caractérisation expérimentale du comportement dynamique des
Post on 05-Jan-2017
228 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Caractérisation Expérimentale Du Comportement Dynamique Des Robots
D’usinage
doctorant: Seifeddine MEJRI
Directeurs de thèse: Pascal RAY, Patrick PAULTRECo-encadrants : Vincent GAGNOL, Thien Phu LE, Laurent SABOURIN
Systèmes et Robots Performants dans l’industrie du futur
Som
mai
re1. Contexte
2. Problématique et objectif de la thèse
3. Identification Modale du robot ABB IRB
3.1. Analyse Modale Expérimentale en position statique
Som
mai
re
3.1. Analyse Modale Expérimentale en position statique
3.2. Analyse Modale Opérationnelle en condition de service
4. Prédiction de la stabilité d’usinage
5. Conclusion
Robotique de ProductionLes robots et AGV de demain
Réalisation de tâches complexesou à fortes sollicitations en milieu non structuré
Con
text
e
Action Robdyn
Vers la maitrise du comportement des systèmes ROBotiques sous fortes
sollicitations DYNamiquesMaîtrise du
franchissement et stabilité
Con
text
e
ProblématiqueProblématique
ROBotiques sous fortes sollicitations DYNamiquesROBDYN : Vers la maitrise du comportement des systèmes
ROBotiques sous fortes sollicitations DYNamiques
Les propriétés dynamiques de la chaine structurale observée en bout d’outil ont une influence prépondérante sur la qualité des pièces manufacturées. Pour maîtriser le procédé d’usinage, il est donc important de savoir identifier en temps réel le comportement dynamique de l’organe terminal du robot pour l’intégrer dans la
Pro
blém
atiq
ue e
t Obj
ectif
s
terminal du robot pour l’intégrer dans la commande de ce dernier.
utilisant les excitations de service � Définition de nouvelles méthodes d’identification utilisant les excitations de service y compris les perturbations (effort d’usinage, balourd, lubrification, copeaux…) dues aux conditions de fonctionnement des machines. � Définition d’une architecture capteurs adaptée pour le suivi en temps réel du comportement du robot en service.
Objectifs Scientifiques Objectifs Scientifiques
Laser tracker
Efforts
Accélérométres
Pro
blém
atiq
ue e
t Obj
ectif
s
Démarche proposée et verrous associés
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Caractériser le comportement dynamique du
Développer une méthode
Caractériser et identifier le Prédiction de
• Eliminer les effets d’harmoniques• Instrumentation minimale
• Suivi des propriétés modales
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
comportement dynamique du
robot en position statique
une méthode d’identification
modale opérationnelle
et identifier le comportement dynamique en bout d’outil
Prédiction de la stabilité de
l’usinage robotisé
• Etablir une base modale de référence en position • Influence de la configuration du robot sur le comportement en bout d’outil
• Maitrise du comportement• Pilotage intelligent
Analyse Modale Expérimentale (AME) du Robot d’usinage ABB IRB
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
q5
qp3
q4
q6
qp2
Matériel utilisé:
-Marteau d’impact.
- 7 Accéléromètres.
- Logiciel LMS Test.Lab.
Elaboration du modèle modalId
entif
icat
ion
Mod
ale
du r
obot
AB
B IR
B
q1
q2/q3
Broche UGV
Robot ABB IRB6660 équipé d’une broche UGV
- Répétabilité de positionnement = 0.07 mm
- Précision de pose = 0.18 mm
- Logiciel LMS Test.Lab.
