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MECATRONIQUE
Mécatronique :
une nouvelle démarche pour
la conception des systèmes
Jean-Yves CHOLEY
SUPMECA – Institut Supérieur de la Mécanique de Paris
MECATRONIQUE
Un système mécatronique doit
pouvoir assurer une fonction…
Lanceur
Delta 2
Misson Pathfinder-Sojourner, NASA 1997
Rover Sojourner
MECATRONIQUE
dans un environnement et sous
des contraintes donnés…
Lancement
Rentrée
atmosphérique
Freinage
Atterrissage
MECATRONIQUE
avec une certaine autonomie…
Déploiement et exploration
MECATRONIQUE
à l’aide de mécanismes…
Motorisation
MAXON CC
Bogie avant
Mobilité
Roues arrières
plié
Dispositifs de déploiement
MECATRONIQUE
d’une électronique de gestion du système…
Electronique du Rover (80C85)
Electronique du Lander
(processeur RAD6000,
dérivé du PowerPC)
MECATRONIQUE
de sources d’énergie, de moyens de communication…
Batteries NiCad
Panneau solaire GaAs
Modem
MECATRONIQUE
de moyens de contrôle…
Caméra CCD
Dispositif Laser Anti-collision
MECATRONIQUE
d’un équipement lui permettant d’agir…
Caméras optiques
Spectromètre
déployable
Station météo
MECATRONIQUE
d’une informatique de contrôle-commande…
MECATRONIQUE
…et avoir un design évolutif.
Mars 2004
185kg
Mars 1997
11kg
Mars 2009
500kg
 systèmes pluritechnologiques  pluridisciplinarité !
MECATRONIQUE
Contexte historique
• Avant 1950, les machines sont des ensembles
électromécaniques.
• Les années 50 voient l’apparition des semiconducteurs. L’électronique est née.
• Dans les années 60-70, l’apparition de calculateurs
fiables permet le contrôle des machines par logiciel.
µP 4004 INTEL
En 1969, invention du mot MECATRONIQUE (MECHATRONIC) par un
ingénieur japonais (Yaskawa Electric Corporation).
Plus récemment, le développement des microcontrôleurs à haute
intégration et des mémoires Flash ainsi que l’usage de langages de
programmation évolués permettent la conception de commandes très
performantes avec des délais très courts.
MECATRONIQUE
Pluridisciplinarité de la conception
Mécanique
(et hydraulique, pneumatique…)
Intégration
composants
Mécatronique
CFAO
Automatique
Robotique
Electronique
µC
Informatique
MECATRONIQUE
Ancienne démarche de conception:
2 principes de décomposition
•
Décomposition séquentielle du cycle de vie du produit
(conception, fabrication, commercial…)
•
Découpage du produit en sous-systèmes « métiers »
(mécanismes, motorisations, capteurs, énergie, commande…)
•
Cette démarche n’est plus compatible avec ce qu’imposent les
marchés actuels (qualité, coût, délais, miniaturisation et
intégration, maintenance, recyclage, mondialisation…)
 nécessité d’une nouvelle démarche de conception…
MECATRONIQUE
Modélisation globale « classique » des
systèmes automatisés
PREACTIONNEURS
Interface
Homme
Machine
(IHM)
PC
(partie
commande)
Electronique de
puissance
PO
(partie
opérative)
CAPTEURS
Microprocesseur
mémoire, API…
Actionneurs
Effecteurs
Ce découpage n’est pas conseillé pour l’étude globale des
systèmes mécatroniques car il sépare les métiers de la mécanique
et
les
métiers
du
contrôle-commande
(électronique,
électromécanique et informatique).
