CONCEPTION ASSISTÉE PAR ORDINATEUR


CONCEPTION ASSISTÉE PAR ORDINATEUR
CONCEPTION ASSISTÉE PAR ORDINATEUR

La conception assistée par ordinateur, ou C.A.O., peut être considérée comme l’ensemble des aides informatiques aux bureaux d’études et aux bureaux des méthodes. Elle concerne donc le processus conception-fabrication depuis l’élaboration du cahier des charges jusqu’à la préparation des documents de fabrication. Le sigle C.F.A.O. (conception et fabrication assistées par ordinateur) remplace ainsi de plus en plus le sigle C.A.O., trop restrictif et souvent mal compris, d’autant que la C.A.O. trouve son prolongement dans l’automatisation de la fabrication, la robotique et la gestion de production.

Un système de C.A.O. comprend des matériels (ordinateurs, écrans...) et des logiciels (programmes de calculs, de gestion de données, etc.). À l’aide de ces moyens informatiques, les utilisateurs (concepteurs, dessinateurs, ingénieurs) vont essayer de résoudre un problème (conception d’un objet) en tenant compte des contraintes (de coûts, de délais de fabrication...).

Le processus de conception assistée se déroule donc sous la forme d’un dialogue entre l’homme et la machine. L’homme, avec son savoir-faire, ses capacités de synthèse, utilise au mieux les possibilités de la machine dans les domaines du calcul, de la manipulation d’information ou de la visualisation. La C.A.O. met ainsi à profit cette synergie entre les qualités respectives de l’homme et de la machine.

Ce processus s’appuie sur une représentation informatique de l’objet en cours de conception, le modèle, parfois appelé maquette virtuelle. Ce modèle permet de simuler des actions (calculs, cinématique...) sans avoir à fabriquer l’objet et facilite ainsi, à moindre coût, les modifications et les améliorations.

1. Les matériels pour la C.A.O.

Un système informatique de C.A.O. comprend au moins un calculateur et un certain nombre de moyens de communication entre l’homme et ce calculateur. Les calculateurs concernés vont du micro-ordinateur au gros ordinateur (le choix de leur puissance dépend de l’application); ils sont en général à vocation scientifique (virgule flottante câblée, etc.) et les moyens de mémorisation (sur disques, bandes...) doivent souvent être de grande capacité du fait de l’importance, en quantité, des informations manipulables (standards, études antérieures...). Hormis ces matériels classiques, un système de C.A.O. peut faire appel à des écrans graphiques, à des moyens de dialogue et à des traceurs.

Les écrans graphiques

Représentant l’aspect matériel le plus spectaculaire d’un système de C.A.O., les écrans graphiques ont pour but est de présenter une information graphique en vue de sa manipulation. Leurs caractéristiques essentielles sont liées à leur technologie.

L’information présentée sur l’écran doit être lisible par l’opérateur humain; c’est pourquoi elle doit être entretenue d’une manière ou d’une autre. Nous pouvons distinguer essentiellement deux types d’entretien: dynamique ou statique .

Dans le cas de l’entretien dynamique, une mémoire vive contient l’information à afficher, qui est interprétée pour l’affichage proprement dit. Le contenu de cette mémoire peut être soit synthétique, ce qui signifie qu’elle est constituée de primitives de haut niveau (segments, caractères...) et de moyens d’accéder à ces éléments, soit analytique, c’est-à-dire qu’elle ne contient que les informations sur l’état de chaque point de l’écran (intensité, couleur...) et ne donne aucun moyen de retrouver la façon dont elle a été construite.

Dans le type statique, l’entretien est fait directement au niveau du moyen d’affichage lui-même (phosphore). On peut considérer qu’au niveau le plus extrême le traceur sur papier est à entretien statique, puisque le papier conserve indéfiniment l’image sans avoir besoin d’être «rafraîchi».

Les principaux écrans graphiques utilisés en C.A.O. aujourd’hui sont les écrans à balayage cavalier et les écrans à balayage de trame.

Écrans à balayage cavalier

Un écran est dit à balayage cavalier lorsque le faisceau peut atteindre directement n’importe quel point adressable de l’écran et parcourir le segment de droite joignant un point adressable à un autre point adressable.

Ces écrans peuvent être soit à entretien dynamique, soit à entretien statique (tube mémoire), soit avec une partie statique et une partie dynamique comme dans des terminaux récents qui permettent ainsi de cumuler les avantages du tube mémoire (en particulier pour les images denses) et du rafraîchi (pour les parties dynamiques de l’image).

Écrans à balayage récurrent

Le dispositif de déviation est piloté pour faire parcourir au faisceau l’écran ligne par ligne – principe du balayage télévision – du haut vers le bas, en mode entrelacé ou non.

Écrans à cristaux liquides

Cette technique utilise un état de la matière dont les caractéristiques l’apparentent à la fois à l’état liquide et à l’état solide. L’écran est de structure plane et peut être de grande dimension. L’image est fixe et la consommation d’énergie est dérisoire.

Écrans à plasma

Cette technique utilise la luminescence d’un gaz ionisé. Une plaque de verre, percée de micro-alvéoles remplies de gaz, est prise entre deux plaques de verre, porteuses de deux réseaux de fils imprimés croisés, servant d’électrodes d’excitation. L’affichage peut être fait par adressage de points. Ces écrans, encore peu développés, ont l’intérêt de permettre la superposition à l’image dessinée d’une image projetée sur la surface de l’écran.

Écrans couleurs

Les écrans couleurs sont de deux types: à pénétration et à masque.

Dans le type à pénétration, le dispositif d’affichage est constitué de plusieurs couches de cristaux de luminescences différentes. La vitesse du faisceau détermine la pénétration des électrons dans ces couches, qui créent des émissions de lumières dont la coloration est liée aux couches de cristaux atteintes. Un seul canon est utilisé.