- Système d’acquisition LMS à 8
voies analogiques
Analyse Modale Expérimentale (AME) du Robot d’usinage ABB IRB
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Choix de l’outil:Choix de l’outil:Disposition de Disposition de l’éléctrobroche:
- Axe vertical
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Plan d’expérience
- Axe vertical
- Axe horizontal
Position du robot:
Pos1, Pos2, …, Pos10
Couple des points réponse/excitation:
P1/P1 ; P2/P1 ; P1/P2 ; P2/P2
Test au marteau
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Analyse Modale Expérimentale (AME) du Robot d’usinage ABB IRBAnalyse Modale Expérimentale (AME) du Robot d’usinage ABB IRBPositions investiguées
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Variation des FRF mesurées le long de la trajectoireVariation des FRF mesurées le long de la trajectoire
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
FRF mesurées en bout de l’outil 1 pour un
déplacement sur X avec broche verticalePositions du robot dans un déplacement sur X
Variation des FRF mesurées le long de la trajectoireVariation des FRF mesurées le long de la trajectoire
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
FRF mesurées en bout de l’outil 1 pour un
déplacement sur Y avec broche horizontalePositions du robot dans un déplacement sur Y
Identification Modale du Robot d’usinage ABB IRBen positions statiques
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Fréquences propres identifiées en bout de l’outil 1 dans le cas d’une
FRFs estimée et mesurées en bout de
l’outil (X) pour un déplacement sur X avec
broche horizontale, par la méthode PolyMAX
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Fréquences identifiées en position
X1 (Hz)
Fréquences identifiées en position
X2 (Hz)
Fréquences identifiées en position
X3 (Hz)
Fréquences identifiées en position
X4 (Hz)
Ecart Maximal
(Hz)
162,37 163,50 - - 1,13
216,79 - - - -
- 360,68 358,26 361,06 2,8
674,52 673,42 674,11 673,13 1,39
1143,33 1115,8 1110,92 1123,62 32,41
1337,09 1313,6 1319,3 1322,01 23,49
1379,49 1371,27 1365,51 1368,61 13,98
1681,63 1758,4 - 1725,94 76,77
1916,33 1914,54 1920,49 1928,02 13,48
2015,08 2006,71 2010,61 2016,21 9,5
Fréquences propres identifiées en bout de l’outil 1 dans le cas d’une
broche horizontale et déplacement dans la direction X
Conclusion:
Evolution des
valeurs des
paramètres modaux
Conséquence:
Nécessité de suivre
ces paramètres en
service
Verrous Verrous
Analyse Modale Opérationnelle en condition de serviceAnalyse Modale Opérationnelle en condition de service
- Mesure des accélérations en bout d’outil tournant.- Effet des harmoniques de la rotation de l’outil sur les signaux mesurés.
Méthode développéeMéthode développée
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Paramètres modaux
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Prédiction de la stabilité d’usinage
Paramètres modaux
Analyse Modale Opérationnelle en condition de serviceAnalyse Modale Opérationnelle en condition de service
Protocole expérimentalProtocole expérimentalId
entif
icat
ion
Mod
ale
du r
obot
AB
B IR
B
Trajectoire d’usinage
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Schéma d’acquisition des signaux de mesure
Analyse Modale Opérationnelle en condition de serviceAnalyse Modale Opérationnelle en condition de service
Protocole expérimentalProtocole expérimentalId
entif
icat
ion
Mod
ale
du r
obot
AB
B IR
B
Emplacement des capteurs sur le Robot
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Analyse Modale Opérationnelle en condition de serviceAnalyse Modale Opérationnelle en condition de service
Identification par la méthode FDD Identification par la méthode FDD Id
entif
icat
ion
Mod
ale
du r
obot
AB
B IR
B
1. Calcul de la matrice de Densité Spectrale de Puissance (DSP)
des réponses vibratoires.
2. Décomposition en valeurs singulière de la matrice DSP.
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
3. Sélection d’un mode (au niveau d’un pic) et calcul de la
réponse temporelle correspondante.
4. Identification de la nature du mode et calcul de la fréquence
propre et du taux d’amortissement.
[4] R. Brincker, L. Zhang et P. Andersen, «Modal identification from ambient responses using frequency domain decomposition,» chez Proceedings of the IMAC 18, International Modal Analysis Conference, San Antonio, USA, 2000
Analyse Modale Opérationnelle en condition de serviceAnalyse Modale Opérationnelle en condition de service
Identification par la méthode FDD [4]:Identification par la méthode FDD [4]:Id
entif
icat
ion
Mod
ale
du r
obot
AB
B IR
B
Valeurs
singulières de la
matrice DSP de
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Fréquence de la première harmonique
Information modale non visible
matrice DSP de
la réponse
Analyse Modale Opérationnelle en condition de serviceAnalyse Modale Opérationnelle en condition de service
Identification par la méthode FDD modifiée:Identification par la méthode FDD modifiée:Id
entif
icat
ion
Mod
ale
du r
obot
AB
B IR
B
Modification de la méthode FDD par intégration des efforts de
coupe mesurés
( ) ( ) ( )ωωω FHY =
( ) ( ) ( ) ( ) ( )ωωωωω HH FFHFY ⋅=⋅
Pas 1: Calcul de la matrice des pseudo fonction de transfert
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
[5] V. Gagnol, T.-P. Le et P. Ray, 2011, Modal identification of spindle-tool unit in high-speed machining, Mechanical Systems and Signal Processing, n°25, pp. 2388-2398
( ) ( )[ ] 1)(~ −= ωωω ffGQH
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )ωωω HHHG~~
)( ⋅=
Pas 3: SVD de la nouvelle matrice PSD
( ) Hiiiiqq USUG =ωˆ
Pas 2: Calcul de la PSD de la matrice des pseudo fonctions de transfert
PSD du vecteur force
Analyse Modale Opérationnelle en condition de serviceAnalyse Modale Opérationnelle en condition de service
Identification par la méthode FDD modifiéeIdentification par la méthode FDD modifiéeId
entif
icat
ion
Mod
ale
du r
obot
AB
B IR
B
Exemple de sélection des modes sur les courbes des valeurs
singulières
Iden
tific
atio
n M
odal
e du
rob
ot A
BB
IRB
Prédiction de la stabilité d’usinagePrédiction de la stabilité d’usinage
Pré
dict
ion
de la
sta
bilit
é d’
usin
age
� Au cours de l’usinage, les dents de l’outil laisse une surface ondulée à la surface de la pièce. Cette ondulation dépend de la rigidité dynamique du système usinant. L’usinage de cette surface ondulée est ensuite source d’excitation pour la dent suivante.
