Improvement of industrial robot's accuracy : Machining composite parts application
Amélioration de la précision de robots industriels : Application à l’usinage de pièces composites
Résumé
Industry’s robotization is constantly increasing since the appearance of agile and flexible industrial robots. In recent years, their costs have decreased and their performance has increased. They meet a need for competitiveness and important economic issues for manufacturers. In the context of machining left-handed shapes for the realization of large composite supports (four meters in diameter) whose expected shape accuracy is a few hundredths, these robots are not initially compatible with such performance criteria. The literature describes methods that improve the accuracy of industrial robots, such as the identification of joint stiffnesses associated with an elastostatic model, or stress modeling with dynamic measurement of forces during machining. These methods are difficult to apply in an industrial context because they are too costly in terms of time and investments related to the identification means. This thesis presents a new method to correct the robot positioning during the execution of a machining trajectory. This off-line compensation allows to control and optimize the operation of serial industrial robots for the machining of a composite part. After having identified the optimal cutting conditions, corresponding to the tool/material couple of the application studied here, the methodology of this work is exposed. It is based on the coupling of two complementary methods of correction of the robot position. The first one is the identification of the geometrical parameters of the robot. This involves identifying the exact value of the parameters of the robot's geometric model and modifying them within the control. This calibration allows to compensate for geometrical errors and to improve the absolute pose accuracy of the robot in its entire workspace. The second method is an off-line trajectory compensation. This method is quickly applicable and is suitable for any 6-axis serial robot, unlike existing methods that require robot modeling and characterization. After measuring the tool position during an initial machining operation, this measurement is compared to the initial program setpoint to identify the robot deviation. An intelligent, autonomous process is used to re-edit the toolpath to compensate for the deviation over the entire toolpath. A new machining operation quantifies the correction by producing a part with improved shape tolerances. In addition to the study of the tool/material pair and the definition of an optimal strategy for machining the application part studied, this thesis presents encouraging results. The compensation methodology, applied to the study part, improves the robot's positioning accuracy by more than 80%. This corresponds to a gain of 80% on the improvement of the shape accuracy of the part. This work will be really interesting for industrial applications that require fast methods with a minimum of devices and development time. At this stage, the fact that we can measure a first machining path to obtain a second quality machining represents the main disadvantage of the method which implies the additional tools and material to be foreseen in the design of the raw part.
La robotisation de l’industrie est en constante augmentation depuis l’apparition de robots industriels agiles et flexibles. Les robots industriels poly-articulés ont vu, ces dernières années, leurs coûts diminuer et leurs performances augmenter. Ils répondent alors à un besoin de compétitivité croisant et à des enjeux économiques importants pour les industriels. Dans le contexte de l'usinage de formes gauches pour la réalisation de grands supports composites (quatre mètres de diamètre) dont la précision de forme attendue est de quelques centièmes, ces robots ne sont pas initialement compatibles avec de tels critères de performance. La littérature décrit des méthodes qui améliorent la précision des robots industriels comme par exemple l’identification des raideurs articulaires associée à un modèle élasto-statique, ou la modélisation des contraintes avec mesure dynamique des forces pendant l'usinage. Ces méthodes sont difficilement applicables dans un contexte industriel, car elles sont trop coûteuses en temps et en investissements liés aux moyens d'identification. Cette thèse présente une nouvelle méthode de correction du positionnement du robot lors de l’exécution d’une trajectoire d’usinage. Cette compensation hors ligne permet de maîtriser et d’optimiser l’exploitation de robots industriels sériels pour l’usinage d’une pièce composite. Après avoir identifié les conditions de coupe optimales, correspondant au couple outil/matière de l’application étudiée ici, la méthodologie de ces travaux est exposée. Elle s’appuie sur le couplage de deux méthodes de correction de la position du robot complémentaires. La première est l’identification des paramètres géométrique du robot. Il s’agit d’identifier la valeur exacte des paramètres du modèle géométrique du robot et de les modifier au sein de la commande. Cet étalonnage permet de compenser les erreurs de type géométriques et d’améliorer la précision de pose absolue du robot dans l’ensemble de son espace de travail. La deuxième méthode est une compensation de la trajectoire hors ligne. Cette méthode, rapidement applicable, est adaptée à tout robot sériel 6 axes, contrairement aux méthodes existantes qui nécessitent une modélisation et une caractérisation du robot. Après avoir mesuré la position de l'outil pendant une première opération d'usinage, cette mesure est comparée au point de consigne initial du programme pour identifier la déviation du robot. Un processus intelligent et autonome est utilisé pour rééditer le parcours d'outil afin de compenser la déviation sur la totalité du parcours de l’outil. Une nouvelle opération d'usinage quantifie la correction en produisant une pièce avec des tolérances de forme améliorées. En plus de l’étude du couple outil/matière et de la définition d’une stratégie optimale pour l’usinage de la pièce d’application étudiée, cette thèse présente des résultats encourageants. La méthodologie de compensation, appliquée à la pièce de l’étude, améliore la précision de pose du robot de plus de 80%. Cela correspond à un gain de 80% sur l’amélioration de la précision de forme de la pièce. Ces travaux apportent un intérêt certain pour les applications industrielles qui nécessitent des méthodes rapides avec un minimum de moyens et de temps de développement. A ce stade, le fait de mesurer un premier parcours d’usinage pour obtenir un second usinage de qualité représente l’inconvénient principal de la méthode qui implique le supplément d’outils et de matière à prévoir dans la conception de la pièce brute.
Domaines
Robotique [cs.RO]
Origine : Version validée par le jury (STAR)