Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-05-08T18:42:16Z No. of bitstreams: 1 2017_EfrainAndresRodriguesGasca.pdf: 7286873 bytes, checksum: 71654086d3141b606ed57e10cf1ff3f4 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-06-05T20:47:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_EfrainAndresRodriguesGasca.pdf: 7286873 bytes, checksum: 71654086d3141b606ed57e10cf1ff3f4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-05T20:47:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_EfrainAndresRodriguesGasca.pdf: 7286873 bytes, checksum: 71654086d3141b606ed57e10cf1ff3f4 (MD5) Previous issue date: 2018-06-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). / Esta dissertação trata do desenvolvimento de um robô com cinemática paralela Delta Linear para Manufatura Aditiva (AM-Additive Manufacturing) e a proposição de um modelo de informação para AM baseado no padrão STEP-NC. AM é considerada como uma tendência da Indústria 4.0, aportando grandes benefícios para o desenvolvimento de novos produtos, incluindo redução do tempo de lançamento ao mercado, liberdade de projeto para manufatura e reduções na cadeia de suprimentos. No entanto, ainda persistem sérios problemas sobre a cadeia digital da AM com o uso de antigos formatos para troca de dados. O formato STL (1987) tem sido usado como padrão “de fato" para troca de dados entre softwares de projeto 3D e sistemas de AM e da mesma forma, os controladores numéricos dos sistemas de AM ainda utilizam o padrão de código G (ISO 6983/1980). Porém esses formatos possuem inconvenientes que os tornam incompatíveis com a ideia de uma cadeia digital de alto nível para AM. O ISO 14649, conhecido como STEP-NC, é agora categorizado como a solução aos problemas de troca de dados em AM. Este trabalho explora o padrão STEP-NC para suportar uma cadeia digital de alto nível para AM. Um modelo de atividade de aplicação usando a nomenclatura IDEF0 e um modelo de referência de aplicação na linguagem EXPRESS são apresentados e o conceito de AM-layer-feature é introduzido para referenciar features de AM dentro do modelo EXPRESS. A arquitetura de uma plataforma de AM com controle STEP-NC indireto para implementação do novo modelo também é apresentada. Em paralelo a dissertação apresenta o projeto, análise cinemática e síntese dimensional de uma nova estrutura de robô paralelo Delta Linear com pares cinemáticos constituídos por 12 elos (3 hastes paralelas simples), 11 juntas rotacionais e 3 juntas prismáticas, diferindo da solução clássica constituída por 9 elos (3 hastes paralelas compostas), 12 juntas esféricas e 3 juntas prismáticas. A cinemática direta e inversa é apresentada, bem como um método de otimização baseada em algoritmos genéticos para determinar os valores mínimos para os parâmetros cinemáticos do robô em função de uma espaço de trabalho cilíndrico prescrito com 250 mm de diâmetro e uma altura de 300 mm. O robô Delta Linear baseado na nova estrutura foi construído e testado. Uma análise de capacidade e desvios geométricos foi realizada para três peças de teste com um resultado de desvio/erro de 0,208 mm dentro de um intervalo de confiança de 99,7 %. / This dissertation aims at the development of a delta robot with a new kinematic chain for application in Additive Manufacturing (AM) and the proposition of an information model for additive manufacturing STEP-NC. Additive Manufacturing is upheld as one mega-trend from new industrial landscape - Industry 4.0. Massive benefits are promised by AM for development of the new products including reduced time-to-launch, manufacturing design freedom and supply chain improvements. Nevertheless, serious problems persist on AM digital chain with the use of format old styles for data exchange. The STL (1987) format has been used as the “de facto”standard for data exchange between 3D-design softwares and AM systems. Similarly, numerical controllers of AM systems still use the G-code (ISO 6983/1980) standard. But they have drawbacks that make them incompatible with the idea of a high-level digital chain for AM. ISO 14649, known as STEP-NC, is now trusted as a solution for AM data exchange. This work explores the STEPNC standard to support the AM high-level digital chain and highlights the advantages of such a digital chain. An application activity model using the nomenclature IDEF0 and an application reference model in EXPRESS are presented. The concept of AM-layer-feature is introduced for referencing AM features within of the EXPRESS model. The architecture of a indirect STEP-NC AM platform for implementation of the new model also is presented. After this work presents the design, synthesis, and kinematic analysis of a new structure of the Linear Delta parallel robot with kinematic pairs consisting of 12 links (3 single parallel legs), 3 prismatic joints and 11 revolute joints, differing from the classical solution constituted by 9 links (3 pairs of parallel legs), 12 ball joints and 3 prismatic joints. Direct and inverse kinematics are presented, as well as a genetic algorithm-based optimization method to determine the kinematic pairs and the workspace pairs that the mechanism will have for its application in additive manufacturing using the Fused Deposition Modeling process. After the validation of the design of the new Linear Delta robot topology, which presents a cylindrical workspace with a 250 mm diameter and a 300 mm height, the Linear Delta robot was manufactured and tested. Capability and geometric deviations analysis of the machine were carried out for three test parts resulting in a 0.3 mm deviation/error within a confidence interval of 99.7%.

