Comparaison des machines outils et et des robots pour l usinage de pièces Vers une convergence scientifique et et technologique

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1 Laboratoire de Mécanique et Ingénieries EA FR TIMS / CNRS 2856 Comparaison des machines outils et et des robots pour l usinage de pièces Vers une convergence scientifique et et technologique Hélène Chanal et Flavien Paccot Helene.chanal@ifma.fr et flavien.paccot@iut.u-clermont1.fr

2 Contexte Tâche Pièce Machine ou Robot Objectifs Objectif : réaliser : Réaliser une une tâche tâche pour avec obtenir une une qualité pièce conforme en minimisant donnée dans les un coûts temps de mise minimum en œuvre 2 20/10/2011

3 Contexte Point de vue machine Mise en mouvement d un effecteur / pièce suivant une trajectoire spécifiée : Accessibilité Contrôle du mouvement de l effecteur Mise en mouvement d un effecteur / pièce suivant les conditions propre au procédé : Respect des conditions nécessaires à la mise en œuvre du procédé Interactions mécaniques entre le procédé et la machine Vers la maîtrise du comportement de la structure de la machine lors de la réalisation de la tâche 3 20/10/2011

4 Problématique Problématiques industrielles Choix du moyen de production Maîtrise du niveau de qualité de réalisation de la tâche Minimisation des temps de réalisation Problématiques scientifiques Analyse de l influence du comportement mécanique de la machine ou du robot sur la tâche Modélisation mécanique du procédé Modélisation de la qualité de réalisation de la tâche Simulation de la tâche et évaluation de la performance Application à l usinage 4 20/10/2011

5 Processus de fabrication Pièce à réaliser Modélisation de la pièce souhaitée Domaine Fonctionnel Forme réalisée Mouvement de coupe et d avance de l outil / pièce Domaine Réel [Duc06] Duc (E.) Intégration géométrique du processus de fabrication des pièces usinées Habilitation à Dirigé des Recherches, Université Blaise Pascal Clermont II, juillet 2010 Modèle CAO Géométrie nécessaire au calcul de trajets d usinage Domaine Virtuel Machine outil UGV Trajets calculés en FAO [Duc06] Modèle FAO [Altintas05] Altintas (Y.) Virtual Machine Tool CIRP Annals Manufacturing Technology Vol 54, Issue 2, pp , 2005 [Altintas05] 5 20/10/2011

6 Processus de fabrication [PateloupS11] Pateloup (S.) Modélisations et aptitudes à l emploi des machines outils à structure parallèle : vers une optimisation dirigée du processus Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, juillet 2011 [PateloupS11] 6 20/10/2011

7 Plan Modélisation du procédé et de la tâche Influence du comportement mécanique de la structure Influence de la loi de commande 7 20/10/2011

8 Formalisation Le phénomène de coupe Condition de coupe à respecter en fonction du couple outil/matière et de l opération : Choix de V c, a a, a r et fz Maximisation du débit copeau Génération d efforts de coupe : Sandvik F c K c section de copeau fz outil h Section O V f outil / pièce M a r a a 8 20/10/2011 h

9 Formalisation Les efforts de coupe z expérimentale 32 s Effort mesuré suivant, F x moyen =-316 N x s Effort (N) Effort mesuré suivant, y s Effort mesuré suivant, F y moyen =-613 N F y moyen =-150 N F x F y F z z s df df r df a F xmoyen =322 N F ymoyen =-601 N F zmoyen =-150 N x y df t M V f, dz, df K h, dz, df K h dz dft Kth r r a a, théorique Position de l extrémité inférieure de la dent (rad) avec K t =-1525 N/mm² K r =810 N/mm² K a =-313 N/mm² x y Effort moyen s exerçant sur l outil 62 F y V f F x [Merdol08] [Larue05] Merdol (S.D.), Altintas (Y.) Virtual cutting and optimization of three-axis milling processes International Journal of Machine Tool and Manufacture Vol. 48, pp , 2008 Larue (A.), Altintas (Y.) Simulation of flank milling processes - International Journal of Machine Tool and Manufacture Vol. 45, pp , 2005 [Seo98] SEO (T.I.) Intégration des effets de déformation d outil en génération de trajectoires d usinage Thèse de Doctorat, ECN et 9 Université de Nantes, /10/2011

