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~ 1 ~ Programmation robotique en utilisant la méthode de maillage et la simulat

~ 1 ~ Programmation robotique en utilisant la méthode de maillage et la simulation thermique du procédé de la projection thermique Zhenhua CAI ~ 3 ~ N° d’ordre : 229 Année 2014 Ecole Doctorale « Science Physiques pour L’Ingénieur et Microtechniques » Université de Franche - Comté Université de Technologie de Belfort - Montbéliard THESE Présentée pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE DE BELFORT-MONTBELIARD EN SCIENCES POUR L’INGENIEUR Soutenue publiquement le 27 février 2014 Zhenhua CAI Rapporteurs Monsieur Vincent GUIPONT, Chercheur, HDR, MINES PARISTECH, Centre des Matériaux Madame Christine PRELLE, Professeur des universités, Université de Technologie de Compiègne (UTC) Examinateurs Monsieur Thierry BARRIERE, Professeur des universités, FEMTO-ST Monsieur Philippe CHARLES, Product Manager, ABB France Monsieur Sihao DENG, Maître de Conférences, IRTES-LERMPS Monsieur Hanlin LIAO, Professeur des universités, IRTES-LERMPS Programmation robotique en utilisant la méthode de maillage et la simulation thermique du procédé de la projection thermique ~ 5 ~ Chapitre 1 Introduction ................................................................................................. 11 1.1 Technologie de la projection thermique .............................................................. 15 1.2 Paramètres cinématiques en projection thermique .............................................. 16 1.2.1 Vitesse relative torche-substrat ...................................................................... 17 1.2.2 Angle de projection ........................................................................................ 19 1.2.3 Distance relative torche-substrat .................................................................... 21 1.2.4 Pas de balayage .............................................................................................. 22 1.2.5 Nombre de passe ............................................................................................ 23 1.3 Programmation du robot ...................................................................................... 24 1.3.1 Programmation en ligne ................................................................................. 24 1.3.2 Programmation hors-ligne ............................................................................. 26 1.4 Etat de l’art sur la programmation de robot en projection thermique .................. 29 1.5 Logiciel de programmation hors-ligne : RobotStudio™ ............................................ 32 1.5.1 RobotStudio™ ............................................................................................... 32 1.5.2 Site robotisé virtuel et génération de la trajectoire du robot .......................... 33 1.5.3 Simulation de trajectoire et détection de collision entre objets ..................... 35 1.5.4 Nécessité de développement personnalisé de RobotStudio™ ....................... 37 1.5.5 Développement personnalisé à réaliser .......................................................... 38 1.5.6 Thermal Spray Toolkit ................................................................................... 39 1.5.7 Objectif général de la thèse ............................................................................ 40 Chapitre 2 Principe et amélioration du TST pour l’adapter à l’application spécifique de la projection thermique .......................................................................... 49 2.1 Introduction .......................................................................................................... 50 2.2 TST sous RobotStudio™ ..................................................................................... 52 2.2.1 L’environnement de développement sous RobotStudio™................................ 52 2.2.2 Exécution du TST sous RobotStudio™5 ....................................................... 52 2.2.3 Principe de création de la trajectoire par TST ............................................... 55 2.3 Génération de la trajectoire par TST .................................................................... 56 2.3.1 Trajectoire sur une surface plate .................................................................... 56 2.3.2 Trajectoire sur la surface courbe .................................................................... 58 ~ 6 ~ 2.3.3 Trajectoire pour la pièce axisymétrique ......................................................... 60 2.4 Limitations et demandes de développements supplémentaire ............................. 62 Chapitre 3 Simulation, modélisation et caractérisation de l’épaisseur du dépôt en projection thermique ..................................................................................................... 67 3.1 Caractérisation de l’épaisseur du dépôt ............................................................... 68 3.2 Modélisation du cordon singulier du dépôt .......................................................... 69 3.2.1 Modèle mathématique du cordon singulier .................................................... 70 3.2.2 Protocoles expérimentaux .............................................................................. 71 3.2.3 Description mathématique du profil du cordon singulier .............................. 72 3.3 ProfileKit .............................................................................................................. 