Les mécanismes de transmission de puissance à un degré de liberté

Les mécanismes de transmission de puissance à un degré de liberté

Une des thématiques principales de recherche de notre groupe est l’assistance à la synthèse des mécanismes. Ce domaine étant très vaste, nous avons choisi de nous limiter à l’étude d’un type de mécanisme particulier, les mécanismes générateurs de fonction [SM8 9]. Ce type de mécanismes se caractérise par une fonction de transformation d’une consigne d’entrée en une consigne de sortie. Les grandeurs concernées peuvent être des vitesses, des puissances. . . La figure 1.3 représente un mécanisme à barres de la famille des générateurs de fonction. Au sein de cette famille, nous nous sommes concentrés sur les mécanismes de transmission de puissance à un degré de liberté parmi lesquels on trouve, par exemple, les mécanismes réducteurs. Ces mécanismes forment une sous-classe particulière des mécanismes générateurs de fonction puisque la fonction en question est une simple réduction de la consigne d’entrée, c’est-à-dire la vitesse de rotation, dans un rapport que nous choisissons constant. Malgré leur apparente simplicité, ces mécanismes font l’objet d’une multitude de solutions, tant conceptuelles que technologiques, qu’il nous est impossible d’énumérer complètement. La variété de ces mécanismes est illustrée

Une phase clé dans la définition du produit : la phase de synthèse

La phase de synthèse possède un domaine d’action très étendu. Elle mène le concepteur de la définition la plus macroscopique du système (niveau d’abstraction le plus élevé) à la définition la plus détaillée (niveau d’abstraction le plus bas). Nous pouvons établir une hiérarchie dans la progression de la phase de synthèse qui nous mènera à un découpage en étapes de l’activité de synthèse (cf. figure 1.5). Nous présenterons, au paragraphe 1.6, l’organisation que nous proposons pour cette phase de synthèse (les étapes correspondant alors aux niveaux fonctionnels considérés). Pour chaque étape, nous pouvons encore dégager deux stades de développement qui correspondent à une approche pragmatique de la synthèse. Ces deux temps de la synthèse sont la synthèse structurelle et la synthèse dimensionnelle. Elles sont consécutives, et reflètent le raisonnement naturel de l’humain qui d’abord structure le système, puis lui attribue des dimensions cohérentes. Les définitions suivantes prennent pour exemple la toute première étape d’une telle phase de synthèse, qui vise à produire une architecture de système.

