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Mettez de l'intelligence dans vos produits

RIDHA LOUKIL rloukil@industrie-technologies.com

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Mettez de l'intelligence dans vos produits

Mepax utilise les fonctionnalités 3D d'Eplan Pro Panel pour définir les implantations de ses tableaux électriques ou fluidiques.

© D.R.

Optimisation de l'encombrement, des performances, de la consommation, des coûts... Les avantages de l'intégration des fonctions électronique, informatique et automatique dans la mécanique sont nombreux. Les progrès technologiques rendent cette démarche encore plus attractive. Reste à en répercuter les impacts aux niveaux de l'assemblage du produit final, de sa maintenance et de sa gestion après-vente.

Quel est le point commun entre le roulement instrumenté de SNR, le distributeur pneumatique miniature à commande électrique de Rexroth-Bosch, le système d'entraînement électrique Movigear combinant moteur, réducteur et électronique de commande de SEW-Usocome, ou encore le correcteur automatique d'assiette pour engins de travaux publics de Mecalac ? Ils sont tous des produits mécatroniques, témoins du mariage intime entre mécanique, électronique, informatique et automatique.

Ce concept, qui transforme de vulgaires produits mécaniques ou électromécaniques en systèmes « intelligents » capables de percevoir leur environnement, de traiter l'information et d'agir en conséquence sur leur milieu, est ancien. Il a été inventé en 1969 par Tetsuro Mori, directeur général de la société japonaise Yaskawa Electric. « Mais on est loin d'en avoir épuisé tout le potentiel tant en développement de produits qu'en diffusion dans des applications », affirme Laurence Cherillat, déléguée générale d'Artema, le syndicat des industriels de la mécatronique.

La mécatronique est avant tout une démarche d'intégration

Augmenter les fonctionnalités, et donc la valeur ajoutée, de produits comme les réducteurs, les freins, les vérins, les valves, les pompes ou les moteurs électriques : telle est sa finalité. Mais par rapport à la solution juxtaposant des éléments discrets, l'idée est d'optimiser l'encombrement, le poids, les performances, le coût, la consommation électrique, la mise en oeuvre et la maintenance du système complet. Car « la mécatronique est avant tout une démarche d'intégration. En concevant les différents éléments ensemble, elle vise à aboutir à une solution complète optimale », explique Philippe Lubineau, expert mécatronique au Cetim.

La mécatronique ne signifie ni électronisation, ni électrisation, ni capteurisation de produits. La voiture, par exemple, embarque de plus en plus d'électronique et d'informatique. Mais elle ne constitue pas un produit mécatronique. En revanche, certains de ses composants comme le système de freinage ABS, la boîte de vitesse automatique ou l'Airbag le sont. Le PC n'est pas, non plus, un produit mécatronique. Mais son disque dur et son lecteur-graveur de DVD le sont. A contrario, il existe des produits qu'on ne soupçonne pas d'être mécatroniques comme le joint d'étanchéité instrumenté. La société Simrit y a intégré un capteur qui contrôle la qualité de l'étanchéité et signale les dégradations avant que la fuite n'arrive. Une information précieuse dans le cadre d'une maintenance prédictive visant à anticiper les pannes et à en limiter l'impact négatif sur l'exploitation.

Selon Philippe Lubineau, il existe plusieurs degrés d'intégration mécatronique. Le premier niveau réside dans l'incorporation de capteurs pour des fonctions de mesure-contrôle, comptage, identification, diagnostic, surveillance ou aide à la conduite. Les roulements, réducteurs et joints instrumentés en sont des exemples. Le niveau le plus complexe se trouve dans les robots autonomes comme le Nao d'Aldebaran Robotics ou l'Asimo de Honda.

Cette démarche oblige souvent à revoir la conception du produit mécanique, ne serait-ce que pour dégager de la place au capteur. Elle ne signifie pas toujours plus d'électronique, d'informatique ou d'automatisme. Dans certains cas, elle implique plus de mécanique. Le capteur inertiel développé par la faculté d'ingénieurs de Tel Aviv, en Israël, en témoigne. L'amplification électronique a été remplacée par une amplification mécanique, avec l'avantage de booster la sensibilité sans augmenter le bruit. L'exemple du système de récupération d'énergie sur les bus va dans le même sens. Des moteurs hydrauliques sont rajoutés sur les roues pour récupérer l'énergie de freinage sous forme de pression dans une bombonne d'huile. Ils sont associés à des capteurs sur les roues et à une électronique de traitement et de régulation.

