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Numerical and experimental study of a flexible robotic grinding process

Tahvilian, Amir Masoud (2015). Numerical and experimental study of a flexible robotic grinding process. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Robotic grinding is among the least studied processes due to its complexity compared to conventional grinding and other machining processes. In robotic grinding with a light, flexible robot, low manipulator stiffness is a key factor affecting process behavior and causing impact phenomena. Force prediction and thermal damage are important aspects to consider in robotic grinding because of the vibrational nature of the process. The portable robot used in the process under study is a multi-purpose track-based manipulator developed by IREQ, Hydro-Quebec’s research institute. The main application of this light-weight robot, named “SCOMPI” (Super COMPact robot Ireq), is in situ maintenance of hydro turbine runners. It is observed that the grinding process by this robot is interrupted at each revolution of the wheel rather than having a continous cutting action. This impact cutting behavior appears due to the low stiffness of the flexible manupulator under high grinding forces. Special attention has thus been given to gain a better understanding of the material removal process in such robotic grinding. The objective is to establish appropriate relations among chip formation, operational cutting forces, temperature, material removal rate and consumed power in the process.

The purpose of this study is to use numerical and experimental methods to gain a better understanding of this flexible robotic grinding process. First, a finite element thermal analysis is carried out to evaluate thermal aspects of the process, such as the energy partition ratio and temperature distribution in the workpiece. A new representation of the heat source in line with the impacting effects of robotic grinding is considered in the model. Experimental measurements in conjunction with numerical analyses led to an energy partition model applicable to this study under varying operating conditions. In the second part, the topography of grinding wheels used in the process is characterized and related to depth of cut. The cutting edges of wheels have a significant effect in process efficiency and are essential in understanding material removal in the grinding process. The variation of wheel topography due to process conditions is demonstrated. Knowledge of the edges involved in cutting during the process are vital for micro-scale modeling of cutting interactions occuring in the wheel-workpiece contact zone. Ongoing work on micro-scale force modeling through FEM will benefit from this wheel topography study. The third part of this thesis is dedicated to enhancing the empirical basis for an existing force model of the process. An impact cutting regime is observed by means of high-speed camera recordings and measured process force signals. This regime is detected at different grinding power levels and used in identifying the empirical coefficients. The energy partition model from the first part of study is also incorporated to obtain a friction-chip energy ratio used to determine the force model constants.

Titre traduit

Étude numérique et expérimentale d'un procédé robotisé de meulage par robots flexibles

Résumé traduit

Le meulage robotisé est parmi les procédés les moins étudiés en raison de sa complexité par rapport au meulage traditionnel et à d'autres procédés d'usinage. Dans un procédé de meulage robotisé, la faible rigidité du manipulateur est un facteur majeur qui modifie le comportement du procédé et provoque des phénomènes d'impact. La prédiction de force et l’étude des dommages thermiques constituent ainsi des éléments importants dans l’étude du meulage robotisé afin de prendre en considération la nature vibratoire du procédé. Le robot portable utilisé dans le procédé à l'étude est un manipulateur sur rail à usage multiple développé par l'IREQ, l'Institut de recherche d'Hydro-Québec. La principale application de ce robot léger, nommé "SCOMPI", consiste en la maintenance sur place des roues de turbines hydroélectriques. Il a été constaté que le procédé de meulage avec ce robot n’est pas une action de coupe continue mais plutôt interrompue à chaque révolution de la meule. Ce comportement de coupe par impact apparaît en raison de la faible rigidité du manipulateur flexible soumis à des forces importantes de meulage. Par conséquent, une analyse détaillée a permis d’acquérir une meilleure compréhension du mécanisme d'enlèvement de matière lors du meulage robotisé. L'objectif de cette étude est donc d'établir des relations appropriées entre la formation des copeaux, les forces de coupe opérationnelles, la température, le taux d'enlèvement de matière et l'énergie consommée dans le procédé.

Cette étude vise aussi à utiliser des méthodes numériques et expérimentales dans le but d’acquérir une meilleure compréhension du procédé de meulage robotisé par robots flexibles. Tout d'abord, une analyse thermique par éléments finis est effectuée afin d'évaluer les paramètres thermiques du procédé tels que le coefficient de répartition des énergies et le champ de température dans la pièce à meuler. Une nouvelle représentation de la source de chaleur prenant en compte les effets d’impact du meulage robotisé est considérée dans le modèle. Un modèle de répartition des énergies entrant dans la pièce et dans la meule a été proposé à la suite des mesures expérimentales et des analyses numériques réalisées sous différentes conditions d’opération de meulage. Dans la seconde partie, la topographie des meules utilisées dans le procédé est caractérisée pour différentes profondeurs de coupe. Les arêtes de coupe des grains ont un effet significatif dans l'efficacité du procédé et sont essentielles à la compréhension de l'enlèvement de matière en meulage robotisé. La variation de la topographie de la meule en fonction des conditions d’opération a été démontrée. La détection des arêtes impliquées dans une action de coupe au cours du procédé est essentielle pour la modélisation à micro-échelle de l’enlèvement de matière se produisant dans la zone de contact entre la meule et la pièce. Les travaux en cours sur la modélisation de la force à micro-échelle par la méthode des éléments finis bénéficieront de cette étude de la topographie des meules. La troisième partie de cette thèse est consacrée à l'amélioration de l'identification empirique d'un modèle de force du procédé développé précédemment. Le régime de coupe d'impact est observé par les enregistrements des caméras à haute vitesse et par le signal de force mesuré du procédé. Ce régime est détecté à différents niveaux de puissance de meulage et utilisé pour déterminer expérimentalement les paramètres du modèle de force. L’utilisation du modèle de répartition des énergies proposé dans la première partie de l'étude permet également d’obtenir un rapport d'énergies consommées entre le glissement et l’enlèvement de matière, qui sert à optimiser la détermination des constantes du modèle de force.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i. e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 137-149.
Mots-clés libres: Meulage Automatisation. Robots industriels. Systèmes flexibles de fabrication. Analyse thermique. Surfaces (Technologie) Analyse. meulage robotisé, analyse par éléments finis, modèle de force, coupe par impact, topographie le meule
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Liu, Zhaoheng
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Champliaud, Henri
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 avr. 2015 19:47
Dernière modification: 16 mars 2017 23:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1451

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