Cette dernière étape concernant les développements menés dans le cadre de la conduite et surveillance distribuées des machines-outils et de l’usinage par la mise en œuvre de capteurs/actionneurs intelligents, a consisté en l’identification des éléments de l’architecture distribuée proposée présentant un caractère générique pouvant être capitalisés. Ceci a des fins d’aide à la conception dans un processus d’ingénierie des systèmes par des réutilisations ou adaptations menant aux développements d’autres types de MOCN disposant de technologie d’actionneurs, comme des moteurs asynchrones, et/ou supportant d’autres
procédés d’usinage comme le perçage ou le fraisage. Ainsi, le temps de développement de nouvelles machines pourrait être réduit.
Les éléments que nous avons identifiés peuvent être répartis en trois catégories : ceux relatifs à l’architecture matérielle de conduite et de surveillance, ceux relatifs aux comportements internes des objets impliqués dans la conduite et la supervision, ceux relatifs aux échanges nécessaires à la coopération entre les objets.
2.4.1 Architectures matérielles
Dans le cadre de conception proposée, les fonctions peuvent être assimilées à des services logiciels fournis par les CAI ou par une coopération entre les CAI et l’agent CNC comme cela est montré sur la Figure 15. Ces services logiciels sont mis en œuvre par des plateformes de calcul qui peuvent elles- mêmes mettre en œuvre plusieurs agents. Différentes architectures matérielles peuvent ainsi être choisies pour déployer la proposition d’architecture illustrée sur la Figure 14. Trois architectures matérielles éligibles sont représentées sur la Figure 20. Le choix entre ces architectures dépendra de la capacité de calcul des plateformes par rapport à l’exécution des services, des débits du bus numérique bidirectionnel permettant de supporter les échanges entre les agents et du temps critique.
Figure 20. Architectures éligibles pour le déploiement des services des CAI
Il est également possible d’hybrider les déploiements B et C, par exemple, en regroupant les services de CAI de plusieurs axes ou broches sur une même plateforme (certaines MOCN sont constituées de 5 axes voire plus et même de plusieurs broches). La communication entre les agents et leurs services peut être réalisée à l’aide d’un intergiciel permettant de faire abstraction du déploiement des agents sur les plateformes comme CORBA, COM/DCOM, JavaRMI... Il possible de nos jours d’envisager plus aisément le déploiement C qui fait appel au plus grand nombre de plateformes grâce à la baisse de leurs prix à condition que le bus numérique bidirectionnel puisse assurer les échanges de données dans le respect du temps critique. Dans ce cas, même l’interface homme-machine pourrait être mise en œuvre par une plateforme dédiée.
2.4.2 Comportement des agents
Les comportements des agents sont grandement issus des rôles et objectifs définis dans le paragraphe 2.3.1. Ces comportements consistent en des services et les enchaînements de leur réalisation. La mise en œuvre de chacun de ces services peut être fonction des technologies des actionneurs, de la présence ou non de certains capteurs, du procédé… comme cela a été présenté pour un axe de MOCN particulier dans les paragraphes 1.3 et 1.4.
Nous avons identifié quatre services mise en œuvre par les CAI contribuant à l’amélioration des capacités traditionnelles des axes et broches de machines-outils qui consistent à mesurer et agir. Ces services sont la validation des données, la surveillance et le diagnostic de l’axe ou la broche, la surveillance des procédés de l’usinage et l'adaptation ou l’accommodation.
La validation des données est une fonctionnalité majeure des instruments « intelligents ». Elle permet de fournir des informations crédibles, fiables et représentatives des variables physiques mesurées. Ces valeurs mesurées sont l'entrée des autres services d’un CAI. Par conséquent, les améliorations de la qualité métrologique des mesures ou l'association aux mesures de valeurs spécifiques indiquant les conditions technologiques dans lesquelles ces valeurs ont été obtenues renforcent la confiance accordée à tout élément d'information qui est ensuite calculé à partir des mesures. Les méthodes de validation des mesures sont nombreuses dans la littérature. Un exemple de réalisation de ce service a été présenté pour un axe de MOCN dans le paragraphe 1.4. La mise en œuvre de ce service permet souvent d'isoler les capteurs défectueux. Cette capacité d'isolation contribue à la surveillance de l’axe ou la broche et au service de diagnostic.