 nécessité d’une nouvelle modélisation des systèmes…
MECATRONIQUE
Nouvelle démarche de conception:
2 approches complémentaires
•Ingénierie concourante ou simultanée:
Conception produit (BE)
Conception process (BM)
Fabrication
Commercialisation
•Approche mécatronique ou système:
Conception de fonctions couplées par intégration des aspects
mécanique, électronique et informatique. Cette pluridisciplinarité
impose de concevoir selon le concept d’ingénierie collaborative (codéveloppement du système mécanique, du hardware, du software et
des interfaces par travail en réseau, mise en commun d’une base de
données techniques et d’une maquette numérique, démarche de
conception et outils de modélisation communs…)
MECATRONIQUE
La démarche d’analyse mécatronique
« La démarche mécatronique est une approche de conception
pluridisciplinaire basée sur l’analyse des systèmes, leur réalisation
et leur contrôle »
Remarque: les contraintes de conception peuvent être de nature
fonctionnelles, structurelles, temporelles…
Plusieurs niveaux hiérarchiques d’analyse du système:
• Niveau fonctionnel
• Niveau système ou réseau
• Niveau composant ou géométrique
Il est essentiel de partir de la fonctionnalité demandée, le
choix des technologies, des capteurs et des actionneurs ne
pouvant être que du second ordre.
MECATRONIQUE
Proposition de démarche pour la conception
d’un système mécatronique
• A ce jour, il n’y a pas de théorie unifiée de la mécatronique.
• Dans le domaine des outils de modélisation et de simulation, tout
ou presque reste à faire, que ce soit pour la modélisation
fonctionnelle, structurelle ou temporelle. Les tendances actuelles
sont les modélisations basées sur les graphes, les langages
informatiques orientés objets (UML…). Quelques outils
informatiques cependant utilisables : Matlab-Simulink, AMEsim…
Nous proposons la démarche suivante:
1 - Niveau fonctionnel : Conduire une analyse fonctionnelle
complète du système:
• Définir la fonction globale du système.
• Etablir le graphe des interacteurs.
• Etablir la liste des fonctions mécatroniques du système.
MECATRONIQUE
Démarche mécatronique : suite…
2 - Niveau système : Définir les relations entre les différentes
fonctions mécatroniques. C’est le « mapping » du système.
• les flux d’informations
• les flux d’énergie
• les liens structurels (géométrie, positionnement, assemblages…)
• les liens temporels, causalité…
3 - Niveau composants :
• Pour chaque fonction mécatronique identifiée, définir le
mécanisme agissant, la motorisation, les capteurs, l’électronique
de commande, l’électronique de puissance et la stratégie de
contrôle-commande informatique .
• Pour chaque fonction mécatronique, on choisira les technologies
les plus adaptées fonctionnellement et économiquement parmi un
choix de solutions mécaniques, électroniques et / ou informatiques.
MECATRONIQUE
Structure d’un système mécatronique
Fonction mécatronique
Electronique
Mécanique
Actionneur
Informatique
Capteurs
BUS INFORMATIONS TEMPS REEL…
INTERACTIONS GEOMETRIQUES & STRUCTURELS, MECANIQUES…
BUS ENERGIE…
Plug
&
Work
!
Ensemble des
autres fonctions
mécatroniques
constituant
le système
MECATRONIQUE
Exemple de composant mécatronique intégré:
DLR Mechatronic Linear Drive Cylinder
• Microcontrôleur 16 bits intégré H8S2134 Hitachi
• Interface I/O RS-422 et RS-232
• Codage incrémental de position avec technologie magnéto-résistive (précision 1µm)
• 2 capteurs de fin de course
• Capteur de force (jauge de contrainte)
• Mécanisme de conversion du mouvement selon brevet DLR (planetary roller screw)
• Développe un effort de 1000 N
• Vitesse maximale 16 mm/s
• Course de 50 mm
• Longueur 104 mm
• Masse 735 g
MECATRONIQUE
Lève-vitre électrique
MECATRONIQUE
COMPACT
DIGITAL AUDIO
Système mécatronique grand public :
le lecteur de CD audio
1 0000 1 00000 1
MECATRONIQUE
COMPACT
DIGITAL AUDIO
Lecteur de CD audio (baladeur)
Fonction globale
Fonction globale: restituer le son mémorisé sur un CD audio.
Energie
CD audio
Commandes
Restituer
le son
Informations
Son
Lecteur-baladeur
Remarque:
• Terminologie adaptée à l’analyse de la valeur: norme NFX 50-150.
• Définition (norme NFX 50-151) du Cahier des Charges fonctionnel.
