<p> This thesis is a study of numerically controlled machine tools (NCMT), and is divided into four sections. </p> <p> Section A is a literature survey of current concepts, criteria and techniques in design of MCMT structures and drives. Several of the authors own ideas are also included. </p> <p> Section B deals with NCMT manual and computer aided programming techniques. The structure and function of post processors is also covered. </p> <p> Section C is a practical combination of computer design optimization and numerical control manufacture. In an example the geometrical dimensions of a hydrostatic thrust bearing are optimized and used as an input to a generalized APT programme, written to produce a numerical control tape for manufacture of this bearing type. </p> <p> Section D is the discussion and conclusion. </p> / Thesis / Master of Engineering (MEngr)

Simulation-based design optimization and finite element method are used in this research to investigate weight reduction of car body structures made of metallic and composite materials under different design criteria. Besides crashworthiness in full frontal, offset frontal, and side impact scenarios, vibration frequencies, static stiffness, and joint rigidity are also considered. Energy absorption at the component level is used to study the effectiveness of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite material with consideration of different failure criteria. A global-local design strategy is introduced and applied to multi-objective optimization of car body structures with CFRP components. Multiple example problems involving the analysis of full-vehicle crash and body-in-white models are used to examine the effect of material substitution and the choice of design criteria on weight reduction. The results of this study show that car body structures that are optimized for crashworthiness alone may not meet the vibration criterion. Moreover, optimized car body structures with CFRP components can be lighter with superior crashworthiness than the baseline and optimized metallic structures.

La rigidité est un des objectifs de performance les plus importants pris en compte lors de la conception de systèmes robotiques. Le contrôle de la raideur physique en cours de tâche est une problématique scientifique en plein essor dans le cadre de la conception innovante de robots à forte polyvalence. L’association d’une structure robotique compliante et d’un composant en alliage à mémoire de forme (AMF) est réalisée dans le but d’obtenir des cartes de compliance variables dans le temps sur un même espace de travail. Les AMF sont en effet des matériaux actifs qui possèdent des caractéristiques comportementales pouvant être exploitées dans cette application. La structure considérée pour l’étude n’a pas de degré de liberté interne mais sa déformation permet de créer un pseudo-espace de travail. Celui-ci diffère selon l’état activé/non-activé de l’AMF. L’intersection des deux espaces obtenus représente alors les positions de l’effecteur où il est possible d’avoir des valeurs de compliance différentes. Les cartes obtenues montrent des caractéristiques intéressantes pour la perspective de la conception de robots polyvalents ayant une nouvelle forme de reconfigurabilité basée sur le changement de propriétés matérielles. / The rigidity is one of the most important performance targets which is taken into account for the design of robotic systems. The control of the physical stiffness during industrial tasks is a scientific issue which is rapidly expanding in the context of the innovative design of highly polyvalent robots. The combination of a compliant robotic structure and a shape memory alloy (SMA) component is carried out in the aim of obtaining variable compliance maps over time and in the same workspace. SMAs are actually active materials with specific thermomechanical properties which can be used in this application. The considered structure has no internal degree of freedom, but the deformation of the arms allows the creation of a “Pseudo-Workspace” (PWS). This PWS varies as a function of the activated/non-activated state of the SMA component. The intersection of the two obtained PWSs represents the effector’s positions where it is possible to have different compliance values. Generated maps show interesting characteristics in the perspective of the design of polyvalent robots based on a new type of reconfigurability (change of material properties).

Cette thèse contribue à l'analyse des raideurs statique et dynamique des robots parallèles à câbles dans un objectif d'amélioration de la précision de positionnement statique et de la précision de suivi de trajectoire. Les modélisations statique et dynamique proposées des câbles considèrent l'effet du poids du câble sur son profil et l'effet de masse du câble sur la dynamique de ce dernier. Sur la base du modèle statique de câble proposé, l'erreur de pose statique au niveau de l'organe terminal du robot est définie et sa variation en fonction de la charge externe appliquée est utilisée pour évaluer la raideur statique globale de la structure. Un nouveau modèle dynamique vibratoire de robots à câbles est proposé en considérant le couplage de la dynamique des câbles avec les vibrations de l'organe terminal. Des validations expérimentales sont réalisées sur des prototypes de robots à câbles. Une série d'expériences de statique, d'analyses modales, d'analyses en régime libre et de suivi de trajectoire sont réalisées. Les modèles statiques et dynamiques proposés sont confirmés. Les dynamiques des câbles et du robot ainsi que leur couplage sont discutées montrant la pertinence des modèles développés pour l’amélioration des performances des robots à câbles en termes de design et le contrôle. Outre l'analyse des raideurs statique et dynamique, les modèles proposés sont appliqués dans l'amélioration du calcul de la distribution des efforts dans les câbles des robots redondants. Une nouvelle méthode de calcul de la distribution des efforts dans les câbles basée sur la détermination de la limite inférieure des forces dans les câbles est présentée. La prise en compte de la dépendance à la position dans l'espace de travail permet de limiter les efforts dans les câbles et ainsi d'améliorer l'efficience des robots d'un point de vue énergétique. / This thesis contributes to the analysis of the static and dynamic stiffness of cable-driven parallel robots (CDPRs) aiming to improve the static positioning accuracy and the trajectory tracking accuracy. The proposed static and dynamic cable modeling considers the effect of cable weight on the cable profile and the effect of cable mass on the cable dynamics. Based on the static cable model, the static pose error of the end-effector is defined and the variation of the end-effector pose error with the external load is used to evaluate the static stiffness of CDPRs. A new dynamic model of CDPRs is proposed with considering the coupling of the cable dynamics and the end-effector vibrations. Experimental validations are carried out on CDPR prototypes. Static experiments, modal experiments, free vibration experiments and trajectory experiments are performed. The proposed static and dynamic models are verified. Cable dynamics, robot dynamics and their coupling are discussed. Results show the relevance of the proposed models on improving the performances of CDPRs in terms of design and control. Besides stiffness analysis, the proposed models are applied on the force distribution of redundant actuated CDPRs. A new method on the calculation of the cable forces is proposed, where the determination of the lower-boundary of the cable forces is presented. The consideration of the pose-dependence of the lower force boundary can minimize the cable forces and improve the energy efficiency of CDPRs.