MECATRONIQUE Mcatronique une nouvelle dmarche pour la conception

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

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

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

MECATRONIQUE avec une certaine autonomie… Déploiement et exploration

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

MECATRONIQUE d’une électronique de gestion du système… Electronique du Rover (80 C 85) Electronique du Lander (processeur RAD 6000, dérivé du Power. PC)

MECATRONIQUE de sources d’énergie, de moyens de communication… Batteries Ni. Cad Panneau solaire Ga. As Modem

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

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

MECATRONIQUE d’une informatique de contrôle-commande…

MECATRONIQUE …et avoir un design évolutif. Mars 2004 185 kg Mars 1997 11 kg Mars 2009 500 kg systèmes pluritechnologiques pluridisciplinarité !

MECATRONIQUE Contexte historique • Avant 1950, les machines sont des ensembles électromécaniques. • Les années 50 voient l’apparition des semiconducteurs. 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 (MECHATRONIC) 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.

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

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…

MECATRONIQUE Modélisation globale « classique » des systèmes automatisés PREACTIONNEURS Interface Homme Machine (IHM) PC (partie commande) Electronique de puissance PO (partie opérative) CAPTEURS Microprocesseur mémoire, API… Actionneurs Effecteurs 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…

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 (codéveloppement 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…)

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.

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.

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.

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

MECATRONIQUE Exemple de composant mécatronique intégré: DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder • Microcontrôleur 16 bits intégré H 8 S 2134 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

MECATRONIQUE Lève-vitre électrique

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

MECATRONIQUE COMPACT DIGITAL AUDIO Lecteur de CD audio (baladeur) Fonction globale: restituer le son mémorisé sur un CD audio. Energie CD audio Commandes Restituer le son Informations Son Lecteur-baladeur Remarque: • Terminologie adaptée à l’analyse de la valeur: norme NFX 50 -150. • Définition (norme NFX 50 -151) du Cahier des Charges fonctionnel.

MECATRONIQUE Lecteur de CD audio (version baladeur) CD audio FSU 1 FSU 2 FSA 6 Energie Lecteur de CD audio Utilisateur FSA 3 FSA 4 FSA 5 Environnement Graphe des interacteurs (APTE®) COMPACT DIGITAL AUDIO FSU 1: Restituer le son mémorisé sur un CD (Fonction de Service d’Usage) FSU 11: Lire la piste hélicoïdale FSU 111: Faire défiler la piste sous la tête de lecture FSU 1111: Mettre le disque en rotation FSU 11111: Maintenir constante la vitesse de défilement FSU 1112: Déplacer la tête de lecture radialement afin de suivre la piste FSU 112: Emettre un faisceau de lumière cohérente (laser) FSU 1121: Réguler l’intensité lumineuse FSU 1122: Focaliser sur la surface du disque (verticalement) FSU 1123: Centrer le faisceau sur la piste (radialement) FSU 113: Capter le signal lumineux réfléchi FSU 12: Transformer le signal lumineux reçu en son analogique FSU 121: Décoder FSU 122: Corriger FSU 123: Convertir FSU 124: Amplifier FSU 2: Permettre la mise en place et l’éjection du CD FSA 3: Permettre la gestion du lecteur (IHM: afficheur et clavier) (Fonction de Service d’Adaptation) FSA 4: Etre protégé de l’environnement (humidité, température…) FSA 5: Ne pas dégrader l’environnement (faisceau laser, bruit…) FSA 6: Etre alimenter en énergie électrique (sur batterie, autonomie…)

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

MECATRONIQUE Autre outil d’analyse: le diagramme FAST® (Function Analysis System Technic) DIAGRAMME FAST D’UN PILOTE AUTOMATIQUE DE BATEAU Agir sur la barre Communiquer une énergie méca à la barre Vérin électrique à vis 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 Adapter l’énergie méca de rotation transformer le mouvement 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

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

MECATRONIQUE C 2 …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.