mécatronique :une nouvelle démarche de conception...

-

Mécatronique : une nouvelledémarche de conceptiondes systèmes complexes

Jean-Yves Choley. LlSMMA,SupmécaParis

La conception des systèmes mécatroniques repose sur la collabora-

tion d'ingénieurs de spécialités complémentaires mais habitués àn'interagir que de manière minimale. De nouvelles méthodes de

travail s'appuyant sur des outils facilitant la co-conception pluridiscipli-naire sont devenues incontournables afin d'optimiser ces systèmes

complexes et de valider la cohérence statique et dynamique des solutionsretenues.

Après avoir tenté de définir la mécatronique, nous aborderons cettenouvelle démarche de conception en la comparant avec la démarche« traditionnelle ». Nous examinerons ensuite quelques outils nécessaires

à la mise en œuvre d'une telle approchede la conceptiondes systèmescomplexes.

Lessystèmes complexes

NDLR: suite à l'article de

Jean-Pierre Lamy publiédans le numéro précé-dent, cet article apporteun autre regard sur lamécatronique qui pourl'un est l'union de la

mécanique, de l'électro-nique, de l'informatiqueet de l'automatique etpour l'autre l'intersectionde quatre champs disci-plinaires.

- un cycle de vie allant du décollage depuis la Terrejusqu'à l'exploration du sol de la planète Mars après sonatterrissage sur celle-ci;- un système de contrôle-commande embarqué afind'assurer une certaine autonomie de comportement;- sa capacité de communiquer avec la Terre;

Un système complexe répond à un besoin défini par lecahier des charges fonctionnel:- sur l'ensemblede soncyclede vie;- en interagissant et en communiquant avec son envi-ronnement ;- en s'appuyant sur une structuremécanique au comportement gérépar une informatique, utilisant desressources électroniques et énergé-tiques...

Ainsi, un système complexe est parnature pluritechnologique, impliquantobligatoirement la pluridisciplinaritéde sa conception, depuis l'analyse dubesoin initial jusqu'à la maquettenumérique globale définissant le pro-duit à industrialiser. À titre d'exemple,nous pouvons citer le robot Sojournerde la NASAcaractérisé par:

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Figure 1 : Lerobot martien Sojourner (documents NASA,JPL):son lancement,les opérations au sol, une mécanique, une électronique, et une informatiquede contrôle-commande.

Technologies & Formations. n° 127 - Formation

.

- une autonomie énergétique reposant sur des batteries

et des panneaux solaires.

L'excellence de la conception et de la réalisation de ce

robot a permis de poser sur Mars les robots Opportunity

et Spirit, beaucoup plus performants bien que s'ap-puyant sur les mêmes principes constructifs.

Qu'est-ce que la mécatronique ?

~ Historique: les systèmes complexesdeviennent « mécatroniques })

Quelques jalons permettent de situer la mécatronique :

. Avant 1950, les systèmes complexes sont essentielle-

ment des ensembles électromécaniques.. Les années cinquante voient l'apparition des semi-conducteurs. L'électronique de commande et de puis-sance est née.

. Dans les années 1960-70, l'apparition de calculateurs

fiables permet la conception de systèmes de contrôle-commande plus performants et plus flexibles carprogrammables.. C'est en 1969 qu'apparaît chez Yaskawa ElectricCorporation (Japon) le qualificatif « mécatronique »(mechatronicen anglais) pour caractériser un systèmeintégrant étroitement des mécanismes et une électro-nique programmable.. Plus récemment, le développement des microcontrô-

leursà haute intégration et desmémoires Flashainsi quel'usage de langages de programmation évolués ontpermis la conception de systèmes mécatroniques trèsperformants dans des délais très courts.

Aujourd'hui, les systèmes mécatroniques font principa-lement appel à quatre champs disciplinaires:- la mécanique,sous la forme de mécanismeset dematériaux (statique, dynamique, RDM...), mais égaIe-ment d'hydraulique, de pneumatique... ;

Mécanique{mécanisme, matériaux,

hydraulique,

pneumatique...l

Informatique(Traitement du signal,

réseaux,gestion...)

Mécatronique

Électronique(commande, puissance,

électrotech niq ue...)

Automatique(Stratégies de contrôle-

commande, asservissements

linéaires et non-linéaires...)

Figure 2: Leschamps disciplinaires concernés par lamécatronique.

.

