Extrait 42509210 PDF [PDF]

Zitiervorschau

MÉCANIQUE

Ti152 - Fonctions et composants mécaniques

Mécatronique

Réf. Internet : 42509 | 2nde édition

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III

Cet ouvrage fait par tie de

Fonctions et composants mécaniques (Réf. Internet ti152) composé de  : Généralités et conception des systèmes mécaniques

Réf. Internet : 42181

Mécatronique

Réf. Internet : 42509

Calcul et modélisation en mécanique

Réf. Internet : 42178

Comportement en service des systèmes et composants mécaniques

Réf. Internet : 42180

Comportement mécanique des matériaux

Réf. Internet : 42179

Mécanique des éléments tournants

Réf. Internet : 42185

Assemblages et fixations mécaniques

Réf. Internet : 42177

Guidage mécanique

Réf. Internet : 42183

Étanchéité en mécanique

Réf. Internet : 42639

Transmission de puissance mécanique : accouplement, embrayage, freinage

Réf. Internet : 42184

Transmission de puissance mécanique : engrenages et liens souples

Réf. Internet : 42182

Transmission de puissance hydraulique et pneumatique

Réf. Internet : 42187

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IV

Cet ouvrage fait par tie de

Fonctions et composants mécaniques (Réf. Internet ti152) dont les exper ts scientifiques sont  : Pierre DEVALAN Ancien directeur des programmes de recherche et développement du CETIM (Centre technique des industries mécaniques)

Yves GOURINAT Chef du Département Mécanique des Structures et Matériaux - ISAE SUPAERO, Directeur de l'École Doctorale Aéronautique-Astronautique

Pascal GUAY Ingénieur INSA Lyon, Docteur ès Sciences, Expert en Tribologie chez Airbus Defence and Space

Daniel PLAY Professeur INSA Lyon

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V

Les auteurs ayant contribué à cet ouvrage sont :

Franck BARNU

Moustapha HAFEZ

Pour l’article : BM8006

Pour l’article : IN75

Wilfrid MARQUISFAVRE Pour l’article : D3065

Mohamed BENALIKHOUDJA Pour l’article : IN75

Jean-Louis BOULANGER Pour les articles : BM8070 – BM8071

Fabien HOSPITAL Pour les articles : BM8025 – BM8026

Bernard MULTON Pour les articles : BM8025 – BM8026

Audrey JARDIN Pour l’article : D3065

Jean-Pierre NIKOLOVSKI

Hubert KADIMA

Pour l’article : IN75

Pour l’article : BM8020

Marc BUDINGER Pour les articles : BM8025 – BM8026

Olivia PENAS Michel LEBRUN

Pour l’article : BM8020

Pour l’article : S7260

Régis PLATEAUX Jean-Yves CHOLEY

Jonathan LISCOUËT

Pour l’article : BM8020

Pour l’article : BM8020

Pour les articles : BM8025 – BM8026

Caroline RICHARD Pour l’article : TRI350

Christophe COMBASTEL

José LOZADA

Pour l’article : BM8020

Pour l’article : IN75

Samuel ROSELIER Pour l’article : IN75

Pierre DEVALAN

Philippe LUBINEAU

Pour l’article : BM8000

Pour l’article : BM8080

Thierry SORIANO Pour l’article : BM8020

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VI

Mécatronique (Réf. Internet 42509)

SOMMAIRE Réf. Internet

page

Introduction à la mécatronique

BM8000

9

Applications industrielles mécatroniques : quelques exemples

BM8006

13

Conception mécatronique. Vers un processus continu de conception mécatronique intégrée

BM8020

15

Simulation et CAO en automatique et mécatronique

S7260

21

Chaînes de transmission de puissance mécatroniques. Mise en place des modèles d'estimation pour la conception préliminaire

BM8025

25

Chaînes de transmission de puissance mécatroniques. Modèles d'estimation

BM8026

31

Bond graph pour la conception de systèmes mécatroniques

D3065

37

Sécurisation des systèmes mécatroniques. Partie 1

BM8070

43

Sécurisation des systèmes mécatroniques. Partie 2. Techniques de mises en sécurité d'une application logicielle

BM8071

47

Normalisation en mécatronique

BM8080

51

Innovations sur les interfaces haptiques tactiles et impactiles

IN75

53

Tribotroniques. Nouveaux champs d’applications pour la tribologie

TRI350

57

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VII

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Introduction a` la me´catronique par

Pierre DEVALAN Ancien directeur des programmes de R&D du CETIM, Consultant DEVALAN CONSEIL, Senlis, France

1.

De la conception d’un automate a` la de´marche d’inte´gration .................................................................................... BM 8 000v2 – 2

2. 2.1 2.2

De´marche de fusion et d’inte´gration .......................................... Caracte´risation des syste`mes me´catroniques ................................... Niveaux d’inte´gration me´catronique .................................................

— — —

3 3 4

3. 3.1 3.2

Composants et syste`mes me´catroniques .................................. Composants me´catroniques .............................................................. Syste`mes me´catroniques ................................................................... 3.2.1 Principe .................................................................................... 3.2.2 Ope´rations a` distance ..............................................................

— — — — —

5 5 6 6 7

4.

Domaines d’e´tude de la me´catronique .......................................

—

7

5.

Avenir : une e´volution vers d’autres domaines.........................

—

9

6.

Glossaire ...........................................................................................

—

9

Pour en savoir plus..................................................................................Doc. BM 8 000v2

a me´catronique est issue de l’inte´gration de technologies provenant de la me´canique, de l’e´lectronique, de l’automatique et de l’informatique dans la conception et dans la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa fonctionnalite´. Il ne s’agit ni d’une science, ni d’une technologie, mais d’une de´marche d’inte´gration de technologies en synergie, qui historiquement s’est d’abord impose´e sur les automatismes qui ont eu besoin de recourir aux technologies de l’e´lectronique. Puis, avec l’arrive´e de l’informatique, des microprocesseurs et de la technologie Internet, de nouveaux produits sont apparus et les possibilite´s des produits existants, qui ont inte´gre´ ces technologies, ont e´te´ de´cuple´es. La me´catronique, qui a e´merge´ a` ses de´buts dans l’ae´ronautique, s’est ensuite largement diffuse´e dans l’automobile, puis a progressivement envahi les produits de l’industrie me´canique. Toutefois, la de´marche d’inte´gration et les me´thodes de conception et de simulation associe´es n’en sont qu’a` leurs de´buts tout comme les possibilite´s ` pre´sent, ce sont offertes par l’ensemble des technologies ainsi fusionne´es. A des domaines tels que l’Internet des objets ou encore l’intelligence artificielle qui viennent apporter leur concours afin de multiplier encore les possibilite´s de cette inte´gration de technologies. Apre`s un rappel historique de cette de´marche, l’article pre´cise ce qui caracte´rise un composant ou un syste`me me´catronique, aborde quelques exemples, puis de´finit les diffe´rents domaines que recouvre la me´catronique. Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilise´s.

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｂｍＸＰＰＰ INTRODUCTION A` LA ME´CATRONIQUE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1. De la conception d’un automate a` la de´marche d’inte´gration De`s la naissance des syste`mes me´caniques, la ne´cessite´ de re´gulation du syste`me est apparue. En effet, pour maintenir un feu allume´ ou surveiller la cuisson d’un aliment, il faut eˆtre attentif et intervenir avec mesure au bon moment, ce que l’on peut traduire par le terme de re´gulation ou de re´troaction a` l’aide d’un moyen automatique. Le besoin de maintenir constantes des grandeurs physiques est donc apparu tre`s toˆt. Dans les clepsydres (au temps des Grecs), il e´tait ne´cessaire de re´guler un de´bit d’eau pour repre´senter l’e´coulement du temps ; dans les premiers fours, c’est la tempe´rature que l’on a souhaite´ maintenir constante ; dans les moulins, c’est la position des ailes par rapport au vent et la vitesse de rotation des meules qui ont fait l’objet de syste`mes de re´gulation.

a

schéma et principe

Avec l’arrive´e de la re´volution industrielle, les sources d’e´nergie, comme les machines a` vapeur au XVIIIe sie`cle, puis les turbines hydrauliques au XIXe sie`cle, provoquent une forte demande dans le domaine des techniques de re´gulation de vitesse. Les premiers re´gulateurs ont e´te´ des re´gulateurs me´caniques : par exemple, le re´gulateur de vitesse centrifuge a` boules de Watt, invente´ en 1787, qui a e´te´ utilise´ sur toutes les machines a` vapeur des grands ateliers de filature, est devenu un organe indispensable des machines de cette e´poque (figure 1). A` partir de la fin du XIXe et du de´but du XXe sie`cle, les re´gulateurs se de´veloppent sous deux formes : e´lectrique et pneumatique. Puis l’e´lectricite´ et l’e´lectronique, au milieu du XXe sie`cle, ont apporte´ une grande nouveaute´ par rapport aux premiers syste`mes me´caniques, il s’est agi de leur capacite´ a` traiter les signaux e´lectriques. Par exemple, dans les syste`mes de re´gulation, on conside`re l’e´cart entre la valeur de la grandeur re´gule´e et la valeur souhaite´e pour lui appliquer un algorithme de traitement. Avec des moyens me´caniques, il s’est ave´re´ extreˆmement complique´ d’appliquer a` ces grandeurs des ope´rateurs mathe´matiques tels que l’amplification, la de´rivation ou l’inte´gration. Avec l’ave`nement de l’e´lectronique durant la premie`re moitie´ du XXe sie`cle, les outils de traitement de l’information ont impose´ leur souplesse d’utilisation, les grandeurs physiques, telles qu’une vitesse, e´tant traduites en signaux e´lectriques puis traite´es. C’est le cas du pilotage automatique des avions qui s’est alors ave´re´ possible, ce dispositif e´tant complexe et ne´cessitant de l’e´lectronique pour stabiliser les diffe´rents parame`tres de vol (vitesse, direction, altitude…). Au milieu du XXe sie`cle, l’approche syste`me re´volutionne la me´thode d’analyse et de synthe`se des syste`mes de re´gulation et donne naissance a` la science de l’automatique. Le mot « automatique » provient du mot automate apparu au XVIIIe sie`cle. L’automatique a en effet pour origine e´tymologique le mot automate, mais pour origine scientifique et technique le domaine de la re´gulation. Le dictionnaire Nouveau Petit Robert de´finit l’automatique en ces termes : « l’ensemble des disciplines scientifiques et des techniques utilise´es pour la conception de la commande et du controˆle des processus ». Comme bon nombre de sciences, l’automatique a e´te´ pre´ce´de´e par une technique : la technique de re´gulation.

b photo

Figure 1 – Fonctionnement du re´gulateur de vitesse a` boules de Watt (photo de Joe Mabel)

me´canique et l’e´lectronique. Ce terme mechatronics a en effet e´te´ construit a` l’e´poque par combinaison de mecha de « mechanism » et tronics de « electronics », il a e´te´ de´pose´ comme marque internationale par cette entreprise et enregistre´ en 1971. Le mot ayant une porte´e ge´ne´rale et e´tant utilise´ de plus en plus largement dans le jargon technique, Yaskawa abandonna ses droits en 1982. Il y a de´sormais de nombreux utilisateurs du terme « me´catronique », et plusieurs de´finitions sont couramment donne´es. Toutefois, aucune de ces de´finitions ne peut eˆtre globale car la me´catronique n’est ni une science ni une technologie, mais un concept de fusion et d’inte´gration en e´volution permanente.

L’arrive´e des ordinateurs dans le monde industriel, au de´but des anne´es 1960, a permis alors le de´veloppement de logiciels de plus en plus sophistique´s pour le traitement des informations, ce qui a sans aucun doute contribue´ a` ouvrir un champ plus large que celui de l’automatique en fusionnant les apports de la me´canique, de l’e´lectronique et de l’informatique pour cre´er des objets techniques plus riches en fonctionnalite´s.

En France, le terme « me´catronique » est apparu pour la premie`re fois dans un dictionnaire (Petit Larousse, e´dition 2005) et une de´finition normalise´e a e´te´ publie´e en novembre 2008 (norme NF E01-010). Nous proposons la de´finition suivante, inspire´e de celle de la norme :

Le terme « me´catronique » est alors apparu, il provient de « mechatronics » invente´ en 1969 par des inge´nieurs de la socie´te´ japonaise Yaskawa Electric Corporation, fabricant de composants et syste`mes d’automatismes, pour de´signer l’alliance entre la

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｂｍＸＰＰＰ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– INTRODUCTION A` LA ME´CATRONIQUE

Apre`s ce bref historique sur l’e´volution de la me´catronique, on constate qu’il est difficile d’en donner une de´finition exacte. Ce domaine e´volue en effet tre`s vite et des interfaces avec d’autres disciplines se cre´ent au fur et mesure de son e´volution. Depuis le de´but du XXIe sie`cle, on assiste a` des de´veloppements de syste`mes dont la me´catronique constitue la base : objets connecte´s, cobots (robots collaboratifs), exosquelettes, ve´hicules autonomes, drones… pour n’en citer que quelques-uns dont les fonctions ont e´te´ conside´rablement augmente´es par les avance´es dans les domaines de l’Internet des objets, du Big data, et de l’intelligence artificielle.

Me´catronique : « De´marche visant l’inte´gration en synergie des technologies issues de la me´canique, de l’e´lectronique, de l’automatique et de l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa fonctionnalite´ ». La norme pre´cise que le terme « me´catronique », de´fini comme substantif, est aussi utilise´ comme adjectif. On peut souligner, en effet, que l’e´volution historique de la de´finition du terme montre le passage d’une description technique (incorporation de composants e´lectroniques dans les me´canismes) vers une description en termes d’association de disciplines (inge´nierie me´canique et inge´nierie e´lectronique) et de processus (conception et fabrication) pour aboutir au sens actuel associant me´thodologie et de´marche d’inge´nierie (le nom me´catronique) et description technique/fonctionnelle d’un produit (l’adjectif me´catronique).

2. De´marche de fusion et d’inte´gration 2.1 Caracte´risation des syste`mes me´catroniques

Dans l’e´volution de la me´catronique, on peut distinguer trois phases principales : – la me´catronique des anne´es 1970 e´tait relativement simple, les objets de cette e´poque faisaient principalement appel a` l’automatique, avec quelques produits tels que les portes automatiques, les appareils photo autofocus… et l’e´lectronique venait progressivement s’installer dans les syste`mes me´caniques (allumage e´lectronique des moteurs, commande nume´rique des machines-outils…). Une machine-outil a` commande nume´rique de cette e´poque e´tait capable de se commander elle-meˆme et de mesurer avec une tre`s grande pre´cision les de´placements de ses pie`ces, porte-pie`ces ou porte-outils, graˆce a` un programme informatique gardant en me´moire la description pre´cise des diffe´rentes ope´rations a` partir d’instructions pre´alablement code´es ; – au cours des anne´es 1980, le de´veloppement de la microe´lectronique et notamment des calculateurs et microprocesseurs a permis d’ame´liorer conside´rablement la capacite´ et d’augmenter la complexite´ des produits me´catroniques. Cela a permis e´galement d’introduire la notion de controˆle intelligent dans plusieurs secteurs tels que celui de la robotique, et surtout dans le secteur automobile qui a e´te´ le principal be´ne´ficiaire de cette e´volution (airbag, controˆle de vibration, syste`me antiblocage de roue…). C’est au cours de cette pe´riode que les machines ont re´ellement de´passe´ le stade de l’introduction d’automatismes ou de composants e´lectroniques par une de´marche de conception en synergie d’un syste`me associant me´canique et e´lectronique. Par exemple, les machines textiles e´taient jusque-la` conc¸ues a` partir de composants me´caniques pour transmettre de manie`re synchrone les mouvements aux navettes par un ensemble d’engrenages, d’arbres, de courroies, de poulies. On a alors re´volutionne´ l’architecture de ces machines en remplac¸ant le moteur central et la chaıˆne de transmissions me´caniques par des moteurs e´lectriques de´centralise´s alimente´s par un bus, le tout commande´ par une e´lectronique et une informatique assurant la commande et le controˆle du mouvement, et des composants tels que capteurs et actionneurs permettant a` la machine de re´guler le mouvement et d’arreˆter celle-ci en cas de dysfonctionnement ; – dans les anne´es 1990, la me´catronique a be´ne´ficie´ de l’e´volution conside´rable qui a eu lieu dans les domaines de la communication, de l’informatique et de la microe´lectronique rapide. La me´catronique a su adapter ses outils pour proposer le concept de te´le´ope´ration, la de´centralisation des taˆches et le controˆle des machines a` distance. L’intervention de l’Homme dans des environnements hostiles a donc e´te´ conside´rablement re´duite. Ces anne´es ont marque´ notablement l’e´volution de la me´catronique, qui a su en effet introduire des technologies issues de la microe´lectronique pour re´aliser des syste`mes inte´gre´s combinant capteurs et actionneurs sur le meˆme substrat. Ceci a donne´ naissance a` la micro-me´catronique et a ouvert la porte a` la miniaturisation, au micro-usinage de pre´cision, a` la fabrication collective a` faible couˆt… Il est ainsi possible de fabriquer sur un meˆme substrat, des capteurs, de l’e´lectronique de traitement de donne´es, ainsi que des actionneurs pour re´pondre a` diverses sollicitations exte´rieures. Cela est parfaitement cohe´rent avec le concept me´catronique utilise´ a` son origine : fusion et inte´gration.

Les syste`mes me´caniques se sont enrichis au cours du temps de composants non me´caniques, comme par exemple des composants e´lectriques ou e´lectroniques. Un syste`me me´catronique est donc, au de´part, un syste`me me´canique enrichi des fonctions offertes par les technologies de l’e´lectronique, de l’automatique et de l’informatique, en particulier les fonctions de captage, de traitement et de communication de l’information, de manie`re a` percevoir son milieu environnant, a` communiquer et a` agir sur ce milieu, en pre´sentant un niveau complet d’inte´gration me´catronique, du point de vue fonctionnel et physique. La de´marche inverse, c’est-a`-dire l’e´lectronique ou l’informatique qui s’enrichissent de la me´canique, est une voie plus nouvelle qu’il convient e´galement de souligner car porteuse d’innovations, comme par exemple les jeux vide´o, et plus largement les applications de la re´alite´ virtuelle qui comportent des interfaces me´caniques pour « augmenter la re´alite´ » (la pratique virtuelle de sports comme le tennis, le golf, les simulateurs de conduite en constituent des cas d’applications bien connus).

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Dans un premier temps, on pourrait caracte´riser le syste`me me´catronique par les couplages qui existent entre les grandes fonctions supple´mentaires qu’il offre par rapport a` un syste`me me´canique, qui sont celles lie´es aux interfaces avec l’environnement exte´rieur. Ces grandes fonctions sont celles qui correspondent aux actions suivantes (figure 2) : – mesurer ; – penser ; – agir ; – communiquer.

Communiquer

Agir

Figure 2 – Sche´matisation des grandes fonctions supple´mentaires offertes par un syste`me me´catronique et des e´le´ments physiques correspondants

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Applications industrielles mécatroniques : quelques exemples par

Franck BARNU Journaliste scientifique

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1.

« Mécatronique », pourquoi ?...............................................................

2.

Un immense champ d’application .......................................................

—

2

3. 3.1

— — — — — —

3 3 3 4 5 5

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5 6 6

3.5 3.6 3.7

Exemples de produits .............................................................................. Grand public ................................................................................................. 3.1.1 Clareety d’Indeep ................................................................................ 3.1.2 Fer à repasser à générateur de vapeur de Calor .............................. Industriel ....................................................................................................... Composants.................................................................................................. 3.3.1 Bague d’étanchéité Simmering MSS WP de Freudenberg Simrit................................................................................. 3.3.2 Pin Encoder Unit de SKF France ........................................................ Automobile ................................................................................................... 3.4.1 Commande pour transmission automatique à double embrayage d’Electricfil .................................................................................................... 3.4.2 Roulements instrumentés ASB de SNR ............................................ Robotique ..................................................................................................... Médical.......................................................................................................... Aéronautique ................................................................................................

— — — — —

6 7 8 8 9

4.

Conclusion..................................................................................................

—

9

3.2 3.3

3.4

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 8 006

e terme « mechatronics », francisé en « mécatronique », est apparu en 1969. Il a été forgé par deux ingénieurs japonais Tetsuro Mori et Jiveshwar Sharma, travaillant chez Yaskawa Electric Corporation, fabricant japonais de moteurs électriques et de contrôleurs. Le terme consacrait le début de la diffusion de la technologie. Elle avait vu le jour à la fin des années 1950, époque de « l'électronisation » naissante de produits mécaniques permise par le développement des transistors (le transistor lui-même a été inventé en 1947). Ce dossier propose de lister quelques applications industrielles récentes, qui ne sont ni strictement du domaine de la mécanique pure, ni de celui de l’électronique pure, mais bien de la mécatronique proprement dite.

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｂｍＸＰＰＶ APPLICATIONS INDUSTRIELLES MÉCATRONIQUES : QUELQUES EXEMPLES _____________________________________________________________________

d’obtenir des performances inimaginables en associant une électronique et une mécanique de pointe. Les disques durs d’ordinateur en sont le témoin, ce sont des bijoux technologiques. La mécanique est exceptionnelle : les disques durs tournent aujourd’hui à 15 000 tr/min ; l’électronique de commande aussi, qui pilote à haute vitesse le positionnement au nanomètre près des têtes de lecture. Sans ce mariage, les mémoires de masse magnétiques n’auraient jamais vu le jour.

1. « Mécatronique », pourquoi ? Le premier produit mécatronique vraiment significatif est certainement le robot industriel. Il inclut en effet l’intégralité des composantes de la mécatronique – la mécanique, l’électronique et une informatique de commande – et surtout, il ne peut exister que grâce à l’étroite intégration de ces trois composantes. Le premier d’entre eux a été installé dans une usine General Motors en 1961. Il avait été conçu quelques années plus tôt par le fabricant américain Unimation.

Si l’on ne cherche pas à flirter avec les limites, la mécatronique permet aussi, et ce n’est pas le moindre de ses atouts, de concevoir des systèmes offrant de hautes performances, mais à moindre coût, en minimisant à la fois la complexité de la mécanique et celle de l’électronique.

Le second développement majeur se trouve dans l’aéronautique, qui deviendra par la suite avec l’automobile un des principaux « consommateurs » de mécatronique. Il s’agit en l’occurrence des commandes de vol électriques, dites fly by wire. Elles ont été inaugurées en 1972 lors du vol du chasseur américain F8-Digital Fly-By-Wire, un appareil dont la conception avait commencé une bonne dizaine d’années plus tôt, soit au début des années 1960. Le flambeau sera repris très vite par le Concorde (premier vol commercial en 1976), le premier avion civil à intégrer ce type de commandes de vol.

