Caractérisation Expérimentale Du Comportement Dynamique Des

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)


X2 (Hz)


X3 (Hz)


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


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


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


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


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


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


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.


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)


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.

Documents

Caractérisation Expérimentale Du Comportement Dynamique Des