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N° d’ordre : H 441 Rapport de synthèse présenté à L’Université des Sciences et

N° d’ordre : H 441 Rapport de synthèse présenté à L’Université des Sciences et Technologie de Lille en vue d’obtenir L’Habilitation à Diriger des Recherches par Pierre-Jean BARRE Docteur en Automatique de L’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers COMMANDE ET ENTRAINEMENT DES MACHINES-OUTILS A DYNAMIQUE ÉLEVEE FORMALISMES ET APPLICATIONS Soutenue le 20 décembre 2004, devant le jury composé de : Christian VASSEUR Professeur à l’Université des Sciences et Technologies de Lille Président Pierre BORNE Professeur à l’Ecole Centrale de Lille Rapporteur Daniel BRUN PICARD Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers - CER d’Aix en Provence Rapporteur Hendrik VAN BRUSSEL Professor at the Faculty of engineering, Katholieke Universiteit Leuven - Belgium Rapporteur Geneviève DAUPHIN-TANGUY Professeur à l’Ecole Centrale de Lille Examinateur Jean-Jacques LESAGE Professeur à l’Ecole Normale Supérieure de Cachan Examinateur Patrick MARTIN Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers - CER de Metz Examinateur Jean-Paul HAUTIER Directeur de la recherche à l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers Directeur de recherche http://www.univ-lille1.fr/bustl H.D.R. de Pierre - Jean Barre, Lille 1, 2004 © 2005 Tous droits réservés. 3 Nom/Prénom : BARRE Pierre-Jean N° d’ordre : H 441 Titre : COMMANDE ET ENTRAINEMENT DES MACHINES-OUTILS A DYNAMIQUE ÉLEVEE FORMALISMES ET APPLICATIONS Résumé : Le thème de ce mémoire s’inscrit dans la problématique pluridisciplinaire que pose la commande des systèmes de positionnement à grande dynamique. La recherche de performances toujours plus élevées conduit ces systèmes à la limite de leurs possibilités technologiques et structurelles, invalidant de ce fait l’hypothèse classiquement retenue d’une dynamique d’ensemble assimilable à celle d’un corps rigide. Il s’ensuit que, dans le domaine de la machine-outil à dynamique élevée, la commande du système ne peut plus sous-estimer l’influence des phénomènes vibratoires sur la qualité du suivi de trajectoire. Il faut alors moduler les efforts moteurs afin de réaliser l’adéquation entre les caractéristiques intrinsèques au système et les critères de rapidité et de précision escomptés. L’objectif des travaux consiste à étudier et à valider les actions potentielles de la commande sur un système soumis à d’importants efforts dynamiques. Plusieurs axes de recherche ont été investigués. Ils s’articulent autour de deux techniques complémentaires : les asservissements et la planification de trajectoire. Dans ce mémoire, nous présentons une démarche de conception de structures de commande utilisant le concept de modèle inverse à partir d’un modèle Graphe Informationnel Causal de processus électromécanique. On aboutit à une forme générale dont les solutions dégradées ou simplifiées correspondent à des solutions connues par ailleurs. Depuis dix ans, des travaux de recherche ont été menés au sein du laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille (L2EP – EA 2697) et ont donné lieu à des sujets de thèse, des « transferts de technologie » et des expertises. Lors du contrat quadriennal 2002-2006, le laboratoire a déposé une demande de reconnaissance d’une Equipe de Recherche Technologique en associant alors d’autres partenaires pouvant compléter le champ des compétences nécessaires eu égard aux problématiques à traiter. Le groupe est actuellement composé d’acteurs du L2EP, du Laboratoire d’Automatique, Génie Informatique et Signal (LAGIS – UMR 8146) mais aussi d’un enseignant chercheur du Laboratoire de Mécanique de Lille (LML – UMR 1441). Depuis 2002, cette équipe est reconnue Equipe de Recherche Technologique (ERTint 1022) dont l’intitulé est : Commande et Entraînement de Machines-Outils à DYNamique Elevée (CEMODYNE). Afin de situer le travail proposé, la première partie du chapitre dédié à la recherche technologique fait un bref récapitulatif de la modélisation des structures mécaniques et des moteurs linéaires. La deuxième partie est consacrée à la formalisation d’une démarche de conception de structures de commande. Quelques applications sont développées et validées sur des prototypes industriels de systèmes mono-axe. La dernière partie présente des travaux sur le suivi de trajectoires simples. Soutenue le 20 décembre 2004 A l’ENSAM 8, Bd Louis XIV 59046 Lille H.D.R. de Pierre - Jean Barre, Lille 1, 2004 © 2005 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl 5 A Annick, Pierre-Antoine, Sophie-Caroline et Germain Pour avoir accepté mon manque de disponibilité tout au long de ces années A mes parents H.D.R. de Pierre - Jean Barre, Lille 1, 2004 © 2005 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl 7 Remerciements Je tiens tout d’abord à remercier le Professeur Jean-Paul HAUTIER, Directeur de la recherche à l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers et Directeur du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille (L2EP), d’avoir été mon