Design and Optimization of a Robot for Abrasive Waterjet Polishing of Hydraulic Turbine Blades

RÉSUMÉ Dans l’industrie de fabrication de turbine hydraulique, toutes les surfaces de turbines qui sont en contact avec de l’eau devraient être polies afin d’obtenir la qualité et l’efficacité maximales. Pour cela, il est nécessaire d’utiliser une méthode de polissage qui peut avoir accès à toutes les surfaces des turbines incluant leurs bords, leurs zones restreintes et leurs courbures serrées. En raison des propriétés particulières qu’offre la technique de polissage par jet d’eau abrasif, celle-ci peut être utilisée pour accomplir cette tâche. Par conséquent, dans cette recherche, les propriétés de cette méthode non-conventionnelle sont examinées dans un premier temps et les principaux paramètres affectant ses performances sont alors déterminés. Ensuite, les conditions nécessaires de manipulations de la buse de pulvérisation vis-à-vis des surfaces courbes sont étudiées et les propriétés d’un bras robotisé pour manipuler celle-ci sont obtenues afin de réaliser cette tâche d’une manière appropriée. Par après, plusieurs mécanismes robotiques tels que des mécanismes sériels, parallèles à membrures, parallèles à câbles, et des robots hybrides sont considérés et leurs capacités à être utilisé dans ce processus sont analysées. Il est alors démontré qu’une l’architecture hybride est le meilleur candidat à retenir pour le design d’un robot de polissage par jet d’eau abrasif. Ensuite, l’architecture conceptuelle d’un robot hybride à 5 DDL est proposée. La structure du robot est constituée d’un mécanisme parallèle à câbles à 3 DDL et d’un poignet sériel à 2 DDL. Afin d’améliorer les propriétés cinématiques du mécanisme à câbles tout en minimisant le nombre d’actionneurs nécessaires, il est proposé d’utiliser des différentiels pour guider ce robot manipulateur. Aussi, la rigidité et la compacité du mécanisme sont améliorées en utilisant une liaison prismatique. Par la suite, les systèmes à câbles différentiels sont examinés et les différences entre leurs propriétés cinématiques et celles de systèmes actionnés indépendamment pour chaque câble sont décrites. Il est démontré que la force résultante de tous les câbles d’un différentiel à câbles doit être prise en compte dans son analyse cinématique. En effet, dans un système différentiel planaire, la direction de la force résultante n’est pas fixée vers un point particulier. Mais plutôt, elle se déplace dans le plan de ce système différentiel. Cette propriété peut être bénéfique pour les propriétés cinématiques des robots à câbles. En comparant deux types d’espace de travail de plusieurs robots planaires actionnés par des mécanismes différentiels par rapport à leurs équivalents pleinement actionnés, il est alors montré qu’en utilisant ces mécanismes, les espaces de travail des robots planaires à câbles peuvent être améliorés. Cependant, cette même propriété qui augmente la plage de variation de la direction de la force résultante dans un câble différentiel, diminue aussi son amplitude. Ainsi, le design optimal d’un différentiel à câble résulte d’un compromis entre ces deux propriétés.----------ABSTRACT In hydraulic turbine manufacturing, all surfaces of the turbines which are in contact with the water flow should be polished to obtain the desired quality and maximal efficiency. For this, it is needed to use an effective polishing method which can have access to all surfaces of the turbines including edges, narrow areas and tight bends. Because of the particular properties of the abrasive waterjet polishing technique, it can be used to accomplish this task. Therefore, in this research, the properties of this non-conventional method are first investigated and the main parameters affecting its performance are then determined. Next, the manipulation requirements of the jet nozzle over free-form surfaces are studied and the properties of a robotic arm to appropriately perform this task are obtained. Afterwards, several robotic mechanisms, e.g., serial, linkage-driven parallel, cabledriven parallel, and hybrid robots are considered and their abilities to be used in this process are investigated. It is then shown that a hybrid architecture is the best candidate for the design of an abrasive waterjet polishing robot. Next, the conceptual design of a 5-DOF hybrid robot is proposed. The structure of this robot is made of a 3-DOF cable-driven parallel mechanism and a 2-DOF serial wrist. To improve the kinematic properties of the cable-driven mechanism while the number of required actuators is kept at a minimum, it is proposed to use cable differentials to drive this manipulator. Also, the rigidity and compactness of the mechanism is improved through the use of a prismatic joint in its structure. Afterwards, differentially driven cable systems are investigated and the differences between their kinematic properties and these of independently actuated cables are described. It is shown that the resultant force of all cables of a cable differential should be taken into account in its kinematic analysis. Indeed, in a planar differential, the direction of the resultant force is not fixed toward a particular point. Instead, it moves within the plane of that differential. This property can be beneficial in the kinematic properties of differentially driven cable robots. By comparing two types of workspaces of several planar robots actuated by differentials with their fully actuated counterparts, it is then shown that using these mechanisms, these workspaces of planar cable robots can be improved. However, the same property that increases the range of variation of the resultant force direction in a cable differential, decreases its magnitude. Thus, the optimal design of a cable differential is a trade-off between these two properties. Next, a synthesis method is presented to find all possible arrangements of the cable differentials to generalize the idea of using such mechanisms in the design of planar cable robots. Additionally, the application of differentials in spatial robots is also investigated and it is shown that they have properties similar to the planar types

