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

Mécatronique : Mécatronique : une nouvelle démarche pourune nouvelle démarche pourla conception des systèmesla conception des systèmes

Jean-Yves CHOLEYJean-Yves CHOLEYSUPMECA – Institut Supérieur de la Mécanique de ParisSUPMECA – Institut Supérieur de la Mécanique de Paris

MECATRONIQUE MECATRONIQUE

Un système mécatronique doit Un système mécatronique doit pouvoir assurer une fonction…pouvoir assurer une fonction…

Lanceur Delta 2

Misson Pathfinder-Sojourner, NASA 1997

Rover Sojourner


dans un environnement et sous dans un environnement et sous des contraintes donnés…des contraintes donnés…


Lancement

Rentrée atmosphérique

Freinage

Atterrissage

avec une certaine autonomie…avec une certaine autonomie…


Déploiement et exploration

à l’aide de mécanismes…à l’aide de mécanismes…Motorisation MAXON CC

Roues arrières

Bogie avant


Mobilité

plié

Dispositifs de déploiement

d’une électronique de gestion du système…d’une électronique de gestion du système…

Electronique du Rover (80C85)


Electronique du Lander(processeur RAD6000,

dérivé du PowerPC)

de sources d’énergie, de moyens de communication…de sources d’énergie, de moyens de communication…

Batteries NiCad

Panneau solaire GaAs Modem


de moyens de contrôle…de moyens de contrôle…

Caméra CCD

Dispositif Laser Anti-collision


d’un équipement lui permettant d’agir…d’un équipement lui permettant d’agir…

Spectromètre déployable


Caméras optiques

Station météo

d’une informatique de contrôle-commande…d’une informatique de contrôle-commande…



……et avoir un design évolutif.et avoir un design évolutif.

Mars 1997 11kg

systèmes pluritechnologiques pluridisciplinarité !

Mars 2004 185kg

Mars 2009 500kg

Contexte historiqueContexte historiqueContexte historiqueContexte historique

En 1969, invention du mot MECATRONIQUE (MECHATRONIC)MECATRONIQUE (MECHATRONIC) par un ingénieur japonais (Yaskawa Electric Corporation).

En 1969, invention du mot MECATRONIQUE (MECHATRONIC)MECATRONIQUE (MECHATRONIC) par un ingénieur japonais (Yaskawa Electric Corporation).

• Avant 1950, les machines sont des ensembles électromécaniques.• Les années 50 voient l’apparition des semi-conducteurs. L’électronique est née.• Dans les années 60-70, l’apparition de calculateurs fiables permet le contrôle des machines par logiciel.

• Avant 1950, les machines sont des ensembles électromécaniques.• Les années 50 voient l’apparition des semi-conducteurs. L’électronique est née.• Dans les années 60-70, l’apparition 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 l’usage de langages de programmation évolués permettent la conception de commandes très performantes avec des délais très courts.

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.


µP 4004 INTEL

Pluridisciplinarité de la conceptionPluridisciplinarité de la conceptionPluridisciplinarité de la conceptionPluridisciplinarité de la conception

Automatique

Robotique

MécaniqueMécanique(et hydraulique, pneumatique…)(et hydraulique, pneumatique…)

InformatiqueInformatiqueElectroniqueElectronique

IntégrationIntégrationcomposantscomposants CFAOCFAO

µCµC

MécatroniqueMécatronique


Ancienne démarche de conception: Ancienne démarche de conception: 2 principes de décomposition2 principes de décomposition

Ancienne démarche de conception: Ancienne démarche de conception: 2 principes de décomposition2 principes de décomposition

• Décomposition séquentielle du cycle de vie du produit (conception, fabrication, commercial…)

• Décomposition séquentielle du cycle de vie du produit (conception, fabrication, commercial…)

• Découpage du produit en sous-systèmes « métiers » (mécanismes, motorisations, capteurs, énergie, commande…)

• 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…)

• 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…


Modélisation globale « classique » desModélisation globale « classique » des systèmes automatisés systèmes automatisés

Modélisation globale « classique » desModélisation globale « classique » des systèmes automatisés systèmes automatisés

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).

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).