Dans les écrans couleurs à masque, trois substances luminescentes émettant de la lumière dans les couleurs primaires (rouge, vert, bleu) sont disposées en petits triangles. Trois canons sont affectés aux trois couleurs. Entre les canons et la surface de l’écran, une grille très fine (masque) permet d’adresser avec précision les canons aux taches qui leur sont affectées. Une couleur résulte de la combinaison des émissions de chaque tache dosée par chaque canon.

Les outils de dialogue

De multiples outils de dialogue sont utilisés avec les écrans graphiques actuels:

– Le photostyle (en forme de stylo) détecte le signal lumineux au passage du faisceau et le convertit en impulsion électrique, adressée à un processeur qui conserve les paramètres de guidage du faisceau et reconnaît l’élément en cours de tracé. Ce dispositif est très utilisé pour «désigner» un objet. Sa précision en récupération de coordonnées est très faible (réalisée en général par guidage d’une croix ou pointage dans un rideau de lettres).

– Le réticule est composé extérieurement de deux molettes permettant de guider une croix (ou deux lignes croisées). Les coordonnées du point sont connues directement par le dispositif de commande. Le codage du déplacement est fait à l’aide de deux potentiomètres.

– Le manche à balai ou la boule roulante , de fonctionnement équivalent à celui du réticule, en diffèrent par leur forme, donc par leur manipulation.

– Le doigt , dispositif peu précis et peu utilisé, permet de pointer directement sur l’écran ou sur une tablette avec un doigt.

– Les claviers peuvent être alphanumériques, c’est-à-dire identiques à celui d’une machine à écrire, ou de fonction; dans ce cas, une touche peut être associée soit à une fonction câblée (par exemple, un zoom), soit à un programme, de façon permanente ou momentanée.

– De petites tablettes à numériser peuvent être utilisées pour le dialogue (menus). Au stylo sur la tablette sera associée une croix (ou un symbole quelconque) sur l’écran.

Des tablettes qui peuvent être de très grande taille servent essentiellement à entrer des coordonnées. Elles se présentent sous la forme d’une planche à dessiner, et diverses techniques peuvent être employées (électromagnétique, acoustique...). Elles permettent de relever des coordonnées (X, Y) pour les tablettes bidimensionnelles, (X, Y, Z) pour les tablettes tridimensionnelles.

D’autres procédés peuvent être utilisés, en particulier pour la récupération de formes complexes (moires, laser...).

Les machines à dessiner

Elles peuvent être à plat, à rouleau ou à tambour. La technique de base peut être le déplacement dans plusieurs directions plume haute, plume basse, ou un balayage ligne par ligne (électrostatique). Les paramètres importants à prendre en compte sont les dimensions traitées, la précision et la vitesse (surtout pour les tables de technique plume haute, plume basse, puisque le temps de tracé dépendra de la complexité du dessin et de la vitesse de tracé, contrairement aux tables électrostatiques).

Les phototraceurs peuvent être considérés comme des machines à dessiner à plat destinées à faire du dessin sur des émulsions photographiques à partir d’une source de lumière très fine.

2. Les logiciels pour la C.A.O.

Le processus de conception doit être considéré comme un processus «informationnel», c’est-à-dire que des informations sont manipulées (modèles, mathématiques, etc., mis à part les maquettes physiques), contrairement au processus de fabrication, qui est un processus matériel et énergétique (mais qui devrait pouvoir également être modélisé).

L’aspect le plus important est la modélisation de l’objet (ou du processus) en cours de conception. Le modèle d’un objet est la représentation informatique de cet objet (contenant donc des informations géométriques, mais également technologiques). Le modèle n’est pas le seul ensemble d’informations qui doit être manipulé. Dans un système de C.F.A.O. intégré, les données concernent également les projets antérieurs, les capacités techniques de l’entreprise, etc.

Les actions qui doivent être accessibles durant tout le processus seront globalement de trois types:

– des gestions d’information ; l’information pourra être aussi bien le modèle que des plans terminés, etc.

– des actions d’interactions, tant en entrée (entrée de valeurs, désignation d’un objet...) qu’en sortie (visualisation d’une pièce mécanique avec élimination des parties cachées, résultat d’un calcul...);

– des calculs (cinématique, sur la géométrie, sur les structures...).

Les systèmes de gestion de base de données

Un système de gestion de base de données (S.G.B.D.) pour la C.A.O. doit permettre à divers programmes de mémoriser, de manipuler et d’extraire les caractéristiques et la structure d’objets conçus ou en cours de conception. Si l’on peut ainsi les rapprocher facilement des S.G.B.D. conçus pour la gestion, une différence fondamentale apparaît cependant à la première analyse.

Une base de données pour la C.F.A.O. est essentiellement dynamique, tant du point de vue des données que du point de vue de la structuration des informations. Les autres caractéristiques générales sont les suivantes:

– la structure des informations peut être très complexe;

– les informations contenues sont extrêmement variées (géométrie, topologie, données techniques...);

– l’intervenant sur la base de données est en général un concepteur (et non pas un administrateur de base de données), et le mode de travail est interactif;

– le taux de modification est très élevé, et le S.G.B.D. doit admettre parfois une certaine incohérence, dans le cas, par exemple, d’une recherche de solutions en parallèle.

Si certaines tentatives ont été faites pour utiliser des S.G.B.D. classiques ou pour respecter les normes d’accès, on ne peut affirmer que des S.G.B.D. généraux appliqués à la C.A.O. ont été développés. Dans la plupart des développements de systèmes de C.A.O., les auteurs de ces systèmes ont préféré réaliser des S.G.B.D. spécifiques bien adaptés à leur application et respectant ainsi des performances compatibles avec le mode de travail interactif. Signalons cependant la définition de S.G.B.D. spécialisés à certains domaines (chimie, cartographie...). Il s’agit de données communes à toute une profession qui peuvent être gérées de manière classique.

