S i i et demarche de conception
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S.I.I. ET DEMARCHE DE CONCEPTION PowerPoint PPT Presentation


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S.I.I. ET DEMARCHE DE CONCEPTION. L’environnement numérique au service de l’analyse et la conception des systèmes industriels. Jean Marie Reynaud - Lycée Chevrollier Angers Luc Launay - IA-IPR Académie de Nantes. Le contexte du professeur. En référence aux textes du programme ….

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S.I.I. ET DEMARCHE DE CONCEPTION

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


S i i et demarche de conception

S.I.I. ET DEMARCHE DE CONCEPTION

L’environnement numérique au service de l’analyse et la conception

des systèmes industriels

Jean Marie Reynaud - Lycée Chevrollier Angers

Luc Launay - IA-IPR Académie de Nantes


Le contexte du professeur

Le contexte du professeur

En référence aux textes du programme …

  • L’enseignement des S.I.I. en P.T.S.I. et P.T. s’intéresse aux outils et méthodes d’analyse etde conception, au comportement et à la réalisation de systèmes industriels pluritechniques… répondant à un besoin exprimé.


Le contexte de la d marche

CONC-IND-PROD

Le contexte de la démarche

Faire juste du premier coup !

Contexte

Contraintes : suite d ’étapes

Seul ce qui va poser problème doit être regardé

Résultat : « le produit »


L enjeu de la d marche

CONC-IND-PROD

L’enjeu de la démarche

Rendre utile chaque étape

Contraintes

Organiser un enchaînement d ’étapes dédiées


L enjeu de la d marche1

CONC-IND-PROD

L’enjeu de la démarche

Le juste nécessaire à chaque étape

Contraintes

Adapter l ’exigence au degré de progression du projet


L enjeu de la d marche2

L’enjeu de la démarche

En résumé …

  • Le souci constant de l’ingénieur est donc de conduire son étude à un résultat maîtrisé, adapté en terme de finesse d’investigation.

  • L’aptitude de l’ingénieur doit être grande en terme :

    • d’innovation ;

    • de complexité ;

    • d’écarts ;

    • de compromis.


S i i et demarche de conception

Optimiser la conception d’un système

« La réunion de sous-ensembles optimaux ne constitue pas un ensemble optimal » (Théorème de Bellmann)


Une d marche g n rale en s i i

3

2

Problématique

Industrielle

Cahier des Charges Fonctionnel, …

Support Industriel

1

4

Modélisation

5

Simulation / Calcul / Expérimentation

6

2

7

Support Industriel

Validation

Interprétation des écarts

Une démarche générale en S.I.I.

Proposition pédagogique

Authentique

Contemporain


S i i et demarche de conception

Proposition pédagogique

Le support industriel

L'actualité du support industriel conditionne la réalité du problème technique proposé :

  • bonne connaissance du système, des évolutions et modifications techniques qui ont déterminé les choix constructifs au sein du support ;

  • CdCF élément essentiel de la dimension industrielle.


Une d marche g n rale en s i i1

3

1

Problématique

Industrielle

Cahier des Charges Fonctionnel, …

Situation problème

industrielle

1

4

Modélisation

5

Simulation / Calcul / Expérimentation

6

2

7

Support Industriel

Validation

Interprétation des écarts

Une démarche générale en S.I.I.

Proposition pédagogique

Authentique

Contemporain


S i i et demarche de conception

Proposition pédagogique

La situation problème

Le support industriel est exploité pédagogiquement au travers d’une situation problème. Un questionnement ou une problématique qui garantit

  • l’authenticité du problème technique ;

  • la légitimité de l’étude :

  • la vraisemblance des résultats obtenus.

    L’étudiant apprécie alors naturellement, l’intérêt de la démarche suivie et l’utilité des outils qui lui sont enseignés.


La d marche g n rale en s i i

3

3

Problématique

Industrielle

Cahier des Charges Fonctionnel, …

Cahier des Charges Fonctionnel, …

1

4

Modélisation

5

Simulation / Calcul / Expérimentation

6

2

7

Support Industriel

Validation

Interprétation des écarts

La démarche générale en S.I.I.

