Organisation opérationnelle basée sur une définition fonctionnelle multi-

La nécessité de découpage de l’activité de conception en tâches clairement identifiées est large- ment reconnue. Un indice de qualité de ce découpage sera son aptitude à isoler des sous-problèmes

indépendants qui seront traités par les agents concepteurs9_{. L’indépendance se caractérisera par}

un nombre minimal de variables de liaison liant ces sous-problèmes. Le découpage permet aussi de définir plus rigoureusement le cadre d’étude des sous-problèmes en fixant, entre autres choses, les paramètres qui le régissent. L’autonomie ainsi fournie aux agents concepteurs serait le gage d’une pleine liberté d’investigation dans la recherche d’une solution optimale. Afin d’illustrer notre propos, nous utiliserons l’exemple de la grignoteuse présenté figure 1.11 et qui constitue un mécanisme générateur de fonction à un degré de liberté. Nous présentons ci-après la défi- nition des cinq niveaux (ou tâches, notées Ti) que nous avons retenue pour notre organisation opérationnelle. Nous précisons pour chacun d’eux le mode opératoire, les éléments manipulés et le type de résultats obtenus.

Fig. 1.11 – Représentation partielle d’un mécanisme de grignoteuse.

1.6.2.1 Construction du modèle cinématique du mécanisme.

Cette première tâche, que nous nommerons T1, a pour but de produire un modèle cinématique de mécanisme qui répond au mieux aux exigences du CdCF. Les données traitées à ce niveau de la conception sont d’ordre global : couple et vitesse transmissibles, disposition des arbres

9. Dans la suite de ce mémoire, le mot concepteur désignera la personne ou le groupe de travail en charge de l’activité de conception à l’instant précis décrit. On peut donc assister à un changement de concepteur au long du cycle de conception.

Début

Modules Mécaniques Elémentaires

R1

(Dimensions principales)

R1Chaîne cinématique brute T1 Définition de la chaîne cinématique

Fig. 1.12 – Découpage opérationnel : la tâche T1.

d’entrées et de sorties, encombrement. . . L’outil privilégié du concepteur dans cette tâche est l’esquisse. Il reflète la juste part d’approximation et d’indécision à laquelle le concepteur doit faire face. Le concepteur procède à un assemblage de « principes élémentaires de mécanismes » dont la mise en relation doit conduire à un modèle cinématique conforme au CdCF. Il existe des outils capables de fournir une assistance au concepteur à ce niveau de la phase de synthèse. L’un d’eux est présenté ci-après.

J.-C. Fauroux a mis au point un ensemble de modules informatiques [Fau99] qui apportent une aide au concepteur qui doit définir la structure cinématique d’un mécanisme de réduction de vitesse. Cette aide est organisée en trois étapes (une structurelle et deux dimensionnelles) définies ci-après.

de type II

(b) mme16: Engrenage épicycloïdal extérieure et arbres opposés

(a) mme1: Engrenage à denture cylindrique

avec arbres opposés (d) mme20: Transmission par courroie (c) mme9: Engrenage conique

Fig.1.13 – Exemples de M.M.E. d’après [Fau99].

1. Une étape de synthèse structurelle détermine l’ensemble des combinaisons de M.M.E. (Modules Mécaniques Élémentaires) capables de générer la fonction cinématique souhaitée. Les M.M.E. constituent les briques élémentaires du système à ce niveau de la conception.

Leur représentation est schématique, et ils sont répertoriés et classés par fonction (la fi- gure 1.13 présente quelques uns des M.M.E. considérés). L’outil exploite une bibliothèque de ces M.M.E. pour constituer, par association, des structures cinématiques candidates. Les résultats sont présentés sous forme d’un classement des structures, selon des critères qualitatifs de performance. L’extension de ce module aux transformations de mouvement rotation–translation [WGSF01] permet d’envisager le traitement du problème de la grigno- teuse. Cette étape de synthèse structurelle pourrait alors mener à la solution {1 engrenage extérieur + 1 engrenage extérieur + 1 bielle-manivelle} représentée figure 1.12.

2. Cette structure est traitée pour donner un modèle géométrique appelé squelette. Le concep- teur doit alors faire face à l’épineux problème de la fermeture de la chaîne cinématique. C’est ici que sont pris en compte certains éléments tels que les dispositions d’arbres. 3. Enfin, un premier dimensionnement approximatif des éléments primaires, tels que les arbres

et les dentures, est réalisé afin de vérifier la conformité au CdCF (encombrement, puissance, etc).