Este trabalho trata da avaliação do desempenho de máquinas de usinagem cujas arquiteturas se baseiem em estruturas cinemáticas paralelas planas. Inicialmente analisa dois tipos distintos de arquiteturas paralelas, avaliando as suas mobilidades, possíveis formas de atuação, além de apresentar seus modelos teóricos cinemáticos e dinâmicos correspondentes. A seguir, descrevem-se no texto algumas simulações realizadas em oito modelos propostos, de modo a se observar os comportamentos das arquiteturas consideradas, quando da execução de possíveis trajetórias da ferramenta em movimento plano (2D). A seleção dos modelos e a discussão dos resultados são guiadas por índices de desempenho presentes na literatura e outros propostos ou adaptados. O trabalho discute ainda as melhores soluções, com foco nas trajetórias prédefinidas e em critérios importantes para os mecanismos de arquitetura paralela. / This dissertation concerns the performance evaluation of machine-tool with architectures based on planar parallel kinematic structures. The text starts analyzing two distinct types of parallel architectures, their mobility, feasible schemes of actuation and presents their kinematic and dynamic models. From this point, simulations are described to figure out some characteristics of chosen architectures, in eight different models, focused on execution of tool trajectories in plane motion (2D). The model selection and the discussion about obtained results are guided by performance indexes from the literature and others either proposed or adapted. The work also discusses the best solutions, for pre-defined tool trajectories and important points for mechanisms with parallel structures.

Este trabalho trata da avaliação do desempenho de máquinas de usinagem cujas arquiteturas se baseiem em estruturas cinemáticas paralelas planas. Inicialmente analisa dois tipos distintos de arquiteturas paralelas, avaliando as suas mobilidades, possíveis formas de atuação, além de apresentar seus modelos teóricos cinemáticos e dinâmicos correspondentes. A seguir, descrevem-se no texto algumas simulações realizadas em oito modelos propostos, de modo a se observar os comportamentos das arquiteturas consideradas, quando da execução de possíveis trajetórias da ferramenta em movimento plano (2D). A seleção dos modelos e a discussão dos resultados são guiadas por índices de desempenho presentes na literatura e outros propostos ou adaptados. O trabalho discute ainda as melhores soluções, com foco nas trajetórias prédefinidas e em critérios importantes para os mecanismos de arquitetura paralela. / This dissertation concerns the performance evaluation of machine-tool with architectures based on planar parallel kinematic structures. The text starts analyzing two distinct types of parallel architectures, their mobility, feasible schemes of actuation and presents their kinematic and dynamic models. From this point, simulations are described to figure out some characteristics of chosen architectures, in eight different models, focused on execution of tool trajectories in plane motion (2D). The model selection and the discussion about obtained results are guided by performance indexes from the literature and others either proposed or adapted. The work also discusses the best solutions, for pre-defined tool trajectories and important points for mechanisms with parallel structures.