77 3.3.1 Résultats expérimentaux ................................................................................ 85 3.4 Conclusions .......................................................................................................... 86 Chapitre 4 Génération de la trajectoire du robot basée sur la méthode de maillage pour la projection thermique ........................................................................................ 91 4.1 Synthèse ............................................................................................................... 92 4.2 Génération de mailles sur la surface à revêtir sous ANSYS ................................ 95 4.2.1 Obtention de la surface à revêtir sous ANSYS Workbench .............................. 96 4.2.2 Obtention du maillage sous ANSYS avec le modèle CAO ........................... 98 4.3 L’extension logicielle : MeshKit........................................................................ 105 4.3.1 Interface de MeshKit .................................................................................... 106 4.3.2 Algorithme de génération de la trajectoire ................................................... 107 4.3.3 Paramètres opératoires en projection thermique .......................................... 110 4.3.4 La trajectoire générée par MeshKit .............................................................. 111 4.3.5 Un projet industriel ...................................................................................... 113 4.4 Simulation de la trajectoire dans RobotStudio™ ............................................... 115 4.5 Optimisation de la trajectoire et analyse du comportement du robot ................ 119 4.5.1 L’algorithme d’optimisation de la trajectoire du robot ................................ 120 4.5.2 L’analyse du comportement du robot .......................................................... 122 4.6 Conclusions ........................................................................................................ 125 ~ 7 ~ Chapitre 5 Analyse numérique des échanges thermiques pendant le processus de projection thermique ................................................................................................... 129 5.1 Simulation et obtention de la trajectoire de la projection .................................. 131 5.2 Modèle de la source de chaleur .......................................................................... 133 5.2.1 Modèle de la source de chaleur du gaz ........................................................ 133 5.2.2 Modèle de la source de chaleur des particules ............................................. 135 5.3 Conditions aux limites ....................................................................................... 138 5.4 L’analyse numérique .......................................................................................... 139 5.4.1 L’effet de la source thermique du gaz ......................................................... 140 5.4.2 L’effet global des sources thermiques gaz et particules .............................. 141 5.4.3 L’effet de l’air comprimé ............................................................................. 143 5.5 Conclusion ......................................................................................................... 146 5.6 Perspectives ....................................................................................................... 147 ~ 8 ~ Figure 1.1 Schéma de la projection thermique ....................................................... 15 Figure 1.2 Paramètres cinématiques en projection thermique ................................ 17 Figure 1.3 Trajectoire avec variation des pas de balayage ...................................... 18 Figure 1.4 Profil de pulvérisation et angle de projection ........................................ 19 Figure 1.5 La relation entre l’angle de projection et l’épaisseur du dépôt .............. 20 Figure 1.6 Différentes distances de projection ........................................................ 21 Figure 1.7 La relation entre la surface de revêtement et le pas de balayage ........... 22 Figure 1.8 Simulation de la première couche en fonction du pas ........................... 23 Figure 1.9 La programmation en ligne .................................................................... 25 Figure 1.10 Logiciel de programmation hors-ligne ................................................ 26 Figure 1.11 Méthodologie de programmation hors-ligne ....................................... 27 Figure 1.12 Génération de la trajectoire avec ingénierie inversée .......................... 29 Figure 1.13 Trajectoire sur une hélice ..................................................................... 30 Figure 1.14 Création de la trajectoire par la méthode de coupage ........................ 31 Figure 1.15 Trajectoire générée par le module AutoPath ........................................ 35 Figure 1.16 Etat de variation angulaire ................................................................... 36 Figure 1.17 Détections des collisions entre les objets ............................................ 37 Figure 1.18 Trajectoire du robot en projection thermique ...................................... 38 Figure 2.1 Structure du PathKit amélioré ............................................................... 51 Figure 2.2 Chargement du TST sous RobotStudio™5 ........................................... 53 Figure 2.3 Interface du PathKit ............................................................................... 