Mécatronique : la solution aux cinq problèmes de conception des fabricants de machines
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Table des matières
- Le processus de conception de machines est lent, il se réalise en série
- La communication entre les clients et les membres de l'équipe Conception est un véritable challenge
- La vérification du profil de commande d'axes nécessite des tests réels plutôt risqués sur machines
- Le dimensionnement précis des moteurs est complexe
- Le règlage du PID initial est difficile à déterminer
"Rapidité", "performances" et "économie" sont les trois mots-clefs des fabricants de machines.
Une concurrence sans merci pousse les constructeurs à produire des machines au débit plus élevé, aux coûts d'exploitation réduits et avec une sécurité accrue. C'est pour cette raison que les constructeurs de machines actuels sont passés de machines rigides à usage unique, s'articulant uniquement autour d'engrenages et de cames, à des machines polyvalentes et modulaires en adoptant des systèmes de contrôle et des servomoteurs modernes. Bien que ces améliorations aient permis de rendre ces machines plus adaptatives, elles ont aussi apporté leur lot de complexité auxdites machines et par là-même à leur processus de conception. En plus de concevoir les éléments mécaniques, les constructeurs de machines incorporent désormais dans leurs conceptions une logique de contrôle, des IHM (interfaces homme-machine), une gestion de réseau ainsi qu'une maintenance prédictive des machines. Cette complexité supplémentaire a engendré un manque d'efficacité dans le processus de conception des machines, qui rallonge d'autant le temps de conception et en accroît les coûts.
Pour résoudre ce problème d'ingénierie multidisciplinaire, trois secteurs clés sont à améliorer : les techniques de développement, les outils de conception et la technologie de contrôle embarqué. Le terme "mécatronique" est de plus en plus répandu pour illustrer cette évolution. Cela représente un effort industriel important d'améliorer le processus de conception en intégrant les meilleures pratiques et technologies possibles en matière de développement afin de rationaliser la conception, le prototypage et le déploiement de machines. Une approche orientée mécatronique peut limiter les risques associés à la conception de machines et répondent aux cinq problèmes majeurs auxquels sont confrontés les concepteurs de machines actuellement.
Figure n°1.Les fabricants de machines utilisent habituellement une approche séquentielle de la conception de machines, qui rallonge le processus de conception. La mécatronique représente un effort industriel important pour améliorer le processus de conception en intégrant les meilleures pratiques et technologies possibles en matière de développement afin de rationaliser la conception, le prototypage et le déploiement de machines.
Le processus de conception de machines est lent, il se réalise en série
La conception de machines débute habituellement par le travail des ingénieurs mécaniques qui conçoivent les éléments mécaniques de la machine en utilisant des outils assistés par ordinateur. Une fois qu'ils ont terminé le modèle assisté par ordinateur et créé une machine physique, les ingénieurs en contrôle et électricité dressent la topologie du système électrique et programment le contrôleur de la machine. L'équipe Conception effectue le premier test de la machine intégrée sur le modèle physique. Tout problème à ce stade-là qui nécessite de retravailler des pièces de la machine peut occasionner de gros retards et des dépenses supplémentaires, synonymes de pertes financières pour le constructeur de machines concerné. Recueillir les commentaires des ingénieurs en contrôle et en électricité suffisamment tôt dans le processus de conception peut limiter ces risques de façon conséquente. L'approche de la conception mécatronique solutionne ce problème en connectant les outils de conception de machines et en créant un prototype de machine virtuelle avant que les ingénieurs ne conçoivent la machine physique.
Un prototype de machine virtuelle est un modèle assisté par ordinateur en 3D qui interagit avec une simulation du contrôleur de la machine afin de visualiser et de tester les mouvements de ladite machine ainsi que les opérations logiques. En créant un prototype de machine virtuelle, les équipes en conception peuvent tester et améliorer la conception de leurs machines de façon logicielle avant de créer un quelconque composant physique. L'élément essentiel du prototypage de machines virtuelles est l'intégration d'outils de conception : la liaison des outils de conception de contrôle, électriques et mécaniques.
Les fabricants de machines peuvent utiliser les outils de conception de systèmes graphiques proposés par National Instruments ainsi que des outils assistés par ordinateur en 3D, proposés par des fournisseurs comme SolidWorks, afin de créer un prototype de machine virtuelle. Ils peuvent tester le fonctionnement de leurs machines avant de créer des modèles physiques, en développant leurs profils de commande d'axes et de logique de contrôle avec NI LabVIEW et en créant un modèle assisté par ordinateur en 3D de leur machine et en le simulant avec SolidWorks. Après avoir testé les profils de commande d'axes et de logique de contrôle, les fabricants de machines peuvent déployer le code sur un système embarqué NI CompactRIO . Le Module NI LabVIEW FPGA et le module d'unité de puissance de commande d'axes NI 9505 pour NI CompactRIO offrent une plate-forme flexible pour créer une commande d'axes précise pour les machines.