Apesar do esforço despendido pelas comunidades acadêmica e industrial (artigos, patentes e protótipos de laboratório), as Máquinas de Cinemática Paralela - MCPs - ainda apresentam uma participação inexpressiva no mercado de máquinasferramentas e robôs. Uma das razões para este fato são os seus baixos índices de acurácia e repetibilidade, em comparação aos das máquinas de usinagem convencionais. Este trabalho apresenta a avaliação dos mapeamentos de flexibilidade e da 1ª freqüência natural sobre o posicionamento da peça de trabalho e direções preferenciais de usinagem, dentro do espaço de trabalho disponível de uma máquina-ferramenta de cinemática paralela. Atualmente esta análise tem sido realizada em máquinas de cinemática paralela utilizando-se do princípio dos trabalhos virtuais ou parcialmente envolvendo este método e o método dos elementos finitos com a superposição linear dos resultados de ambos. Este trabalho apresenta análise de flexibilidade, utilizando apenas o método dos elementos finitos, aplicada a uma arquitetura paralela do tipo 2PRS+2PUS, com 4 graus de liberdade (duas translações - Y e Z - e duas rotações - \'teta\'x e \'teta\'YG), denominada Tetraglide. Em todas as análises feitas o grau de liberdade \'teta\'YG foi mantido constante, \'teta\'YG = 0°. Desta forma todas as análises ocorreram sobre o plano YZ. A partir dessa análise de flexibilidade são avaliadas as cargas axiais nas barras, que unem os atuadores à plataforma móvel ao longo do espaço de trabalho, determinando-se onde ocorre flambagem. Após isto, ainda com o método dos elementos finitos, obtém-se a 1ª freqüência natural ao longo de cada espaço de trabalho com orientação constante, uma vez que o conhecimento desta freqüência é fator importante na avaliação do comportamento estrutural dinâmico de máquinas-ferramentas. Após estas análises, analisam-se parâmetros estruturais em análises de sensibilidade visando maximizar a menor 1ª freqüência natural observada em cada espaço de trabalho com orientação constante. / In spite of the effort spent by the academic and industrial communities (goods, patents and laboratory prototypes), the Parallel Kinematics Machines - PKMs - they still present an inexpressive participation in the market of machine-tools and robots. One of the reasons for this fact is their low indexes of accuracy and precision, in comparison with the machines of conventional milling. This work presents the evaluation of the compliance mapping (kinetostatic analysis) and natural frequency about the positioning of the work piece and milling preferential directions, inside the available workspace of a parallel kinematics machine tool. At present this analysis has been accomplished in parallel kinematics machine using the virtual work principle or partially involving this method and the finite element method, with the overlap of the results of both. This work presents a compliance analysis just using the finite element method in parallel kinematics machine of type 2PRS+2PUS with 4 degrees of freedom (two moves - Y and Z - and two rotations - \'teta\'x e \'teta\'YG), denominated Tetraglide. In all of the done analyses the degree of freedom \'teta\'YG was maintained constant, \'teta\'YG = 0°. This way all of the analyses occurred on the plan YZ. Starting from the compliance analysis the axial loads are evaluated in the bars, which connect the actuators to the movable platform along the workspace, determining where the buckling occurs. After this, with the finite element method, 1st natural frequency is obtained along each constant-orientation workspace, once the knowledge of this frequency is important factor in the evaluation of the dynamic structural behavior of machine-tools. After these analyses, structural parameters are analyzed in sensibility analyses seeking to maximize to smallest 1st natural frequency observed in each constant-orientation workspace.