10 Formalisation Les trajectoires outils : Variation des conditions de coupe : Avance : V f Engagement radial : a r.. Modification brusque des efforts de coupe et des vitesses de déplacements Kc*ar experimental evolution Kc*ar theoretical evolution Autres perturbations : Mode de coupe Mouvements sans coupe Comportement à l usure [Kloypayan02] Kloypayan (J.), Lee (Y.S.) Material engagement analysis for different endmills for adaptative feedrate control in milling processes Computer in Indutry Vol. 47, pp 55-76, curvilinear abscissa (mm) 10 20/10/2011

11 Formalisation l accessibilité Pièce type «aéronautique» : Usinage 5 axes continu Amélioration de la productivité Pièce type «automobile» : Usinage 5 axes positionnées Diminution du nombre de posage 11 20/10/2011

12 Formalisation Spécification de la qualité Défauts géométriques : Positions Orientations Formes Défauts d état de surface : Pièce réelle Problème d adéquation entre la norme et l expression de la qualité par le client. Motif théorique (fraise hémisphérique avec un dépinçage de 15 ) [Quinsat04] [Quinsat04] Quinsat (Y.) Contribution au choix de stratégies d usinage : application à la finition des pièces de formes complexes Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, juillet /10/2011

13 Formalisation Prise en compte de la tâche? Nécessité de simuler l usinage? Conclusion : Critères de performance usuels en conception : Espace de travail Dextérité ou manipulabilité Précision du mécanisme par rapport aux incertitudes géométriques Rigidité Inertie du mécanisme Modes propres Modélisation du procédé : Sollicitation statique : conditions de coupe Sollicitation dynamique : conditions de coupe changements de directions Modélisation de la qualité de réalisation de la tâche : Accessibilité Temps d usinage Qualité dimensionnelle, géométrique et d état de surface 13 20/10/2011

14 Comportement mécanique Modélisation de la structure Modélisation de la surface usinée Modélisation de la sollicitation généré par l usinage Quantification et comparaison avec la tolérance /10/2011

15 Comportement mécanique Comportement de la structure influent sur l usinage [Pritschow02] [PateloupS11] [Pritschow02] Pritschow (G.), Eppler (C.), Garber (T.) Influence of the dynamic stiffness on the accuracy of PKM 3rd Chemnitz Parallel Kinematic Seminar, pp , Chemnitz, Allemagne, avril 2002 [PateloupS11] Pateloup (S.) Modélisations et aptitudes à l emploi des machines outils à structure parallèle : vers une optimisation dirigée du processus Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, juillet /10/2011

16 Comportement mécanique La notion d espace de travail Espace dans lequel le comportement mécanique de la structure de la machine permet d aboutir à l usinage d une pièce conforme au niveau de la qualité requise tout en optimisant son temps d usinage. Espace de travail cinématique : - Vitesse accessible Espace de travail dynamique : - Rigidité de la structure - Vibration de la structure Espace de travail géométrique : - Accessibilité - Précision géométrique [Chanal06] Chanal (H.) Etude de l emploi des machines outils à structure parallèle en usinage Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, septembre /10/2011

17 Comportement mécanique Modélisation géométrique : Modélisation (X,Y,Z,B,C)=MGD(V1,V2,V3,B,C, 1,.., n ) (V1,V2,V3,B,C )=MGI(X,Y,Z,B,C, 1,.., n ) Coordonnées articulaires Pose de l outil Paramètres géométriques à identifier Définition MGI et MGD : Méthode de Denavit-Hartenberg [Khalil99] Méthode TCS [Gogu97] Méthode fermetures géométriques [Merlet97] [Khalil99] Khalil (W.), Dombre (E.) Modélisation, identification et commande des robots Hermès, Paris, 1999 [Gogu97] Gogu (G.), Coiffet (P.), Barraco (A.) Représentation des déplacements des robots Hermès, Paris, 1997 [Merlet 97] Merlet (J.P.) Les robots parallèles Hermès, Paris, /10/2011

