10 research outputs found

    Étude des propriétés vibratoires d'un système robotique en opération de meulage par modélisation multi-corps flexibles

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    Un robot à 6 degrés de liberté a été développé depuis de nombreuses années par l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) afin de réaliser des réparations in situ d’équipements hydroélectriques. Ce robot a été conçu dans le but d’effectuer plusieurs tâches comme le soudage, le meulage, ou encore le martelage, tout en gardant l’équipement à réparer dans son environnement. Pour ceci le robot possède des qualités de compacité, de portabilité et de poids qui impliquent malheureusement des problèmes au niveau vibratoire et donc de contrôle de trajectoire et d’enlèvement de matière. Ce document présente donc dans un premier temps la modélisation numérique du robot à l’aide d’un logiciel multi-corps, MD Adams, où la flexibilité des joints et membrures sont mises en place. Pour les membrures flexibles, un logiciel de type éléments-finis, Patran, est utilisé en parallèle afin de déterminer les informations modales de chaque bras et de les introduire dans le logiciel MD Adams. Ce modèle permet de déterminer le comportement vibratoire du robot pour des trajectoires prédéfinis. Ensuite, une partie expérimentale est exposée. Elle a pour objectif de valider le modèle numérique en inspectant la trajectoire de l’effecteur puis de chaque membrure avec un système de mesure laser. En effectuant un traitement de données, celles-ci sont regroupées avec les données numériques et une étude est faite dans le but de valider puis d’optimiser le modèle. Avec le modèle numérique, des simulations de meulages sont faites en introduisant une masse excentrée en rotation (qui représente le balourd de la meule) ainsi qu’une force de contact. En conséquence, les modes de vibrations sont mis en évidence et peuvent être observés dans la trajectoire de l’effecteur. Le modèle numérique réalisé sous Adams a de nombreuses utilités futures, tel que le contrôle du robot ou encore pour des études vibratoires plus approfondies sur celui-ci

    Numerical and experimental study of a flexible robotic grinding process

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    Robotic grinding is among the least studied processes due to its complexity compared to conventional grinding and other machining processes. In robotic grinding with a light, flexible robot, low manipulator stiffness is a key factor affecting process behavior and causing impact phenomena. Force prediction and thermal damage are important aspects to consider in robotic grinding because of the vibrational nature of the process. The portable robot used in the process under study is a multi-purpose track-based manipulator developed by IREQ, Hydro-Quebec’s research institute. The main application of this light-weight robot, named “SCOMPI” (Super COMPact robot Ireq), is in situ maintenance of hydro turbine runners. It is observed that the grinding process by this robot is interrupted at each revolution of the wheel rather than having a continous cutting action. This impact cutting behavior appears due to the low stiffness of the flexible manupulator under high grinding forces. Special attention has thus been given to gain a better understanding of the material removal process in such robotic grinding. The objective is to establish appropriate relations among chip formation, operational cutting forces, temperature, material removal rate and consumed power in the process. The purpose of this study is to use numerical and experimental methods to gain a better understanding of this flexible robotic grinding process. First, a finite element thermal analysis is carried out to evaluate thermal aspects of the process, such as the energy partition ratio and temperature distribution in the workpiece. A new representation of the heat source in line with the impacting effects of robotic grinding is considered in the model. Experimental measurements in conjunction with numerical analyses led to an energy partition model applicable to this study under varying operating conditions. In the second part, the topography of grinding wheels used in the process is characterized and related to depth of cut. The cutting edges of wheels have a significant effect in process efficiency and are essential in understanding material removal in the grinding process. The variation of wheel topography due to process conditions is demonstrated. Knowledge of the edges involved in cutting during the process are vital for micro-scale modeling of cutting interactions occuring in the wheel-workpiece contact zone. Ongoing work on micro-scale force modeling through FEM will benefit from this wheel topography study. The third part of this thesis is dedicated to enhancing the empirical basis for an existing force model of the process. An impact cutting regime is observed by means of high-speed camera recordings and measured process force signals. This regime is detected at different grinding power levels and used in identifying the empirical coefficients. The energy partition model from the first part of study is also incorporated to obtain a friction-chip energy ratio used to determine the force model constants

    Modélisation et simulation dynamique d'un robot avec bras et membrures flexibles par le logiciel MD Adams