Le service de surveillance et de diagnostic de l’axe ou la broche fournit l'évaluation de l'état de santé du variateur. L'état de santé de la machine-outil, qui rassemble l'état de santé de ses axes et broches est utile pour la maintenance conditionnelle et la planification de la production afin de prendre des décisions sur les actions de maintenance et les tâches de production. L'objectif principal de la surveillance consiste à détecter et à isoler les défauts alors que l'objectif principal du diagnostic consiste à identifier l'origine du défaut qui conduit à désigner les composants défectueux. Par conséquent, le service de diagnostic est une sorte de client du service de surveillance. Les techniques permettant de mettre en œuvre ces services sont également nombreuses (Jardine et al., 2006 ; Kothamasu et al., 2006).
Le service de surveillance du processus consiste à détecter les défauts pendant les opérations d'usinage. En ce qui concerne les processus d'enlèvement de métal, comme le tournage ou le fraisage, les défauts qui affectent ces processus et peuvent endommager les pièces à usiner sont principalement dus aux outils. Ces défauts sont des phénomènes comme l'usure de l'outil et la rupture de l'outil qui peuvent également être une conséquence de l'usure de l'outil (Sick, 2002 ; Huang et al., 2007). Ces techniques de surveillance peuvent ensuite être exploitées pour arrêter le processus, lorsque l'outil est usé ou cassé, ou pour adapter en ligne ou hors ligne les paramètres !" et/ou !# du processus d’usinage à l'usure de l'outil. Les techniques nécessitant une instrumentation dédiées ne s'intègrent pas exactement dans la démarche proposée puisqu’elles n’entraînent pas vraiment de coopération. Cependant, leurs instrumentations pourraient être intégrées comme des estimateurs de l’usure Ô dont la valeur serait alors transmise aux CAI et à l’agent CNC.
L'objectif du service d'adaptation ou d’accommodation est de poursuivre l'usinage avec des performances souvent plus faibles pour tenir compte de l'état de la MOCN et/ou de l'état du processus d'usinage, en particulier l'usure de l'outil. En usinage, l'adaptation conduit souvent à modifier les paramètres !" et/ou de !#, la position du point de référence de l'outil de coupe pour obtenir la surface attendue. Toutefois, l'adaptation peut également consister à modifier les paramètres ou la structure des
régulateurs des variateurs (Charbonnaud et al., 2003 ; Jee et Koren, 2004). L'adaptation peut nécessiter une communication entre les CAI et l’agent CNC. Par exemple, si l'adaptation nécessite une modification de !#, l'adaptation des vitesses de déplacement de tous les axes concourant à l'usinage de la pièce est nécessaire pour ne pas modifier la trajectoire spatiale de l'outil.
Les services mis en œuvre par l’agent CNC sont ceux présentés dans le paragraphe 2.3.1. Ils présentent un aspect relativement générique, puisqu’il s’agit de transmettre certaines informations aux CAI (trajectoires d’outil, profondeur de passe, modèle de coupe) et de vérifier le non dépassement de limites avec pour les situations de dépassement un comportement prédéterminé.
Comme pour la plateforme de simulation, l’approche orientée objet a été retenue pour représenter les éléments de conception et plus particulièrement le langage graphique UML 2 (Unified Modeling Language). Ce langage permet la modélisation selon des vues fonctionnelles, informationnelles et comportementales. UML 2 est constitué de treize types de diagrammes pour la spécification, la modélisation ou l’analyse de systèmes comme les diagrammes états-transitions qui décrivent les états des objets, ainsi que les transitions entre ces états, les diagrammes d'activités qui représentent les séquencement des activités et dans lesquels les flux entre activités peuvent être représentés, les diagrammes de séquence qui sont utilisés pour modéliser les échanges de messages entre objets (Miles et Hamilton, 2006).
L'approche orientée objet permet d’appréhender des concepts tels que l'héritage, le polymorphisme, l'abstraction, l'encapsulation, etc. (Blaha et Rumbaugh, 2005). Ces caractéristiques permettent de considérer en même temps différents types d'entraînements pour les broches et les axes équipés de moteurs à courant continu ou à courant alternatif pour différents types de machines-outils comme les centres de fraisage, les tours... L'approche orientée objet permet de définir des interfaces communes pour des services qui sont implémentés en fonction des caractéristiques technologiques des entraînements des machines-outils et des processus d'usinage.
