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Les robots dans l’industrie

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Introduction 

Les robots dans l’industrie

Qu’est ce qui fondamentalement caractérise un robot industriel ?

  • Ses performances ?
  • Ses moyens de programmation ?

Si en fait ces deux concepts sont indissociables pour caractériser un robot industriel, l’application reste l’élément clé de toute réflexion robotique. Et pour tout projet industriel, l’application est le point de départ de l’étude de l’ingénieur roboticien.

Alors que la robotique industrielle est née en 1963, il aura fallu attendre les années 80 pour tenter par voie de normalisation d’éclaircir ce qui se cachait derrière ces mots. Le plus important d’entre eux est sans nul doute celui de performance. C’est ce dernier qui a imposé le plus d’effort de réflexion aux normalisateurs. Pour bien comprendre les contraintes de la Programmation Hors Ligne (PHL), il faut passer en revue, tous les éléments compris dans ce terme «performance», et tout particulièrement les notions de répétabilité et de précision, source de bien des confusions.

Mais une installation réussie est une installation dont on sait maintenir les performances dans le temps. Une bonne maintenabilité se prépare en même temps que la conception générale de l’installation, au même titre que par exemple les opérations de maintenance d’une automobile, aujourd’hui prévues dès l’étude du véhicule.

Il ne faut donc jamais perdre de vue que toutes les contraintes qui seront à prendre en compte lors de l’étude de l’installation sont directement issues de l’application. La robotique s’est développée à partir des applications. Les plus grandes évolutions se sont faites autour de celles ci , et en particulier de celles dont les paramètres étaient les mieux dominés, ou pour lesquelles une recherche intense a été menée pour mieux les discipliner.

I. Rappel sur les origines de la PHL.

A. POURQUOI LA PHL ?
Depuis la naissance de la robotique industrielle en 1963 jusque dans le début des années 80, la programmation des robots s’effectuait essentiellement par apprentissage. Les concepteurs des robots de cette époque, déjà conscients des difficultés de la programmation et des lourdes pertes de temps conséquentes, ont tenté d’adapter les moyens de programmation aux applications. Au tableau de programmation intégré à la face avant de la baie de commande, s’est substitué le pupitre mobile pour des applications de type manutention (le soudage par point étant à cette époque assimilé à la manutention). Pour une application de procédé comme la peinture, le gestuel de l’homme était le mouvement naturel à reproduire. Donc, la programmation se réalisait par déplacement manuel de la structure mécanique du robot ou d’une structure allégée appelée syntaxeur (ou pantin) par l’homme lui-même.

Notons de façon anecdotique, que dans le cas de l’utilisation d’un syntaxeur, nous nous situons dans un contexte de programmation hors ligne; et donc, dès 1975, les utilisateurs de ces systèmes ont pris conscience de l’importance du respect des cotes des différents éléments constitutifs d’une installation.

Quant il fallut s’attaquer à des applications tel le soudage à l’arc, la situation empira. Non seulement les performances des robots étaient insuffisantes, mais les fonctions de programmation aussi. En faisant évoluer ces dernières, les pupitres devinrent des monstres de moins en moins maniables, les temps nécessaires à la programmation augmentèrent.

De plus, les aspects sécurité étaient souvent oubliés, pour ne pas dire ignorés. Le concept de la programmation hors ligne apparut donc naturellement. En résumé, la Programmation Hors Ligne apparut pour:

  • Rendre l’installation plus rapidement disponible à sa fonction de production.
  • Diminuer le temps global de programmation(création du programme et miseau point).
  • Améliorer par voie de conséquence la sécurité par une présence moindre de l’homme dans le rayon d’action de la machine.
  • Se donner des moyens de simulation, au-delà du caractère initial purement analytique.

B. LES ESPOIRS DÉÇUS
Les espoirs mis dans la PHL se sont très rapidement évanouis. Les moyens en CAO robotique ont globalement répondu aux espérances en tant qu’aide à la conception, en tant qu’aide à la détermination de temps de cycle et pour déterminer une faisabilité intrinsèque au niveau de procédés connus. La transposition des programmes de simulation en programmes d’éxécution s’est avérée être une toute autre affaire.

C. POURQUOI ?
Les paramètres des modèles géométriques pris en compte par le système de simulation (paramètres théoriques) et ceux du site (paramètres réels) différent suffisamment pour que les trajectoires déterminées en simulation ne soient pas directement transposables. D’autre part, tous ceux qui ont tenté de transporter un programme de robot d’un site à un autre site( considéré comme similaire) se sont heurtés à de graves difficultés. Il en est de même dans le cadre d’échange de robot. Même une simple opération de maintenance (au cours de laquelle quelques démontages mécaniques ont lieu), peut prendre un tour catastrophique lors du redémarrage.