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    L’institut de recherche d’Hydro-Québec développe depuis de nombreuses années un robot à 6 degrés de liberté afin de réaliser des réparations in situ d’équipements hydroélectriques. Ce robot a été conçu dans le but d’effectuer plusieurs tâches de réparation comme le soudage, le meulage, ou encore le martelage, tout en gardant l’équipement à réparer dans son environnement. Pour ceci le robot possède des qualités de compacité, de portabilité et de légèreté qui impliquent malheureusement des problèmes au niveau vibratoire lors de différents procédés. Ce mémoire présente donc la modélisation numérique du robot SCOMPI à 6 degrés de liberté à l’aide d’un logiciel multi-corps MD Adams. La flexibilité des joints et membrures sont mises en places dans ce modèle. Les phénomènes tels que la rigidité non-linéaire, l’erreur cinématique et l’hystérésis sont introduits dans la flexibilité des joints. Ensuite, pour considérer la flexibilité des membrures, un logiciel éléments-finis, Patran, est utilisé en parallèle afin de déterminer les informations modales de chaque bras et de les introduire dans le modèle Adams. Le comportement vibratoire peut donc être observé pour une trajectoire prédéfinie. Ensuite, une partie expérimentale est exposée. Elle a pour objectif de valider le modèle numérique en inspectant la trajectoire de l’effecteur avec un système de mesure laser. En effectuant un traitement des données avec notamment l’utilisation d’un programme de minimisation paramétrée, les données mesurées par le laser de poursuite peuvent être confrontées aux données simulées par Adams. L’étude des mesures dynamiques permettent donc de déterminer l’effet de différents phénomènes comme la rigidité, l’hystérésis et l’erreur cinématique. L’importance de la rigidité non-linéaire a pu être montrée et la trajectoire globale du robot SCOMPI a été retrouvée avec le modèle Adams. Les modes vibratoires ont également pu être retrouvés avec le logiciel Adams. Pour finir, une modélisation simplificatrice des efforts de meulage est mise en place dans le modèle numérique en introduisant un balourd au niveau du disque de meulage. Cette modélisation permet de tester la stabilité du modèle mais aussi de voir l’apparition d’ondulations vibratoires lorsque le robot est excité par une force dynamique à l’effecteur

    Modélisation électro-magnéto-thermique et optimisation des paramètres de chauffe d'un nouveau système de traitement thermique par induction robotisé