Les logiciels graphiques

Les logiciels graphiques pour la C.A.O. représentent la partie la plus visible et la plus spectaculaire d’un système. Rappelons tout d’abord que graphique et C.A.O. sont deux domaines ayant une partie commune, mais que, de même qu’il existe des systèmes de C.A.O. sans graphique, il existe des techniques graphiques hors C.A.O. (dessin artistique par exemple). Si la C.A.O. utilise des techniques graphiques, ces techniques ont souvent été développées en dehors d’elle, avec pour préoccupation essentielle la visualisation d’objets ou de formes.

Les logiciels graphiques utilisés en C.A.O. sont d’une grande variété en raison de la diversité des applications. Nous allons donc simplement définir de façon macroscopique quelques principes concernant des logiciels généraux accessibles aux utilisateurs.

La représentation d’objets du point de vue de leurs propriétés géométriques (et non pas fonctionnelles) est connue sous le terme de modélisation géométrique . Historiquement, la modélisation géométrique a découlé des premiers travaux faits dans le domaine graphique. Dès 1963, de nombreuses études portent sur la représentation graphique (les fondements de la plupart des algorithmes d’éliminations de parties cachées ont été découverts avant 1972), et des réalisations spécifiques, en particulier dans les domaines de l’aéronautique et de l’automobile, débouchent sur les représentations de surfaces (Coons, Bézier...).

À partir des années soixante-dix, les algorithmes sont améliorés, et des aspects tels que la commande numérique commencent à être bien maîtrisés. Les premiers systèmes de modélisation de solides font leur apparition. La modélisation des solides connaît un développement important dans l’industrie et des fonctionnalités spécifiques apparaissent dans ces modèles, essentiellement à cause de l’évolution des matériels (animation, couleur, etc.).

La modélisation géométrique est un aspect important de la C.F.A.O. En effet, c’est le point de départ de nombreuses autres fonctions, tant au niveau des études qu’au niveau de la fabrication. Par exemple, le modèle géométrique sera utilisé pour une modélisation par éléments finis pour la sortie de plans de fabrication ou pour créer les bandes de commande numérique.

Un modèle géométrique est généralement créé à partir de l’utilisation interactive d’un terminal graphique, ce qui pousse à une assimilation erronée entre l’image qui apparaît sur le terminal graphique et le modèle de l’objet. Le modèle géométrique d’un objet est la représentation informatique des formes et des dimensions de cet objet. Il est sans doute utile de remarquer qu’un modèle géométrique peut être créé sans terminal graphique, par exemple comme résultat de calculs.

La représentation bidimensionnelle est souvent mal adaptée pour un objet quelque peu complexe. Cette modélisation est cependant encore très souvent employée car elle est moins coûteuse et bien adaptée à de nombreux problèmes de l’industrie. Dans les techniques classiques (sans C.A.O.), le plan est utilisé, ce qui permet de représenter un objet sous plusieurs vues.

Lorsque l’objet est très complexe, des maquettes permettent de le représenter. Un modèle tridimensionnel a pour but la représentation virtuelle d’un objet dans ses trois dimensions. Parmi les travaux qui ont été menés dans ce domaine et parmi les logiciels opérationnels, il est possible de distinguer trois types de modèles tridimensionnels:

– le modèle «fil de fer»;

– le modèle «surface»;

– le modèle «solide» (ou «volumique»).

Le modèle «fil de fer» est historiquement le premier à avoir été mis en œuvre. Il ne conserve que les coordonnées (X, Y, Z) des sommets et les arêtes les joignant. Il est de toute évidence très ambigu.

Le modèle «surface» permet la définition de surfaces parfois très complexes. Cette possibilité a souvent été ajoutée à des modèles «fil de fer» pour définir les surfaces d’un objet qui ne peuvent pas être automatiquement déduites de ce modèle. Cependant, ce modèle hybride («fil de fer» + «surface») n’assure pas la non-ambiguïté de l’information (tel le fait que plusieurs surfaces déterminent ou non un volume).

Le modèle «solide» permet la représentation d’objets complexes en assurant la cohérence de l’information, par reconnaissance de la matière en particulier.

Un modèle géométrique est souvent performant pour modéliser un objet. Or, dans la plupart des cas (en mécanique, par exemple), il s’agit de modéliser un nombre très grand d’objets. Cela pose évidemment quelques problèmes : le nombre d’objets à manipuler influe fortement sur les performances de certains algorithmes, par exemple l’élimination des parties cachées, mais la contrainte essentielle se trouve au niveau de la gestion de données graphiques et non graphiques, par exemple pour gérer dans un assemblage la répartition statistique des chaînes de cote.

Les fonctions de calcul

L’un des aspects essentiels des systèmes de C.F.A.O. est l’aide qu’ils peuvent apporter au concepteur en lui permettant d’appliquer un certain nombre de fonctions sur le modèle. Cet aspect devrait, dans le cas idéal, être plus une aide à la conception qu’une vérification. L’importance des calculs a souvent imposé leur utilisation en temps différé, mais les nouvelles générations de calculateurs autorisent de grands espoirs sur leur utilisation en temps réel.

