M

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Mécatronique une nouvelle démarche pourla
conception des systèmes
Jean-Yves CHOLEY SUPMECA Institut Supérieur de
la Mécanique de Paris
2
Un système mécatronique doit pouvoir assurer une
fonction
Rover Sojourner
Lanceur Delta 2
Misson Pathfinder-Sojourner, NASA 1997
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dans un environnement et sous des contraintes
donnés
Lancement
Rentrée atmosphérique
Freinage
Atterrissage
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avec une certaine autonomie
Déploiement et exploration
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à laide de mécanismes
Motorisation MAXON CC
Bogie avant
Mobilité
Roues arrières
plié
Dispositifs de déploiement
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dune électronique de gestion du système
Electronique du Rover (80C85)
Electronique du Lander (processeur RAD6000,
dérivé du PowerPC)
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de sources dénergie, de moyens de communication
Batteries NiCad
Panneau solaire GaAs
Modem
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de moyens de contrôle
Caméra CCD
Dispositif Laser Anti-collision
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dun équipement lui permettant dagir
Spectromètre déployable
Caméras optiques
Station météo
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dune informatique de contrôle-commande
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et avoir un design évolutif.
Mars 2004 185kg
Mars 1997 11kg
Mars 2009 500kg
? systèmes pluritechnologiques ?
pluridisciplinarité !
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Contexte historique

• Avant 1950, les machines sont des ensembles
  électromécaniques.
• Les années 50 voient lapparition des
  semi-conducteurs. Lélectronique est née.
• Dans les années 60-70, lapparition 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 lusage de langages de
programmation évolués permettent la conception de
commandes très performantes avec des délais très
courts.
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Pluridisciplinarité de la conception
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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 nest plus compatible avec ce
  quimposent les marchés actuels (qualité, coût,
  délais, miniaturisation et intégration,
  maintenance, recyclage, mondialisation)

? nécessité dune nouvelle démarche de conception
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Modélisation globale  classique  des systèmes
automatisés
Ce découpage nest pas conseillé pour létude
globale des systèmes mécatroniques car il sépare
les métiers de la mécanique et les métiers du
contrôle-commande (électronique, électromécanique
et informatique).
? nécessité dune nouvelle modélisation des
systèmes
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Nouvelle démarche de conception2 approches
complémentaires

• Approche mécatronique ou système

Conception de fonctions couplées par intégration
des aspects mécanique, électronique et
informatique. Cette pluridisciplinarité impose de
concevoir selon le concept dingénierie
collaborative (co-développement du système
mécanique, du hardware, du software et des
interfaces par travail en réseau, mise en commun
dune base de données techniques et dune
maquette numérique, démarche de conception et
outils de modélisation communs)
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La démarche danalyse mécatronique
 La démarche mécatronique est une approche de
conception pluridisciplinaire basée sur lanalyse
des systèmes, leur réalisation et leur contrôle 
Remarque les contraintes de conception peuvent
être de nature fonctionnelles, structurelles,
temporelles

• Plusieurs niveaux hiérarchiques danalyse 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.
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Proposition de démarche pour la conception dun
système mécatronique

• A ce jour, il ny 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.

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Démarche mécatronique suite

• 2 - Niveau système Définir les relations entre
  les différentes fonctions mécatroniques. Cest le
   mapping  du système.
• les flux dinformations
• les flux dénergie
• 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, lélectronique de commande,
  lélectronique 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.

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Structure dun système mécatronique
Plug Work !
Ensemble des autres fonctions mécatroniques const
ituant le système
BUS INFORMATIONS TEMPS REEL
INTERACTIONS GEOMETRIQUES STRUCTURELS,
MECANIQUES
BUS ENERGIE
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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

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Lève-vitre électrique
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Système mécatronique grand public le lecteur de
CD audio
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Lecteur de CD audio (baladeur)Fonction globale

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

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Lecteur de CD audio (version baladeur)
Graphe des interacteurs (APTE)
FSU1 Restituer le son mémorisé sur un CD
(Fonction de Service dUsage) 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
lintensité 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 léjection du CD FSA3 Permettre
la gestion du lecteur (IHM afficheur et clavier)
(Fonction de Service dAdaptation) FSA4 Etre
protégé de lenvironnement (humidité,
température) FSA5 Ne pas dégrader
lenvironnement (faisceau laser, bruit) FSA6
Etre alimenter en énergie électrique (sur
batterie, autonomie)
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Lecteur de CD Analyse descendanteSystem
Analysis Design Technic (SADT)
Chaque fonction peut à son tour faire lobjet
dune analyse (zoom)
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Autre outil danalyse le diagramme
FAST(Function Analysis System Technic)
DIAGRAMME FAST DUN PILOTE AUTOMATIQUE DE BATEAU
Prendre appui dans le cockpit
guider la vis en rotation
Suspension à cardan
Liaison pivot
Transformer lénergie élec. en énergie méca.
lier la vis à la sortie du réducteur
Moteur électrique
encastrement
Adapter lénergie méca de rotation
Communiquer une énergie méca à la barre
Agir sur la barre
transformer le mouvement
Réducteur à engrenages
Vérin électrique à vis
Liaison hélicoïdale
Transformer lénergie méca
lier lécrou à la tige du vérin
Mécanisme vis-écrou
encastrement
Transmettre lénergie méca à la barre
guider la tige du vérin
Tête dhomme
Liaison glissière
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La mécatronique au quotidien des exemples
Aéronautique commandes de vol et actionneurs
électriques
Grand public (Loisirs, électroménager)
Automobile aides à la conduite, sécurité
active, accessoires
Ferroviaire bogies intelligents (suspension,
inclinaison de caisse, essieu radiant, freinage)
Industrie (robotique)
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et des remarques en guise de conclusion

• La compréhension de la complexité dun 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 dintégrer ce que
  lon entend par ingénierie concourante et
  ingénierie collaborative.
• Au delà des outils classiques danalyse des
  systèmes (SADT, APTE, FAST, GRAFCET), il
  convient également denvisager des outils plus
  adaptés à létude des systèmes mécatroniques à
  base de langages informatiques orientés objets et
  base de données (UML). Cependant, ceux-ci ne
  sont pour linstant que très peu employés.
• Enfin, il ne sagit pas de plaquer de
  lélectronique et de linformatique sur un
  mécanisme existant une reconception complète du
  système est impérative afin doptimiser
  lintégration des différentes technologies.