18 Comportement mécanique Modélisation géométrique : Définition des paramètres - analyse de sensibilité : Monte Carlo [Jockiel01] Dérivation du MGI [Fan03] Simplification des modèles [Renaud03] [Chanal09] : Amélioration de la précision après identification Influence de la redondance d axes sur la précision? [Jockiel01] [Fan03] [Renaud03] Jockiel (B.J.), Ziegert (J.C.), Bieg (L.) Uncertainty propagation in calibration of parallel kinematic machine Precision Engineering, Vol. 25, pp 48-55, 2001 Fan (K.C.), Wang (H.), Zhao (J.W.), Chang (T.H.) Sensitivity analysis of the 3-PRS parallel kinematic spindle platform of a serialparallel machine tool Interanational Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 33, pp , 2003 Renaud (P.) Apport de la vision pour l identification géométrique de mécanismes parallèles - Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, septembre 2003 [Chanal09] Chanal (H.), Duc (E.), Hascoët (J.Y.), Ray (P.) Reduction of a parallel kinematic machine tool inverse kinematics model with regard to 18 machining behaviour Mechanism and 20/10/2011 Machine Theory Vol. 44, pp , 2009

19 Comportement mécanique Modélisation géométrique : Identifications géométriques par moyen extéroceptif : Système de type Ball bar 3D [Martinez04] Palpage de pièces étalons [Huang05] Système de mesure spécifique [Bleicher02] Usinage d une pièce [Chanal07] Mesure partielle de la pose Précision de mesure compatible avec l usinage Laser 3D [Wang04] Vision [Renaud03] Mesure complète de la pose Problème de précision de mesure Ball-bar Cône monté dans la broche Outil de longueur connue 3 sphères formant un trièdre (positions connues) axe x axe y axe z [Martinez04] Martinez (L.), Collado (V.) calibartion of a hybrid serial/parallel 5-axes milling machine using a double bar probe 4th Chemnitz Parallel Kinematic Seminar, pp , Chemnitz, Allemagne, avril 2004 [Huang05] Huang (T.), Chetwynd (D.G.), Whitehouse (D.J.), Wang (J.) A general and novel approach for parameter identification of 6-DOF parallel kinematic machines - Mechanism and Machine Theory Vol. 40, pp , 2005 [Bleicher02] [Chanal07] [Wang04] Bleicher (F.), Gunther (G.) Automatically operating calibration method for three-axis parallel kinematic machine 4th Chemnitz Parallel Kinematic Seminar, pp , Chemnitz, Allemagne, avril 2004 Chanal (H.), Duc (E.), Ray (P.), Hascoët (J.Y.) A new approach for the geometrical calibration of parallel kinematics machines tools based on the machining of a dedicated part International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 47, pp , 2007 Wang (H.), Fan (K.C.) Identification of strut and assembly errors of a 3-PRS serial-parallel machine tool, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 44, pp , 2004 [Renaud03] 19 20/10/2011 Renaud (P.) Apport de la vision pour l identification géométrique de mécanismes parallèles - Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, septembre 2003

20 Comportement mécanique Modélisation cinématique Définition MCD et MCI [Khalil99] [Merlet97] [Gogu97] : Jacobienne analytique ou numérique Calcul du temps de parcours d une trajectoire : Modélisation de la loi de mouvement jerk controlé [PateloupV05] Modélisation de la stratégie de commande : Espace articulaire [PateloupS11] : déplacements des moteurs à vitesse constante Espace cartésien [Olabi10] : déplacement de l outil à vitesse constante [PateloupV05] Pateloup (V.) - Amélioration du comportement cinématique des machines-outils UGV, Application aux calculs de trajets d évidement de poches - Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, septembre 2005 [PateloupS11] Pateloup (S), Chanal (H), Duc (E) Process definition of preformed part machining for taking benefit of Parallel Kinematic Machinetools kinematic performances - International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2011, /s [Olabi10] Olabi (A.), Béarée (R.), Gibaru (O.), Damak (M.) - Feedrate planning for machining with industrial six-axis robots 20 Control Engineering Practice, vol 18, pp , /10/2011

21 Comportement mécanique Modélisation dynamique : Modèles locaux : Matrice de transfert [Tounsi00] Accélération de l outil Effort de coupe Identification Pb si comportement fortement variable dans l espace de travail Méthode des éléments finis [Bouzgarrou01] [Wang06] Précision des résultats Temps de calcul important Pb pour simuler un usinage complet [Tounsi00] Tounsi (N.), Otho (A.) Identification of machine-tool-workpiece system dynamics International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol40, pp , 2000 [Bouzgarrou01] Bouzgarrou (B.C.) Conception et modélisation d une machine outil à architecture hybride pour l UTGV - Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, 2001 [Wang06] Wang (Y.Y.), Huang (T.), Zhao (X.M.), Mei (J.P.), Chetwynd (D.G.), Hu (S.J.) Finite element analysis and comparison of two hybrid robots the Tricept and the TriVariant IROS, pp , /10/2011

