Méthodologie de conception d'un produit mécatronique

8/18/2019 Méthodologie de conception d'un produit mécatronique

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19ème Congrès Français de Mécanique Marseille, 24-28 août 2009

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Méthodologie de conception d’un produit mécatronique

R. PLATEAUX, O. PENAS, J.Y. CHOLEY, F. MHENNI, A. RIVIERE

Institut Supérieur de Mécanique de Paris (ISMEP-Supméca)

Laboratoire d’Ingénierie des Structures Mécaniques et des Matériaux (LISMMA)

Résumé :

Aujourd'hui, de nombreuses méthodologies et outils de conception mécatronique existent. Mais leur

approche est partielle au sens où ils ne permettent de passer continûment des spécifications au prototype

virtuel. Dans cet article, la première partie descendante du cycle en V est intégrée. Pour faire cela, une

méthodologie hybride, basée sur différents outils, langages et méthodologies tels que l'analyse fonctionnelle,

le SADT, SysML, Modelica et Catia Systems est proposée.

Abstract : Nowadays, many studies about mechatronic design process are available. But all of these are local, for theyonly focus on one single level of the V-cycle and don’t enable a modelling continuity from requirements to

the virtual prototyping. In this article, we propose to integrate the entire downward side of the design V-

cycle. For this, we present a hybrid methodology based on several tools, languages and methodologies such

as SADT, SysML, Modelica and Catia Systems.

Mots clefs : Méthodologie de conception intégrée, Modelica, Mécatronique.

Introduction

Les phases de conception d’un système mécatronique sont nombreuses. Le cycle en V correspondant

présente souvent des itérations avant de pouvoir obtenir un prototype physique concluant. En effet,

différentes étapes dont la cohérence n’est pas toujours garantie, sont nécessaires :

• collecter les exigences et les transcrire sous forme de spécifications sur des paramètres quantifiables,

• décomposer le système pour faire apparaître un modèle fonctionnel et structurel,

• simuler le système en phase de pré-dimensionnement.

Une des raisons de ce problème est la discontinuité de modélisation lors du passage d’une phase de

conception à l’autre. Son origine peut être multiple : pertes et/ou modifications de données lors des transferts

entre outils, mises à jour non automatiques entre les modèles… Finalement, il y a rupture numérique entre

les modèles.

Comme bien souvent les systèmes mécatroniques sont des systèmes de grande complexité, de part leur

nombre de composants, leur aspect multi-physique et multi-domaine, et les couplages mis en jeu, il apparaît

judicieux de définir quels sont les besoins pour concevoir de tels systèmes.

Chakrabarti and Bligh [1] proposent les trois exigences suivantes pour définir une approche de conception

idéale :

• supporter la conception routinière et innovante ;

• permettre de réaliser la synthèse ;

• élaborer des solutions modulables en niveau de granularité.

Pour remplir la première condition, la continuité des différents niveaux de modélisation - fonctionnel,

logique et physique - est fondamentale. Cette continuité a non seulement l’avantage de limiter les pertes

d’informations, mais de rendre plus facilement cohérents les différentes spécifications, paramètres etmodèles entre les divers niveaux. Elle limite les erreurs, les oublis, les redondances et assure que le prototype

final respecte le cahier des charges. Par ailleurs, elle facilite la traçabilité par l’automatisation de la

répercussion de la mise à jour de modifications d’un niveau de modélisation sur les autres, suivie d’une


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notification dans la documentation du projet. Ainsi les choix de solutions pourront être automatiquement

documentés : le cheminement complet depuis les exigences initiales sera explicite et facile d’accès.

Cependant, ces conditions ne sont pas suffisantes pour la mécatronique. En effet, l’aspect pluridisciplinaire

des systèmes mécatroniques nécessite un environnement ouvert à l’ensemble des métiers, permettant à la fois

de modéliser la mécanique, l’électronique, l’automatisme et de permettre ainsi les collaborations entre les

services… De plus, en pré-dimensionnement, pour calculer e.g. les éventuels couplages thermiquesintervenant dans ces domaines, chacun peut avoir besoin d’un modèle simplifié de la partie modélisée par les

autres. Il est donc important de permettre de modifier la granularité dans les différents modèles, pour

permettre cette vision multi-échelle selon les besoins. En effet, en phase de pré-dimensionnement, plus les

modèles sont simulables tôt dans le cycle de conception, moins il est nécessaire d’itérer et plus le temps de

développement est raccourci. Toujours dans cette perspective, la visualisation 3D (même simplifiée) des

éléments, disponible très tôt dans la conception permet de prendre en compte l’encombrement et les

éventuelles interactions de proximité ou de contact et facilite donc le pré-dimensionnement géométrique.

