Méthodologie de simulation d’A/D virtuel de pièces déformables

Nous proposons dans cette partie une méthodologie générale de simulation des opérations d’A/D et de maintenance d’un produit mécanique contenant les pièces déformables à l’aide d’un environnement de RV. Nous allons présenter cette méthodologie de façon globale, en mettant en évidence des relations entre des différents éléments intervenant dans une démarche de simulation d’opérations d’A/D de pièces déformables. Les éléments les plus importants de cette démarche seront détaillés par la suite. Par conséquent, nous montrerons les liens entre la simulation d’A/D virtuel et la démarche de conception d’un produit mécanique.

Selon la méthodologie de simulation d’opérations d’A/D virtuelles de pièces déformables, les principaux éléments caractérisant une telle simulation sont (Figure 3.1) :

1. La définition d’un contexte et des objectifs de simulation.

2. La détermination des données d’entrée pour la simulation d’A/D virtuel.

3. L’interprétation de certaines données d’entrée à l’aide des métaphores d’interaction.

4. La simulation d’une action donnée dans un environnement de RV incluant la simulation d’un comportement physique de la pièce déformable.

5. La préparation d’un résultat de simulation pour la perception à l’aide des métaphores d’interaction.

6. La perception des données de sortie de simulation. 7. Le contrôle, l’analyse, la prise de décision.

Modifications/ Création d’un modèle pour la modélisation mécanique Modèle est adapté à la simulation Pièce déformable (géométrie, CLs, …) Données extérieures (modèle CAO) Environnement statique de la pièce déformable Conversion de données (défauts du modèle CAO, format du système RV,…) NON OUI Paramètres de la pièce déformable Variables de conception :

géométrie et forme initiale de la pièce, fixation, matériau, …

Interfaces motrices, sensori-motrices : CLs

déplacements, efforts

Caractérisation des propriétés du matériau (mise en place des expériences nécessaires) : module

d’Young, loi de comportement, …

Module 1 : Traitement de Données d’Entrée/Sortie

Module2 : Création des Objets Virtuels Module3 : Manipulation d’Objets Module « i » : Test de Collisions Module de Simulation de Pièces Déformables : Modèle MTR Modèle MMI Interaction / recalage Contexte et objectifs de simulation d’A/D Données d’entrée pour la simulation d’A/D Métaphores

d’interaction _{d’interaction} ^Métaphores

Données de sortie à percevoir Analyse Interfaces sensorielles, sensori-motrices : déplacements, efforts Interfaces sensorielles de visualisation Géométrie déformée, trajectoire d’A/D,… Interfaces haptiques à retour d’effort : perception des efforts

Contraintes de conception, d’A/D, d’ergonomie : contraintes max,

efforts max, courbure max,… Modifications locales de l’environnement extérieur Espaces des Efforts/Config Espaces des Efforts/Configurations

1 2 ₃

4 ^{5 6 7}

Contrôle des actions : correction de la trajectoire d’A/D, minimisation des efforts,… Modifications des paramètres de

la pièce déformable

– entrées/sorties d’informations associées à l’étude d’opérations d’A/D

– entrées/sorties de données pour différentes étapes du processus de simulation d’opérations d’A/D

– retour d’informations lors de la simulation/étude/optimisation d’opérations d’A/D

Chapitre 3. Méthodologie de simulation d’opérations d’A/D

Définition d’un contexte et des objectifs de simulation :

La définition d’un contexte et des objectifs de simulation des opérations d’A/D, de maintenance, etc. basée sur l’utilisation d’un environnement de RV est une étape très importante permettant notamment de :