Représentation du produit dans la phase de synthèse

Ce chapitre aborde l’aspect représentation du produit. Précisons immédiatement que la représentation du produit fait appel à deux notions souvent confondues [Loy91] : la modélisation et la visualisation. Tandis que la modélisation a pour but la définition du produit, la visualisation n’a qu’un rôle de représentation restrictive interprétable selon un contexte précis. Nous traitons par la suite de la modélisation du produit.
Le fil conducteur de l’étape de synthèse est bien entendu le produit (le mécanisme). Du début jusqu’à la fin, il va prendre forme d’après les choix réalisés par l’équipe de concepteurs.
La représentation finale du produit, à l’issue de la phase de conception, est une représentation graphique, géométrique et dimensionnée, universellement reconnue et appelée dessin de définition. Cette représentation, bien que très réaliste, n’en est pas moins une modélisation abstraite du produit, comme toutes les autres représentations. Durant sa conception, le produit est passé d’une description fonctionnelle textuelle, le CdCF, à une description géométrique qui représente au mieux son futur aspect physique. Une multitude d’étapes intermédiaires ont donné lieu à différentes représentations du produit. Ces représentations découlent de la méthodologie de conception retenue. Par exemple, une approche fonctionnelle [Boc98] recourt à des représentations du type diagramme comme dans le formalisme sadt1 ou tabulaire comme dans le cas du formalisme qfd2. Dans le cas d’une approche comportementale, nous disposerons de représentations schématiques sommaires. Le modèle conceptuel représente le produit par des entités qui caractérisent les concepts mis en œuvre pour satisfaire aux besoins : ce peut être des formalismes objets tels que omt3, ou relationnels tels que niam4. Le modèle descriptif est plus orienté vers l’aspect géométrique. Il fournit une description des constituants à l’aide d’entités élémentaires telles que surfaces, arêtes ou bien nœuds et facettes, qui pourra ultérieurement être utilisée dans une étude par éléments finis. Enfin, et nous arrêterons là notre recensement, nous trouvons la représentation par « features » ou « entités » 5. Ces features, géométriques ou non, représentent une information concernant une pièce. L’information peut concerner une fonction de fabrication, une fonction technologique, une fonction de forme, etc. Ils donnent lieu le plus souvent à une représentation géométrique que l’on intègre directement aux logiciels de cao. Ce concept de features est né du besoin de dépasser le strict cadre de modélisation géométrique lors de la conception en y intégrant des contraintes de fabrication. Il a débouché sur une nouvelle méthodologie de conception nommée « feature-based design »6. Les auteurs éprouvent des difficultés à donner une définition cohérente d’un(e) feature, tant les informations contenues peuvent être diverses. Néanmoins, le feature constitue un outil puissant d’intégration de connaissance dans une entité géométrique plus ou moins complexe, et cette capacité à transmettre une intention à partir d’un élément primaire de matière est le fondement même de notre démarche. On peut cependant constater une grande disparité dans la richesse des informations contenues dans les features et on a souvent tendance à les cataloguer en features de haut-niveau ou de bas-niveau selon leur complexité et la nature des informations. Une étape délicate de la conception est la sélection des features au vu des fonctions à remplir.
Il apparaît que ces différentes modélisations prennent des formes très diverses selon leur utilisation. Dans le cadre de la conception préliminaire, on trouvera une description plus détaillée des modèles et outils de représentation et de raisonnement dans [HW98]. Cette diversité permet de transmettre aisément des informations utiles aux opérations menées dans chaque approche (calculs, choix, etc.) en adaptant le modèle. Cette évolution de la représentation traduit aussi le besoin d’intégration de nouvelles connaissances dans le modèle produit. La recherche d’un modèle produit évolutif qui puisse intégrer des connaissances de natures différentes représente alors un enjeu important [Con96]. L’enrichissement de la base d’informations concernant le produit implique une structuration des données pour que le concepteur ne soit pas submergé.
En conséquence, les modèles peuvent éluder une partie des informations acquises dans les phases amont qui s’avèreraient inutiles dans la tâche courante.

Quelques exemples d’organisation de la phase de synthèse

Certains auteurs ont élaboré des logiciels permettant de définir des niveaux de priorité dans les étapes de synthèse [AA00]. La démarche est basée sur les relations étroites existant entre les fonctions attendues et les paramètres de conception. Ces relations sont révélées par une matrice de relations dérivée de la matrice de corrélation utilisée dans la méthode qfd. Elles sont alors représentées par un graphique de type sagittal et constituent la base d’élaboration de l’organigramme de conception. Cet organigramme sert de canevas au déroulement de la phase de synthèse en proposant une chronologie d’actions. Ainsi, pour un mécanisme connu, ont peut établir une planification des actions de conception visant à rationaliser les temps de développement. Cette méthode risque de devenir relativement lourde avec l’augmentation du nombre de fonctions et de facteurs de conception. De plus, l’évaluation qualitative des interactions fonctions/facteurs et de la prépondérance des fonctions attendues est très subjective et dépend fortement du niveau d’expertise de l’utilisateur.
Dans les premières étapes de la synthèse (particulièrement l’avant-projet), il n’est pas toujours facile de transcrire les fonctions attendues, souvent qualitatives. A. Medland propose une stratégie de décomposition de ces problèmes [MM00]. Les fonctions attendues sont transcrites en contraintes qui seront vérifiées dès qu’un niveau de définition suffisant sera atteint. Le mécanisme prend la forme d’un modèle paramétré dont les paramètres constituent les variables d’un problème contraint. Ce problème est décomposé selon la (ou les) méthode de décomposition
la mieux adaptée, tandis que son intégralité est gérée par une méthode de maintien de cohérence. L’étude dévoile différentes stratégies de résolution, du changement minimal à la solution intégralement nouvelle, qui mènent à des solutions fort différentes. On remarque à ce sujet que certaines stratégies conduisent à des architectures du système (un vélo pour l’exemple) opposées à l’architecture primaire, ce qui n’est pas toujours souhaitable.