PC (partie

commande)

PO (partie

opérative)

Microprocesseur mémoire, API…

ActionneursEffecteurs

PREACTIONNEURS

CAPTEURS

Electronique de puissance

Interface Homme Machine

(IHM)

nécessité d’une nouvelle modélisation des systèmes…


Nouvelle démarche de conception:Nouvelle démarche de conception:2 approches complémentaires2 approches complémentaires

Nouvelle démarche de conception:Nouvelle démarche de conception:2 approches complémentaires2 approches complémentaires

•Ingénierie concourante ou simultanée:•Ingénierie concourante ou simultanée:

Conception produit (BE)Conception process (BM)FabricationCommercialisation

•Approche mécatronique ou système:•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 (co-développement 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…)


La démarche d’analyse mécatroniqueLa démarche d’analyse mécatroniqueLa démarche d’analyse mécatroniqueLa démarche d’analyse mécatronique

« La démarche mécatronique est une approche de conception pluridisciplinaire basée sur l’analyse des systèmes, leur réalisation et leur contrôle »

« La démarche mécatronique est une approche de conception pluridisciplinaire basée sur l’analyse des systèmes, leur réalisation et leur contrôle »

Plusieurs niveaux hiérarchiques d’analyse du système:• Niveau fonctionnel• Niveau système ou réseau• Niveau composant ou géométrique

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.

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…

Remarque: les contraintes de conception peuvent être de nature fonctionnelles, structurelles, temporelles…


Proposition de démarche pour la conception Proposition de démarche pour la conception d’un système mécatroniqued’un système mécatronique

Proposition de démarche pour la conception Proposition de démarche pour la conception d’un système mécatroniqued’un 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 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…

• 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:


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…

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…

Démarche mécatronique : suite…Démarche mécatronique : suite…Démarche mécatronique : suite…Démarche mécatronique : suite…

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.

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.


Structure d’un système mécatroniqueStructure d’un système mécatroniqueStructure d’un système mécatroniqueStructure d’un système mécatronique

BUS INFORMATIONS TEMPS REEL…

Fonction mécatronique

Electronique

Actionneur

CapteursInformatique

Mécanique

INTERACTIONS GEOMETRIQUES & STRUCTURELS, MECANIQUES…

BUS ENERGIE…

Ensemble des autres fonctionsmécatroniques

constituant le système

Ensemble des autres fonctionsmécatroniques

constituant le système


PlugPlug&&

WorkWork!!

Exemple de composant mécatronique intégré:Exemple de composant mécatronique intégré: DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder

Exemple de composant mécatronique intégré:Exemple de composant mécatronique intégré: DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder


• 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


Lève-vitre électriqueLève-vitre électriqueLève-vitre électriqueLève-vitre électrique

Système mécatronique grand public :Système mécatronique grand public :le lecteur de CD audiole lecteur de CD audio

Système mécatronique grand public :Système mécatronique grand public :le lecteur de CD audiole lecteur de CD audio

COMPACT

DIGITAL AUDIO

0000 000001 11


Lecteur de CD audio (baladeur)Lecteur de CD audio (baladeur)Fonction globaleFonction globale

Lecteur de CD audio (baladeur)Lecteur de CD audio (baladeur)Fonction globaleFonction globale

COMPACT

DIGITAL AUDIO

Fonction globale: restituer le son mémorisé sur un CD audio.Fonction globale: restituer le son mémorisé sur un CD audio.

Restituerle son

Restituerle sonCD audio Son

Lecteur-baladeur

Informations

CommandesEnergie


Remarque:• Terminologie adaptée à l’analyse de la valeur: norme NFX 50-150.• Définition (norme NFX 50-151) du Cahier des Charges fonctionnel.

Remarque:• Terminologie adaptée à l’analyse de la valeur: norme NFX 50-150.• Définition (norme NFX 50-151) du Cahier des Charges fonctionnel.