La mécatronique augmente en général les prix. Mais à en croire Laurence Cherillat, elle revient souvent moins cher à l'utilisation en raison des gains qu'elle procure en mise en oeuvre, exploitation et maintenance. Dans certains cas, il est même possible de baisser le coût de revient du produit, hors frais d'études et de développement. L'équation consiste à mettre plus de logiciel et moins de mécanique. Sur les lave-linge modernes, cette formule réduit le nombre de capteurs à un seul. Les informations des autres capteurs auparavant nécessaires sont déduites par calcul à l'aide d'algorithmes appelés capteurs virtuels. Cette démarche conduit à l'utilisation d'un moteur électrique plus petit, et donc moins cher. « Globalement, le coût de revient du lave-linge est réduit de 2 % », estime Olivier de Gabrielli, directeur associé de Thesame, centre de ressources en mécatronique, basé à Annecy (Haute-Savoie).

Transformer les machines en objets communicants

Les progrès continus en électronique et en informatique amplifient l'attractivité de la mécatronique. Ils donnent accès à des composants toujours plus performants, plus compacts, moins chers et plus faciles à intégrer. Une évolution favorable à une diffusion plus large de la mécatronique. Le développement des technologies de communication sans fil et d'Internet ouvre de nouvelles perspectives, avec la possibilité de transformer les machines en objets communicants connectés via le Web. Le pèse-personne de Withings illustre cette tendance. Elle traite l'information de pesée et la transmet via Wi-Fi à un iPhone. Sur un site Web, l'utilisateur peut ensuite suivre et gérer son poids. Le développement de capteurs autonomes sans fil constitue un autre domaine porteur. En se nourrissant de l'énergie environnante (lumière, vibrations, chaleur...) et en transmettant leurs informations sans fil, ils poussent plus loin l'instrumentation et l'intelligence au coeur des mécanismes.

La mécatronique modifie le processus de fabrication

La conception mécatronique tend à se simplifier avec l'arrivée de bouts de logiciels de CAO, simulation et prototypage virtuel capables de prendre en charge le système dans sa globalité. Reste à faire tomber les frontières entre les disciplines impliquées et à faire cohabiter des approches différentes de travail. C'est une question d'organisation mais aussi de compétences. Des profils capables de mener des projets mécatroniques et de faire le lien entre les différents spécialistes commencent à se développer via les formations d'ingénieurs. Mais des questions se posent encore en production, maintenance et après-vente. « La mécatronique modifie l'assemblage, le test et la réception de matériels, surtout lorsque ces opérations sont automatisées. Il faut donc adapter le processus de fabrication en conséquence », conseille Laurence Cherillat. Il faut aussi former les agents de maintenance et de réparation après-vente. Ce qui est loin d'être simple car ceci implique la maîtrise de plusieurs technologies.

Reste enfin l'épineuse question de la fiabilité. On sait l'évaluer pour chaque composante d'un produit mécatronique mais pas pour celle du système complet. La problématique est complexe. Elle fait l'objet de recherches notamment au laboratoire de systèmes et de matériaux pour la mécatronique (Symme) de Polytech d'Annecy-Chambéry, et au Cetim. Une lacune qui ne doit pas cependant faire oublier les innombrables atouts de la mécatronique.

POTENTIEL

Le chiffre d'affaires des industries mécatroniques en France devrait croître de 10 % en 2011 pour atteindre 5,2 milliards d'euros. (Source : Artema)

LE ROULEMENT INSTRUMENTÉ

Il représente le premier niveau d'intégration mécatronique. Il se contente d'incorporer des capteurs pour fournir des informations de vitesse, sens de rotation, position et efforts subis. Mais il manque d'intégration fonctionnelle puisque le traitement de ces informations à des fins de régulation-contrôle est assuré par un dispositif séparé.