Organisation opérationnelle basée sur une définition fonctionnelle multi-niveaux

La nécessité de découpage de l’activité de conception en tâches clairement identifiées est largement reconnue. Un indice de qualité de ce découpage sera son aptitude à isoler des sous-problèmes indépendants qui seront traités par les agents concepteurs 9. 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 définition 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.

Remarques sur le découpage proposé

Cette proposition d’organisation de la phase de conception est reconstituée sur la figure 1.18 (organigramme et types de résultats obtenus pour chaque tâche). Cette organisation nous servira de canevas pour la suite de notre travail. Cette phase de synthèse est bien entendu suivie de la phase d’analyse qui va reconstituer le système par une démarche ascendante, en vérifiant la cohérence de la solution retenue. Rappelons que cette approche par niveaux autorise un retour en arrière à chaque étape de sa progression. Il est donc possible de remettre en cause les options choisies précédemment si elles ne s’avèrent pas aussi judicieuses ou performantes qu’escomptées.
L’intérêt de ce découpage réside cependant dans la hiérarchisation de l’importance des fonctions qui doit tendre à limiter les « remontées » par une synthèse progressive du système. Ceci peut s’expliquer par la structure arborescente de l’arbre de décision. A chaque niveau, le concepteur établit une collection de solutions qu’il classe. Il s’engage alors sur une voie pour laquelle le niveau suivant proposera une nouvelle collection de solutions. C’est une combinatoire qui peut aboutir à l’issue du dernier niveau de définition à des millions de combinaisons. L’avantage du découpage est donc de proposer l’exploration de toutes les solutions du niveau directement supérieur à celui du cas d’échec. Cela implique une certaine systématisation dans la recherche des solutions qui permet d’envisager toutes les solutions du niveau (n) avant de remettre en cause le niveau (n−1). On respecte donc le niveau d’importance des options prises en amont du processus (ceci peut éviter les situations absurdes où l’on remet en cause la structure du système parce qu’une clavette, par exemple, s’avère trop longue !). Le découpage induit une certaine rationalisation des tâches. Compte tenu de la part importante que prend la conception routinière dans toute activité de conception, le découpage permet la centralisation des connaissances juste nécessairesà un niveau donné. Leur exploitation future n’en sera que facilitée [KS96]. Le traitement de chaque tâche peut être réalisé avec la méthode la plus adaptée, c’est-à-dire celle qui est réputée avoir les meilleures performances en terme de production de solutions. On conçoit alors que ce découpage favorise l’hétérogénéité des méthodes de résolution de problèmes.
Nous allons maintenant nous pencher sur la problématique de l’assistance aux concepteurs.
Les questions essentielles que nous pouvons nous poser sont :
– Quand doit-on assister le concepteur ? Il s’agit de préciser les phases de conception où l’apport de l’informatique peut être appréciable.
– Comment doit-on assister le concepteur ? Quelle forme doit prendre l’outil d’assistance pour être assuré d’une efficacité optimale?
Avant de tenter de répondre à ces questions, nous allons préciser le rôle et l’importance de l’ordinateur dans la conception mécanique ainsi que ses champs d’actions.

Assistance informatique aux concepteurs

Les méthodes de conception ont évolué avec l’avènement de l’ordinateur. Le processus de conception a recours à de nombreux calculs utiles à la prévision des comportements du mécanisme. Les modèles mathématiques mis en œuvre sont de complexité croissante. Dès lors, il n’est pas surprenant de constater que l’informatique a pris une place importante dans cette activité, et ce depuis une trentaine d’années. L’étude historique de la cao nous montre à quel point l’assistance informatique aux concepteurs a muté. Elle tend aujourd’hui vers la conception intégrée, notamment en essayant d’intégrer des outils récents comme l’intelligence artificielle. Nous fixerons, en fin de chapitre, les objectifs que vise notre système d’aide à la conception intégrée.