Les types de calculs utilisés sont de nature extrêmement différente; citons par exemple:

– les calculs simples d’aide à la conception qui sont utilisés en temps réel et qui sont essentiellement des aides au dialogue entre le concepteur et le modèle; il s’agit par exemple de calculs tels que distance entre deux droites, surface d’un contour, etc.;

– les calculs qui sont nécessaires sur le modèle géométrique pour remplir les fonctions de manipulation d’information graphique (entre autres les calculs de contraintes ou de transformations géométriques, les calculs de base comme les intersections de surfaces, les algorithmes d’élimination de parties cachées, etc.);

– les calculs de structure pour vérifier que telle ou telle contrainte est respectée;

– des calculs permettant de trouver une solution à un problème donné, soit exacte, soit approchée (par exemple le calcul du placement de pièces de bois rectangulaires dans un panneau rectangulaire);

– les simulations de fonctionnement, soit du produit conçu lui-même, soit des outillages (parcours d’un outil ou simulation de la gamme).

3. Les problèmes économiques

L’un des obstacles les plus importants à la diffusion de la C.A.O. dans l’ensemble du tissu industriel est la difficulté que l’on rencontre dans de nombreux cas à prouver la rentabilité d’un investissement qui peut se révéler important. Dans le coût global, il faut bien entendu compter les coûts du système de C.A.O. lui-même, mais également des coûts moins visibles, qui peuvent largement dépasser le coût du système, tels que les coûts qui sont liés à la formation des personnels, à la réorganisation de l’entreprise, à la prise en compte des études antérieures (il n’existe pas de moyen simple et rapide pour faire «digérer» à la machine les milliers de plans et de symboles traités par le bureau d’étude avant l’introduction de la C.A.O.), etc.

Il est possible cependant de dégager deux types de gains: des gains directs et des gains indirects.

Les gains directs sont obtenus dans les services utilisant la C.A.O., et ils s’évaluent essentiellement en gains de temps (faciles à dégager si des modifications fréquentes interviennent, si l’utilisation de symboles est courante...). Ces gains directs peuvent être très importants (le bureau d’étude va n fois plus vite; on a observé, par exemple, des réductions de délais de 30 à 7 mois dans la conception de formes en automobile; des gains en temps de 1 à 10, voire 15, sont courants dans des phases de développement impliquant de nombreuses modifications) ou négligeables, et parfois même négatifs dans la mesure où ils peuvent faciliter des gains indirects.

Les gains indirects sont des gains induits dans les autres services par l’utilisation de la C.A.O. Il peut s’agir de gains de marchés (la C.A.O. permettant des avant-projets parfaitement documentés dans un délai très bref), d’une meilleure conception du produit (la C.A.O. permettant d’analyser plusieurs solutions et de prendre en compte les contraintes liées à la fabrication), d’une fiabilité accrue dans la transmission d’informations, de gains par une fabrication moins coûteuse et de meilleure qualité (la définition numérique assurant la conservation de la précision et facilitant la mise en œuvre de procédés automatiques comme la commande numérique), etc. Des gains importants peuvent également être relevés par la suppression de certaines opérations, par exemple des opérations de traçage ou la suppression de gabarits.

4. Les problèmes sociaux

L’introduction de la C.A.O. dans les entreprises modifie, bien entendu, les conditions de travail, mais également l’organisation même de l’entreprise.

Les modifications des conditions de travail sont dues essentiellement à l’utilisation de terminaux graphiques et alphanumériques. Bien que des personnes motivées puissent travailler jusqu’à huit heures par jour sur un système de C.A.O., on recommande en général des sessions de durée plus courte (deux heures), à cause de la fatigue visuelle (due aux écrans) et nerveuse. Il est indéniable que le travail posté (deux équipes en général), qui a fait son apparition dans les bureaux d’études à cause du prix élevé des systèmes, peut provoquer certains problèmes sociaux. En revanche, peu de phénomènes de rejet psychologique ont marqué l’acquisition de systèmes de C.A.O. L’une des précautions à prendre pour éviter le rejet est d’impliquer ses utilisateurs finals dans le choix, puis dans l’implantation des systèmes. On observe alors très souvent un enthousiasme important de la part de ces «cobayes», qui se communique vite à la quasi-totalité des personnels des bureaux d’études et des bureaux des méthodes.

L’expérience prouve que l’un des plus gros problèmes auquel doit faire face une entreprise décidant d’implanter la C.A.O. concerne l’organisation. En effet, des modifications profondes vont intervenir, aussi bien dans les manipulations d’informations (par exemple, l’information correcte n’est plus un plan, mais ce qui est conservé dans la machine) que dans les relations entre services. Le service qui, dans l’avenir, sera le plus concerné par ces modifications est sans aucun doute le service méthodes, secteur clé entre la conception et la fabrication, trop souvent isolé et ne disposant, habituellement, que de très peu d’outils.

5. Les principaux domaines d’application

Longtemps, les entreprises qui ont fait appel à des techniques de C.A.O. l’ont fait pour résoudre des problèmes extrêmement difficiles ou impossibles à résoudre sans l’aide d’un calculateur. Elles ont donc, dans un premier temps, utilisé au mieux les capacités de calcul et de gestion d’informations.

La C.A.O. a été un passage obligé pour l’industrie électronique puisque, sans cette technique, la conception des produits électroniques actuels serait impossible (cf. infra ). La C.A.O. a été également, dans de très grosses entreprises, appliquée à la modélisation de surfaces complexes (industries automobile et aérospatiale).

La complexité des calculs a imposé l’utilisation de machines extrêmement coûteuses. L’apparition des matériels graphiques interactifs n’a pas réduit ce coût. La C.A.O. a ainsi été un domaine réservé à certaines grosses entreprises, d’autant que le manque d’outils logiciels sur le marché imposait la mise en place d’une équipe de concepteurs et de réalisateurs de systèmes de C.A.O.

Par la suite, un certain nombre de systèmes pour la C.A.O. ont été plus largement diffusés, soit sous forme de logiciels (qui peuvent être adaptés à des ordinateurs différents), soit sous forme de systèmes «clé en main» (mise en œuvre conjointe des matériels et des logiciels).