Enfin, une dernière caractéristique semble nécessaire pour une conception rapide et efficace de systèmes

complexes : l’accès à une base de données commune à l’ensemble des concepteurs d’un projet afin de

capitaliser les précédentes études et automatiser certaines déclinaisons d’exigences, de fonctions ou

d’architectures récurrentes.

Ainsi, après avoir défini notre approche de conception idéale, nous allons décrire de quelle manière nous

pourrions la mettre en œuvre en se basant sur les méthodologies et langages actuels. Nous proposons

également un environnement dans lequel l'implémentation sera possible pour chacune des phases de

conception.

1 Notre approche

1.1 Méthodologies, outils et langages existants

De nombreux outils et méthodologies existent, provenant de domaines différents [2] [3] [4] [5] [6] [7]. Ils

répondent aux problèmes récurrents des concepteurs [8], à savoir, assurer la création rapide d’un produit peu

cher, simple et fiable [9] [10] répondant à un cahier des charges, même si ces contraintes sont souventantagonistes. Ainsi, pour le domaine de l’ingénierie mécanique, l’analyse fonctionnelle, l’APTE, le SADT

(Structured Analysis and Design Technique) [11] / IDEF methods (Integrated DEFinition, 0 : for Function

Modeling Method, 3 : Process Description Capture Method et 4: Object-Oriented Design Method) [12] et le

FAST (Function Analysis System Technique Diagram) [13] sont couramment utilisés. Pour l’électronique,

les langages de description matériel (VHDL, Verilog) sont destinés à représenter et simuler le comportement

ainsi que l'architecture d’un système électronique numérique. Les outils de synthèse logique (Design

compiler, RC, Leonardo…) compilent la description fonctionnelle d'un circuit à l'aide d'un outil de synthèse

et d'une bibliothèque de cellules logiques. Les méthodologies de conception avec une approche système

commencent à émerger [14] [15]. Pour l’ingénierie informatique, UML (Unified Modeling Language) est le

bon outil, qui a été décliné en SysML (System Modelling Language) [16] [17] pour l’approche systémique.

Mais ces outils présentent quelques lacunes : le SADT (ou IDEF0), initialement prévu comme un outil de

description et d'analyse est privé de toute analyse séquentielle. Notons toutefois qu’IDEF4 peut pallierquelque peu ce défaut. Quant à SysML, il propose un grand nombre de diagrammes, parfois redondants, pour

modéliser un système (diagrammes d'exigences, fonctionnels, comportementaux et structurels). Cependant, il

ne propose pas de méthodologie. Néanmoins, le diagramme paramétrique permettrait, si cela était

implémenté, d'effectuer une simulation physique du système, même si la géométrie n'est toujours pas prise

en compte. En effet, il descend jusqu'au niveau du comportement physique du composant et peut ainsi être

considéré comme l'interface avec la simulation.

On voit donc que le principal inconvénient de SysML et du SADT est de ne pas permettre la simulation de la

structure générée : aucune validation significative n'est alors effectuée avant la phase de pré-

dimensionnement. De ce fait, pour ces méthodologies et langages, même si certains tests de cohérence sont

possibles, la validation du modèle est liée directement au savoir-faire du concepteur, puisque la simulation

réaliste du modèle est pour l’instant impossible.Parmi les solutions possibles, deux moyens peuvent être utilisés pour parvenir à un environnement idéal de

conception tel que nous l’avons défini précédemment (continuité de modélisation, cohérence, traçabilité,


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capitalisation, modélisation simulable, vision initiale 3D, multi-niveau, multi-physique et multi-échelle) : soit

par l’interfaçage des outils utilisés, soit par l’intégration de ces outils au sein d’un environnement unique.

Etant donné la multitude et la variété d’outils utilisés (multi-niveaux, multi-domaines) dans le cadre de la

conception de produits mécatroniques, il paraît matériellement difficile de réaliser l’interfaçage de tous ces

outils entre eux. Aussi, nous nous sommes naturellement orientés vers la solution d’intégration, en

choisissant pour chaque niveau les outils et méthodologies qui nous semblaient les plus pertinentes pour laconception mécatronique : SysML et SADT pour l’analyse fonctionnelle, Modelica [18] pour la simulation

multiphysique [19] voire géométrique dans Dymola [20], CATIA V6 pour la maquette numérique intégrée.

Des études ont déjà été menées pour intégrer Modelica à SysML [21]. De notre côté, nous avons choisi

d’intégrer des modules SysML à Modelica [22], et certaines sont en cours au sein de notre équipe pour

intégrer les données géométriques de la maquette numérique au sein de Modelica, pour avoir des simulations

dynamiques 3D.

