Etude de cas d’utilisateur :
Approche paramétrique de la conception d’un robot de transfert industriel

L’automatisation industrielle est en progression constante, avec des machines qui exécutent au quotidien de plus en plus de tâches. La conception de ces machines industrielles complexes est un processus difficile. Les ingénieurs doivent s’assurer que la machine qu’ils conçoivent répond à une multitude d’objectifs de performances différents, en termes de productivité, d’espace de travail, de maniabilité, de charge utile, etc. Mais en même temps, il leur faut concevoir un design à même de réduire les coûts de production et de maintenance ; par exemple, en utilisant autant que possible de courtes liaisons pour les bras de robot et de petits moteurs, et en limitant la charge afin de diminuer le phénomène d’usure occasionnant de coûteuses réparations et immobilisations. L’ensemble de ces exigences doit être pris en compte lors du développement d’une machine industrielle de façon à obtenir un produit très performant au meilleur coût possible.

Un fabricant leader de machines d’emballage est entré en contact l’équipe de Solutions d’ingénierie Maplesoft dès le début de la conception d’un nouveau produit intégrant un robot de transfert. Les ingénieurs se sont tournés vers Maplesoft pour trouver les réponses aux questions sur la conception de leur nouveau produit, dont notamment :

• Quel sont les dimensions optimales pour le moteur du robot ?
• Quelle doit être la longueur des liaisons pour obtenir l’espace de travail souhaité ?
• Quelle est l’incidence sur la conception de différentes longueurs de liaisons ?
• Quelles doivent être les performances requises pour le moteur et le réducteur ?

Pour répondre à ces questions, l’équipe de Solutions d’ingénierie Maplesoft a choisi d’utiliser une modélisation physique paramétrique. Elle a utilisé MapleSim, la plate-forme de modélisation et simulation multi-domaine au niveau système, pour élaborer un modèle paramétré extrêmement fidèle du robot souhaité. Puis, grâce aux capacités de calcul avancées de Maple, elle a développé des outils d’analyse pour examiner le fonctionnement du système et son comportement dynamique avec différents ensembles de valeurs de paramètres. Ces outils d’analyse, conjointement utilisés avec le modèle haute-fidélité du système, ont fourni au client les connaissances nécessaires pour déterminer comment il est possible d’optimiser sa conception ainsi qu’un ensemble d’outils facilement configurables pour la conception de produits similaires.

Modélisation du modèle à l’aide de MapleSim

La figure 1 montre un exemple type de robot de transfert. Le modèle de robot est monté sur une base de référence, à laquelle sont reliées trois liaisons constituant le bras du robot. Ces liaisons sont actionnées par trois servomoteurs, qui assurent le mouvement et la commande de rotation suivant trois degrés de liberté. Le dernier effecteur consiste en un élément de translation fixé à la troisième liaison et assurant l’action de transfert souhaitée.


Chacune des liaisons est pourvue de capteurs fournissant des informations sur les forces et le couple et permettant ainsi de déterminer la force radiale, la force axiale et le moment de flexion au niveau de chaque roulement. Le modèle comporte également de nombreuses sondes intégrées à des endroits stratégiques du design, de façon à surveiller les caractéristiques de performances telles que la vitesse et le couple moteur requis, ainsi que l’angle et les contraintes articulaires.

Les simulations initiales ont été exécutées dans MapleSim dans le but d’observer le comportement du système, les informations des sondes étant présentées dans différents graphiques. Le modèle a été ensuite chargé dans Maple à des fins d’analyse approfondie.

Analyse de conception à l’aide de Maple

L’équipe de Solutions d’ingénierie Maplesoft a créé un ensemble d’outils d’analyse dans Maple afin de donner au client plus d’informations sur les différents domaines de sa conception et l’aider ainsi à prendre les décisions relatives au produit final. Bénéficiant de la nature pleinement paramétrique du modèle extrêmement fidèle développé à l’aide de MapleSim ainsi que du moteur de calcul symbolique de Maple, ces outils ont permis au client de réaliser plusieurs itérations de simulations pour déterminer les meilleures combinaisons de paramètres.