Diverses tentatives d’amélioration se sont avérées insuffisantes, comme des réglages de zéro codeurs, des piétages, etc. car, d’autres facteurs, insoupçonnés jusqu’à présent, faute de moyens de mesure venaient perturber des analyses trop incomplètes.

La constatation finale est claire: Le temps global nécessaire pour réaliser une programmation hors ligne est égal ou parfois supérieur à celui d’une programmation traditionnelle. Cependant, le temps d’indisponibilité de l’installation est sensiblement diminué, et le gain financier résultant non négligeable.

La PHL est une évolution naturelle de la programmation traditionnelle. Elle peut se réaliser sous différentes formes, par une programmation à partir d’un syntaxeur, à partir d’un autre robot, en analytique pur, ou à partir d’un système informatique de simulation. L’expérience des pionniers de la PHL a montré que des précautions ou des moyens complémentaires devaient être pris.

II. Conditions à remplir pour réussir une PHL ? 

Idéalement, l’installation doit être identique au modèle de simulation. Cela veut donc dire que:

  • Tous les constituants réels sont strictement identiques à leurs modèles.
  • Tous les constituants sont parfaitement positionnés dans l’espace comme dans le modèle théorique de simulation.

Ces conditions idéales ne pouvant qu’exceptionnellement être respectées, on devra suivre une démarche rigoureuse.

A. QUAND DOIT-ON ABORDER LA PHL ?
L’expérience ayant montré que l’utilisation de la PHL ne s’improvise pas, il faut la prendre en considération dès le lancement d’un nouveau projet. L’approche doit se faire en fonction de l’application considérée et des résultats qu’on en attend.
On doit impérativement se poser les questions suivantes:

  • A quelles conditions l’application s’y prête-t-elle? (Essentiellement en terme de précision statique et dynamique).
  • La PHL se justifie-t-elle dans le cas présent? (Essentiellement pour des raisons financières).
  • Peut-on en tirer d’autres profits? (Par exemple en sécurité opérateur, en suivi maintenance, etc.).

De cette analyse initiale, on en déduit les contraintes spécifiques liées au projet abordé, et donc les moyens à mettre en oeuvre.

B. LES CONDITIONS ESSENTIELLES A RESPECTER
Le premier acte consiste en l’analyse initiale. Il faut surtout être en mesure d’apprécier les vraies performances nécessaires au bon déroulement de l’application. En général l’application impose des contraintes de répétabilité statique et/ou dynamique et parfois des contraintes de vitesse du centre d’outil (en précision par rapport à une vitesse demandée).Dans le cadre de la PHL, seule la précision en comportement statique et dynamique est significative.

Ensuite, il faut procéder à la définition du ou des volumes de travail dans lequel le robot aura à évoluer. Comme les caractéristiques en précision d’un robot se dégradent tout particulièrement à l’approche des limites d’évolution des axes, il faut prendre soin de choisir un robot dont l’enveloppe de travail est nettement supérieure au volume réel requis par l’application.

Un soin particulier sera apporté à l’étude et à la réalisation des sols supports des robots et de leurs accessoires environnementaux. Un mouvement du socle du robot de 0,1mm peut se traduire au niveau de l’outil par une erreur de 0,5 mm et plus. Etc.

La connaissance des conditions à remplir pour l’emploi d’une PHL est le meilleur garant de la réussite. Ces conditions permettent de décider non seulement quelle sera la conception générale du site, les précautions à prendre lors de son montage mais aussi si un étalonnage est nécessaire.

Le soin apporté à la préparation de l’étalonnage est aussi un facteur de succès. Elle permettra surtout comme nous le montrerons ensuite de limiter les temps d’intervention sur site, donc le temps d’indisponibilité de celui ci. Nous devons noter qu’en dehors de certaines applications de manutention, dans la plupart des cas un étalonnage s’impose.

III. L’apport du contrôle en dynamique des caractéristiques d’un robot industriel. 

A. LES PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES D’UN ROBOT INDUSTRIEL
Celles ci sont définis, ainsi que les conditions dans lesquelles les mesures doivent se dérouler par les normes ISO 9283.
Ces caractéristiques sont de manière générale les suivantes:

  • Répétabilité statique.
  • Précision statique de pose.
  • Variation multidirectionnelle de la précision statique de pose.
  • Erreur en courbe.
  • Dérive de la pose.
  • Précision sur une trajectoire.
  • Répétabilité de trajectoire.
  • Précision de vitesse sur une trajectoire.
  • Répétabilité de vitesse sur une trajectoire.
  • Compliance statique.

