Study of vibrations and instability in a robotic grinding process

Rafieian Sichani, Farzad (2014). Study of vibrations and instability in a robotic grinding process. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The vibratory dynamics of the grinding process performed by a robot arm is studied in this thesis. The robotic grinding process under development at Hydro-Québec’s research institute (IREQ) for maintenance operations on hydropower equipment is a high material removal rate task used for profiling large parts and complex geometries. The profiling application is unlike conventional grinding in which, a thin layer of material is removed as a finishing procedure. One major hurdle for this technology is the significant vibrations inherent to the process. However, the maneuverability that the robot brings into the operations makes it, sometimes, the only practical solution for machining in hard-to-reach areas. The main features of the robotic tool holder which affect its vibratory dynamics, i.e. the robot’s high compliance and its configuration-dependent dynamics are studied. The objective is to investigate vibrations and instability based upon appropriate understandings of the instantaneous dynamics of the material removal process performed by the articulated multi-body robot arm. Since vibrational instability in material removal is caused by the interactions between the dynamics of the cutting process and the tool holder’s structural dynamics, two lines of research are conducted accordingly.

An experimental investigation substantiated by numerical simulations is carried out on the steady vibratory dynamics of the process. Due to the compliance of the robot arm, material removal is found governed by vibro-impacts, occurring mainly at the spindle’s rotational frequency, between the cutter and the workpiece. The “impact-cutting” behavior is characterized through angular analysis of the cyclic impacting oscillations. The measured instantaneous rotational frequency of the spindle during robotic grinding is mapped into a representation suited for monitoring the dynamic evolutions in the impacting regime. The “impact-cutting map” was also used to validate a plausible hypothesis for uniform disk wear when exhibiting an impact-cutting operation. The measured drop in the instantaneous angular speed, as a transient which is excited impulsively by the cutting impacts, was found well correlated to grinding power. The practical significance of this latter result is considered as to integrate the real-time measurement of the speed drop and the number of impacts per spindle revolutions into the robot control strategy in order to improve the metal removal estimation.

In a following step, an impact-cutting model for metal removal was used to estimate the grinding power required for a grinding task performed by the robot. Constant coefficients of the model were first identified experimentally. Robotic grinding tests were performed while setting the target grinding power in the control strategy based upon the impact-cutting model. It was demonstrated that a uniform cut with a target rate of metal removal and a target cutting depth can be achieved in presence of stabilized impacting oscillations. The waviness amplitude on the finished surface is found to be much smaller than the amplitude of vibro impact oscillations. The knowledge about vibro-impact oscillations present in the process helps improving the strategy of controlled material removal rate employed in the robot control strategy. The iterative procedure of grinding/profile scanning to reach the desired tolerance level on the surface can be improved based upon the estimation of the material removal rate by the impact-cutting model.

The limit of stable impact cutting due to regenerative chatter was investigated next. The investigation resulted into understanding that the high compliance of the robot arm locates the problem of robotic grinding regenerative chatter on the far upper right of the first lobe on the stability chart. In this region, the limit of stable operation is defined by very large gain values. This is different from traditional machining which is located inside the “lobes zone” on the stability lobes diagram. The cyclic impacting dynamics of material removal is invoked to investigate instability in this region. The limit of stable operation is identified from numerical simulations of impact-cutting. The boundary is found to be very close to the margin predicted using the traditional approach for regenerative chatter analysis. It is concluded that the large gain is typical for robotic grinding. The impacting dynamics of material removal due to robot compliance must be considered to understand such large gain values, never occurring in conventional grinding. Experiments are performed to substantiate the new understanding regarding the problem of regenerative chatter in robotic grinding.

A second line of research was focused on the robotic tool holder’s structural dynamics. The goal was to provide a modeling tool for an investigation of the effect of robot’s configuration-dependent dynamics on vibrations and instability in the process. A 6-DOF multi-body dynamic model was developed for the robot manipulator. Experimental modal analysis on the robot structure was used to validate the mode shapes and natural frequencies predicted by the model. A discussion is provided about how the developed modeling tool can serve an investigation of mode-coupling chatter in robotic machining.

The study of vibrations and instability in this thesis contribute into understanding the vibratory dynamics that govern the robotic grinding process. Further development of the robotized technology for precision profiling of industrial parts relies on such understanding bases.

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"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 171-177. 3 vidéos en annexe.
Mots-clés libres:	Meulage Automatisation. Robots industriels Vibrations. Robots industriels Stabilité. broutage, instabilité, broutage d'usinage robotisé, coupe par impact, fréquence de rotation instantanée, encodeur rotatif, analyse angulaire, modèle d'enlèvement de matière, identification des paramètres, profilage de surface robotisé.
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Liu, Zhaoheng
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	07 mai 2014 15:52
Dernière modification:	14 mars 2017 00:53
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1300

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