UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTIFACULTATEA DE INGINERIA SI MANAGEMENTUL SISTEMELOR

TEHNOLOGICE

ProiectA.n.s.y.s

optimizarea geometriei bratului robotului pentru sudare

STUDENT:Barbarosie Daniel

Grupa: 641 BB

Cuprins

1. Scopul optimizarii bratului de robot.2. Generalitati de optimizare topologica3. Construirea modelului in ANSYS4. Analiza cinematica.5. Analiza statica.6. Optimizarea topologica rezultate7. Concluzii

1. Scopul optimizarii bratului de robot.

In cadrul aplicatiei studiate la proiectul de diploma este implementat un robot de tip brat articulat. Pentru acesta am studiat si am facut o analiza pentru optimizare topologica a primul brat. Aceasta analiza a fost facuta in ANSYS.

Fig. 1 Kuka 16 Arc.

Caracteristicile robotului a carui brat trebuie optimizat:

Masa: 245 Kg Material: Otel

Axe Spatiu de miscare Viteza maxima

JT1 ±185º 200º/secJT2 +35º/-155º 200º/secJT3 +154º/-120º 195º/secJT4 ±165º 370º/secJT5 ±130º 310º/secJT6 Rotatie infinita 610º/sec

2. Generalitati de optimizare topologica

INTRODUCERE

Tehnicile actuale de optimizare structurala sunt sintetizate în figura 2.Optimizarile de topologie urmaresc distributia optima a materialului într-o structura pentru solicitarile date.

Este o optimizare multicriteriala, procedura gasind solutii pentru solicitari multiple. Optimizarile de topografie se mai numesc si optimizari de amprenta. Se aplica pentru structuri cu pereti subtiri. (ex. un rezervor de combustibil).

Optimizarile de forma sunt optimizari locale si urmaresc gasirea formei optime pentru o singura solicitare a structurii. Se acceseaza la elaborarea detaliilor.

Fig. 2 Tehnici de optimizare actuale

Optimizarile de parametri urmaresc gasirea valorii parametrilor care satisfac cel mai bine criteriile definite de utilizator si permit minimizarea unei functii obiectiv.

Optimizarea topologica reprezinta stabilirea configuratiei spatiale generale a elementelor componente sau a legaturilor unei structuri. Scopul este repartizarea cât mai rationala a întregului material utilizat.

Optimizarea de topologie se mai numeste si optimizarea generalizata a formei.

Ȋn programele de elemente finite actuale sunt implementate proceduri de optimizare topologica ce urmaresc scaderea volumului de material din structura pe baza algoritmului SIMP (Solid Isotropic Microstructure with Penalty for intermediate densities – implementat în ANSYS).Aceasta procedura este considerata eficienta în identificarea alternantelor structurale de tip plin - gol. Algoritmul modifica densitatile elementelor intermediare si este utilizat pentru diminuarea considerabila a greutatii structurilor.

3 Construirea modelului in ANSYS.Modelul de robot a fost downloadat de pe platforma KUKA, iar in interfata

ANSYS a fost curatat de gauri de prindere, raze de racordare. Toate acestea au fost necesare pentru simplificarea modelului si implicit a analizei.

Fig. 3 Robotul curatat

4. Analiza cinematica.Analiza cinematica in Ansys (modulul Rigid Dynamics) este folosita pentru

stabilirea solicitarilor in cuplele cinematice.Este o analiza recomandata pentru roboti, precede orice analizastatica sau dinamica si dispune de un solver dedicate.

Deoarece in industrie acest tip de analiza se face cu programul ADAMS, ANSYS are functionalitati extinse pentru conexiunea cu acest program.

Datele de intrare in analiza sunt: forte, momente, deplasari, viteze si acceleratii. Toate componentele ansamblului sunt considerate rigide, iar programul nu calculeaza tensiuni sau deformatii, ci numai forte, momente, deplasari viteze si acceleratii – ca rezultate. Programul incrementeaza automat timpul, facand calculele interativ.

Pentru analiza cinematica legatura dintre component se realizeaza prin cuple cinematice sau resoarte.

In modulul de analiza cinematica gradele de libertate sunt deplasarile relative din cuplele cinematice. Atunci cand se citeste geometria, programul creeaza automat sisteme de referinta locale, in centrul de greutate pentru fiecare piesa(Inertial Coordinate System).

De asemenea, fiecarei cuple cinematice I se asociaza un system de referinta propriu, in centrul cuplei – Reference Coordinate System.Definirea cuplelor cinematice prin selectarea suprafetelor care formeaza cuplele se face foarte usor folosind modul de vizualizare Body-View.

In ANSYS se poate defini orice cupla cinematica intre component(Body-Body), precum si o legatura speciala speciala de rezemare de tip Body-Ground. Fiecare cupla cinematica poate fi caracterizata prin rigiditate de rasucire si/sau coeficientul de amortizare.

Programul constrange automat gradele de libertate necesare pentru functionarea cuplei.

