Conception d’un robot parallèle à câbles pour la fabrication additive - Thèses Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Design of a cable driven parallel robot for additive manufacturing

Conception d’un robot parallèle à câbles pour la fabrication additive

Damien Gueners
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1090515

Résumé

This thesis is about the design of a cable driven parallel robot for additive manufacturing. This type of robot introduces a particular architecture that moves an end-effector using cables. The use of cable allows to reduce the moving masses to perform fast trajectories. A cable driven parallel robot workspace is larger than a rigid robot. These main advantages mean that they will be used more and more in the industry.In parallel with the development of this type of robot, the additive manufacturing commonly calls 3D printing has a very significant development over the past 10 years. Using a cable driven parallel robot for 3D printing can have the advantages of increasing the travel speed of the print head, increasing the size of the printed parts, and reduce the manufacturing costs of the robot and parts.This thesis combines two promising technologies. However, it is necessary to confirm the tool path following accuracy to achieve the 3D printing. Indeed, a cable driven parallel robot has lower accuracy than a rigid robots mainly due to the elastic mechanical behavior of cables. This thesis covers the development of an optimized prototype that ensure a geometric and dynamic accuracy sufficient for the additive manufacturing application.In the first instance, the cable driven parallel robot modeling is detailed. This modeling is defined to optimize the design and implementation of the robot for the 3D printing. In the second part, the elasto-static model is developed and validated experimentally. The cables traction force influence on the robot rigidity is analyzed. The cable material has a great influence on the mechanical behavior of the robot. Characterization testing on 3 types of cables (steel, Dyneema, aramid) were realized. These tests allow determining the best cable for our application. The robot geometry is optimized by considering the robot rigidity and the printing space. This optimization allows determining the anchor point positions. Finally, the robot prototype is introduced, and these performances are observed.
Cette thèse porte sur la conception d’un robot parallèle à câble pour la fabrication additive. Ce type de robot présente une architecture particulière, où l’organe terminal est déplacé seulement à l’aide de câbles. L’utilisation de câbles permet de diminuer les masses en mouvement et ainsi effectuer des trajectoires rapides. De plus, l’espace de travail des robots parallèles à câbles est plus grand que celui des robots avec des membres rigides. Ces principaux avantages font qu’ils devraient être de plus en plus utilisés dans l’industrie. En parallèle du développement de ce type de robot, la fabrication additive couramment appelée impression 3D connaît un développement très important depuis ces 10 dernières années. L’utilisation d’un robot parallèle à câbles pour l’impression 3D peut présenter les avantages suivants : augmenter la vitesse de déplacement de la tête d’impression, augmenter la taille des pièces imprimées et diminuer les coûts de fabrication du robot et des pièces.Cette thèse combine deux technologies prometteuses. Toutefois, il est nécessaire de garantir la précision de suivi de trajectoire du robot à câbles pour pouvoir réaliser la tâche d’impression 3D. En effet, les robots parallèles à câbles présentent une précision plus faible que celles des robots rigides à cause du comportement mécanique des câbles liés à leur élasticité. La thèse porte donc sur la réalisation d’un prototype de robot parallèle à câbles optimisé pour assurer une précision géométrique et dynamique de suivi de trajectoires suffisante pour la fabrication additive.Dans un premier temps, différentes modélisations des robots parallèles à câbles sont élaborées. Ces modélisations sont utilisées pour optimiser la conception et la mise en œuvre du robot pour l’impression 3D. Dans un second temps, le modèle élasto-statique du robot au niveau de la plateforme est développé puis validée expérimentalement. L’influence de la force sollicitant les câbles sur la rigidité du robot est aussi analysée. Le matériau du câble a aussi une grande influence sur le comportement mécanique du robot. Des essais de caractérisation de trois types de câbles (acier, Dyneema et aramide) ont été réalisés. Ces essais permettent de déterminer quel type de câble est le plus adapté pour notre robot. La géométrie du robot est optimisée en considérant la rigidité de la plateforme et l’espace d’impression du robot. Cette optimisation permet de déterminer la position des points d’ancrages du robot. Finalement, le prototype final du robot que nous avons conçu est présenté et ses performances réelles sont observées.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03578159 , version 1 (17-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03578159 , version 1

Citer

Damien Gueners. Conception d’un robot parallèle à câbles pour la fabrication additive. Automatique / Robotique. Université Clermont Auvergne, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UCFAC026⟩. ⟨tel-03578159⟩
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