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On-machine inspection (OMI) via on-machine probing (OMP) is a technology that has the potential to provide a step change in the manufacturing of high precision products. Bringing product inspection closer to the machining process is very attractive proposition for many manufacturers who demand ever better quality, process control and efficiency from their manufacturing systems. However, there is a shortness of understanding, experience, and knowledge with regards to efficiently implementing OMI on industrially-based multi-axis machine tools. Coupled with the risks associated to this disruptive technology, these are major obstacles preventing OMI from being confidently adopted in many high precision manufacturing environments. The research pursued in this thesis investigates the concept of enabling high precision machine tools as measurement devices and focuses upon the question of: “How can traceable on-machine inspection be enabled and sustained in an industrial environment?” As highlighted by the literature and state-of-the-art review, much research and development focuses on the technology surrounding particular aspects of machine tool metrology and measurement whether this is theory, hardware, software, or simulation. Little research has been performed in terms of confirming the viability of industrial OMI and the systematic and holistic application of existing and new technology to enable optimal intervention. This EngD research has contributed towards the use of industrial machine tools as traceable measurement systems. Through the test cases performed, the novel concepts proposed, and solutions tested, a series of fundamental questions have been addressed. Thus, providing new knowledge and use to future researchers, engineers, consultants and manufacturing professionals.

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La thèse concerne un procédé de fabrication par usinage dans son aspect le plus générique. L’objectif est de développer une approche intégrée aux systèmes CFAO permettant de prédire le comportement vibratoire d’un système usinant en fraisage régénératif multiaxe dans une échelle mésoscopique. Cela engage l’estimation des interactions Pièce / Outil instantanées, le calcul des forces de coupe et enfin, la détermination de la stabilité/instabilité du procédé sous certaines conditions de coupe. La géométrie de l’interaction est rendue particulièrement complexe à cause de la forme de l’outil et de la pièce ainsi que de leur position relative. Dans ces travaux, nous proposons une approche générique basée sur un système de CFAO pour l’extraction des éléments géométriques nécessaires au calcul des forces de coupe en chaque point de la trajectoire du fraisage. Et dans le dessein d’une meilleure prédiction, nous nous basons sur la discrétisation de la fraise en des arêtes infinitésimales. Particulièrement, cette approche est implémentée pour un cas d’usage simple. Par la suite, nous développons, sous Simulink/Matlab, un système de calcul permettant la visualisation des forces et de la dynamique de la coupe dans le domaine temporel. Ceci grâce aux modèles de comportement du système usinant identifiés expérimentalement et un modèle spécifique d’efforts de coupe intégrant le facteur retard. Par ailleurs, la stabilité liée à la coupe est déterminée à partir des critères de comportement applicables aux systèmes non linéaires héréditaires. L’interopérabilité de ces deux outils de calcul et de conception est couronnée par la production d’un démonstrateur de comportement vibratoire sur une trajectoire de coupe par fraisage régénératif. Enfin, une première étude expérimentale visant le recalage des modèles de comportement et d’efforts de coupe, ainsi que la validation de l’approche générique et du démonstrateur est produite pour différents processus de fraisage. / This research is a generic aspect enquiry on manufacturing process by machining. Its main objective is supporting CAD/CAM systems through an integrated approach aiming to determine vibratory behavior of multi-axis chatter milling. This involves estimating instantaneous Part / Tool interactions, calculating cutting forces and finally determining process stability or instability under certain cutting conditions. Interaction geometry is made particularly complex because of tool and workpiece’s geometry as well as their relative position. In this work, we propose a generic approach based on CAD/CAM systems to extract geometric elements needed to calculate cutting forces at each point of milling path. In addition, with a view to better prediction, we rely on milling tool discretization into infinitesimal edges while developing and implementing milling simulation system for cutting forces and dynamics calculation tool in Simulink/Matlab software. This, thanks to the behavior models of machining system identified experimentally and a specific model of cutting forces incorporating delay factor. In addition, the milling process behavior is determined by applying some criteria to the hereditary system. The interoperability of these two calculation and design tools is culminated with a visual demonstrator of vibration behaviors in milling tool path. Finally, a first experimental study aiming at behavior and cutting forces models adjustment, as well as the generic approach and the demonstrator validation is realized for different milling processes.