Apesar do esforço despendido pelas comunidades acadêmica e industrial (artigos, patentes e protótipos de laboratório), as Máquinas de Cinemática Paralela - MCPs - ainda apresentam uma participação inexpressiva no mercado de máquinasferramentas e robôs. Uma das razões para este fato são os seus baixos índices de acurácia e repetibilidade, em comparação aos das máquinas de usinagem convencionais. Este trabalho apresenta a avaliação dos mapeamentos de flexibilidade e da 1ª freqüência natural sobre o posicionamento da peça de trabalho e direções preferenciais de usinagem, dentro do espaço de trabalho disponível de uma máquina-ferramenta de cinemática paralela. Atualmente esta análise tem sido realizada em máquinas de cinemática paralela utilizando-se do princípio dos trabalhos virtuais ou parcialmente envolvendo este método e o método dos elementos finitos com a superposição linear dos resultados de ambos. Este trabalho apresenta análise de flexibilidade, utilizando apenas o método dos elementos finitos, aplicada a uma arquitetura paralela do tipo 2PRS+2PUS, com 4 graus de liberdade (duas translações - Y e Z - e duas rotações - \'teta\'x e \'teta\'YG), denominada Tetraglide. Em todas as análises feitas o grau de liberdade \'teta\'YG foi mantido constante, \'teta\'YG = 0°. Desta forma todas as análises ocorreram sobre o plano YZ. A partir dessa análise de flexibilidade são avaliadas as cargas axiais nas barras, que unem os atuadores à plataforma móvel ao longo do espaço de trabalho, determinando-se onde ocorre flambagem. Após isto, ainda com o método dos elementos finitos, obtém-se a 1ª freqüência natural ao longo de cada espaço de trabalho com orientação constante, uma vez que o conhecimento desta freqüência é fator importante na avaliação do comportamento estrutural dinâmico de máquinas-ferramentas. Após estas análises, analisam-se parâmetros estruturais em análises de sensibilidade visando maximizar a menor 1ª freqüência natural observada em cada espaço de trabalho com orientação constante. / In spite of the effort spent by the academic and industrial communities (goods, patents and laboratory prototypes), the Parallel Kinematics Machines - PKMs - they still present an inexpressive participation in the market of machine-tools and robots. One of the reasons for this fact is their low indexes of accuracy and precision, in comparison with the machines of conventional milling. This work presents the evaluation of the compliance mapping (kinetostatic analysis) and natural frequency about the positioning of the work piece and milling preferential directions, inside the available workspace of a parallel kinematics machine tool. At present this analysis has been accomplished in parallel kinematics machine using the virtual work principle or partially involving this method and the finite element method, with the overlap of the results of both. This work presents a compliance analysis just using the finite element method in parallel kinematics machine of type 2PRS+2PUS with 4 degrees of freedom (two moves - Y and Z - and two rotations - \'teta\'x e \'teta\'YG), denominated Tetraglide. In all of the done analyses the degree of freedom \'teta\'YG was maintained constant, \'teta\'YG = 0°. This way all of the analyses occurred on the plan YZ. Starting from the compliance analysis the axial loads are evaluated in the bars, which connect the actuators to the movable platform along the workspace, determining where the buckling occurs. After this, with the finite element method, 1st natural frequency is obtained along each constant-orientation workspace, once the knowledge of this frequency is important factor in the evaluation of the dynamic structural behavior of machine-tools. After these analyses, structural parameters are analyzed in sensibility analyses seeking to maximize to smallest 1st natural frequency observed in each constant-orientation workspace.

Manipuladores robóticos com cinemática paralela apresentam alta rigidez, alta relação carga/peso próprio e boa precisão quando comparados a manipuladores de cinemática serial. No entanto, a região de trabalho dos manipuladores paralelos é limitada devido à presença de singularidade. Com o objetivo de aumentar a região de trabalho, redundâncias cinemáticas podem ser introduzidas nas cadeias cinemáticas. Devido à sua arquitetura paralela, a incerteza nos parâmetros geométricos pode ter grande influência no comportamento cinemático e no desempenho dinâmico. O estudo do impacto dessas incertezas quando redundâncias são introduzidas em uma manipulador robótico planar de cinemática paralela é o objetivo desse trabalho. Distribuições normais foram adotadas para a avaliação do comprimento dos elos. O impacto dessas variações foi avaliado numericamente através da comparação de resultados da simulação de trajetórias para os diferentes manipuladores robóticos. Além disso, verificou-se o impacto dessas variações nas regiões de singularidades dos sistemas robóticos. Essas avaliações numéricas foram realizadas para o manipulador