Qu’en est-il alors de l’utilisation de la C.A.O.?

Dans le domaine de l’électronique, la C.A.O. existe depuis longtemps pour des utilisations en conception et en fabrication de composants ou d’équipements avec: simulations logiques et analogiques, aides au dépannage, aides au placement et à l’implantation. Des projets importants sont en cours de réalisation, essentiellement au niveau de l’intégration des systèmes.

Dans le domaine de la mécanique, pris dans son sens large, un certain nombre d’outils a été mis à la disposition des entreprises. Qu’ils soient «clé en main» ou logiciels généraux, ces outils remplissent des fonctions de dessin. Ces outils ont aussi ajouté la vision dite «réaliste» des objets. Ils ont pourtant souvent tous péché par un manque de fonctionnalités utiles aux bureaux d’études (par exemple, la liaison avec la gestion des nomenclatures).

Les problèmes traités concernent:

– le dessin technique (dessin industriel); il s’agit des aides à la réalisation de plans, à la définition de familles de pièces, à des sorties de plans à différentes échelles (pouvant même aller jusqu’à la suppression de certains traçages à grande échelle), etc.;

– la définition de formes complexes (carrosserie de voiture, fuselage d’avion, coque de navire); comme cela a été dit précédemment, des outils ont vu le jour dans les grandes entreprises de l’aéronautique et de l’automobile, mais également chez certains architectes navals;

– la conception de mécanismes incluant des études cinématiques, comme des disjoncteurs;

– les calculs de résistance des matériaux (élasticité, calcul de structure...), d’aérodynamique;

– la conception d’outillages;

– les liaisons vers la commande numérique (C.N.), particulièrement après la conception de formes;

– l’optimisation de l’utilisation des matériaux (découpe de barres ou de tôles)...

Les professions de la mécanique touchées par la C.F.A.O. couvrent une palette très large allant de la machine à laver aux voitures ou aux avions, en passant par les matériels de chantiers (pelleteuses...), les roulements à billes, etc.

Les architectes (et toutes les professions du bâtiment) ont profité de l’apparition des micro-ordinateurs. En effet, leur prix très raisonnable et des logiciels résolvant au moins partiellement les problèmes des architectes ont permis une implantation de ces outils dans les bureaux d’études pour la conception de villas, d’immeubles ou de locaux à usage industriel à partir d’éléments standards (portes, fenêtres, cloisons...) allant du plan vers la gestion des chantiers, en passant par les sorties plus ou moins complètes des devis descriptifs et quantitatifs.

D’autres applications dans le domaine du bâtiment et de la voierie et des réseaux divers (V.R.D.) existent, par exemple:

– le tracé de route avec visualisation, mais également calculs de déblais et remblais, évaluations du gros œuvre;

– des calculs (calculs de structures, de charpentes...);

– des outils spécifiques pour les électriciens (schémas...), les chauffagistes (calculs, économies d’énergie...).

Certains meubles sont depuis peu conçus par ordinateur. Cela est surtout vrai pour des meubles constitués à partir de modules (kits par exemple). Des systèmes sur micro-ordinateur permettent de choisir une cuisine (à partir de perspectives au trait sur écrans graphiques) et de sortir automatiquement le devis en fonction du style, des éléments et de l’implantation choisis.

Le domaine de l’habillement utilise des aides informatiques pour des opérations ponctuelles telles que la gradation (opération qui permet d’obtenir plusieurs tailles à partir d’une taille donnée), le placement et la découpe. D’autres domaines tout aussi traditionnels sont étudiés, entre autres la chaussure, les coffrages en bois...

6. Perspectives

Les systèmes de C.A.O. ont considérablement évolué en l’espace de quelques années. Des images en couleurs de grande qualité peuvent être produites à l’aide d’un tel système. Des progrès importants (diminution des coûts, puissance, vitesse) apparaissent naturellement à travers l’évolution générale des matériels informatiques.

Des améliorations interviennent au niveau de l’interactivité, les interfaces homme-machine approchant de plus en plus les méthodes de communication naturelle de l’homme (commande vocale par exemple). Les systèmes sont également de moins en moins figés et s’adaptent aux problèmes particuliers liés à chaque entreprise.

Les systèmes de C.A.O. devraient bénéficier des techniques de l’intelligence artificielle, pour ne plus se contenter de réaliser des tâches répétitives, mais aider le concepteur dans les phases décisionnelles par une acquisition du savoir-faire.

Enfin, l’évolution la plus importante est l’intégration des systèmes de C.A.O. dans le processus de conception-fabrication. Les modèles prendront en compte l’ensemble des contraintes liées aux objets (géométriques, technologiques, mais également connaissance des moyens de fabrication pour minimiser les coûts...).

L’environnement industriel commence ainsi à s’appuyer sur les systèmes de C.F.A.O., et l’information correcte est celle qui est contenue dans ces systèmes (et non plus des plans). Véritable cœur du savoir-faire de l’entreprise, le système de C.A.O. devient un atout indispensable pour la compétitivité de l’entreprise et trouve un prolongement naturel vers les robots, les gammes automatiques, la commande numérique et la fabrication dans son ensemble.

7. Un domaine particulier: l’électronique

D’une manière générale, les produits industriels deviennent de plus en plus complexes alors que leur durée de vie sur le marché s’amenuise. Il faut donc concevoir et produire mieux et plus vite. L’utilisation d’outils informatiques permet de répondre à ces impératifs et c’est ainsi que des sigles comportant les mots «assisté par ordinateur» sont apparus dans tous les domaines (conception, gestion de production, ingénierie, publication... assistée par ordinateur). La notion de conception assistée par ordinateur (C.A.O.) est cependant mal définie. Dans ce chapitre, elle englobera tous les moyens matériels et logiciels qui sont à la disposition de l’ingénieur et du technicien pour concevoir un produit.