MECATRONIQUE
Lecteur de CD audio (version baladeur)
CD audio
FSU1
FSU2
FSA6
Energie
Lecteur de
CD audio
Utilisateur
FSA3
FSA4
Graphe des
interacteurs
(APTE®)
COMPACT
FSA5
Environnement
DIGITAL AUDIO
FSU1: Restituer le son mémorisé sur un CD (Fonction de Service d’Usage)
FSU11: Lire la piste hélicoïdale
FSU111: Faire défiler la piste sous la tête de lecture
FSU1111: Mettre le disque en rotation
FSU11111: Maintenir constante la vitesse de défilement
FSU1112: Déplacer la tête de lecture radialement afin de suivre la piste
FSU112: Emettre un faisceau de lumière cohérente (laser)
FSU1121: Réguler l’intensité lumineuse
FSU1122: Focaliser sur la surface du disque (verticalement)
FSU1123: Centrer le faisceau sur la piste (radialement)
FSU113: Capter le signal lumineux réfléchi
FSU12: Transformer le signal lumineux reçu en son analogique
FSU121: Décoder
FSU122: Corriger
FSU123: Convertir
FSU124: Amplifier
FSU2: Permettre la mise en place et l’éjection du CD
FSA3: Permettre la gestion du lecteur (IHM: afficheur et clavier) (Fonction de Service d’Adaptation)
FSA4: Etre protégé de l’environnement (humidité, température…)
FSA5: Ne pas dégrader l’environnement (faisceau laser, bruit…)
FSA6: Etre alimenter en énergie électrique (sur batterie, autonomie…)
MECATRONIQUE
COMPACT
DIGITAL AUDIO
Lecteur de CD: Analyse descendante
System Analysis Design Technic (SADT®)
Chaque fonction peut à son tour faire l’objet d’une analyse (zoom)
MECATRONIQUE
Autre outil d’analyse: le diagramme FAST®
(Function Analysis System Technic)
DIAGRAMME FAST D’UN PILOTE
AUTOMATIQUE DE BATEAU
Agir sur la barre
Communiquer une
énergie méca à la barre
Vérin électrique à vis
Prendre appui dans le
cockpit
guider la vis en
rotation
Suspension à cardan
Liaison pivot
Transformer l’énergie
élec. en énergie méca.
lier la vis à la sortie du
réducteur
Moteur électrique
encastrement
Adapter l’énergie
méca de rotation
transformer le
mouvement
Réducteur à engrenages
Liaison hélicoïdale
Transformer l’énergie
méca
lier l’écrou à la tige du
vérin
Mécanisme vis-écrou
encastrement
Transmettre l’énergie
méca à la barre
guider la tige du vérin
Tête d’homme
Liaison glissière
MECATRONIQUE
La mécatronique au quotidien: des exemples…
Aéronautique: commandes de vol
et actionneurs électriques…
Ferroviaire: bogies intelligents
(suspension,
inclinaison
de
caisse, essieu radiant, freinage…)
Grand public
(Loisirs,
électroménager…)
Industrie
(robotique…)
Automobile: aides à la conduite,
sécurité active, accessoires…
MECATRONIQUE C2
…et des remarques en guise de conclusion
La compréhension de la complexité d’un système mécatronique ne peut être
envisagée que si les acteurs ont des connaissances de base communes en:
• mécanique (cinématique, dynamique, technologie, hydraulique…)
• électronique (microcontrôleur, composants numériques et analogiques…)
• informatique (algorithmique, langages orientés objets…)
Il est également nécessaire d’intégrer ce que l’on entend par ingénierie
concourante et ingénierie collaborative.
Au delà des outils classiques d’analyse des systèmes (SADT, APTE, FAST,
GRAFCET…), il convient également d’envisager des outils plus adaptés à
l’étude des systèmes mécatroniques à base de langages informatiques
orientés objets et base de données (UML…). Cependant, ceux-ci ne sont pour
l’instant que très peu employés.
Enfin, il ne s’agit pas de plaquer de l’électronique et de l’informatique sur un
mécanisme existant; une reconception complète du système est impérative
afin d’optimiser l’intégration des différentes technologies.