1.2 Notre démarche intégréeAfin de permettre un passage continu des exigences à la description détaillée du système et donc une

intégration complète de toutes les phases de modélisation, un environnement unique a été envisagé.

L’objectif est d’arriver à un prototype virtuel, simulable et rendant compte du comportement du système.

Pour cela, depuis deux ans, nous avons choisi d’exploiter le langage Modelica sous Dymola. Le premièreétape consiste à répondre à l’adéquation de cet environnement à répondre à toutes les caractéristiques de

l’environnement idéal de conception que nous avons défini précédemment.

Tout d’abord, il répond en grande partie à la définition de l'environnement pour une analyse fonctionnelle

idéale défini par Chakrabarti et Bligh [1] par sa capacité à supporter les conceptions de toute nature (multi-

domaine), à tout niveau (multi-niveau) et à permettre les évolutions de conception à travers les niveaux de

détail (multi-échelle).

En effet, Modelica est un langage objet acausal permettant de décrire des systèmes mécatroniques,

multidomaines, pour modéliser des phénomènes discrets et continus. Une des forces de ce langage est de

proposer de nombreuses bibliothèques (mécanique, électrique, hydraulique, thermique, etc) libres,

développées par des spécialistes et d'avoir déjà des outils libres (Scicos, OpenModelica).

Cet environnement orienté objet permet aisément de restructurer un mauvais découpage des fonctions avec

leur correspondance structurelle. Le niveau d’encapsulation peut alors être modifié (multi-niveau).

FIG. 1 : Niveau d’encapsulation modulable [1] disponible sous Modelica

Que l’on se place en conception routinière ou innovante, la modularité proposée par le langage permet de

changer la classe des objets constituant le modèle. Ainsi, la modification d’un type de composant est possible

et la création à partir de rien en utilisant, soit une nouvelle topologie de composants, soit en partant

d’équations caractéristiques du comportement du système, devient envisageable.

Par ailleurs, la continuité du processus de conception est assurée par le développement d’éléments permettant

de passer continûment d’un niveau à l’autre (Exigences, Fonctionnel, Physique/Comportemental, Structurel)

sous Modelica dans Dymola. En fait, le processus de conception peut être comparé à un puzzle incomplet

[23]. Les exigences, fonctions et structures sous-tendues par ces fonctions ainsi que les composants sont les

macro-pièces de ce puzzle. L'objectif du processus idéal allant du cahier des charges à la conception détaillée

est alors de compléter le puzzle, en réduisant le nombre de modèles différents lors de la conception.

Les exigences fonctionnelles et dysfonctionnelles sont directement enregistrées sous format texte dans la

documentation de Dymola avec des critères quantitatifs, et une routine en Modelica crée automatiquement


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les blocs exigences dans l’interface graphique de Dymola (comme le « requirement diagram » de SysML). A

tout moment la modification d’une exigence met à jour le cahier des charges dans la documentation. Les cas

d'utilisation peuvent être très tôt intégrés. La documentation associée est générée en direct et intégrée au

modèle. Le modèle intègre le cahier des charges, les évolutions... La documentation en ligne constitue la

mémoire de génération du produit, précisant les forces et faiblesses du modèle, ses hypothèses et limitations.

Cet échange peut être dynamique. On peut envisager la définition de spécifications reconnues par le mot clé

« contrainte » dans la documentation, générant la dite contrainte avec ses limites mini, maxi.

FIG. 2 : Blocs exigences sous Modelica

Les exigences sont dérivées en fonctions reliées par des connections entre les connecteurs avec une approche

de raffinements successifs, similaire à la représentation SADT ( FIG. 2). Chacune des fonctions est réalisée

par des composants, simples ou composés, identifiés ou non, existants (COTS : composants sur étagère) ou

non. Il n’est pas nécessaire de connaître la structure interne des fonctions pour définir les flux transitant etdonc leurs connecteurs associés. Les aspects de synchronisation peuvent être pris en compte par des graphes

complémentaires utilisant le jeu de variables déclaré dans la structure.

FIG. 3 : Exemples de représentation SADT d’un objet fonction et son raffinement sous Dymola

Les comportements normaux et les dysfonctionnements anticipés sont décrits avec les grafcets (sequential

function charts, SFC, FIG. 4) de Modelica.