• élaborer une stratégie de simulation des opérations d’A/D en précisant les données d’entrée/sortie nécessaires en fonction des besoins de l’utilisateur. Par exemple, dans un contexte d’étude d’accessibilité ou d’optimisation des actions d’un opérateur pour la maintenance d’une pièce flexible d’un mécanisme existant, le transfert du modèle CAO complet et très détaillé de ce produit n’est pas nécessaire : il suffit de transférer les données ne représentant que l’environnement extérieur pour la pièce virtuelle flexible à manipuler et d’étudier les trajectoires d’A/D pour cette pièce en vue d’éviter des collisions, de minimiser le temps d’A/D pour le changement d’une pièce, d’optimiser des actions de l’opérateur afin de minimiser les efforts à développer durant l’opération. Dans ce cas, il ne s’agit pas de la re-conception d’un produit déjà développé et/ou industrialisé et aucune modification concernant l’architecture du produit ou les paramètres caractérisant la forme ou les propriétés du matériau de la pièce en question n’est envisagée. Par contre, dans le contexte d’étude de l’assemblabilité et du comportement d’une pièce flexible lors d’une opération d’A/D au cours du développement d’un produit, le transfert d’un environnement extérieur plus détaillé peut être requis, notamment, en ce qui concerne des endroits de mise en place de la pièce flexible à manipuler et des types de fixation/connexion de cette pièce avec son environnement. De plus, le contrôle des variables de conception comme la géométrie, les contraintes dans la pièce manipulée, etc. est nécessaire dans ce type d’étude. En outre, les modifications de la géométrie de la pièce et/ou de son environnement sont également possibles en fonction des résultats de la simulation. Un autre exemple est une étude d’un processus d’assemblage d’un produit mécanique en vue d’optimiser les séquences d’assemblage. Dans ce cas, l’état d’assemblage du produit évolue à chaque ajout de nouvelle pièce rigide ou flexible. Donc, il ne s’agit plus d’un transfert unique de modèle CAO complet du produit mais d’un transfert de groupes de pièces représentés par un modèle géométrique ou bien par plusieurs modèles indépendants sur un stade donné du processus de montage. Alors, au cours de la progression du processus d’assemblage, la forme géométrique du produit évolue au fur et à mesure en fonction de la séquence choisie,

• choisir une architecture de système de simulation en se basant, par exemple, sur un environnement de simulation de RV déjà existant sur le marché, supportant le processus d’étude/optimisation selon la stratégie de simulation définie et comprenant le minimum de fonctions permettant de réaliser cette étude. Par ailleurs, l’intégration d’un système de simulation doit être compatible avec la planification de tâches d’A/D et simple à mettre en place. Par exemple, le système de simulation de RV doit supporter les transferts de données représentant les pièces à assembler et leur environnement extérieur. La structure modulaire de l’architecture du système de simulation est préférable. Elle permettrait notamment d’intégrer facilement des modules manquant, en complétant un système de RV donné, par exemple, par un module de simulation d’un tel ou tel phénomène physique sans la re-installation d’un nouveau système de simulation de RV, d’où une économie non-négligeable,

• déterminer les interfaces comportementales (motrices, sensorielles, sensori-motrices) permettant de mesurer/percevoir une information d’entrée/sortie. Le choix des interfaces comportementales est une étape très délicate car ces interfaces sont souvent très coûteuses, comme les dispositifs à retour d’effort ou les salles d’immersion. L’utilisation des métaphores d’interaction est également importante : elles offrent à l’utilisateur la possibilité de contourner certaines complexités des interfaces comportementales comme la substitution d’un effort par un déplacement ou bien la limitation d’une bande passante d’une interface motrice de capture de mouvements en fonction du temps de réponse de système de simulation de RV. Malgré la possibilité de contourner les difficultés technologiques de certains dispositifs de RV, l’utilisation des métaphores d’interaction est également très délicate : les métaphores mal déterminées peuvent éloigner l’utilisateur encore plus de l’interprétation souhaitée ou de la sensation recherchée,

• etc.

