Elasto-Geometric Self-Calibration of Industrial Robots in Milling Applications

Ce travail porte sur l'étalonnage d'un robot industriel utilisé pour usiner des pièces dans le domaine aérospatial. Le robot est un COMAU NJ 650-2.7. La nécessité de réduire les erreurs de position du robot provient des niveaux de tolérance serrés exigés sur les pièces produites, en raison des normes en vigueur pour la fabrication aérospatiale. Les axes externes, c'est-à-dire un rail supportant le robot et une table rotative, permettent d'augmenter les taux de production de la cellule de travail et d'améliorer la dextérité du bras dans l'espace de travail accessible. De plus, les charges élevées développées au cours des processus de fabrication, tels que le PAF et le DAB, entraînent des déformations et des déplacements induits sur la chaîne cinématique du bras. Par conséquent, un étalonnage cinématique (et géométrique) et un étalonnage élastique du robot sont pris en compte dans cette analyse. Une méthode d'auto-étalonnage est mise au point pour l'étalonnage élasto-géométrique du robot, qui n'implique aucun dispositif de mesure externe et constitue une alternative moins coûteuse que les traqueurs laser couramment utilisés : un palpeur à trois axes et un outil conçu pour l'auto-étalonnage élastique sont utilisés pour les étalonnages géométrique et élastique, respectivement. Un appareil supplémentaire sert de contrainte physique pour les phases de mesure impliquant ces dispositifs de mesure. Diverses conceptions sont développées pour l'appareil d'étalonnage, et un nouvel algorithme et un index connexe, appelé 7DMax, est introduit pour choisir la meilleure conception parmi les géométries candidates. L'objectif de 7DMax est d'évaluer le degré de cohérence entre les poses d'étalonnage et les poses atteintes par le robot le long des trajectoires généralement suivies dans les scénarios de production réels. Des ensembles de données de test spécifiques sont construits pour ressembler à ces scénarios. La compensation des erreurs de position est effectuée par un réseau de neurones, tant pour les calibrages géométriques qu'élastiques, et les résultats sont comparés aux approches standard basées sur un modèle. La procédure est simulée pour l'étalonnage géométrique et testée expérimentalement pour l'étalonnage élastique. Avec la méthode proposée, la précision moyenne du robot COMAU peut être réduite de 5.331 mm (écart-type = 1.093 mm) à 0.315 mm (écart-type = 0.169 mm) en effectuant l'étalonnage géométrique. L'étalonnage élastique du bras permet d'augmenter la précision moyenne du robot en charge de 370 %, allant de 2.981 mm (écart-type = 0.657 mm) à 0.632 mm (écart-type = 0.254 mm).

Abstract

This work focuses on the calibration of an industrial robotic arm employed to machine parts for the aerospace field. The robot is a COMAU NJ 650-2.7. The need of reducing positional errors of the robot comes from the tight tolerance levels required on the produced parts, as a result of the standards effective for aerospace manufacturing. External axes, i.e. a rail, supporting the robot itself, and a rotating table, provide a higher production rates to the workcell and an improved dexterity of the arm within the reachable workspace. What is more, the high loads developed during manufacturing processes, such as AFP (Automatic Fiber Placement) and ATL (Automatic Tape Layering), lead to wrench-induced deformations and displacements on the kinematic chain of the arm. Consequently, both a kinematic (or geometric) and an elastic calibration of the robot are considered in this analysis. As a cheaper alternative to the commonly used laser trackers, a self-calibration method is developed for the elasto-geometric calibration of the robot, involving no external measurement devices: a 3-axis touch probe and an EE (End-Effector) designed for elastic self-calibration are used for the kinematic and elastic calibrations, respectively. An additional apparatus serves as a physical constraint for the measurement phases involving such measurement devices. Various designs are developed for the calibration apparatus, and a novel algorithm and related index, namely 7DMax, is introduced to choose the best design amongst the candidate geometries. The aim of the 7DMax parameter is to evaluate the joint space-based degree of coherence between the calibration poses and the poses reached by the robot along trajectories that are typically followed during actual production scenarios. Specific test datasets are built to resemble such scenarios. The compensation of positional errors is carried out through a Neural Network (NN), for both geometric and elastic calibrations, and the results are compared with standard lumped model-based approaches. The procedure is simulated for the kinematic calibration and tested experimentally for the elastic calibration. With the proposed method, the COMAU robot mean accuracy can be reduced from 5.331 mm (SD = 1.093 mm) to 0.315 mm (SD = 0.169 mm) by performing the geometric calibration. The elastic calibration of the arm allows to increase the mean accuracy of the robot under load by 370 % going from 2.981 mm (SD = 0.657 mm) to 0.632 mm (SD = 0.254 mm).