B. LES MOYENS DE CONTROLE
Ces caractéristiques peuvent être aujourd’hui vérifiées par les moyens métrologiques basés sur différents capteurs et des logiciels adaptés. Des logiciels permettent de mener des essais tels que recommandés et décrits dans les normes ISO 9283.

Cependant, l’expérience a montré que les essais ISO sont parfois insuffisants pour totalement caractériser un robot par rapport à une application. En effet, pour une application donnée, le roboticien doit faire face à des trajectoires particulières, des vitesses et des charges spécifiques. Parfois aussi, des points d’arrêt peuvent présenter des particularités par leurs positions dans l’espace, par la trajectoire et la vitesse d’approche, le dépassement autorisé ou non, le temps de stabilisation. Enfin, il est souvent important de savoir déterminer le vrai temps de cycle, ce que ne peuvent pas toujours donner les systèmes de simulation robotique. Des logiciels complémentaires ont donc été crées pour répondre à ces cas de figure. Ils donnent à l’opérateur un total choix dans ses trajectoires et ses procédures d’essais de façon à coller à ses besoins réels.

Parmi ces essais complémentaires, nous citerons aussi l’essai d’Hystérésis. Il est indispensable pour mesurer les jeux mécaniques. Accompagné d’un essai sur l’erreur de dépassement, il permet de montrer le comportement d’un robot en fonction de l’état de sa mécanique à un instant “t”. C’est donc l’un des outils nécessaire en suivi de maintenance.
Les principaux types de capteur utilisés à ce jour sont:

  • Les tablettes digitalisées.
  • Les capteurs de proximité lasers.
  • Des caméras associées par deux ou trois.
  • Les interféromètres de poursuite laser.
  • Des émetteurs laser associés à des récepteurs.
  • Des potentiomètres à fil.

Tous ces systèmes permettent de travailler en dynamique. Certains se limitent à un plan comme les tablettes; les émetteurs-récepteurs laser se contente de vérifier un déplacement sur une droite, de même pour les capteurs de proximité. Les autres solutions autorisent de large déplacement dans l’espace, l’utilisation de trois caméras associées permet une mesure en 6 dimensions, c’est à dire que la mesure comprendra non seulement la position spatiale, mais aussi l’orientation. Les systèmes à fil présentent l’inconvénient de nécessiter un contact avec le robot et donc dans certaines circonstances d’influencer les résultats des mesures.

On possède aujourd’hui une gamme de produit en métrologie statique et dynamique sans contact qui permet de parfaitement qualifier un robot dans tous ses comportements typiques:

  • Le suivi d’une trajectoire.
  • L’arrêt sur un point.
  • La vitesse de déplacement.

La métrologie dynamique sans contact prend toute sa dimension par exemple lors de la mesure des jeux mécaniques car le système de mesure lui-même ne perturbe pas le résultat.

Ces moyens ouvrent de nouvelles perspectives qui ont pour certaines déjà prouvées leur valeur. Elles sont décrites dans les paragraphes suivants.

IV. L’étalonnage robotique et le recalcul de trajectoire. 

Selon l’application , la conception de l’installation, les moyens mis en oeuvre et le but recherché, l’étalonnage robotique s’envisage sous différents angles. Parfois c’est le robot qui sera traité, parfois son environnement, mais de plus en plus, c’est l’ensemble de l’installation qui est pris en compte, grâce aux nouveaux équipements précédemment cités, et à la mise au point de logiciels et de procédures adaptés. C’est donc ce dernier cas, le plus général que nous traiterons, les deux
précédents étant considérés comme des cas particuliers.

A. LA PROCÉDURE GÉNÉRALE
La procédure d’étalonnage robotique se compose de 3 phases principales:

  • La préparation.
  • Les mesures.
  • La vérification.

B. LA PRÉPARATION
La préparation est une phase essentielle, car par le soin qu’on y apportera, le temps passé sur le site en sera diminué.
En plus d’une analyse préliminaire des caractéristiques du robot si celui ci n’est pas encore connu, la préparation consiste à déterminer:

  • L’emplacement des caméras de mesure.
  • Le montage de ou des cibles sur le robot.
  • Les points supplémentaires de mesure dans l’environnement du robot.
  • Les trajectoires de vérification préliminaires du comportement du robot.
  • Les trajectoires d’étalonnage du robot.
  • Les trajectoires de vérification et de qualification des mesures effectuées.