Le lecteur de disques audio d’Indeep détaillé plus loin en donne une formidable illustration sur un produit conceptuellement proche d’un disque dur. En l’absence d’électronique de contrôle, la précision exigée pour le positionnement de la tête de lecture de cet appareil n’aurait pu être obtenue qu’au prix d’une complexité mécanique extrême, c’est-à-dire inaccessible en pratique à un coût raisonnable. La possibilité de recaler en temps réel par logiciel la position de la tête a permis de se contenter d’une mécanique beaucoup plus banale, donc de se situer dans une zone de coût acceptable. En l’occurrence tout le savoir-faire du mécatronicien a consisté à répartir au mieux les rôles sachant qu’une mécanique trop simple aurait exigé une électronique trop pointue et réciproquement.

Intéressante précision de vocabulaire : la mécatronique est un terme utilisé et popularisé par... les mécaniciens. Lorsqu’ils veulent parler de la même chose, c’est-à-dire de l’intégration de l’électronique et de l’informatique à des produits mécaniques, les électroniciens et les informaticiens emploient en effet un tout autre vocable. Pour eux le terme consacré est « informatique embarquée » ou, plus généralement, « électronique embarquée ». Le terme « embarqué » est d’ailleurs ambigu car, après tout, l’électronique est toujours embarquée quelque part, y compris dans les produits électroniques. Embarqué, en fait, se veut la traduction de l’américain « embedded » qui signifie « intégré à », mais au sens d’ « incrusté ». On dira qu’un morceau de verre est embedded dans la cuisse ou... qu’un journaliste est embedded dans l’armée US (cf. la première guerre du golfe). Une électronique ou une informatique embedded veut ainsi clairement désigner une électronique intégrée à autre chose qu’un produit purement électronique ou informatique. Une électronique qui s’affranchit de son domaine d’utilisation privilégié et vient s’incruster ailleurs, c’est-à-dire le plus souvent dans la mécanique.

Dernier point : confier à du logiciel des fonctions réalisées jusque-là par la mécanique a des conséquences qui vont bien au-delà de la seule simplification. Elles ouvrent des champs entièrement nouveaux. Par exemple celui de la personnalisation ou de la déclinaison en familles à coût presque nul. Pour offrir des fonctionnalités différentes, il suffit en effet de modifier quelques lignes de programme. Les commandes de vol fly by wire d’Airbus en donnent un exemple encore plus surprenant. Intégrer les lois de pilotage de l’avion dans un logiciel a eu un impact considérable sur... la structure même de l’avion ! (voir ci-dessous). On découvre ainsi à quel point le métier du mécatronicien n’est plus ni le métier du mécanicien, ni le métier de l’électronicien. C’est vraiment une façon entièrement nouvelle de considérer les problèmes. Elle impose de concevoir un produit comme un « système », et de trouver le parfait équilibre entre technologies qui assurera les performances souhaitées.

C’est d’ailleurs en définitive tout l’intérêt du terme mécatronique et en quoi il se distingue de l’électronique embarquée : il entend faire précisément référence à des produits où électronique, informatique et mécanique sont étroitement associées, conçues en synergie, et non des dispositifs mécaniques au sein desquels est venue se greffer, comme un corps étranger, une couche d’électronique. C’est là son sens profond et la raison d’être des mécatroniciens, espèce en voie... d’apparition.

La mécatronique est d’abord une affaire de composants. Les capteurs et actionneurs de tout type ont été rapidement gagnés par l’intelligence. Puis ont suivi des produits plus inattendus comme des roulements (voir plus loin) qui eux aussi se sont mis à recueillir et transmettre de l’information. Capteurs, actionneurs, moteurs... voilà de quoi construire des sous-systèmes puis des systèmes électroniques complets. On les trouve partout. Dans les produits grand public d’abord, pensez à l’autofocus des appareils photo par exemple. Dans les produits médicaux ensuite ; on parle alors de biomécatronique. Dans les produits industriels enfin qui constituent un très vaste champ d’applications. Le robot est l’exemple type du produit mécatronique pour l’industrie, mais n’importe quelle machine outil est aujourd’hui pilotée par calculateur et les moteurs industriels sont de longue date équipés de variateurs électroniques.

2. Un immense champ d’application Ce qui caractérise la mécatronique est l’immense variété de ses domaines d’application. En réalité, ils sont aussi vastes que la mécanique elle-même. La plupart des produits mécaniques ont en effet vocation à intégrer peu ou prou électronique et logiciel parce que l’intégration de ces technologies donne des ailes à la mécanique. Les produits deviennent intelligents. Ils gagnent des capacités d’acquisition et de traitement d’information. Ils deviennent communicants. Tout cela leur offre des fonctionnalités nouvelles que la seule mécanique serait bien incapable de fournir.

Reste le domaine phare de la mécatronique : les transports et, au premier chef, l’automobile et l’aéronautique. L’industrie automobile est particulièrement instructive à considérer. C’est un secteur à la fois high tech, où la production se fait en masse et où le moindre centime compte. De fait, la voiture est désormais tellement équipée de sous-ensembles mécatroniques qu’elle est devenue globalement un système mécatronique en elle-même. À tel point que certains n’hésitent pas à parler de l’automobile comme d’un « ordinateur à quatre roues », pour souligner le rôle clé qu’y joue l’électronique. Au train où vont les choses, cela finira par n’être plus une boutade...

Mieux encore, et on touche là au cœur même du projet mécatronique : l’intégration de fonctions électroniques et mécaniques au niveau d’un système a un double effet positif. Elle permet

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Conception mécatronique Vers un processus continu de conception mécatronique intégrée par

Olivia PENAS Ingénieur de recherche Laboratoire d’ingénierie des systèmes mécaniques et des matériaux (LISMMA)/Supméca

Régis PLATEAUX Enseignant-chercheur Laboratoire d’ingénierie des systèmes mécaniques et des matériaux (LISMMA)/Supméca

Jean-Yves CHOLEY Maître de conférences Laboratoire d’ingénierie des systèmes mécaniques et des matériaux (LISMMA)/Supméca

Hubert KADIMA Directeur de la recherche Laboratoire de recherche en informatique et systèmes (LARIS)/EISTI

Thierry SORIANO Professeur des Universités Laboratoire d’ingénierie des systèmes mécaniques et des matériaux (LISMMA)/Supméca

Christophe COMBASTEL Maître de conférences ECS-lab (EA no 3649) , Laboratoire électronique et commande des systèmes/ENSEA et

Alain RIVIERE

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Professeur des universités Laboratoire d’ingénierie des systèmes mécaniques et des matériaux (LISMMA)/Supméca

1.

Mécatronique, une démarche d’intégration .....................................

2.

Processus de conception mécatronique. Différents aspects ....................................................................................

—

5

3.

Conclusion..................................................................................................

—

23

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Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 8 020

a démarche de conception d’un système mécatronique peut être abordée comme une déclinaison de l’ingénierie des systèmes avec ses spécificités. Dans son approche collaborative interdisciplinaire, la mécatronique nécessite : – d’une part, de replacer la conception du produit dans son cycle de vie global ; – d’autre part, de mettre en œuvre simultanément une collaboration interdisciplinaire, utilisant une démarche commune d’intégration. La spécificité de la conception de produits mécatroniques réside dans les différents niveaux d’intégration à mettre en œuvre : intégration fonctionnelle, multidomaine et physique, pour obtenir un produit avec une plus haute valeur ajoutée. Après avoir détaillé ces différentes notions, ce dossier présentera les bonnes pratiques à mettre en œuvre pour concevoir des produits mécatroniques. Un deuxième dossier décrira en détail le processus de conception des produits mécatroniques ainsi que les outils et méthodes associés.

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CONCEPTION MÉCATRONIQUE ________________________________________________________________________________________________________

1. Mécatronique, une démarche d’intégration Concevoir consiste à faire quelque chose de nouveau (méthode, mode de réalisation...) pour satisfaire les besoins du demandeur ou de l’utilisateur selon des critères de coût, de qualité et de délai [AG 1 560]. Ces trois dernières décennies ont vu une intégration exponentielle de l’électronique et des technologies de l’information en ingénierie, d’où l’émergence de la mécatronique.

Figure 1 – Exemple d’intégration de fonctions dans un roulement (SKF)

D’après la norme NF E 01-010 (2008), la mécatronique est une démarche visant l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit, en vue d’augmenter et/ou optimiser sa fonctionnalité. Cette nouvelle approche a permis de faire évoluer de façon considérable les fonctionnalités des systèmes existants, voire d’en créer de nouvelles. Exemple : le roulement instrumenté de SKF, l’ASB® (Active Sensor Bearing ) présenté à la figure 1, intègre à la fois sa fonction mécanique de roulement et une fonction électronique de capteur. Il assure une fonction de guidage en rotation et une seconde fonction similaire à celle d'un encodeur incrémental mais basée sur la mesure du champ magnétique. Les signaux générés sont deux signaux numériques en créneaux, avec un déphasage de 90o. Après traitement de l’information, on peut compter le nombre de tours, mesurer la vitesse, l’accélération, connaître le sens de rotation.... Ces systèmes sont également caractérisés par l’intégration et l’interaction de différents domaines physiques et technologiques (automatique, mécanique, énergie fluide, électronique, électromécanique, optique, thermique, thermodynamique...).

Figure 2 – Exemple d’intégration de fonctions dans une roue (Michelin)

Enfin, les entreprises essayent de plus en plus de minimiser le volume des produits, et donc développent aussi ces nouveaux produits dans un souci de compacité et donc d’intégration physique.

de vie en phase de conception est d’autant plus fondamentale pour réduire cet impact que l’intégration est forte. Sera-t-il nécessaire de changer tout ou partie du système en cas de panne d’un organe le constituant ? Quel est le coût acceptable par le client ? Quelle est l’incidence sur le ressenti de la marque ? Ces paramètres, même s’ils sont plus généraux que le strict domaine de la mécatronique, doivent être finement étudiés.Les systèmes mécatroniques incluant une électronique de commande de plus en plus sophistiquée, associé à la nécessité incontournable de maîtriser l’ensemble du système, remettent en cause les méthodes de conception jusqu’alors basées sur un découpage par discipline « métier ». En effet, chaque spécialiste a un point de vue particulier par rapport aux sous-problèmes posés et l’association de tous ces points de vue est rarement optimale du fait des barrières de communication entre services. L’ensemble correspond rarement à la somme des différentes parties, en ce sens qu’à partir des propriétés de chacune des parties, il n’est pas du système de déduire le comportement de l’ensemble.

C’est ainsi que l’on a vu le développement du moteur-roue (moteur électrique totalement intégré dans la roue) se sophistiquer. Il supprime la transmission mécanique, réduisant ainsi le poids et l’encombrement volumique, facilite le contrôle du couple et de la vitesse pour des virages plus serrés. De plus, ce système affirme de meilleures performances grâce à un centre de gravité abaissé (meilleure tenue de route malgré un poids non suspendu plus important), en s’affranchissant d’un réducteur ou d’une boîte de vitesse ; les pertes dues à l’inertie de la transmission disparaissent, pour une plus grande autonomie. Exemple : l’« Active Wheel® » de Michelin (figure 2) est un ensemble de fonctions intégrées dans la roue et qui comprend, en plus de ses fonctions habituelles, le moteur électrique de traction, un moteur et le système de suspension active électrique qui permet de faire varier la hauteur de la caisse sur une course importante et de corriger automatiquement le roulis et le tangage, mais aussi d’incliner la caisse dans les virages pour améliorer la tenue de route, et un système de freinage à ventilation forcée. L’Active Wheel® tente de limiter les masses non suspendues, et donc l’inertie de la roue, par rapport à un moteur roue classique et, par conséquent, de préserver la tenue de route, ce qui était jusqu’ici un point faible du concept de moteur-roue.

La conception mécatronique va ainsi reposer sur une conception intégrée, basée sur l’optimisation de couplages multiples en gérant : – l’aspect de conception multiniveau (des exigences à la réalisation du prototype, avec la nécessité de descriptions multivues (système, géométrique, structurel, comportemental...) ; – l’aspect multidomaine (AMIE : Automatique, Mécanique, Informatique, Électronique) ; – les niveaux de raffinement multiéchelles ; – et enfin les interactions entre les équipes (multidisciplinaires).

Notons toutefois que cette complexité accrue s’accompagne malheureusement souvent d’une augmentation des coûts de fabrication et de réparation. La prise en compte de l’ensemble du cycle

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1.1 Intégration fonctionnelle

Exemple : prenons la fonction « Adapter une commande pour générer une puissance mécanique de rotation ». Un schéma classique de chaîne fonctionnelle serait défini par la figure 3a.

L’intégration fonctionnelle (cross-functional integration ) est une tendance de plus en plus marquée depuis l’apparition de la mécatronique.

Une solution pour supprimer « Adapter la puissance mécanique de rotation » serait d’intégrer cette fonctionnalité à la fonction « Piloter » de la figure 3b. La fonction initiale associée à un réducteur (figure 3a ) devient une problématique d’algorithme et une capacité de traitement de l’information de la fonction « Piloter » (figure 3b ).

La phase d’intégration fonctionnelle va consister à étendre le nombre de fonctions réalisées par un ou des composants au sein du même système. Ce qui, avant, était parfois réalisé implicitement devient aujourd’hui un objectif fort des industriels : chercher à intégrer de plus en plus de fonctions au sein d’un même produit.

Ce changement va non seulement conditionner l’architecture, mais aussi les composants physiques choisis qui lui sont associés (leurs puissances, conditions d’utilisation...). Remarquons enfin qu’il n’est pas non plus évident que l’optimum d’encombrement volumique corresponde à une dématérialisation totale des éléments du système.

Cette intégration a transféré des fonctions réalisées initialement par plusieurs composants dans un seul composant. Elle se caractérise ici par une diminution de l’encombrement et du nombre de composants à gérer. Les fonctions ou la décomposition de ces fonctions peuvent être liées aux solutions structurelles via un tableau croisé de correspondance fonctions/solutions (tableau 1).

1.2 Intégration multidomaine La mécatronique est une démarche d’intégration récente qui combine la mécanique, l’électronique, l’informatique, l’automatique, donc par définition multidomaine.

On peut encore améliorer cette intégration en dématérialisant certaines fonctions du système, c’est-à-dire en utilisant de l’électronique et de l’informatique pour supprimer des éléments physiques. Évidemment, l’électronique nécessitera toujours des éléments physiques, mais les fonctions remplies informatiquement et supportées par cette électronique seront dématérialisées.

La réussite d’une application mécatronique passe par une vision globale d’un système impliquant différentes disciplines jusqu’alors séparées et par la recherche de solutions pluritechniques.

Tableau 1 – Tableau croisé fonctions-solutions Solutions Roulement instrumenté

Roulement

Guider en rotation

X

X

Capter l’information de rotation

X

Amplifier le signal

X

Fonctions

Capteur magnétique

Capteur optique

X

X

Amplificateur signal électrique BF

Faisceau électrique

Microcontrôleur

X

Supporter le signal

X

Traiter le signal

X

Piloter

Transformer l'énergie électrique en énergie mécanique

Adapter la puissance électrique

a

Adapter la puissance mécanique de rotation

Capter l'état du système

avant intégration fonctionnelle

Piloter Adapter la puissance mécanique

Adapter la puissance électrique

b

Transformer l'énergie électrique en énergie mécanique

Capter l'état du système

après intégration fonctionnelle

Figure 3 – Chaîne fonctionnelle avant et après intégration fonctionnelle

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CONCEPTION MÉCATRONIQUE ________________________________________________________________________________________________________

domaines de façon exhaustive, et en général la solution passe par des plateformes hybrides multi-outils, interopérables. Cet enjeu est d’autant plus important qu’il faut également que ces outils soient capables de gérer les couplages multiphysiques (cf. § 1.3.2) à partir de ces modèles.

Répartition dynamique de la force de freinage Forces de freinage des roues

Enfin, comme le haut niveau d’intégration multidomaine des produits mécatroniques implique des couplages forts entre des données complexes à gérer, il est souvent difficile d’assurer le suivi et les mises à jour des données communes entre ces outils. Une approche système pourrait faciliter la prise en compte de ces couplages dès les premiers niveaux du cycle de vie. Par exemple SysML (2) (Langage de Modélisation de SYStèmes) (voir § 2.3.2) permet de modéliser un système sous forme de diagrammes, quel que soit le domaine et fournit ainsi un même jeu de paramètres à toutes les équipes techniques.

Figure 4 – Frein électrohydraulique SBC (Bosch-Mercedes)

1.3 Intégration physique 3D Exemple : de nombreux exemples existent dans l’évolution des systèmes d’aide à la conduite et d’assistance au conducteur. Les systèmes « brake by wire » (EMB : freins électromécaniques ; SBC : Sensotronic Brake Control/freins électrohydrauliques ; EBS : freins électroniques) permettent de s’affranchir de toute liaison hydromécanique entre la pédale de frein et les freins de roue, en introduisant l’électronique. Des capteurs enregistrent les ordres de freinage du conducteur et les transmettent sous forme de signal électrique à une unité de commande électronique, laquelle agit en conséquence sur les roues par l’intermédiaire d’actionneurs. L’actionnement de la pédale de frein électrohydraulique SBC (figure 4) agit sur le calculateur SBC, qui détermine la pression de freinage à appliquer au niveau de chacune des roues. Le mode de calcul séparé des pressions de freinage à exercer sur chacune des roues et la mesure séparée des valeurs réelles permet au calculateur SBC de réguler individuellement la pression de freinage de chaque roue par l’intermédiaire des modulateurs de pression.

1.3.1 Raisons d’une intégration poussée dans le 3D L’intégration fonctionnelle recherchée lors de la conception d’un système mécatronique conduit pratiquement systématiquement à une compacité accrue du produit. Elle s’accompagne souvent d’un gain en quantité de matériaux mis en œuvre (ce qui va dans le sens d’une démarche d’écoconception) et d’un gain de masse, le gain en coût n’étant pas forcément assuré étant donné que la fabrication et l’assemblage peuvent parfois devenir des opérations assez complexes. Nous venons de voir que concevoir un système mécatronique signifie également une intégration des différents métiers, ou domaines. Ainsi, la mécanique et l’électronique – support de la stratégie de contrôle-commande implémentée informatiquement – sont étroitement imbriquées. Alors qu’il y a encore quelques années l’électronique et la mécanique étaient séparées, l’évolution technologique va dans le sens d’une intégration croissante : plutôt qu’un simple montage d’une électronique à côté d’une mécanique, la mécatronique permet désormais d’inclure l’électronique dans la mécanique, voire même de les fusionner.

Cette conception multidisciplinaire implique que, dans un souci d’intégration, les différentes équipes techniques doivent travailler ensemble avec des liens étroits entre les différents domaines. Elle doit donc prendre en compte les couplages des informations.

Ce dernier degré d’intégration 3D implique l’usage de matériaux fonctionnalisés, c’est-à-dire assurant d’autres fonctions que le simple aspect purement structurel positionnant les composants les uns par rapport aux autres et transmettant les efforts.

Malheureusement, la plupart du temps, chacun travaille encore avec ses propres outils, méthodes et savoir-faire, sans tenir compte de l’ensemble du travail des autres équipes avant la phase d’intégration. Cet état de fait commence dès l’élaboration du cahier des charges fonctionnel (CDCF) où, trop souvent, chaque département rédige son CDCF. La vérification de la cohérence et des interactions entre ces documents se fait manuellement et généralement trop tardivement dans le cycle de conception.

Exemple : un carter peut participer activement au refroidissement d’une électronique (figure 5) ; mieux, il peut être le support de courants faibles (informationnels) ou forts (puissance). Ainsi, l’intégration mécatronique 3D de plus en plus poussée permet d’affirmer que la mécanique héberge désormais l’électronique, de même que l’électronique prend du volume et devient 3D.

Il faut donc dès le début de la conception de produits mécatroniques, prendre en compte ce besoin d’intégration multidomaine et réduire la difficulté des différentes équipes techniques à collaborer, pour partager leurs données et communiquer leur savoir, afin d’obtenir une conception cohérente et robuste.

1.3.2 Conséquences d’une intégration 3D Pour les métiers de la mécanique, cela implique désormais de maîtriser des matériaux fonctionnalisés dont les comportements devront être mieux connus. L’ingénieur mécanicien est également amené à faire du dimensionnement mécanique de composants électroniques ou de leurs supports (lead frame ). Il est également appelé à mettre en œuvre des composants multifonctionnels, un roulement instrumenté ou un composant piézoélectrique par exemple.

Un projet de conception d’un objet mécatronique nécessite de ce fait la mise en place d’une équipe projet comprenant les acteurs de chacune des disciplines impliquées, animée par un chef de projet ayant la maîtrise de l’ingénierie système. Outre ces aspects collaboratifs liés aux méthodes de travail, l’aspect multidomaine intervient aussi au niveau des langages de modélisation.

Dans le domaine de l’électronique, l’aspect 3D est une nouveauté. En effet, d’une manière générale, l’électronique est souvent conçue sous la forme de cartes 2D interconnectées (exemple des racks en informatique), alors que l’intégration mécatronique va de plus en plus imposer que cette électronique épouse les formes

En effet, un des enjeux actuels de la conception mécatronique est d’introduire l’ensemble des lois multiphysiques d’un système dans un seul modèle, toujours pour limiter les risques d’incohérences. Mais peu d’outils intègrent aujourd’hui les données multi-

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Mécanique et électronique séparées Mécanique et électronique jointes

Électronique incluse dans la mécanique

Mécanique et électronique fusionnées

Intégration croissante

Figure 5 – Projet O2M (Outils de Modélisation Mécatronique) (document Mov’eo-System@tic)

À partir de cet objectif, la démarche de conception et de réalisation d’un système mécatronique peut se décomposer suivant la démarche appelée « cycle en V ». Il s’agit d’une démarche méthodique et structurée qui permet d’aider le concepteur tout au long de son projet, depuis le cahier des charges jusqu’aux tests de réception du système, comme le spécifie le projet de norme expérimentale XP E 01-013 sur le cycle de vie et la conception des produits mécatroniques (figure 6).

complexes des pièces mécaniques, voire qu’elle utilise ces pièces pour s’alimenter ou recevoir et émettre des signaux vitaux pour le bon fonctionnement du système. Ainsi, c’est une profonde refonte de son métier à laquelle doit s’attendre l’ingénieur électronicien impliqué dans un projet de conception mécatronique. Par ailleurs, cette forte intégration volumique 3D du système mécatronique a de nombreuses conséquences qu’il faut désormais anticiper lors de la phase de conception. Cette imbrication de l’électronique dans la mécanique implique qu’elle est désormais soumise à des contraintes multiphysiques jusqu’alors peu contraignantes pour des systèmes séparés. Cela va de la contrainte mécanique à la conduction thermique, en passant par la compatibilité électromagnétique. Qui plus est, ces phénomènes multiphysiques peuvent être couplés, faiblement (dans ce cas une étude des phénomènes séparément est envisageable) ou fortement (l’analyse séparée n’est plus conseillée). Dans ce dernier cas, la notion d’interpolation des nœuds entre maillages aux éléments finis de nature différente (exemple de l’élasticité et de la thermique) va rendre la tâche du concepteur plus délicate. La prise en compte fine de ces couplages est pourtant nécessaire lorsqu’il s’agit d’optimiser le système, et d’en vérifier la fiabilité.

