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Sujet de Thèse : Méthodologie d’élaboration d’un bilan de santé (performance et dégradation) de machines de production pour aider à la décision en exploitation : application à un centre d’usinage
Dates : 2015/09/15 - 2018/09/29
Etudiant : Thomas LALOIX
Directeur(s) CRAN : Benoît IUNG , Alexandre VOISIN
Description : Méthodologie d’élaboration d’un bilan de santé (performance et dégradation) de machines de production pour aider à la décision en exploitation : application à un centre d’usinage à partir de la surveillance des composants de sa cinématique

La modernisation des systèmes industriels de production est un défi majeur d’innovation argumenté dans le plan industriel « Usine du futur ». Un de ces axes d’innovation est relatif au Maintien en Conditions Opérationnelles (MCO) de ces systèmes tel que préconisé par le PHM (Pronostics and Health Management) . Le PHM étend la notion de maintenance prévisionnelle par l’optimisation de la maintenance et la logistique de soutien afin d’accroître la disponibilité opérationnelle et réduire le coût global de possession tout en augmentant l’espérance de vie des systèmes. La maintenance prévisionnelle est à considérer comme une extension de la maintenance conditionnelle (CBM) où, au suivi des paramètres significatifs construits sur des grandeurs instrumentées, est intégré un pronostic pour favoriser une logique anticipative. Le PHM se construit sur des processus clés de surveillance/diagnostic, de bilan de santé, de pronostic et aide à la décision pour caractériser les dérives de fonctionnement d’un système et anticiper les défaillances au plus juste. Il s’agit donc pour la mise en œuvre de la maintenance de passer d'une vue technique, de niveau composant et majoritairement focalisée sur la fiabilité (durée de vie), à une vue intégrant technique – fonctions – performances, orientée sur la dégradation et son évolution jusqu’à un niveau système dans son contexte opérationnel. La problématique majeure est ainsi de systématiser cette évolution en proposant des méthodologies support au déploiement des processus du PHM sur les niveaux composants/système. La valeur ajoutée significative de cette évolution est d’offrir à un décideur métier (conduite, maintenance…) des indicateurs/indexes clés représentatifs des performances du niveau adressé (ex. composant, système) et de sa fonction métier en y intégrant la contextualisation de la machine (ex. environnement, mode de fonctionnement, charge …).
Cette évolution vers une maintenance CBM puis prévisionnelle est considérée à ce jour chez RENAULT comme un axe majeur d’innovation faisant partie de ses cinquante domaines d’expertise stratégique. Plus précisément, une étude interne sur des moyens critiques de production (machine-outil type C.U.) a montré l’existence de dégradation de niveau composant machine ayant un impact majeur sur la qualité du produit usiné sans que la maintenance systématique ait pu y apporter une solution. Ainsi, au-delà de la modification du plan de maintenance de ces moyens, RENAULT cherche à « passer un cap » en voulant mettre en place une maintenance prévisionnelle de type PHM. A terme, l’objectif est donc de disposer d’une méthodologie d’élaboration d’un bilan de santé d’un moyen d’usinage pour favoriser son autodiagnostic à partir d’une surveillance des composants mécaniques et électromécaniques des unités de guidage (linéaire ou rotatifs). Cette méthodologie se doit d’être générique (portabilité à l’ensemble des moyens critiques des usines de montage véhicules) en prenant en considération une vision système s’appuyant sur le moyen de production dans son ensemble mais aussi le produit fabriqué. Le développement de cette méthodologie générique soulève deux défis majeurs en lien avec des solutions PHM :
- Identifier les indicateurs/indexes reflétant l’état de santé de la machine et nécessaires à la prise de décision potentiellement multi-métiers (ex. conduite, maintenance). Cet aspect multi-métier doit adresser plusieurs niveaux puisque les actions potentielles en fonction du métier sont différentes (par exemple la maintenance intervient sur le composant alors que la conduite intervient sur la machine pour garantir la conformité du produit).
- Formaliser les relations entre les différents niveaux pour fournir les indicateurs/indexes demandés en sachant que l’instrumentation support au monitoring de données est généralement de niveau composant ou produit/système (mais pas sur les niveaux intermédiaires).

L’objectif de la thèse est donc clairement de s’attaquer à ces deux défis en déployant une méthodologie d’élaboration de solution PHM pour l’aide à la décision en exploitation sur des moyens d’usinage. Ce déploiement doit se construire à la fois sur la formalisation des fondements de cette méthodologie mais aussi sur son outillage pour pouvoir l’appliquer.
Sur ce dernier point et en cohérence avec le contexte expérimental RENAULT attendu, un focus particulier est à considérer pour cette méthodologie, sur l’application « centre d’usinage » avec surveillance des composants de sa cinématique. Ceci doit se traduire par un livrable en fin de thèse sous la forme d’un prototype opérationnel de solution PHM qui à partir de ces données de surveillance sera capable, par exécution des algorithmes des processus PHM intégrés dans la solution, de fournir le tableau de bord d’aide à la décision.
Cette aide à la décision nécessitera, à travers la méthodologie, la mise en place d’un bilan de santé de la machine afin d’assurer sa surveillance voire son pronostic. L’aspect bilan de santé intègrera d’une part un aspect hiérarchique (composant, sous-systèmes, système) afin de faire le lien entre les dégradations des composants et la performance de la machine, et d’autre part, les conditions opérationnelles changeantes (par exemple produit fabriqué, matériaux usinés…) pour fiabiliser le calcul des indicateurs.

La roadmap identifiée pour cette thèse est :
1. Investigation sur les problématiques industrielle et scientifique
a. besoins, problèmes et exigences du coté industriel en lien avec l’applicatif des C.U. visés.
b. Généralisation de ces besoins et problèmes au sur-ensemble machine-outil
c. Appréhender la discipline scientifique PHM
2. Etat de l’art – bibliographie
3. Propositions pour attaquer les verrous identifiés
a. Propositions sur la formalisation des indicateurs/indexes et mécanismes de calcul intégrant de la contextualisation.
b. Propositions sur l’interopération/l’agrégation des processus
c. Propositions sur la surveillance des composants
4. Outiller la méthodologie et élaboration d’un prototype
5. Validation des propositions par expérimentation
Mots clés : Maintenance prévisionnelle, PHM, Bilan de santé, Centre d'usinage
Conditions : Le financement de la thèse est un financement de type CIFRE (demande ANRT) pour un début prévu premier semestre 2015. Le doctorant sera localisé majoritairement chez RENAULT et plus spécifiquement sur le site industriel de Cléon (76), avec des visites prévues au Technocentre (78) ; des séjours au CRAN seront également planifiés pour faire progresser plus l’aspect scientifique et remplir les obligations demandées par l’école doctorale (ex. modules de formation à suivre ; présentation à faire en 1A, 2A et 3A ; comité de suivi de thèse…).

Le tuteur industriel chez RENAULT sera M. Eric Romagne ; les tuteurs scientifiques au CRAN seront Benoît Iung et Alexandre Voisin.
Département(s) :
Ingénierie des Systèmes Eco-Techniques
Financement : CIFRE RENAULT