui permet de générer, directement et dans des formats standard (imprimé ou Web), une copie des informations essentielles, comme les informations de maintenance. baisser les coûts, favoriser l'innovation en réutilisant les conceptions existantes, réduire les erreurs en gérant une source unique de documents et collaborer tout le long de la chaîne logistique. Vous pouvez en outre fournir des informations de grande qualité, spécifiques au produit ou au service, sur un support imprimé, sur cédérom ou via le Web. Votre équipe pourra ainsi développer plus rapidement que vos concurrents des produits de qualité supérieure pour un prix de revient inférieur. Avec le système de développement de produits (PDS) de PTC, vous récolterez les avantages procurés par la synchronisation de la chaîne logistique et de la chaîne de conception, la réutilisation des pièces et des composants, la gestion des données CAO hétérogènes, le développement collaboratif de produits au niveau mondial, la gestion de projet, la gestion d'une source unique de données techniques et la publication technique dynamique.

Conclusions Un grand merci à : Thomas PAVIOT, Samir LAMOURI, Olivia PENAS, Jean-Yves CHOLEY, Régis PLATEAUX…

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