La démarche de cycle en V n’est pas entièrement représentative de la réalité de la phase de conception, mais permet de fixer l’ordre des étapes et le type de données échangées si la démarche était linéaire. Les produits mécatroniques incorporent de plus en plus de fonctions dans un volume dédié, de plus en plus compacts, où le couplage des différentes contraintes physiques mises en jeu, accentue le niveau de complexité. Cette complexité est également due au nombre croissant de composants à intégrer. Les relations imbriquées entre ces éléments, notamment en ce qui concerne le couplage d’informations, peuvent donc facilement dépasser l’imagination des concepteurs. Ainsi la fourniture d’un bon produit mécatronique aussi complexe ralentit le cycle de conception lors du développement du produit.

Une autre conséquence de cette forte intégration volumique touche négativement la recyclabilité du système mécatronique. En effet, la forte imbrication de l’électronique dans la mécanique, ainsi que l’usage de matériaux et de composants multifonctionnels, font que les conséquences sur le recyclage de tels composants très intégrés devront être envisagées très tôt dans le cycle de vie du produit, lors de la conception.

Enfin, de par l’aspect multidomaine des produits mécatroniques, la collaboration entre les différentes équipes métiers de concepteurs, devient primordiale dès le début de la conception. Pour chacun de ces points, de bonnes pratiques de conception sont ainsi nécessaires. Seront notamment décrites celles sur le cycle de vie des produits mécatroniques, l’aspect collaboratif et outils PLM associés, avec en perspective, une approche globale.

Enfin, également impactée par cette intégration, la maintenabilité doit être tout particulièrement étudiée lorsque des composants multifonctionnels et des matériaux fonctionnalisés sont enfouis dans le système.

2.1 Conception dans le cycle de vie des produits mécatroniques

2. Processus de conception mécatronique. Différents aspects

Dans le cycle de vie des produits mécatroniques, le souci de préserver la cohérence de la modélisation et des données lors du passage d’un niveau à un autre traduit un autre type d’intégration : l’intégration multiniveau. Beaucoup de travaux de recherche se consacrent à cet aspect de la modélisation, et les derniers outils de conception commencent à fournir des liaisons partielles entre ces niveaux : quelques outils implémentent cette démarche, dans laquelle les liens peuvent être établis entre les différentes données ainsi tracées.

L’objectif du concepteur est de fournir un produit le plus conforme possible aux besoins exprimés dans le cahier des charges fourni par le client, et sur l’ensemble de son cycle de vie.

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Simulation et CAO en automatique et mécatronique par

Michel LEBRUN Institut des sciences et techniques de l’ingénieur de Lyon Université Claude Bernard de Lyon (ISTIL-UCBL)

1. 1.1 1.2

Évolution des besoins vers des systèmes automatisés ................ Évolution des besoins ................................................................................. Notion de systèmes, sous-systèmes et composants................................

2. 2.1 2.2 2.3

Différents niveaux d’abstraction de la modélisation .................... Niveau fonctionnel ...................................................................................... Niveau système ........................................................................................... Niveau réseau .............................................................................................. 2.3.1 Domaine de l’électronique................................................................. 2.3.2 Domaine des actionneurs et systèmes fluides................................. 2.3.3 Domaine du multicorps...................................................................... Niveau géométrique....................................................................................

— — — — — — — —

3 4 4 4 5 6 6 6

3. 3.1 3.2

Aspects numériques de la simulation................................................ Modélisation mathématique....................................................................... Méthodes de modélisation ......................................................................... 3.2.1 Méthodes nodales .............................................................................. 3.2.2 Méthodes basées sur une analyse causale ...................................... 3.2.3 Spécificités numériques des domaines ............................................

— — — — — —

6 6 8 8 8 8

4.

Interfaçage entre les logiciels de modélisation ..............................

—

9

5.

Polymorphisme et modélisation..........................................................

—

9

6.

Simplification de modèle.......................................................................

—

10

7. 7.1 7.2

Exemple d’illustration............................................................................. Description d’une transmission automatique ........................................... Phase de conception du cycle (top down)................................................. 7.2.1 Étude fonctionnelle............................................................................. 7.2.2 Modèles de niveau réseau développés ............................................ Phase d’intégration du cycle de conception (bottom up) ........................

— — — — — —

11 11 12 12 13 14

Enjeux de la simulation dans l’industrie et dans l’enseignement ..........................................................................

—

15

2.4

7.3 8.

Pour en savoir plus...........................................................................................

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Doc. S 7 260

a simulation s’est développée principalement pour répondre aux besoins d’autorisation, elle concerne de ce fait essentiellement les phénomènes dynamiques. En automatique apparaît clairement la nécessité d’utiliser des modèles dynamiques « simples » ou plutôt « juste nécessaires » à partir desquels pourra s’effectuer la synthèse des lois de commande. Les premiers outils de simulation de l’automaticien furent les calculateurs analogiques à lampes suivis des circuits intégrés. Un passage rapide par les calculateurs hybrides (analogiques et numériques) à conduit ensuite à partir des années 1970 à l’utilisation

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SIMULATION ET CAO EN AUTOMATIQUE ET MÉCATRONIQUE ___________________________________________________________________________________

presque exclusive du calculateur numérique. Sur le plan de la normalisation, on trouve une normalisation des opérateurs mathématiques pour les calculateurs analogiques, suivie par le langage normalisé CSSL (Continu System Simulation Langage, 1960) [1]. Plusieurs outils de simulation ont supporté ce standard, le logiciel « leader » dans les années 1980 étant ACSL (Mitchell & Gauthier Associates). C’est aussi dans ces années que le rôle de la simulation va être bouleversé par son intégration dans le cycle de conception de systèmes incluant une électronique de commande qui devient de plus en plus sophistiquée, associée à la nécessité incontournable de maîtriser l’ensemble du système. D’une activité réservée à quelques initiés apparaît le besoin d’étendre la simulation aux activités de conception des produits modernes de grande diffusion dans lesquels l’électronique de commande décuple les possibilités, mais aussi remet en question les méthodes de conception jusqu’alors basées sur un découpage par disciplines scientifiques. En effet, chaque spécialiste a une perspective de vue par rapport aux sous-problèmes posés et l’association est rarement optimale du fait des barrières de communication entre ces spécialistes. Cette situation se résume dans la formule par laquelle on exprime que l’ensemble est plus que la somme des différentes parties, en ce sens qu’à partir des propriétés des différentes parties il n’est pas trivial de déduire le comportement de l’ensemble. De ce contexte, émerge l’idée de « conception simultanée » quelques fois nommée « approche système » ou « approche mécatronique » où la simulation joue un rôle crucial. De ce point de vue, on comprend pourquoi les outils de simulation propres à aider l’automaticien s’inscrivent dans une plate-forme d’aide à la conception présentée dans cet article et dans laquelle l’automaticien joue un rôle transversal.

Spécifications du "marketing" Fonctions opérationnelles Fonctions système

STG

Tests d'intégration

Fonctions Sous-système

cep tion

Ces trois dernières décennies ont vue une intégration exponentielle de l’électronique et des technologies de l’information en ingénierie des systèmes [2]. Ce fait a permis de faire évoluer de façon considérable les fonctionnalités des systèmes voire d’en créer de nouvelles. Les systèmes présentant de telles caractéristiques font souvent référence aux systèmes mécatroniques. Ces systèmes sont caractérisés par l’intégration et l’interaction de différents domaines physiques et technologiques [automatique, mécanique, énergie fluide (liquide et gaz), électronique, électromécanique, optique, thermique, thermodynamique...].

Tests des produits

SFC

STD

Composants

Tests des Sous-systèmes Tests des composants

tion

Con

1.1 Évolution des besoins

BS

gra

Le lecteur pourra également se reporter à la référence [1].

Fabrication BS STG STD SFC

Besoins et spécifications Spécification techniques globales Spécifications techniques détaillées Spécifications fabrication composants

Figure 1 – Cycle en V de la démarche de conception

À cela vient s’ajouter la dimension économique qui fait que ces produits sont portés par de grands groupes opérant dans un contexte de compétition sévère imposant la course permanente à l’optimisation technique associée à une réduction des temps de développement qui deviennent prédominants devant les temps de fabrication.

de vie du produit, depuis les spécifications des clients jusqu’à la production en série. Pendant la conception, l’ingénieur va développer différents concepts dépendant de l’état d’avancement dans le cycle de conception, il devra tester des solutions intermédiaires adoptant ainsi une démarche récursive l’amenant à parcourir le cycle par itérations successives le conduisant progressivement vers la solution retenue.

La problématique de conception de ces systèmes « mécatronique » peut-être représentée par le bien connu cycle en V de la figure 1, [3] [4] [5] [6]. Ce cycle est une combinaison de « top down » caractérisant la phase de conception et de développement et de « bottom up » caractérisant les tests et la validation. Ce cycle en V couvre le cycle

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Besoins clients

Inté

1. Évolution des besoins vers des systèmes automatisés

Afin de réduire les coûts ainsi que le temps de mise sur le marché des produits tout en améliorant leur qualité, il est essentiel de

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point de vue d’un ensemblier qui intègre des composants fournis par des équipementiers, ou bien que l’on est équipementier et que l’on intègre des sous-parties d’un composant. D’une manière plus générale, on parle de système et de sous-système, dont la hiérarchie n’est pas absolue dès lors que la plus petite partie d’un système peut être elle-même détaillée pour former un sous-système complexe. En fait, dans la plupart des applications d’ingénierie, cette décomposition est évidente.

mener un grand effort dès les premières phases du cycle de conception. C’est ce contexte qui impose des efforts méthodologiques de plus en plus importants en amont de la réalisation des produits entraînant l’utilisation de la modélisation et la simulation le plus tôt possible et à toutes les étapes du processus de conception [7]. Durant ce processus de conception, différents niveaux d’abstraction sont mis en œuvre. À ces niveaux d’abstraction, sont associés différents types d’outils de modélisation et de simulation définissant une Plate-forme de prototypage virtuel.

Exemple : le moteur apparaît comme l’équipement (sous-système) du véhicule, alors que le système d’injection est l’équipement du moteur, l’injecteur, l’équipement du système d’injection et ainsi de suite.

Il est clair que le modèle unique représentant le prototype virtuel pour l’ensemble de la plate-forme, n’est pas réaliste. En fait, on peut considérer qu’il y a presque autant de modèles que de questions posées et des outils mieux adaptés que d’autres (ou tout à fait inadaptés) pour répondre à certaines questions. Cela conduit à un « environnement intégré de conception » constitué d’outils différents qui ne doivent pas être considérés indépendamment les uns des autres afin d’assurer la continuité du cycle de conception.

2. Différents niveaux d’abstraction de la modélisation

Les spécifications fondamentales pour un tel environnement sont basées sur les travaux cités dans la référence [8] dans laquelle on trouve les éléments suivants. ■ L’ouverture

Dans la plupart des cas de conception, il n’est pas possible de répondre aux questions qui apparaissent au moyen d’un modèle unique. Différents modèles sont nécessaires pour décrire les différentes étapes de conception. En conséquence, différents outils de conception assistée par ordinateur sont adaptés pour modéliser et calculer les modèles correspondants. Ces outils peuvent être classifiés en accord avec leur rôle durant le processus de conception décrit par le cycle en V. Ainsi, aux différentes étapes de conception sont associés des outils de simulation répondant aux différents niveaux d’abstraction requis. D’une façon générale, un niveau d’abstraction donnant une bonne vision générale du système ne fournira que peu de détails sur le système étudié, tandis qu’un niveau d’abstraction décrivant avec précision des détails des phénomènes physiques ne donnera que la vision d’une partie du système.

Dans un contexte industriel, les outils de simulation ne doivent pas seulement répondre aux besoins de calcul d’une seule compagnie, mais doivent permettre l’échange de modèles entre équipementiers et ensembliers. Cette condition entraîne la nécessité d’utiliser des logiciels de simulation du commerce. On peut noter aussi les efforts de standardisation qui sont menés, tel que VHDL-AMS IEEE 1076.1 (1997) [9], qui représente un langage pour l’électronique digitale et analogique et qui aujourd’hui ambitionne de remplacer CSSL devenu obsolète. ■ L’interdisciplinarité La conception de systèmes mécatroniques requiert un environnement capable de supporter la modélisation de composants à partir de différents domaines de la physique et leur intégration avec d’autres modèles afin de décrire le système complet.

On identifie quatre niveaux d’abstraction : fonctionnel, système, réseau et géométrique. La figure 2 montre une certaine correspondance entre la modélisation et la conception. On notera qu’il n’y a pas toujours de correspondance exacte, ainsi il apparaît des chevauchements tel que le « système » est associé à la fois au « niveau système » et au « niveau réseau », de même que le « composant » est associé au « niveau réseau » et au « niveau géométrique ».

■ Réutilisabilité L’utilisation de librairies de modèles bien structurés et documentés permet des réductions de temps et d’effort pour les concepteurs. Cet aspect n’est pas limité à la conception en ce sens que des modèles validés peuvent être amenés à être utilisés par des ingénieurs de fabrication qui s’intéressent à l’optimisation des tolérances de fabrication dans le but de réduire les coûts de réalisation tout en satisfaisant les spécifications fonctionnelles des produits. ■ Portabilité

Niveaux de modèles

Il est courant d’associer le cycle de conception à des produits qui sont constitués d’un assemblage de composants. Cette notion est large et s’applique de la même manière selon que l’on prend le

st et te tion

ent

Niveau géométrique

1.2 Notion de systèmes, sous-systèmes et composants

Système

ppem

Niveau réseau

lo déve

Nombre de phénomènes physiques n’ont pas une représentation mathématique unique. Le fait de pouvoir disposer de plusieurs niveaux de modélisation associés à des hypothèses clairement exprimées et de pouvoir choisir facilement la complexité constitue un gage d’adaptation des modèles aux questions posées.

Fonctionnel

n et

Niveau système

eptio

■ Adaptabilité

Conc

Niveau fonctionnel

Processus de conception

Valid a

La conception de produits complexes est souvent répartie entre des équipes travaillant sur plusieurs sites. Pour cette raison, l’environnement de simulation doit être accessible via Intranet ou Internet et fonctionner sur différentes plate-formes informatiques ; UNIX et Windows.

Composant

Figure 2 – Niveaux d’abstraction associés au cycle en V de conception

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Exemple : pour une meilleur compréhension, les différents niveaux de modélisation sont illustrés sur la base d’une boîte de vitesse automatique : — « Niveau fonctionnel » : à ce niveau apparaissent les stratégies de commande discontinues de pilotage de la boîte de vitesse ; — « Niveau système » : les organes de régulation sont modélisés très simplement à ce niveau et les lois de commande sont élaborées ; — « Niveau réseau » : les composants et leurs interactions sont modélisés en couvrant l’ensemble des disciplines : électronique de puissance, électromagnétique, mécanique, hydraulique et thermique. Les lois de commande précédemment synthétisées sont affinées et validées à ce niveau ; — « Niveau géométrique » : les détails des composants sont abordés tel que l’optimisation de la forme des circuits magnétiques en utilisant des techniques d’éléments finis, de même que la forme des valves peut être optimisée par des méthodes de calcul de mécanique des fluides : volumes finis, différences finies ou éléments finis, regroupées dans la notion de CFD (Computation Fluid Dynamic ).

p (Pa) p2

pP

p1

Q1

pP (Pa) QP

pP

QP

pA

QA

pB

QB

pT

QT

P1

+

Pompe hydraulique

uref

uref ucont

Signal Contrôleur de référence

u

+

+ +

Cylindre hydraulique

P2 Q1

QB SumQB

Q2

Q2

yD

4/3 servovalve PT1

QA SumQA

y(–)

Analysons les spécificités de chacun de ces niveaux. Figure 3 – Représentation sous forme de bloc diagrammes (Simulink )

2.1 Niveau fonctionnel Il s’agit de nommer les fonctions du système étudié et d’en décrire les états successifs quand un événement de mise en action est lancé. Des outils commerciaux peuvent être utilisés à ce niveau.

QB) et les débits liés au déplacement du piston du vérin (Q1 et Q2) qui apparaissent en sortie du bloc « Cylindre hydraulique ». Les pressions P1 et P2 sont aussi les sorties de ce bloc. Les relations mathématiques de ce type de système sont détaillées dans l’article [S 7 530] Actionneurs hydrauliques, conception préliminaire. Les automaticiens sont les acteurs principaux de ce « Niveau système », une des préoccupations actuelle de ce niveau concerne la génération optimisée de code temps réel. Les modèles sont de la classe des EDO (équations différentielles ordinaires).

Exemple : STATE-MATE d’i-Logix Inc, STATE FLOW de The Mathworks Inc. Ce type de représentation d’événements concerne aussi ce que l’on nomme les automatismes qui concernent les processus à événements discontinus. Au-delà des logiciels généraux évoqués précédemment, sont commercialisés des outils dédiés à des applications spécifiques comme par exemple la simulation des processus de fabrication.

Le principal éditeur « software » de ce niveau est The Mathworks Inc. qui développe et commercialise les logiciels Matlab et Simulink . ETAS développe et commercialise ASCET qui est un outil dédié principalement à des applications automobiles telles que : contrôle moteur, systèmes ABS, contrôle de trajectoire, etc., ce logiciel assure une continuité dans la conception par sa capacité de génération de code temps réel sur des cartes électroniques dédiées aux applications citées ci-avant.

2.2 Niveau système À ce niveau, le modèle décrit le comportement du système physique et des commandes. Cette représentation comporte des « blocs diagrammes » contenant les paramètres comportementaux du système sous forme de gains, tables, courbes, délais, opérateurs mathématiques... Cette représentation « entrée-sortie » appelée signal flow est de nature purement mathématique. Il s’agit pour l’essentiel de black boxes ou grey boxes comme le montre la figure 3 qui représente la modélisation d’un système électrohydraulique comprenant quatre composants principaux : — une pompe hydraulique régulée en pression ; — une servovalve dite 4/3 (4 voies et 3 positions), ces voies sont notées P pour l’alimentation haute pression, T pour le retour à la bâche (Tank en anglais) et A et B pour les voies d’utilisation ; — un vérin hydraulique ; — le contrôleur qui reçoit le signal de commande de référence « uref » et qui commande la servovalve avec le signal de sortie « ucont ».

Citons également les logiciels « freeware » : Scilab (Inria), Octave Les outils évoqués possèdent la possibilité de mener des simulations hybrides [10] qui concernent les deux niveaux ; fonctionnel et système.

2.3 Niveau réseau Il s’agit d’un niveau de modélisation macroscopique ou lumped parameters pour lequel les éléments sont interconnectés par des règles basées sur l’échange de puissance aux interfaces. Ces interfaces étant nommées des « ports », les éléments prennent une représentation appelée « multiport ». L’interface graphique possède un pouvoir descriptif proche de la description technologique comme le montre l’exemple de la figure 4 qui représente le système hydraulique qui a été décrit au niveau système. À chaque « port » de connexion apparaissent les variables de puissance (effort et flux généralisés dont le produit est une puissance). Ainsi comme le montre le vérin représenté sur cette figure, trois ports apparaissent, un port mécanique et deux ports hydrauliques. Sur le port mécanique sont associées une variable d’effort (en N) et une variable de vitesse (en m/s), sur les ports hydrauliques sont associés les variables de pression (en bar) et de débit (en L/min). Quand deux ports sont reliés les variables associées sont forcées à être égales, de cette manière l’effort développé par le vérin est appliqué à la masse qui renvoie une vitesse. De manière

Les modèles de ces différentes parties sont décrits par des blocs d’opération entre les entrées, situées d’un côté, et les sorties situées du côté opposé. Pour la servovalve, on distingue 5 entrées et 5 sorties. En entrée, il y a 4 pressions relatives aux 4 voies (pP, pA, pB et pT) et un signal u de commande de cette valve, en sorties apparaissent 4 débits relatifs aux 4 voies (QP, QA, QB et QT) et la position de la valve à tiroir. Les couples (pP, QP), (pA, QA), (pB, QB) et (pT, QT) correspondent respectivement aux grandeurs de pression et de débit associés à chacune des voies de liaison énergétique de la servovalve avec son alimentation et le vérin. Pour le vérin hydraulique, les débits QA ou SumQA et QB ou SumQB sont les débits de compressibilité pour chaque chambre du vérin issus de la différence entre les débits provenant de la servovalve (QA et

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Chaînes de transmission de puissance mécatroniques Mise en place des modèles d’estimation pour la conception préliminaire par

Marc BUDINGER Agrégé de physique appliquée Docteur en génie électrique Maître de conférences à l’INSA de Toulouse

Jonathan LISCOUET Ingénieur ICAM Docteur en génie mécanique Ingénieur R&D chez Bombardier Aéronautique

Fabien HOSPITAL Agrégé de mécanique Doctorant à l’INSA de Toulouse et

Bernard MULTON

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Agrégé de génie électrique Docteur en génie électrique Professeur des universités à l’ENS de Cachan (site de Bretagne)

1.

Conception préliminaire d’une chaîne de transmission de puissance en mécatronique.............................................................

2.

Modélisation par lois d’échelle ............................................................

—

3.

Principales contraintes de conception des composants mécatroniques...........................................................................................

—

9

4.

Exemples d’utilisations...........................................................................

—

12

5.

Conclusion..................................................................................................

—

20

BM 8 025 - 2 5

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 8 025

a nécessaire approche multidisciplinaire des systèmes actuels de transmission de puissance amène à développer des outils de conception qui permettent de garder une vision haut niveau du système, tout en donnant suffisamment de détails pour faire des choix. En effet, pour répondre au contexte actuel d’une demande de systèmes d’entraînement électromécaniques toujours « moins chers, plus sûrs, plus légers et plus verts » avec des temps de conception de plus en plus courts, les ingénieurs doivent trouver des solutions complètes d’actionneurs de plus en plus rapidement. Dans certains de ces domaines d’application, par exemple l’aéronautique et les autres moyens de transport, les fortes contraintes de sécurité et de disponibilités font que les composants du dispositif d’actionnement doivent le plus souvent être qualifiés et conçus spécifiquement pour leurs applications. De ce fait, les ingénieurs sont amenés à travailler par demandes d’études spécifiques chez les équipementiers,

L

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BM 8 025 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｂｍＸＰＲＵ CHAÎNES DE TRANSMISSION DE PUISSANCE MÉCATRONIQUES _____________________________________________________________________________

ce qui reporte la disponibilité de l’information sur les caractéristiques du dispositif en développement. Une estimation de ces caractéristiques dès le début de projet, lors des étapes de conception préliminaire, représente un avantage considérable, par exemple pour supporter un choix de technologie ou travailler en amont l’intégration du dispositif à concevoir. Une méthodologie répondant à ce besoin d’information technique lors des étapes de conception préliminaire est présentée en deux articles. Le présent article décrit les généralités sur la méthode de modélisation choisie : modèles d’estimation, modélisation par lois d’échelle, contraintes de conception des composants mécatroniques et un exemple d’utilisation des lois d’échelle en dimensionnement. Un deuxième article [BM 8 026] contient un ensemble de modèles par famille technologique pour servir de « trousse à outils » dans laquelle l’ingénieur peut puiser ou s’inspirer pour réaliser des modèles d’estimation spécifiques. Le présent article décrit une méthodologie de modélisation analytique simple, pouvant s’adapter aux principaux composants typiques des chaînes de transmission de puissance mécatroniques. Une attention particulière est portée aux modèles de composants électromécaniques, moins développés dans la littérature que les composants hydrauliques et qui représentent souvent les nouvelles solutions de la mécatronique. Ces modèles permettent en outre d’estimer les principaux paramètres utiles aux études d’intégration (masse, encombrement), à la simulation système et aux calculs des limites de fonctionnement. L’approche de modélisation choisie se base sur les lois d’échelle et ne nécessite qu’une référence de composant déjà existant (pour chaque technologie retenue), afin d’extrapoler ses caractéristiques sur une large gamme.

