intégration produit / process par les concepts dactivité et de caractéristiques clefs....

Intégration Produit / Process par les concepts d’activité et de caractéristiques clefs.Application au cas de l’allocation des tolérances.

Intégration Produit / Process par les concepts d’activité et de caractéristiques clefs.Application au cas de l’allocation des tolérances.

15 Octobre 2007 – CER ENSAM de Metz

Alain ETIENNE

Pr. Patrick MARTINMCf. Jean-Yves DANTAN

MCf. Ali SIADAT

ProblématiqueProblématique

Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE 3

Tolerancedesign

Parametricdesign

Solutiondesign

[TROUSSIER 2006]

[NADEAU 2002]

Processus de conception - Situation -Processus de conception - Situation -

[SCARAVETTI 2004]

[CAVAILLES 1995]

[FANCHON 1994]

[AOUSSAT 1990]

Qualification Vérification de l’adéquation avec le besoin spécifié

Conception détaillée Définition complète

à partir du concept retenu

Expression du besoinConception 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]


Intégration Produit / Process- Pourquoi ? -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.

Tolerancedesign

Objectif : Définir les tolérances limitant les variationsdes pièces et du produit, inhérentes aux processus defabrication afin de garantir les fonctionnalités de celui-ci.


Fonctions,Structure,Forme

Qualitégéométrique

Structure,Forme,Tolérances

Estimation duCoût, fabricabilité

Processus detolérancement

[DANTAN 2006]

Intégration Produit / Process- Comment ? -Intégration Produit / Process- Comment ? -

Conceptionpréliminaire

Conceptiondétaillée

Préconception duprocessus de fabrication

Produit Macro gamme de fabrication

[FENG 2000]

Fonctions,Structure,Forme

Estimation duCoût, fabricabilité


Problématique de thèseProblématique 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

l’utilisateur tout en sélectionnant les processus de fabrication et les ressources associées dont

les variations sont inhérentes ? »


SommaireSommaire

Application au cas de l’allocation des

tolérances géométriques

Définition de notre approche et des concepts

associés

Problématique

Conclusions

Définition du concept de coût pondéré qualité, de caractéristiques clés, d’activités

Application de notre démarche au cas de l’allocation des tolérances géométriques:Développements, exemple et résultats.

Notre démarcheNotre démarche

Activity Based Tolerance Allocation


Démarche ABTA – Modèle simplifiéDémarche ABTA – Modèle simplifié

Spécifications àquantifier

Spécifications allouéesoptimales

Pré-Gammes Gamme de Fabrication

RessourcesContraintes (Fonctionnelles,d’assemblage,…)

Mécanisme complètementconnu (caractéristiques quantifiées)

Connaissance métier

Méthode et outils d’optimisation

Méthode et outils de sélection du processus

Méthode et outils d’analyse des

tolérances

Optimiser l’allocation des

tolérances

Modèle du coûtpondéré qualité

KC Concept d’activité

Le concept de Key CharacteristicsLe concept de Key Characteristics

Comment Expliciter et Structurer les variations ?




tolérances


Caractéristiques clés- Définition - Caractéristiques clés- Définition -

« Une caractéristique est un paramètre ou une propriété d’une ou plusieurs entités du produit, ou d’une activité du processus, ou d’une 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

Caractéristiqueproduit

Caractéristiqueprocessus

FonctionnelleStructurelle

Intrinsèque De situation

Activité de fabrication

Ressource

est une

est une caractéristique est une caractéristique

est une caractéristique


Arborescences de caractéristiquesArborescences de caractéristiques

Contraint

FR1

PR1 PR2

T1 T2 T3

Condition Flowdown

Tp1 Tp2 Cp3

Precision andAssemblyrequirement , …

Tolerance , …

Manufacturingtolerance , …

Identification des caractéristiques et des

spécifications fonctionnelles

Définition de la structure du produit,…

Ana

lyse

fonc

itonn

elle

Con

cept

ion

pré

limin

aire

Identification des caractéristiques du produit

et des besoins

Analyse fonctionnelle du produit, …

Embrayer Tendre la courroie

Syst ème de remont ée

automatique de poids d'horloge logementFS1

FC3

FC4

FC5FC1,2

Horloge &

poids

énergie

utilisateur

Embrayer Tendre la courroie

Syst ème de remont ée

automatique de poids d'horloge logementFS1

FC3

FC4

FC5FC1,2

Horloge &

poids

énergie

utilisateur

KC1

KC11 KC12

KC Flowdown

Jeux fonctionnels, …

Con

cept

ion

de la

ga

mm

e de

fabr

icat

ion

Identification des caractéristiques du processus

et de ses capabilités

Définition du processus de fabrication,…

22

KC1211 KC1221

Dispersions de fabrication, …

dimensionnelles orientation,

Con

cept

ion

dé

taill

ée

Identification des caractéristiques des pièces

et de leurs tolérances,…

Définition des formesdes pièces,…

KC121 KC122 KC123

Dispersions

et d’…

2

Caractéristiques Processus :- Dispersions,- Vitesse d’avance 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 d’assemblage),- Tolérances,- Contraintes,- …

Comment évaluer la performance d’une solution ?

