L'objectif du présent mémoire est la modélisation, la simulation, l'analyse et l'optimisation du procédé de soudage par friction malaxage de matériaux métalliques en utilisant des robots industriels, avec pour cas particulier l'assemblage de panneaux d'aéronefs composés d'aluminium aéronautique.

Après une première partie des travaux consacrée à l'identification de paramètres cinétostatiques et dynamiques du robot, un modèle analytique complet du procédé robotisé a été développé. Ce modèle comprend un modèle dynamique du robot industriel, un modèle macroscopique multiaxial viscoélastique du soudage par friction malaxage et un contrôleur hybride force / position. Ces différents modules sont implémentés dans une simulation dynamique haute fidélité à fréquences d'échantillonnage multiples.

Cette simulation a par la suite permis de comprendre et d'analyser les interactions dynamiques entre le robot industriel, l'architecture de contrôle et le procédé d'assemblage et ses cas de charge associés, cela dans différentes configurations. Durant les simulations, plusieurs perturbations majeures provoquées par le procédé, comme des oscillations de l'outil, des déviations latérales ou encore des problèmes d'orientation, ont pu être observées, analysés et quantifiés.

La plateforme de simulation présentée constituera une technologie clé dans l'optique du développement d'une plateforme robotique de soudage par friction malaxage. Elle permettra à la fois la mise en place d'une cellule de travail adaptée, de paramètres de soudure optimaux et la validation de lois de contrôle temps réel avancées afin de permettre une gestion robuste des perturbations critiques générées par le procédé. Ces réalisations pourront ainsi être incorporées au sein d'une technologie de soudage par friction malaxage robotisé en vue du déploiement du procédé robotisé dans un environnement industriel.

The main objective of this work is the establishment of a model-based framework allowing the simulation, analysis and optimization of the friction stir welding (FSW) of metallic structures using industrial robots, with a particular emphasis on the assembly of aircraft components made of aerospace aluminum alloys.

After a first part of the work dedicated to the kinetostatic and dynamic identification of the robotic manipulator, a complete analytical model of the process is developed, incorporating a dynamical model of the robot, a multi-axis visco-elastic model of the FSW process and a force / position control unit. These different modules are subsequently implemented in a high fidelity multi-rate dynamical simulation.

The developed simulation infrastructure allowed analyzing and understanding of the interaction between the industrial robot, the control architecture and the manufacturing process involving heavy load cases in different configurations. Several critical process-induced perturbations such as tool oscillations and lateral / rotational deviations were observed, analyzed and quantified during the simulated operations.

This simulation platform will constitute one of the key technology to develop a robust robotic FSW workcell, allowing both the development of optimal workcell layouts / process parameters and the validation of advanced real-time control laws for robust handling of critical process-induced perturbations. These deliverables will be incorporated in the resulting robotic FSW technology packaged for deployment in production environments.