- l'électroniquede commandeet de puissance(micro-contrôleur, ponts de puissance, convertisseurs AIN etNIA...) ;- l'informatique (temps réel, réseaux, traitement dusignal...) ;- l'automatique (asservissements linéaires et non-linéaires,stratégies de contrôle-commande...).

À cela, il faut ajouter une dimension socioculturelle nonnégligeable. Elle prend racine dans l'obligation faite auxingénieurs et techniciens de ces différents domaines decollaborer beaucoup plus étroitement qu'auparavant.

~ La démarche « traditionnelle })

de conceptiondes systèmescomplexesLa conception traditionnelle des systèmes complexespasse le plus souvent par deux décompositions:. Une décomposition séquentielle de la conception

selon le cycle de vie du produit. Sont ainsi étudiées l'une

après l 'autre:

- la conception du produit;- le processde fabrication;- la distribution du produit (aspect commercial);- la maintenance du produit (SAV).. Un découpage du produit en sous-systèmes« métiers ». Chaque métier intervient séquentiellement

selon une démarche procédurale pour la conception:- des mécanismes;- de la motorisation;- du contrôle-commande;- de l'énergie...

À tel point que l'électronicien entend par cahier descharges fonctionnel, la liste des contraintes liées à lamachine (actionneurs, capteurs, compatibilité électro-magnétique...) sur laquelle il doit implanter les cartesélectroniques. Il en va de même de l'informaticien qui apour contrainte d'implémenter des algorithmes dansune électronique prédéfinie afin de donner vie à auxmécanismes constituant le système. Ceux-ci ont parailleurs été conçussans réel soucid'optimiser le systèmepluri-technologique et son intégration globale.

Cette démarche n'est plus compatible avec ce qu'impo-

sent les marchés actuels: qualité accrue, coûts réduits,délais de conception et de fabrication réduits, miniatu-

risation et intégration, maintenance plus aisée, recy-

clage, mondialisation des marchés... Il y a donc

nécessité d'une démarche de conception « mécatro-

nique» des systèmes complexes, permettant une opti-

misation du produit globale et non plus locale.

Technologies & Formations. n° 127

~ Lamodélisation« traditionnelle»des systèmes complexes

Elles'appuie égalementsur une décompositionfigée,cette fois-ci à caractère structurel. Ainsi, le système(figure3)comporte:- une partieopérative(PO)regroupantl'ensembledesmécanismes et actionneurs du système global;- une partie commande (PC)qui assure la gestion ducomportement global du système;- des interfacesentre la POet la PC,ainsiqu'avecl'en-vironnement du système (préactionneurs, capteurs,Interface Homme Machine...).

Chacune de ces parties est alors modél isée indépen-damment des autres, avec des outils incompatibles(CATIA, Spice...), que ce soit d'un point de vue structu-rel ou d'un point de vue comportemental.

Ce découpage sépare les métiers de la mécanique et lesmétiers du contrôle-commande (électronique, électro-mécanique et informatique). En conséquence, il nepermet pas une optimisation aisée du système,ni la véri-fication simple de la cohérence de son comportement.À ce titre, il est bon de citer Renault à propos dessystèmes mécatroniques : {( Le mariage entre mécaniqueet électronique n'a plus lieu a posteriori, mais a priori;il est inscrit dès le départ dans les gènes du système )}.

En conséquence, une nouvelle modélisation s'avèrenécessaire pour les systèmes mécatroniques.

Desexemples de systèmesmécatron iques

Avant d'envisager comment l'on peut concevoir etmodéliser un système mécatronique de manière plusefficace, nous allons donner quelques exemples d'ap-plications.

.Lestrains pendulaires permettent à une rame auto-motrice de se déplacer à grande vitesse sur des voiesexistantes, dont la géométrie n'est pas toujours favo-rable à la pratique des hautes vitesses.

InterfaceHommeMachine

(lHM)

CAPTEURS

SysIIJme physilpl.actiomeurs. elfecleurs...

Moteur Camless

.. PREACTIONNEURS~Partie

Commande

EIectroni<p> deIXJÎSSMOO.u

EIecIronilpl demeswe.u

--, ;---ConRJIeurrunérilpl (jIP. mémoire).

Irmrfaces 110.APL

Figure 3 : ~architecture PO-pc.


Train pendulaire (documents Alstom et Bombardier).