Toutes ces trajectoires, simples, pourront être transférées classiquement dans la baie de commande du robot. Il est aussi possible dans le cas d’installations nouvelles, de prévoir sur sa CAO robotique les accès et l’emplacement des caméras, les fixations des cibles infrarouge sur l’outil monté sur le robot ainsi que les points de mesure sur l’environnement. En procédant ainsi, on peut totalement simuler la procédure d’étalonnage au même titre que la simulation du travail effectué par le robot.

C. LES MESURES D’ÉTALONNAGE
Elles s’opèrent en 2 temps:

  • La vérification comportementale du robot.
  • Les mesures d’identification (robot puis environnement).

Le diagnostic comportemental est indispensable à plusieurs titres. Il permet d’éviter de poursuivre les opérations si une anomalie grave est détectée, par exemple des jeux excessifs, un rapport de démultiplication erroné. On cherchera aussi à se situer le plus près possible des conditions réelles d’exploitation de la machine, en fonction de l’application (volume de travail, charge,….). Cette vérification permet aussi de choisir la suite de la procédure. La plus simple et la plus courante est basée sur la méthode d’analyse des axes indépendamment les uns des autres.

Cette méthode s’applique à tout modèle de robot au comportement «sain», c’est à dire dont les flexibilités mécaniques sont limitées et majoritairement prévisibles. Au cas ou le robot sort de ce contexte, les mesures sont menées à partir de fausses matrices de points qui sont déterminées à partir du diagnostic et du résultat escompté.

Pour le robot, les mesures d’étalonnage pures sont menées de la même manière que les vérifications, mais à partir des trajectoires spécifiques. L’environnement est traité à l’aide d’une sonde portable auto étalonnée. Cette sonde travaille en 6D, ce qui permet à l’opérateur de réaliser les mesures rapidement avec peu de précaution. De cette façon, le système de contrôle de performance robotique et d’étalonnage devient une machine à mesurer dont la précision de mesure est d’environ 2 à 3/10 de mm à une distance de mesure de 2,5 m environ.

D. LA VÉRIFICATION
Après une opération d’étalonnage on vérifie et on qualifie les mesures effectuées. Ce contrôle se réalise à partir d’un nombre de points prédéterminé et disposé dans l’ère de travail. On compare les positions avant et après étalonnage et on mesure la précision de positionnement par rapport aux points théoriques programmés.

E. LES ERREURS
L’étalonnage est chargé de corriger des erreurs. Celles ci peuvent se distinguer en erreurs géométriques et en erreurs non géométriques, en erreurs identifiables et en erreurs non identifiables, en erreurs corrigibles et en erreurs non corrigibles. Ces dernières ne sont pas toujours les mêmes selon la méthodologie choisie et les moyens de recalcul employés.

Toutes ces erreurs ne sont pas de même poids, ce poids varie d’un robot à un autre, il varie aussi en fonction de la conception de l’installation et des moyens choisis dans sa réalisation. La prise en compte d’erreurs plutôt que d’autres dépend aussi du résultat recherché.

Les principaux paramètres concernés sont:

  • Les zéros codeurs.
  • Les distances inter axes (ou longueur globale des bras).
  • Les positions angulaires inter axes.
  • La flexibilité des bras due à une charge.
  • La flexibilité des bras due à un effort de transmission.
  • La flexibilité des transmissions.
  • Les rapports de transmissions.
  • L’excentricité des transmissions.
  • La flexibilité du sol.
  • La position du centre d’outil.
  • La position des équipements constituants l’environnement du robot (par exemple un convoyeur).
  • La position des outillages situés sur les équipements précédents.

F. LES FILTRES DE RECALCUL DES TRAJECTOIRES
Les filtres de recalcul des trajectoires dépendent directement de la méthodologie d’étalonnage choisie. Dans le cas le plus fréquent, on redéfinit le modèle géométrique du robot par la méthode d’analyse des axes indépendamment les uns des autres. On complète ce modèle par la détermination de la véritable position de l’environnement du robot par rapport au système de coordonnées de ce dernier. Le filtre qu’on en déduit permet de tenir compte de l’ensemble des paramètres décrit, y compris une partie des conséquences dûes à une charge embarquée.

Quand la flexibilité est excessive, et surtout lorsque le modèle géométrique est «instable», le filtre est alors basé sur une matrice de points dont la définition varie selon le volume de travail et les prétentions en terme de résultat.