54 Figure 2.4 Interface du ProfileKit ........................................................................... 54 Figure 2.5 Processus de création de la trajectoire par TST ..................................... 55 Figure 2.6 Simulation de la trajectoire du robot ..................................................... 56 Figure 2.7 Trajectoire générée par TST au pas de balayage 10mm ........................ 57 Figure 2.8 Trajectoire sur la surface courbe ............................................................ 58 Figure 2.9 La trajectoire du robot générée par TST sur la surface courbe .............. 59 Figure 2.10 Servocommande de l’axe externe ........................................................ 60 Figure 2.11 Principe de traitement de la surface rotationnelle ................................ 61 Figure 2.12 Trajectoire générée par TST sur une surface en rotation ..................... 62 Figure 2.13 Longueurs minimales entre deux trajectoires voisines ........................ 63 Figure 3.1 Accumulation des cordons singuliers de déposition .............................. 69 ~ 9 ~ Figure 3.2 Modèle du cordon singulier ................................................................... 70 Figure 3.3 Schéma de pistolet de projection à froid ............................................... 71 Figure 3.4 Profils du cordon singulier mesurés à différentes distances de projection ........................................................................................................... 72 Figure 3.5 Courbes gaussiennes ajustés dans MATLAB ........................................ 73 Figure 3.6 Ecart-type à différentes distances de projection .................................... 74 Figure 3.7 Interface graphique du ProfileKit .......................................................... 77 Figure 3.8 Angle de pente sur longueur .................................................................. 79 Figure 3.9 Epaisseurs et forme du dépôt en fonction de pas de balayage .............. 83 Figure 3.10 La relation non linéaire entre l'épaisseur du dépôt et le pas de balayage ........................................................................................................... 84 Figure 3.11 Epaisseur réelle et épaisseur estimée en fonction de pas de balayage. 86 Figure 4.1 Diagramme du MeshKit ........................................................................ 94 Figure 4.2 Décomposition de la pièce dans ANSYS .............................................. 97 Figure 4.3 Structure d’élément du SHELL43 ......................................................... 99 Figure 4.4 Ordre des nœuds généré par SHELL43 et SHELL 281 ...................... 100 Figure 4.5 Mapped mesh et free mesh sur la surface libre ................................... 101 Figure 4.6 Combinaison des lignes voisines ......................................................... 102 Figure 4.7 Mapped mesh sur la surface libre ........................................................ 103 Figure 4.8 Vecteurs normaux à la surface à revêtir ............................................... 104 Figure 4.9 Modules fonctionnels du MeshKit ...................................................... 107 Figure 4.10 Ordre de nœud du maillage SHELL43 .............................................. 108 Figure 4.11 Trajectoire générée par MeshKit sur la surface libre ......................... 112 Figure 4.12 Surface à revêtir d’une pièce complexe ............................................ 113 Figure 4.13 Maillage généré sur la surface à revêtir ............................................. 114 Figure 4.14 Trajectoire du robot générée sur la surface à revêtir ......................... 115 Figure 4.15 Optimisation de la trajectoire ............................................................ 116 Figure 4.16 Simulation de la trajectoire dans RobotStudio™ .............................. 117 Figure 4.17 Vitesse simulée dans RobotStudio™ ................................................. 118 Figure 4.18 Vitesse simulée à la vitesse définie ................................................... 119 Figure 4.19 Points et cordes sur la trajectoire ....................................................... 121 Figure 4.20 Diagramme d’optimisation de la trajectoire ...................................... 122 ~ 10 ~ Figure 4.21 Trajectoire optimisée ......................................................................... 123 Figure 4.22 Vitesse de la trajectoire originale et optimisée .................................. 124 Figure 5.1 Station virtuelle dans RobotStudio™ .................................................. 131 Figure 5.2 Trajectoire du robot sur la plaque ........................................................ 132 Figure 5.3 Champ de température et le profil radial de flux thermique (distance de projection : 80 mm) .......................................................................... 134 Figure 5.4 Isothermes de champ de température du gaz et trajectoire des particules [9] .......................................................................................................... 136 Figure 5.5 Profil du cordon après 60 passes de projection .................................. 137 Figure 5.6 Champ de température (K) à l’instant diffèrent à l’intervalle du temps de 0,6s ................................................................................................... 141 Figure 5.7 Champ de température de la source thermique de l’ensemble gaz et particules à l’instant diffèrent à l’intervalle du temps de 0,6s ......... uploads/Litterature/ these-cai-zhenhua-utbm.pdf