Une représentation globale de cette tâche T1 est donnée figure 1.12. On y voit les données d’entrée issues du CdCF ainsi que le type de données nécessaires au concepteur pour la synthèse de la structure (en l’occurrence une bibliothèque de M.M.E.). Le résultat (R1) obtenu est la structure d’un mécanisme répondant aux exigences de génération de fonction du cahier des charges de la grignoteuse. On remarque qu’à ce stade de la synthèse, les liaisons telles que les pivots ne sont pas détaillées.

L’assistance fournie au concepteur lors de cette étape peut prendre d’autres formes : il peut s’agir d’heuristique d’assemblage, de catalogues de solutions ou de systèmes experts dédiés à la sélection et l’assemblage d’éléments de base. L’utilisation d’un outil informatique permet de fournir un modèle et une visualisation des résultats obtenus. C’est un des caractéristiques de Casymir[Fau99] qui propose une représentation 3D de la chaîne cinématique avec une possibilité d’animation de la structure choisie.

1.6.2.2 Détermination de la nature des liaisons.

Types de guidages

R2.x

R1Chaîne cinématique brute_{(Dimensions principales)}

R2.x _{des liaisons à degré de liberté}Chaîne cinématique détaillée

Choix des guidages des parties mobiles

T2.x

Fig. 1.14 – Découpage opérationnel : la tâche T2.

A l’issue de la tâche T1, le concepteur dispose d’un modèle cinématique grossièrement di- mensionné. Il va désormais se consacrer à la définition de la nature des liaisons qui assureront le guidage des ensembles mobiles. Nous avons vu précédemment que les liaisons mécaniques étaient peu détaillées. Le concepteur va s’attacher à préciser ces liaisons durant la tâche T2 (figure 1.14). Il va, par exemple, devoir choisir la disposition des paliers qui réaliseront les liaisons pivots. Cela

peut se traduire par un découpage de la fonction liaison pivot en un assemblage de liaison ro-

tule et liaison linéaire annulaire. Le fonctionnement du système sera fortement dépendant de la

topologie retenue pour les paliers. Un positionnement approximatif est réalisé ; il sera affiné ulté- rieurement par la phase de synthèse des contraintes de montage (section 1.6.2.3). Il peut paraître surprenant de ne définir qu’une partie des attributs des liaisons de guidage. Le concepteur pour- rait vouloir définir également le type de roulement qu’il compte associer à chaque palier. Ceci est imposé par le principe de découpage qui doit rejeter tout élément non strictement nécessaire dans cette étape du processus, et qui risquerait de sur-contraindre les étapes suivantes.

Le concepteur peut faire appel à des règles métiers pour éliminer des solutions qui peuvent lui paraître, où qui se sont avérées par le passé, non satisfaisantes ou irréalisables (montage en porte-à-faux par exemple). Il pratique alors une estimation dimensionnelle pour finir de classer ces solutions. Les calculs menés ici concernent la statique des appuis, et servent à arbitrer le classement selon les objectifs fixés.

Il est important de noter que cette tâche peut être scindée en plusieurs activités (T2.1, T2.2. . . T2.x), menées en parallèle, qui concernent les sous-ensembles cinématiquement équiva- lents tels que représentés en R2.x (figure 1.14). Ces sous-ensembles cinématiquement équiva- lents sont composés d’éléments n’ayant entre eux aucun mouvement relatif (ligne d’arbre par exemple). Ce partitionnement est fortement dépendant des choix faits durant T1. On éclate (symbole ) le système issu de T1 en de multiples sous-systèmes que l’on traite indé- pendamment, comme les lignes d’arbre.

1.6.2.3Synthèse des contraintes de montage.

T3 Structuration du carter de montage

Types de carters, règles

R3 des liaisons avec ddl

R2.x

R3 Chaîne cinématique détaillée_{(liaisons, carters...)} Chaîne cinématique détaillée

Fig. 1.15 – Découpage opérationnel : la tâche T3.

La tâche T3 étudie le montage de l’ensemble du mécanisme. Pour cela, on regroupe les sous- ensembles (symbole ) que l’on a pu former en T2 et l’on considère à nouveau le mécanisme global de la tâche T1, augmenté des attributs définis pendant T2. On s’attache à affiner la position des éléments de guidage en définissant aussi la morphologie du carter et les sens de montage. L’introduction d’un voile dans le carter pour supporter les paliers de deux arbres parallèles entraînera un alignement des paliers sur ce voile (voir figure 1.15). Cette « vi- sion » globale du mécanisme est aussi l’occasion d’appréhender les risques d’interférence entre les composants de guidage des sous-ensembles. Les problèmes de montage, d’encombrement et d’étanchéité sont identifiés dans cette phase. Ceci est rendu possible grâce aux compléments d’in- formation apportés par la définition partielle des guidages. La définition du carter et des règles de montage ne peuvent être menées à bien qu’à partir d’une vision d’ensemble du mécanisme. Ces choix structurels entraînent l’introduction et la définition de nouvelles liaisons qui n’appa- raissaient pas dans T1. Il s’agit de liaisons complètes dites démontables (ex : entre une roue dentée et un tronçon d’arbre) qui naissent des options prises concernant les règles de montage.