.L'aviation fait de plus en plus appel au {( fly-by-wire )}

(actionneurs hydrauliques et commandes de vol élec-triques) et au {( power-by-wire)} (actionneurs électriqueset commandes de vol électriques).

ACTOaNNEU~' "E C" AN""CE V"C ~RI"'A'R" ,,< C'A...a,EHA 'AnONN<u~ HY".AUU"U'Àe..euOTo. ..cau.. ic.cv.."u...

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Documents Airbus et Goodrich

. Le secteur automobile développe des aides à laconduite (ABS,ESP...)maiségalement de nouveauxconcepts pour les sous-systèmesdu véhicule (motorisa-tion, freinage...) :

PartieOpératlve

Frein électromagnétique

Documents Valéo, Bosh, Delphi

.

Véhicule hybride (documents Toyota)

.Des moyens de transports originaux sont égalementdéveloppés.

T~

J~

lA ~ Ce'~ ~sl,tf1, .

...

Documents Segway

.Les appareils grand public sont désormais truffés dedispositifs mécatroniques (appareils photo et vidéo, élec-troménager...) : ---

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Appareils grand public (document Canon)

.Les systèmes de production font appel à des systèmesrobotisés et automatisés complexes qui vont intégrer deplusen plusd'actionneurs({mécatroniques}) intégrés.

Documents Yaskawa Electric Corporation et DLR

.

La typologie des systèmes

mécatroniques

Un système mécatronique est un réseau cohérent defonctions mécatroniques caractérisées par leurs compor-tements propres, leurs interfaçages et leurs interactions.Il y a répartition de la gestion du système dans lescomposants qui le constituent. Ainsi, l'électronique estdistribuée dans la mécanique qui devient le packagingde l'électronique ({3D}). On distingue ([5] et [6]) :

.Les fonctions mécatroniques élémentaires (MFM:Mechatronic Function Module). Par exemple, un roule-ment, un actionneur ou un capteur intelligent.

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.MILIEU

EXTERIEURA LA FONCTION

Fonction mécatronique élémentaire (MFM)

.Lessystèmes mécatroniques autonomes (AMS: Auto-nomous Mechatronic System) obtenus par intégrationde fonctions mécatroniques élémentaires. Le Segway@ou un appareil photo numérique en sont de bonsexemples.

comport,m''''J

Ensemble des .'

autres fonctions 1

mécatroniques1constituant le

système .'AMS

Comportom,"'"

Système mécatronique autonome (AMS)

.Lessystèmesmécatroniquesen réseau (NMS: Networ-ked Mechatronic System) obtenus par intégration desystèmes mécatroniques autonomes. Ce sont des({ systèmesde systèmes})tels un avion, un TGVou encoreune ligne à grande vitesse avec son système de gestiondu trafic et un ensemble de mobiles, aiguillages, signa-lisations, IHM (interfaceshomme-machine)...

Technologies & Formations' n° 127

Fonction mécatronique (MFM)

Electronique1 Mécanique

At i )nneur]Informatique! :j;

( teurs 1

Int.d.,

Ens.mbl.dss '1

sutr.s systemes

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mecatroniques ;constituant,. system. .

NMS

Système mécatronique en réseau (NMS)

Modélisation et conceptiondes systèmes mécatroniques

~ Une démarche de conceptionmécatronique

Ellefait appel àdeux concepts d'ingénierie utilisésdansle PLM (Product LifecycleManagement) :.L'ingénierie collaborative, qui est l'essencemêmede l'approche mécatronique. Elle permet la conceptionde fonctions coupléespar intégration des aspectsméca-nique, électronique et informatique. Cette pluridiscipli-narité impose de concevoir selon le concept duco-développement (ou co-conception) du systèmemécanique, du hardware, du software et des interfacespar travail en réseauavecmise en commun d'une basede données techniques et d'une maquette numériqueglobale du système. Elle est la ressource unique utili-sable par tous les outils « métiers», qu'ils soient méca-niques (éléments finis...), électriques (compatibilitéélectromagnétique...) ou informatiques.. L'ingénierie concourante qui a pour objectif dereplacer la conception du produit dans son cycle de vie

Besoin MkH.CdCF iW''IJII'

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Lesniveauxd'analyse et de synthèse d'un système mécatronique


global. Ainsi, la conception du produit ne fait plusuniquement intervenir les concepteurs; elle fait égaie-ment appel aux personneschargéesdu développementdu process,de la fabrication du produit, de sacommer-cialisation, de samaintenance,de son recyclage...