Génération de chemins de couverture pour des opérations automatisées de contrôle non destructif appliquées dans l'industrie aérospatiale

RÉSUMÉ L’industrie aérospatiale accorde un rôle majeur au contrôle non destructif (CND) dans le processus de fabrication et de maintenance des structures et il est utilisé, entre autres, pour détecter des défauts tels que des fissures à un stade précoce. Cependant, les techniques de CND sont encore principalement opérées manuellement, en particulier sur des structures aérospatiales complexes. Plusieurs inconvénients en résultent tels que la pénibilité et le temps d’opération des techniques. De plus, la fiabilité et la répétabilité des résultats d’inspection est susceptible de varier de manière significative puisqu’elles dépendent de l’expérience et de la dextérité de chaque opérateur. Dans le cadre du projet MANU-418 du Consortium de recherche et d’innovation en aérospatiale au Québec (CRIAQ) dans lequel s’inscrit le présent travail de recherche, il a été proposé de développer un système muni d’un bras manipulateur à 6 DDL permettant d’automatiser trois techniques particulières de CND utilisées dans l’industrie aérospatiale : l’inspection par courants de Foucault (ECT), l’inspection par ressuage fluorescent (FPI) et l’inspection par thermographie infrarouge (IRT). L’objectif global du projet MANU-418 est de démontrer que ce système automatisé permet d’obtenir des résultats de détection de défauts (des fissures généralement) en surface et légèrement sous la surface au moins aussi acceptables en termes de fiabilité et de répétabilité que ceux obtenus manuellement. Un des objectifs spécifiques qui découle de ce projet est de développer une méthodologie et un outil logiciel de génération de chemins de couverture adaptés aux trois techniques de CND mentionnées précédemment pour l’inspection de surfaces complexes de structures aérospatiales. Le présent travail de recherche s’attache à la réalisation de cet objectif spécifique. Dans un premier temps, les propriétés de géométrie et de topologie du type de surfaces considérées dans ce projet sont définies (surfaces planes, congés, bords droits, surfaces cylindriques, trou dans la surface). Il est également supposé que le modèle 3D de la surface à inspecter est connu à l’avance. Aussi, l’automatisation de l’inspection ECT étant prioritaire devant celles des techniques FPI et IRT dans le cadre du projet MANU-418, la méthodologie développée se base sur les propriétés de chemin qu’une sonde différentielle à courants de Foucault (appelée ici sonde EC) suit habituellement lors d’une inspection manuelle, tout en permettant de rester utilisable pour les autres techniques. Le chemin d’inspection d’une sonde EC est défini par un balayage en zigzag et cette sonde est généralement en contact léger avec la surface durant le balayage. Aussi, l’axe de la sonde doit en tout temps être normal à la surface et, l’alignement de ses deux bobines doit toujours être orienté le long de sa direction de déplacement. Une première méthodologie est alors proposée pour générer des chemins de couverture sur toute la surface à inspecter en respectant les contraintes de la sonde EC.----------ABSTRACT Non destructive testing (NDT) plays an important role in the aerospace industry during the fabrication and maintenance of the structures built and is used, among other useful applications, to detect flaws such as cracks at an early stage. However, NDT techniques are still mainly done manually, especially on complex aeronautical structures, which then results in several drawbacks. In addition to be difficult and time-consuming, reliability and repeatability of inspection results are likely to be affected, since they rely on each operator’s experience and dexterity. The present thesis is part of a larger project (MANU-418) of the Consortium for Research and Innovation in Aerospace in Québec (CRIAQ). In this project, it has been proposed to develop a system using a 6-DOF manipulator arm to automate three particular NDT techniques often needed in the aerospace industry: eddy current testing (ECT), fluorescent penetrant inspection (FPI), and infrared thermography (IRT). The main objective of the MANU-418 project is to demonstrate the efficiency of the developed system and provide inspection results of surface and near surface flaws (cracks usually) at least as reliably and repeatably as inspection results from a human operator. One specific objective stemming from the main objective of the project is to develop a methodology and a software tool to generate covering paths adapted for the three forementioned NDT techniques to inspect the complex surfaces of aerospace structures. The present thesis aims at reaching this specific objective. At first, geometrical and topological properties of the surfaces considered in this project are defined (flat surfaces, round and straight edges, cylindrical or near cylindrical surfaces, holes). It is also assumed that the 3D model of the surface to inspect is known in advance. Moreover, it has been decided within the framework of the MANU-418 project to give priority to the automation of ECT compared with the other techniques (FPI and IRT). As a result, the methodology developed to generate inspection paths is more closely focused on path constraints relative to the manual operations of ECT using a differential eddy current probe (named here EC probe), but it is developed to be flexible enough to be used with the other techniques as well. Common inspection paths for ECT are usually defined by a sweeping motion using a zigzag pattern with the EC probe in mild contact with the inspected surface. Moreover, the main axis of the probe must keep a normal orientation with the surface, and the alignment of its two coils must always be oriented along the direction of its motion. A first methodology is then proposed to generate covering paths on the whole surface of interest while meeting all EC probe motion constraints. First, the surface is meshed with triangular facets, and then it is subdivided into several patches such that their geometry and topology are simpler than the whole surface