Ces liaisons, dont on ne connaît par encore la réalisation technologique, permettent le montage du mécanisme. On fixe ainsi la topologie du système et de ses composants. Le résultat obtenu lors de cette tâche est représenté par le schéma noté R3 (figure 1.15) que l’on peut nommer

schéma d’architecture détaillée.

1.6.2.4 Choix et définition des dtlm.

Surfaces fonctionnelles d’une même liaison

R4.x Blocs cinématiquement équivalents DTLMs

00

11

00

11

0000

1111

00

11

00

11

0000

1111

R4.x (liaisons, carters,...) R3Chaîne cinématique détaillée

T4.xChoix des DTLM

Fig. 1.16 – Découpage opérationnel : la tâche T4.

A partir de la structure générale ainsi esquissée, on peut à nouveau éclater le système en sous- ensembles cinématiquement équivalents. On procède, parallèlement pour chaque sous-ensemble, à une définition beaucoup plus précise de toutes les liaisons déjà mises en évidence au moment de la définition des types de guidages (Tâche T2, section 1.6.2.2) et au moment de la défini- tion des liaisons complètes (Tâche T3, section 1.6.2.3). Ce travail se traduit par le choix de « solutions technologiques » que nous nommerons dtlm, pour Dispositifs Technologiques réali-

sant une Liaison Mécanique, et leur dimensionnement. Il s’appuie sur une base de données qui

fournit, pour chacune des fonctions susceptibles d’être étudiées durant cette tâche, l’ensemble le plus exhaustif possible de dtlm. Un dtlm est un ensemble d’éléments mécaniques capable de concrétiser matériellement une liaison mécanique conventionnelle10. A titre d’exemple, la figure 1.16 représente, en R4.x, un dtlm qui concrétise une liaison linéaire annulaire. Il est constitué d’un roulement-rotule à billes, d’un tronçon d’arbre, d’une partie de carter ainsi que d’une en- tretoise et d’un anneau élastique. Ce groupement de petits volumes de matière met en place les surfaces fonctionnelles. Ces volumes peuvent correspondre à des composants standards complets (roulement, anneau élastique. . . ) ou ne constituer que des parties de pièces spécifiques, celles-ci n’étant pas encore définies. L’étude des dtlm et de leur mode opératoire est l’objet du chapitre suivant. La figure 1.16 décrit l’organisation de la tâche T4. La définition des dtlm peut être faite en parallèle, ceux-ci disposant des contraintes d’encombrement issues des niveaux supérieurs.

1.6.2.5 Habillage des pièces du mécanisme.

La tâche T5 est la tâche de plus bas niveau, la plus détaillée de l’étape de synthèse. Elle est consacrée à la concrétisation des pièces (figure 1.17). Elle est précédée d’une redistribution (symbole ) des formes et volumes fonctionnels issus des dtlm définis dans T4. Ces éléments sont réunis par entités pièces, déjà partiellement définies, et complétées par un ajout de matière reliant les volumes d’une même pièce. Cette redistribution autorise un traitement en parallèle

Pièces complètement définies

R5.x

Surfaces fonctionnelles d’une même pièce

formes, règles de fabrication Outils de définition de

R5.x

R4.xSurfaces fonctionnelles_{d’une même liaison}

Définition complète des pièces

T5.x

Fig. 1.17 – Découpage opérationnel : la tâche T5.

de l’activité. Cette tâche fait appel à des compétences dans le domaine du calcul des structures (Résistance des Matériaux, Éléments Finis) et aussi de la fabrication. En effet, dans cette phase de définition de formes, les connaissances du métier des fabricants peuvent jouer un rôle important. Ceci s’explique par le fait que, hormis les contraintes de type mécanique, le choix des formes est libre puisque non fonctionnel du point de vue concepteur. Les résultats issus de ce niveau sont les dessins de définition des pièces (voir R5.x).

Dans le document Vers une assistance à la synthèse de dispositifs technologiques assurant une liaison mécanique (Page 38-43)