~ Une modélisation des systèmesmécatroniquesLa modélisation d'un système mécatronique passeparquatre niveaux d'analyse et de synthèsedu système:.Un niveau d'analyse du BESOIN; cela implique:- de conduire une analysefonctionnelle «externe» afinde définir les spécifications fonctionnelles et non fonc-tionnelles du système;- deslangages«orientésobjet» telsqueSysML(dérivéde l'UML), plutôt que SADT(IDEF);Il doit permettre de définir le cahier des charges fonc-tionnel du systèmeà concevoir (CdCF).

.Un niveau d'analyse FONCTIONNELLE;c'est-à-dire:

- la conduited'une analysefonctionnelle « interne»d'une solution, d'un point de vue structurel et compor-temental ;- l'utilisation d'outils tels que le SADT,le FASTde créa-tivité et surtout SysML qui apporte la puissance d'unlangage objet;- la caractérisation de la solution par l'ensemble des

spécifications fonctionnelles et non fonctionnelles, sousforme de contraintes et relations sur les paramètrescaractéristiquesdu système.Il doit permettre d'optimiser et d'évaluer des solutionsconcurrentes.

.Un niveau de synthèse LOGIQUE:- définissant l'architecture « logique» du système(schéma cinématique, squelette fonctionnel, schémaslogiques, électriques, électroniques...) ;

- définissant un modèle minimal comporte-mental (algorithmes,Grafcet...) ;- utilisant des outils tels que Modélica, lesBondGraph, AMEsim, MATLAB-Simulink,Stateflow...

Il doit permettre un pré-dimensionnementdu système afin de vérifier et de valider lasolution retenue.

J~

"'i~p,..1 Physique

maquettenumérique

.Un niveau de synthèse PHYSIQUE,quise concrétisepar:- la maquette numérique globale duproduit, pluritechnologique, réaliste et inté-grée (géométrie 3D, cartes électroniques,codes informatiques...) ;- la maquette numérique du processen vuede l'industrialisation du produit;

~~T1A

.

- l'utilisation de CATIA, DELMIA, SPICE-ORCAD,VXWORKS...;

- la vérification du dimensionnement du produit enutilisant par exemple SIMULIA(mécanique), SPICE(élec-tronique)... ;- l'usage du concept HIL (Hardware in the loop) avecune hybridation de systèmes « simulés)} et de systèmes« physiques)} en utilisant Adams, Matrix...

Il faut noter que, à terme, la conception du processdoitrelever de la même démarche de conception que leproduit, les outils de production intégrant de plus enplus la mécatronique. L'intégration du produit devientégalement un défi pour les industriels historiquementspécialisésdans le secteur de la mécanique par exemple.En effet, intégrer une carte électronique et son logicielembarqué sur un ensemble de mécanismes et d'action-neurs implique des contraintes nouvelles au niveau duprocess,très différentesde cellesrencontrées lorsde l'in-tégration d'un composant mécanique tel qu'un roule-ment à billes!

Des outils au service de cettedémarche: deux exemples

Nousallonsaborder icideux outils « orientés objet)} très

adaptés à la conception des systèmes mécatroniques :SysML et Modelica.

~ Un langage « orienté objet )}

pour l'analyse fonctionnelle: SysMl

SysML([1] et [2]) est un langageorientéobjet «fonc-tionnel)} pour l'ingénierie des systèmes, dérivé del'UMLcher aux informaticiens.Ilpermet de :- formaliser les exigences fonctionnelles, ainsi que lescontraintes non-fonctionnelles;- définir la structure du système;

- caractériser le comportement du système;- définir les paramètres du systèmes ainsi que lescontraintes sur et entre ces paramètres: ce sont les spéci-fications du système;- vérifier la cohérence globale de cette modélisation;- générer un code XML (STEP,AP233) pour l'interfaçageavec Matlab, Scilab, ou tout autre outil de modélisation

des systèmes, tel que Modelica...