Planification de trajectoires pour placement automatisé de fibres sur surfaces de géométries complexes

RÉSUMÉ Durant les 50 dernières années, l’utilisation des matériaux composites pour la fabrication de structures à hautes performances a connu un essor, dû notamment à l’industrie aéronautique. Toujours à la recherche de matériaux plus légers et performants pour la construction d’aéronefs, et devant tenir compte des contraintes de productivité pour rester compétitif, ce secteur a encouragé le développement de nouvelles technologies de production telles que le Placement Automatisé de Fibres (AFP). Cette technologie permet d’automatiser la production de structures en matériaux composites à l’aide de pré-imprégnés. Ces derniers se présentent sous forme de bandes composées de tresses de fibres (verre, carbone, etc.) imprégnées de résine semi-polymérisée. La plupart des cellules d’AFP actuellement en service ont été conçues pour la fabrication de larges panneaux plats ou présentant de faibles courbures, comme par exemple les fuselages d’avion. Cependant le secteur de l’aéronautique, mais également les industries de production d’équipement de sport s’intéressent à présent à cette technique pour la fabrication de pièces de plus faibles dimensions et possédant des géométries plus complexes. L’objectif du projet dans lequel s’inscrit le travail présenté ici est donc de mettre au point une cellule de travail et des techniques permettant la production de telles pièces par AFP. La recherche présentée dans ce mémoire concerne plus particulièrement le développement de nouvelles méthodes de planification de trajectoires pour AFP. La majeure partie de l’étude s’est concentrée sur la génération de celles-ci sur un type de surfaces en particulier : les surfaces de révolution multi-axiales de section circulaire constante telles que des tubes en forme de « Y ». Plusieurs algorithmes de génération de trajectoires seront présentés au travers de ce mémoire, chacun cherchant à couvrir la surface de la pièce le plus complètement possible afin de produire des objets finaux en un seul tenant. La méthodologie utilisée dans deux de ces algorithmes est de couvrir individuellement chaque branche par des trajectoires dérivant des hélices. Dans un cas l’hélice sera coupée au niveau de la jonction entre les branches (algorithme HD) et dans l’autre cas cette hélice pourra être déformée (algorithme HA) pour épouser les contours de la jonction. Les différentes branches seront ensuite liées entre elles grâce à une trajectoire définie sur l’intersection des cylindres. Ces deux méthodes ont cependant révélé posséder plusieurs défauts qui pourraient compromettre leur utilisation en pratique, ou conduire à la production de pièces présentant des défauts affaiblissant leurs propriétés mécaniques. Deux autres algorithmes ont donc été développés afin d’améliorer les trajectoires produites.----------ABSTRACT During the past 50 years, the use of composite materials drastically increase, mainly thanks to the interest of aeronautical industries for these strong and lightweight materials. To improve the productivity of composite materials manufacturing some of the largest aeronautics companies began to develop automated processes such as Automated Fibre Placement (AFP). The AFP workcells currently used by the industry were mainly developed for production of large, nearly flat, plates with low curvatures such as aircraft fuselages. However, the fields of aeronautics and sport goods production begin nowadays to show an interest for manufacturing of smaller and more complex parts. The aim of the project in which this research takes place is to design a new AFP workcell and to develop new techniques allowing production of parts with small size and complex geometry. The work presented in this thesis focuses on the path planning on multi-axial revolution surfaces, e.g. Y-shaped tubes of constant circular cross section. Several path planning algorithms will be presented aiming at the exhaustive coverage of a mandrel with pre-impregnated (prepreg) composite tape. The methodology used in two of these algorithms is to individually cover each branch of the Y-shaped part with paths deriving from a helix. In the first one, the helix will be cut at the boundary between a branch and the junction region (algorithm HD) while in the second (algorithm HA) the pseudo-helix path can be adjusted to follow this boundary. These two methods were shown to have some drawbacks compromising their practical use and possibly leading to parts with diminished mechanical properties. To avoid these drawbacks, two others algorithms were developed with a new methodology. With them, the aim is to cover two branches of the Y-shape with a continuous course (i.e. without cut). The first one uses a well known strategy which defines plies with a constant fibre orientation. Parallel paths are then computed to generate a full and uniform ply covering two branches. Once again this method suffers from a main drawback, namely that it can produce highly curved paths leading to manufacturing defects. To overcome this limitation, a last algorithm is proposed ensuring that the maximal curvature of a trajectory stays below a fixed threshold. However, fulfilling this constraint prevents to predict the complete shape of the path and to ensure a perfectly uniform coverage. It is thus proposed to generate an exhaustive set of trajectories having different shapes and covering all the part. Then, a selection algorithm is used to choose the ones which are best suited according to selection criteria