Operational modal analysis of flexible robots and contact force estimation for robotic grinding applications

Nguyen, Quoc Cuong (2022). Operational modal analysis of flexible robots and contact force estimation for robotic grinding applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Nowadays grinding machine is one of the most important manufacturing processes, and the technology of this process has been widely developed in recent years. In flexible robotic grinding, low manipulator stiffness is a key factor affecting process behavior and causing impact phenomena. This thesis is part of a research project launched by ETS and HydroQuébec’s research institute on the dynamics of a flexible manipulator robot named SCOMPI (Super COMPact robot Ireq) in an effort of improving its grinding performance and avoid vibrations under the machining process. The surfaces quality depends on grinding process which in turn relies on process stability, since unstable grinding introduces vibration, which compromises geometrical accuracy, surface finishing, and reduces the tool life. Therefore, it is crucial to understand the mechanisms of grinding vibration in order to control them effectively. It is observed that the grinding process by this robot is interrupted at each revolution of the wheel rather than having a continuous cutting action. This impact cutting behavior appears due to the low stiffness of the flexible manipulator under high grinding forces. Regardless of grinding regime and conditions, an accurate contact force prediction is necessary for process control or predicting potential workpiece burn or chatter. Consequently, end-effector contact force estimation and operational modal analysis are important aspects must be considered in robotic grinding.

As can be seen from the title of this thesis, the work is concerned with two aspects of robotics research. In the first one, special attention has been given to gain a better understanding of the online dynamical force as well as their contact parameters at the end-effector contact point under operation. A remarkable contribution of this research is the development of an inverse methodology to estimate unknown contact forces by using an ARX output-only model without the requirement of knowledge of the flexible manipulator dynamics or physical parameters. The effects of some experimental parameters have been also put into examinations. In a second objective, the Operational Modal Analysis is carried out to identify the modal natural frequency and damping ratio of the flexible manipulator under grinding operation using vibration responses only. Operational modal parameters have been drastically investigated from the real tests via different proposed methodologies, with greater emphasis on the synthesis of damping, which is extremely important in predicting vibration levels. This thesis is also contributing a new algorithm for selecting an optimal model order based on a minimum error variance of the identified transfer functions, which is correctly incorporated with the effect of modeling error and measurement noise.

The effectiveness of all the proposed methods has been validated through simulation signals, numerical and experimental data on a flexible robot in operation. Based on the improved accuracy of the estimated results, the research provides a useful tool for non-expert users to apply operational modal analysis techniques and input force prediction. The studies in this thesis also contribute to understand the vibratory dynamics that govern the robotic grinding process. Further development of the robotized technology for precision profiling of industrial parts can rely on such understanding bases. Recommendations for future research are also offered at the end.

Titre traduit

Analyses modale opérationnelle de robots flexibles et estimation de la force de contact pour des applications de meulage robotique

Résumé traduit

De nos jours, la rectifieuse est l'un des processus de fabrication les plus importants, et la technologie de ce processus a été largement développée ces dernières années. Lors d’une opération de meulage robotique, la faible rigidité du manipulateur est un facteur clé affectant le comportement du robot et provoquant des phénomènes d'impact. Cette thèse s'inscrit dans un projet de recherche lancé par l'ETS et l'Institut de recherche d'Hydro-Québec sur la dynamique d'un robot manipulateur flexible nommé SCOMPI (Super COMPact robot Ireq) dans le but d'améliorer ses performances de meulage et d'éviter les vibrations lors du processus d'usinage. La qualité du fini de surface dépend du processus de meulage qui à son tour repose sur la stabilité du processus, car un meulage instable introduit des vibrations, ce qui compromet la précision géométrique, le fini de surface et réduit la durée de vie de l'outil. Il est donc crucial de comprendre les mécanismes des vibrations de meulage afin de mieux les contrôler. En effet, il a été observé que le processus de meulage par le robot sous étude est interrompu à chaque tour de meule plutôt que d'avoir une action de coupe continue. Ce comportement de coupe par sauts apparaît en raison de la faible rigidité du manipulateur flexible sous des forces de meulage élevées. Indépendamment du régime et des conditions de meulage, une prédiction précise de la force de contact est nécessaire pour le contrôle du processus ou la prédiction d'un broutage potentiel de la pièce. Par conséquent, l'estimation de la force de contact de l'effecteur terminal et l'analyse modale opérationnelle sont des aspects importants à prendre en compte dans le meulage robotisé.

Comme le montre le titre de cette thèse, le travail porte sur deux aspects de la recherche en robotique. Dans le premier, une attention particulière a été accordée à une meilleure compréhension de la force dynamique en ligne ainsi que de leurs paramètres de contact au point de contact de l'effecteur en cours d'opération. Une contribution remarquable de cette recherche est le développement d'une méthodologie inverse pour estimer la force de contact inconnue en utilisant un modèle de sortie ARX uniquement sans l'exigence d'une connaissance précise de la dynamique du manipulateur flexible ou des paramètres physiques. Les effets de certains paramètres expérimentaux ont également été mis en examen. Dans un deuxième objectif, l'analyse modale opérationnelle est effectuée pour identifier la fréquence naturelle modale et le taux d'amortissement du manipulateur flexible lors de l'opération de meulage en utilisant uniquement les réponses vibratoires. Les paramètres modaux opérationnels ont été étudiés de manière approfondie à partir des tests réels via différentes méthodologies proposées, en mettant davantage l'accent sur la synthèse de l'amortissement, ce qui est extrêmement important pour prédire les niveaux de vibration. Cette thèse contribue également à un nouvel algorithme de sélection d'un ordre de modèle optimal basé sur une variance d'erreur minimale des fonctions de transfert identifiées, tout en considérant l'effet de l'erreur de modélisation et du bruit de mesure.

L'efficacité de toutes les méthodes proposées a été validée par des signaux de simulation, des données numériques et expérimentales sur un robot flexible en fonctionnement. Sur la base de l'amélioration de la précision des résultats estimés, la recherche fournit un outil utile aux utilisateurs non experts pour appliquer les techniques analyse modale opérationnelle et la prédiction de la force d'entrée. Les études de cette thèse contribuent également à la compréhension de la dynamique vibratoire qui régit le processus de broyage robotisé. Le développement ultérieur de la technologie robotisée pour le profilage de précision des pièces industrielles peut s'appuyer sur de telles bases de compréhension. Des recommandations pour de futures recherches sont également proposées à la fin.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 175-184).
Mots-clés libres:	robot SCOMPI, manipulateur flexible, processus de meulage, analyse modale opérationnelle, paramètres modaux, vibration, identification de force, paramètres de force de contact, modèle de sortie uniquement, sélection d'ordre optimal
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Thomas, Marc
Codirecteur:	Codirecteur Vu, Viet-Hung
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 déc. 2022 14:25
Dernière modification:	09 déc. 2022 14:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3117

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