Détermination des données d’entrée pour la simulation d’A/D virtuel :

Le type de données d’entrée pour la simulation d’A/D virtuel est défini en fonction de l’objectif à atteindre. De façon générale, les données d’entrée peuvent être divisées en deux catégories (Figure 3.1) :

• données CAO liées à la modélisation géométrique d’un produit (maquette numérique) : - données représentant l’environnement extérieur pour la pièce déformable à manipuler, - données représentant la géométrie de la pièce déformable ainsi que la géométrie des

fixations/connexions entre cette pièce et son environnement qui servent à la définition des CLs géométriques,

• données « comportementales » associées aux pièces virtuelles déformables à manipuler : - données représentant l’ensemble des paramètres de la pièce déformable : paramètres

caractérisant les propriétés du matériau de la pièce ainsi que des variables de conception à contrôler ou à faire varier durant la simulation,

- données produites par l’utilisateur et mesurées par les interfaces motrices ou sensori-motrices de RV pendant la simulation.

Les données CAO sont toutes les informations provenant de la maquette numérique du produit à étudier. Dans la pratique industrielle actuelle, ce modèle est créé « à l’extérieur » d’un environnement de RV, dans un modeleur géométrique utilisé par les bureaux d’études de l’entreprise (Pro-Engineer, Catia, IDEAS, etc.) et nécessite un traitement particulier (préparation de données pour la modélisation de l’environnement extérieur, par exemple) afin d’être utilisé dans un environnement de RV. Ces données sont donc divisées en deux catégories : données représentant l’environnement extérieur de la pièce déformable et la pièce déformable elle-même. L’environnement extérieur est caractérisé par son état qui est souvent de nature statique, i.e. la forme de l’environnement extérieur reste inchangé durant la simulation d’une opération d’A/D virtuelle donnée. En effet, lors des études de comportement de pièces flexibles, leur environnement est « figé » car il est créé à partir d’une transformation du modèle CAO du produit. Certains aspects de représentation géométrique d’un monde virtuel à partir des modèles CAO sont discutés au chapitre 2. Nous aborderons par la suite quelques problèmes de transformation des modèles CAO de départ pour leur intégration dans un environnement de RV. Néanmoins, notons qu’une telle conversion de données transforme souvent le modèle CAO (sans la pièce flexible en question, bien évidemment) en un monde virtuel qui reste inchangé durant la simulation d’une opération d’A/D virtuelle donnée jusqu’à ce que le changement de l’environnement extérieur et donc, une nouvelle transformation de ce modèle pour la simulation d’une nouvelle opération d’A/D soient requis. On peut cependant remarquer que dans la plupart des cas, l’environnement de RV est muni des fonctions permettant de créer son propre monde virtuel, indépendamment d’un modeleur géométrique externe. Toutefois, dans le but d’augmenter le niveau de l’automatisation du processus de développement du produit, un tel modeleur est souvent utilisé bien avant des études fines des opérations d’A/D et de maintenance virtuelles. Les modeleurs de mondes virtuels intégrés aux environnements de RV ne s’intègrent pas au cycle de développement du produit, car la phase de définition architecturale du produit ainsi que l’étape de calcul de structures mécaniques, basées sur l’utilisation des outils de CAO, nécessitent la création d’un modèle CAO du produit qui est souvent à la base d’autres études du produit, comme la simulation des opérations d’A/D, de maintenance, d’usinage, etc.

La deuxième catégorie de données CAO représente l’ensemble d’informations concernant la géométrie de la pièce déformable à manipuler ainsi que les types de connexions utilisées pour le montage de cette pièce (Figure 3.1). La représentation géométrique de la pièce déformable contient une information importante sur :

• la modélisation du comportement de la pièce déformable. En effet, un modèle mécanique à employer durant la simulation du comportement de la pièce déformable est défini à partir du modèle CAO de cette pièce : la poutre, la plaque, la coque, etc.,

Chapitre 3. Méthodologie de simulation d’opérations d’A/D

• les paramètres géométriques d’entrée associés au modèle mécanique choisi. Effectivement, une fois le modèle mécanique de comportement défini, les données géométriques nécessaires peuvent être extraites du modèle de CAO. Par exemple, pour la simulation du comportement de pièces flexibles modélisées par des « poutres flexibles », les paramètres comme la longueur et la section de la poutre sont requis,

• etc.

La connexion entre la pièce déformable et son environnement donne accès à une information concernant le choix du type de fixation ou de CLs géométriques à formuler pour la modélisation du comportement mécanique de la pièce : encastrement, certains déplacements angulaires autorisés, etc.