Les actionneurs piézoélectriques font partie des outils les plus utilisés dans les applications à l'échelle micro/nano-métrique (micromanipulation, microassemblage, micropositionnement, etc…). Du point de vue fonctionnel, on distingue les actionneurs mono-axe (permettant d'obtenir la déflection suivant une direction) et les actionneurs multi-axes (pouvant fléchir suivant plusieurs directions). La notoriété des actionneurs piézoélectriques est due à un certain nombre de performances telles qu'une large bande passante (plus du kHz possible), une très bonne résolution (de l'ordre du nanomètre), une faible consommation en énergie électrique, une grande densité de force, une facilité d'alimentation et d'intégration, etc. Cependant, ces actionneurs sont caractérisés par des non-linéarités fortes (hystérésis et la dérive lente), des oscillations mal-amorties, et sont sensibles à la variation des conditions ambiantes (en particulier à la variation de la température). Pour les actionneurs multi-axes, il s'ajoute un problème des couplages entre les différents axes de l'actionneur. Cette thèse propose des stratégies innovantes de commande des actionneurs piézoélectriques multi-axes pour contrer les problèmes sus-mentionnés. Ces stratégies sont groupées en deux catégories. La première catégorie concerne les techniques de commande en boucle fermée. Ces techniques sont les plus adaptées pour garantir la robustesse et un niveau de précision élevé pour les actionneurs piézoélectriques. Cependant, à l'échelle micro/nano-métrique, ces techniques sont limitées par un manque d'espace suffisant pour installer des capteurs de position. La deuxième catégorie concerne la commande en boucle ouverte dont l'intérêt majeur est lié au fait qu'il n'y a pas besoin de capteurs pour la commande, ce qui constitue un avantage en terme de coût et facilité d'intégration. Dans cette thèse, nous proposons d'abord les techniques de modélisation et de commande en boucle ouverte multivariables. Ensuite, nous faisons une analyse des effets de la température sur les actionneurs piézoélectriques et nous proposons des techniques de commande en boucle ouverte et en boucle fermée de ces effets. Enfin, une stratégie de commande en boucle fermée par découplage, visant à obtenir des correcteurs d'ordre réduit pour les actionneurs multi-axes est proposée. Toutes ces techniques sont vérifiées et appliquées expérimentalement à un actionneur piézoélectrique de type tube. / Piezoelectric actuators are among the most used tools in many applications at micro/nano-scale (micromanipulation,microassembly, micropositioning, etc). From a functional perspective, there exist mono-axis actuators(which are made to bend in one direction) and multi-axis actuators (which provide deflections in different directions).The popularity of piezoelectric actuators is especially due to their high resolution (nanometric resolution),the large bandwidth (greater than 1kHz possible), the low electrical power consumption, the high force density,the ease of integration in positioning systems, etc. However, piezoelectric actuators are characterized by hysteresisand creep nonlinearities, badly damped vibrations and they are sensitive to the variation of ambient conditions(especially to the temperature variation). In addition, multi-axis actuators exhibit cross-couplings betweentheir axis. This thesis proposes novel strategies for modeling and control of multi-axis piezoelectric actuators,with the aim to counteract the aforementionned problems. These strategies are grouped into two categories.The first category concerns feedback control techniques. These techniques are the most suitable to ensurethe robustness and a high level of precision for piezoelectric actuators. However, at the micro/nanoscale, thesetechniques are limited by the lack of enough physical space to install feedback sensors. The second categoryconcerns the feedforward control techniques. The main advantage of these techniques is related to the factthat, in feedforward control schemes, feedback sensors are not needed for tracking. This allows to achieve ahigh degree of packageability and the cost reduction. In this thesis, we first propose multivariable modelingand feedforward control techniques. Then, we analyse the effects of temperature variation on piezoelectricactuators and we propose feedforward and feedback control techniques for these effects. Finally, a feedbackstrategy based on decoupling techniques with an aim to reduce the order of feedback controllers for multi-axispiezoelectric actuators, is proposed. All these modeling and control strategies are experimentally applied on apiezoelectric tube actuator.

