Study of vibrations and instability in a robotic grinding process

• Main Author: Rafieian Sichani, Farzad
• Format: Others
• Published: École de technologie supérieure 2014
• Online Access: http://espace.etsmtl.ca/1300/1/RAFIEIAN_SICHANI_Farzad.pdf; http://espace.etsmtl.ca/1300/2/RAFIEIAN_SICHANI_Farzad%2Dweb.pdf; http://espace.etsmtl.ca/1300/3/RAFIEIAN_SICHANI_Farzad_vid%C3%A9os.pdf

La dynamique vibratoire d'un procédé de meulage robotisé est étudiée dans cette thèse. Le procédé de meulage robotisé étudié est en cours de développement à l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ) pour des opérations de maintenance sur les équipements hydroélectriques. L’application consiste à profiler des grandes pièces à géométrie complexe avec un taux d’enlèvement de matière élevé. Cette application est différente du meulage conventionnel dans lequel une couche mince est enlevée en tant que procédure de finition. Les vibrations importantes inhérentes au procédé constituent un défi majeur pour cette technologie. Cependant, la manoeuvrabilité que le robot apporte dans les opérations est parfois la seule solution réalisable pour l'usinage dans les endroits difficiles à atteindre. Les caractéristiques principales du porte-outil robotisé qui affectent sa dynamique vibratoire, telles que sa flexibilité importante et sa dynamique variant selon sa configuration sont étudiées. L'objectif est d'étudier les vibrations et l'instabilité basé sur une compréhension appropriée de la dynamique instantanée du processus d'enlèvement de matière effectué par le robot multi-corps articulé. Considérant que l'instabilité vibratoire dans l'usinage est due aux interactions entre la dynamique du processus de coupe et la dynamique de la structure du porte-outil, deux axes de recherche sont menés. Une étude expérimentale, confirmée par des simulations numériques, est réalisée sur la dynamique vibratoire stationnaire du processus. On a observé qu’en raison de la flexibilité du robot, l'enlèvement de matière est régi par des vibro-impacts, survenant principalement à la fréquence de rotation de l’outil, entre la meule et la pièce. Une analyse angulaire des impacts cycliques dans les oscillations du procédé est utilisée pour caractériser le comportement de «coupe par impact». La fréquence de rotation instantanée mesurée de la meule est exprimée selon la position angulaire et le nombre de rotation pour suivre l’évolution dynamique du régime d’impact. Cette «carte de coupe par impact» est également utilisée pour valider une hypothèse plausible du déplacement du point de contact pour l'usure uniforme des meules. On observe que la décélération mesurée de la vitesse angulaire instantanée, comme une transitoire qui est excitée de façon impulsive par des impacts de coupe, est très bien corrélée à la puissance de meulage. L’utilisation de la mesure en temps réel de la décélération et du nombre d'impacts par tours dans la stratégie de contrôle permettra d'améliorer l'estimation du taux d’enlèvement de métal. Un modèle de coupe par impact pour enlèvement de métal a été utilisé pour estimer la puissance de meulage nécessaire dans une tâche de meulage robotisé. D’abord, les coefficients du modèle ont été identifiés expérimentalement. Des essais de meulage robotisé ont été effectués à puissance constante. Il a été démontré qu'une entaille uniforme avec une profondeur de coupe cible peut être réalisée en présence des oscillations d’impacts stabilisées. L'amplitude des ondulations sur la surface finie se trouve être beaucoup plus petite que l'amplitude des oscillations de la meule. Le modèle dynamique à vibro-impact contribue à l'amélioration de la productivité de la stratégie d'enlèvement de matière à taux contrôlé utilisée pour le profilage. En effet, le nombre d’itération de meulage/mesure requis pour atteindre un niveau de tolérance donné sur la surface est fonction de l’incertitude du modèle d'enlèvement de matière. Par la suite, l’effet du phénomène de broutage régénératif sur la limite de stabilité du procédé a été étudié. L'étude montré que la flexibilité du robot localise le problème de broutage régénératif pour meulage robotisé à l'extrême supérieur droit du premier lobe sur la charte de la stabilité. Dans cette région, la limite de fonctionnement stable est définie par de très grandes valeurs de gain. Ceci est différent de l'usinage traditionnel qui se trouve à l'intérieur de la «zone des lobes» sur le diagramme des lobes de stabilité. La dynamique d'impact cyclique de l'enlèvement de matière est utilisée pour identifier l'instabilité dans cette région. La limite de fonctionnement stable est identifiée à partir de simulations numériques des coupes par impacts. La frontière se trouve à être très proche de la limite prévue en utilisant la méthode traditionnelle d'analyse du broutage régénératif. On peut conclure que le grand gain est intrinsèque à l'usinage robotisé. La dynamique des impacts de l'enlèvement de matière due à la flexibilité du robot doit être considérée pour comprendre ces grandes valeurs de gain, ne se produisant pas dans l'usinage conventionnel. Des expériences sont effectuées pour confirmer la nouvelle formulation du problème de broutage régénératif dans le meulage robotisé. Un deuxième axe de recherche a été mené pour mettre l'accent sur la dynamique du porte-outil robotisé. L'objectif est de fournir un modèle pour étudier l'effet de la configuration du robot sur la dynamique des vibrations et l'instabilité dans le procédé. Un modèle dynamique multi-corps à 6-DDL est développé pour le robot. L’analyse modale expérimentale sur la structure du robot a été utilisée pour valider les formes des modes et les fréquences naturelles prédites par le modèle. Une discussion traite de la façon dont l'outil de modélisation développé peut servir à l’étude d’instabilité par le couplage des modes dans l'usinage robotisé. L’étude des vibrations et de l'instabilité dans cette thèse contribuent à la compréhension des dynamiques vibratoires qui régissent le procédé de meulage robotisé. La poursuite du développement de l'approche robotisée de profilage de précision de pièces industrielles s'appuie sur de telles bases de compréhension.