Un autre aspect important concerne l’exploitation directe du modèle CAO de la pièce déformable. En effet, ce modèle peut être généré en utilisant différents modes de création d’objets 2D ou 3D suivant les fonctionnalités des modeleurs géométriques. Ceci peut rendre incompatible le modèle CAO de la pièce pour son utilisation directe dans le système de RV. Par exemple, un tube flexible fortement coudé peut être modélisé comme un ensemble de cylindres dont les extrémités sont « mal connectées ». En conséquence, ce modèle n’est pas directement utilisable pour la simulation du comportement physique de ce tube flexible dans un environnement de RV. Par contre, il est possible d’extraire une information sur la forme de l’axe de ce tube ainsi que sa longueur et sa section, ce qui représente une information suffisante pour la création d’un modèle particulier de la pièce flexible, adapté tant à son exportation ultérieure dans le système de RV qu’à la modélisation mécanique. Un autre exemple est la création des modèles géométriquement simplifiés dans le but de faciliter la modélisation mécanique en fonction d’un modèle de comportement choisi. Par exemple, un tube flexible multi-matériaux avec une section faiblement variable peut être représenté par une pièce avec des caractéristiques physiques et géométriques équivalentes, comme une section constante ou une autre forme simple équivalente. Donc, il est nécessaire de pouvoir modifier la topologie du modèle ou même créer une nouvelle pièce virtuelle dans le système de RV. Par conséquent, tout comme dans le cas du problème de transfert du modèle CAO du produit et de création des modèles adaptés de l’environnement extérieur statique, discuté par la suite, il convient d’introduire une notion de modèle adapté de pièces flexibles.

Les données appelées « comportementales » sont toutes les informations associées au comportement physique et/ou à la manipulation d’une pièce virtuelle déformable (Figure 3.1). Ces informations sont également divisées en deux catégories : les paramètres intrinsèques caractérisant le comportement de la pièce et les données fournies par les interfaces motrices ou sensori-motrices de RV pendant la simulation. Les paramètres internes de la pièce flexible sont :

• les caractéristiques du matériau de la pièce : le module d’Young, le coefficient de Poisson, la loi de comportement (élastique linéaire, élasto-plastique,…), etc.,

• d’autres paramètres de la pièce déformable influençant son comportement : la forme initiale de la pièce, l’état de précontrainte dans la pièce, les hypothèses mises en œuvre concernant le comportement de la pièce (grands déplacements, petites déformations,…), les CLs, etc.,

• les variables de conception à contrôler durant la manipulation virtuelle de la pièce déformable : les contraintes dans la pièce, la courbure, les efforts maximum à développer par l’opérateur, etc.,

• les paramètres à faire varier afin d’optimiser la structure déformable : la courbure initiale de la pièce correspondant à la position de l’opérateur dans l’espace, la géométrie et le matériau de la pièce en vue de diminuer son poids, réduire le coût,…, à condition de ne pas dépasser les contraintes admissibles dans la pièce, etc.

Certains de ces paramètres peuvent être déterminés à partir de la maquette numérique de la pièce déformable, comme les dimensions et les fixations. Cependant, certaines données d’entrée pour la simulation d’A/D virtuel de la pièce déformable ne peuvent être directement issues du modèle CAO. Par exemple, une maquette numérique complète du produit contenant les pièces flexibles ne comporte qu’un état de la pièce déformée dans une configuration donnée du mécanisme. Alors, il n’y a pas de référence à l’état initial de la pièce ni à sa forme au repos ou bien au début d’une opération d’assemblage. En cas de manque d’information de départ pour la simulation, certains paramètres

peuvent être assignés par défaut, comme l’absence totale de contraintes initiales dans la pièce, l’encastrement parfait, la forme initiale rectiligne de la pièce flexible, etc.

