Дослідження і аналіз реакції конструкції робота є
важливим завданням в першу чергу інженерів-конструкторів робототехніки, адже ці
дані дають уяву не лише про можливості конструкції робота, а і про можливу оптимізацію
деталей-комплектуючих цього маніпулятора.
В даній статті буде розглянуто попередні розрахунки для подальшого дослідження і оптимізації робота компанії KUKA - моделі KR 1000 TITAN F (рисунок 1):
Рисунок 1 - Робот KUKA
Робот (маніпулятор) KR 1000 TITAN F – один із найпотужніших
маніпуляторів KUKA, незамінний для швидкого подолання до 6,5м і забезпечення точного
керування блоками циліндрів, виробами із каменю або скла, стальними балками,
деталями кораблів або літаків, мармуровими блоками, бетонними конструкціями та
багато іншим. Основні напрями використання цього робота: маніпулювання (завантаження
і розвантаження), скріплення, точкове зварювання, пресове обладнання, складання,
обробка пластмас, та інше.
Основні характеристики маніпулятора:
1)
корисне навантаження – 1000кг, (додаткове навантаження
– 50кг);
2)
робоча зона (максимальний радіус дії) – 3202мм;
3)
кількість осей – 6;
4)
вага – 4700кг;
5)
монтажне положення – на підлозі;
Із загальної конструкції виділяють такі основні частини-вузли:
- - збірне зап’ястя;
- - рука;
- - система рівноваги;
- - електрообладнання;
- - обертальна колонка;
- - опорна рама;
- - важіль руки.
Нижче зображена схема робочої зони і габаритні розміри робота – рисунок 2:
Рисунок 2 - Схема робочої зони і габарити
Для проведення розрахунків були використані фізичні ресурси - домашній ПК та програмне забезпечення: SolidWorks 2012 - для побудови та ANSYS Workbench 14.0 - для розрахунку, а метод скінченних елементів
(МСЕ) - чисельний метод для рішення задач в ANSYS Workbench 14.0.
За допомогою програмного комплексу SolidWorks 2012 була побудована 3D-модель цього робота. На даному етапі вона має такий
вигляд (рисунок 3):
Рисунок 3 - Геометрична модель
Ця модель має достатню деталізацію, проте для
подальших розрахунків її треба навпаки спростити, для економії ресурсів
апаратної частини комп’ютера. Тому, спрощена модель робота
виглядає наступним чином – рисунок 4:
Рисунок 4 - Спрощена модель робота
Після побудови геометрії можна переходити безпосередньо до
самих розрахунків. Для початку, необхідно відтворити ті самі умови для
комп’ютерної моделі, в яких перебуває справжній робот, тобто навантажити його.
Для цього, геометрична збірка редагується і налаштовується для максимально
допустимого положення «руки» так, як в реальному житті вона утримує вантаж,
тобто як зображено на рисунку 5:
Рисунок 5 - Модель в положенні для
навантаження.
В цьому положенні конструкція
«відчуває» максимальне навантаження, або навіть перевантаження. Після цього
модель імпортується для розрахункової частини проекту. Далі, в ANSYS Workbench 14.0
розпочинається підготовка до розрахунку. В графічному вікні Workbench, обираємо
умови розрахунку «Static Structural» – статичний структурний аналіз і переходимо до пакету «Model».
Тут отримуємо імпортовану модель, яка має наступний
вигляд, (рисунок 6):
Рисунок 6 - Імпортована модель в Workbench.
Дерево «Проекту» є основною робочою зоною в
Workbench, де відбуваються налаштування самого проекту.
За умовчанням модель має властивості матеріалу –
сталь («Structural Steel»).
Для початку редагуємо налаштування для СЕ сітки,
тобто у розділі «Mesh» вводимо наступні дані, (рисунок 7):
Рисунок 7 - Редагування властивостей розділу «Mesh»
Оскільки цей розрахунок є попереднім, тому
налаштуємо СЕ сітку для автоматичної розбивки на елементи, значить потрібно
використати автоматичний метод розбивки – «Automatic Method», в розділі «Mesh».
