Synthèse et réglage de lois de commandes adaptées aux axes souples en translation : application aux robots cartésiens 3 axes

Control design and tuning for flexible axis in translation

• Auteur / Autrice : Frédéric Colas
• Direction : Pierre Borne, Jean-Yves Dieulot, Pierre-Jean Barre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique industrielle et automatique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecole Centrale de Lille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse modale (ingénierie)

Vibrations auto-induites

Vibrations

Robots industriels

Robots -- Systèmes de commande

Servomécanismes

Robots -- Dynamique

Mots clés libres

Robots cartésiens

Résumé

Les robots cartésiens sont utilisés dans de nombreux processus industriels et notamment dans l’industrie plastique pour des opérations de décharge de presses à injection. Augmenter les performances de ces machines passe par l’utilisation de structures allégées. En effet, la réduction des masses en mouvement permet de réduire sensiblement les coûts de fabrication et d’accroître les caractéristiques dynamiques générales. Cependant, l’augmentation de la souplesse mécanique qui en résulte dégrade fortement le comportement vibratoire de ces robots. Cette étude vise à améliorer le temps de cycle d’un axe souple de robot cartésien par une action sur la commande tout en maîtrisant son comportement vibratoire. La démarche adoptée tout au long de cette étude relève d’un enchaînement modélisation/commande/autoréglage pouvant s’intégrer dès la phase de conception. La méthodologie de modélisation permet d’obtenir les caractéristiques modales de la structure à partir d’un modèle continu dérivé d’un modèle éléments-finis. L’application de principes d’inversion sur les modèles de commande obtenus permet d’élaborer une méthode de synthèse de commandes adaptées aux axes souples. Les nombreux algorithmes proposés permettent d’atténuer les vibrations en gardant des performances acceptables. La robustesse de l’architecture de commande par rapport aux erreurs de modélisation et aux perturbations extérieures est assurée par des asservissements dont la synthèse prend en compte la flexibilité du robot. Les stratégies de commande ont été validées sur deux robots cartésiens SEPRO-Robotique. Enfin, des méthodes d’autoréglage des principaux algorithmes proposés sont présentées.

Cartesian robots are generally devoted to industrial pick-and-place applications such as demoulding plastic injection machines. From the industrial point of view, the demand for improved performances motivates the use of lightweight structures. Indeed the lightening of moving masses makes it possible to cut production costs while improving the overall dynamics. However, additional stresses are generated which consequently induce undesirable vibrations. Adequate controller design, which is the core of this study, has been shown to be able to improve the performances of flexible axes while damping mechanical vibrations. A modelling/control/self-tuning development has been introduced, which can be considered from the mechanical design stage. The modal parameters of the system are obtained from a continuous model which has been derived from a finite element model. A control synthesis method using the inversion principle has been developed to monitor flexible axes. The many feedforward or trajectory planning algorithms thereby designed have shown to be able to enhance the overall dynamics of the machine while limiting the deformation modes vibrations. A feedback control has been embedded into the control architecture in order to develop robustness with respect to model uncertainties and rejection of external disturbances. Control strategies have been validated on two Cartesian robots with different generation and size. At last, auto-tuning methods tailored to the feedforward and feedback controllers introduced previously have been presented.