Une approche pour l’évaluation des solutions pour la conception d’un système de production reconfigurable

Système de production

La production est définie comme étant un ensemble des transformations successives passant de l’état de matières premières à l’état de produits finis (Dano, 1966).
Chacune de ces transformations correspond à des modifications physiques ou chimiques des matières traitées. Notre travail est particulièrement orienté vers la génération des configurations cinématiques des machines outil d’usinage. Selon ElMaraghy (ElMaraghy, 2005), les systèmes de production peuvent être classifiés en trois groupes basés sur leur productivité et flexibilité :
Systèmes manufacturiers dédiés (DML) :Les Systèmes Manufacturiers Dédiés (SMD) (Dedicated Manufacturing Lines -DML)) ou les Lignes Transfert Dédiées (LTD) ont été développés dans le secteur de l’automobile (production de masse) où la rationalisation de la fabrication répond à un objectif de productivité. Chaque ligne dédiée est typiquement destinée à produire une pièce unique à un haut rythme de productivité. Chaque station de la ligne est spécialisée pour faire une opération d’usinage toujours identique et toujours au même endroit sur la pièce (perçage, fraisage, lamage…).
Les DML sont devenus moins pertinent par rapport à l’évolution du marché. Ils sont économiquement viables quand la demande de produit est importante et fixe.
Systèmes manufacturiers flexible (FMS) :Les Systèmes Manufacturiers Flexibles FMS ont été introduit dans les années 1980 (Mehrabi et al, 2002). C’est une technologie qui vise à rendre flexible l’ensemble de l’outil de production permettant de préparer, de s’adapter aux divers changements de son environnement, sans qu’il y ait besoin d’engager de nouveaux investissements en biens d’équipement, ou d’engendrer de longues pertes de temps. Les FMS peuvent être un ensemble des modules ayant plusieurs directeurs de commande, ou un seul système de production flexible .
Les FMSs ont été spécialement développés pour répondre à la fois aux contraintes de productivité et de flexibilité. Malheureusement, ils présentent un certain nombre d’inconvénients :
très haut cout initial, l’investissement et les charges financières de ces équipements (hardwares, softwares), bas taux de production à cause de non simultanéité des opérations, leurs capacités de production sont souvent fixes et très inférieures aux objectifs visés.
Selon (Mehrabi et al, 2002), les entreprises industrielles mettant en place des FMS constatent le plus souvent que le niveau de flexibilité n’est pas conforme aux objectifs visés. De plus, la productivité des FMS est largement inférieure aux DML avec des coûts d’investissement initiaux et de fonctionnement plus importants. Pour répondre à ces exigences et difficultés, les RMS sont proposées.
Systèmes manufacturiers reconfigurable (RMS) :La définition générale des RMS a été donnée par Y. Koren (Koren, 1999). « Le système de fabrication reconfigurable est un système qui est conçu au départ pour le changement rapide de structure, aussi bien des composants et que des logiciels. Il peut être ajusté rapidement à la capacité et à la fonctionnalité de production, pour une famille de pièce, en réponse aux changements rapides du marché ou des conditions de normalisation ».
L’objectif du RMS est de répondre à des exigences variables et d’assurer une fonctionnalité ajustable avec une forte productivité et des temps d’installation minimaux (Abele, 2006(a)).

Technologies du RMS

Les verrous technologiques ou problématiques liées à la conception et à la mise en œuvre d’un RMS sont :
la conception globale du système reconfigurable, la conception de chaque machine reconfigurable, la conception de la partie commande, la validation et les réglages.
Dans nos travaux, nous nous concentrons sur les aspects technologiques d’un RMS. Ils sont les facteurs qui sont directement liés à la qualité et au coût des entités qui sont exigées pour une famille de produit. La partie commune pour les systèmes existants c.à.d. système dédié et système flexible est l’usage de matériel et logiciel fixe. L’essentiel du paradigme RMS est une approche de reconfiguration fondée sur la conception du système qui repose sur la conception de l’architecture qui est ouverte et modulaire. Pour répondre aux exigences, les modules et les interfaces doivent être soigneusement définis. Quelques points importants dans le domaine du RMS (Wendahl, 2005) sont enumerés dessous : globalité, mobilité, scalabilité, modularité, compatibilité.

