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Diagnostic et adaptation des trajectoires robotiques en projection thermique Da

Diagnostic et adaptation des trajectoires robotiques en projection thermique Dandan Fang To cite this version: Dandan Fang. Diagnostic et adaptation des trajectoires robotiques en projection thermique. M´ ecanique [physics.med-ph]. Universit´ e de Technologie de Belfort-Montbeliard, 2010. Fran¸ cais. <NNT : 2010BELF140>. <tel-00598778> HAL Id: tel-00598778 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00598778 Submitted on 7 Jun 2011 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. N° d’ordre : 140 Année : 2010 Ecole Doctorale“Sciences 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’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard en Sciences pour l’Ingénieur Par Dandan FANG Soutenue le 8 Décembre 2010 Membres du jury Rapporteur : M. Rainer GADOW, Professeur, Université de Stuttgart, Stuttgart M. Eric BUSVELLE, Professeur, Université de Bourgogne, Auxerre Examinateur : M. Philippe LUTZ, Professeur, Université de Franche-Comté, Besançon M. Philippe CHARLES, Product Manager, ABB France, Saint-Ouen l'Aumône M. Ghislain MONTAVON, Professeur, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, Belfort M. Sihao DENG, Enseignant-Chercheur, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, Belfort M. Hanlin LIAO, Professeur, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, Belfort DIAGNOSTIC ET ADAPTATION DES TRAJECTOIRES ROBOTIQUES EN PROJECTION THERMIQUE Remerciements Ce sont pour vous les premières lignes à lire avant bien d’autres. Pour moi, ce sont les dernières à écrire. Celles-ci pour rappeler qu’une thèse n’est pas seulement un mémoire d’une centaine de pages mais avant tout un travail qui n’aurait pu être mené à bien sans l’aide de nombreuses personnes. Celles-ci n’apparaissent pas forcément toutes dans le manuscrit. Je vais donc essayer ici de les remercier. Avant de commencer, je tiens à préciser que je vais sans doute involontairement en oublier certaines. D’avance, je leur prie de bien vouloir m’en excuser. Ce travail de thèse est le fruit d’un programme CSC/UT-INSA. L’objectif du programme CSC/UT-INSA est de former par la recherche des doctorants chinois dans les laboratoires des établissements des réseaux UT et INSA. Ce programme est financé par le China Scholarship Council. Je tiens donc à remercier le gouvernement chinois pour me donner une bonne occasion d'étudier à l'étranger et Monsieur le professeur Christian CODDET, le directeur du laboratoire d’Etudes et de Recherches sur les Matériaux, les Procédés et les Surfaces (LERMPS), pour m’avoir donné cette occasion de recherche. Je tiens à remercier l’ensemble des membres du jury pour avoir accepté d’examiner ce travail. Plus particulièrement, je remercie à Monsieur le professeur Philippe LUTZ pour m’avoir fait le plaisir de présider le jury et Monsieur le professeur Rainer GADOW et Monsieur le professeur Eric BUSVELLE pour l’attention particulière portée au manuscrit en leur qualité de rapporteurs. Je souhaite aussi exprimer ma gratitude envers Monsieur le professeur Hanlin LIAO, mon directeur de thèse, de m’avoir accueilli au sein du laboratoire et pour m’avoir guidé grâce à son expérience et ses précieux conseils ainsi que pour m’avoir soutenu par sa disponibilité et sa constante bonne humeur. Je souhaite exprimer également ma gratitude envers Monsieur Sihao DENG qui m’a conseillé beaucoup tout au long de cette étude. Il a facilité et encouragé le bon déroulement de cette thèse. Il m’a aidé non seulement dans les recherches mais aussi dans la vie quotidienne. Je tiens à remercier la société ABB qui fournit la plateforme robotique sur laquelle j’ai fait cette étude. Je remercie spécialement Messieurs Philippe CHARLES, Philippe URIOT chez ABB pour les suggestions de développement et pour le support technique apporté sur cette plateforme. Je ne saurais terminer sans remercier chaleureusement toutes les personnes qui ont facilité et encouragé le bon déroulement de cette thèse, notamment Monsieur Christian ADAM pour son aide précieuse lors du travail de projection, Messieurs Christophe VERDY, Rodolphe BOLOT, Pierre-Laurent CODDET pour ses aides concernant les corrections exquises da ma thèse. J’exprime aussi ma reconnaissance à tous les membres de l’équipe du LERMPS pour leurs sympathies et encouragements. Un dernier merci à ma famille ainsi qu’à mes amis pour leur soutien indéfectible. Voilà, mission accomplie, mais pour vous, c’est maintenant que les choses sérieuses commencent, bonne lecture et bon courage, … I SOMMAIRE Introduction .................................................................................................................... 1 Chapitre 1 Généralité de projection thermique et de robot ................................. 3 1.1 Projection thermique ..............................................................................................5 1.1.1 Principe de projection thermique .....................................................................5 1.1.2 Procédés de projection thermique ....................................................................6 1.1.3 Influence des paramètres cinématiques en projection thermique .....................9 1.1.3.1 Vitesse relative torche/substrat ..............................................................10 1.1.3.2 Angle de projection ............................................................................... 