Dans la pratique industrielle, beaucoup de pièces utilisées dans un produit complexe sont souvent conçues et fabriquées à l’extérieur de l’entreprise. Couramment, certaines caractéristiques de ces pièces et, notamment, les caractéristiques du matériau, comme les modules d’élasticité ou la loi de comportement d’une pièce déformable multi-matériaux, ne sont pas connues (ce ne sont pas des paramètres fonctionnels du produit). Ce problème nécessite alors la mise en place d’une série d’expérimentations dans le but de déterminer les caractéristiques manquantes : le module d’Young pour une pièce constituée d’un seul matériau ou le module d’Young équivalent pour une pièce multi-matériaux, la loi de comportement, etc. Certains aspects de détermination des paramètres d’entrée pour la simulation du comportement de pièces flexibles seront discutés par la suite. Néanmoins, soulignons que la caractérisation adéquate des propriétés du matériau est très importante car elle détermine par la suite la qualité de la modélisation physique de la déformation, i.e. la génération de résultats réalistes de simulation de la déformation pour une opération d’A/D et de maintenance virtuelle.

Parmi les variables de conception à contrôler durant la manipulation virtuelle d’une pièce déformable, on peut citer les contraintes dans la pièce, sa courbure ou les efforts maximum à développer lors de la déformation de la pièce. Donc, les valeurs admissibles de toutes ces variables sont également des paramètres d’entrée possibles pour la simulation d’A/D virtuel. Certaines des variables de conception, comme le matériau ou la géométrie de la pièce en question, peuvent être modifiées durant la manipulation virtuelle. Ceci permet de satisfaire les contraintes de conception en contrôlant leurs valeurs admissibles définies par l’opérateur.

D’autres données « comportementales » associées à une pièce virtuelle déformable à manipuler sont les données mesurées par les interfaces motrices ou sensori-motrices de RV utilisée au cours de la manipulation virtuelle (Figure 3.1). Ces interfaces, présentées au chapitre précédent, fournissent les CLs géométriques et mécaniques : les déplacements linéaires et angulaires d’une partie de la pièce attachée à la main virtuelle, les efforts appliqués à la pièce virtuelle au cours de la manipulation. Il est nécessaire de remarquer qu’il existe un autre type de CLs dues à des contacts entre la pièce déformée et son environnement lors de la simulation virtuelle : les points de contacts représentés comme les déplacements imposés, les forces de contact, etc. Ces CLs sont aussi les données d’entrée pour la simulation de la déformation de la pièce. Cependant, ces informations sont fournies, en temps réel, par le système de RV au cours de la manipulation en utilisant, par exemple, un module de détection de collisions du système de RV. Ainsi, de telles CLs sont les conséquences des actions de l’utilisateur.

Utilisation des métaphores d’interaction :

La notion et le but de l’utilisation des métaphores d’interaction ont déjà été présentés au chapitre 2. Notons dans cette partie certains éléments liés à l’utilisation des métaphores la simulation des opérations d’A/D de pièces déformables (Figure 3.1).

Rappelons que les métaphores d’interaction sont utilisées afin d’interpréter une information d’entrée/sortie durant la manipulation virtuelle. Parmi les informations d’entrée/sortie pour la simulation d’A/D présentées ci-dessus, les données d’entrée/sortie à traduire afin de pouvoir simuler un événement et percevoir le résultat de simulation sont :

• les données géométriques définies dans l’espace des configurations : les CLs géométriques, les déplacements générés au cours de la déformation d’une pièce flexible, etc.,

• les données mécaniques définies dans l’espace des efforts : les CLs, les efforts à développer lors de la simulation du comportement de la pièce flexible, etc.,

• les informations sensorielles de type signaux sonores, changement de couleurs, etc. afin d’indiquer à l’opérateur un événement important.

Donc, les données à interpréter par le système de RV sont principalement les données fournies par l’opérateur à l’aide des interfaces comportementales motrices, sensori-motrices, etc. Ces données de nature géométrique ou mécanique sont traduites en informations définies dans les espaces d’efforts/configurations de telle façon que le système de RV puisse produire une déformation de la pièce flexible dans l’un ou l’autre des espaces conformément au modèle mécanique utilisé et aux

Chapitre 3. Méthodologie de simulation d’opérations d’A/D