Le coût pondéré qualitéLe coût pondéré qualité




tolérances


Allocation des tolérances - Principe -Allocation des tolérances - Principe -

2IT

L

21

1IT

L

23

3IT

L

22

2IT

L

KC Flowdown Condition Flowdown

Assemblage

Pièce

2IT

Ll

1l 2l 3l

1

2

3

21

1IT

L

22

2IT

L

23

3IT

L

Comment transférer une exigence système en tolérances sur ses composants ?

? ? ?


Indicateur de performance :Coût des tolérances ?Indicateur de performance :Coût des tolérances ?

Tolérance

Coû

t C

(T) Process1

Process2

Process3

ai, bi, Ki = ???

Ne pas évaluer le coût des tolérances mais le coût impacté par celles-ci.

b

Plusieurs expressionsmathématiques

Tiki

ieb

Ki

i

iT

bKi

ii iTa TC )(

TC )(

TC )(

[SUTHERLAND 1975]

[SPOTTS 1973]

[SPECKHART 1972]


Le coût pondéré qualité- Définition -Le coût pondéré qualité- Définition -

...)(.)(.)(

ableNonAssemblPCeNonConformPCOkP

CCoût M.O.recyclage

production

Coût de production d’un 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


Le coût pondéré qualité- Besoins -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.

Quelles sont les étapes de ce processus d’évaluation ?

Evaluation de la performanceEvaluation de la performance




tolérances


Intégration au concept de KCIntégration au concept de KC

KC12 PR1 PR2

Jeu fonctionnel, …

KC121 KC122 KC123 T1 T2 T3

22

Assemblage

Pièce

Fabrication

Tolérances, …

Dispersions dimensionnelles et d’orientation, …

Exigences d’assemblage, …

A1 A2 A3 Ai

Sélection / génération

Synthèse descendante

A1 A2 A3 AiA1 A2 A3 Ai

Gammes

KC1211 KC1221

Dispersions de fabrication, …

Identification

Quantification

A1 A2 A3 Ai

Analyse Ascendante

Coût

Quantification

Propagation et

vérification

P(conforme)

P(assemblable)P(fonctionnel)

CMO

CRetrait

CProduction

Le concept d’activitéLe concept d’activité

Quel est le support de ce processus d’évaluation ?




tolérances


ObjectifsObjectifs

Activités

=> Montrer le rôle clef des activités dans notre démarche (le support commun de ses trois étapes majeures)

=> Expliciter leurs comportements informatiques


Activity Based Costing (ABC)Activity Based Costing (ABC)

Produits

Ind

ucteu

r d

’activité

Ind

ucteu

rd

e coû

t

Ind

ucteu

r de

ressou

rcesActivités

ConsommentRessources

Consomment

CONSOMMATION

ESTIMATION DU COÛT

[MEVELLEC 1993]


Sélection du Processus

ABTA – Enrichissements de l’ABCABTA – Enrichissements de l’ABC

Produits

ActivitésConsomment

RessourcesConsomment

Estimation des coûts

ESTIMATION DU COÛT C MOCRecyclageCProduction

Analyse des variations

ESTIMATION DES DISPERSIONS

)( ableNonAssemblP

)( eNonConformP

)(OkP

Génère

OccurrencePerformance


Activités dans le formalisme ABTAActivités dans le formalisme ABTA

Plusieurs types d’activités : Production, Contrôle de Conformité, Assemblage, Retrait, Logistique, …

ProduitfinalBrut Activité Activité Activité

GammeBrut Produit final

Ressources

ExigencesProbabilités

Coût

ActivitéProduit entrant Produit sortant

Ressources

Exigences,Spécifications

Variations et Probabilités

Coût


Activité de ProductionActivité de Production

Produit / Pièceà l’état j

Activité deproduction

Ressources

Exigences,Spécifications

Coûts

Caractéristiques Probabilités de respect des exigences et des spécifications

Produit / Pièceà l’état j + 1

- Exemple -- Exemple -

Activité d’usinage :