1. Conception préliminaire d’une chaîne de transmission de puissance en mécatronique

– convertir cette énergie en énergie mécanique ; – adapter la puissance aux caractéristiques de la charge ; – transmettre cette puissance à la charge. Le tableau 1 synthétise les composants classiquement utilisés pour ces différentes architectures selon les différents domaines technologiques. Le présent article s’intéresse à la mise en place de la méthodologie de modélisation adaptée à la conception préliminaire mécatronique.

1.1 Présentation d’une chaîne de transmission de puissance mécatronique

1.2 Conception préliminaire : position dans le cycle de conception

Un système mécatronique permet d’enrichir les fonctionnalités des systèmes mécaniques classiques par intégration de différents domaines technologiques autour : – d’une chaîne de transmission de puissance : association de composants issus de la mécanique, de l’électrotechnique, de l’électronique de puissance ou de l’hydraulique ; – d’une chaîne de traitement de l’information : association de l’électronique, de l’instrumentation, de l’automatique, du traitement du signal, et de l’informatique.

Comme le montre la figure 2, au cours du processus de développement d’un système mécatronique, différents types de modélisation sont utilisés. Dans la phase descendante du cycle en V, le système est progressivement défini et le niveau de détails des modèles s’accroît en conséquence. Durant cette première phase, la modélisation et la simulation permettent généralement de vérifier la justesse des choix de conception. Dans un premier temps, on dispose d’une description fonctionnelle du système à développer et donc de modèles fonctionnels de simulation (outils logiciels : UML, SySML, etc.). Dans un deuxième temps, des « concepts solutions » sont identifiés et les modèles physiques de simulation (ou comportementaux) correspondants sont élaborés. Ces modèles physiques peuvent être statiques (outils logiciels : feuilles de calculs, etc.) ou temporels (outils logiciels : Matlab/Simulink, Dymola, AMESim, etc.). Durant la phase de conception spécifique, les différents composants des concepts de solutions sont définis plus en détails. Il est alors possible de réaliser des modèles 3D de ces composants (outils logiciels : Catia, Abaqus, Flux3D, etc.). Ces modèles 3D permettent de procéder à des calculs locaux (éléments finis) et ainsi de vérifier plus finement les

Cet article se focalise sur les chaînes de transmission de puissance mécatroniques comme celles rencontrées en aéronautique, automobile ou d’autres applications des systèmes embarqués ou de transports. La figure 1 donne quelques exemples d’architectures, ou association de composants, pour différentes applications. Ces chaînes de transmission de puissance doivent permettre de réaliser différentes fonctions typiques : – doser l’énergie provenant d’une source d’énergie primaire, hydraulique ou électrique, en fonction des ordres provenant de la chaîne de traitement de l’information et de contrôle ;

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｂｍＸＰＲＵ ______________________________________________________________________________ CHAÎNES DE TRANSMISSION DE PUISSANCE MÉCATRONIQUES

Vérin hydraulique double effet symétrique

Pompe à cylindrée fixe

Onduleur

Moteur synchrone à aimants permanents

Accumulateur, anticavitation et limiteur de pression

a commande de vol EHA (Electro Hydrostatic Actuator)

Moteur à courant continu et à aimants permanents

Frein à manque de courant

Filtre et hacheur de freinage rhéostatique M 3~

Batterie

M

Hacheur

Embrayage électromagnétique

Réducteur roue et vis sans fin

Redresseur

Onduleur

Réducteur Poulie

Moteur asynchrone

Pignon crémaillère b direction assistée électrique

c entraînement d'ascenseur électromécanique

Figure 1 – Exemples d’architectures de chaînes de transmission de puissance mécatroniques

Tableau 1 – Exemples de composants classiquement utilisés dans les transmissions de puissance mécatroniques ⌣ Domaine

Alimenter

Doser

Convertir

Adapter

• réseaux alternatifs • batterie d’accumulateurs

• hacheur • onduleur • contacteur et relais • embrayage • frein

moteurs : • à collecteur à courant continu • synchrones à aimants permanents • asynchrones à cage

• réducteur à trains parallèles • réducteur épicycloïdal • roue et vis sans fin • vis/écrou • pignon/crémaillère

• butées • embouts rotulés • biellettes • tiges

• pompes • compresseur • régulateur • filtres • canalisations

• orifice • distributeur • servovalve

• pompe • moteur hydraulique • vérin linéaire

–

• butées • embouts rotulés • biellettes • tiges

Électromécanique

Hydraulique

Transmettre

(1) La modélisation des composants en italique dans ce tableau sera développée dans l’article [BM 8 026].

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Exigences

Produit

Niveau fonctionnel : Modèles fonctionnels

Niveau fonctionnel : Validation des performances

Cahier des charges

Niveau paramètres localisés :

Prototype virtuel

Conception préliminaire

Modèles analytiques

Paramètres localisés → 3D

Modèles fonctionnels

Niveau paramètres localisés fin :

Macromodèles

Conception de détail : CAO, éléments finis

3D → Paramètres localisés

Niveau 3D : solide, fluide, thermique, électromagnétisme, etc.

Modèles géométriques

Figure 2 – Cycle de conception, dit « en V », d’un système mécatronique et modélisations associées

Les calculs et les modèles à développer pour répondre à ces différentes exigences nécessiteront différents types de paramètres : – paramètres d’intégration, qui permettront d’évaluer les masses, les dimensions principales des composants ; – paramètres de simulation, qui seront nécessaires aux simulations ou aux calculs (inerties, constantes de temps thermiques, électriques...) ; – paramètres de performances, qui seront nécessaires à la validation du bon fonctionnement, du respect des domaines de fonctionnement, de la durée de vie...

propriétés des composants développés. Finalement, durant la phase d’intégration système, les différents composants sont assemblés pour former les concepts de solutions et valider leurs performances. Pour ce faire, les modèles de simulation 3D, très détaillés, sont transformés en macromodèles 1D, moins détaillés et permettant de procéder à des simulations physiques. La conception préliminaire se situe sur la branche descendante du cycle et doit permettre, à partir des exigences globales, de synthétiser et d’évaluer différentes solutions et de les comparer avant d’opérer à la conception de détail. Les architectures, ou associations de composants, permettent alors de répondre aux exigences fonctionnelles du cahier des charges. Les différentes étapes de dimensionnement et de validation de ces composants doivent, quant à elles, répondre aux exigences de performances et de contraintes de conception. Le concepteur/intégrateur de système mécatronique est donc obligé de manipuler une large gamme de composants et de pouvoir les modéliser afin de répondre aux attentes suivantes :

1.3 Modèles d’estimation pour la conception préliminaire Les étapes de dimensionnement au niveau système mécatronique nécessitent des modèles (figure 3a) liant directement les caractéristiques primaires lesquelles définissent de manière fonctionnelle le composant, à ses caractéristiques secondaires, qui indiquent ses imperfections [2]. Au niveau composant, on peut disposer de modèles de conception (figure 3b) qui lient les dimensions et caractéristiques physiques des matériaux utilisés aux caractéristiques primaires et secondaires (par exemple les modèles présentés dans [D 3 554] pour les moteurs à aimants permanents).

– contraintes de conception, qui se traduisent généralement au niveau de l’intégration (masse, dimensions géométriques), de l’environnement (mécanique, vibratoire et thermique) ; – exigences de performances, qui influencent les niveaux d’efforts/vitesses, énergies/puissances, les temps de réponse/ bande passante. Ces différents critères peuvent s’exprimer pour des points de fonctionnement statiques, des profils de mission transitoires ou sur des abaques fréquentielles ; – exigences opérationnelles, qui vont imposer des taux de fiabilité sur des durées de vie données.

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L’étape de dimensionnement au niveau composant consiste à inverser ce problème pour avoir en entrée les caractéristiques

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Cet article utilise la notation proposée par M. Jufer [4], où l’évolution relative d’une grandeur x* est calculée à l’aide de la relation suivante : Caractéristiques primaires (fonctionnelles)

a

Modèle d'estimation

Caractéristiques secondaires (avec imperfections)

(1) avec xref grandeur de référence, x grandeur étudiée. Les lois d’échelle réduisent la complexité du problème inverse de la figure 3b, en utilisant deux hypothèses de modélisation sur les paramètres d’entrée : – toutes les propriétés des matériaux seront supposées identiques à celle du composant pris comme référence. Toutes les lois de similitude correspondantes seront donc égales à 1 ; par exemple :

pour la conception de systèmes mécatroniques

Problème inverse – Dimensions – Caractéristiques physiques

Modèle de conception composant

b

Caractéristiques primaires (fonctionnelles) Caractéristiques secondaires (avec imperfections)

avec E*

variations du module de Young,

ρ* masse volumique des matériaux ; – certaines dimensions varient de manière homothétique et s’expriment donc par des lois d’échelle égales à une variation de dimension note ici . Cette hypothèse, appelée similitude géométrique, est utilisée dans la définition de gammes de produits [3].

pour la conception de composant

Le nombre de paramètres d’entrée étant réduit (voir la figure 4a), il est plus facile d’exprimer les relations liant les paramètres utiles lors de la phase de conception à un petit nombre de paramètres clés appelés dans cet article « paramètres de définition ».

Figure 3 – Modèle de composant

primaires demandées. Cette inversion peut passer par des normes de dimensionnement [BM 5 623], par des solveurs algébriques ou des algorithmes d’optimisation [S 7 210]. Cette approche développée au niveau système requerrait une très grosse expertise pour chaque composant et serait donc lourde à mettre en place.

Nota : le même type de raisonnement peut être appliqué pour sélectionner les matériaux [5] d’une application donnée. Dans ce cas, les dimensions sont supposées constantes et on étudie alors l’effet des propriétés des matériaux sur les performances des composants.

Exemple de paramètres : pour un réducteur, les paramètres de définition sont le couple moyen transmissible sur l’axe lent et le rapport de réduction. Ils permettent d’estimer : – les paramètres d’intégration, comme la masse, les dimensions ou le volume ; – les paramètres de simulation, comme l’inertie ou la raideur ; – les paramètres représentatifs des domaines de fonctionnement, comme le couple maximal transitoire, la vitesse maximale, etc.

Une autre approche consiste à utiliser des bases de données de composants industriels. Ces bases de données sont cependant lourdes à mettre en place et peuvent même être impossibles à établir dans certains domaines, comme l’aéronautique, où il n’existe pas de gammes de produits standards. Pour cette même raison, les techniques de régression ou de modélisation par surfaces de réponses [R 275], bien que très utiles en optimisation, peuvent être inappropriées. Les lois d’échelle, appelées également lois de similitude ou allométriques, présentent l’avantage de ne nécessiter, à technologie donnée, qu’un composant de référence, représentatif et bien spécifié, pour estimer les caractéristiques d’une gamme complète. Ce type de modélisation a déjà été utilisé pour comparer des technologies [D 3 414], de même qu’il a déjà été utilisé pour concevoir des composants ou des gammes de composants [3]. Cette approche sera développée ici pour la conception préliminaire de systèmes mécatroniques sur les domaines technologiques et les composants définis dans le paragraphe 1.1.

2.2 Effets directs de la similitude géométrique Les paramètres représentatifs directement des grandeurs géométriques découlent facilement de l’hypothèse de similitude géométrique. Par exemple, la variation de volume d’un arbre de forme cylindrique de longueur et de rayon r est : (2)

2. Modélisation par lois d’échelle

car

. Ce résultat reste valable pour toute autre géométrie.

De la même manière, il est possible de calculer l’évolution de la masse M ou du moment d’inertie J :

2.1 Principe général (3) Les lois d’échelle étudient les effets relatifs d’un changement de dimensions géométriques sur les caractéristiques d’un composant par rapport à un composant connu de référence.

où ρm est la masse volumique.

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BM 8 025 – 5

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Chaînes de transmission de puissance mécatroniques Modèles d’estimation par

Marc BUDINGER Agrégé de physique appliquée Docteur en génie électrique Maître de conférences à l’INSA Toulouse

Fabien HOSPITAL Agrégé de mécanique Doctorant à l’INSA Toulouse

Jonathan LISCOUET Ingénieur ICAM Docteur en génie mécanique Intégrateur commandes de vol électriques chez Bombardier Aéronautique

Bernard MULTON Agrégé de génie électrique Docteur en génie électrique Professeur des universités à l’ENS de Cachan (campus de Bretagne) Avec la participation de

Jean-Charles MARE Ingénieur INSA Toulouse Docteur en génie mécanique Professeur des universités à l’INSA Toulouse et

Aurélien REYSSET Ingénieur INSA Toulouse Doctorant à l’INSA Toulouse

1.

Composants typiques des systèmes d’actionnement....................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

Transmission de puissance mécanique.............................................. Roulements et embouts rotulés.................................................................. Pignons et vis sans fin ................................................................................. Réducteurs de vitesse.................................................................................. Système vis/écrou........................................................................................

— — — — —

2 2 5 8 11

3. 3.1 3.2

Convertisseurs électromécaniques ..................................................... Moteurs électriques ..................................................................................... Actionneurs à débattement limité ..............................................................

— — —

14 14 16

4. 4.1 4.2 4.3

Transmission de puissance hydraulique ............................................ Vérin linéaire ................................................................................................ Pompes et moteurs hydrauliques à cylindrée fixe .................................... Accumulateurs hydrauliques ......................................................................

— — — —

20 20 22 23

5.

Conclusion..................................................................................................

—

26

BM 8 026 - 2

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 8 026

et article fait suite à l’article [BM 8 025] qui présente les généralités sur les modèles d’estimation, les principales hypothèses de modélisation par lois d’échelle et des exemples d’utilisation sur un cas d’application. Le présent article

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BM 8 026 – 1

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CHAÎNES DE TRANSMISSION DE PUISSANCE MÉCATRONIQUES _____________________________________________________________________________

contient un ensemble de modèles par familles technologiques pour servir de « trousse à outils » dans laquelle l’ingénieur peut puiser ou s’inspirer pour réaliser des modèles d’estimation spécifiques. Le présent article traite notamment des éléments de transmission de puissance mécanique, des convertisseurs électromécaniques, de quelques composants de transmission de puissance hydraulique. Par associations de ces composants, il est possible de reconstituer un grand nombre d’architectures mécatroniques de transmission de puissance notamment pour former des actionneurs ou des systèmes de motorisation. Dans un premier temps, le choix des paramètres de définition de chaque composant sera justifié. On cherchera à minimiser au maximum ce nombre de paramètres d’entrée. Ils correspondent aux paramètres utilisés classiquement pour sélectionner les composants dans les catalogues. Ce sont aussi ceux qui permettent de calculer tous les autres paramètres. Ils influencent de manière importante la conception du composant et seront reliés aux dimensions. Dans un second temps, les hypothèses de modélisation seront précisées, notamment sur les aspects de similitude géométrique. En effet, l’hypothèse de similitude géométrique ne peut pas toujours être appliquée strictement sur l’ensemble des dimensions d’un composant : certaines dimensions ou certains paramètres de conception peuvent être posés comme constants ou suivre une évolution spécifique. Ces hypothèses de modélisation seront complétées au niveau des principales contraintes de conception et des principales limites opérationnelles afin de donner un modèle complet du composant. Les contraintes de conception permettent de lier les dimensions du composant à ses paramètres de définition. Les hypothèses de modélisation sur les limites opérationnelles permettent d’estimer le domaine de fonctionnement à partir des dimensions ou des paramètres de définition. Par souci de simplicité et pour présenter une approche uniforme, ces différentes hypothèses seront exprimées par domaines et feront référence aux développements décrits dans l’article [BM 8 025]. Des tableaux synthétisent les modèles d’estimation sur les paramètres utiles aux simulations, aux études d’intégration (dimensions, masse) et aux calculs de dimensionnement et de sélection de composant (limites de fonctionnement en effort/flux, limites de fonctionnement en puissance). Enfin, ces lois d’échelle sont validées sur des gammes de composants industriels. Les résultats sont représentés dans des diagrammes qui peuvent être de type log-log afin de couvrir plusieurs ordres de grandeur et de représenter les lois en puissance par des droites.

1. Composants typiques des systèmes d’actionnement

2. Transmission de puissance mécanique

Cet article va développer des modèles d’estimation pour les composants les plus classiquement rencontrés dans les systèmes d’actionnement et de motorisation électromécaniques ou électrohydrauliques. De nombreuses architectures de transmission de puissance peuvent en effet être réalisées par associations des composants élémentaires suivants : – en transmission de puissance mécanique : roulements et embouts rotulés, pignons et vis sans fin, réducteurs, systèmes vis/écrou ; – pour les convertisseurs électromécaniques : machines électriques à aimants permanents, moteurs asynchrones, transducteurs à débattements limités, embrayages et freins électromagnétiques ; – en transmission de puissance hydraulique : vérin, moteurs et pompes à cylindrées fixes.

2.1 Roulements et embouts rotulés En mécanique, la liaison pivot est souvent réalisée au moyen de roulements à contacts droits ou obliques qui peuvent être constitués de deux organes de roulement différents : des billes ou des rouleaux. Le modèle de roulement présenté englobe donc ces deux types d’éléments roulants. Les embouts rotulés sont constitués de rotules qui appartiennent à la famille des éléments glissants, comme les coussinets. Ils sont souvent utilisés dans les actionneurs linéaires comme éléments de liaison avec la charge à déplacer ou comme éléments d’ancrage avec la structure porteuse.

La figure 1 donne des exemples de quelques actionneurs du domaine aérospatial utilisant ces différents composants.

BM 8 026 − 2

La figure 2 illustre ces composants élémentaires.

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_____________________________________________________________________________ CHAÎNES DE TRANSMISSION DE PUISSANCE MÉCATRONIQUES

1. Moteur brushless (représenté sans son convertisseur électronique) 2. Pompe hydraulique

5.

à cylindrée fixe 3. Accumulateur 6.

4.

3.

hydraulique 4. Valve de sélection de mode

1.

5. Limiteur de pression

2.

6. Vérin hydraulique

a actionneur EHA (Electro-Hydrostatic Actuator) d’aileron constitué d’un vérin hydraulique linéaire, d’une pompe à cylindrée fixe et d’un accumulateur

1.

2. 3. 4. 1. Moteur brushless 2. Frein à manque de courant 3. Réducteur à trains parallèles 4. Vis à rouleaux

b actionneurs EMA (Electro-Mechanical Actuator) de positionnement de tuyère ou de spoiler constitués de moteurs brushless, de réducteurs à pignons et de vis à rouleaux

Figure 1 – Exemples d’actionneurs dans le domaine aérospatial

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BM 8 026 – 3

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CHAÎNES DE TRANSMISSION DE PUISSANCE MÉCATRONIQUES _____________________________________________________________________________

■ Principales contraintes de conception retenues pour la modélisation b

La principale contrainte de conception retenue pour la modélisation du roulement est la même que celle de tous les composants mécaniques : la contrainte mécanique est constante ([BM 8 025], § 3.1.1). Cette contrainte est due à la charge statique maximale qui correspond à la pression de contact de Hertz maximale [2] obtenue pour une déformation plastique de 0,01 % des éléments roulants et de la piste de roulement.

dext

Cette charge est dépendante des rayons de courbure des pistes de roulements, de la géométrie et du nombre d’éléments roulants, ainsi que des matériaux et traitements associés. Au regard des hypothèses géométriques énoncées pour les roulements, une relation peut être établie entre C0 et la géométrie de l’élément roulant puis avec une dimension caractéristique de roulement ℓ :

dint

C0* = d *w2 = ℓ*2 pour les billes d w étant le diamètre de l’élément roulant

a roulement

(1)

C0* = d *w ℓ*a = ℓ*2 pour les rouleaux ℓ a étant la longueur du rouleau

■ Limites opérationnelles retenues

Rotule

Le domaine de fonctionnement d’un roulement est défini à partir des contraintes d’origines mécanique et thermique : 1. Limite mécanique d’intégration : l’arbre sur lequel sont montés les roulements peut être soumis à des chargements (torsion, traction, compression, flambage) qui imposent un diamètre minimal à respecter dmin-arbre. Pour assurer le montage du roulement sur cet arbre, son diamètre intérieur devra vérifier :

Embout

(2)

d int ⭓ d min−arbre

2. Limite mécanique reliée à la durée de vie : d’après la théorie de Hertz et la similitude géométrique, la charge dynamique devrait 2 , d être proportionnelle à d w w étant le diamètre des billes, ou à d w ℓ a avec dw le diamètre et ℓ a la largeur des rouleaux. Or, les essais réalisés par Palmgren et Lundberg [2] ont montré que la

b embout rotulé Figure 2 – Roulement et embout rotulé

18 , capacité de charge était proportionnelle à d w pour des diamètres de billes ne dépassant pas 25,4 mm et une puissance encore plus faible pour des diamètres supérieurs (charge proportionnelle à

2.1.1 Hypothèses de modélisation et lois d’échelle 2.1.1.1 Roulements

1,4 dw ). La différence dans l’état de tension entre un contact linéique, pour les rouleaux, et un contact ponctuel, pour les billes, se traduit par un changement d’exposant dans le calcul de la durée de vie [3] [4] [5]. Cela entraîne un changement d’exposant des variables dans la formule de charge dynamique. La charge dynamique est alors

■ Paramètres de définition Typiquement, dans les catalogues [1] [18] le premier paramètre de sélection des roulements est soit la capacité de charge nominale statique C 0 qui correspond à une déformation plastique irréversible, soit la capacité de charge dynamique C d qui correspond à un niveau de dégradation donné définissant la limite de durée de vie du composant. De manière à simplifier l’écriture des lois de similitude, la capacité de charge statique sera prise comme paramètre de définition, et la capacité de charge dynamique sera considérée comme étant une limite opérationnelle liée à la durée de vie et à la fiabilité.