L'APPAREIL PHOTO NUMÉRIQUE

Il représente le niveau d'intégration le plus poussé entre mécanique de précision, électronique embarquée, logiciel de traitement et automatismes. L'ensemble est conçu dans un objectif de miniaturisation extrême. L'intégration physique se double d'une intégration fonctionnelle totale, puisqu'il fonctionne de façon autonome.

Nous exigeons la même fiabilité qu'en mécanique

Jean Tournoux Président d'Artema, le syndicat des industriels de la mécatronique

La mécatronique est-elle devenue « le » levier d'innovation de la mécanique ? Jean Tournoux Le seul, non, il reste d'autres champs d'exploration, comme les matériaux. Mais il est important. La preuve : la discipline représente 20 % du budget R&D de SKF alors qu'elle pèse moins de 5 % des ventes du groupe. L'exploration fondamentale de la mécanique est achevée. La mécatronique ouvre de nouveaux horizons... mais nous restons mécaniciens : la fiabilité exigée est totale. Avec seulement 1 % des incidents de l'informatique, on deviendrait fou ! Le domaine est donc encore balbutiant, selon vous ? Totalement. Et son développement n'a rien de la course tous azimuts. Les besoins viennent en marchant. Beaucoup de solutions mécaniques sont robustes, elles fonctionnent. Pourquoi les changer ? Le rapport coût-bénéfice doit être évident. La sécurité, la demande de remontées d'informations pour la maintenance et celle de pilotage à distance ainsi que les préoccupations énergétiques sont les principales contraintes qui poussent l'innovation mécatronique. Quels sont les secteurs les plus demandeurs ? La prise d'information et son traitement apportent de la valeur à un produit mécanique. La mécatronique, ce n'est pas juste mettre un pilotage électrique, il faut de l'intelligence derrière. Dans ce cadre, l'automobile, déjà très concernée, le sera de plus en plus, notamment parce qu'elle sera de plus en plus électrique. Ensuite viennent le transport ferroviaire et les machines-outils dont les sous-ensembles intégreront davantage de capteurs facilitant le pilotage des installations industrielles. c

Les logiciels d'aide à la conception s'adaptent enfin

À la croisée de plusieurs technologies, la conception mécatronique nécessite une approche transverse, au niveau système, capable de prévoir et de gérer les interactions entre mécanique, électronique et informatique. C'est ce que tous les grands éditeurs de CAO mettent en avant dans leurs approches PLM. Bien souvent, ils se contentent de gérer l'électronique comme une simple boîte noire. Pour aller plus loin, les ingénieurs disposent d'outils tels MatLab et Simulink (langage de modélisation graphique de systèmes dynamiques multiphysiques) capables de générer du code. On retrouve des possibilités similaires avec l'outil SimulationX de ITI, qui est basé sur le langage de description Modelica, ainsi que dans différents environnements comme ceux d'Atego (Artisan Studio), Cosateq (Scale-RT), de dSpace, de Etas, de National Instruments (LabView). On commence à trouver aussi des modules «mécatroniques » chez les grands éditeurs de CAO ou d'outils de calcul tels SystemVision chez Mentor Graphics basé sur le langage VHDL-AMS ; Dymola, basé sur Modelica chez Dassault Systèmes ; Imagine.Lab SysDM chez LMS... Certains de ces outils permettent même d'intégrer du matériel réel dans la boucle de simulation pour valider son comportement ou pour optimiser le logiciel pilote. Il devient alors facile de réaliser rapidement des prototypes fonctionnels. Enfin, le Pôle Mov'eo termine un projet sur le sujet, O2M (outils de modélisation et de conception mécatronique).

LES 7 ERREURS À ÉVITER

1. Ne pas faire appel aux compétences nécessaires à l'extérieur et engager l'entreprise dans une démarche exclusivement interne. 2. Se lancer sans préciser au préalable les objectifs à atteindre en termes de fonctionnalités, de coûts, etc. 3. Omettre de faire une étude du projet en amont pour identifier les besoins du client et la façon la plus optimale de les satisfaire. 4. Ne pas développer les différents éléments du système en même temps. 5. Ne pas désigner un chef d'orchestre capable de chapeauter les spécialistes mais choisir comme chef de projet un expert d'une seule technologie. 6. Ne pas préparer l'atelier à l'assemblage du produit. 7. Oublier de former les forces de vente et les agents de réparation après-vente.

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