Assistance device associated to robot manipulators used in FSW process

Les robots industriels sont très utilisés aujourd’hui dans de nombreuses applications industrielles pour leur polyvalence et leur facilité programmation. Cependant, malgré leurs performances, ces robots ne sont pas adaptés à certains procédés de fabrication où des forces uniformes et élevées ainsi qu'une précision de positionnement appropriée sont requises. Le présent travail est axé sur la robotisation de l'une des opérations à forte charge, le soudage par friction-malaxage (FSW). Cette méthode d’assemblage s’utilise pour assembler des pièces en phase solide. Pour cette raison, une force de poussée très élevée est nécessaire pour ramollir le matériau pendant cette opération. En raison des forces élevées, la position de l'outil dévie de la trajectoire désirée. Dans ces travaux de thèse, la possibilité d'utiliser un dispositif d’assistance associé à un robot manipulateur est étudiée afin d’améliorer sa capacité de charge et sa rigidité. Dans une première partie, une modélisation géométrique, cinématique et dynamique ainsi que de déformation d’un robot industriel Kuka KR500-2MT est développée en localisant la flexibilité au niveau des articulations. La deuxième partie consiste à améliorer les performances de la robotisation du procédé FSW par différentes méthodes qui sont la modification du système de compensation de gravité, l’ajout d’une masse additionnelle sur l’outil, l’ajout d’une structure parallèle et l’utilisation de deux robots en mode coopératif. Les deux dernières solutions consistent à exercer des forces directement sur l’outillage. De cette façon, le mouvement de l'outil est principalement piloté par le robot industriel, tandis que le dispositif d’assistance (soit la structure parallèle ou le deuxième robot utilisé dans le système coopératif) assure la génération de forces de poussées très élevées. Des algorithmes d’optimisation ont été utilisés afin de minimiser les déviations de l’outil et donc réduire les défauts de soudage. Finalement, une étude de l’espace de travail est menée en utilisant le logiciel Catia. La connaissance de l'espace de travail pour les solutions proposées nous permet d’estimer les applications de soudage possibles ainsi que leur comparaison..Nowadays industrial robots are used in many manufacturing applications because of their versatility and easy applicability. Notwithstanding their performance these robots are not suitable for some manufacturing processes where uniform and high forces together with suitable precision of position are required. The present research is focused on the robotization of one of the high-thrust operations, the friction stir welding (FSW). This method for connecting two parts works while the connected materials are in the solid phase. For this reason a very high axial force is needed to soften the material during the welding process. Due to these high forces the position of the tool of a serial robot deviates from the desired trajectory. In this PhD work, the possibility of using a parallel structure device is investigated to improve the load capacity and stiffness of a heavy loadmanipulator robot. In a first part, the geometric, kinematic and dynamic modeling and the flexibility of an industrial robot, Kuka KR500-2MT are developed by locating flexibility at the joints. The second part is to improve the performance of the FSW process using an industrial robot. So different methods are examined: the modification of the gravity compensation system, the addition of an additional mass on the tool, the addition of a parallel structure and the use of a cooperative system. The last two solutions exert forces directly on the process tool. In this way the movement of the tool is mainly generated by the industrial serial robot, while the assistive device (either the parallel structure or the second robot used in the cooperatif system) ensures the generation of very high axial forces. Optimization algorithms are developed to minimize deviations and thus reduce welding defects. Finally, a study of the workspace is studied using Catia software. Knowledge of the system workspace with the proposed solutions allows to estimate the possible welding applications that can be achieved using these systems