Le premier outil de conception développé par Maplesoft a permis au client d’effectuer l’analyse cinématique pour vérifier l’espace de travail du robot, visualiser ses mouvements et déterminer si nécessaire des décalages de trajectoire. Les mouvements du robot sont affectés selon le côté où est configuré le coude, à droite ou à gauche. L’outil d’analyse cinématique offre du fait de ses caractéristiques la possibilité d’effectuer les calculs de cinématique inverse et d’évaluer les deux options de positionnement du coude. En observant son comportement dans les deux cas de figure, le client a pu prendre une décision éclairée quant au côté où placer le coude ; décision ensuite reportée et appliquée à toutes les analyses ultérieures.

L’étape suivante consistait à déterminer si le fonctionnement du robot s’inscrivait dans l’amplitude de mouvement admissible, et si l’un des angles articulaires dépassait la limite souhaitée.


Pour chaque articulation, plusieurs variables, dont l’angle articulaire, la vitesse angulaire et l’accélération angulaire, ont été déterminées en fonction de la trajectoire souhaitée pour le dernier effecteur. Les résultats ont montré que la trajectoire initiale du dernier effecteur se traduisait par d’importants pics d’accélération angulaire : le client devait par conséquent apporter des modifications afin d’atténuer les mouvements servant à actionner les articulations. Cet ajustement aurait pour effets de diminuer non seulement l’amplitude des pics d’accélération, mais aussi la charge au niveau des articulations et les exigences fonctionnelles des moteurs et des roulements.

Tout en souhaitant naturellement utiliser les plus petits moteurs possibles, le client devait aussi s’assurer que les moteurs choisis répondraient malgré tout aux objectifs de performances du robot. L’équipe de Solutions d’ingénierie Maplesoft a développé un outil d’analyse susceptible d’aider le client à dimensionner les moteurs. La vitesse, le couple et l’énergie des moteurs ont été déterminés et mis en forme graphiquement, puis superposées sur les courbes de performances du fabricant pour les moteurs ciblés. Les courbes de performances des moteurs ont été choisies sur une liste de données moteur potentielles importées dans Maple. Pour chacun des moteurs, le client pouvait ensuite comparer les résultats simulés aux données des différents moteurs par rapport aux spécifications du fabricant. Et à l’aide de l’outil d’analyse, le client a pu envisager différentes configurations de moteur dans la plage de performances voulue. Une approche similaire de superposition des données du fabricant sur les données simulées a été adoptée pour explorer les limites des réducteurs et le choix des différents rapports de démultiplication.

Autre outil d’analyse développé par Maplesoft, le balayage de paramètres, pour observer les effets produits sur le fonctionnement du robot pour différentes longueurs de liaisons. La simulation du modèle avec différentes configurations de longueurs de liaisons dans une fourchette admissible prédéterminée a permis au client d’observer les effets correspondants sur les caractéristiques de performances comme la vitesse de rotation du moteur, le couple, les exigences de charge et les changements d’espace de travail. Maple fait automatiquement appel au traitement parallèle et l’ordinateur de l’utilisateur peut ainsi exécuter simultanément plusieurs simulations à l’aide de différentes valeurs de paramètres, puis afficher les résultats en les superposant dans une fenêtre de visualisation à des fins de comparaison rapide et facile.


Dans ce cadre et grâce aux nombreux autres outils développés par l’équipe de Solutions d’ingénierie Maplesoft, le client a pu adopter une approche globale de l’analyse de ses choix de conception et aboutir à un robot de transfert industriel idéalement conçu.

Résumé

L’équipe de Solutions d’ingénierie Maplesoft a développé une solution hautement configurable grâce à laquelle le client a pu relever les défis auxquels il était confronté lors de la conception de robots industriels de transfert. Le développement d’un modèle de système pleinement paramétrique dans MapleSim a donné accès à tous les paramètres système requis pour analyser et optimiser le comportement du système. Le moteur de calcul symbolique de Maple a permis le développement d’une multitude d’outils d’analyse pour explorer les corrélations entre les paramètres système et leurs effets sur les performances globales. Cette approche paramétrique a eu pour effet de permettre à la société d’emballage non seulement de faire des choix de conception optimums et à parvenir à une configuration optimale pour l’application ciblée, mais aussi de pouvoir réutiliser les mêmes outils dans d’autres contextes. En modifiant les paramètres, le client peut se servir du même modèle et des mêmes outils d’analyse pour optimiser et valider à l’avenir la conception de nouveaux produits robots de transfert.