Perçage

Foret25Machine41

Posage géométrique

Spécification sur diamètre Dispersions d’usinage

Capabilité

2.82€


Spécificationde perpendicularité

IT=0.05

P(respect estimé)=0.66

Spécificationdimensionnelle

10±0.02

P(respect estimé)=1

Activité de production:

réalisation de2P3

Fraise25Machine2Surfaçage

2P1b-2P2b-2P3b

280

Activité dechangement

d’outil

2

Fraise25


réalisation de2T1,2T2

Fraise2Machine2

Forage2P1b-2P2b-2P3b


d’outil

2

Foret425


réalisation de2P3

Fraise25Machine2Surfaçage

2P1b-2P2b-2P3b

280


d’outil

2

Fraise25


réalisation de2T1,2T2

Fraise2Machine2

Forage2P1b-2P2b-2P3b


d’outil

2

Foret425

Processus de fabrication- Extrait -Processus de fabrication- Extrait -

2T2

2P3

2T1

2P2

2P1

2P4

x

z

y

2T2

2P3

2T1

2P2

2P1

2P4

x

z

y

2P1b-2P2b-2P4b 2P1b-2P2b-2P4b

14

MOOutils de mesure

Activité decontrôle

de conformitélocalisation

14

MOOutils de mesure

Activité deretrait

Occur. = 15%

2

MOConvoyeur

2

MOConvoyeur

Application dédiée à l’allocation des tolérances géométriquesApplication dédiée à l’allocation des tolérances géométriques

Du concept au logiciel


Allocation des tolérances géométriquesAllocation des tolérances géométriques

Hypothèses :Allocation des tolérances géométriques,Non prise en compte des outils spécifiques,Produits de morphologie hétérogène,Procédé limité à l’usinage,Volonté de ne pas générer de gammes,

Objectifs :Valider et implémenter les deux étapes de l’ABTA

dans le cas de l’usinage (Analyse et Synthèse).


Bilan : le rôle clef des activitésBilan : le rôle clef des activités

Ap

pro

che

par les

lA

pproche

par

domaines

Approche par analyse

des graphes

Coût pondéré

qualité

Coût paramétriques

Méthode A

BC

Propagation

par

contrainte

Sys

tèm

e

Exp

ert

App

roch

e

algo

rith

miq

ue

Activités


Les entrées Les entrées


tolérances

50 H11 EE

t2 MM A LL

t1

2 x 20 H8 EE

A

t3 A L

t3’

11

22

33

44

55

66

MM

Plusieurs spécifications géométriques à quantifier (localisation, dimensionnelles,…)

Une ou plusieurs prégammes, proposées par un gammiste

2T2

2P3

2T1

2P2

2P1

2P4

x

z

y

2T2

2P3

2T1

2P2

2P1

2P4

x

z

y

Sous phase 10:Posage sur 2P1b, 2P2b, 2P4b

Réaliser 2P3, 2T1 et 2T2Machine 3Axes

t2 M A M


Les contrôlesLes contrôles

FR1

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


tolérances


Les supportsLes supports

Connaissances métier capitalisées, modélisant

les habitudes de l’entreprise et des

gammistes.

outil

machine

opération

entitégéométrique


tolérances

Déterminer la loi de probabilité des paramètres descriptifs de

l’assemblage considérant les process de fabrication

Tirer aléatoirement une valeur àchaque paramètres descriptif

Nb(NonMontable) + 1

Évaluer l’aspect fonctionnel, la montabilité et le respect

des tolérances

Nb(Ok) + 1Nb(NonConforme)

+ 1

Calculer P(Non Montable), P(Ok), P(non-conforme)

Nb Tirage atteint ?

L’analyse des variations repose sur le couple

approche par l / simulation de MonteCarlo

La méthode d’optimisation retenue

repose sur un algorithme génétique, oùun gène = une tolérance

++


Formalisation des données & Connaissances métierFormalisation des données & Connaissances métier


Outil d’analyse de performance- Maquette logicielle -Outil d’analyse 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


Outil d’analyse de performance- Résultats -Outil d’analyse de performance- Résultats -

Moins de 30 secondes pour évaluer le coût d’une allocation de tolérances et sélectionner les gammes associées (3) à partir d’une pré-gamme

Change of Fixture

Surfacing

2P1

2P2

2P4

2P3

CutterD20L20FH45

Pointing

2P1

2P2

2P4

2D1

2D2

SpottingDrill1FH45

Drilling

2P1

2P2

2P4

2D1

2D2

DrillD20L130FH45

Quality ControlLocation 2D1 - 2D2

Recycling 15.83%

Change of Fixture84.17%

Surfacing

2D2

2D1

2P3

2P1

CutterD20L20FH45

Table Rotation Surfacing

2P4

CutterD20L20FH45

2D2

2D1

2P3


Gestion des ressources

Outil d’optimisation- Maquette logicielle -Outil d’optimisation- Maquette logicielle -