11 1.1.3.3 Distance de projection ...........................................................................12 1.1.3.4 Pas de balayage .....................................................................................13 1.1.4 Influence des flux de chaleur sur la qualité du dépôt .....................................14 1.1.5 Manipulation de la torche ...............................................................................15 1.2 Robot industriel ....................................................................................................18 1.2.1 Introduction ....................................................................................................18 1.2.2 Description du système du robot multi-joint ..................................................19 1.2.2.1 Structure ................................................................................................19 1.2.2.2 Décomposition d’un robot en sous-systèmes ........................................21 1.2.3 Cinématique des robots ..................................................................................22 1.2.3.1 Degrés de liberté ....................................................................................22 1.2.3.2 Espace de travail ....................................................................................22 1.2.3.3 Capacité de charge .................................................................................23 1.2.3.4 Performance en vitesse ..........................................................................24 1.2.3.5 La précision et la répétabilité ................................................................24 1.2.3.6 Systèmes de coordonnées ......................................................................25 1.2.3.7 Configuration posture ............................................................................27 1.2.3.8 Caractéristiques techniques d’un robot industriel typique ....................28 1.3 Programmation robotique .....................................................................................29 1.3.1 Programmation par apprentissage ..................................................................29 II 1.3.2 Programmation par langage ............................................................................30 1.3.3 Programmation graphique ..............................................................................31 1.4 Etat de l’art de programmation robotique en projection thermique .....................33 1.5 RobotStudio™ 4 ...................................................................................................40 1.5.1 Fonctions du RobotStudio™ 4 .......................................................................40 1.5.2 Inconvénients de la génération des trajectoires pour la projection thermique41 1.5.3 Thermal Spray Toolkit (TST) .........................................................................42 1.6 Objectif des travaux ..............................................................................................42 Références .....................................................................................................................44 Chapitre 2 Planification de la trajectoire adaptée à la projection thermique en fonction des paramètres cinématiques dans RobotStudio™ 5 ............... 49 2.1 Modélisation des objets géométriques .................................................................51 2.2 Définition du CDO ...............................................................................................52 2.3 Positionnement de la pièce ...................................................................................53 2.4 Génération de la trajectoire en fonction de la forme de la pièce et des paramètres cinématiques .................................................................................................................55 2.4.1 Développement de TST sous RobotStudio™ 5 pour la projection thermique55 2.4.1.1 Environnement de développement de l’extension logicielle (Add-in) ..56 2.4.1.2 Fonctionnalités du TST .........................................................................57 2.4.1.3 Structure du programme pour générer les trajectoires ..........................58 2.4.2 Génération de la trajectoire sur une surface plate ..........................................59 2.4.2.1 Surface polygonale ................................................................................59 2.4.2.2 Surface à bords arrondis ........................................................................61 2.4.3 Génération de la trajectoire sur une surface courbe .......................................62 2.4.3.1 Le premier type de surfaces courbes .....................................................62 2.4.3.2 Le deuxième type de surfaces courbes ..................................................65 2.4.3.3 Calcul de la vitesse du CDO ..................................................................67 2.5 Simulation dans RobotStudio™ 5 ........................................................................69 2.6 Expérimentations ..................................................................................................69 2.6.1 Etude d’une trajectoire pour vérifier les vitesses calculées du CDO .............69 2.6.2 Etalonnage ......................................................................................................71 2.6.2.1 Etalonnage du CDO ...............................................................................71 III 2.6.2.2 Etalonnage de la position de pièce ........................................................73 2.6.3 Paramètres de projection en APS ...................................................................73 2.6.4 Résultats expérimentaux .................................................................................74 2.7 Conclusions ..........................................................................................................76 Référence ......................................................................................................................77 Chapitre 3 Amélioration de la trajectoire ............................................................ 