robótico 3(P)RRR. Este manipulador consiste de 3 cadeias cinemáticas em paralelo. Cada cadeia apresenta uma junta prismática ativa (P), uma junta de revolução ativa (R) e duas juntas de revolução passivas (RR). Através desse trabalho, uma metodologia de avaliação do impacto de incerteza geométricas em manipuladores robóticos paralelos com redundância de atuação foi proposta e investigada. / Parallel kinematic manipulators present higher rigidity, better load capacity and improved accuracy when compared to serial kinematic manipulators. However, the workspace of parallel kinematic manipulator is usually limited due to the presence of singularity regions. In order to enlarge the workspace, kinematic redundancy can be introduced in the kinematic chains. Due to its parallel architecture, the uncertainty and variability of some geometric parameters may have great influence on its kinematic behavior and dynamic performance. The impact of these variabilities when redundancies are considered should also be verified. The aim of this study is to evaluate some geometric uncertainties in the links\' dimensions of a planar parallel robot manipulator with kinematic redundancy. Normal distributions are adopted for evaluating the variability of length of the links. The impact of these changes was evaluated numerically by comparing the results obtained by simulating trajectories for different robotic manipulators. In addition, the impact of these variabilities in the singularity regions is also assessed. These numerical evaluations have been performed for the redundant manipulator 3(P)RRR. This manipulator consists of three kinematic chains in parallel. Each chain has an active prismatic joint (P), an active revolute joint (R) and two passive revolute joints (RR). Through this work, a methodology for assessing the impact of geometric uncertainty in parallel robotic manipulators with kinematic redundancy has been proposed and investigated.

Manipuladores robóticos com cinemática paralela apresentam alta rigidez, alta relação carga/peso próprio e boa precisão quando comparados a manipuladores de cinemática serial. No entanto, a região de trabalho dos manipuladores paralelos é limitada devido à presença de singularidade. Com o objetivo de aumentar a região de trabalho, redundâncias cinemáticas podem ser introduzidas nas cadeias cinemáticas. Devido à sua arquitetura paralela, a incerteza nos parâmetros geométricos pode ter grande influência no comportamento cinemático e no desempenho dinâmico. O estudo do impacto dessas incertezas quando redundâncias são introduzidas em uma manipulador robótico planar de cinemática paralela é o objetivo desse trabalho. Distribuições normais foram adotadas para a avaliação do comprimento dos elos. O impacto dessas variações foi avaliado numericamente através da comparação de resultados da simulação de trajetórias para os diferentes manipuladores robóticos. Além disso, verificou-se o impacto dessas variações nas regiões de singularidades dos sistemas robóticos. Essas avaliações numéricas foram realizadas para o manipulador robótico 3(P)RRR. Este manipulador consiste de 3 cadeias cinemáticas em paralelo. Cada cadeia apresenta uma junta prismática ativa (P), uma junta de revolução ativa (R) e duas juntas de revolução passivas (RR). Através desse trabalho, uma metodologia de avaliação do impacto de incerteza geométricas em manipuladores robóticos paralelos com redundância de atuação foi proposta e investigada. / Parallel kinematic manipulators present higher rigidity, better load capacity and improved accuracy when compared to serial kinematic manipulators. However, the workspace of parallel kinematic manipulator is usually limited due to the presence of singularity regions. In order to enlarge the workspace, kinematic redundancy can be introduced in the kinematic chains. Due to its parallel architecture, the uncertainty and variability of some geometric parameters may have great influence on its kinematic behavior and dynamic performance. The impact of these variabilities when redundancies are considered should also be verified. The aim of this study is to evaluate some geometric uncertainties in the links\' dimensions of a planar parallel robot manipulator with kinematic redundancy. Normal distributions are adopted for evaluating the variability of length of the links. The impact of these changes was evaluated numerically by comparing the results obtained by simulating trajectories for different robotic manipulators. In addition, the impact of these variabilities in the singularity regions is also assessed. These numerical evaluations have been performed for the redundant manipulator 3(P)RRR. This manipulator consists of three kinematic chains in parallel. Each chain has an active prismatic joint (P), an active revolute joint (R) and two passive revolute joints (RR). Through this work, a methodology for assessing the impact of geometric uncertainty in parallel robotic manipulators with kinematic redundancy has been proposed and investigated.