среда, 26 декабря 2012 г.

ПОПЕРЕДНІЙ РОЗРАХУНОК ОПТИМІЗАЦІЇ МАСИ ПРОМИСЛОВОГО РОБОТА

          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 запястя;
-      -  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