107 , proportionnelle à ℓ0a,78 d w pour les roulements à rouleaux.

3. Limite mécanique dynamique liée à la vitesse de rotation : il est possible de trouver dans les catalogues une vitesse limite mécanique qui fait référence à des critères tels que la stabilité ou la résistance de la cage. Il est difficile de la définir, c’est pourquoi les constructeurs se basent en général sur leur retour d’expérience de cas d’application similaires. Elle apparaît dans les catalogues constructeur sous la forme suivante :

■ Hypothèses sur la conception et sur la similitude géométrique Les roulements sont des composants standardisés et organisés en séries (gammes), ce qui a pour but de diminuer leur coût de fabrication et de faciliter leur interchangeabilité. De plus, afin de simplifier les méthodes de fabrication et d’assemblage, les constructeurs définissent un taux de remplissage constant pour réaliser leurs gammes, ce qui signifie que le nombre d’éléments roulants z est constant. Pour une série de dimensions, on pourra donc considérer que l’ensemble des éléments constituant le roulement suivent une similitude géométrique.

BM 8 026 – 4

ω

max. mécanique

(dint + d ext ) ≈ cste ⇒ ω 2

* max. mécanique

= C 0*−1/2

(3)

4. Limite thermique : les pertes par frottements limitent la vitesse maximale de rotation des roulements. La puissance thermique dissipée par frottement peut être reliée à la vitesse maximale ([BM 8 025], § 3.4.3).

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_____________________________________________________________________________ CHAÎNES DE TRANSMISSION DE PUISSANCE MÉCATRONIQUES

Tableau 1 – Lois d’échelle établies pour les roulements et rotules Roulements Paramètres

Unités à rouleaux

à billes d w ⭐ 25, 4 mm

à billes dw > 25,4 mm

Embout à rotule

Paramètres de définition Charge statique nominale ........................................

N

C0

C0

Longueur, diamètres, largeur, profondeur.............

m

ℓ* = C 0*1/2

ℓ* = C 0*1/2

Masse .........................................................................

kg

M * = C 0*3 /2

M * = C 0*3 /2

Paramètres d’intégration

Paramètres caractéristiques des limites de fonctionnement (SOA) Charge dynamique (durée de vie)...........................

C d* = C 0*1,85 /2 ;

N

C d* = C 0*1,8 /2 ;

C d* = C 0*1,4 /2

–

= C 0*−1/2

Vitesse maximale mécanique ..................................

rad/s ou tr/min

* ω max, mécanique

Vitesse maximale thermique ...................................

rad/s ou tr/min

*−1/ 2 * ω max, thermique = C 0

–

2.1.1.2 Embouts rotulés

2.1.1.3 Synthèse des lois d’échelle pour les roulements et les rotules

■ Hypothèses sur la similitude géométrique

Les lois d’échelle établies précédemment pour les roulements et rotules sont résumées dans le tableau 1.

Les dimensions des rotules sont supposées ici suivre l’hypothèse de similitude géométrique.

■ Principales

contraintes

de

conception

retenues

pour

2.1.2 Validations

la

Les grandeurs issues des lois d’échelle ont été confrontées aux données des constructeurs [18] en s’intéressant tout particulièrement à l’estimation de la masse. La figure 3 montre la validation des modèles d’estimation. Comme expliqué précédemment, il s’agit d’une loi en puissance, représentée par des droites en échelle log-log. La tendance donnée par les lois d’échelle est bien représentative des produits des fabricants industriels. Il est intéressant de noter la large plage balayée par les lois d’échelle (rapport 1 000 au niveau de la capacité de charge admissible entre les deux extrémités).

modélisation

Le choix de la rotule constituant l’embout est déterminé par le type de force qui lui est appliqué : unidirectionnelle ou alternée, statique ou dynamique. Par définition, pour un élément glissant, un effort est dit dynamique s’il existe un mouvement de glissement. Sinon la charge est dite statique, même si la charge n’a pas une amplitude ou une direction constante. Sous charge statique, la durée de vie est alors limitée par la fatigue du matériau due aux charges alternées, alors que, sous charge dynamique, la durée de vie est limitée par l’usure au niveau des surfaces glissantes. Généralement, elle est fonction de la charge spécifique p , calculée à partir de la charge dynamique ou statique équivalente et de la vitesse de glissement v.

2.2 Pignons et vis sans fin À partir des lois dimensionnant une dent, vont être mises en place ici des lois d’échelle sur les engrenages à dentures droites (figure 4a) et sur les systèmes de roue et vis sans fin (figure 4b). Ces lois d’échelle peuvent permettre d’estimer les dimensions globales d’un réducteur par association avec celles des roulements. Les lois d’échelle permettant de dimensionner un ensemble pignon-crémaillère ne seront pas abordées ici mais peuvent également être développées en suivant la même approche que pour l’étude du pignon.

Dans beaucoup d’applications mécaniques, les rotules et les embouts rotulés sont soumis à des charges statiques unidirectionnelles. Dans une première approximation, les effets limités des mouvements lents alternés, avec des amplitudes faibles, ont été négligés. Ainsi, seule la charge spécifique dimensionne la rotule. Cette force est calculée à partir du rapport entre la charge équivalente et la section de la rotule. Ainsi, de la même manière que la contrainte limite pour les roulements, la limite de la charge spécifique de la rotule est le facteur dimensionnant. La charge spécifique admissible étant la même pour la totalité d’une gamme de produit, on peut écrire : p* =

* F eq

ℓ*2

=1

2.2.1 Hypothèses de modélisation et lois d’échelle 2.2.1.1 Pignons et roues

(4)

■ Du réducteur vers les pignons et roues Pour un réducteur à engrenages droits, les paramètres constructeur permettant de le choisir sont le couple de sortie et le rapport de réduction [19] [20] [21]. Ils sont directement liés au module et au nombre de dents du pignon, à son diamètre, ainsi qu’à son épaisseur (appelée aussi largeur). Ainsi les contraintes mécaniques sur les pignons dimensionnent la dent et la géométrie du pignon, c’est-à-dire son module, comme expliqué par la suite.

Avec p la charge spécifique, Feq l’effort équivalent et ℓ une dimension géométrique caractéristique (diamètre par exemple) de la rotule. Dans certains cas d’application, les contraintes d’interfaçage sont importantes, et finalement l’embout est choisi en fonction de son diamètre interne uniquement.

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CHAÎNES DE TRANSMISSION DE PUISSANCE MÉCATRONIQUES _____________________________________________________________________________

103 Masse roulement à billes(kg)

Pig gnon 102 10 Référence 00 Limite de validité de la loi d’échelle

10–1

Roulementts à bille

10–2 Largeur de la gamme autour de la loi d’échelle = – 59 %,+ 62 %

10–3 10–4

103

102

104

105

106

107

Capacité de charge dynamique (N)

Roue

Loi d’échelle SKF-Roulements à billes une rangée SKF-Roulements à billes à contact oblique Référence

a engrenage à axes parallèles et denture droite

a validation de lois d’échelle des roulements

102

dwh,ext

Roue

Masse rotule (kg)

10

00 10–1

dwh,int

Largeur de gamme – 22 % à + 53 %

dsc Vis

10–2 Limite de validité 10–3 10–2

10–1

10 00 Capacité de charge statique (N)

SKF-SI Series SKF-SA Series Loi d’échelle Référence

ᐍ b roue et vis sans fin Figure 4 – Engrenage droit et roue et vis sans fin

b validation de lois d’échelle des rotules

■ Hypothèses sur la similitude géométrique

Figure 3 – Validation des lois d’échelle des roulements et des rotules pour l’estimation de la masse

Le rendement global du réducteur peut être pris en compte pour augmenter légèrement le couple nominal de définition qui s’applique sur la dent du pignon. Cependant, dans la majorité des cas, cette augmentation n’a pas d’impact sur le dimensionnement du pignon et les normes considèrent le couple nominal de sortie comme le couple maximal à transmettre lors du dimensionnement [6].

Le nombre de dents est lié au rapport de réduction, à l’entraxe à assurer et aux contraintes d’interférences. Il est donc intéressant d’étudier tout d’abord le pignon.

Les hypothèses de similitude géométrique sont appliquées à la dent : similitude géométrique sur toutes ses dimensions par rapport au module m (figure 5). Cette évolution homothétique de la largeur des dents b et du module m permet d’écrire :

■ Paramètres de définition d’un pignon De la même manière que pour les lois d’échelle précédentes, chaque loi dimensionnant le pignon et la roue d’un engrenage droit peut être exprimée à partir de deux paramètres de définition :

b * = m*

– le couple nominal de définition T nom qui impacte les dimensions de la dent :

T T * = nom Tref

Comme le diamètre du pignon est directement proportionnel au module et au nombre de dents, il peut s’exprimer à l’aide de la loi d’échelle suivante :

(5)

d * = m*Z *

– le nombre de dents du petit pignon Z (qui ne peut pas être inférieur à 13 pour éviter les interférences aux pieds des dents) qui impacte les dimensions du pignon et de la roue :

Z* =

BM 8 026 – 6

Z Z ref

(7)

(8)

■ Principales contraintes de conception retenues pour la modélisation En première approximation, la contrainte admissible au niveau d’une dent est constante et liée aux limites élastiques ou de fatigue du matériau. Les lois d’échelle pour ce composant mécanique sont élaborées en supposant que la contrainte maximale admissible de flexion au pied de la dent ou de pression sur le flanc

(6)

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Bond graph pour la conception de systèmes mécatroniques par

Wilfrid MARQUIS-FAVRE Maître de conférences, HDR Enseignant/chercheur

et

Audrey JARDIN Docteur en électronique, électrotechnique et automatique Ingénieur/chercheur

1. 1.1 1.2 1.3

Exemple introductif ................................................................................. Présentation du modèle .............................................................................. Modèle direct................................................................................................ Modèle inverse.............................................................................................

2. 2.1 2.2 2.3

Concepts méthodologiques................................................................... Analyse structurelle et niveaux d’analyse ................................................. Définitions..................................................................................................... Critères d’inversibilité..................................................................................

— — — —

6 6 7 10

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Phases de conception et approche par modèle inverse................ Validité du modèle de conception .............................................................. Validité du cahier des charges .................................................................... Spécification et sélection de composants.................................................. Validation de la sélection de composants ................................................. Détermination de commandes en boucle ouverte ....................................

— — — — — —

13 13 15 17 18 20

4.

Conclusion..................................................................................................

—

21

Pour en savoir plus ...........................................................................................

D 3 065 - 2 — 2 — 3 — 4

Doc. D 3 065

À

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travers l’utilisation du langage bond graph couplé à une approche par modèle inverse pour la conception de systèmes mécatroniques sur des critères dynamiques et énergétiques, la méthodologie développée propose une démarche de conception s’inscrivant dans le cycle en V entre la phase de définition fonctionnelle du produit (concepts) et celle géométrique des composants du produit à réaliser (prototypes). Elle doit permettre au concepteur d’utiliser directement les données de son cahier des charges (spécifications) pour déterminer les inconnues de son problème de conception (dimensions des composants répondant aux critères dynamiques et énergétiques spécifiés). Un exemple sur l’utilisation du bond graph dans le contexte de la modélisation directe et inverse permet de faire brièvement un certain nombre de rappels sur le langage et de montrer son exploitation pour reconstruire une entrée d’un modèle à partir d’une spécification donnée en sortie. Les concepts clés utilisés par l’approche proposée, en particulier la notion d’analyse structurelle, permettent au concepteur de tester si son problème de conception est bien posé. Cette analyse ouvre sur différents autres niveaux d’analyse précisant à quel niveau de la structure physique (architecture, phénomènes, paramètres), la (re)conception peut avoir lieu. Pour cela, les notions de ligne de puissance, de chemin causal et de bicausalité sont introduites.

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D 3 065 – 1

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BOND GRAPH POUR LA CONCEPTION DE SYSTÈMES MÉCATRONIQUES _______________________________________________________________________

Pour chaque problématique de conception proposée, une solution méthodologique est basée sur le langage bond graph et la modélisation inverse suivant les étapes : – de validité du modèle de conception ; – de validité du cahier des charges ; – de spécification et sélection de composant ; – de validation de composant sélectionné ; – de détermination de loi de commande en boucle ouverte. Ce dossier n’a pas pour but de présenter les concepts de base du langage bond graph et le lecteur est invité à se reporter aux dossiers suivants : – « Les bond graphs et leur application en mécatronique » [S 7 222] ; – « Utilisation des graphes de lien en électronique de puissance » [D 3 064] ; – « Modélisation par bond graph – Éléments de base pour l’énergétique » [BE 8 280] ; – « Modélisation par bond graph – Applications aux systèmes énergétiques [BE 8 281] ; – « Graphes de liens causaux pour systèmes à énergie renouvelable » [D 3 970] et [D 3 971] ou à d’autres ouvrages dédiés au langage [4] [13].

1. Exemple introductif L’exemple d’un moteur à courant continu actionnant une charge inertielle en rotation permet, d’une part, d’illustrer l’idée principale de l’inversion sur laquelle repose la méthodologie mise en œuvre dans les paragraphes suivants et, d’autre part, de faire un bref rappel des notions clés du langage bond graph.

1 N

L

R

Jm u

kc Jc bc

1.1 Présentation du modèle Le schéma de principe de cet exemple est donné sur la figure 1. Le modèle de ce moteur à courant continu tient compte de la partie électrique (circuit induit avec sa source de tension u, sa résistance R et son inductance L). Le couplage électromécanique est caractérisé par une constante de couple kc et, sur la partie mécanique, les inerties Jm de l’arbre moteur et Jc de la charge sont prises en compte. Un réducteur de rapport fixe 1/N est monté entre le moteur et la charge, et des frottements de type visqueux (coefficient bc) sont supposés sur l’arbre de charge.

MSe

λɺ

1

La représentation bond graph acausale de ce modèle est donnée sur la figure 2. Le lecteur pourra se référer par exemple à [4] pour une présentation complète du langage et les règles de construction d’une représentation associée à un modèle de connaissance.

I:Jm

I:L u

Figure 1 – Schéma de principe d’un moteur à courant continu actionnant une charge en rotation

pɺ m kc ɺɺ

GY

1

I:Jc 1 N ɺɺ

TF

R:R Source de tension

pɺ c 1 ω c

Df

R:bc

Moteur

Réducteur

Charge

Capteur

Figure 2 – Représentation bond graph acausale de l’exemple du moteur à courant continu actionnant une charge en rotation

D 3 065 − 2

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________________________________________________________________________ BOND GRAPH POUR LA CONCEPTION DE SYSTÈMES MÉCATRONIQUES

éléments R, celle de dissipation d’énergie. D’autres niveaux d’analyse, notamment exploitant la notion de causalité, permettent d’accroître la connaissance des propriétés du modèle.

Bien que toutes les informations mathématiques sur le comportement de ce modèle soient présentes dans cette représentation, le qualificatif « acausal » signifie qu’aucune option n’a encore été prise sur l’organisation des équations régissant ce comportement. Ce niveau de représentation informe sur les hypothèses de phénomènes physiques pris en compte et la manière dont ils sont connectés entre eux, « énergétiquement » parlant. Cette représentation permet de mener différents types d’étude sans avoir à réécrire le modèle.

Les liens bond graph (demi-flèches) entre les différents éléments indiquent les connexions énergétiques entre les phénomènes et donc un flux d’énergie mesuré par une puissance. La puissance s’écrit comme le produit de deux variables de puissance (tension-courant dans le domaine électrique et couple-vitesse angulaire dans le domaine de la mécanique de rotation autour d’un axe). En outre, ce système possède une entrée de commande u et une variable de sortie que l’on souhaite observer ou commander, la position angulaire de l’arbre de charge. Observer cette position revient dans la représentation bond graph à observer, dans une certaine mesure, la vitesse angulaire associée ωc (détecteur de flux Df). Ces variables u et ωc sont une entrée et une sortie « naturelles » pour le système physique et la fonction qu’il assure.

Par exemple, la forme acausale des équations associées à la représentation bond graph de la figure 2 du circuit électrique du moteur à courant continu est : λ − Li = 0 et λɺ − u = 0 pour l’élément I:L L

λ i uL

flux magnétique total embrassé par le bobinage de l’induit, courant dans le circuit, tension aux bornes de la bobine,

avec

uR

tension aux bornes de la résistance,

avec

e ωm Cm

avec

Le qualificatif « naturel » renvoie ici à la notion de causalité physique postulant qu’un événement vu comme un effet ne peut précéder un événement qui en est la cause. Sur l’exemple du moteur à courant continu, la vitesse angulaire ωc (effet) ne peut précéder la tension u (cause). Il est fait écho à cette remarque lors de la présentation du modèle inverse « inversant » mathématiquement les rôles des entrées et des sorties, et rompant ainsi avec cette notion de causalité physique : dès lors, le modèle inverse correspond à un point de vue non plus physique mais purement mathématique.

uR − Ri = 0 pour l’élément R:R e − k cωm = 0 et Cm − k c i = 0 pour l’élément GY:k c force contre-électromotrice, vitesse angulaire de l’arbre moteur, couple moteur, u − uL − uR − e = 0 pour la jonction 1

1.2 Modèle direct

Un niveau de lecture technologique montre distinctement sur la figure 2 les différentes parties du modèle : – source de tension ; – moteur ; – réducteur ; – charge ; – capteur. Le niveau de lecture phénoménologique de cette représentation met en évidence dans le circuit induit du moteur : – une source d’effort modulée (élément MSe) ; – les phénomènes d’induction (élément I:L ) – et les dissipations par effet Joule (élément R:R ). La dynamique de ce circuit est régie par la loi des mailles (jonction 1) entre ces phénomènes et le couplage électromécanique est représenté par une transduction d’énergie idéalisée (gyrateur GY:k c). Dans le domaine mécanique, l’étage associé au moteur met en évidence : – les phénomènes cinétiques de l’arbre moteur en rotation (élément I:J m).

Lorsque les entrées et les paramètres du modèle sont donnés, il est possible de déterminer les sorties de ce modèle (figure 3) en exprimant les équations régissant son comportement (équations différentielles pour un modèle dynamique) puis en les résolvant, généralement numériquement (simulation). Un modèle direct est obtenu à partir de la représentation bond graph acausale en lui affectant une causalité de calcul. Cette causalité se matérialise graphiquement par des traits placés à une des deux extrémités de chaque lien bond graph indiquant la manière dont sont affectées les différentes variables du bond graph dans les équations de ses éléments. À partir de procédures d’affectation causale reposant sur les contraintes locales des éléments bond graph (par exemple, une source d’effort impose un effort et tout phénomène ou sous-système ne peut imposer à la fois l’effort et le flux – autrement dit la puissance) d’une part et les contraintes globales de sa structure de jonction d’autre part, il est possible d’organiser graphiquement et de manière systématique le système d’équations différentielles (modèles d’état) régissant le comportement dynamique du modèle. Dans ce système d’équations, les variables d’état sont les variables d’énergie des éléments de stockage d’énergie (flux magnétique total λ pour le bobinage de l’induit et les moments cinétiques pm et pc des arbres en rotation dans l’exemple du moteur à courant continu) [4].

Et l’étage associé à la charge en sortie met en évidence : – les phénomènes cinétiques de l’arbre de charge en rotation (élément I:J c) ; – les frottements sur palier (élément R:b c). La dynamique de rotation de ces deux arbres est régie par la loi fondamentale de la dynamique (respectivement une jonction 1 pour chaque arbre). Enfin, un réducteur idéalisé assure une transduction d’énergie instantanée et sans perte entre le moteur et la charge en sortie (élément TF:1/N ).

Remarque : dans le langage bond graph, la notion de causalité de calcul se réfère à la manière dont est exploitée une équation pour assigner à une variable le résultat d’une fonction d’autres variables. Il s’agit d’une causalité de calcul à distinguer de la causalité physique évoquée précédemment. Le contexte d’utilisation de cette notion dans la suite de ce dossier étant non ambigu, nous ferons référence à la causalité de calcul en employant simplement le terme de causalité. Néanmoins, ces deux notions coïncident lorsque le point de vue global d’un modèle entrée/sortie est adopté. Ce ne sera pas le cas dans nos développements exploitant plutôt des modèles de connaissance.

Remarque : les lettres précédées de deux points après les noms des éléments bond graph représentent les paramètres caractérisant les phénomènes. Les éléments présents dans la représentation donnent des indications sur le type de phénomène pris en compte dans le modèle. Par exemple, les éléments I sur la représentation bond graph de la figure 2 indiquent la présence de stockage d’énergie et les

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BOND GRAPH POUR LA CONCEPTION DE SYSTÈMES MÉCATRONIQUES _______________________________________________________________________

Tableau 1 – Paramètres du modèle du moteur à courant continu actionnant une charge en rotation

Paramètres (donnés)

Entrées (données)

Sorties (à déterminer)

Modèle du système

Figure 3 – Schéma de l’organisation des grandeurs pour un modèle direct

I:L u MSe

1

e i

kc ɺɺ GY

pɺm Cm ωm

1

Inductance L = 0,001 H Résistance R = 8 Ω Constante de couple kc = 0,031 N · m · A–1 Tension d’entrée u = 20,0 V

Transmission/Réduction

Inertie de l’arbre moteur Jm = 1,8 × 10–6 kg · m2 Rapport de réduction N = 20

Charge

Inertie de la charge Jc = 2 × 10–4 kg · m2

Frottement

Résistance linéaire Rc = 0,0001 N · m/(rad · s–1)

Conditions initiales

Nulles

Paramètres de simulation

Tdébut = 0 s Tfin = 0,5 s Pas de communication = 0,002 s Tolérance = 10–5

I:Jc

I:Jm

λɺ

Moteur électrique

1 N ɺɺ TF

R:R

pɺc 1 ω c

Df

R:bc u (V) 40,0

Figure 4 – Représentation bond graph causale du moteur à courant continu actionnant une charge en rotation

36,0

θc (rad) ωc (rad/s) ωc

Sur l’exemple du circuit électrique du moteur à courant continu, une forme causale des équations est :

32,0

λɺ := uL  i := 1 λ  L u := Ri  R e := kc ω m  Cm := kc iuL := u − uR − e

28,0 24,0 u

20,0 16,0

Pour ce système d’équations, la causalité montre que la vitesse angulaire ωm est une entrée.

θc

12,0 8,0

Pour l’exemple du moteur à courant continu actionnant une charge en rotation, la représentation bond graph causale est donnée sur la figure 4. Le paramétrage et les résultats de simulation sont présentés respectivement dans le tableau 1 et sur la figure 5. Ces résultats ont été obtenus avec le logiciel MS1 et le solveur ESACAP (cf. [Doc. D 3 065]).