Proposition pédagogique

Authentique

Contemporain


S i i et demarche de conception

Analyse Fonctionnelle en S.I.I.

dérives à proscrire

Ne pas inventer

le fonctionnel


La d marche g n rale en s i i1

3

4

Problématique

Industrielle

Cahier des Charges Fonctionnel, …

Modélisation

1

4

Modélisation

5

Simulation / Calcul / Expérimentation

6

2

7

Support Industriel

Validation

Interprétation des écarts

La démarche générale en S.I.I.

Proposition pédagogique

Authentique

Contemporain


S i i et demarche de conception

Proposition pédagogique

La modélisation

  • La modélisation, représentation simplifiée et non simpliste de la réalité, autorise les investigations théoriques au regard du point de vue retenu et de la problématique industrielle posée.

    Considérer avec prudence, les modélisations « automatiques » proposées par certains logiciels, dans la mesure ou l’objectif de l’étude et le point de vue sont ignorés.


S i i et demarche de conception

Système de soudage par friction inertielle MTI 480

Cahier des charges fonctionnel

Moteur SNECMA GE 90 équipant les Boeing B777

Énergie de soudage (proportionnelle à la surface à souder) = 110 J mm-2

Pression desoudage = 360 MPa

Vitesse circonférentielle = 100 m min-1

N = 150 tr/min

F = 3,6 106 N

I = 9300 kg.m2


S i i et demarche de conception

pression p

tr min-1

vitesse N

déplacement x

Volants d'inertie

Ecrou

Broche

Chariot

Vis

Schéma hydraulique

Vérin de poussée

  • Circuit de mise en accélération

  • Circuit d’alimentation du vérin de poussée

Ciseaux

Coulisseau

Système de soudage par friction inertielle MTI 480


La d marche g n rale en s i i2

3

5

Problématique

Industrielle

Cahier des Charges Fonctionnel, …

Simulation / Calcul / Expérimentation

1

4

Modélisation

5

Calcul / Simulation / Expérimentation

6

2

7

Support Industriel

Validation

Interprétation des écarts

La démarche générale en S.I.I.

Proposition pédagogique

Authentique

Contemporain


S i i et demarche de conception

Proposition pédagogique

3 activités essentielles

1) Le modèle de connaissance établi sera confronté avec intérêt aux résultats observés dans le cadre des TP, afin de développer une culture des ordres de grandeur.

2) L’exploitation numérique itérative, servie par la robustesse de la maquette, permettra de :

  • visualiser l’influence relative des différents paramètres,

  • d’étudier une configuration particulière,

  • d’optimiser, de rechercher une situation critique,

  • et dans le cadre d’une confrontation avec les TP d’effectuer un recalage des modèles.


S i i et demarche de conception

Proposition pédagogique

3 activités essentielles

3) Les travaux pratiques, la manipulation et l’observation permettront de construire des modèles et d’identifier les termes caractéristiques associés à des comportements.

  • L’environnement numérique n’apparaît plus comme une boîte d’outils sophistiqués, mais comme un vecteur d’apprentissage essentiel.

  • Dans ce cadre, plus de virtuel ne peut engager qu’à mieux appréhender le réel.


S i i et demarche de conception

Analyse fonctionnelle externe

Diagramme des inter-acteurs

En phase d ’utilisation

FP1 : Déplacer et orienter une pièce

FC1 : Se fixer au support

FC2 : permettre la commande manuelle

FC3 : permettre la commande par programmation

FC4 : utiliser l'énergie disponible dans un atelier

FC5 : ne pas perturber.


S i i et demarche de conception

Analyse fonctionnelle externe

Caractérisation des fonctions


S i i et demarche de conception

Schéma cinématique spatial du robot

Solutions envisageables :

  • Combinaison de rotations

  • Combinaison de translations

  • Combinaison de rotations et translations


S i i et demarche de conception

  • Course 270° :

  • Vitesse maxi : 90°. s-1

  • Accélération maxi : 324 °.s-2

  • Temps d ’accélération mini : 355 ms

ZONE DE L ’ETUDE

Performances de l ’axe de lacet


S i i et demarche de conception

Analyse fonctionnelle interne

FAST

FT1 : Tourner la chaise 1 par rapport au socle 0

Solutions associées

Transformer l’énergie électrique en énergie mécanique

Moteur à courant continu

Réduire la vitesse de rotation et augmenter le couple

Réducteur standard

Adapter et transmettre intégralement le mouvement

Poulies-courroie synchrone

Guider les mouvements

Liaisons pivot

Capteur inductif TOR et codeur incrémental

Capter la position de la chaise par rapport au socle

Capter la vitesse de la chaise par rapport au socle

Génératrice tachymétrique

Asservir la position, la vitesse et l ’accélération

Carte de commande...