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    La pérennité des installations hydroélectriques est un enjeu d’actualité au Québec. Les roués de turbine hydraulique, sujettes à la fissuration par fatigue et à une érosion par cavitation, sont parmi les composantes les plus critiques à réparer. Lorsqu’un bris survient, les réparations sont faites par soudage. Or, sur les roues en acier inoxydable martensitique, un traitement thermique est requis après soudage pour diminuer les contraintes résiduelles, restaurer la microstructure, et ainsi maximiser la durée de vie des réparations. Cependant, il est actuellement impossible d’aller effectuer un tel traitement thermique en place. Pour pallier à cette limitation, l’Institut de recherche d’Hydro-Québec développe un système robotisé de traitement thermique in situ par induction. Un inducteur serpentin est assemblé à l’effecteur d’un bras robotisé à six degrés de liberté. L’inducteur est déplacé selon une trajectoire va-et-vient au-dessus de la zone à traiter. Un des aspects critiques pour assurer l’efficacité du traitement thermique est le contrôle précis de la distribution de temperature dans la zone à traiter. Par exemple, sur les roues Francis en CA6NM, une plage de température particulièrement étroite de 620 ± 10°C est requise. Dans cette optique, l’objectif de ce travail de recherche est double. D’une part, il s'agit de développer un modèle numérique du système de chauffage par induction pour prédire la température générée dans la pièce à chauffer. D’autre part, il s’agit de développer une méthode numérique d’optimisation de la trajectoire et des paramètres de chauffage de façon à générer le profil de temperature ciblé. Dans les deux cas, les méthodes numériques développées doivent être suffisamment rapides pour permettre à l’équipe en chantier de s’adapter en un minimum de temps à tout imprévu rencontré. Comme première approche, le flux de chaleur généré par l’inducteur est représenté par une source de chaleur dans un modèle thermique éléments finis. La densité de flux de chaleur générée par l’inducteur en mouvement est considérée proportionnelle au temps que passé l’inducteur au-dessus de chaque point. Une distribution moyenne de densité de puissance sur un cycle de trajectoire est obtenue à chaque pas de temps d’une simulation transitoire. Cette façon de faire diminue grandement le temps de simulation. L’algorithme des gradients conjugués est ajouté au code thermique éléments finis pour optimiser les paramètres de cette source de chaleur moyenne. La puissance électrique, la trajectoire, la géométrie de l’inducteur et la distance inducteur-pièce sont optimisées pour obtenir une distribution de température qui soit la plus uniforme possible et la plus près possible des tolerances demandées, dans une zone donnée. La distribution de température et les paramètres optimaux calculés avec cette approche ont permis d’effectuer avec succès un traitement thermique après soudage sur une plaque d’acier inoxydable martensitique UNS S41500, en laboratoire. Ces résultats démontrent la validité de la source de chaleur moyenne pour modéliser et optimiser le système d’induction. Cependant, le modèle empirique n'est valide que pour une plage limitée de géométrie et de positionnement d’inducteur par rapport à la pièce à chauffer. Afin de représenter avec plus de précision la physique du chauffage par induction et prédire la distribution de température générée par l’inducteur serpentin, un modèle électro-magnétothermique est développé. Le principal défi est de tenir compte de l’effet de la haute fréquence du système d’induction sur la distribution de courant dans l’inducteur et les conducteurs du système. La distribution de courant devient très non-uniforme en raison de l’effet de peau et l’effet de proximité. L’hypothèse d’une distribution de courant uniforme dans les conducteurs souvent utilizes pour modéliser les applications électromagnétiques similaires engendre une erreur importante dans le calcul des pertes par effet Joule dans les composantes du système d’induction. Cette erreur se traduit par une mauvaise évaluation de l'efficacité du système, et donc de la puissance générée dans la pièce à chauffer. Pour calculer avec précision la distribution de courant tout en cherchant à minimiser le temps de calcul, un modèle électromagnétique basé sur une formulation intégrale des équations de Maxwell est utilisé. L’avantage par rapport à la méthode des éléments finis est que seulement les matériaux conducteurs sont considérés, ce qui diminue grandement le nombre d’inconnues. Pour simplifier le modèle, les géométries 3D de l’inducteur et des conducteurs sont respectivement représentées par des géométries 2D axisymétriques et rectilignes. Les conducteurs sont discrétisés en éléments circulaires ou rectilignes à l’intérieur desquels la densité de courant est considérée constante. Chaque élément est représenté par une résistance, une auto-inductance et une inductance mutuelle. La loi de Kirchhoff est utilisée pour former un système linéaire d’équations complexes. Le système est résolu pour obtenir le courant dans chaque élément. L’auto-inductance et l’inductance mutuelle de chaque élément sont calculées à partir des équations d’inductance mutuelle entre deux filaments, placés à une distance égale à la distance moyenne géométrique de leur section. De nouvelles formules d’inductances mutuelles entre filaments circulaires sont développées pour prendre en compte le chauffage de matériaux ferromagnétiques. De nouvelles expressions sont également développées pour calculer la densité de flux magnétique généré par l’inducteur en présence d’un matériau ferromagnétique. Ces nouvelles expressions sont exprimées en fonction des intégrales elliptiques, très efficaces d’un point de vue calcul numérique. Les résultats du modèle électromagnétique multifilament concordent avec ceux obtenus avec un logiciel d’analyse par éléments finis commercial. Le modèle électromagnétique multifilament est ensuite couplé à un modèle thermique différences finies pour calculer la température des conducteurs et à un modèle thermique éléments finis pour calculer la distribution de température dans la pièce à chauffer. Ces modèles sont ensuite couplés à un modèle électrotechnique pour représenter le circuit RLC du système d’induction. Les pertes par hystérésis sont modélisées en utilisant le concept de perméabilité magnétique complexe. La puissance dissipée dans le système d’induction calculée avec le modèle électro-magnéto-thermique est comparée avec des mesures expérimentales. De plus, les distributions de température dans une plaque d’acier inoxydable austénitique UNS S31600 non magnétique et une plaque d’acier au carbone AISI 1045 ferromagnétique sont mesurées et comparées avec les prédictions du modèle. Les résultats confirment la validité et l’efficacité du modèle électro-magnéto-thermique développé

    Flexible Automation and Intelligent Manufacturing: The Human-Data-Technology Nexus

