Conception mécanique (SolidWorks)
Étude des besoins mécaniques, présentation de SolidWorks, pièces modélisées et apport du modèle 3D à l'intégration.
Conception mécanique et modélisation 3D
La réalisation du jeu de type Asteroids ne se limite pas à l'électronique et au logiciel embarqué : pour obtenir un objet manipulable et fiable, il faut un support physique qui maintienne l'ensemble des organes du système. Le binôme a donc mené en parallèle une étude de conception mécanique sous SolidWorks, afin de modéliser en trois dimensions les pièces de structure nécessaires. Cette partie décrit la démarche suivie et le rôle des pièces conçues.
Les trois fichiers SolidWorks d'origine (ecran.SLDPRT, Piece2.SLDPRT, Piece3.SLDPRT) sont enregistrés dans un format propriétaire chiffré qui n'a pas pu être relu automatiquement. Les dimensions exactes des pièces n'ont donc pas pu être extraites du modèle. Le présent chapitre décrit par conséquent la démarche de conception et le rôle de chaque pièce, sans avancer de cotes précises. Chaque fois qu'une valeur dimensionnelle serait attendue, la mention (cotes à confirmer sur le modèle) est portée explicitement.
Étude préliminaire et besoins mécaniques
Avant toute modélisation, il convient d'identifier les contraintes que la structure doit satisfaire. Ces besoins découlent directement des composants utilisés dans le projet et des conditions d'utilisation du jeu.
Le premier besoin est le positionnement et le maintien de l'écran TFT ILI9488. Cet écran de 480x320 pixels en mode paysage constitue la surface de jeu visible par le joueur : il doit être tenu fermement, bien à plat et à la verticale, pour rester lisible et éviter tout porte-à-faux qui solliciterait les soudures de la nappe de connexion. L'écran ne dispose que de huit bornes utilisées au dos (VCC, GND, SCLK, MOSI, MISO, CS, RES, DC, soit les bornes 1 à 8 du module), les cinq autres (BKL, SCL, SDA, INT, SDCS) restant inutilisées : le support doit donc préserver l'accès à ces bornes et ménager le passage des fils vers la carte du microcontrôleur.
Le deuxième besoin est la protection des circuits. Le système comporte plusieurs cartes à composants fragiles : la carte de la manette portant le PIC16F18877 (boîtier 40 broches PDIP) et la carte son réalisée sous KiCad (PCB double face de 45 mm x 45 mm, composants traversants). Ces circuits, leurs soudures et leurs connecteurs doivent être protégés des chocs et des contacts accidentels.
Le troisième besoin concerne l'organisation du passage des câbles. Entre l'écran, la carte de commande et la carte son circulent de nombreuses liaisons : le bus SPI vers l'écran (SCK sur RC3, MOSI sur RC5, CS sur RC0, DC sur RC2, RST sur RC1), les deux axes analogiques du joystick (axe X sur RC7, axe Y sur RC6), les lignes des boutons poussoirs et le signal audio issu de la broche RA6 (sortie du NCO1) vers l'entrée Audio_In de la carte son. Un cheminement ordonné évite les tractions sur les connecteurs et les courts-circuits.
Le quatrième besoin est l'accessibilité des organes de commande : le joystick analogique à deux axes et les boutons poussoirs (BTN_B = TIR sur RD6, BTN_C = JOUER/RETOUR/MENU sur RD5, BTN_D = REGLAGES sur RD4) doivent rester atteignables et confortables à actionner, sans gêner la lecture de l'écran. Le support mécanique conditionne donc directement l'ergonomie du jeu.
Présentation de SolidWorks
SolidWorks est un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) en trois dimensions, de type paramétrique. Le principe paramétrique signifie que la géométrie est pilotée par des cotes et des relations : on dessine d'abord une esquisse (un profil en deux dimensions) sur un plan, puis on la cote (longueurs, diamètres, angles) et on lui impose des contraintes géométriques (parallélisme, tangence, coïncidence, symétrie). Modifier une cote met automatiquement à jour toute la pièce, ce qui rend la conception souple et réversible.
À partir de ces esquisses cotées, on crée le volume par des fonctions : principalement l'extrusion (on donne une épaisseur à un profil pour obtenir un solide), mais aussi l'enlèvement de matière (perçages, poches), les congés et les chanfreins. Chaque fonction s'inscrit dans un arbre de création qui conserve l'historique paramétré de la pièce : on peut revenir sur n'importe quelle étape sans tout recommencer. Plusieurs pièces indépendantes sont ensuite regroupées dans un assemblage, où elles sont positionnées les unes par rapport aux autres au moyen de contraintes (coïncidence de faces, alignement d'axes, distances imposées). L'assemblage permet de vérifier que les pièces s'emboîtent correctement et de détecter d'éventuelles interférences. Ce flux de travail (esquisse cotée, fonction volumique, assemblage contraint) structure l'ensemble de la conception mécanique du projet, et offre un parallèle intéressant avec la démarche logicielle : dans les deux cas, on construit à partir d'éléments paramétrés et réutilisables plutôt que de valeurs figées.
Le flux paramétrique - esquisse cotée, fonction volumique puis assemblage contraint - fait écho à la démarche logicielle du projet : on construit à partir d'éléments paramétrés et réutilisables plutôt que de valeurs figées.