Gestion des connaissances

Optimisation des tolérances


Outil d’optimisation- Résultats -Outil d’optimisation- Résultats -

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

4

Co

ût

po

nd

éré

Itérations de l’algorithme génétique

Adaptation moyenne

Adaptation de l’individule plus adapté

Itérations de l’algorithme génétique


Start

Initialisation des données et des paramètrespropres au nouveau problème

Générer les premiers individus : lesgènes doivent appartenir au domaine d’évolution

Pour chacun de ces individus de la population

originelle, calculer leur adaptation

Convergence ounombre de générations défini atteint ?

Affichage desrésultats

Sélectionner deux individus parents

Générer un nouvel individus par croisement

mutation des gènes des parents

Le nouvel individuest il meilleur que le plus mauvais individus de la

population

Calculer l’adaptation du nouvel individu

Ajouter le nouvel individu

Start

Initialisation des données et des paramètrespropres au nouveau problème

Générer les premiers individus : lesgènes doivent appartenir au domaine d’évolution

Pour chacun de ces individus de la population

originelle, calculer leur adaptation

Convergence ounombre de générations défini atteint ?

Affichage desrésultats

Sélectionner deux individus parents

Générer un nouvel individus par croisement

mutation des gènes des parents

Le nouvel individuest il meilleur que le plus mauvais individus de la

population

Calculer l’adaptation du nouvel individu

Ajouter le nouvel individu

Optimisation de l’allocation des tolérances

A

2

Ø t1 A

x 2 Ø 20+ tmax

- tmin

L1

L2

AA

2

Ø t1 A

x 2 Ø 20+ tmax

- tmin

L1

L2

Définition des spécifications et

des pré-gamme(s)

AnalyseFonctionnelle

technique

Analyse du produit

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Sélection duProcessus

Estimation duCoût

Change of Fixture

Surfacing

2P1

2P2

2P4

2P3

CutterD20L20FH45

Pointing

2P1

2P2

2P4

2D1

2D2

SpottingDrill1FH45

Drilling

2P1

2P2

2P4

2D1

2D2

DrillD20L130FH45

Quality ControlLocation 2D1 - 2D2

Recycling 15.83%

Change of Fixture84.17%

Surfacing

2D2

2D1

2P3

2P1

CutterD20L20FH45

Table Rotation Surfacing

2P4

CutterD20L20FH45

2D2

2D1

2P3

€

MéthodeMéthode

Algorithme génétique

Algorithme / PPC

Monte CarlolCoût pondéré

- Outils retenus- Outils retenus

ConclusionsConclusions

Bilan et Travaux futurs


Produit

RessourcesProcess

[GAMA 1990]

Bilan conceptuelBilan conceptuel

CaractéristiquesExigencesTolérances

Ordonnées dansun processus

DispersionsCoût

KC

Flo

wdo

wn

Con

nais

sanc

es

KC FlowdownConnaissances

Activités


Bilan de l’approche ABTABilan de l’approche ABTA

Approche de quantification de certains paramètres de conception (tolérances) en explorant l’espace 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 d’étude,


LimitesLimites

De l’approche : Sa robustesse n’a pas été validée ni évaluée, Sa validation est limitée au cas de l’usinage Sa grande sensibilité aux données et

connaissances capitalisées, Le risque de l’explosion combinatoire,

De l’outil : Nombreuses limitations dues à la programmation

et aux choix techniques opérés. Ces limites peuvent être surpassées.


Perspectives- Amélioration de l’outil -Perspectives- Amélioration de l’outil -

Fusionner les deux maquettes de validation et terminer la programmation modulaire de l’approche,

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 l’opérabilité de l’outil avec des logiciels métiers (Delmia, SmartTeam, outils de simulation, d’analyse des tolérances 3D…)

Enrichir les types de relations de causalités entre les caractéristiques


Perspectives- Amélioration de la démarche -Perspectives- Amélioration de la démarche -

Améliorer la portée de l’approche :

Intégrer l’approche dans une démarche d’optimisation multi-objectifs (MDO)

Parametricdesign

Tolerancedesign

Usinage

ProcessControlDesign

FonderieForge

ElectroniqueOptique

…


Des questions ?Des questions ?

Publications associées à la thèse :5(+1) articles dont 2(+1) dans des revues internationales avec comitéde relecture (CII, JMS, IJPR)

Présentations associées à la thèse :4 conférences effectuées dont 2 internationales (CIRP ICME et CAT)

intégration produit / process par les concepts dactivité et de caractéristiques clefs....

Documents