An offline algorithm to compensate the geometric error of Staubli TX200 in incremental sheet forming application

In the last decades the purpose of reducing costs, maintaining a high standard quality and an affordable production time, makes Robotized Incremental Sheet Forming (RISF) very attractive for industrial applications. The possibility of using an anthropomorphic robotic arm extremely increases the level of flexibility in terms of shapes and setup times, ensuring evident benefits with respect to standard metal forming procedures. Focusing the plastic deformation in small areas, Forming Limit Curve (FLC) of the material is improved and, at the same time, the forces needed for the machining decreases. On the other hand, this technology is also affected by some drawbacks; in addition to classical problems such as springback and thinning, the implementation of a robotic arm introduces an issue related to its compliance. In order to counteract the dimensional error due to the deformation of the joints, a compensation algorithm must be invoked to match the design requirements. In this work an approach based on Finite Element (FE) will be used to generate the ideal forces acting on the deforming tool and will be coupled to an elastic characterization of the robot derived by an experimental test. The optimal compliance matrix will be derived by means of an Ordinary Least Squares (OLS) optimization and the nominal trajectory will be compensated by using the Hooke's law. The analyzed specimen is a straight groove having a length of 70 mm and a depth of 10 mm; it is placed at the center of a 270 x 270 mm 5086-H111 aluminum metal sheet having 1 mm thickness. The piece is machined by a 7.5 mm radius hemispherical punch moved by a 6-axis Staübli TX200.

Negli ultimi anni la volontà di ridurre i costi, mantenendo allo stesso tempo un alto standard di qualità e tempi di processo limitati, hanno reso il Robotized Incremental Sheet Forming (RISF) molto attrattivo per l’industria robotica. La possibilità di utilizzare un robot antropomorfo permette di aumentare il livello di flessibilità dal punto di vista delle geometrie realizzabili e dei tempi di setup, assicurando chiari benefici rispetto alle classiche lavorazioni per deformazione plastica. Focalizzando la deformazione plastica in una zona ristretta, la Curva Limite di Formabilità (FLC) del materiale aumenta notevolmente e, allo stesso tempo, le forze richieste per la lavorazione diminuiscono. Viceversa, questa tecnologia è anche caratterizzata da alcuni svantaggi; in aggiunta ai classici problemi legati ai processi di deformazione plastica (springback e thinning), l’implementazione di un braccio robotico introduce un tema relativo alla sua scarsa rigidità. Per poter bilanciare l’errore geometrico introdotto dalla deflessione delle articolazioni del robot, un algoritmo di compensazione è necessario al fine di garantire il raggiungimento delle tolleranze richieste. In questo lavoro verrà utilizzato un approccio basato sugli Elementi Finiti (FE) per simulare i livelli delle forze che agiscono sull’utensile in condizioni ideali. I risultati della simulazione verranno implementati, assieme ad una matrice di rigidezza del robot ricavata sperimentalmente, per ricavare una traiettoria in grado di compensare le deflessioni del robot. La geometria considerata è un solco lineare lungo 70 mm e profondo 10 mm e scavato al centro di una lamina quadrata avente il lato lungo 270 mm e spessa 1 mm. Il materiale lavorato è alluminio 5086-H111 e verrà deformato tramite un utensile dal raggio di 7.5 mm mosso da uno Staübli TX 200 a 6 gradi di libertà.