Gamme d’appareils de mesure et capteurs

Dans cette partie, nous allons essayer de présenter des méthodes existantes permettant de valider les performances d’un produit grâce aux expérimentations notamment et aux simulations numériques. Dans la chaîne de fabrication d’un produit innovant, notre chapitre se situerait à la phase de validation du produit : il s’agit de vérifier que le système conçu remplisse bien les critères de conception attendu en début de process. L’enjeu de ce chapitre est alors de comprendre les principales méthodes permettant de valider la conception d’un produit. Les objectifs sont donc de maîtriser la différence entre expérimentation et simulation numérique dans la démarche d’amélioration d’un produit.

 

Présentation de la notion

Mesure de dimension et état de surface

Pour valider les performances d’un produit, il est souvent réalisé des expérimentations et des simulations numériques pour comparer théorie et réalité. Pour cela, il existe un grand nombre d’appareils de mesure et capteurs avec des précisions et utilisations différentes. Mais avant cela, voyons des principes de base.

 

Quelques définitions

Expérimentation : On entend par expérimentation l’action d’effectuer des mesures ou expériences sur un produit dans le but de valider un hypothèse. Dans notre cas, ces expérimentations ont pour objectif de vérifier le bon fonctionnement d’un produit par exemple.

Simulation numérique : On désigne par simulation numérique, un modèle numérique que l’on va créer pour simuler le comportement d’un produit réel créé. Contrairement aux expérimentations, cette fois-ci nous n’allons pas travailler directement sur le produit lui-même, mais comparer et confronter son comportement en condition réel avec une simulation numérique, un modèle créée qui se rapproche du comportement théorique, pour pouvoir vérifier et valider les performances du système.

Il existe plusieurs techniques permettant de vérifier et contrôler la qualité des états de surface d’une pièce. Ces contrôles sont essentiels et souvent réalisés pour pouvoir se rapprocher le plus possible des spécifications données par le bureau d’étude.

De manière plus générale, la mesure des états de surface fait appelle à la notion de métrologie qui correspond à la science de la mesure.

Cette science fait alors appel à un outillage qui peut être très complexe comme les techniques de filtrages, ou d’autres outils mécaniques comme des palpeurs tridimensionnel (Figure 1). Mais aussi l’usage d’outils de précision et plus simple à la manipulation est courant comme le pied à coulisse (Figure 2).

Bras de mesure 3D portable FARO

Figure 1 : Bras de mesure 3D portable FARO

Pied à coulisse

Figure 2 : Pied à coulisse

Ces outils sont donc utilisés comme expérimentations des pièces mécaniques. On arrive alors à mesurer la qualité d’une surface fabriquée et ainsi identifier les erreurs de mesure et prévoir leurs ordre de grandeur. Cette étape est très importante en pratique. 

Exemple

Considérons la fabrication de la cuirasse d’un moteur de voiture. Cette cuirasse fabriquée souvent en fonte a pour but d’accueillir le moteur de la voiture. Aujourd’hui, depuis l’air de Ford, ces pièces sont fabriquées à la chaîne en usine dont il est nécessaire de pouvoir valider leur bonne fabrication. Considérant le grand nombre de pièce, nous allons donc choisir un échantillon de cuirasse parmi la production globale pour effectuer les mesures de qualité d’état de surface. Par des théories de probabilités et de statistiques, les résultats obtenus sur cet échantillon sera représentatif de la production globale. 

Ainsi, en tenant compte de nos objectifs de fabrication concernant le niveau de qualité des états de surface de la pièce, si une certaine pièce ne passe pas le test des mesures, il faudra alors la retirer de la chaîne et elle ne pourra pas être utilisée pour une voiture car elle n’est pas fonctionnelle.

 

Mesure de mouvement et capteurs

Une autre catégorie d’appareils de mesures correspond aux capteurs permettant de mesurer et suivre le mouvement d’un système. On parle alors de capteur dynamique. Il existe un grand nombre de ces capteurs mais pour en citer quelques-uns nous pourrons retenir : les potentiomètres, les codeurs incrémentaux, génératrice tachymétrique etc…

Potentiomètre

Un potentiomètre est un capteur qui délivre un signal en fonction de la position. Il est constitué d’une résistance fixe et d’un curseur mobile.

Codeur incrémental

C’est un capteur qui délivre une information de déplacement angulaire d’un disque sous la forme d’un train d’impulsion. Autrement-dit on connaît le nombre de tour d’un arbre rotatif grâce à ce capteur :

codeur incrémental

C’est le nombre de fenêtre ainsi créés qui détermine la résolution (précision) du capteur. Il faut savoir que le codeur incrémental est un codeur relatif. C’est-à-dire qu’à l’allumage, on ne sait pas où l’on se situe, C’est pour cela qu’au début on commence systématiquement par faire une prise d’origine (le top zéro).

 

Génératrice tachymétrique

Cet élément délivre une tension proportionnelle à sa vitesse de rotation. On retrouve la génératrice tachymétrique pour la régulation de vitesse d’un moteur électrique notamment.

 

Simulation numérique

Le domaine de la simulation numérique est principalement basé sur l’utilisation d’ordinateur et de logiciel. Les simulations sont des outils très puissants pour pouvoir représenter le fonctionnement d’un système complexe. 

Différentes plateformes proposent des simulations numérique de qualité parmi lesquelles nous pouvons retenir notamment pour les calculs mécanique, dynamique et de mécanique des fluides: SolidWorks, OnShape, AutoCad…

Exemple

fabrication imprimante

Exemple création fabrication imprimante 3D sur OnShape

Comme on peut le voir sur la figure précédente, il est possible de modéliser des mécanismes entier sur ces logiciels. Ensuite, à partir de là, on peut modéliser le comportement mécanique des pièces, symboliser les efforts mécaniques pour pouvoir vérifier, en comparant à la réalité, que les pièces vont pouvoir tenir les efforts et ne pas se casser par exemple lors du fonctionnement. Si l’on constate que la pièce ne supporte pas un certain effort, on pourra ainsi changer le matériau de fabrication ou la géométrie du mécanisme, dans le processus de fabrication ce qui permet à l’ingénieur de gagner du temps et de l’argent car on aura réussi à valider les performances avant même la conception finale du produit.

 

Conclusion

Pour conclure, il existe un grand nombre d’appareils de mesure et de capteurs dans le monde industriel. Ces éléments sont essentiels à la conception d’un système car ils permettent de vérifier leurs bon fonctionnement aux attentes du concepteur. Ils sont de précision plus ou moins importante suivant la gamme de produit à tester et la précision souhaitée. Les simulations numériques sont aussi très importantes car elles permettent de valider les performances produites d’une manière très précise.