La definirea cuplelor trebuie precizate:

Suprafetele de pe cele doua corpuri care formeaza cupla: Reference>Scope si Mobile>Scope;

Tipul legaturii: Fixa, Rotatie, Translatie, Ghidaj, Cilindrica, Universala, Sferica, Plana, Generala, Bucsa;

Orientarea sistemului de axe al cuplei; Pozitia initiala a pieselor(daca este cazul); Intreruperi sau blocarea miscarii (daca este cazul);

Incarcarile acceptate pentru analiza cinematica(Loads-Joints) sunt: acceleratii, forte si deplasari, incarcari specific cuplelor considerate sau ecuatii impuse pentru functionarea ansamblurilor cu o geometri mai deosebita.

La fel ca si incarcarile, restrictiile impuse pot fi acelasi tip, adica viteze, deplasari, acceleratii forte, momente sau ecuatii de constrangere.

Pentru ca analiza cinematica sa surprinda functionaea anasamblului pe toata durata unui ciclu de functionare trebuie precizat timpul final, sau durata pe care se face simularea(Analisis setting > Step end time)

Realizarea analizei cinematice sunt deplasarile totale sau dupa o directie specificata, pozitia momentana a unei component, viteze, acceleratii, energia totala in system in timpul simularii, sau fortele si momentele in cuplele cinematice pe toata durata simularii.

Pentru ca utilizatorul sa poata detecta orice erori de modelare, pe durata calculului, in fereastra text sunt afizate informatii privind eventualele penetrari in modelul geometric, deplasari masi sau imposibilitatea convergentei rezultatelor.

Toate rezultatele obtinute pot fi transferate si considerate punctual de plecare pentru calcule sau verificari ulterioare, cum ar fi analiza static in regim stationar sau tranzitoriu, optimizare multicriteriala, analiza dinamica a componentelor sau ansamblului robotului.Transferul rezultatelor se face in format text (Export Motion Loads MotionLoads.txt) sau in format Excell (Export)

Asadar avantaju analizei cinematice pentru structure de roboti cu Ansys Workbench consta in calculul caracteristicilor cinematice ale robotului si evaluarea comportarii statice si dinamice in conditii reale de solicitare si in timpul functionarii robotului la parametric doriti de proiectant.

Vizalizarea si animarea rezultatelor permite nu numai observarea comportarii in timpul functionarii, evitarea coliziunilor si obtinerea unor informatii utile in fazele de inceput ale proiectarii, dar si faptul ca toate rezultatele pot fi folosite pentru analize specific cu programe specializate, cum ar fi ADAMS, TOSCA, sau alte solver preferate de compania care dezvolta produsul.

Pentru acest tip de analiza se foloseste un modul Rigid Body Dynamics. Aceasta stabiliseste solicitari in cuplele cinematice. Dupa definirea tuturor

cuplelor de rotatie si dupa fixarea bazei structura robotului este prezentata in imaginea urmatoare

Fig. 4 Solicitarile in cuple

In analiza RBD calculam deformatiile totale, acceleratia, si exemplificam o proba.

Fig. 5 Solutiile pe care le calculam

Fig. 6 Miscarile Robotului

Fig. 7 Miscarile Robotului

5. Analiza staticaDupa aceste calcule putem sa realizam conexiunile dintre modulele RBD si Static Structural.

Fig. 8 Transmiterea datelor de la o analiza la alta

In analiza statica introducem ca si date de intrare fortele si momentele calculate anterior in analiza dinamica, iar apoi calculam deformatiil totale si tensiunile.

Fig. 9 Fortele si momentele in brat

Fig. 10 Fortele si momentele introduse

6. Optimizarea topologica rezultate

Urmatorul pas este analiza pentru optimizare propriu-zisa in care selectam doar primul brat al robotului pentru care introducem datele calculate in analizele anterioare

Fig.11 Transmiterea rezultatelor de la static structural la Shape

Ca si date de intrare pastram fortele si momentele si zona de fixare.

Fig. 12 Momentele si fortele in brat

Pentru solutia din aceasta analiza este suficient sa introducem Shape finder care genereaza zonele pe care putem sa le eliminam.

Fig. 13 Parti din brat care trebuiesc indepartate

Concluzii:

Aplicatiile de optimizare topologica permit identificarea directiilor dupa care trebuie dispus materialul sau elementele de rigidizare pentru elementele de structura.Acest demers trebuie facut în fazele de început ale proiectarii.

Avantajul procedurii de optimizare topologica implementat în ANSYS consta în faptul ca optimizarea poate sa satisfaca simultan mai multe cazuri de solicitare, în diferite combinatii, si chiar având naturi diferite: tensiuni, deplasari, frecvente proprii, conditii de stabilitate structurala.

In urma analizelor am redus masa structurii astfel incat forma bratului sa fie cat mai ergonomica. In ciuda acestei analize si a optimizarii caracteristicile robotului nu au fost modificate.