Vibration de l’outil en cours d’usinageVibration de l’outil en cours d’usinageP
rédi
ctio
n de
la s
tabi
lité
d’us
inag
e
d’excitation pour la dent suivante. L’épaisseur du copeau est variable.
� Des vibrations auto-entretenues viennent du phénomène de régénération de la surface usinée.
Prédiction de la stabilité d’usinagePrédiction de la stabilité d’usinage
Pré
dict
ion
de la
sta
bilit
é d’
usin
age
Vibration de l’outil en cours d’usinageVibration de l’outil en cours d’usinage
Épaisseur des Effort de coupe:
Ce phénomène est illustré par le diagramme suivant:
Pré
dict
ion
de la
sta
bilit
é d’
usin
age
Génération de surface
Modèle d’effort de coupe
Dynamique du robot
Retard: T
x(t)
x(t-T)
avance fx
coupeauxh(t)
Effort de coupe:Fp(t)
Prédiction de la stabilité d’usinagePrédiction de la stabilité d’usinage
Pré
dict
ion
de la
sta
bilit
é d’
usin
age
Lobes de stabilité en usinageLobes de stabilité en usinage
Résultats du calcul des lobes de stabilité pour différentes positions du robot dans son espace de travail .
a-déplacement selon la direction Xb-déplacement selon la direction Y
Pré
dict
ion
de la
sta
bilit
é d’
usin
age
b-déplacement selon la direction Yc-déplacement selon la direction Z
Conclusion:• Les conditions de stabilité évoluent en fonction de la position du robot.• La direction des efforts de coupe est très sensible sur les marges de stabilité.
ConclusionConclusion
Con
clus
ion
• Identification modale du robot d’usinage en statique et en
service.
• Mise en évidence de l’influence de la configuration du robot sur
le comportement dynamique en bout d’outil..
• Prédiction de stabilité dépendant de la position du robot.
Con
clus
ion
RemerciementRemerciement
Ce travail a bénéficié d'une aide de l'État gérée par l'Agence Nationale de laRecherche au titre du programme Investissements d'avenir dans le cadre duprojet LabEx IMobS3 (ANR-10-LABX-16-01), d’une aide de l’UnionEuropéenne au titre du Programme Compétitivité Régionale et Emploi2007-2013 (FEDER – Région Auvergne), et d’une aide de la RégionAuvergne.
Pro
duct
ion
Sci
entif
ique
� Journal International:
• S. Mejri, V. Gagnol, T.-P. Le, L. Sabourin, P Ray, P. Paultre , Dynamiccharacterization of machining robot and stability analysis, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1-9, 2015.
� Conférences:
• S. Mejri, V. Gagnol, T.-P. Le, L. Sabourin, P Ray, P. Paultre, Identification du comportement dynamique d'un robot d'usinage en service, MUGV, 15-16 Octobre 2014, Clermont-Ferrand, France.
Pro
duct
ion
• S. Mejri, V. Gagnol, T.-P. Le, L. Sabourin, P Ray, P. Paultre, Analysis of machiningrobot configuration variation on tool tip FRF measurements, XIX Symposium VISHNO, JUNE 17-19, 2014 Aix en Provence, France.
• S. Mejri, V. Gagnol, T.-P. Le, L. Sabourin, P Ray, P. Paultre, Experimental protocolfor the dynamic modeling of machining robots, 21ème Congrès Français de Mécanique, 26 au 30 août 2013, Bordeaux, France.
top related