79 3.1 Nécessité d’amélioration de la trajectoire ............................................................81 3.2 Analyse du problème ............................................................................................81 3.3 Critères d’amélioration .........................................................................................82 3.4 Stratégies ..............................................................................................................83 3.4.1 Modification de l’installation de la torche......................................................83 3.4.2 Modification de l’angle entre deux points voisins .........................................89 3.5 Simulation de la vitesse du CDO .........................................................................90 3.5.1 Simulation de modification de l’installation de la torche ...............................90 3.5.2 Simulation de changement de l’angle ............................................................92 3.6 Vérification par expérimentation ..........................................................................93 3.6.1 Protocole de l’expérimentation ......................................................................93 3.6.2 Influence de la charge sur la vitesse du robot ................................................95 3.6.3 Epaisseur du revêtement .................................................................................96 3.6.4 Microstructure du revêtement ........................................................................97 3.7 Conclusions ..........................................................................................................99 Références ...................................................................................................................100 Chapitre 4 Application avec axe externe en projection thermique .................. 101 4.1 Introduction à l’axe externe ................................................................................103 4.2 Nécessité de l’axe externe en projection thermique ...........................................104 4.3 Utilisation d’un axe externe dans RobotStudio™ 5 ...........................................105 4.3.1 Construction d’un axe externe dans RobotStudio™ 5 .................................105 4.3.2 Programmation de l’axe externe ...................................................................106 4.4 Génération de la trajectoire automatique avec l’axe externe..............................108 4.4.1 Trajectoire verticale ......................................................................................108 4.4.2 Trajectoire horizontale..................................................................................110 IV 4.4.3 Méthodes de calcul des angles de rotation ...................................................111 4.5 Installation de l’axe externe sur site ...................................................................112 4.5.1 Matériaux nécessaires ...................................................................................112 4.5.2 Combinaisons de l’axe externe avec le système du robot ............................113 4.6 Expérimentation .................................................................................................114 4.6.1 Etalonnage ....................................................................................................114 4.6.1.1 Etalonnage du CDO ............................................................................. 114 4.6.1.2 Etalonnage du Repère-Utilisateur pour l’axe externe rotatif ............... 114 4.6.1.3 Calibration de la position de la pièce .................................................. 115 4.6.2 Protocoles expérimentaux ............................................................................115 4.6.3 Projection avec la trajectoire verticale .........................................................116 4.6.4 Projection avec la trajectoire horizontale .....................................................119 4.6.4.1 Vérification de la vitesse du CDO relative .......................................... 119 4.6.4.2 Epaisseur du dépôt ...............................................................................120 4.6.5 Conclusions des expérimentations ...............................................................123 Références ...................................................................................................................124 Conclusions générales et perspectives ...................................................................... 125 V LISTE DES FIGURES Figure 1.1 Principe général de la projection thermique ............................................. 5 Figure 1.2 Paramètres cinématiques en projection thermique.................................... 9 Figure 1.3 Projection pour la pièce en rotation ........................................................ 10 Figure 1.4 Angles de projection................................................................................ 11 Figure 1.5 Distance de projection ............................................................................. 12 Figure 1.6 Pas de balayage ....................................................................................... 13 Figure 1.7 Projection sur la rotule de la pièce uploads/Science et Technologie/ 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