Figure n°2. Les outils de conception de systèmes graphiques ouverts de National Instruments sont essentiels pour une approche intégrée basée mécatronique de la conception de machines capable de réduire les coûts et le temps passé.
La communication entre les clients et les membres de l'équipe Conception est un véritable challenge
Comprendre les exigences des clients et développer un plan de conception approprié pour les systèmes de contrôle et mécaniques des machines peut prendre du temps et se révéler compliqué. Une mauvaise ou une absence de communication avec le client dans ce procesus peut conduire à une conception de machines inappropriée et à des coûts supplémentaires inattendus. En utilisant l'assistance par ordinateur 3D, les fabricants de machines ont amélioré la communication avec leurs clients en offrant un modèle virtuel des éléments mécaniques de la machine.
En utilisant le prototypage de machines virtuelles et en ajoutant une simulation logique au modèle assisté par ordinateur 3D, les fabricants de machines peuvent désormais montrer à leurs clients comment une machine va fonctionner avant d'investir dans le développement de structures mécaniques physiques. En plus de présenter le fonctionnement de la machine au client, le prototypage de la machine virtuelle peut aussi augmenter l'interaction entre les membres de l'équipe Conception tôt dans le processus de conception, d'où une meilleure qualité de la machine finale.
La vérification du profil de commande d'axes nécessite des tests réels plutôt risqués sur machines
Le débogage des profils de commande d'axes sur une vraie machine peut s'avérer risqué. Une panne peut occasionner des semaines d'immobilisation et des coûts accrus pour acheter des pièces de rechange. En intégrant les profils de commande d'axes générés dans LabVIEW avec un modèle assisté par ordinateur 3D de la machine dans SolidWorks, les fabricants de machines peuvent détecter d'éventuelles collisions sur les prototypes virtuels, vérifier en toute sécurité et régler avec finesse leurs profils de commande d'axes, et enfin éviter toute collision sur la machine physique. Reportez-vous à la Figure n°3 pour plus de précisions.
Figure n°3. Les fabricants de machines peuvent prototyper de façon virtuelle leurs systèmes de contrôle de machines avec LabVIEW et le Module NI SoftMotion Development pour la génération de profils de commande d'axes, ainsi que simuler et détecter de façon mécanique des collisions avec SolidWorks et COSMOSMotion.
Le dimensionnement précis des moteurs est complexe
À cause de la complexité des systèmes d'unité de puissance pour moteurs, le choix d'un moteur avec la bonne taille, un coût raisonnable, un poids correct et des performances idéales pour une application peut s'avérer compliqué. Si un moteur est trop petit, il risque de surchauffer, d'offrir de mauvaises performances en matière de contrôle, et d'être difficile à régler. Si un moteur est trop gros, il peut représenter une charge et des coûts superflus pour la machine. Les fabricants de machines peuvent utiliser un prototypage de machines virtuelles pour améliorer le processus de dimensionnement des moteurs.
Avec LabVIEW et SolidWorks, les fabricants de machines peuvent facilement déterminer le couple nécessaire pour piloter la machine avec le profil de commande d'axes voulu. Ensuite, ils peuvent utiliser LabVIEW pour la simulation de moteurs et déterminer le moteur le mieux adapté à leur application pour satisfaire les besoins en termes de vitesse et de couple de la machine.
Le règlage du PID initial est difficile à déterminer
Déterminer les paramètres du réglage PID initial d'une machine complexe est difficile, et des paramètres incorrects risquent de provoquer des mouvements inattendus de la machine. Avec le prototypage de machines virtuelles, les fabricants de machines peuvent régler les algorithmes de contrôle PID sur un modèle assisté par ordinateur en 3D et avoir un aperçu des paramètres de réglage PID pour la machine physique. Ces paramètres de réglage PID peuvent ensuite servir sur la vraie machine comme point de démarrage fiable.
En intégrant les outils de conception de machines, l'approche mécatronique à la conception de machines rationalise le processus de conception, améliore la communication à la fois avec le client et au sein même de l'équipe Conception, vérifie les profils de commande d'axes, améliore le dimensionnement du moteur et le réglage PID, et peut donner aux fabricants de machines une longueur d'avance en termes de compétitivité.
– Nipun Mathur
Nipun Mathur est Responsable Produits de commande d'axes et de mécatronique chez NI. Il est diplômé en génie informatique et électrique de l'Université du Nebraska - Lincoln.
Cet article a fait l'objet d'une parution dans l'exemplaire du 2ème trimestre 2007 de l' Instrumentation Newsletter.
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Législation
Ce tutorial a été développé par National Instruments. Bien qu'un support technique puisse être fourni pour ce tutorial, il n'a pas été complètement testé ni vérifié, et NI ne garantit pas sa qualité, ni qu'il continuera à être supporté pour les nouvelles versions des produits et drivers qui y sont rattachés. CE TUTORIAL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS GARANTIE D'AUCUNE SORTE, ET EST SUJET À CERTAINES RESTRICTIONS COMME PLUS SPÉCIFIQUEMENT DÉTERMINÉES DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION DE NI.COM (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/).