4,0 0,0 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

Temps (s)

1.3 Modèle inverse Figure 5 – Résultats de simulation du modèle direct du moteur à courant continu

Le modèle inverse correspond à une organisation des équations où les rôles des entrées et des sorties « naturelles » du système physique sont inversés. Ainsi, pour l’exemple du moteur à courant continu, l’inversion par rapport au couple tension (entrée)/vitesse angulaire de la charge (sortie) permet, en supposant que les conditions d’inversibilité soient remplies, de déterminer la tension à appliquer au moteur pour suivre une trajectoire spécifiée sur la position angulaire de la charge.

Le premier point important dans l’organisation des équations d’un modèle inverse à travers la représentation bond graph est la possibilité pour un élément ou un sous-système d’imposer à la fois l’effort et le flux (autrement dit la puissance). Ce point de vue n’est plus physique mais purement mathématique. Cette possibilité se matérialise graphiquement sur le bond graph par l’emploi d’un trait bicausal (deux demi-traits causaux) dissociant, sur chaque lien bond graph, la contrainte d’affectation des variables d’effort de celle des flux.

Remarque : nous reviendrons dans le paragraphe suivant sur les conditions d’inversibilité d’un modèle.

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________________________________________________________________________ BOND GRAPH POUR LA CONCEPTION DE SYSTÈMES MÉCATRONIQUES

Sur l’exemple du circuit électrique du moteur à courant continu, la forme bicausale des équations est :

Tableau 2 – Paramètres pour le modèle inverse du moteur à courant continu actionnant une charge en rotation

e := kc ω m  i := 1 C  kc m  λ := Li u := λɺ  L uR := Ri  u := uL + uR + e On note que le couple moteur Cm , variable de puissance conjuguée de la vitesse angulaire ωm , est également à fournir comme une entrée à ce système d’équations et que cette forme bicausale nécessite une opération de dérivation plutôt que d’intégration (contrairement à la forme causale). Ce point sera repris dans les paragraphes suivants sur l’analyse structurelle notamment pour vérifier l’adéquation des spécifications au modèle de conception. Le second point important dans la possibilité de traiter un modèle inverse avec le langage bond graph est la définition d’éléments permettant d’une part d’imposer au modèle deux variables de puissance conjuguées (c’est-à-dire dont le produit correspond à une puissance dans le système), et d’autre part, de recevoir comme sorties du modèle inverse également deux variables de puissance conjuguées. Ces deux éléments sont respectivement la double-source (élément SeSf) et le double-détecteur (élément DeDf). Pour l’exemple du moteur à courant continu actionnant une charge en rotation, la représentation bond graph bicausale est donnée sur la figure 6. Le paramétrage et les résultats de simulation obtenus grâce à MS1 et ESACAP sont présentés respectivement dans le tableau 2 et sur la figure 7. Ce paragraphe a montré, sur un exemple simple, l’utilisation du langage bond graph pour la représentation d’un modèle inverse. Le modèle de connaissance n’a pas eu besoin d’être réécrit puisque le modèle acausal représente la base commune aux approches directes et inverses. La distinction se fait simplement au niveau de l’organisation des équations respectivement de manière causale ou bicausale. L’exemple a plus particulièrement illustré la mise en œuvre de la détermination d’une entrée de commande à partir d’une spécification en sortie (figure 8). Cette opération correspond de manière générale sur un système mécatronique à la synthèse d’une loi de commande en boucle ouverte (cf. § 3.5). Si le système étudié correspond à un composant dans une chaîne d’actionnement, cette opération permet dans ce cas de « remonter » des spécifications pour être « au plus près » du composant à dimensionner dans le problème de conception (cf. § 3.3) puis, de valider son dimensionnement (cf. § 3.4).

I:L u DeDf

I:Jm

λɺ

pɺ m 1

R:R

kc ɺɺ

GY

1

TF

Inductance L = 0,001 H Résistance R = 8 Ω Constante de couple kc = 0,031 N · m · A–1

Transmission/Réduction

Inertie de l’arbre moteur Jm = 1,8 × 10–6 kg · m2 Rapport de réduction N = 20

Charge

Inertie de la charge Jc = 2 × 10–4 kg · m2

Frottement

Résistance linéaire Rc = 0,0001 N · m/(rad · s–1)

Spécification

ωc,spécifié donné sur la figure 7

Condition initiale

θc0 = 0 rad

Paramètres de simulation

Tdébut = 0 s Tfin = 0,5 s Pas de communication = 0,002 s Tolérance = 10–8

6,0

ωc,spécifié (rad/s) θc (10–1rad) u (V)

5,4

ωc,spécifié

4,8 4,2 θc

3,6 3,0 2,4 1,8 1,2 0,6

u

0,0 – 0,6 – 1,1 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45 0,50 Temps (s)

Figure 7 – Résultats de simulation du modèle inverse du moteur à courant continu

I:Jc 1 N ɺɺ

Moteur électrique

pɺ c 1

L’approche par modèle inverse peut également s’appliquer pour déterminer non plus des entrées de commande mais des paramètres (figure 9) qui peuvent être considérés dans une certaine mesure comme des entrées constantes du modèle de connaissance du système physique [7] [14]. Dans ce cas, en plus des conditions mathématiques à vérifier pour pouvoir inverser le modèle, une attention particulière doit être portée sur la forme des entrées et des sorties par rapport à la structure du modèle. Si ces conditions ne sont pas vérifiées, la résolution du modèle inverse n’aboutit pas à des grandeurs constantes pour les paramètres.

0 SeSf ωc,spécifié

R:bc

Figure 6 – Représentation bond graph bicausale du moteur à courant continu actionnant une charge en rotation

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Sécurisation des systèmes mécatroniques. Partie 1 par

Jean-Louis BOULANGER Docteur en science de l’informatique Évaluateur-Certificateur

1. 1.1 1.2

Concepts de base ..................................................................................... Notion de faute/erreur/défaillance .............................................................. Études de démonstration de la sécurité.....................................................

2. 2.1 2.2 2.3

Contexte normatif .................................................................................... Norme IEC 61508.......................................................................................... Application au ferroviaire : référentiel CENELEC ...................................... Application à l’automobile : ISO 26262 ......................................................

— — — —

4 4 4 5

3. 3.1 3.2

Mise en sécurité d’une architecture matérielle électronique...... Réinitialisation d’une unité de traitement .................................................. Présentation des techniques de sécurisation ............................................

— — —

5 6 6

4.

Synthèse et conclusion ..........................................................................

—

18

BM 8 070 - 2 — 2 — 4

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 8 070

es systèmes mécatroniques sont de plus en plus complexes et induisent par voie de conséquence des défaillances de plus en plus fréquentes qu’il faut combattre pour en limiter le risque par un ensemble de techniques qui sont regroupées sous le terme de sécurisation des systèmes. Notre intérêt se porte sur deux composantes des systèmes mécatroniques : – les aspects « architecture matérielle » (la composante électronique) ; – les aspects « application logicielle » (la composante informatique). Le risque lié à la composante mécanique n’est pas traité ici et le lecteur se reportera au dossier concernant l’intégration de la sécurité à la conception des machines [BM 5 007]. Ce premier dossier [BM 8 070] fait essentiellement l’objet des techniques de sécurisation d’une architecture matérielle électronique, avec un rappel des principes de base de la sûreté de fonctionnement et de la définition des entraves pouvant impacter le bon fonctionnement d’un système. La norme IEC 61508 caractérise les exigences à mettre en œuvre pour démontrer la sécurité d’un système E/E/EP (électrique/électronique/électronique programmable). Cette norme a été déclinée pour différents domaines (ferroviaire, automobile...). Les techniques de mise en sécurité de ces architectures électroniques comme la détection des défauts, la diversité, la redondance temporelle, la redondance du matériel, la redondance des données et la reprise sont illustrées par des exemples qui sont tous des représentations d’applications réelles des différents domaines (aéronautique, ferroviaire, automobile, spatial, nucléaire...). Un deuxième dossier [BM 8 071] traite des techniques de sécurisation d’une application logicielle.

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SÉCURISATION DES SYSTÈMES MÉCATRONIQUES. PARTIE 1 ________________________________________________________________________________

1. Concepts de base

1.1 Notion de faute/erreur/défaillance Comme indiqué dans la norme IEC 61508, la défaillance (parfois appelée panne) est une cessation de l’aptitude d’une unité fonctionnelle à accomplir une fonction requise.

Depuis quelques années, nous vivons une accélération de l’utilisation de l’électronique et de l’informatique et son introduction au sein des systèmes plus ou moins complexes. Cette évolution touche autant les produits de la vie courante (électroménager, automobiles...) que les produits industriels (contrôle industriel, appareils médicaux, transactions financières...). Au sein de ces produits, il existe des systèmes dont un dysfonctionnement peut avoir un impact direct ou indirect sur l’intégrité (blessure) et/ou sur la vie des utilisateurs ou un impact sur le fonctionnement d’une organisation. Cette informatisation permet une automatisation toujours plus poussée des processus au sein de l’industrie. Ces systèmes sont soumis à des exigences de sûreté de fonctionnement.

Comme l’accomplissement d’une fonction requise exclut nécessairement certains comportements et que certaines fonctions peuvent être spécifiées en termes de comportement à éviter, l’occurrence d’un comportement à éviter est une défaillance. De la définition précédente, il faut déduire la nécessité de définir les notions de comportement normal (sûr) et de comportement anormal (non sûr) avec une frontière nette entre les deux. La figure 1 présente une représentation des états d’un système (correct, incorrect) et les transitions possibles entre ces états. Les états du système peuvent être classés en trois familles :

La sûreté de fonctionnement n’est aujourd’hui plus seulement une préoccupation (que l’on retrouvait dans les domaines à hauts risques tels que le nucléaire ou l’aéronautique) mais une exigence, au même titre que la productivité, qui s’est imposée progressivement à la plupart des secteurs industriels et technologiques.

– les états corrects ; il n’y a pas de situation dangereuse ; – les états incorrects sûrs ; une défaillance a été détectée et le système est dans un état sûr ; – les états incorrects ; il s’agit d’une situation dangereuse non maîtrisée ; il existe des accidents potentiels accessibles.

Définition 1 : la sûreté de fonctionnement se définit comme la qualité du service délivré par un système, qualité telle que les utilisateurs de ce service puissent placer une confiance justifiée dans le système qui le délivre.

Définition 2 : la défaillance (parfois appelée panne) est une cessation de l’aptitude d’une unité fonctionnelle à accomplir une fonction requise. Comme l’accomplissement d’une fonction requise exclut nécessairement certains comportements et que certaines fonctions peuvent être spécifiées en termes de comportement à éviter, l’occurrence d’un comportement à éviter est une défaillance.

Dans ce dossier, nous considérerons cette définition, mais il est à noter qu’il existe des approches plus techniques de la sûreté de fonctionnement, à titre d’information dans la norme IEC 1069, la sûreté de fonctionnement est la mesure à laquelle on peut se fier pour que le système exécute exclusivement et correctement la (les) tâche(s) qui lui est (sont) attribué(s).

Quand le système atteint un état de repli, il peut y avoir un arrêt complet ou partiel du service. Les états de repli peuvent permettre un retour à l’état correct suite à une action de réparation. Les défaillances peuvent être aléatoires ou systématiques. La défaillance aléatoire survient de manière non prévisible et se trouve être le résultat d’un ensemble de dégradations qui touchent les aspects matériels du système. En général, la défaillance aléatoire peut être quantifiée du fait de sa nature (usure, vieillissement, etc.). La défaillance systématique est reliée de façon déterministe à une cause. La cause de la défaillance ne peut être éliminée que par une reprise du processus de réalisation (conception, fabrication, documentation) ou une reprise des procédures. Étant donné son caractère, la défaillance systématique n’est pas quantifiable. La défaillance est une manifestation externe observable d’une erreur.

Les systèmes sûrs de fonctionnement doivent se prémurir contre certaines entraves (faute/erreur/défaillance) qui peuvent avoir des répercussions désastreuses pour les personnes (blessure, mort d’homme), pour l’entreprise (image de marque, aspect financier) et/ou pour l’environnement. La sûreté de fonctionnement est caractérisée par un ensemble d’attributs que l’on note FMDS (RAMS, en anglais) : – la fiabilité (reliability ) ; – la maintenabilité (maintainability ) ; – la disponibilité (availability) ; – la sécurité (au sens sécurité-inoccuité, en anglais, on utilise le terme safety ).

Définition 3 : l’erreur est une conséquence interne d’une faute lors de la mise en œuvre du produit (une variable ou un état du programme erroné).

De nouveaux attributs commencent à prendre une part relativement importante tel la « sûreté » (au sens de terme anglais security). La sécurisation des systèmes mécatroniques est une approche de la sûreté de fonctionnement par un ensemble de techniques qui visent à réduire les risques de défaillances de ces systèmes, en particulier les dommages qui conduisent à des événements critiques ou catastrophiques pour la sécurité des personnes, des biens et de l’environnement.

Être fiable disponible et de sécurité

Comme cela est indiqué dans [8], la sûreté de fonctionnement d’un système complexe peut être mise à mal par trois types d’événements : – les défaillances ; – les fautes ; – les erreurs.

État A fonctionnement correct

Les éléments du système sont soumis à des défaillances, ces défaillances peuvent amener le système dans des situations d’accidents potentiels.

Défaillance

Nota : pour de plus amples informations sur la sûreté de fonctionnement et sa mise en œuvre, se reporter au dossier [BM 5 008] et aux références [12] [19].

BM 8 070 – 2

Défaillance

État B fonctionnement incorrect non dangereux

Réparation

État C fonctionnement Être en danger incorrect et dangereux

Figure 1 – Évolution de l’état d’un système

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Être disponible

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________________________________________________________________________________ SÉCURISATION DES SYSTÈMES MÉCATRONIQUES. PARTIE 1

– soit ce sont des défauts introduits par les outils (de génération de l’exécutable, moyens de téléchargement, etc.) ou par des défaillances du matériel (défaillance mémoire, court-circuit sur un composant, perturbation extérieure (compatibilité électromagnétique CEM par exemple), etc.).

Malgré toutes les précautions qui sont prises lors de la réalisation d’un composant, celui-ci peut être soumis à des défauts de conception, à des défauts de vérification, à des défauts d’utilisation, à des défauts de maintien en condition opérationnelle, etc. La faute, terme le plus couramment admis, est donc l’introduction d’un défaut dans le composant.

Il est à noter que les fautes peuvent ainsi être introduites : – lors de la conception (défaut dans le logiciel, sous-dimensionnement du système, etc.) ; – lors de la production (génération de l’exécutable, fabrication du matériel, etc.) ; – lors de l’installation ; – lors de l’utilisation et/ou lors de la maintenance.

Définition 4 : une faute est une non-conformité introduite dans le produit (par exemple, un code erroné).

Il est à noter que dans le cadre de la norme IEC 61508, le terme « faute » est remplacé par le terme anomalie.

Le diagramme de la figure 4 peut ainsi être décliné pour les différentes situations. La figure 5 présente l’impact d’une faute humaine.

À titre de bilan, il faut donc rappeler que la confiance dans la sûreté de fonctionnement d’un système peut être compromise par l’apparition des entraves que sont les fautes, les erreurs et les défaillances. La figure 2 présente la chaîne fondamentale qui fait le lien entre les entraves. L’apparition d’une défaillance peut faire apparaître une faute qui, à son tour, est l’occasion de faire apparaître une (des) erreur(s). La nouvelle erreur pouvant avoir pour conséquence l’apparition d’une nouvelle défaillance. Le lien entre les entraves doit être vu au travers de l’ensemble du système comme le montre l’exemple de la figure 3. La figure 4 propose un exemple de mise en œuvre des défaillances. Comme indiqué précédemment, une défaillance est détectée au travers de la divergence du comportement du système par rapport à ce qui a été spécifié. Cette défaillance se produit aux limites du système par le fait qu’un ensemble d’erreurs, qui sont internes au système, a des conséquences sur l’élaboration des sorties. Dans notre cas, la source des erreurs provient des fautes dans l’exécutable embarqué. Ces fautes peuvent provenir de deux origines : – soit ce sont des fautes introduites par le programmeur (bug) ;

À ce point de la discussion, il est alors intéressant de noter qu’il existe deux familles de défaillances, les défaillances systématiques et les défaillances aléatoires : – les défaillances aléatoires sont dues aux processus de production, au vieillissement, à l’usure, aux dégradations, aux phénomènes extérieurs, etc. ; – les défaillances systématiques sont reproductibles ; en effet, elles ont pour source des défauts de conception. Il est à noter qu’une défaillance aléatoire peut avoir pour source un défaut de conception (sous-estimation de l’effet de la température sur le processeur). Comme nous le verrons dans la suite, il existe plusieurs techniques (diversité, redondance, etc.) permettant de détecter et/ou de maîtriser les défaillances aléatoires. Pour les défaillances systématiques, leur maîtrise est plus délicate car elle repose sur de la qualité (pratique préétablie et systématique) et des activités de vérification et de validation.

Faute dans la source du logiciel

Composant

Système 1 Faute

Erreur

Défaillance lors de la compilation

Système 2 Impact d'une défaillance

Système analysé

Faute dans l'éxécutable embarqué

Erreur

Défaillance

Défaillance Défaillance de la programmation de la PROM

Figure 2 – Chaîne fondamentale

Système contenant l'équipement

Faute → Erreur → Défaillance

Niveau équipement Le calculateur produit des sorties erronées

Faute → Erreur → Défaillance

Niveau carte Défaillance d'une mémoire

Faute → Erreur → Défaillance

Figure 4 – Exemple de propagation

Erreur Faute dans la documentation Rédacteur de consignes d’exploitation

Niveau des composants Court-circuit d'un transistor

Situation nécessitant l’éxécution de la consigne fautive

Transistor

Erreur de comportement du personnel d’exploitation

Défaillance (service affecté)

Figure 5 – Impact d’une faute humaine

Figure 3 – Propagation dans un système

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BM 8 070 – 3

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SÉCURISATION DES SYSTÈMES MÉCATRONIQUES. PARTIE 1 ________________________________________________________________________________

1.2 Études de démonstration de la sécurité

études qui ont pour but de démontrer l’absence de défaillances qui seraient contraires à la sécurité. Mais tous les systèmes ne sont pas dits critiques, il existe des échelles qui permettent de définir des niveaux de criticité qui sont associés à des objectifs à atteindre. Dans le domaine des systèmes complexe à base de système électronique et/ou programmé, la norme IEC 61508 définit la notion de SIL (Safety Integrated Level ). Le SIL permet de quantifier le niveau de sécurité d’un système. Il évolue de la valeur 0 (pas de danger, destruction de matériel), 1 (blessure légère), 2 (blessure grave), 3 (mort d’une personne) et 4 (mort d’un ensemble de personnes).

Le paragraphe précédent a permis de rappeler certains concepts de base (faute, erreur et défaillance), mais la recherche systématique des défaillances et de l’analyse de leurs effets sur le système est réalisée au travers d’activités telles que : – les analyses préliminaires de risque (APR) ; – les analyses des modes de défaillance et de leurs effets (AMDE) ; – des arbres de causes, d’événements, etc. Ces analyses liées à la sûreté de fonctionnement sont maintenant classiques (exemple de [12]) et imposées par les normes. L’ensemble de ces études permet de réaliser une démonstration de la sécurité qui sera formalisée au travers d’un dossier de sécurité (Safety-Case). La norme générique IEC 61508, applicable aux systèmes à base d’électronique et d’électronique programmable, couvre ce point et propose une approche générale.

La conception des systèmes critiques (transport aérien, transport ferroviaire, centrale nucléaire...) est soumise au respect de référentiels techniques (normes, documents métier, état de l’art...) (figure 6).

2.2 Application au ferroviaire : référentiel CENELEC Les projets ferroviaires sont aujourd’hui régis par des textes (décrets, arrêtés...) et un référentiel normatif (CENELEC NF EN 50126, CENELEC NF EN 50129 et CENELEC EN 50128) visant à définir et à atteindre certains objectifs de la sûreté de fonctionnement (figure 7) (FDMS). Pour la notion de sécurité-confidentialité liée à l’utilisation de réseau ouvert ou/et fermé, le référentiel CENELEC est complété par les normes EN 50159-1 et EN 50159-2.

2. Contexte normatif 2.1 Norme IEC 61508 Les systèmes dits critiques sont des systèmes qui, en cas de défaillance, peuvent engendrer des dommages corporels à une ou des personnes. Pour cette classe de système, il faut mener des

Nota : pour en savoir plus sur l’évaluation et la certification de système ferroviaire, se reporter à la référence [14].

IEC 61508 Standard général

IEC 61511 Norme sectorielle Processus industriel

IEC 61513 Norme sectorielle Nucléaire

IEC 62061 Norme sectorielle Machine

NF EN 5012x Ferroviaire

IEC 26262 Domaine automobile

Figure 6 – Lien entre les normes

EN 50126

Complete Railway Systems EN 50159.1 EN 50159.2

Complete Signaling Systems

Communication System SubSystems EN 50129

EN 50128 Hardware Equipment

Software Equipment

Figure 7 – Normes ferroviaires

BM 8 070 – 4

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Sécurisation des systèmes mécatroniques. Partie 2 Techniques de mises en sécurité d’une application logicielle par

Jean-Louis BOULANGER Docteur en science de l’informatique Évaluateur-Certificateur

1.

Défaillance logicielle ...............................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Sécurisation d’une application logicielle .......................................... Gestion des erreurs...................................................................................... Recouvrement d’erreur................................................................................ Programmation défensive ........................................................................... Redondance (application et/ou données) .................................................. Conclusion sur la sécurisation d’une application logicielle .....................

— — — — — —

2 2 3 4 5 6

3. 3.1 3.2

Maîtrise de la qualité............................................................................... Qualité et cycles de vie ................................................................................ Mise en œuvre du cycle en V ......................................................................

— — —

6 6 7

4. 4.1 4.2

Développement formel ........................................................................... Méthodes formelles ..................................................................................... Méthode B ....................................................................................................

— — —

8 8 9

5.

Synthèse et conclusion ..........................................................................

—

12

BM 8 071 - 2

Pour en savoir plus ...........................................................................................Doc. BM 8 070v2

ans cette seconde partie [BM 8071] sur la sécurisation des systèmes mécatroniques, nous nous intéressons à l’aspect « application logicielle » (composante informatique). Le risque lié à l’architecture matérielle (composante électronique) ayant été traité dans la première partie [BM 8 070]. Pour ce qui concerne les concepts de base et les normes applicables à la sécurisation des systèmes mécatroniques, le lecteur se reportera également en [BM 8 070]. La sécurité d’une application logicielle passe principalement par la maîtrise de la qualité (évitement et élimination des fautes). Nous présentons : – les principes de la maîtrise de la qualité (ISO 9001:2000) ; – quelques techniques de programmation tolérante (la redondance, la détection d’erreur ou la programmation défensive) ; – l’apport des méthodes formelles. La réalisation d’une application logicielle est actuellement une activité à la portée de tous. La mise à disposition d’environnements de développement (Case Tools, cf. [Doc. BM 8 070]), proposant la modélisation, des vérifications et la génération automatique de code, a grandement simplifié le développement d’une application logicielle. Mais la principale particularité du logiciel est la présence de fautes (bug). Ces fautes peuvent être systématiquement exécutées et leur présence est due au caractère artisanal de la réalisation d’une application logicielle. L’utilisation d’environnements de développement donne

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SÉCURISATION DES SYSTÈMES MÉCATRONIQUES. PARTIE 2 ________________________________________________________________________________

l’impression d’industrialiser la réalisation d’une application logicielle mais il n’en est rien. En effet, les outils d’un environnement de développement sont développés classiquement et leur utilisation a tendance à faire oublier la complexité intrinsèque du logiciel au travers de représentations graphiques plus ou moins claires. La présence de fautes est un fait et il faut soit les accepter, soit les gérer, soit les corriger.