Caractéristiques clé du RMS

Le RMS doit être conçu en intégrant le concept de reconfigurabilité. A ce jour, les concepts de reconfigurabilité sont établis par un ensemble de 6 principes (Koren et Ulsoy, 2002 ; Spicer et al, 2002) : la « modularité » est la faculté de regroupement des fonctions assurées par des composants du système (logiciel et matériels) de façon qu’ils soient interchangeables (Koren et al, 1999). Le type de modules de base définit la granularité du système,
l’« intégrabilité » est la faculté d’intégration rapide des modules constitutifs du système par un ensemble d’interfaces mécaniques, de connectiques pour la gestion et commande des informations,
La « convertibilité » est la faculté de transformation de la fonctionnalité du système, des machines et de la commande existants afin de s’adapter aux nouveaux besoins de production,
L’« extensibilité » est la faculté d’ajustement à la capacité de production du système en le reconfigurant au coût minimal, en un minimum de temps et pour une large gamme de capacités; La « personnalisation » est la faculté d’adaptation à une flexibilité personnalisée (juste nécessaire au bon moment) du système et des machines pour répondre à de nouvelles spécifications d’une famille de produits;
La « diagnosabilité » est la faculté à identifier automatiquement l’état courant du système et de la commande afin de détecter ainsi que de diagnostiquer les sources de défaillances en vue de les corriger rapidement.
Modularité, interchangeabilité, et diagonasabilité réduit le temps de reconfiguration et la personnalisation et convertibilité réduit le coût de la reconfiguration.

Cadre de conception pour un RMS utilisant l’approche AD et FBS avec le domaine de performance intégrée

Cependant le modèle développé par le MSDD/PSD est incomplet. En effet, ce modèle ne propose pas d’interface pour permettre le lien entre le niveau stratégique et le niveau physique ; il propose des interfaces entre les besoins fonctionnels du processus de conception et les activités de conception du système physique de production.
L’approche MSDD vise à analyser comment l’investissement dans un DP aide à réaliser une FR (Cochran 2003). Il est important de remarquer que dans cette approche, les DPs sont les activités qui effectuent la définition de la solution physique. Par conséquent, un DP est une activité orientée pour réaliser l’objectif de la conception, mais pas la conception elle-même.
Nous avons observé quelques manques en appliquant l’approche axiomatique pour la conception d’un RMS : le lien entre le niveau stratégique (très développé dans le Lean Manufacturing) et les solutions physiques, et la notion de mesure de performance.
Premièrement, nous nous intéressons à la construction des relations entre les besoins fonctionnels du RMS et les éléments physiques du RMS. Les (FRs) sont décomposées et classifiées en termes de «étendu de la famille de produit», « capabilités » (qualité, caractéristiques géométriques, précision…), «temps» et «coût». Donc la FR est une fonction du RMS et un DP est défini comme un élément du RMS.
Deuxièmement, la notion de mesure de performance n’est pas incluse, c’est-à-dire, on ne sait pas si le DP défini a complètement satisfait la FR sélectionnée ou non. Pour surmonter ce manque, on propose un nouveau domaine d’indicateur de performance (PI) intégré dans l’approche de conception. Ils sont associés aux FRs du RMS et aux DPs du processus de conception. Ils sont évalués à partir des DPs du RMS. La définition d’indicateurs de performances est rendue nécessaire afin d’évaluer les solutions entre elles, ou par rapport à des performances attendues pour effectuer des choix, mais aussi par la nécessité d’évaluer la pertinence d’une activité de conception.

Génération des séquences d’usinage et des relations d’antériorités (A2)