S i i et demarche de conception

Recherche d ’une solution cinématique

Moto-réducteur lié au socle


S i i et demarche de conception

Recherche d ’une solution cinématique

Moto-réducteur lié à la chaise


S i i et demarche de conception

Recherche d ’une solution cinématique


S i i et demarche de conception

Recherche d ’une solution cinématique

Choix d ’une solution


S i i et demarche de conception

Recherche d ’une solution cinématique

Solution retenue

A - Rechercher et choisir une solution


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Essai avec inertie estimée

Influence de la densité matériau

B - Pré-dimensionner des composants


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Essai avec inertie estimée


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Moteur à courant continu

D’après document PAVEX

Calculs complémentaires


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Moteur à courant continu

D’après document PARVEX

Calculs complémentaires

Le couple nécessaire en entraînement direct est de 17 Nm pour un bras en acier

Soit une puissance maximale de 26 W à l'instant où la vitesse de rotation atteint 90°. s-1.


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Réducteur harmonic Drive

« Sous carter »

D’après document GAMMATIC

Vitesse maximale d’entrée (lubrification à la graisse) : 5000 tr/min


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Poulies courroie synchrones

La transmission poulie-courroie doit avoir une réduction de 3,3


S i i et demarche de conception

Zone de fonctionnement intermittent

Zone de fonctionnement permanent

Pré-dimensionnement

Limites d ’utilisation d ’un moteur CC


S i i et demarche de conception

Le moteur s'échauffe à cause des pertes par effet joule

La puissance moyenne sur un cycle est :

le couple thermique équivalent

Avec

Pré-dimensionnement

Limites d ’utilisation d ’un moteur


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Vérification moteur


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Vérification moteur


S i i et demarche de conception

Bride

Rondelle d ’adaptation

Circlips

Boîtier excentrique

Bride

Poulie motrice

Moteur Parvex

Réducteur Harmonic Drive

Roulement

Arbre moteur

Pré-dimensionnement

Moto-réducteur de lacet


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Poulie réceptrice


S i i et demarche de conception

Pré-dimensionnement

Éléments pré-dimensionnés


S i i et demarche de conception

Recherche d ’une solution constructive

Schémas technologiques

Ces schémas peuvent bien sur être tracés à main levée

C - Rendre possible la comparaison entre différentes solutions techniques à une même fonction technique


S i i et demarche de conception

Etape 4

Simulations numérique

Etape 3

Squelette volumique fonctionnel

ou

Etape 1

Mise en place des éléments connus

Etape 2

Esquisses contraintes (contours 2D)

Squelette volumique fonctionnel

optimisé

  • éléments standards

  • pièces ou sous-ensembles existants

conception

reconception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Du principe de solution optimisée au squelette volumique fonctionnel

Schéma technologique, croquis à main levée ; …


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Esquisse de conception à main levée

D - Proposer une solution constructive


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

La conception hors assemblage


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

La conception dans l’assemblage


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Combinaison des modes ascendant et descendant


S i i et demarche de conception

Dessin à main levée

Esquisse sur logiciel 3D

Résultats

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Modélisation d ’une pièce isolée


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Modélisation dans l ’assemblage

E - Mettre en place les éléments donnés


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

F - Tracer le squelette volumique fonctionnel


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

  • Il est possible de tracer l ’ensemble des esquisses sans générer de volume mais la lecture du résultat est difficile.

  • La compréhension est aisée si on génère les volumes dès que c’est possible.

  • Dans tous les cas, les esquisses doivent être complètement contraintes.

  • La robustesse de la maquette numérique est améliorée si les contraintes sont placées entre entités de construction (esquisses, axes…).


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Simulation

Si l ’assemblage a été structuré en sous ensembles cinématiquement équivalents, alors le ré-assemblage pour faire une simulation mécanique est simple et rapide

G - Vérifier les performances et le dimensionnement des composants


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Simulation

La modélisation peut être faite en utilisant les liaisons cinématique minimales si on ne s ’intéresse qu ’à la transmission de puissance


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Simulation

On choisira une modélisation plus détaillée si l ’on souhaite en plus calculer les charges dans les roulements...