La description comportementale générale des CAI est constituée de deux états principaux, représentés dans le diagramme états-transitions de la Figure 21 : la surveillance de l’entraînement (axe ou broche) appelé drive monitoring et la surveillance du processus d’usinage appelé process monitoring. Ces deux états sont distingués pour les raisons détaillées dans le paragraphe 1.3.2 même si des activités communes y sont exécutées :
· mesurer (to measure) qui consiste à rendre opérationnelles les mesures des grandeurs physiques, · valider (to validate) qui consiste à valider ces mesures,
· asservir (to regulate) qui consiste à assurer que l’actionneur agisse selon la consigne qui peut être mis en œuvre par des régulateurs comme sur la Figure 5 par exemple ou assurer numériquement.
L’activité spécifique de drive monitoring est surveiller l’entraînement (to monitor drive) et les activités spécifiques de process monitoring sont adapter ou accommoder (to adapt) et surveiller le processus (to
monitor process). Les activités de ces deux états sont séquencées selon les diagrammes d’activités de la
Figure 22. Ces séquences sont exécutées à chaque période d’échantillonnage tant que l’agent CNC ne transmet pas d’information provoquant la sortie de ces états.
Les trois autres états ont des vocations liées au démarrage (test), à la configuration (setup) comme la détermination de paramètres des traitements réalisée par le CAI et à la consultation par la maintenance (maintenance) des informations enregistrées (valeurs estimées de paramètres, défauts de chaîne de
mesure…) pour de l’aide au diagnostic ou effectuer un pronostic de l’axe ou la broche en fonction de l’évolution des paramètres (Prakash et al., 2018).
Dans cette gestion des états des CAI, l’agent CNC gère l’activité de la machine et transmets donc les informations provoquant les changements d’états des CAI hormis la fin de test qui est émise par le CAI.
Figure 21. Diagramme états-transitions d'un CAI
Figure 22. Diagrammes d'activités de drive monitoring à gauche et de process monitoring à droite
2.4.3 Echanges relatifs à la coopération entre les agents
Dans l’état process monitoring, les activités to monitor process et to adapt nécessitent des informations sur le procédé, la position des axes, la vitesse de la broche, la géométrie de la pièce brute, l’atteinte de
limites (puissance maximale, paramètres de coupe…) pour évaluer l’état du processus représenté par l’usure de l’outil et décider de l’adaptation ou l’accommodation appropriée et en déduire les actions vis- à-vis des consignes à transmettre aux régulateurs (to regulate) ou des modifications des valeurs de leurs paramètres et éventuellement de leur structure.
L’activité to monitor process nécessite des échanges d’informations entre les agents pour que chaque CAI puisse déterminer un état du processus correspondant à une estimation de l’usure de l’outil. Lorsqu’un nombre prédéfini d’estimations de l’usure sont au-delà d’une valeur maximale admissible, l’agent CNC arrête l’opération d’usinage. Ces échanges d’informations sont représentés sur le diagramme de séquence de la Figure 23.
Figure 23. Diagramme de séquence de l’activité to monitor process
L’activité to adapt nécessite donc une coopération entre les CAI et l’agent CNC. Ceci est surtout le cas lorsqu’un CAI demande une modification de la vitesse d’avance !#. Si celle-ci est possible (elle ne provoque pas de sortie des limites des paramètres de coupe), les autres CAI associés aux axes doivent être en mesure de réduire leur vitesse dans la même proportion afin de garantir la géométrie de la pièce. Cependant, la stratégie de modification des vitesses d’avance !#et de coupe !" peut évoluer selon les modèles de coupe et de l’évolution de l’usure de l’outil en fonction des paramètres de coupe. Sa gestion peut être faite par l’agent CNC. Elle peut également dépendre de phénomènes indésirables comme des vibrations de pièces dans le cas de fraisage de parois minces (Séguy et al., 2011). En l’absence de telles contraintes, le schéma de coopération entre agents pour la mise en œuvre de l’activité to adapt est décrite par le diagramme de séquence de la Figure 24. Une alternative à ce diagramme de séquence est la possibilité de laisser gérer la stratégie d’adaptation à l’agent CNC tel que ceci a été proposé dans [A3].
Figure 24. Diagramme de séquence de l'activité to adapt
Ce cadre de conception d’architectures de MOCN mettant en œuvre des capteurs/actionneurs intelligents a fait l’objet de l’article [A3].
Ce cadre de conception doit permettre également la mise en œuvre d’autres stratégies, notamment pour réduire les vibrations (Séguy et al., 2011). En effet, il est possible d’ajouter à cette architecture des objets logiciels interagissant avec l’agent CNC pour modifier les consignes calculées à partir du programme pièce ou pour fournir les consignes dans le message retour axis position and spindle feed references.