Design of a Grasping and Machining end Effector for Thin Aluminium Panel

Ce projet de recherche a pour principal objectif l'usinage par fraisage mécanique de poches dans des panneaux minces d'avion. Cette opération sera effectuée en utilisant un robot manipulateur. L'une des exigences clés de cette recherche est de maintenir l'épaisseur restante du panneau à ± 0,002 pouces (± 0,050 mm). Compte tenu d'une variation de 5% de l'épaisseur initiale accompagnée d'une forme à double courbure et d'une faible rigidité, cette tolérance est assez difficile à atteindre. Un mécanisme d'appui en continue de l'autre côté du panneau peut résoudre le problème de la flexion et de la déformation du panneau flexible. Un capteur d'épaisseur, capable d'actualiser régulièrement la valeur de l'épaisseur, permet à une boucle de rétroaction de contrôler la profondeur de coupe. Un mandrin magnétique et un capteur d'épaisseur à ultrasons sont largement étudiés pour leur potentialité à résoudre ce problème d'usinage. La maquette numérique du prototype a été développé sous CATIA V5. Certaines composantes comme le moteur de la broche et quelques parties du capteur magnétique ont été intégrés en interne lors du montage du module maître/esclave. Le prototype a été testé sur une machine à commande numérique pour un panneau plat. Le banc de la machine était suffisant pour tester la validité de la boucle de rétroaction, mais ne pouvait tester l'usinage du panneau à double courbure. Après quelques essais avec rétroaction, on a observé que le capteur à ultrasons n'a pas été en mesure de détecter une valeur d'épaisseur stable en raison de l'approvisionnement interrompu en liquide de couplage (eau). Ceci a entraîné une variation d'épaisseur visible sur la surface usinée du panneau. Le problème identifié a été confirmé suite à quelques essais sans rétroaction qui ont induit une épaisseur plus constante avec une surface usinée plus lisse. Cette série d'expériences vise à répondre à la question de recherche principale qui est de savoir s'il est possible d'usiner un panneau mince avec un niveau de tolérance suffisant. Quelques expériences ont été effectuées afin de connaître les forces nécessaires à l'appui et à l'usinage de l'effecteur. Le calcul des forces avec l'outil de coupe torique, en considérant l'inclinaison de l'outil, aide à établir une procédure pour déterminer la force de serrage minimale. Pour ce, on a supposé que la force minimale est équivalente à la force de poussée maximale (force perpendiculaire au panneau) en opération de fraisage. Le module esclave qui suit le module maître en restant au centre de la surface de l'outil a été confronté à la force de frottement.

Abstract

This research considers mechanical milling of thin aircraft panel as its prime objective. Mechanical milling will be conducted using a robot manipulator. One of the key requirements of this research is to maintain the remaining panel thickness within ±0.002 inch (±0.050 mm). Given the initial panel thickness variation of 5% along with its double curvature shape and low stiffness, this tolerance is quite challenging. A continuous support mechanism from the opposite side of the panel may solve the problem of deflection and deformation of the flexible panel. A highly sensitive thickness sensor that can regularly update the thickness value could be adapted to a feedback loop to get a precise dynamic depth of cut. A magnetic chuck and ultrasonic thickness sensor will be investigated for their ability to solve this problem of thin panel mechanical machining. Considering the required specification a prototype model has been developed in CATIA V5. The model has been implemented collecting all required components mentioned in the design. Other than those purchased components like spindle motor, magnets and sensor a few parts have been in-house built while assembling the master and slave module. The prototype has been tested inside a CNC machine tool for a flat skin panel. The CNC machine bed was sufficient to test the feedback loop validity but could not test the end effector capability for double curvature panel machinability. After a few tests with feedback it has been observed that the ultrasonic sensor was not able to get a stable thickness value due to interrupted supply of coupling liquid (water) which resulted in a variation in the skin panel floor bed thickness. The identified problem has been confirmed with a few more tests without feedback which resulted in smoother floor bed thickness. This series of experiment answer the prime research question of whether it is possible to mill skin panel with such level of tolerance. A few experiments have been conducted to determine how much force is needed to accomplish the grasping and machining functions. Torus cutter based milling force calculation considering the tilting angle helped to establish a procedure for determining the minimum clamping force. To determine the required minimum clamping force it has been assumed that minimum clamping force is equivalent to the maximum thrust force (perpendicular force on the skin panel) in milling operation.