Méthode de modélisation et de commande des systèmes de positionnement multi-actionnés de type Axe en Gantry

Method of modeling and controlling multi-actuated positioning systems of type dual-drive gantry stages

• Auteur / Autrice : Ivan Mauricio Garciaherreros Landazabal
• Direction : Pierre-Jean Barre, Xavier Kestelyn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Broches (machines-outils)

Automatisation

Résumé

Un manipulateur cartésien dit '' axe en gantry '' peut être utilisé pour des applications requérant une dynamique élevée et une grande précision. Le type d'axe en gantry étudié dans ce mémoire consiste en un axe transversal porté par deux actionneurs linéaires balayant la direction longitudinale de l'espace de travail. Un troisième actionneur, monté sur le bras transversal, permet de déplacer la charge le long de la direction transversale de l'espace de travail. La problématique de ces systèmes réside dans la dégradation des performances de positionnement due au couplage mécanique existant entre les actionneurs et aux vibrations du bras transversal. La solution industrielle, consistant à minimiser les vibrations en rigidifiant (et en alourdissant) le bras transversal et à contrôler indépendamment les axes parallèles, mène à une consommation d'énergie importante qui ne sera plus acceptable à long terme. Un état de l'art sur la commande des axes en gantry met en évidence un manque d'analyse des phénomènes physiques responsables des couplages mécaniques et des vibrations du bras transversal. Ceux-ci sont en effet considérés comme des perturbations compensées par des méthodes mathématiques dérivées de l'automatique avancée. L'approche proposée dans ce mémoire se veut une alternative à ces méthodes. Elle est basée sur une modélisation physique détaillée de l'axe en gantry comprenant la flexibilité du bras transversal. Cette modélisation, associée à des méthodes d'identification expérimentale et de représentation causale, est exploitée afin de déduire des structures de commande et des méthodes de réglage adaptées. Des résultats expérimentaux montrent que cette méthodologie mène à une amélioration des performances de positionnement des axes en gantry par rapport à la commande industrielle et permet par exemple d'envisager l'allégement du bras transversal.

Gantry stages are used for high-speed high-precision motion control applications such as wafer and flat panel display manufacturing and inspection. A gantry stage is a type of Cartesian manipulator that is composed of three linear actuators on its basic configuration. Two actuators move in tandem a cross-arm along the longitudinal direction of the work-space. The third actuator, mounted on the cross-arm, carries the payload along the transverse direction of the workspace. The positioning performance of the gantry stage is principally degraded by the mechanical coupling between actuators and by the vibrations of the cross-arm along the longitudinal direction. To solve the vibration problem, the current solution is to make the cross-arm very rigid. The drawback of this solution is that rigidity is generally synonym of heaviness, which leads to the use of more powerful actuators and higher energy consumption. To solve the coupling problem, the current industrial solution is independent axis control. That is, the coupling between actuators is ignored, leading to a degraded position performance. State of the art solutions put in evidence a general lack of interest in considering the physical causes of the coupling and vibration problems into the controller design, leading to complex control architectures derived from advanced control techniques. The approach presented in this PhD. Thesis is meant to be an alternative to such techniques by proposing a methodology that is based on a detailed physical modeling of gantry stages (flexibility of the cross-arm included). This physical modeling, associated to experimental identification methods, is exploited to obtain adapted control structures and tuning methods allowing to enhance the system's performance by improving the management of its degrees of freedom. Experimental results show that the proposed methodology leads to an improved motion control of the point-tool, even for very flexible systems.