Aujourd’hui, les moyens et les procédures d’étalonnage robotique dans l’industrie sont une réalité. C’est de nouveau l’application qui est le guide dans le cadre de ces actions. Une réponse existe pour presque tous les cas de figure classique. A titre indicatif, nous pouvons citer les chiffres suivants:

Dans un volume de travail de 1 m3, pour un robot dont la précision d’origine se situe entre 5 à 10 mm, après étalonnage la précision moyenne est ramenée à mieux que 5/10 mm (pour 3 s), sans jamais se situer au-delà de 1 mm.
Pour un volume de travail de 4 à 5 m3, pour un robot dont la précision d’origine se situe entre 10 et 20 mm, la précision moyenne sera de l’ordre de 8/10 mm (pour 3 s), et un maximum inférieur à 2 mm.

Le temps nécessaire pour réaliser ces travaux est très variable. En dehors de tout ce qui a pu déjà être cité en contrainte, il dépend aussi des conditions locales et de l’expérience de l’opérateur. Dans le meilleur des cas, et pour des installations répétitives, avec une préparation bien menée, le temps d’indisponibilité de l’installation peut chuter à 1/2 heure. Pour une installation classique, mais à découvrir, il faut prévoir 1/2 journée à 1 journée. Pour les cas complexes, avec des modèles géométriques «instables», de fort volume de travail et des postes de travail multiples, la semaine peut être nécessaire.

V. Le maintien des performances. 

A. LA MAINTENANCE TRADITIONNELLE CURATIVE ET PRÉVENTIVE
La maintenance curative est toujours actuellement utilisée et possède encore ses défenseurs. Si elle ne coûte pas cher en tant que maintenance, ses conséquences peuvent être dramatiques pour les coûts de production, et pour l’image de marque de la société si la panne survient au cours de l’exécution d’une importante commande.

La maintenance préventive est très majoritairement employée. Son efficacité et ses coûts intrinsèques s’améliorent au fil des ans par l’expérience acquise sur la connaissance des matériels. Cependant, on constate que bien souvent des pièces sont changées bien avant d’être au terme de leur vie. La fréquence des interventions est plus élevée que nécessaire. Une diminution de cette fréquence est risquée tant qu’on ne dispose pas de moyens sûrs d’évaluation.

B. LA MAINTENANCE PRÉDICTIVE
La maintenance prédictive demande de disposer de moyens qui permettent de juger de l’évolution comportementale des outils de production. Nous venons de décrire l’ensemble de ces moyens. Si on associe des mesures physiques objectives avec:

  • Une expérience de maintenance préventive
  • Des informations provenants du contrôle qualité,

on détient alors tous les ingrédients pour démarrer une maintenance prédictive. Comme pour la maintenance préventive, c’est au fil des ans que les hommes acquerront la parfaite maîtrise de cette nouvelle notion.

Les résultats acquis dans ce domaine au cours de ces dernières années, ainsi que les études complémentaires menées sur ce sujet prouvent l’intérêt de ce type de maintenance. Elle oblige, en raison de son existence, à un meilleur suivi du matériel, donc à une meilleure connaissance de son état, et a une meilleure réactivité.

Si nous considérons les mesures décrites au cours d’une opération d’étalonnage, nous nous apercevons que nous détenons toutes les informations qui définissent l’état «zéro» du matériel. En reprenant régulièrement les mesures concernant la maintenance, on établit le suivi de base nécessaire à la maintenance prédictive. Naturellement, ces mesures peuvent se réaliser sur des installations en dehors de toute considération de Programmation Hors Ligne.

Par l’installation d’un système de contrôle de dérive de robot, l’utilisateur se prémunit contre un incident grave, dont les causes peuvent être parfois extérieures à l’installation robotisée. Par la mise en place d’une maintenance prédictive, l’utilisateur accroît l’efficacité intrinsèque de ses moyens de production.

Les systèmes de contrôle en dynamique des performances des robots industriels ont permis de développer des moyens industriels d’étalonnage robotique, et par extension de disposer des informations nécessaires à une démarche de maintenance préventive. Par des outils de mesure simple, il est aussi possible de se prémunir contre des dérives fâcheuses de positionnement des robots, améliorant ainsi globalement la sécurité de fonctionnement des installations robotisées.

VI. Conclusion. 
Les systèmes de contrôle en dynamique des performances des robots industriels permettent de suivre toute la vie d’un robot industriel. Si grâce à ces outils, nous pouvons étalonner une installation robotisée, aider à la maintenance prédictive, il est aussi possible, toujours dans le même contexte, et donc simultanément, d’assurer une recette d’installation. De plus, en prolongement à la maintenance prédictive, il devient facile de répondre aux conditions imposées par les procéduresd’assurance qualité ISO9000.


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