~ Un langage orienté objet pour lamodélisation multi-physique : Modelica

C'est un langage « orienté objet)} de description et desimulation multi-physique d'un système complexe, quipermet de manipuler des composants « logiques)} telsque des composants cinématiques (liaisons cinéma-tiques), dynamiques (multi-corps, inertie), électro-niques, hydrauliques...Par rapport aux « Bond Graphs )}[3] dont l'objectif est des'assurer de la cohérence « énergétique)} du système parl'analyse des transferts de pu issance entre constituantsdu système, le langage Modelica [4] permet de connec-ter les composants par les grandeurs duales d'entrées etde sorties qui les caractérisent (tension, intensité, force,vitesse, pression, débit...). Chaque composant est carac-térisé par son comportement, ses entrées et ses sorties,

quelles soient du type effort ou flux. Cette plus grandesouplesse facilite grandement la modélisation dusystème mais en contrepartie, elle nécessite de s'assurerde l'équilibre énergétique du système.

Des manques identifiés

Lesoutils décrits précédemment ne sont pas intercon-nectés. En effet, il manque un outil intégrateur pour lamaquette numérique qui doit devenir «globale)} ainsique des interfaces.Cesont:- une interfaceentre SysML(niveaux«besoins)}et fonc-tionnel) et Modelica (niveau logique) ;

- une interface entreModelica (niveaulogique) et des outilstels que CATIA(niveau physique).

" Surce point, le rachatrécent par DassaultSystèmesde Dynasim(éditeur de Dymola,outils s'appuyant surle langage Modelica)est prometteur.

D Same as UML2

D Modifie<!fromUML2

C:J New<llagramtype

De l'UML 2 à SysML (document INCOSE)

. Technologies & Formations. n° 127

1. Structure 2. Behavior

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4. Parametrics

Quelques graphes SysML: besoins, structure, comportement, paramétrique(document INCOSE)

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Lamodélisation multiphysique avec Modelica

concepts PLM d'ingénierie concouranteet de travail collaboratif sont ici essen-tiels.

La mécatronique ne doit aucunement être

un collage d'une électronique et d'uneinformatique sur un mécanisme existant;

une conception globale du système est

impérative afin d'optimiser l'intégrationdes différentes technologies. Ainsi, au-

delà des outils classiques d'analyse struc-

turelle et comportementale des systèmes,

il convient d'envisager des outils plus

adaptés à l'étude des systèmes mécatro-

niques à base de langages orientés objet

(SysML, Modelica).

Enfin, un outil de CAO capable deproduire une maquette numériquemulti-physique va devenir incontour-nable, son développement pouvant s'ap-puyer sur une modélisation tensorielledu systèmemécatronique.

RemerciementsJe tiens à remercier mes collègues de

Supméca, de l'ENSEA et de l'EISTI avec

lesquels j'ai pu échanger et travailler surle thème des systèmes mécatroniqueslors de réunions de recherche ou à carac-

tère pédagogique.

liens utileswww.sysml.orgwww.incose.orgwww.modelica.orgwww.dynasim.comwww.3ds.comwww.dlr.delrm/en/

Bibliographie[1] OMG Systems Modeling Language (OMG SysML) Tutorial,

S.Friedenthal, A. Moore, R.Steiner, 11juillet 2006, INCOSE.

[2] « System engineering in the product lifecycle ", C. Bock,lnt.J. Product Development, Vol. 2, n° 112,2005.

[3] A SysML extension for Bond Graphs support, S. Turki, T.Soria no, Supméca Toulon.

[4] « Modeling from Physical Principles ", F.E.Cellier, H. Elmq-vist, M. Otter; The Control Handbook (W.s. Levine, ed.), CRCPress, Boca Raton, FL,1996, pp. 99-108.

[5] « From mechatronics to self-optimizing concepts andstructures in mechanical engineering: new approaches to

design methodology", J.GausemeyeR, International Jour-nal of Computer Integrated Manufacturing, Vol. 18, n° 7,October-november 2005, 550-560.

[6] Designing Tomorrow's Mechanical Engineering Products,J. Gausemeier, Heinz Nixdorf Institute, University of Pader-

born, Germany.

Conclusions et perspectives

La démarche de conception mécatronique requiert lacoopération d'acteurs ayant des langages, des règles etdes contraintes différentes pour réaliser un même pro-jet à l'aide d'outils communs(CAO,base de donnéestechnique, maquette numérique...). Lacompréhensionde la complexité d'un système mécatronique ne peutêtre envisagée que si les acteurs ont des connaissancesde base communes en mécanique (dynamique...), élec-tronique (microcontrôleur...) et informatique (langagesorientés objets, temps réel...). En conséquence, les

Technologies & Formations' n° 127 - Formation .