directeur de recherche et d’avoir vraiment joué ce rôle par nos discussions scientifiques passionnées et ses encouragements. Sous son impulsion, j’ai eu la chance de mettre en place l’équipe de recherche « Commande et Entraînement de Machine-Outil à DYNamique Elevée » labellisée Equipe de Recherche Technologique ERTint 1022 en 2002. Le développement d’une nouvelle thématique à caractère transdisciplinaire est très enthousiasmant pour un enseignant/chercheur. Bien évidemment, l’aboutissement à des résultats notables est en partie dû à l’aide des membres des autres équipes (et plus particulièrement l’équipe MECOSYEL) mais aussi à ceux de l’équipe commande à l’origine des formalismes de représentation utilisés dans ce mémoire. Qu’ils en soient remerciés. Je tiens ensuite à exprimer mes plus vifs remerciements aux rapporteurs de ce mémoire, Pierre BORNE - Professeur à l’Ecole Centrale de Lille, Daniel BRUN-PICARD - Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers CER d’Aix en Provence et Hendrik VAN BRUSSEL - Professeur à l’Université Catholique de Leuven (Belgique), qui ont accordé une attention toute particulière à l’examen de mes travaux. Leurs observations furent l’objet de discussions enrichissantes et constructives. Je remercie Christian VASSEUR, Professeur à l’Université des Sciences et Technologies de Lille, d’avoir accepté de présider mon jury. Je remercie Geneviève DAUPHIN-TANGUY - Professeur à l’Ecole Centrale de Lille, Jean-Jacques LESAGE - Professeur à l’Ecole Normale Supérieure de Cachan et Patrick MARTIN - Professeur à l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers CER de Metz, d’avoir accepté d’examiner ce travail. Un tel travail n’aurait pas existé sans l’aide des membres de l’Equipe de Recherche Technologique « CEMODYNE ». Mes pensées se tournent plus particulièrement vers Eric DUMETZ mais aussi vers Philippe DEGOBERT, Jean-Yves DIEULOT et Jean-Luc MUNOZ. Je remercie également tous les étudiants qui ont participé de près ou de loin à la création et au développement de l’équipe. Mon travail normal d’encadrement a très souvent été une source de satisfaction et de plaisir. Je tiens à remercier plus particulièrement Richard, Ghislain, Yanis, Olivier, Maël, Jia, Denis, François, Ahmed, Hamou et Frédéric. Je n’oublie pas dans mes remerciements tous les personnels de l’ENSAM CER de Lille et plus particulièrement ceux du service EEA, qui ont contribué à la réussite matérielle et scientifique des travaux. Ils ont permis de mettre en place le contexte et la synergie indispensable dans toute Equipe de Recherche Technologique. Merci donc à Bernard, Dominique, Luc, Marc et Rodolphe. Je remercie enfin Jacques PAGGLIERO, Christian ROMBAUT et Michel VROMAN pour m’avoir incité, encouragé, …………. bref m’avoir motivé à rédiger ce mémoire. H.D.R. de Pierre - Jean Barre, Lille 1, 2004 © 2005 Tous droits réservés. http://www.univ-lille1.fr/bustl 9 Avant-propos Ce mémoire décrit une démarche naturelle et logique cherchant à synthétiser des travaux multiples sur les machines-outils, avec le même objectif : faire en sorte que cela « se passe mieux » grâce à la commande ! Tout d’abord, il faut dire que le choix du thème de recherche ne m’a aucunement été imposé. En effet, depuis que je suis enseignant, j’ai pu établir des liens étroits avec le monde de la machine-outil. En tant qu’utilisateur (enseignant au lycée scientifique et technique Baggio de Lille), le début de mes approches a été la recherche de meilleures performances en apportant des améliorations aux solutions existantes. Ensuite, une formation complémentaire au Brevet de Technicien Supérieur (BTS MO) a été mise en place en partenariat avec le syndicat de la Machine-Outil et de la Mécanique. Ma quête d’informations pour mieux comprendre les phénomènes m’a amené naturellement à rencontrer les acteurs de cette communauté (utilisateurs et concepteurs de machines-outils ainsi que fournisseurs de constituants). C’est Michel BERGEON, ingénieur à la direction technique de la société Schneider Electric NUM SA, qui m’a suggéré le sujet puis Marc LEGRAND, maître de conférences à l’ENSAM CER de Lille, qui m’a convaincu que ce travail pouvait faire l’objet d’une thèse. Le Professeur Jean-Paul HAUTIER a cru en ma thématique et a décidé de me faire confiance. Confiance, aide et accompagnement qu’il m’a toujours prodigués depuis plus de dix ans lorsque j’ai intégré le Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance de Lille, dans l’une de ses équipes ayant pour thème la Commande des Systèmes Electromécaniques. Qui n’a pas entendu (ou entendu dire !) que « la commande de chez X va plus vite que la commande de chez Y ». Il est vrai que si le temps est un critère important, le comportement vibratoire, la précision en suivi de trajectoire, l’énergie consommée, …sont des éléments d’appréciation tout aussi fondamentaux. Une question se pose alors : « quelle est la machine-outil idéale ? » ou « quel est le système usinant de demain ? ». Si tout le monde s’accorde à dire que la machine-outil du futur sera uploads/Science et Technologie/ pierrejean-barrehdr.pdf