Lecteur de CD audio Lecteur de CD audio (version baladeur)(version baladeur)Lecteur de CD audio Lecteur de CD audio (version baladeur)(version baladeur)


FSU1: Restituer le son mémorisé sur un CD (Fonction de Service d’Usage)FSU11: Lire la piste hélicoïdale

FSU111: Faire défiler la piste sous la tête de lectureFSU1111: Mettre le disque en rotation

FSU11111: Maintenir constante la vitesse de défilementFSU1112: Déplacer la tête de lecture radialement afin de suivre la piste

FSU112: Emettre un faisceau de lumière cohérente (laser)FSU1121: Réguler l’intensité lumineuseFSU1122: Focaliser sur la surface du disque (verticalement)FSU1123: Centrer le faisceau sur la piste (radialement)

FSU113: Capter le signal lumineux réfléchiFSU12: Transformer le signal lumineux reçu en son analogique

FSU121: DécoderFSU122: CorrigerFSU123: ConvertirFSU124: Amplifier

FSU2: Permettre la mise en place et l’éjection du CDFSA3: Permettre la gestion du lecteur (IHM: afficheur et clavier) (Fonction de Service d’Adaptation) FSA4: Etre protégé de l’environnement (humidité, température…)FSA5: Ne pas dégrader l’environnement (faisceau laser, bruit…)FSA6: Etre alimenter en énergie électrique (sur batterie, autonomie…)

FSU1: Restituer le son mémorisé sur un CD (Fonction de Service d’Usage)FSU11: Lire la piste hélicoïdale

FSU111: Faire défiler la piste sous la tête de lectureFSU1111: Mettre le disque en rotation

FSU11111: Maintenir constante la vitesse de défilementFSU1112: Déplacer la tête de lecture radialement afin de suivre la piste

FSU112: Emettre un faisceau de lumière cohérente (laser)FSU1121: Réguler l’intensité lumineuseFSU1122: Focaliser sur la surface du disque (verticalement)FSU1123: Centrer le faisceau sur la piste (radialement)

FSU113: Capter le signal lumineux réfléchiFSU12: Transformer le signal lumineux reçu en son analogique

FSU121: DécoderFSU122: CorrigerFSU123: ConvertirFSU124: Amplifier

FSU2: Permettre la mise en place et l’éjection du CDFSA3: Permettre la gestion du lecteur (IHM: afficheur et clavier) (Fonction de Service d’Adaptation) FSA4: Etre protégé de l’environnement (humidité, température…)FSA5: Ne pas dégrader l’environnement (faisceau laser, bruit…)FSA6: Etre alimenter en énergie électrique (sur batterie, autonomie…)

Graphe des Graphe des interacteursinteracteurs

(APTE(APTE®®))

Graphe des Graphe des interacteursinteracteurs

(APTE(APTE®®))COMPACT

DIGITAL AUDIO

Energie Environnement

FSU1

FSU2

FSA5

FSA4

FSA3

FSA6 Lecteur de CD audio

CD audio Utilisateur

Lecteur de CD: Analyse descendanteLecteur de CD: Analyse descendanteSystem Analysis Design Technic (SADTSystem Analysis Design Technic (SADT®®))

Lecteur de CD: Analyse descendanteLecteur de CD: Analyse descendanteSystem Analysis Design Technic (SADTSystem Analysis Design Technic (SADT®®))

COMPACT

DIGITAL AUDIO


Chaque fonction peut à son tour faire l’objet d’une analyse (zoom)


Prendre appui dans le cockpit

Transformer l’énergie élec. en énergie méca.

Adapter l’énergie méca de rotation

Transformer l’énergie méca

Transmettre l’énergie méca à la barre

Suspension à cardan

Moteur électrique

Réducteur à engrenages

Mécanisme vis-écrou

Tête d’homme

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 l’écrou à la tige du vérin

guider la tige du vérin

Liaison pivot

encastrement

Liaison hélicoïdale

encastrement

Liaison glissière

DIAGRAMME FAST D’UN PILOTE AUTOMATIQUE DE BATEAU

DIAGRAMME FAST D’UN PILOTE AUTOMATIQUE DE BATEAU

Autre outil d’analyse: le diagramme FASTAutre outil d’analyse: le diagramme FAST®®

(Function Analysis System Technic)(Function Analysis System Technic)

Autre outil d’analyse: le diagramme FASTAutre outil d’analyse: le diagramme FAST®®

(Function Analysis System Technic)(Function Analysis System Technic)


La mécatronique au quotidien: des exemples…La mécatronique au quotidien: des exemples…La mécatronique au quotidien: des exemples…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…)

……et des remarques en guise de conclusionet des remarques en guise de conclusion……et des remarques en guise de conclusionet des remarques en guise de conclusion

MECATRONIQUE C2 MECATRONIQUE C2

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.

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.

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