En fonction des domaines d’applications (mécanique, électronique, etc.), les besoins et, par conséquent, les outils sont différents. Nous nous limiterons ici au domaine de l’électronique, où les programmes de C.A.O. sont utilisés pour concevoir les circuits intégrés et les cartes imprimées.

Le cycle de conception

La nature des outils de C.A.O. utilisés dépend de la technologie qui permettra de réaliser le produit final (circuit intégré numérique, système analogique, composant hyperfréquences), mais leur utilisation nécessite dans tous les cas la mise en œuvre d’une méthodologie structurée à l’image de celle qui est adoptée en informatique. Nous allons essayer d’en exposer les grands principes.

Le concepteur d’un système électronique constitue l’intermédiaire entre le commanditaire et le fabricant du produit. Le point de départ de toute conception est un cahier des charges traduisant une description fonctionnelle du système à concevoir, description plus ou moins abstraite et plus ou moins définie. À partir de ces informations, le concepteur doit élaborer et fournir au fabricant l’ensemble des données nécessaires à l’industrialisation du produit (description du produit final – schémas, plan d’équipement, masques de circuits intégrés, etc. –, vecteurs de test, documentation pour l’utilisateur et la maintenance).

Quelle que soit la technologie utilisée pour la réalisation du produit, le cycle de conception peut être décomposé selon les étapes représentées dans la figure 1. Ce cycle est constitué d’une phase de synthèse du système à concevoir et d’une phase de validation du produit obtenu.

La synthèse d’un système électronique consiste à passer progressivement d’une description fonctionnelle à une description structurale et topologique en effectuant des choix parmi des primitives (composants électroniques) plus ou moins complexes (transistor, macrocomposant, fonction logique, etc.) et parmi des structures d’assemblage de ces primitives. L’interconnexion des composants étant établie, il faut ensuite définir leurs caractéristiques et les implanter sur une carte imprimée ou sur une plaquette de silicium. Pour que le résultat final soit industrialisable, les contraintes de testabilité et de fiabilité doivent être prises en compte le plus tôt possible.

Le concepteur est amené à gérer des niveaux différents de représentation de l’information et du système de traitement (niveaux sémantique, logique, électrique, topologique, etc.) et une complexité se traduisant par un volume de données important. L’adoption d’une méthodologie de conception descendante consistant à partir du niveau d’abstraction le plus élevé et à décomposer progressivement le système à concevoir en blocs fonctionnels de plus en plus simples mais de plus en plus nombreux permet de décorréler les problèmes et de répartir le travail de conception entre les différents membres d’une équipe. La validation systématique de chaque étape de cette décomposition progressive permet d’éliminer les solutions erronées ou peu performantes le plus tôt possible, et contribue à réduire le temps de cycle et à augmenter la qualité de la conception.

À partir de la représentation finale du produit effectivement conçu, il faut enfin mener une phase de validation destinée à éliminer d’éventuelles erreurs et à évaluer l’influence des éléments parasites. Contrairement à la synthèse, cette démarche est ascendante. Les performances de chaque bloc élémentaire sont étudiées finement en prenant en compte toutes les imperfections physiques des composants grâce à la mise en œuvre de modèles très complexes. Cette étude conduit à une modélisation globale de l’influence des éléments parasites sur l’information ou sur le signal traités. En remontant ainsi dans l’arbre de description structurale, on obtient une caractérisation du système effectivement conçu, caractérisation que l’on peut comparer aux spécifications initiales.

Les outils

L’utilisation de logiciels de C.A.O. nécessite une puissance de calcul importante et une forte interactivité graphique qui exigeaient initialement la connexion à un centre de calcul centralisé. Les progrès du matériel informatique ont suscité l’apparition de stations de travail (workstations ). Ces micro- ou mini-ordinateurs sont dotés d’une grande puissance de traitement, d’une mémoire de masse importante, d’un écran graphique à haute résolution et de périphériques d’entrées-sorties («souris», tablette à numériser, etc.) pour améliorer le confort d’utilisation et le dialogue homme-machine (utilisation accrue de la souris, de menus déroulants – pop-up menus – minimisant les saisies alphanumériques des commandes, etc.).

D’un point de vue logiciel, le développement des programmes de C.A.O. a connu deux étapes. Dans un premier temps, des programmes spécifiques ont été développés, généralement par des utilisateurs, pour résoudre une étape particulière de la chaîne de conception. Dans un second temps, on a assisté à la naissance de systèmes de C.A.O. intégrés articulés autour d’une base de données commune (fig. 2). Compte tenu du nombre de logiciels qui existent sur le marché pour résoudre des problèmes parfois spécifiques (conception de filtres, de circuits spéciaux tels que les réseaux logiques programmables, etc.) nous nous limiterons à l’étude d’une chaîne de conception assistée par ordinateur de cartes imprimées ou de circuits intégrés composée d’éditeurs graphiques de schémas et de symboles, de logiciels de validation (simulateurs) et d’implantation.

Les bibliothèques de composants

La base de données est constituée par l’ensemble des données structurales, fonctionnelles, topologiques et graphiques relatives aux différents blocs fonctionnels déjà décrits. Cette possibilité de stockage de sous-ensembles dans des bibliothèques de composants accentue l’intérêt d’une description hiérarchisée. Les éléments de bibliothèque peuvent être des modules créés par l’utilisateur ou bien des composants standards (séries de circuits logiques M.S.I. telles que les 74xx , les familles de microprocesseurs, les éléments de réseau prédiffusé, etc.). Les bibliothèques développées par le concepteur du logiciel et validées par ses soins sont d’un intérêt primordial pour la plupart des concepteurs de circuits électroniques (circuits intégrés V.L.S.I. dessinés au micromètre, ou full-custom , exceptés). En effet, l’élaboration des données graphiques, fonctionnelles et topologiques d’une famille de composants et leur validation demandent un investissement très important. La qualité des bibliothèques est donc aussi importante que les performances intrinsèques des logiciels de C.A.O.

