Force control and dynamic path generation for a free form surface polishing application with an industrial manipulator

The manual finishing process of molds and die can consume up to 50% of the total mold manufacturing time and can account up to approximately 15-20% of the total production costs. The finishing procedure itself and the finishing results are depending on individual human skills. In recent years thanks to the ongoing research, robotic technology has become a feasible solution to industrial applications, that involves strong interaction with the environment as surface finishing. This work thesis focuses on the automation of a finishing process cell, with an industrial manipulation, in which a brake caliper is finished with a belt grinding system. The complete automation of a grinding system involves different challenges. They concern the inspection system, the process parameter identification, path planning, and motion control. Classical OLP programming and direct teaching methods do not represent a feasible solution for the generation of a dynamic path based on the defect location provided by a vision inspection system. A 3D grid representation of the geometry is the more suitable choice for this kind of application. A developed methodology capable of generating a grid representation starting from a CAD model is presented and discussed. Then, the selection of a suitable grinding path is introduced considering all the possible constraints. A simple GUI tool has been developed to allow the user to easily select the defect location for generating the grinding path. The finishing quality in a polishing operation have a strong correlation with the normal contact force, that must be kept as constant as possible and under control. For this reason, a hybrid position-force controller has been modeled and simulated in a SIMULINK environment together with the robot and the environment interaction. Finally, the path planning and the force control are tested on the real system to validate the capability of the proposed solution.

La finitura manuale di stampati o pressofusi può consumare fino al 50% del tempo totale di produzione e fino approssimatamene al 15-20% dei costi totali. L’operazione di finitura e i suoi risultati dipendono strettamente dalle capacità manuali dell’operatore. Oggi giorno, grazie alla continua ricerca, la tecnologia robotica è diventata un’opzione possibile anche per quelle applicazioni industriali che richiedono una forte interazione con l’ambiente come la finitura superficiale. Questo lavoro di tesi si focalizza sull’automazione di una cella di finitura, con manipolatore industriale, per la sbavatura di una pinza freno attraverso una smerigliatrice a cinghia. L’automazione di un sistema di finitura comporta differenti sfide. Esse riguardano principalmente il sistema di ispezione, l’identificazione dei parametri di processo, la pianificazione ed il controllo del moto. I metodi classici di programmazione attraverso software o di insegnamento diretto non sembrano una soluzione considerabile per la generazione dinamica di percorsi a partire dalla posizione di un difetto. La rappresentazione a griglia 3D è la soluzione migliore per questo tipo di applicazione. Una metodologia capace di generare una griglia a partire dal modello CAD è presentata e discussa. Successivamente, la selezione di possibile percorso di finitura è introdotta considerando tutti i possibili vincoli. Un tool grafico è stato quindi sviluppato per permettere all’operatore di selezionare la posizione del difetto sul pezzo per generare automaticamente il percorso di finitura. La qualità della lavorazione ha una forte correlazione con forza normale di contatto, che deve rimanere il più costante possibile e tenuta sotto controllo. Per questa ragione, un controllo ibrido forza-posizione è stato modellato e simulato in un ambiente SIMULINK insieme al manipolatore e all’interazione con ambiente. Infine, la pianificazione dei percorsi e il controllo in forza è stato testato sul sistema reale per validare le capacità della soluzione presentata.