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    This is an open access book. It gathers the first volume of the proceedings of the 31st edition of the International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing, FAIM 2022, held on June 19 – 23, 2022, in Detroit, Michigan, USA. Covering four thematic areas including Manufacturing Processes, Machine Tools, Manufacturing Systems, and Enabling Technologies, it reports on advanced manufacturing processes, and innovative materials for 3D printing, applications of machine learning, artificial intelligence and mixed reality in various production sectors, as well as important issues in human-robot collaboration, including methods for improving safety. Contributions also cover strategies to improve quality control, supply chain management and training in the manufacturing industry, and methods supporting circular supply chain and sustainable manufacturing. All in all, this book provides academicians, engineers and professionals with extensive information on both scientific and industrial advances in the converging fields of manufacturing, production, and automation

    Flexible Automation and Intelligent Manufacturing: The Human-Data-Technology Nexus

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    This is an open access book. It gathers the first volume of the proceedings of the 31st edition of the International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing, FAIM 2022, held on June 19 – 23, 2022, in Detroit, Michigan, USA. Covering four thematic areas including Manufacturing Processes, Machine Tools, Manufacturing Systems, and Enabling Technologies, it reports on advanced manufacturing processes, and innovative materials for 3D printing, applications of machine learning, artificial intelligence and mixed reality in various production sectors, as well as important issues in human-robot collaboration, including methods for improving safety. Contributions also cover strategies to improve quality control, supply chain management and training in the manufacturing industry, and methods supporting circular supply chain and sustainable manufacturing. All in all, this book provides academicians, engineers and professionals with extensive information on both scientific and industrial advances in the converging fields of manufacturing, production, and automation

    Étude du profilage d'outil de meulage dédié aux procédés robotisés

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    L’Institut de Recherche d’Hydro-Québec (IREQ) a développé une technologie robotique portative (robot SCOMPI) permettant d’automatiser plusieurs procédés de réparation et d’entretien des turbines hydroélectriques. Lors du procédé de meulage, certaines surfaces à fortes courbures, comme les raccordements, ne sont pas encore accessibles au robot et doivent actuellement être rectifiées à la main. La problématique est que la meule s’use très rapidement et qu’il est difficile de contrôler l’orientation et la position du robot pour s’adapter au changement de forme de l’outil. Ce mémoire présente une méthode pour maintenir le profil de la meule durant le procédé de meulage afin d’améliorer le contrôle de l’enlèvement de matière. Une analyse du profilage d’outil de meulage a permis d’identifier les particularités et limitations de ce nouveau procédé. Des outils de modification des meules ont été développés pour percer et tailler les meules embouts, utilisées couramment pour ce type d’opération, et ainsi permettre la robotisation et l’étude du procédé de profilage. Des instruments de mesure et des méthodologies expérimentales ont été développés afin de mesurer les paramètres de meulage. Un banc de mesure de profil de la meule et un banc de mesure de la force normale ont donc été réalisés. La caractérisation du banc d’essai de meulage a permis de définir les paramètres de contrôle de la meuleuse et de compenser la compliance du robot SCOMPI durant le procédé afin d’optimiser l’asservissement de la puissance de meulage. Plusieurs modèles d’enlèvement de matière et d’usure de la meule ont été développés et validés par des essais expérimentaux. Ces essais ont permis dans un premier temps d’identifier l’importance de combiner la puissance de meulage et la force normale afin d’augmenter la robustesse des modèles d’enlèvement de matière et d’usure de la meule. Les résultats ont démontré également qu’il est beaucoup plus difficile de prévoir l’usure de la meule que l’enlèvement de matière. Pour réaliser spécifiquement l’opération de profilage, un modèle d’oscillation de la meule est proposé et testé expérimentalement. Une série d’essais a permis de démontrer que l’oscillation de l’outil sur la pièce permet d’améliorer le contrôle du profil de la meule et d’accroître le taux d’enlèvement de matière. L’oscillation modélisée permet de minimiser de plus de 25% l’erreur de profil comparativement à une oscillation linéaire. Le contrôle de la puissance de meulage et la compensation de la flexibilité du robot sont les éléments clés permettant d’optimiser le profilage d’outil de meulage. De façon générale, ce projet de recherche permet de jeter les bases du profilage d’outil de meulage dédié aux procédés robotisés et d’identifier les facteurs importants permettant la réalisation de ce nouveau procédé

    A gravel-sand bifurcation:a simple model and the stability of the equilibrium states