Les éditeurs de schémas et de symboles

Les logiciels de saisie de schémas jouent un rôle fondamental dans la gestion des données et constituent à ce titre le cœur de tout système intégré. À l’aide d’une souris, l’utilisateur peut définir des symboles et les associer sur l’écran graphique pour dessiner des schémas comme il le ferait à la main. La définition, pour un même bloc fonctionnel, d’une représentation externe et fonctionnelle (symbole) et d’une représentation interne et structurale (schéma) permet une gestion performante de la notion de hiérarchie et une réelle conception descendante (fig. 3). Cette description structurelle hiérarchisée constitue une ossature sur laquelle sont insérées les différentes données fonctionnelles ou topologiques élaborées dans la suite du processus de conception. Lors de la phase de validation, en particulier, ces dernières sont actualisées pour tenir compte de l’influence des éléments parasites. On parle alors de rétro-annotation de la base de données.

Les simulateurs

Un simulateur est un programme informatique qui permet d’étudier le comportement d’un modèle du système à concevoir. Il s’agit donc d’un outil de validation. À partir de la description structurelle et fonctionnelle du système à simuler et des stimuli à appliquer sur ses entrées, le programme calcule l’évolution du modèle et fournit à l’utilisateur des résultats traduisant l’activité du système. Une étude sur simulateur peut donc en particulier remplacer l’expérimentation sur maquette. Cependant, la crédibilité des résultats dépend fortement de la qualité du modèle soumis au simulateur. L’utilisateur doit donc posséder des connaissances approfondies du fonctionnement des systèmes qu’il simule pour pouvoir apprécier les limites d’exploitation des résultats qui lui sont délivrés par le calculateur. En fonction du niveau d’abstraction de l’information traitée, on distingue plusieurs types de simulations (logique, fonctionnelle, de fautes, électrique).

Simulation logique et fonctionnelle . Le développement de systèmes numériques complexes tels que les microprocesseurs a suscité l’apparition de logiciels de simulation permettant la validation des systèmes logiques. La difficulté principale à surmonter lors de la mise en œuvre d’un tel simulateur est constituée par la modélisation du système à étudier, qui doit satisfaire à deux contraintes antinomiques: être à la fois le plus précise possible pour obtenir un résultat reflétant au mieux la réalité, et le plus simple possible pour minimiser le volume des calculs. L’usage de la simulation dès les premières étapes de la conception (niveau architecturel) demande des primitives de description complexes assurant la gestion de niveaux d’abstraction de l’information numérique traitée très différents. Les logiciels actuels permettent couramment d’étudier la sémantique des signaux numériques traités et l’influence du codage booléen (représentation en binaire), ou de prendre en compte de manière globale des phénomènes d’origine électrique (filtrage d’impulsions, aléas) en complétant la logique booléenne (0,1) par des états pseudo-booléens traduisant les indéterminations (état X) ou les transitions non idéales. La diversité des primitives de description conditionne la souplesse d’emploi du simulateur. Pour traduire la structure physique du système qu’il désire étudier, le concepteur dispose de primitives de description structurale qui sont constituées par les éléments de base (portes, bascules, etc.), dont le comportement logico-temporel est défini au sein du logiciel et par des sous-ensembles déjà décrits et stockés en bibliothèque. Dans les logiciels les plus élaborés, des primitives de description fonctionnelle mettant en œuvre un langage de description comportementale spécialisé permettent de décrire de manière externe l’évolution logico-temporelle de composants très complexes. Cependant, la modélisation de ces derniers est parfois critique. Cette difficulté peut être contournée par la mise en œuvre d’un système de modélisation câblée. Cette solution a été développée récemment sur les stations de travail et permet d’intégrer au simulateur les avantages de la réalisation sur maquette. Grâce à un système complexe dont la structure est voisine de celle d’un testeur et à un environnement logiciel approprié, le composant à modéliser est utilisé à la place d’un sous-programme le décrivant. Il est stimulé par le simulateur et retourne à ce dernier les réponses correspondantes.

Simulation de fautes . La génération des vecteurs de test consiste à définir un jeu de stimuli permettant la détection des défauts susceptibles d’affecter le bon fonctionnement du système à étudier. Une étude exhaustive de tous les défauts possibles est impossible et on se limite généralement à un ensemble de défauts dont la manifestation logique peut être traduite par un collage d’une connexion du système à l’état 0 ou à l’état 1. On adopte une modélisation à base de faute (manifestation logique d’un défaut physique) qui permet de traiter les défauts les plus probables tout en restant indépendant de la technologie utilisée. L’élaboration proprement dite des stimuli utilisés pour le test peut être facilitée en utilisant des logiciels de génération automatique (Automatic Test Pattern Generation ) ou en améliorant la testabilité du circuit. Pour évaluer la couverture des vecteurs de test, on peut utiliser la simulation logique sous une forme particulière, la simulation de fautes. Une séquence de vecteurs de test permet de détecter une faute donnée si la réponse du circuit comportant cette faute diffère de celle du circuit supposé bon. À partir du circuit de référence, on peut définir un ensemble de circuits défectueux en y injectant une faute modélisable par un collage. La simulation de fautes consiste à simuler cet ensemble de circuits défectueux et à déterminer si leur réponse respective aux stimuli à valider diffère de celle du circuit supposé bon. On détermine alors si les fautes associées sont détectées par la séquence de test.