1. Défaillance logicielle

2.1 Gestion des erreurs L’implantation d’une spécification est confrontée à la difficulté suivante « comment indiquer que l’on rencontre des erreurs ou des conditions exceptionnelles lors de l’exécution d’un service (fonction, procédure, morceau de code...) ». En effet dans des conditions normales, le résultat d’une opération est d’un certain genre (pour l’implémentation d’un certain type) alors que, lors de la rencontre de conditions exceptionnelles, ce résultat ne peut pas prendre une des valeurs de ce genre du fait même de la condition d’erreur. L’indication de l’erreur ne peut normalement pas être dans le domaine du type « retourné à ». Nous nous heurtons à une incompatibilité de type. Plusieurs approches peuvent résoudre ce problème :

Dans le cadre d’une application logicielle, nous dirons qu’il y a défaillance dès que le comportement de l’application logicielle n’est pas conforme à sa spécification. Cela signifie que la défaillance d’une application logicielle est détectable au travers de l’analyse des sorties de l’application. Étant donné qu’une application logicielle ne s’use pas (pas de dégradation) mais qu’elle peut vieillir, la défaillance d’une application est donc systématique. Une défaillance est liée à une ou des erreurs. Les erreurs sont internes à l’application logicielle et sont la conséquence de la propagation d’autres erreurs ou de l’activation d’une faute. Une faute est localisée précisément dans une partie de l’application logicielle. L’activation de la faute génère une erreur qui peut avoir pour conséquence une défaillance ou la propagation d’erreur. Il est à noter que l’origine de la faute est : – humaine (frappe de « + » au lieu de « – ») ; – matérielle (un bit mémoire bloqué à 1) ; – due à un phénomène extérieur (évolution de bit lié à la mémoire du programme ou des données suite à une perturbation produite par un champ CEM et/ou à une particule).

– la première solution consiste à étendre le type et donc à définir une constante spéciale comme « indéfini » et, dans les cas d’erreurs, retourner ce résultat « indéfini » ; – la seconde solution consiste à introduire un paramètre d’identification d’erreur, ainsi l’opération retourne un n-uplet dont l’une des composantes indique si l’opération s’est bien déroulée ou non. La première solution est bien sûr la plus élégante, mais si elle constitue une solution au niveau de la spécification, elle n’est pas pour autant applicable au niveau d’une implémentation car il n’est pas toujours possible de trouver l’équivalent en termes de langage de programmation. C’est pourquoi, la seconde solution est utilisée lors de l’implémentation. L’identification d’une erreur doit maintenant être associée à un traitement. Si l’exécution de l’opération n’a pas généré d’erreur, alors l’indicateur d’erreur est positionné à « succès ». Dans le cas contraire, il a la valeur « échec ». La procédure appelante doit alors tester l’indicateur d’erreur afin de déterminer la réussite ou non de sa requête.

L’environnement de développement d’une application logicielle se compose : – des bibliothèques ; – des logiciels de base ; – des utilitaires ; – d’un système d’exploitation ; – d’outils supports (compilateur, outil de téléchargement, outils de tests, générateurs de code...) ; – d’une architecture matérielle.

Dans ce cas, pour chaque opération, nous avons l’implémentation suivante :

Chaque élément de l’environnement peut être défaillant et donc peut générer des fautes au sein de l’application logicielle.

... opération(x,y,z, erreur); si erreur alors -- traiter l’erreur ...

2. Sécurisation d’une application logicielle

Cette implantation peut-être simplifiée en remplaçant la procédure par une fonction retournant un statut indiquant le succès ou non de l’opération :

Il existe un certain nombre de techniques pouvant être mises en œuvre durant le cycle de développement pour maîtriser les états incorrects de l’application logicielle. Ces techniques permettent de contrôler l’état de l’application logicielle et même pour certaines de revenir dans un état correct.

... si opération(x,y,z) = échec alors -- traiter l’erreur ... Dans bien des cas, le traitement de l’erreur amène à rompre le flux d’exécution en cours et donc à utiliser un branchement ou un retour à l’appelant en propageant de nouveau l’erreur rencontrée :

Concernant la sécurisation d’une application logicielle, il peut être mis en place différentes techniques telles que : – la gestion des erreurs ; – le recouvrement des erreurs ; – la programmation défensive ; – la double exécution de l’application logicielle ; – la redondance des données.

... si opération(x,y,z) = échec alors retourne échec ... Une autre approche pour régler ce traitement des erreurs est l’utilisation du mécanisme d’exception offert par certains langages de programmation modernes (ADA 83, Eiffel, C++...).

Ce paragraphe a pour objectif de présenter ces différentes techniques et d’identifier leurs points forts et leurs points faibles.

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________________________________________________________________________________ SÉCURISATION DES SYSTÈMES MÉCATRONIQUES. PARTIE 2

Début GARANTIR PAR

…

erreur

... opération(x,y,z) ... Exception échec: -- traiter l’erreur Fin La gestion des exceptions permet un codage clair mais délocalise le traitement de l’erreur et amène une complexité plus grande. Cette complexité est induite par la volonté de généraliser les exceptions. Il devient ainsi plus difficile de faire le lien entre une exception et le service ou l’appel au service qui a généré l’exception.

Figure 1 – Syntaxe possible des blocs de recouvrement

La reprise peut être de type gros grain ou faible grain : – la reprise par gros grain consiste à remettre en place le dernier état global correct et à ré-exécuter complètement la même application logicielle ; – la reprise à faible grain vise à avoir une stratégie de reprise plus fine, remise en place d’un état local correct (limité à une fonction par exemple), exécution d’alternative...

Pour conclure, le traitement d’erreur est un aspect difficile de la conception. En effet, les méthodes conventionnelles de traitement des erreurs peuvent facilement être ignorées par les programmeurs (oubli des codes de retour, non-traitement des codes d’erreur, propagation systématique des codes erreurs, non-récupération des exceptions...). Au vu de l’ajout de traitements spécifiques (ajout de paramètre, condition, branchement...) pour la gestion des erreurs, le traitement complet des erreurs par des méthodes classiques complique énormément la logique d’un programme. La complexité cyclomatique étant multipliée par au moins 2 pour chaque traitement d’erreur, il devient très difficile de comprendre, de maintenir et de tester une application logicielle intégrant ce type de technique.

La reprise gros grain a pour avantage de ne mettre en place qu’un seul point de reprise et elle reste adaptée à des systèmes soumis exceptionnellement à des défaillances matérielles. Mais dans le cas de système basé sur la détection d’erreur, la notion d’alternative est importante pour inhiber le défaut. Il faut alors disposer de structure de programmation permettant de prendre en compte les alternatives. La notion d’alternative permet de prendre en compte une plus large famille de défaillance dont celles dues aux défauts de conception du logiciel. La figure 1 [28] présente un exemple de syntaxe permettant de décrire des blocs de recouvrement. Il existe un test d’acceptation et une série d’alternatives. Comme le montre la figure 2, à l’entrée d’un bloc, il y a un point de recouvrement automatique (sauvegarde de l’état courant) et à la sortie un test d’acceptation. Le test d’acceptation (assertion) est utilisé pour tester si le système est dans un état acceptable après l’exécution d’un bloc. Le principe d’exécution est le suivant :

2.2 Recouvrement d’erreur Le recouvrement d’erreur est une technique de compensation d’erreur qui vise, à partir de la détection d’une erreur, à remettre le système dans un état correct.

– si le test d’acceptation échoue, le programme est restauré au point de recouvrement du début du bloc et un module alternatif est exécuté ; – si le module alternatif échoue aussi le test d’acceptation, le programme est restauré au point de recouvrement et un autre module est exécuté, ainsi de suite ; – si tous les modules échouent, alors le bloc échoue et le recouvrement doit être déclenché à un niveau plus haut, comme indiqué ci-après.

À partir d’une détection d’erreur, il existe deux possibilités, soit revenir (recouvrement par reprise) à un état correct du système afin d’exécuter une alternative de l’application logicielle, soit exécuter une série d’actions visant à corriger l’état courant et à atteindre un état correct du système (recouvrement par poursuite).

2.2.1 Recouvrement d’erreurs par reprise

GARANTIR Erreur_d_arrondi_est_dans_une_tolerance_acceptable Kutta Method Explicite SINON Kutta Method Implicite SINON erreur FIN

L’état du système est sauvegardé périodiquement et permet un retour en arrière en cas d’erreur. La reprise (recouvrement d’erreurs en arrière) consiste à restaurer le système à un état précédent sûr. Pour ce faire, il faut réaliser des sauvegardes régulières du système et être capable de recharger une de ces sauvegardes. En cas de détection d’une situation erronée, il est possible de recharger une situation précédente et de relancer l’exécution. Si l’erreur provient de l’environnement ou d’une défaillance fugitive, le système devrait reprendre un fonctionnement correct. S’il s’agit d’une défaillance systématique (matérielle ou logicielle), le système retourne dans l’état erroné. Certains systèmes disposent en plus de plusieurs alternatives de l’application logicielle, et activent une autre réplique de l’application lors de la reprise. Le principal avantage réside dans le fait que l’état erroné est supprimé et que cette suppression ne repose pas sur la recherche de l’endroit du défaut ou de sa cause. Le recouvrement d’erreurs en arrière peut donc être utilisé pour recouvrir des défauts imprévus, notamment ceux induits par les fautes de conception.

La méthode Explicit Kutta est rapide mais inexacte quand les équations sont dites stiff, c’est pourquoi elle est évaluée comme première alternative. La méthode Implicit Kutta est plus coûteuse mais elle peut traiter les équations dites stiff. La solution proposée traite ainsi toutes les équations et tolère potentiellement aussi les erreurs de conception dans la méthode Explicit Kutta si le test d’acceptation est suffisamment flexible. Les blocs de recouvrement peuvent être imbriqués. Si toutes les alternatives dans un bloc de recouvrement imbriqué échouent, le point de recouvrement du niveau externe est restauré et un module alternatif à ce bloc est exécuté.

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Normalisation en mécatronique par

Philippe LUBINEAU Cetim Responsable recherche et développement mécatronique – Développement durable Animateur du groupe ISO/TC 184 ad hoc group « mechatronics »

1.

Contexte normatif .....................................................................

2.

Domaine de la mécatronique .....................................................

—

2

3.

Mécanotronique et normalisation : éléments chronologiques ..

—

4

4.

Impacts et bénéfices de la normalisation mécatronique pour les industriels ............................................................................

—

4

5. 5.1 5.2

Travaux normatifs en lien avec la mécatronique....................... Guide ISO...................................................................................................... Normes françaises de mécatronique ......................................................... 5.2.1 Norme NF E01-010 .............................................................................. 5.2.2 Norme XP E01-013 ..............................................................................

— — — — —

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6.

Conclusion et perspectives........................................................

—

7

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Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BM 8 080

a mécatronique, démarche de conception qui vise à l’intégration multitechnologique, est une tendance technologique majeure. Elle « joue un rôle important dans le domaine de la production (machines-outils, robots...), particulièrement pour l’industrie des transports. On retrouve aussi la mécatronique dans l’électronique grand public, les machines de travaux publics, dans le secteur médical » [1]. C’est une technologie qui diffuse largement dans le domaine industriel et les acteurs sont demandeurs de normes adaptées : « Le marché de la mécatronique étant arrivé à maturité, il est apparu nécessaire de développer les futures normes spécifiques dont l’industrie a besoin, et cela au niveau mondial à l’échelle des technologies et des échanges commerciaux » [2]. La mise en œuvre d’une démarche mécatronique impose la maîtrise de nouveaux champs technologiques mais également de repenser l’organisation de son processus de conception, de ses relations clients-fournisseurs. La norme, qui fournit un langage commun, qui permet d'optimiser les relations clients-fournisseurs et de simplifier la rédaction des cahiers des charges techniques est une réponse adaptée à ces enjeux. Cet article dresse l’état des lieux des travaux normatifs qui ont été initiés par la France dès 2008 avec la publication des normes NF E01-010 et XP E01-013, de leurs prolongements actuels au niveau international et analyse leur apport à la diffusion de la mécatronique.

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NORMALISATION EN MÉCATRONIQUE __________________________________________________________________________________________________

1. Contexte normatif

Encadré 1 – Artema le syndicat de la mécatronique [5]

Avant d’aborder l’apport que peut avoir la normalisation pour la mécatronique, il convient de repréciser quelques généralités au sujet des normes. Pour une description plus détaillée, il convient de se reporter aux articles Techniques de l’Ingénieur concernés. Le décret no 2009-697 du 16 juin 2009 relatif à la normalisation, définit ainsi cette activité :

Artema est le syndicat des industriels de la mécatronique. Il rassemble quelque 120 entreprises, fournisseurs de composants, de solutions et de systèmes dans les domaines de l’étanchéité, des transmissions hydrauliques, mécaniques et pneumatiques, des roulements et guidages linéaires. Ces entreprises conçoivent, fabriquent et installent les produits et systèmes. Elles assurent également des services liés : aide à la conception, formation, maintenance. Chiffres significatifs : – production française : 4,3 milliards d’euros ; – exportations : 2,7 milliards d’euros, soit 62 % de la production ; – effectifs : 28 000 personnes.

« La normalisation est une activité d’intérêt général qui a pour objet de fournir des documents de référence élaborés de manière consensuelle par toutes les parties intéressées, portant sur des règles, des caractéristiques, des recommandations ou des exemples de bonnes pratiques, relatives à des produits, à des services, à des méthodes, à des processus ou à des organisations. Elle vise à encourager le développement économique et l’innovation tout en prenant en compte des objectifs de développement durable » [3].

Encadré 2 – UNM [6]

La norme est ainsi positionnée au cœur des enjeux industriels. L’élaboration d’une norme repose sur l’émergence d’un consensus entre les différentes parties prenantes (fabricants, utilisateurs, représentants des consommateurs, organismes techniques, autorités nationales, syndicats...). Ce consensus est officiellement défini dans le guide ISO/CEI 2 :

L’UNM : Bureau de normalisation sectoriel au service de la mécanique et du caoutchouc L’UNM, Union de normalisation de la mécanique, est le bureau de normalisation sectoriel de la mécanique et du caoutchouc, travaillant par délégation d’Afnor et agréé par le Ministère chargé de l’Industrie comme Bureau de normalisation ayant pour domaine de compétences les matériels produits et techniques relevant des industries mécanique et transformatrices des métaux et des élastomères (à l’exclusion des pneumatiques), ainsi que le soudage et ses applications.

« Le consensus est un « accord général caractérisé par l’absence d’opposition ferme à l’encontre de l’essentiel du sujet émanant d’une partie importante des intérêts en jeu et par un processus de recherche de prise en considération des vues de toutes les parties concernées et de rapprochement des positions divergentes éventuelles ». La définition précise en note que « le consensus n’implique pas nécessairement l’unanimité. » [4].

Association régie par la loi de 1901, l’UNM participe à la réalisation et prépare, pour son domaine de compétence, les normes françaises, européennes ou internationales qui donnent accès aux différents marchés concernés. L’opérateur de normalisation UNM est donc, dans ce domaine, le point d’accès des entreprises françaises et des autres acteurs de la normalisation, aux travaux de normalisation européens et internationaux.

Les normes sont donc des documents de référence, qui facilitent les échanges, renforcent la confiance entre les différents acteurs économiques et permettent de contribuer aux gains de productivité notamment en évitant la multiplication de spécifications particulières. Les normes sont omniprésentes dans notre vie quotidienne. Leur élaboration suit un processus rigoureux gage de leur reconnaissance, et qui assure la transparence du système.

de la combinaison de « mecha » de mécanisme et « tronics » d’électronique. Les années 1990 ont vu l’essor de l’utilisation de ce terme avec différentes définitions et des évolutions majeures dans sa signification et son domaine d’application. En complément de la définition d’origine, la littérature regorge d’autres définitions [11] [12] [13] [14] [15].

Les normes sont rédigées sous l’égide d’organismes de normalisation. Le système français de normalisation est coordonné par l’Afnor et repose sur l’activité de 25 bureaux de normalisation, comme par exemple l’Union de normalisation de la mécanique (UNM). Leur sont rattachées des commissions au sein desquelles le travail d’élaboration des spécifications techniques contenues dans ces documents est effectué par les parties prenantes. Au niveau international, les travaux sont effectués dans le cadre d’instances dont les plus connues sont l’ISO et la CEI (aspects électriques), dont dépendent des « Technical Committees » équivalents de nos commissions au niveau national.

Le terme est apparu dans le Larousse en 2005. EN 2004, le Verein Deusche Institute a publié un document le VDI 2006 analysant différentes définitions pour aboutir à la définition suivante [7] : [Mechatronics is]... « the synergetic integration of mechanical engineering with electronic and intelligent computer control in the design and manufacturing of industrial product and processes ».

La mécatronique est traitée en France par la commission UNM03, dépendant de l’Union de normalisation de la mécanique dont la présidence est assurée par Artema (voir encadrés 1 et 2).

On s’arrêtera bien naturellement dans le cadre de cet article sur la définition normalisée donnée par la norme NF E01-010 « Mécatronique – Vocabulaire » publiée en 2008. Avec cette norme, la France est devenue le premier pays à disposer d’une norme sur la mécatronique :

2. Domaine de la mécatronique

La mécatronique est une « démarche visant l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, d’automatique et l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa fonctionnalité » [8].

Le terme « mechatronics » a été utilisé la première fois en 1969 par M. Tetsuro Mori qui était à cette époque cadre supérieur de la compagnie japonaise Yaskawa Electric Corporation, constructeur de composants et systèmes d’automatisation. Ce terme provient

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INNOVATION

Innovations sur les interfaces haptiques tactiles et impactiles Moustapha HAFEZ, Mohamed BENALI-KHOUDJA, José LOZADA, Samuel ROSELIER Jean-Pierre NIKOLOVSKI

par et

Le toucher est un sens très riche mais encore peu exploité dans les interactions avec les dispositifs matériels et logiciels. Quelques concepts, applicables à l’aide aux déficients visuels, aux interfaces musicales ou encore à la communication interactive, ont été développés au CEA LIST. Jean-Pierre NIKOLOVSKI est ingénieur de recherche au CEA. Ses travaux sur les interfaces impactiles ont démarré lors de sa thèse de doctorat au Laboratoire d’Optique Physique à l’École Supérieure de Physique et Chimie industrielle de la ville de Paris. Moustapha HAFEZ est expert sénior au CEA LIST et responsable du Laboratoire Interfaces Sensorielles. Il est aussi professeur chargé de cours au département de mécanique à l’École Polytechnique. Samuel ROSELIER est ingénieur chercheur au CEA. Ses travaux portent sur la conception d’interfaces tactiles et haptiques embarquées pour l’aide aux déficients visuels. José LOZADA est doctorant au Laboratoire des Interfaces Sensorielles du CEA-LIST. Ces travaux de recherche sur les interfaces hommemachine à base de fluide magnéto-rhéologiques se réalisent au sein d’une collaboration avec Xavier BOUTILLON du Laboratoire de Mécanique de Solides de l’École Polytechnique. Mohamed BENALI-KHOUDJA, ingénieur électronicien/automaticien et titulaire d’un DEA en réalité virtuelle et maîtrise de systèmes complexes est directeur de la division Automation & Drivers au sein de Siemens SPA. Il a effectué une thèse sur le développement d’une nouvelle génération d’interfaces tactiles [5]

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1. Contexte L’une des caractéristiques permettant à l’homme de jouir d’une autonomie lui conférant la possibilité d’évoluer dans, et de transformer son environnement, c’est sa capacité d’interagir avec le monde extérieur. Cette caractéristique est d’ailleurs commune à la majorité des êtres vivants. Cette interaction se base sur la capacité des êtres vivants à saisir et à prélever des informations du monde extérieur. Ces informations, communément appelés signaux naturels sont des grandeurs physiques diverses. Ils traduisent l’état ou les 10-2007

changements d’état de l’environnement extérieur. Ces signaux naturels sont d’abord prélevés grâce à des capteurs biologiques spécifiques, puis traduits en signaux biologiques internes. L’homme scientifique a su classer ces signaux et les fusionner pour définir des comportements sensitifs dits aussi sens. Pour ce qui est de l’homme, on lui attribue usuellement cinq sens qui sont l’odorat, la vue, le toucher, l’ouïe et le goût. En réalité, le système sensitif de l’homme est beaucoup plus complexe. Au vu de cette complexité, du nombre et de la diversité des capteurs biologiques impliqués, la classification simpliste en cinq sens paraît, de nos jours, désuète. Un sens qui nous intéresse tout particulièrement est le sens haptique. Le sens haptique est considéré comme étant un sens actif. Sa mise en œuvre est obligatoirement issue d’une interaction physique (contact) avec l’environnement. Le fonctionnement perceptif haptique est extrêmement associé à la fonction motrice chez l’être humain et a des caractéristiques particulières qui le distinguent. Celui-ci est par exemple différent de la vision ou de l’audition où le prélèvement d’information ne modifie pas physiquement son support. La perception haptique met en jeu un phénomène complexe et encore mal compris d’échange de paramètres de natures physiques diverses entre l’homme et les objets de son environnement. La modalité haptique humaine comporte à la fois la kinesthésie et le tactile. Les frontières, si bien physiologiques que psychophysiques, ne sont d’ailleurs pas très clairement établies (1) (figure 1). Il s’agit de kinesthésie quand l’information obtenue (prélevée) est issue des stimulations durant une contrainte sur le mouvement ou quand une force externe est appliquée. Alors qu’il s’agit de tact ou de tactile quand l’information est le résultat des stimulations issues d’un contact fin, précis ou léger de la peau avec diverses matières. On utilise parfois le terme de somesthésie pour désigner l’ensemble des sensations « conscientes » issues du « soma », c’est-à-dire du corps, à l’exception des sensations venant des récepteurs visuels, auditifs, gustatifs et olfactifs. Il s’agit là aussi non seulement du toucher mais aussi de la température et/ou de la © Editions T.I.

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Le CEA LIST est le Laboratoire d’Intégration des Systèmes et des Technologies du Commissariat à l’Énergie Atomique

(1) Outre leur caractère tactile, les capteurs de la peau renseignent sur des aspects kinesthésiques (comme la position).