Tato diplomová práce se zabývá modifikací původního tvaru součásti za účelem co nejlepšího splnění provozních podmínek daného zatížení a omezujících podmínek v programech M.S.C. NASTRAN, M.S.C. PATRAN a FUSION 360. Součást je připevněna na ortotropní desce (sendvičovém panelu). Cílem této práce je zjištění efektu elastického podkladu na výsledky optimalizace. Součást bude optimalizována za použití různých cílových funkcí a omezení. Elastický podklad změní tuhost, což může změnit napěťový stav součásti. Únosnost původního a modifikovaného tvaru bude srovnána pomocí programu M.S.C NASTRAN/PATRAN. Po tvarové optimalizaci má být 3D model připravený pro výrobní proces, který bude cenově nejefektivnější.

Simultaneously achieving high-sensitivity and a large resonance frequency of micromachined accelerometers is difficult because of the inherent trade-off between the two. In this thesis, we present a mechanical displacement-amplifying technique that is amenable to micromachining to enhance sensitivity without compromising on the resonance frequency and cross-axis sensitivity. Depending on the requirements of sensitivity alone or sensitivity and resonance frequency, Displacement-amplifying Compliant Mechanisms (DaCMs) are designed using the selection map-based technique, which indicates the limits of what is possible for given specifications on size and microfabrication. In order to prove the benefits of a DaCM, we modified the designs of two very sensitive capacitive micromachined accelerometers from the literature by incorporating DaCMs and showed that, within the same footprint on the chip, the displacement sensitivity could be enhanced by more than 60% while the resonance frequency was also improved by more than 30%. As the focus of the thesis is to explore the integration of DaCMs into accelerometers, the analytical, computational, and practical aspects are discussed in detail. Both single and dual axis in-plane accelerometers are considered. The fabrication processes used are Silicon-on-Insulator Multi-user MEMS Processes (SOIMUMPs) and a customized Silicon-on-Insulator (SOI) based process. The fabricated accelerometers are packaged and brought to the product form. They were tested at the die level as well as in the packaged form. Under dynamic conditions, the measured amplification factor of the fabricated single-axis in-plane accelerometer was observed to be 11. The overall dimension of the accelerometer was 4.25 mm × 1.25 mm. The first in-plane natural frequency of the fabricated accelerometer was found to be 6.25 kHz. The voltage sensitivity of the packaged accelerometer with the DaCM measured 26.7 mV/g at 40 Hz with differential capacitance sensitivity of 3926 ppm/g around the base capacitance of 0.75 pF. The fabricated dual-axis accelerometer has a special configuration of twelve folded-beam suspension blocks that de-couple any displacements along the two in-plane orthogonal axes. The decoupling feature is retained even after adding the DaCMs along both the axes. The total device size was 8.6 mm × 8.6 mm. The device was also fabricated and packaged inside a ceramic flat-pin package using hybrid die-to-die wire-bonding. Die-level dynamic characterization showed that the average geometric advantage achieved using the DaCMs is 6.2 along both the in-plane axes. The measured axial voltage sensitivity of about 580 mV/g for both the axes was achieved with a cross-axial sensitivity of less than 2% and a natural frequency of 920 Hz. The static capacitance sensitivity was found to be 0.296 × 106 ppm/g with a base capacitance of 0.977 pF. Also presented in this work is a wide-band dual-axis accelerometer without an amplifying mechanism. Its first two in-plane modal frequencies measured 14.2 kHz. The measured sensitivity of the packaged accelerometer along both the axes of the device was found to be 62 mV/g at 200 Hz. Aiming at towards cost-effective accelerometers for small-volume markets, we also developed a single-axis and two dual-axis meso-scale spring-steel in-plane accelerometers equipped with Allegro A1395 linear Hall-effect sensors for sensing the displacement of the proof-mass. The single-axis in-plane meso-scale accelerometer also