Application of off-line tool path compensation in robotized incremental sheet forming of large parts

Incremental Sheet Forming (ISF) is a technological process which allows to form metal sheets through consecutive paths of a simple tool, usually of a hemispherical punch. The process is interesting for those applications which require small lots or prototypes, therefore characteristics of high exibility, low setup costs and reduced time-to-market are essential. This feature distinguishes the ISF from the traditional forming processes, such as molding or deep drawing, characterized by high quantities, high production rates, and expensive setup costs. The ISF has many variants, which mainly differ in the presence of a back support and in the type of machinery involved. General purpose computer numerical controlled machines (CNC) are commonly used, but robotized cells are becoming popular since they ensure higher levels of exibility. As a matter of fact, they can accomplish other additional duties together with the forming process, such as part clamping and unclamping, handling, etc. Robots however are less stiff than CNC machines, which leads to a lower dimensional precision on the final piece. The present study represents an extension of the work proposed by J. Belchior et al.([1],[6][10]), who defined a tool path off-line correction method to compensate the low robot stiffness. This study produced good results on parts with small dimensions (200x200 [mm^2]) and with strong symmetries (cones, pyramids). The purpose of the present research is thus to verify the validity of the method for larger parts (approximately 900x500 [mm^2]) and with a lower level of symmetry. The work consists in the deformation of an aluminum sheet 1000x900 [mm^2] series 5000 with an anthropomorphic robot Staubli TX-200, whose maximum payload is 130 [Kg]. First, a numerical model of the sheet forming process is proposed to predict the forces, and a model of the robot is built to evaluate its kinematic and static properties (working area, singularities, deformability). Then, an algorithm of trajectory correction is proposed to compensate the robot deformation. In conclusion, the results of the laboratory tests are presented, which validate the effect of the correction.

L'Incremental Sheet Forming (ISF, formatura incrementale di lamiere) è un processo tecnologico che permette la deformazione di lamiere metalliche attraverso successive passate di un utensile di forma semplice, solitamente un punzone emisferico. Il processo interessa quelle applicazioni in cui siano richiesti prototipi e/o lotti di piccole dimensioni, dove quindi siano indispensabili alta flessibilità, bassi costi di implementazione e ridotto time-to-market. In questo si differenzia dai più tradizionali metodi di formatura come lo stampaggio o l'imbutitura, caratterizzati invece da alti volumi, ritmi produttivi ed elevati costi d'avvio. L'ISF si presenta in numerose varianti, che si differenziano principalmente per la presenza di un supporto posteriore, e in base al macchinario utilizzato. Tradizionamente, per questo processo si usano macchine a controllo numerico (CNC) a 3 o più assi, ma recentemente si sta diffondendo l'uso di celle robotizzate, che presentano maggior flessibilità. Infatti, insieme con la formatura, riescono ad effettuare molte operazioni accessorie, come il serraggio e il deserraggio della parte, movimentazione, etc. I robot tuttavia, a differenza delle macchine CNC, presentano una cedevolezza molto maggiore, che si ripercuote su una peggior precisione dimensionale del pezzo finito. Il presente studio costituisce un'estensione del lavoro svolto da J. Belchior et al.([1],[6][10]), che propone una metodologia di correzione off-line della traettoria per compensare la bassa rigidità dei robot. Lo studio precedente presentava ottimi risultati per parti di piccole dimensioni (200x200 [mm^2]) e caratterizzate da una forte simmetria (coni, piramidi). Lo scopo di questo studio è verificare la validità del metodo per parti di dimensioni maggiori (circa 1000x500 [mm^2]) e con minor livello di simmetria. La ricerca consiste quindi nel deformare una lastra di alluminio serie 5000 1000x900 [mm^2] con un robot antropomorfo Staubli Tx-200, di carico massimo 130 [Kg]. Si propone quindi un modello della lastra, per valutarne le forze di deformazione, un modello del robot, per valutarne la cinetostatica (area di lavoro, singolarità, deformabilità), ed un algoritmo di compensazione della traettoria. Infine, vengono presentati i risultati di prove svolte in laboratorio, che dimostrano la validità del metodo.