22 Comportement mécanique Modélisation dynamique : Modèles globaux (modèles multi-corps) : Modèles dynamiques inverse ou directs : [Bonnemains09] Modèles avec corps rigides Commande [Vivas04][Khalil04] Estimation capacité dynamique [Nabat05] - Définition des paramètres influents (inerties, masses, frottements, précharges ) - Identification des paramètres [Vivas04] Vivas (O.A.) Contribution à l idenitifcation et à la commande dynamique des robots parallèles Thèse de doctorat, Université Montpellier II, 2004 [Khalil04] Khalil (W,), Ibrahim (O,) General Solution for the Dynamic Modeling of Parallel Robots ICRA 04, New Orleans, USA, Avril 2004 [Nabat05] Nabat (V.), Krut (S.), Poignet (P.), Pierrot (F.) On the design of a fast parallel robot based on its dynamic model Algorithmic Foundations of Robotics VI, p 409, 2005 [Bonnemains09]Bonnemains (T.) Etude de comportement mécanique des machines outils à structure parallèle en usinage grande vitesse Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, /10/2011

23 Comportement mécanique Modélisation dynamique : Modèles globaux (modèles multi-corps) : Modèles avec liaisons ou corps flexibles Jambes flexibles : Modélisation de type poutre [Cosson06] Réduction modale [Bouzgarrou01] Liaisons flexibles : Masse ressort amortisseur [Bouzgarrou01] Analyse technologique théorie de Hertz [Bonnemains09] - Définition des paramètres influents (raideurs, sections des poutres ) - Identification des paramètres [Cosson06] Cosson (P.), Bettaieb (F.), Hascoët (J.-Y.) Modeling of a high speed machining center with a multibody approach 5th International Conference High Speed Machining, Metz, France, mars /10/2011

24 Comportement mécanique Simulation du comportement dynamique lors d un usinage Influence sur la qualité de la pièce usinée : Schéma de résolution [Bonnemains09] 24 20/10/2011

25 Comportement mécanique Simulation du comportement de la structure en usinage Paramètres influents dans les modèles sont fonctions de la conception de la structure Nécessité d une analyse de l influence de chacun des comportements sur l usinage 25 20/10/2011

26 Influence de la loi de commande Définition d une stratégie de commande adaptée Structure de commande Commande en vitesse ou en couple? Commande linéaire ou non linéaire? Commande articulaire ou Cartésienne? Modélisation pour la commande Quels modèles? Quelles contraintes sur ces modèles? Mesure des informations nécessaires Quel capteur? Performances visées Précision statique et dynamique Robustesse : influence des erreurs de mesures, de modélisation, des perturbations extérieures Mise en œuvre Implémentation Réglage Identification Définition d une stratégie de commande adaptée à la machine et à la tâche 26 20/10/2011

27 Influence de la loi de commande Commande linéaire simple (commande d axe classique) GdT Anticipation PID + _ + Commande linéaire en vitesse ou couple Pas de modèles dans la boucle d asservissement Précision statique Machine Réglages maitrisés [Khalil99][Zhiyong04] + Mouvement des actionneurs Anticipation dynamique possible [Abdellatif06] Performances non homogènes [Brecher06], précision dynamique discutable [Paccot09] Sollicitations néfastes pour la structure possibles (structure fermée) [Paccot09] Contraintes sur la génération de trajectoire en terme de sollicitation [Khalil99] Khalil (W.), Dombre (E.) Modélisation, identification et commande des robots Hermès, Paris, 1999 [Zhiyong04] Zhiyong (Y,), Huang (T,) A new method for tuning PID parameters of a 3-DOF reconfigurable Parallel Kinematic Machine ICRA 04, New Orleans, USA, Avril 2004 [Abdellatif06] Abdellatif (H.), Helmann (B.), Learning Control for Accuracy Enhancement of Parallel Kinematic Machines The fifth Chemnitz Parallel Kinematics Seminar, Chemnitz, Allemagne, Avril 2006 [Brecher06] Brecher (C,), Ostermann (T,), Friedich (D,A,) Control Concept for PKM Considering the Mechanical Coupling between Actuators The fifth Chemnitz Parallel Kinematics Seminar, Chemnitz, Allemagne, Avril 2006 [Paccot09] Paccot (F,) Contributions à la commande dynamique référencée capteur de robots parallèles Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal Clermont II, juin /10/2011