Attention : modélisation hyperstatique. Il faut rendre la solution isostatique ou imposer une inconnue pour rendre le calcul possible.

L ’utilisation d ’une méthode appropriée est alors nécessaire pour trouver les charges axiales dans les roulements


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Simulation


S i i et demarche de conception

Etape 3

Formes du brut

Etape 2

Pièce fonctionnelle optimisée

Squelette volumique fonctionnel

Pièce finie

Etape 1

Volume matière fonctionnel de base

Procédé de fabrication et modules métiers

Modules calculs

Démarche de modélisation d ’une pièce

Relation produit-procédé-matériau


S i i et demarche de conception

Brut moulé

Volumes fonctionnels

Pièce finie

Démarche de modélisation d’une pièce

Relation produit-procédé-matériau


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation d’une pièce

Relation produit-procédé-matériau

H - Faire intervenir la relation produit-procédé-matériau


S i i et demarche de conception

Démarche de modélisation 3D d’un ensemble

Mise en place des éléments d ’assemblage


S i i et demarche de conception

Modélisation de la commande

Asservissement en position de l’axe

Principe de la commande en courant


S i i et demarche de conception

Modélisation de la commande

Asservissement en position de l’axe

Principe de la commande en courant


S i i et demarche de conception

Modélisation de la commande

Asservissement en position de l’axe

Principe de l ’asservissement virtuel


Simulation

Simulation

Asservissement en position de l’axe


Simulation1

Simulation

Asservissement en position de l’axe


S i i et demarche de conception

Simulation

Asservissement en position de l’axe

I - Vérifier les performances attendues. Valider les choix


S i i et demarche de conception

Simulation

Zone d ’utilisation du moteur


S i i et demarche de conception

Retour au réel

Mesures sur le robot ERICC3

Bras tendu et perpendiculaire à l ’axe du lacet

;--------------------------------------------------

;Programme..…10. :

;Auteur .....…JMR :

;Fonction ..…Vérification performances lacet

;Dernière mise a jour : 15-12-2006

;--------------------------------------------------

CLOSE

DELETE GATHER

OPEN PROG 10 CLEAR

;Paramétrage de l'accélération --------------------

TS0

TA355

;Paramétrage de la vitesse ------------------------

F90

x0y0z-90u0a0

x90y0z-90u0a0

x0y0z-90u0a0

CLOSE

Temps d ’accélération en ms

Vitesse maximale en °/s

Commande position en coordonnées articulaires (1, 2, 3, 4, 5)


S i i et demarche de conception

Retour au réel

Mesures sur le robot ERICC3 : 90°/s

La consigne de position n’est pas respectée


S i i et demarche de conception

Retour au réel

Mesures sur le robot ERICC3 : 90°/s

Le courant sature à 1,7A et le robot n ’arrive pas à suivre la vitesse souhaitée


S i i et demarche de conception

Retour au réel

Mesures sur le robot ERICC3 : 90°/s

Le moteur est utilisé seulement dans la zone de fonctionnement permanent


S i i et demarche de conception

Les liaisons ne sont pas parfaites : courant dû aux frottements

Retour au réel

Mesures sur le robot ERICC3 : 40°/s

La consigne est respectée


S i i et demarche de conception

Les liaisons ne sont pas parfaites : courant dû aux frottements

Retour au réel

Mesures sur le robot ERICC3 : 40°/s

J - Identifier les écarts et recaler les modèles


L ments de conclusion

Éléments de conclusion

Un support industriel riche et contemporain pour enseigner …

  • L’automatique et la mécanique au service de la conception des systèmes industriels

  • La modélisation fonction du point de vue et du problème posé.

  • La simulation numérique encadrée par une analyse préalable du problème et une validation terminale des résultats.


S i i et demarche de conception

Bibliographie

Avec la collaboration précieuse et complice

de Jacques DURAND.

  • Séminaire du nouveau référentiel BTS CPI - Albi décembre 2004

  • Séminaire des corps d’inspection - Clermont Ferrand avril 2003

  • Stage Liesse - Angers mai 2003

  • Stage Liesse - Clermont Ferrand mai 2001

« Les excès novateurs de la veille étonnent toujours par leur timidité. »

Paul Valéry


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