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    A river bifurcation, can be found in, for instance, a river delta, in braided or anabranching reaches, and in manmade side channels in restored river reaches. Depending on the partitioning of water and sediment over the bifurcating branches, the bifurcation develops toward (a) a stable state with two downstream branches or (b) a state in which the water discharge in one of the branches continues to increase at the expense of the other branch (Wang et al., 1995). This may lead to excessive deposition in the latter branch that eventually silts up. For navigation, flood safety, and river restoration purposes, it is important to assess and develop tools to predict such long-term behavior of the bifurcation. A first and highly schematized one-dimensional model describing (the development towards) the equilibrium states of two bifurcating branches was developed by Wang et al (1995). The use of a one-dimensional model implies the need for a nodal point relation that describes the partitioning of sediment over the bifurcating branches. Wang et al (1995) introduce a nodal point relation as a function of the partitioning of the water discharge. They simplify their nodal point relation to the following form: s*=q*k , where s* denotes the ratio of the sediment discharges per unit width in the bifurcating branches, q* denotes the ratio of the water discharges per unit width in the bifurcating branches, and k is a constant. The Wang et al. (1995) model is limited to conditions with unisize sediment and application of the Engelund & Hansen (1967) sediment transport relation. They assume the same constant base level for the two bifurcating branches, and constant water and sediment discharges in the upstream channel. A mathematical stability analysis is conducted to predict the stability of the equilibrium states. Depending on the exponent k they find a stable equilibrium state with two downstream branches or a stable state with one branch only (i.e. the other branch has silted up). Here we extend the Wang et al. (1995) model to conditions with gravel and sand and study the stability of the equilibrium states

    Optimisation par éléments finis des trajectoires de chauffage par induction pour un traitement thermique robotisé in situ

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    Dans un contexte où les installations hydroélectriques d’Hydro-Québec sont vieillissantes, l’augmentation de la durée de vie des équipements est un enjeu majeur. Avec l’objectif d’augmenter la durée de vie des réparations de fissures sur les roues de turbine en acier CA6NM, l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) développe un nouveau procédé robotisé de traitement thermique par induction in situ. Un inducteur de type serpentin est déplacé par le manipulateur SCOMPI, suivant une trajectoire rectiligne va-et-vient. Ce procédé permettra d’effectuer efficacement des traitements thermiques après soudage, nécessaire pour restaurer les propriétés mécaniques dans la zone réparée. Un des aspects critiques du procédé est le contrôle précis du profil de température. Pour la réussite du traitement thermique demandé sur le CA6NM, le profil de température doit respecter une tolérance de ± 10 °C, autour de 620 °C. Dans ce mémoire, une méthode numérique, combinant analyse par éléments finis et techniques d’optimisation est développée. L’objectif est de déterminer les paramètres de chauffe et de trajectoires optimaux pour obtenir un profil de température le plus près possible de la température cible et qui soit le plus uniforme possible. Pour prédire le profil de température, la puissance injectée en un aller-retour de l’inducteur est approximée en utilisant une source moyenne. La validité de cette approximation est vérifiée expérimentalement, sur une géométrie plane et une géométrie courbe. Le profil de température généré par cette source dépend de la géométrie de la trajectoire et de l’inducteur ainsi que de la puissance fournie. Un algorithme de gradient conjugué est ajouté au solveur thermique pour optimiser ces différents paramètres. Premièrement, le profil de température transversal est uniformisé en optimisant la géométrie de l’inducteur et la distance entre l’aller et le retour sur la trajectoire (décalage). Un rayon extérieur de 37 mm, un rayon intérieur de 13 mm ainsi qu’un décalage de 70 mm permettent d’obtenir le profil de température le plus uniforme. Le rayon intérieur n’est pas déterminé par l’optimisation mais par le procédé de fabrication des serpentins. La sélection du diamètre extérieur est également contrainte par le procédé de fabrication et doit représenter un nombre fixe de spires. De plus, Il est trouvé que le décalage optimal est, règle générale, 95 % du diamètre extérieur de l’inducteur. Deuxièmement, le profil de température longitudinal est uniformisé en optimisant la puissance injectée à différentes positions de l’inducteur sur la trajectoire. Troisièmement, pour uniformiser davantage le profil de température, l’orientation de l’inducteur est optimisée. Les angles optimaux trouvés sont de 4,3 ° dans la partie rectiligne de la trajectoire et de 14 ° dans la zone de virage. Les différents essais expérimentaux réalisés ont montré que le modèle est représentatif de la réalité. L’écart relatif obtenu entre les températures calculées et mesurées est en moyenne de 1,5 %. De plus, des résultats concluants sont obtenus lors d’un traitement thermique après soudage effectué en laboratoire
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