Thèse Ke WANG - Laboratoire de Conception Fabrication Commande

N°: 2009 ENAM XXXX
2016-ENAM-00XX
École doctorale n° 432 : Science des Métiers de l’Ingénieur
Doctorat ParisTech
(mémoire provisoire)
THÈSE
pour obtenir le grade de docteur délivré par
l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers
Spécialité “ Automatique ”
présentée et soutenue publiquement par
Ke WANG
le 28 janvier 2016
Robot manipulator modeling for robust force control
used in Friction Stir Welding (FSW)
~~~
Modélisation d’un robot manipulateur en vue de
la commande robuste en force utilisé en soudage FSW
Directeur de thèse : Gabriel ABBA
Co-encadrement de la thèse : François LEONARD
Jury
M. Wolfgang SEEMANN, Professeur, Karlsruher Institute of Technology
M. Stéphane CARO, Chargé de recherche, IRCCyN, CNRS
M. Guillaume MOREL, Professeur, Université de Pierre et Marie Curie, Paris VI
M. Aurelien ROBINEAU, Ingénieur, Institut de Soudure
M. Gabriel ABBA, Professeur, LCFC, Université de Lorraine
M. François LEONARD, Maître de conférences, LCFC, Université de Lorraine
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Invité
Examinateur
Examinateur
T
H
È
S
E
Arts et Métiers ParisTech - Centre de Metz
Laboratoire de Conception Fabrication Commande
MODELISATION D’UN ROBOT MANIPULATEUR EN VUE DE LA COMMANDE
ROBUSTE EN FORCE UTILISE EN SOUDAGE FSW
RESUME : Le travail présenté dans cette thèse concerne la modélisation et la commande
robuste en force de robots manipulateurs industriels à articulations flexibles utilisés pour le
procédé FSW. Afin de réduire les temps de calcul et l'occupation de la mémoire, une approche
basée sur la méthode par intervalle est proposée en vue de la simplification des modèles
dynamiques des robots industriels, et contribue à identifier les paramètres d'inertie qui sont
négligeables. Des études de cas sur trois types de trajectoires de test et l’analyse des couples
moteurs ont démontré l'efficacité et les bonnes performances de la méthode de simplification.
Ensuite, la modélisation dynamique et l'identification des paramètres du procédé FSW ont été
effectuées. Les paramètres des modèles linéaires et non-linéaires de forces axiales sont
identifiés. Sur la base de la modélisation du procédé FSW qui considère simultanément la
cinématique du système complet, le modèle de déplacement du robot rigide, les flexibilités des
articulations et le modèle dynamique de la force axiale, un contrôleur robuste en force est
obtenu par la méthode de réglage fréquentielle. En outre, un simulateur du procédé FSW
robotique est développé et les résultats de simulation montrent les bonnes performances du
contrôleur en force. L'oscillation de la force axiale dans le procédé FSW peut être simulée en
utilisant un modèle de perturbation de la position verticale de référence.
Mots clés : commande de robots industriels à articulations flexibles, commande robuste en
force, identification du procédé de soudure par frottement-malaxage, simplification de modèles
dynamiques, identification du modèle du robot dans l’espace cartésien.
ROBOT MANIPULATOR MODELING FOR ROBUST FORCE CONTROL USED IN
FRICTION STIR WELDING (FSW)
ABSTRACT: The work presented in this thesis focuses on the modeling and robust force
control of flexible joints industrial robot manipulators used for FSW process. In order to reduce
computation time and memory occupation, a novel interval-based approach for dynamic model
simplification of industrial robots is proposed, which applies to arbitrary trajectories of whole
robot workspace and contributes to obtaining negligible inertia parameters. Cases studies have
been carried out on three kinds of test trajectories and torques analysis of robot dynamic
equation, demonstrating the effectiveness and good performance of the simplification method.
Then, the dynamic modeling and identification of robotic FSW process is performed, and the
parameters of linear and nonlinear dynamic axial force process models are identified by using
the plunge depth and its derivative. On the basis of the modeling of robotic FSW process which
simultaneously considers the complete kinematics, the rigid robot displacement model, the joint
flexibility and the dynamic axial force process model, a robust force controller can be obtained
by using the frequency response approach. Besides, a simulator of robotic FSW process is
developed and simulation results show good performance of the force controller. The oscillation
of axial force in FSW process can be simulated when a disturbance model of zero force contact
position in z direction is proposed and used in the simulation.
Keywords : flexible joint industrial manipulator control, robust force control, friction stir welding
process identification, dynamic model simplification, robot Cartesian model identification.