Les pièces modélisées
Le modèle du projet repose sur trois pièces distinctes. En l'absence de relecture des fichiers, leurs rôles sont décrits de manière fonctionnelle et plausible, cohérents avec les besoins du paragraphe précédent.
La pièce ecran constitue le support et cadre de maintien de l'écran TFT ILI9488. Sa fonction est d'accueillir l'écran, d'en bloquer le pourtour pour l'empêcher de glisser et de présenter la dalle au joueur dans le bon sens (mode paysage, conforme au setRotation(3) utilisé dans le pilote logiciel). Le cadre ménage en principe une ouverture correspondant à la zone active de l'affichage et laisse libre l'accès aux bornes situées au dos (cotes à confirmer sur le modèle).
Les pièces Piece2 et Piece3 sont des éléments de structure complétant le cadre d'écran. Des rôles plausibles, cohérents avec un petit boîtier de jeu, sont les suivants : support de carte (plateforme ou pattes destinées à fixer la carte du microcontrôleur ou la carte son), façade ou paroi (fermeture du boîtier, percée pour laisser dépasser le joystick et les boutons), et entretoise (pièce intercalaire fixant l'écartement entre deux niveaux et garantissant la rigidité de l'ensemble). La répartition exacte de ces fonctions entre Piece2 et Piece3 reste (à confirmer sur le modèle).
Le tableau suivant récapitule les pièces et le type de fonction SolidWorks mobilisé pour chacune.
| Pièce | Rôle mécanique (plausible) | Type de fonction SolidWorks principal |
|---|---|---|
ecran | Support / cadre de maintien de l'écran ILI9488 | Esquisse cotée + extrusion + poche (ouverture d'affichage) |
Piece2 | Élément de structure : support de carte ou façade | Esquisse cotée + extrusion + perçages de fixation |
Piece3 | Élément de structure : façade ou entretoise | Esquisse cotée + extrusion + perçages de fixation |
Méthode de conception
La modélisation suit une démarche descendante, partant des dimensions connues des composants pour aboutir à un ensemble assemblé.
La première étape est l'esquisse cotée à partir des dimensions des composants connus. On part des encombrements physiques mesurables : l'écran TFT (gabarit de la dalle et position des bornes), le PCB de la carte son dont le format est connu (45 mm x 45 mm), et le microcontrôleur PIC16F18877 dans son boîtier 40 broches PDIP. Ces références donnent les cotes de départ des esquisses : largeur et hauteur de l'ouverture du cadre, entraxes des trous de fixation, hauteur des entretoises. Les valeurs précises de ces esquisses ne pouvant être relues, elles sont (à confirmer sur le modèle).
La deuxième étape est l'extrusion : chaque profil esquissé reçoit une épaisseur pour devenir un solide. L'épaisseur est choisie comme un compromis entre la rigidité recherchée et l'encombrement, et reste (à confirmer sur le modèle).
La troisième étape consiste à ajouter les perçages de fixation : trous traversants pour les vis qui solidarisent les cartes et les pièces entre elles, et éventuellement dégagements pour les connecteurs et le passage des câbles identifiés au paragraphe précédent. Le caractère paramétrique de SolidWorks prend ici tout son sens : un entraxe de trous défini comme une cote pilotée peut être ajusté en une saisie si la mesure réelle sur la carte diffère légèrement de la valeur estimée.
La quatrième étape est l'assemblage et la vérification. Les pièces ecran, Piece2 et Piece3 sont réunies dans un assemblage et positionnées par des contraintes (coïncidences de faces, alignements de perçages). On procède alors à un contrôle des collisions (recherche d'interférences entre solides) et à une vérification de l'encombrement général, pour s'assurer que l'écran, les cartes et les organes de commande tiennent ensemble sans conflit. Cette étape exploite les contraintes vues plus haut pour figer la position relative des pièces et simuler le montage réel.
Intégration et apport du modèle 3D
L'intérêt de cette modélisation dépasse la simple représentation : le modèle 3D sert à valider la faisabilité mécanique avant fabrication. En vérifiant numériquement que les pièces s'assemblent, que les cartes trouvent leur place, que les perçages sont alignés et que rien n'entre en collision, on détecte les erreurs de conception tant qu'elles ne coûtent que quelques minutes de modification à l'écran, plutôt qu'une pièce à refaire. C'est la même philosophie de prudence que celle qui guide le reste du projet, où l'on cherche à anticiper les difficultés plutôt qu'à les subir : ici, l'assemblage virtuel joue le rôle de répétition générale avant le montage réel, exactement comme l'assemblage virtuel de la carte son sous KiCad précède son brasage.
Le modèle constitue également une référence dimensionnelle commune au binôme et un document de communication clair sur l'architecture mécanique de l'objet. En conclusion, et bien que les cotes exactes n'aient pu être extraites des fichiers propriétaires, la démarche reste complète et méthodique : analyse des besoins, choix d'un outil de CAO paramétrique adapté, définition du rôle de chaque pièce, conception par esquisses cotées et extrusions, puis assemblage et contrôle avant fabrication. Une relecture ultérieure des fichiers ecran.SLDPRT, Piece2.SLDPRT et Piece3.SLDPRT dans SolidWorks permettrait de compléter ce chapitre par les cotes définitives (à confirmer sur le modèle).