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INNOVATION

Haptique Manipuler

et

Sentir

Kinesthésique Appliquer des forces Contraindre des mouvements

Frontière floue

Tactile Informations cutanées Rendu de la géométrie et des propriétés physiques de l´objet

Figure 1 – Interaction haptique

douleur. Il est à noter que le résultat assez impressionnant de la fluidité et de la précision des mouvements chez l’homme nécessite la bonne coordination des deux processus (kinesthésique et tactile).

Glossaire La kinesthésie prend en charge les forces de contact, la dureté, le poids et l’inertie d’un objet. Il sollicite les muscles, tendons et articulations. Le tactile prend en charge les états de surface (rugosité), la température, les glissements, la détection des arêtes. On s’intéresse ici moins à la force reçue qu’à sa répartition spatiale. Par abus de langage, on emploie souvent l’un ou l’autre terme pour désigner la restitution du toucher. Le terme exact qu’il faut employer pour désigner ces deux aspects est retour haptique. Haptique : vient du mot grec haptein qui signifie toucher. Il est défini dans le Larousse par « ce qui concerne la sensibilité cutanée » et « l’étude scientifique du toucher ». Nocicepteurs : récepteurs cutanés prenant en charge les sensations douloureuses (mécaniques ou thermiques). Thermorécepteurs : récepteurs cutanés sensibles aux variations de température. Mécanorécepteurs : récepteurs cutanés sensibles aux sollicitations mécaniques sur la peau (force, pression, vibration). Somesthésie : ensemble des sensations « conscientes » issues du « soma », c’est-à-dire du corps, à l’exception des sensations venant des récepteurs visuels, auditifs, gustatifs et olfactifs. Proprioception : désigne la capacité du cerveau humain de connaître à tout instant la position du corps dans l’espace.

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2. Physiologie de l’appareil tactile humain Toute expérience commence par une perception. Les capacités rationnelles de l’homme, son intelligence, lui permettent de répondre de façon originale aux stimulations du milieu extérieur. Plusieurs chercheurs ont essayé de donner une classification des modes de perception. Une des classifications existantes est celle de Sherrington [1]. Cette classification est basée sur la séparation des deux types de sensations qui ne sont ni du même type biologique ni physiologique : (a) une sensibilité externe, consciente, exprimable, etc. (comprenant aussi la proprioception, du moins partiellement) ; (b) une sensibilité interne, inconsciente, inexprimable et certainement très mal comprise. À titre d’exemple, les récepteurs de contact sont des extérocepteurs (renseignent sur le monde extérieur), alors que les propriocepteurs (renseignent sur l’état de tension des muscles par exemple) sont des intérocepteurs. Ce qui peut être déduit de cette classification, est que le sens haptique fait appel aux deux types de sensations proposées par Sherrington. En effet, la sensibilité externe (extérocepteurs) intervient via le sens du toucher, et la sensibilité interne (propriocepteurs) intervient quant à elle via le sens kinesthésique. Il a été démontré que les voies sensitives tactiles et kinesthésiques font intervenir plusieurs parties du corps humain et notamment le système nerveux. Les biologistes identifient ces parties comme étant : 1. Le cerveau (considéré comme le siège des différents traitements) ; 2. La moelle épinière (s’apparentant à un bus transportant des informations) ; 3. Les récepteurs superficiels ou profonds (dont le rôle est de transformer un stimulus physique en un signal électrique c’est-à-dire neuronal). 10-2007

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INNOVATION

2.1 Classification des capteurs biologiques Un critère permettant de classifier les récepteurs cutanés est celui de réagir à un stimulus préférentiel. Cette classification donne naissance à trois types de récepteurs [2] connus sous les appellations de nocicepteurs, thermorécepteurs et mécanorécepteurs. 2.1.1 Nocicepteurs Les nocicepteurs prennent en charge les sensations douloureuses et constituent ainsi des dispositifs de sécurité indispensables pour la protection du système manipulateur. Il est difficile de distinguer cette catégorie de récepteurs des autres récepteurs tactiles. Il a été montré que ce sont les mêmes terminaisons, prenant en charge des variations de stimuli mécaniques ou thermiques, qui sont aussi chargées de reproduire les sensations de douleur si l’amplitude du stimulus dépasse un certain seuil. Toutefois, des récepteurs avec un seuil de déclenchement élevé existent et peuvent donc être considérés comme de purs nocicepteurs. Les nocicepteurs peuvent être très actifs sans qu’il y ait douleur ; à l’opposé, une douleur peut être très intense sans activation majeure des nocicepteurs. Nous savons tous qu’une forte émotion, un état de stress aigu ou même simplement une intense concentration peuvent supprimer une sensation douloureuse. 2.1.2 Thermorécepteurs La température est un paramètre qui rentre en jeux d’une manière évidente lors de l’exploration tactile. L’homme est homéotherme et donc effectue des échanges thermiques qui se font par conduction, convection et évaporation. Les sensations de chaud ou de froid apparaissent lorsque l’on s’écarte de la neutralité thermique. Dans ces sensations interviennent non seulement la température ambiante proprement dite mais aussi l’humidité et le vent. La sensibilité thermique est due à la présence dans la peau de thermorécepteurs divisés en deux groupes : récepteurs du froid et récepteurs du chaud, spatialement séparés dans l’étendue et la profondeur de la peau. Ils sont caractérisés par une activité électrique permanente et constante en l’absence de variation thermique [3]. La fréquence des impulsions qu’ils génèrent varie en fonction de la température. Les récepteurs thermiques sont constitués par des terminaisons nerveuses libres.

La figure 2 représente la réponse des thermorécepteurs (type chaud et type froid) à un stimulus de température. Ce qu’il est intéressant de noter sur le tracé de la courbe type froid, c’est que comme il existe un maximum correspondant à la température 20 ˚C, des températures (symétriques par rapport au maximum) voisines et chacune d’un côté différent à 20 ˚C, provoquent la même réponse et donc la même sensation pour deux valeurs de températures différentes. Une autre remarque intéressante est le fait que les thermorécepteurs du froid répondent à des stimuli qui sont supérieurs à 45 ˚C et provoquent une sensation de froid (froid paradoxal). 2.1.3 Mécanorécepteurs Les mécanorécepteurs (figure 3) jouent un rôle très important dans la perception tactile. Ce sont les récepteurs les plus souvent sollicités lorsqu’un contact est établi entre la peau humaine et un objet (ou matière) du monde extérieur. Ces neurones sont localisés dans tout le corps et peuvent prendre des terminaisons nerveuses libres ou encapsulées sous la forme de minuscules corpuscules bulbaires, axiales ou cylindriques [4]. La distribution de ces mécanorécepteurs et la combinaison de leurs signaux efférents, en réponse aux stimuli, impliquent une spécialisation de la structure sensorielle. Il existe essentiellement quatre types de mécanorécepteurs. Tout d’abord les terminaisons de « Meissner » qui se situent au niveau des empreintes de la peau de la main entre les arêtes papillaires et le derme, ainsi que celles de « Merkel », qui elles, se situent plutôt à la fin de ces arêtes. Ces deux premiers types sont caractérisés par une grande résolution spatiale. Les deux types restants sont les corpuscules de « Pacini » et les terminaisons de « Ruffini ». On les trouve situés au profond de la peau (c’est-à-dire au plus bas du derme) avec des champs de réception plus larges.

3. État de l’art des interfaces sensorielles tactiles Plusieurs possibilités pourraient être envisagées pour la classification des interfaces tactiles et cela en se basant sur : la technologie d’actionnement, l’architecture et les domaines d’applications. Un état de l’art exhaustif sur les stimulateurs tactiles existants, leurs caractéristiques physiques, spatiales et fréquentielles est présenté dans [5].

Réponses

3.1 Technologies d’excitation tactile ■ La stimulation tactile peut être accomplie de

Fibre du froid

20

30

Fibre du chaud

40 50 Température (°C)

Figure 2 – Réponses des thermorécepteurs

10-2007

différentes façons. Les systèmes d’environnement virtuel (EV) ont d’abord emprunté la technologie des imprimantes matricielles ou des systèmes d’affichage brailles pour les non-voyants. On retrouve alors des solutions à base d’aiguilles mécaniques activées par des technologies électromagnétiques (solénoïdes, membranes vibrantes ou Voice Coils), de cristaux piézo-électriques, d’alliages à mémoire de forme, de systèmes pneumatiques et de systèmes de pompe de chaleur basée sur l’effet Peltier. Une description des différentes technologies ainsi que les avantages et les inconvénients de chacune, se trouvent dans le tableau 1. © Editions T.I.

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Tribotroniques Nouveaux champs d’applications pour la tribologie Par

Caroline RICHARD Professeur des Universités GREMAN UMR 7347, Université de Tours, CNRS, INSA Centre Val de Loire, Tours, France

1.

Première définition de la tribotronique ...............................................

2.

Tribotronique ou la tribologie dite active ...........................................

—

2

3. 3.1 3.2

Tribotronique ou couplage de la tribologie et de l’électronique (semi-conducteur) ................................................ Principe de triboélectricité............................................................................. Exploitation de l’effet triboélectrique ........................................................... 3.2.1 Dispositifs en mode « vertical »........................................................... 3.2.2 Dispositifs en mode « horizontal » .....................................................

— — — — —

4 6 7 8 14

4.

Conclusions et perspectives ...................................................................

—

15

5.

Glossaire ......................................................................................................

—

17

6.

Sigles, notations et symboles................................................................

—

17

Pour en savoir plus .............................................................................................

TRI 350 - 2

Doc. TRI 350

a tribologie, définie il y a déjà une cinquantaine d’année dans le fameux rapport JOST (1966) [1] transmis au gouvernement britannique de l’époque, comme une science ayant trait à l’étude des phénomènes de frottement et d’usure des surfaces en contact et en mouvement relatif (et à la lubrification), est inhérente au développement technologique de machines fonctionnelles, robustes, fiables et efficaces. Toute machine, quelle qu’elle soit, induit de nombreux contacts mécaniques entre des surfaces variées, engendrant potentiellement frottement et usure ainsi que des pertes d’énergie substantielles sans compter des impacts environnementaux (perte de lubrifiants, émission de débris, maintenance à mettre en place). Le coût global des pertes engendrées par des phénomènes d’usure et de frottement est d’ailleurs communément évalué à 3 à 4 % du PNB d’un pays industrialisé. Ce domaine est donc de première importance et on peut considérer que depuis son avènement en tant que science à la fin des années 1970, la tribologie, partie intégrante de l’ingénierie des surfaces, s’intéresse toujours à de nouveaux champs d’applications et de nouveaux concepts (tribologie des interfaces, etc.). Aujourd’hui, la tribologie tend vers une tribologie dite vertueuse avec le concept de la « green tribology » ou « sustainable tribology ». Elle peut également devenir un atout dans des domaines où la mécanique du contact, le frottement et donc l’usure ne sont pas, de prime abord, d’importance. Cet article brosse un panorama des divers aspects de la tribotronique, ou plutôt des tribotroniques, à l’heure de l’Internet des objets, de l’efficacité énergétique, où l’interaction avec d’autres domaines comme l’électronique, l’informatique, les semi-conducteurs devient prégnante pour le développement des produits du futur.

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴ ｔｒｉＳＵＰ TRIBOTRONIQUES __________________________________________________________________________________________________________________

1. Première définition de la tribotronique

2. Tribotronique ou la tribologie dite active

La plupart des études tribologiques actuelles se bornent à des constats et à effectuer des comparaisons afin de rechercher les meilleurs couples compatibles permettant de minimiser soit le frottement soit l’usure ou les deux en même temps. On peut donc parler de tribologie dite passive. La figure 1 montre la méthode habituellement employée pour prédire le frottement et sa conséquence l’usure avec l’utilisation parfois de la fouille de données (data mining) [2]. Le data mining repose sur des algorithmes complexes et sophistiqués permettant de segmenter les données et d’évaluer les probabilités futures. Grâce à des logiciels dédiés, c’est un procédé permettant aux utilisateurs d’analyser des données sous différents angles, de les catégoriser et de résumer les relations identifiées.

La tribotronique combine donc des pièces mécaniques et des composants électroniques afin de créer des systèmes tribologiques actifs. Ceci est réalisé non seulement au travers de l’enregistrement ou du contrôle continu mais aussi par l’ajustement des tribosystèmes permettant ainsi d’améliorer l’efficacité des machines et leur durée de vie. Une des manières de concevoir des systèmes tribotroniques (figure 2) est de mettre en place des circuits ou boucles de régulation sur des éléments de machines passifs (tels les engrenages, paliers à fluide et autres roulements) de manière à créer des éléments de machine actifs. Les variables process pertinentes (variables d’entrée du tribosystème et ses variables de sortie, pertes et structure) de la boucle de régulation peuvent inclure : – les débits des fluides et lubrifiants ou autre fluides sous pression ; – les propriétés physiques des lubrifiants et autres fluides telles la viscosité et la densité ; – la composition chimique des fluides et lubrifiants (indice d’acide total, épuisement des additifs) à la fois dans leur volume et proche des surfaces de contact ; – la dynamique du système mécanique ; – les propriétés mécaniques des corps en contact telles la rigidité et la dureté ; – les propriétés des surfaces en contact telles l’énergie de surface, la charge surfacique, la résistance électrique, la texture de surface, la géométrie et la rugosité ; – l’évolution de l’usure ; – les pertes par frottement ; – les températures ; – d’autres paramètres d’intérêt, etc.

Pouvoir maîtriser en temps réel les phénomènes tribologiques, soit en régulant et en adaptant le fonctionnement des machines en conséquence, fait partie de ce que l’on appelle la tribologie active et en particulier d’une branche relativement nouvelle de la tribologie, la tribotronique. Le mot tribotronique, terme désignant l’intégration de la tribologie et de l’électronique, ressemble au mot mécatronique mais il existe des différences essentielles. Un système mécatronique utilise seulement l’information de variables d’entrée et de sortie fonctionnelles ou utiles d’un système mécatronique pour contrôler son fonctionnement. Les variables de sortie induisent des vitesses de rotation, couples de force, charge, etc. Le principe de la tribotronique est de collecter des variables de sortie, conséquence des phénomènes de tribologie engendrés dans un contact tels le frottement, l’usure, les vibrations, etc. afin de réguler le tribosystème.

Système de prévision Fouille de données (data mining, réseau de neurones) Données expérimentales Paramètres mécaniques, structuraux, chimiques et tribologiques Système Chimie et physique des lubrifiants • Huile de base • Additifs • Viscosité

Combinaison locale et temporelle du frottement • Réactions chimiques • Fatigue de surface • Adsorption • Adhésion • Abrasion • Lubrification hydrodynamique • ...

Système

Collecte des contraintes tribologiques • Cinématique • Pression, forces • Températures

Prédiction analytique souvent imposible dans les contacts à sec ! Revêtement, éprouvette, contre-éprouvette • Composition • Matériaux

Figure 1 – Méthode pour la prédiction du frottement basée sur des données empiriques (d’après [2])

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Tribosystème

Pression Paramètres de sortie

Paramètres d’entrée Vitesse

Actionneurs

Interface ordinateur

Capteurs

Unité de contrôle avec acquisition en temps réel

Figure 2 – Système tribotronique et ses éléments (d’après [3])

En tribotronique, les composants mécaniques deviennent des capteurs ou des actionneurs ou autrement dit des capteurs ou des actionneurs deviennent des composants. Ceci ouvre donc de nouveaux champs notamment pour des revêtements particuliers (figure 3). La tribotronique peut aussi être considérée comme un outil ou une méthode avancée pour la maintenance prédictive. La maintenance prédictive induit l’enregistrement continu des indicateurs de fonctionnement de la machine, ce qui permet d’obtenir des données afin de prédire en temps utile cette maintenance. Un système tribotronique comprend quatre éléments principaux : 1) Des capteurs : ils enregistrent les données tribologiques et les transmettent à une unité informatique centrale ; 2) Une unié d’acquisition : elle reçoit l’ensemble des données tribologiques (input parameters) qui peuvent provenir de différents capteurs et permet de réaliser un traitement des données en temps réel. Les données traitées de sortie (output parameters) sont ensuite envoyées aux actionneurs afin de réguler le fonctionnement du système mécanique ; 3) Des actionneurs : ils reçoivent la solution issue du traitement des données du système monitorées en continu ; 4) L’ordinateur : il permet à l’opérateur de visualiser et de contrôler la solution ou les ajustements réalisés par le système tribotronique.

Le composant mécanique devient un capteur.

Dans l’étape numérique ou de prise de décision, un logiciel en temps réel basé sur des algorithmes tribologiques calcule l’action requise qui est implémentée dans un actionneur. Un tel système est alors autonome et auto-adaptatif. De tels systèmes auto-adaptatifs peuvent être trouvés dans la nature, en particulier chez les êtres vivants. L’articulation du genou est un exemple typique de systèmes tribotroniques naturels.

Figure 3 – Revêtement Sensotect® mesurant la force sur le roulement (d’après [2])

Le type de système tribologique définit les composants à l’interface, soit les capteurs et les actionneurs à introduire. Par exemple, un contact non conforme requiert de plus petits capteurs qu’un contact conforme. Dans les deux cas, le choix correct ou la conception des capteurs est essentiel.

En fonction du résultat, l’unité centrale peut actionner des injecteurs par des tribo-actionneurs en distribuant du lubrifiant afin de réduire le frottement ou l’usure. L’unité centrale peut aussi calculer la qualité et la quantité de lubrifiant injectées afin de garantir un régime de lubrification particulier. Il peut être aussi imaginable de réintroduire des additifs dans le lubrifiant quand ceux-ci s’appauvrissent.

Afin de comprendre le fonctionnement d’un système tribotronique, considérons un piston glissant dans sa chemise. Des capteurs peuvent enregistrer par exemple des pertes de masse soit l’usure ou un coefficient de frottement à l’interface piston/ chemise. Ces données sont envoyées à l’unité centrale et traitées.

Pour des applications spatiales où la durabilité et la fiabilité des contacts tribologiques sont cruciales, des lubrifiants solides sont généralement utilisés. Ils sont appliqués avant le lancement et ne

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Lubrifiant (In) Boitier de commande

Capteur de frottement

Roulement à billes

Chauffage (Pt) Connecteur (Au)

Couche d’adhésion

Microchauffage

SiO2

Wafer Si

Figure 4 – Schéma de principe d’un roulement autolubrifiant et système de micro-chauffage associé (d’après [3])

l’énergie ainsi qu’au sens large le développement de l’électronique sans fil, l’internet des objets (IoT : Internet of Things). Ceci nécessite l’accès à des micro-sources d’énergie avec le développement de capteurs autonomes, dont le champ d’applications est immense dans le domaine industriel (suivi des machines, des véhicules ou des infrastructures), médical (suivi de la santé des personnes, implants), militaire (fantassin du futur) ou grand public (maison intelligente).

peuvent être retouchés par la suite. De plus, bien souvent, les revêtements employés s’usent au cours du temps, ce qui conduit à l’augmentation du frottement. À nouveau, l’innovation est de fournir une lubrification sur demande, par exemple quand le frottement commence par croître. Un roulement à billes est montré à la figure 4. Le lubrifiant solide, ici de l’indium (métal mou de substitution dont le comportement est proche de celui du plomb habituellement utilisé dans les roulements de précision pour des applications spatiales ou devant fonctionner dans le vide), est déposé par micro-chauffage. Le chauffage est activé par un système de contrôle dépendant du frottement mesuré par un capteur. L’indium s’évapore et lubrifie le roulement en le ramenant dans un régime de bas frottement. Le micro-chauffage réalise une fonction de tribo-actionneur.

Entre les différentes énergies « gratuites » (solaire, thermique ou mécanique, celle-ci provenant de vibrations ou de pressions) dans l’environnement humain ou industriel, le choix n’est pas simple pour concevoir une micro-source miniature et efficace. Les matériaux piézoélectriques, capables de réaliser la conversion directe de l’énergie mécanique en énergie électrique, font l’objet d’une recherche intense pour la récupération d’énergie depuis la fin des années 1990. La diversité des procédés de fabrication permettant leur miniaturisation se traduit par une large offre de prototypes (à base de céramiques massives amincies, de couches épaisses, de couches minces, ou de composites polymère-nanostructures) dont il n’est pas aisé de comparer les performances. Le champ d’investigation s’élargit encore si l’on utilise l’effet piézoélectrique inverse des matériaux piézoélectriques pour en faire des actionneurs comme en microrobotique. Enfin, les transformateurs piézoélectriques, combinant effets piézoélectriques direct et inverse, assurent l’isolation galvanique parfois exigée dans certains convertisseurs de puissance. Pour terminer ce panorama, des nanostructures piézosemiconductrices ont été intégrées dans des composants à semiconducteurs, faisant apparaître un nouveau domaine baptisé piézotronique. En 2006 seulement, le premier nanogénérateur est créé avec un matériau semi-conducteur piézoélectrique pour convertir à l’échelle nanométrique l’énergie mécanique en électricité. En couplant la piézoélectricité avec un semi-conducteur, le mot piézotronique est proposé pour la première fois en 2007 où un « piézo-potentiel » devient la tension de grille pour régler/ contrôler le transport des porteurs de charge au contact ou à une jonction. En 2012, un nanogénérateur triboélectrique (TENG) est inventé sur la base de l’électrisation par contact et de l’induction électrostatique avec une puissance de sortie améliorée. En couplant la triboélectricité avec des semi-conducteurs, le mot tribotronique apparaît en 2014 comme un autre domaine original et nouveau (figures 5, 6 et 7) [4].

Le frottement de revêtement de nitrure carbone peut être contrôlé par lubrification gazeuse. Ainsi, le coefficient de frottement dans un contact CNx/Si3N4 peut décroître de 0,20 à 0,01 par variation d’un flux d’azote gazeux et de son angle d’injection dans le contact. Le plus bas coefficient de frottement est atteint pour un certain débit d’azote et pour un certain angle. Cette technique de lubrification par absorption gazeuse peut conduire au contrôle efficace du frottement dans les MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) et les machines de précision. Les gaz lubrifiants sont réputés avoir la plus basse viscosité des lubrifiants connus. Ils sont aussi applicables tant pour des conditions de très haute température que pour de très basse. Leur stabilité chimique élimine les risques de contamination. Leur viscosité augmente avec la température. Il en résulte une capacité de charge plus importante [3].

3. Tribotronique ou couplage de la tribologie et de l’électronique (semi-conducteur) Cependant, le mot tribotronique peut également être utilisé dans une autre aire et dans d’autres dimensions. En effet, ce mot peut également concerner la fabrication de composants microélectroniques d’un nouveau genre, dans un domaine de recherche stratégique dorénavant de première importance qui concerne la récupération, le stockage et la conservation de

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La figure 6 donne l’ensemble des couplages possibles entre le phénomène de triboélectricité, les semi-conducteurs ainsi que la photoexcitation donnant un impact aussi bien en tribotronique, qu’en tribophototronique, tribophotonique et optoélectronique.

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