Simulation électrique . Un simulateur électrique permet de calculer l’évolution des courants et des tensions à l’intérieur d’un circuit décrit sous forme d’une association de composants électroniques (résistances, transistors, etc.). En utilisant des analogies, on peut étendre son domaine d’application à des systèmes non électriques (mécaniques, thermiques, etc.).

Pour des raisons pratiques (coût et temps de calcul, par exemple), la complexité de cette description sructurale est limitée à une centaine de composants. Compte tenu de la complexité des modèles mis en œuvre, la description du comportement électrique des composants élémentaires est généralement intégrée au simulateur. L’utilisateur doit alors caractériser les composants qu’il souhaite étudier en donnant les valeurs correspondant aux différents paramètres intervenant dans les équations du modèle et caractérisant le composant à étudier.

Les principaux régimes d’étude sont le régime continu, le régime transitoire, le régime alternatif. À chaque régime d’étude correspond un mode de calcul différent. En régime continu , on cherche à déterminer l’état d’équilibre du circuit lorsque les sources de signal d’entrée sont maintenues constantes. On peut alors obtenir des informations concernant la polarisation statique du circuit, ou un état initial pour effectuer une simulation en régime transitoire. L’étude en régime transitoire permet d’obtenir l’évolution en fonction du temps d’un circuit excité par des sources variables ou fixes à partir d’un état initial obtenu par une étude en régime continu ou transitoire. En régime alternatif (appelé également régime harmonique), on détermine la réponse en amplitude et en phase du circuit linéaire autour d’un point de fonctionnement et excité par des signaux sinusoïdaux de même fréquence.

Une mise en forme appropriée des résultats permet d’extraire des informations relatives aux sensibilités à l’égard d’un paramètre, du bruit, de la distorsion, etc.

Les logiciels d’implantation

La phase d’implantation constitue une des étapes les plus fastidieuses du cycle de conception. Elle consiste à positionner les différents composants élémentaires (boîtiers logiques, transistors, etc.) sur une carte imprimée ou sur une plaquette de silicium (placement) et à les interconnecter conformément au schéma (routage). De nombreux logiciels ont été élaborés pour tenter d’automatiser cette tâche.

Les programmes de placement-routage automatique permettent une saisie graphique des différentes données topologiques (forme des composants, position de leurs points d’accès, forme du support d’implantation, etc.). Ils assurent l’affectation d’un composant physique à chaque bloc fonctionnel élémentaire intervenant dans le schéma de référence. Des algorithmes de placementroutage permettent d’effectuer une grande partie de l’implantation sans intervention humaine. Cependant, malgré le degré de sophistication atteint par ces programmes, l’utilisateur doit souvent modifier le placement proposé par le calculateur et terminer le routage des connexions les plus critiques à l’aide d’un éditeur graphique. Lors de cette intervention manuelle, le logiciel contrôle généralement la conformité de l’implantation par rapport au schéma de référence.

L’implantation de circuits intégrés précaractérisés ou prédiffusés nécessite l’utilisation d’outils de placement – routage de nature voisine de ceux qui sont utilisés en circuit imprimé. Le concepteur de circuits intégrés dessinés au micromètre (circuits intégrés dits full-custom ) souhaite optimiser au mieux le placement et le routage des composants élémentaires. Il doit alors utiliser un éditeur graphique pour effectuer la saisie du dessin des masques de fabrication du circuit.

Pour détecter les éventuelles erreurs d’implantation, des logiciels spécialisés (Design Rules Checkers ) permettent une vérification automatique des règles de dessin imposées par la technologie utilisée. Le concepteur peut alors les corriger en utilisant l’éditeur de masques et réitérer la vérification jusqu’à l’élimination de toutes les erreurs.

L’utilisation d’un extracteur de schéma permet, à partir de la représentation informatique des masques de fabrication, d’obtenir une représentation du schéma effectivement implanté et d’en vérifier la conformité avec le schéma de référence qui a été validé lors de la phase de synthèse. À partir de ce nouveau schéma, il peut évaluer automatiquement les éléments parasites, les introduire dans la base de données (rétro-annotation) et effectuer des simulations complémentaires pour en évaluer l’importance et estimer les performances du circuit effectivement implanté.

Les compilateurs de silicium

Les travaux de recherche s’orientent vers l’élaboration de compilateurs de silicium. À l’image de leurs homologues informatiques capables de générer un code binaire à partir d’un langage de haut niveau, ces logiciels de C.A.O. sont destinés à fournir une description des masques de fabrication du circuit à partir d’une description fonctionnelle de haut niveau. On regroupe sous l’appellation «compilateur de silicium» un ensemble de programmes destinés à automatiser toutes les tâches de synthèse et d’implantation qui peuvent l’être et à assurer la gestion du processus et des données de conception; il permet de décrire un circuit intégré V.L.S.I. On y trouve en particulier des compilateurs de structures paramétrables (P.L.A., R.A.M., R.O.M., ...) et des compilateurs de cellules élémentaires qui, à partir du schéma en transistors et de contraintes d’implantation, fournissent le dessin des masques de la cellule.

L’utilisation d’outils de C.A.O., impérative pour concevoir des circuits intégrés, a conduit à l’élaboration d’une méthodologie de conception structurée dont le domaine d’application s’étend à l’ensemble des systèmes électroniques. Promus par l’apparition de stations de travail performantes, les logiciels de C.A.O. font désormais partie de l’environnement de l’électronicien. La structure des chaînes de C.A.O. articulées autour d’une base de données unique permet d’intégrer des programmes dont le domaine dépasse celui de l’électronique, de prendre en compte les aspects thermiques et mécaniques et d’effectuer une étude exhaustive du produit à élaborer.

Conception assistée par ordinateur ensemble des techniques informatiques utilisables dans le processus de conception d'un produit nouveau.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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