contains a DaCM. It is observed through simulation that the single-axis design with a DaCM is 39% more sensitive and has 41% more bandwidth compared to a single-axis design without a DaCM. The measured sensitivity of the fabricated single-axis spring-steel accelerometer with a DaCM was found to be 71.4 mV/g with a minimum resolvable acceleration of 14 milli-g. The unique features of the first generation of dual-axis accelerometers are that a rechargeable Li-ion battery adds to the proof-mass. It also contains a de-coupling mechanism that can decompose any planar acceleration into its axial components. The second generation of dual-axis accelerometers is more compact in size. All the mechanical elements of the accelerometers are made of EN J42/AISI 1080 spring steel foil machined using Wire-cut Electro-Discharge- Machining. The measured sensitivity of the first generation of dual-axis meso-scale accelerometers is 78 and 108 mV/g along the X and Y axes whereas the second generation device exhibits a sensitivity of 40 mV/g for both the axes. The thesis concludes that the sensitivity of a displacement-based sensor can be improved using a suitably designed DaCM without compromising the resonance frequency and hence the bandwidth. Furthermore, the work describing the development of meso-scale accelerometers also establishes spring steel as a viable material for meso-scale applications.

L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur de forcemulti-axes destiné à mesurer les composantes de friction impliquées dans lecontact doigt/objet lors la micromanipulation dextre. Des études théoriques etdes simulations par éléments finis ont conduit à la conception de ce capteurMEMS piézorésistif composé d’une plate-forme centrale munie d’une microbille,entourée d’une table compliante. D’après les résultats de simulations, ce capteur estcapable de mesurer indépendamment les forces normales et de frottement (couplageréciproque inférieure à 1%) avec une bonne sensibilité. Différents runs de fabricationnous ont permis d’obtenir des dispositifs exploitables. La structure mécanique de cescapteurs a été validée par la mesure des fréquences de résonance qui sont en accordavec les résultats de simulation. Des premiers résultats expérimentaux en termesde mesure de force ont ensuite été obtenus grâce au développement d’un banc detest (structure robotique, actionneurs, caméras, etc.). Nous nous sommes égalementintéressés à la problématique de l’étalonnage des capteurs de micro et nanoforceà l’aide de ressorts magnétiques reliés à des masses mesurables. Nous avons, danscette optique, mis au point une stratégie d’estimation et de compensation passivedes perturbations mécaniques en utilisant un principe différentiel. Cette approchea été appliquée à un capteur de nanoforce basé sur la lévitation diamagnétique et aabouti à des résultats prometteurs : une résolution inférieure au nanonewton a puêtre obtenue. / Sensor enabling to characterize the finger/object contact involved in dexterousmicromanipulation. Theoretical studies and finite elements simulations have lead tothe conception of this piezoresistive MEMS sensor composed of a central platformwith a micro-ball and surrounded by a compliant table. According to the simulationresults, this sensor is able to independently measure the normal and friction forces(crosstalk less than 1 %) with a good sensitivity. Several runs of fabrication allowedus to obtain usable devices. The mechanical structure of such sensors has beenvalidated by the measurement of resonance frequencies that are consistent with thesimulation results. The first experimental results in terms of force measurement werethen obtained through the development of a test bench (robotic structure, actuators,cameras, etc.). We were also interested in the problem of calibration of micro andnanoforce sensors using magnetic springs connected to measurable masses. In thiscontext, we developed an estimation strategy and a passive rejection of mechanicaldisturbances using a differential principle. This approach was applied to a nanoforcesensor based on the diamagnetic levitation and yielded promising results: a resolutionlower the nanonewton level could be obtained.