FIG. 4 : « Sequence Function Chart » en Modelica

Ces fonctions peuvent être liées aux solutions structurelles ou aux niveaux de décomposition de ces fonctions

via un tableau croisé de correspondance fonction/solution (TAB. 1). Les équations de comportement peuvent

être introduites à ce niveau pour identifier les flux des paramètres (comme dans le « parametric diagram » de

SysML) et pouvoir commencer les simulations. A chaque étape de l'analyse, nous avons la possibilité de

choisir parmi les solutions existantes, de concevoir tout ou partie des sous-fonctions correspondantes.

Solutions

Fonctions S1 S2 S3 S4 S5 S6

F1 X X X

F2 X X

F3 X X X X

F4 X X

F5 X X X

TAB. 1 : Tableau croisé Fonctions-Solutions.

1. Le système étant en état d'attente,

Si bon code entré alors

2. Ouverture portail

Si véhicule passé et portail ouvert alors3. Fermer le portail

Si portail fermé alors

4. Retour à l'étape d'attente 1


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Plusieurs stratégies peuvent alors être adoptées :

• Rechercher si la fonction a déjà au moins une solution exploitable sans développement

supplémentaire. Dans le cas d'une famille de solutions, une recherche d'architecture optimale

pourra être envisagée.

• Décomposer les fonctions jusqu'au niveau des briques élémentaires, point de passage direct

avec le structurel.• Rechercher la solution remplissant le plus de fonctions, puis rechercher si toutes les

fonctions sont réalisées, sinon parmi le jeu de fonctions restantes réitérer la première étape.

Différents niveaux de modélisation structurelle peuvent alors être utilisés pour simuler le fonctionnement du

système. Ceci complète le modèle couramment utilisé en géométrie où l’on matérialise les intentions de

conception par la cotation.

FIG. 5 : Choix du composant structurel sous Dymola

FIG. 6 : Exemple d’objet graphique et son code en Modelica

Les éléments structurels font apparaître les premiers éléments géométriques. Ils nous permettent d’avoir une

représentation 3D (parfois simplifiée) des composants, qui, par l’intégration des éléments géométriques, rend

les simulations multi-physiques de pré-dimensionnement plus réalistes. Certains COTS peuvent fournir unegéométrie détaillée à partir de CATIA. Un des aspects important de cette approche « tout intégré » est le

passage du continu (ensemble donné par la simulation) au discret (donné par l’ensemble des composants).

Une simulation peut être réalisée dans le domaine continu puis on peut passer à la recherche de l'adéquation

entre le composant idéal simulé et une instance réelle (domaine discret).

La représentation plane des objets Modelica avec ses positions et dimensions est purement graphique. Les

données géométriques ne sont pas couplées avec ces icônes 2D. C’est pourquoi nous proposons d’étendre les

représentations des objets Modelica en 3D pour intégrer la géométrie au comportement. Cet aspect est

longuement détaillé dans un autre article [24].

L’intégration de Dymola au sein de CATIA System (V6) offre la possibilité d’accès au module PDM de

CATIA, qui permet de stocker, structurer, tracer les données, de partager et favoriser la réutilisation des

standards et de l’existant. Ainsi, la capitalisation des différents modèles est possible.

2 Conclusion

Dans cet article, nous avons proposé une démarche unique intégrée permettant la réalisation d’une

conception d’un système mécatronique basée sur le langage Modelica au sein de l’environnement Dymola

(Catia System). Un exemple détaillé de la continuité assurée par cette méthodologie sur un système

mécatronique a été illustré dans un précédent article [23]. Les propriétés de cet environnement permettent de

remplir les nombreuses conditions d’un environnement idéal de conception pour les produits mécatroniques :

la garantie de la cohérence et la traçabilité des paramètres entre les niveaux de modélisation est

automatiquement assurée par l’unicité des paramètres, du langage, de l’information au sein d’un

environnement unique. L’aspect multi-niveau, multi-domaine et multi-échelle y est déjà présent. Les blocs

d’exigences, les graphes fonctionnels, dysfonctionnels, structurels et vision 3D peuvent être développés sousModelica. Enfin, la capitalisation des informations et modèles peut être assurée par l’intégration de Dymola à

Catia System V6.


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Aujourd’hui, cet environnement idéal n’existe pas encore dans le commerce mais DS avec son Catia System

V6 laisse entrevoir l’espace dans lequel ce développement pourrait avoir lieu. Dymola est intégré à la

structure CATIA et un découpage en Requirement, Function, Logic, Physic (RFLP) est proposé de base.

Cela ne correspond pas nécessairement à la démarche proposée mais les modules existent au sein du même

outil de développement. Ce nouvel environnement n’attend plus que l’électronique et l’informatique pour

répondre pleinement aux besoins de conception de produit mécatronique.

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