L’objectif de cette activité est de générer la liste des opérations nécessaires et les relations d’antériorité. Les entrées sont l’ensemble des spécifications fonctionnelles c’est-à-dire la description des pièces que doit réaliser le RMS, cette description inclut la description du groupe des entités d’usinage, les interactions topologiques, … Dans la suite, chaque concept est détaillé :
Entrées : Entités d’usinage et interactions topologiques ;Contrôles : Cartes de visite ;Sorties : Séquence d’usinage et matrice d’antériorité
Entité d’usinage :Le terme “Entité” correspond au terme anglais “Feature”. Ce concept apparaît initialement dans les années 80 comme l’objet de rapprochement entre les modèles de description des pièces (métier de concepteur) et les modèles de préparation à la fabrication (métier de gammiste). Pour l’automatisation des gammes d’usinage, le concept d’entité est pertinent dans la mesure où il supporte la complexité du problème qui est intimement lié au modèle produit, aux bases de données technologiques et à la formalisation de l’expertise en fabrication.
Cependant, puisque ce concept d’entité est employé par les intervenants de différents métiers, à différentes étapes du cycle de vie du produit, une même entité géométrique est perçue de façon différente par chacun de ces intervenants. Ainsi,  à un simple trou alésé sont associées trois vues : la vue géométrique qui identifie un cylindre, la vue fabrication qui reconnaît un perçage et la vue conception qui associe a cette entité une fonction de passage de vis.
Appliqué au domaine de la génération de processus d’usinage, le groupe GAMA (GAMA, 1990) propose la définition d’une entité d’usinage comme étant : « Une forme géométrique et un ensemble de spécifications pour lesquels un processus d’usinage est connu. Ce processus est quasi indépendant des processus des autres entités. »
Dans le contexte de pièce CAI, nous avons 3 trous axiaux, un plan et deux trous taraudés. Chaque entité est décrite avec ses informations géométriques et ses informations techniques .
Interactions topologiques :Les interactions topologiques sont les caractéristiques de situation d’une entité d’usinage définies par rapport à son environnement pièce. Durant le processus de raisonnement de génération des gammes d’usinage, l’expert gammiste applique différentes règles qui intègre ces contraintes liées au contexte de chaque entité. Dans le cas des interactions topologiques, l’analyse de la pièce n’est que géométrique.
Les relations topologiques permettent de caractériser les relations entre deux entités voisines. Nous avons définie les interactions possibles entre les entités d’usinage : débouche dans, débouche coaxial . Cette taxinomie est basée sur celle proposée par Villeneuve.
Carte de visite :Ce concept de capitalisation et de formalisation des connaissances, dans sa définition originelle (Villeneuve, 1990; Villeneuve, 1993 ; Etienne, 2006) se présente sous la forme d’un tableau dans lequel l’expert peut expliciter quels sont les domaines de validité d’un processus de fabrication : c’est la solution utilisée qui porte son domaine d’utilisation. Cette approche, facile à mettre en œuvre et assez naturelle à enrichir, reste cependant limitée : l’expert ne peut agir que sur un ensemble de paramètres caractéristiques figés.
Le concept d’OSE (Ben Younes, 1994), permet une sélection des outils pour une entité d’usinage donnée. Ce concept est une évolution des cartes de visite et se décompose en deux étapes :
Description du contexte d’usinage à l’aide de trois modèles : les entités (les formes à réaliser), les séquences (qui peut être une succession de processus) et les classes d’outils (regroupement fonctionnel d’outils par famille).
Association de ces trois concepts afin de retranscrire dans un environnement objet les choix d’un expert gammiste. Ces relations et les domaines de validité des paramètres descriptifs des entités sont retranscrits dans une table d’OSE.
Cette approche permet grâce à cette formalisation des connaissances propres à une entreprise, la sélection des outils pour une entité d’usinage donnée.
A partir des formalismes étudiés précédemment, nous proposons une adaptation des cartes de visites et une formalisation via l’ontologie MASON .

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Table des matières

Introduction
1. Chapitre 1 : Système de Production Reconfigurable 
1.1. Objectif
1.2. Système de production
1.3. Reconfigurabilité et Flexibilité
1.4. Technologies du RMS
1.5. Caractéristiques clé du RMS
1.6. Conception de la machine outil reconfigurable (RMT)
1.7. RMTs existantes
1.8. Bilan
2. Chapitre 2 : Formalisation du processus et structuration de conception d’un RMS 
2.1. Approches de conception
2.2. Cadre de conception pour un RMS utilisant l’approche AD et FBS avec le domaine de performance intégrée
2.3. Cadre de conception
2.4. L’ontologie de fabrication MASON – Support du processus de conception
2.5. Conclusion
3. Chapitre 3 : F-B-S transition : Génération des gammes de fabrication et configuration architectural du système de production
3.1. Méthodes de Conception
3.2. Méthodologie de conception et activités de conception
3.3. Génération des séquences d’usinage et des relations d’antériorités (A2)
3.4. Génération des gammes et des configurations cinématiques (Activité A3)
3.5. Discussion
3.6. Conclusion
4. Chapitre 4 : Une approche pour l’évaluation des solutions pour la conception d’un système de production reconfigurable
4.1. Evaluation
4.2. Simulation géométrique de processus d’usinage
4.3. Conclusion
5. Conclusion et perspectives

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