Robotic Friction Stir Welding of Polymers

Abstract

In the last few years, there has been a tendency in the way factories have evolved. Increasingly, manufacturing companies are changing and reinventing their production systems. The automation of some technological processes is today a major factor for the success of a manufacturing company. Owing to its flexibility, programmability and efficiency, industrial robots are a fundamental element of modern flexible manufacturing systems, promoting productivity when successfully implemented. In addition, automation can open the door of such processes to more companies, especially small and medium sized companies (SMEs). This thesis is dedicated to study methods that will conduct to the definition of a robotic platform for a relatively new joining process, friction stir welding (FSW). There is a lot of room for improvements concerning the robotization of the FSW process. In fact, this is an important topic due to the enormous advantages that a robot can bring to the FSW process when compared with conventional FSW machines. In this scenario, the advantages of robots over conventional FSW machines are multiple: flexibility, cost, faster setup and easier to programme. On the other hand, they present some relative disadvantages: the reduced stiffness of the robotic arm in the presence of the high forces involved into the process and the positional error associated to this kind of machine. The first axis of research focuses on the off-line definition of nominal robot trajectories with a high-level of abstraction from the robot specific language. This was achieved by directly interfacing with a common CAD package to extract nominal data. There follows a proposal for the discretization of the nominal robot trajectories in small sections. These small sections will then be on-line adjusted according to the inputs from sensory-feedback. Trajectory adjustments are required because the real robot operates in a dynamic environment involving contact between the FSW tool and the work pieces, a partially unknown environment (PUE). Thus, robotic systems must have autonomy to overcome this situation. It is proposed a method for robot self-recognition and self-adaptation through the analysis of the contact between the robot end-effector and its surrounding environment. The proposed force/motion control system has an external control loop based on forces and torques being exerted on the robot end-effector and an internal control loop based on robot motion. The external control loop is tested with a proportional integrative (PI) and a fuzzy-PI controller. Finally, connecting all the dots, it is defined a complete concept and design of a novel FSW robotic platform for welding polymeric materials. The platform is composed by three major groups of hardware: a robotic manipulator, a FSW tool and a system that links the manipulator wrist to the FSW tool (support of the FSW tool). Experimental tests proved the versatility and validity of the proposed solution. The produced welds on ABS plates were tested in order to study the influence of rotational speed, traverse speed and axial force on the quality of the welds. It is presented a comparison between welds produced in the robotic FSW system and in a dedicated FSW machine. Strength and strain properties of the welds are evaluated and correlated with the morphology of the welded zone. It was concluded that the welds produced in the robotic system present similar or better appearance and mechanical properties than the welds produced in the FSW machine.

Nos últimos anos tem-se verificado uma tendência na forma como as fábricas têm evoluído. Cada vez mais, as empresas de manufatura estão a mudar e reinventar os seus sistemas de produção. A automatização de alguns processos tecnológicos é hoje um fator muito importante para o sucesso de uma empresa de manufatura. Devido à sua flexibilidade e eficiência, os robôs industriais são hoje vistos por muitos como um elemento chave dos sistemas de manufatura modernos, promovendo a produtividade quando corretamente implementados. Estes aspetos podem facilitar a introdução de novos processos tecnológicos nas empresas, especialmente nas pequenas e médias empresas. Esta tese foca-se no estudo de metodologias que possam conduzir à definição de uma plataforma robótica para um processo tecnológico relativamente recente, a soldadura por fricção linear (SFL). Existe um enorme espaço para melhorias nos sistemas robóticos relativamente à sua aplicação no processo de SFL. De facto, este é um tópico bastante importante devido às vantagens que um robô pode trazer ao processo de SFL. Neste cenário, as vantagens dos robôs sobre as máquinas de SFL convencionais são diversas: flexibilidade, custo, instalação mais rápida e facilidade de programação. Por outro lado, os robôs apresentam algumas desvantagens: a baixa rigidez do manipulador quando sujeito a elevados esforços e o erro posicional associado aos robôs. O primeiro eixo de investigação foca-se na definição off-line das trajetórias nominais do robô de uma forma intuitiva para o utilizador, ou seja, com um elevado nível de abstração da linguagem do robô. Isto é conseguindo interagindo diretamente com um pacote de CAD comercial e extraindo dai os dados nominais necessários. Segue-se uma proposta para a discretização das trajetórias nominais em pequenas secções. Estas pequenas secções serão depois ajustadas on-line de acordo com os inputs recebidos do feedback sensorial. Os ajustamentos de trajetória são requeridos porque o robô irá operar num ambiente dinâmico que envolve contacto entre a ferramenta de SFL e as peças a soldar, um ambiente parcialmente desconhecido. Assim, o sistema robótico deverá apresentar autonomia para ultrapassar esta situação. É proposto um método para o auto reconhecimento e a auto adaptação do robô através da análise do contacto entre o robô e o ambiente envolvente. O método de controlo de força/movimento apresenta um ciclo de controlo externo baseado nas forças e momentos exercidos na ferramenta do robô e um anel de controlo interno baseado no movimento do robô. O anel externo é testado com um controlador proporcional integrativo (PI) e um fuzzy-PI. Finalmente, juntando o anterior referido, é definido o conceito de uma nova plataforma robótica para SFL de materiais poliémicos. A plataforma é composta por três grupos de hardware: um manipulador robótico, uma ferramenta de SFL e um sistema de suporte da ferramenta. Testes experimentais provaram a versatilidade e validade desta solução. As soldaduras realizadas foram testadas de modo a estudar a influência das velocidades rotacionais e transversais, e a força axial na qualidade das soldaduras levadas a cabo em placas de ABS. É apresentada a comparação entre as soldaduras produzidas pelo sistema robótico e as produzidas pela máquina convencional de SFL. As propriedades de tensão e deformação foram medidas, avaliadas e correlacionadas com a morfologia da zona soldada. Foi concluído que as soldaduras produzidas pelo sistema robótico apresentam aparência e propriedades mecânica similares ou melhores que as soldaduras produzidas pela máquina de SFL.