28 Influence de la loi de commande Commande non linéaire (commande en couple calculé) [Luh80] Prise en compte du comportement dynamique de la structure GdT Anticipation PID _ Commande non linéaire en couple Précision statique et dynamique Filtrage des couples parasites Réglages simples MDI Machine Mouvement des actionneurs Nécessité d une identification géométrique et dynamique Perte de robustesse, sensibilité aux erreurs de modélisation et perturbations non modélisées [Khalil99][Paccot09] Emploi d un correcteur robuste et complexe [Burdet00] Prise en compte de la tâche au niveau articulaire [Luh80] Luh, J.Y.S and Walker, M.W. and Paul, R.C.P Resolved Acceleration Control of Mechanical Manipulators IEEE Transactions on Automatic Control, Volume 25 (3), pp , 1980 [Burdet00] Burdet (E,), Honegger (M,), Cdourey (A,) Controllers with Desired Dynamics Compensation and their Implementation on a 6 DOF Parallel Manipulator IROS 00, Takamatsu, Japon, Octobre /10/2011

29 Influence de la loi de commande Commande non linéaire Cartésienne basée modèle [Khalil99][Callegari06] Commande au niveau de l effecteur GdT Anticipation PID MDI MGD Machine Mouvement de l effecteur Asservissement des mouvements de l effecteur Plus proche de la tâche Problème du MGD dans la boucle retour Nécessite une modélisation dynamique adaptée [Khatib87][Paccot09] Implémentation délicate [Callegari06] Callegari (M,), Palpacelli (M,C,), Principi (M,) Dynamics modelling and control of the 3-RCC translational platform Mechatronics, Volume 16, pp , 2006 [Khatib87] Khatib (O,) A unified approach for motion and force control of robot manipulators: The operational space formulation IEEE Journal of Robotics and Automation, Volume 3 (1), pp 43-53, /10/2011

30 Influence de la loi de commande Commande non linéaire Cartésienne basée capteur [Fakhry96][Paccot09] Mesure directe du mouvement de l effecteur GdT Anticipation PID MDI Mesure de pose Machine Mouvement de l effecteur Plus de MGD, précision dépendant principalement du capteur Amélioration de la robustesse Problème de la mesure de pose : rapide et précise Pas de prise en compte de la tâche [Fakhry96] Fakhry (H.H.), Wilson (W.J.) A Modified Resolved Acceleration Controller for Position-Based Visual Servoing Mathematical Computer Modelling, Volume 24 (5/6), pp 1-9, /10/2011

31 Influence de la loi de commande Adaptation de la commande à la machine : Structure rigide Structure légère Structure légère complexe Commande linéaire Commande non linéaire basée modèle Commande non linéaire basée capteur Gain en vitesse, complexification de développement et mise en œuvre Adaptation de la commande à l usinage: Sollicitation importante et variable Prise en compte au niveau de la boucle d asservissement? 31 20/10/2011

32 Comparaison Machine 3 axes sous sollicitation en effort Machines outils + productivité Robots + rigidité Robot sous sollicitation cinématique Machine 3 axes sous sollicitations en effort et cinématique Robot sous sollicitations cinématique et effort + accessibilité - précision + précision Axe 6 - Rigidité + Rigidité Le comportement mécanique des structures à fortement évolué mais pas les méthodes de mise en œuvre du processus et de commande 32 20/10/2011

33 Conclusion Vers la modélisation globale du système : Prise en compte du triplet tâche / machine / commande : Définition de nouveaux critères permettant de qualifier l influence de la structure de la machine outil sur la qualité de réalisation de la tâche Adaptation de la loi de commande à la structure de la machine et aux contraintes de la tâche Définition de nouvelles méthodes de réglage du processus (position de la pièce, identification des paramètres, ) 33 20/10/2011

34 Conclusion La machine outil du futur : Couple machine / commande + rigidité + dextérité Contraintes liées à la tâche Allègement de la structure gain en terme de coût Compensation limitée par les phénomènes non déterministes ou non identifiables 34 20/10/2011

35 Conclusion L atelier du futur : Développement d outils numériques permettant de prendre en compte le comportement mécanique de la structure : Positionnement de la pièce Choix du mode d interpolation des trajectoires Choix et réglage de la loi de commande Développement d outil permettant de régler la machine / à la tâche Identification dans la zone de la tâche Déplacement du robot dans la cellule Monitoring Redondance de mesure 35 20/10/2011

36 Conclusion 36 20/10/2011

37 37 20/10/2011