Якщо використовуємо автоматичний метод розбивки, то
необхідно провести попередні розрахунки для вибору оптимального розміру
елементів СЕ сітки, тобто провести аналіз на сходження: порівняти
результати напружень як залежність розміру
елементів від їх кількості. Для цього порівняємо різні розміри сітки з сіткою,
в якої налаштування «за умовчуванням»
або «Default», що дорівнює 0. Результати попередніх результатів розрахунків для вибору
СЕ сітки наведені нижче в таблиці 1:
Оскільки, СЕ сітка з розміром елемента 25мм показала
найбільш наближений результат до 5%-го бар’єру, то в розрахунках будуть використовуватися
її дані.
Тепер, для
даного методу досить лише обрати всі частини моделі (8 тіл). Потім запускаємо
розбиття сітки «Generate Mash» і отримуємо СЕ модель розбиту на сітку, тобто підготовлену до головного розрахунку.
Але для початку необхідно задати обов’язкові граничні умови в розділі «Static Structural», а саме:
1)
повне закріплення для підставки робота (нижньої
частини), тобто «Fixed Support», так як
наш робот кріпиться до підлоги, (рисунок 8):
Рисунок 8 - Закріплення «Fixed Support»
2) до крайньої частини «руки» робота прикладаємо
навантаження у вигляді сили «Force», що дорівнює 10000N, тобто вантаж в 1000кг,
і направлена вниз по осі Y(дивись рисунок 9):
Рисунок 9 - Сила «Force».
Якщо це моделювання одного й того ж
процесу, то немає необхідності будувати вантаж і закріплювати його на моделі. Після цього в розділі «Solution» потрібно додати підрозділи для виводу результатів
повної деформації – «Deformation» ->«Total» та еквівалентних
напружень – «Stress»->«Equivalent»(von Mises). Потім
запускаємо основний процес розрахунку «Solve» і очікуємо завершення
розрахунку програми. Далі виводимо результати вище зазначених величин.
Для виводу результатів необхідних величин в
Workbench треба просто обрати їх у відповідних розділах проекту. Спочатку
відобразимо СЕ сітку побудовану раніше.
Для цього потрібно: обираємо розділ «Mesh» і модель матиме наступний
вигляд,(рисунок 10):
Рисунок 10 - Отримана СЕ сітка
Також можна дізнатися про характеристики сітки,
якщо перейти до: «Детальності сітки»->«Statistics» (див. рисунок 11):
Рисунок 11 - Дані «Statistics».
Цей рисунок відображає:
- кількість вузлів – 386932
- кількість елементів – 235243.
Як бачимо, сітка досить непогана, як для
автоматичної розбивки, хоча є і значні місця, де вона не сумісна.
Тепер переходимо до розгляду головних величин
розрахунку. У розділі «Solution» обираємо необхідний для
відображення результат: для переміщень (деформації), необхідно вибрати «Total Deformation» і отримаємо такий
результат (рисунок 12):
Рисунок 12 - «Total Deformation».
А для еквівалентних напружень або «Equivalent Stress» маємо наступну картину (рисунок 13, 14):
Рисунок 13
Рисунок 14
Таким чином, отримані результати
свідчать про те, що конструкція добре справляється з навантаженням, хоча
переміщення і напруження відображають дані не кожної частини або вузла
конструкції, а всієї конструкції.
Максимальні деформації склали –
0,566мм, а напруження коливаються від 4,424е-6 до 16,386 МРа.
При таких умовах і будові
конструкції, кольорова гамма вказує на те, що «Обертальна колонка» робота
виконує роль «важеля» і тому відображає основне напруження, а крайня обертальна
частина «руки» робота – отримує найбільші деформації.
Отже, побудована геометрична модель робота KR 1000 TITAN F була побудована і розрахована, а
результати – виведені. Незважаючи на те, що розрахунки були попередніми, а СЕ
сітка – автоматична, було отримано результати деформації та напруження, які
свідчать про загальні властивості і характеристики конструкції. Також, на цьому
розрахунки конструкції робота не закінчуються, як і удосконалення його будови,
тобто – оптимізації, що є ціллю для наступних проектів.
Комментариев нет:
Отправить комментарий