Dynamic response optimization of a portable robotic cell for hybrid manufacturing processes
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μούρτζης, Δημήτριος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Νικολακόπουλος, Παντελής | |
| datacite.contributor.Supervisor | Σταυρόπουλος, Παναγιώτης | |
| dc.contributor.author | Μανιτάρας, Δημήτριος | |
| dc.contributor.other | Manitaras, Dimitrios | |
| dc.date.accessioned | 2023-10-23T06:05:10Z | |
| dc.date.available | 2023-10-23T06:05:10Z | |
| dc.date.issued | 2023-10 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Hybrid Manufacturing (HM) is defined as the combination of two or multiple manufacturing processes in a single machine tool. The most common combination is the integration of additive manufacturing with machining, enabling manufacturing of unique complex components but most importantly allowing repair of components in a single machine. Such approaches can be integrated on top of robotic cells, offering flexibility and allowing them to be easily transported, allowing repair in the field. However, the design of the load-bearing structure is a challenge because the weight of the structure limits its transportability. On the other hand, the stiffness of the frame plays a crucial functional role under dynamic loads and affects the product quality. Finding the right balance between weight and stiffness requires accurate boundary conditions and an effective design. Of the processes involved in HM, machining is the one that has the greatest impact on the load-bearing structure. The cutting forces are determined through a machining process model and, through a multi-body simulation of the robot arm, the vibrations at the base of the robot are defined and used as boundary conditions in the dynamic finite element analysis. The increase of the stiffness on the supporting structure will change its natural frequencies in order to reduce the likelihood of resonance. Since the platform consists of beams, the layout optimization method is used to find the arrangement of beams with the smallest volume. Layout optimization is a numerical approach that is used by a powerful software tool. Then by analyzing the response, the best responding structure is selected as the final design. The proposed method achieved approximately an order of magnitude reduction in the displacement along the cutting frequency in the y-axis of the cell, as well as better accuracy for the drilling process and a 17% weight reduction compared to the non-optimized design. At the end of this thesis, the reader will have an overview of the design stages of a robotic cell with optimization, which is based on a closed-loop design, because it uses the forces generated by the machining operations as input to the final dynamic response analysis. | |
| dc.description.translatedabstract | Η υβριδική κατασκευή είναι ο συνδυασμός δύο ή περισσότερων κατεργασιών σε μία εργαλειομηχανή. Ο πιο συνηθισμένος συνδυασμός είναι η ενσωμάτωση της προσθετικής κατασκευής με τις κατεργασίες αφαίρεσης υλικού, επιτρέποντας την κατασκευή πολύπλοκων εξαρτημάτων, αλλά κυρίως επιτρέποντας την επισκευή εξαρτημάτων στην ίδια εργαλειομηχανή. Τέτοιες προσεγγίσεις μπορούν να ενσωματωθούν σε ρομποτικά κελιά, προσφέροντας ευελιξία και επιτρέποντας την εύκολη μεταφορά τους. Ωστόσο, ο σχεδιασμός της δομικής πλατφόρμας στην οποία βασίζεται ένα τέτοιο σύστημα αποτελεί πρόκληση, επειδή το βάρος της περιορίζει τη δυνατότητα μεταφοράς της. Από την άλλη πλευρά, η δυσκαμψία της πλατφόρμας παίζει κρίσιμο λειτουργικό ρόλο, καθώς φορτίζεται δυναμικά και επηρεάζει την ποιότητα του τελικού προϊόντος. Η εύρεση της σωστής ισορροπίας μεταξύ βάρους και δυσκαμψίας απαιτεί ρεαλιστικές οριακές συνθήκες και αποτελεσματικό σχεδιασμό. Από τις διεργασίες που περιλαμβάνονται στην υβριδική κατασκευή, η κατεργασία φρεζαρίσματος είναι αυτή που έχει το μεγαλύτερο αντίκτυπο για τη πλατφόρμα. Οι δυνάμεις κοπής προσδιορίζονται και, μέσω μιας προσομοίωσης του ρομποτικού βραχίονα, ορίζονται οι δυνάμεις στη βάση του ρομπότ και χρησιμοποιούνται ως συνοριακές συνθήκες στη δυναμική ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Η αύξηση της δυσκαμψίας του δομικού μέρος του κελιού, θα μεταβάλει τις φυσικές συχνότητές της ώστε να μειωθεί η πιθανότητα συντονισμού. Αφού η πλατφόρμα αποτελείται από δοκούς, η μέθοδος βελτιστοποίησης χρησιμοποιείται για την εύρεση της διάταξης των δοκών με τον μικρότερο όγκο. Η βελτιστοποίηση διάταξης είναι μια αριθμητική προσέγγιση που υλοποιείται μέσω ενός ψηφιακού εργαλείου. Στη συνέχεια, αναλύοντας την απόκριση του βελτιστοποιημένου πιθανού σχεδίου και ενός σχεδίου που έχει προέλθει από χειροκίνητες παρεμβάσεις, επιλέγεται αυτό με την καλύτερη απόκριση ως τελικό σχέδιο. Η προτεινόμενη μέθοδος πέτυχε μείωση περίπου μιας τάξης μεγέθους της μετατόπισης κατά μήκος της συχνότητας κοπής στον y άξονα του κελιού, πέτυχε αρκετά καλύτερη ακρίβεια κατά την διάτρηση και επιτεύχθηκε μια μείωση του βάρους κατά 17% σε σύγκριση με το μη βελτιστοποιημένο σχέδιο. Στο τέλος αυτής της διπλωματικής εργασίας, ο αναγνώστης θα έχει μια επισκόπηση των σταδίων σχεδιασμού ενός ρομποτικού κελιού που περιλαμβάνει βελτιστοποίηση, η οποία βασίζεται σε σχεδιασμό κλειστού βρόχου, καθώς χρησιμοποιεί τις δυνάμεις που δημιουργούνται από τις κατεργασίες ως δεδομένα εισόδου για την τελική ανάλυση της δυναμικής απόκρισης. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/26013 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | CC0 1.0 Universal | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ | * |
| dc.subject | Hybrid manufacturing | |
| dc.subject | Mechanical design | |
| dc.subject | Layout optimization | |
| dc.subject | Machine frame design | |
| dc.subject | Dynamic analysis | |
| dc.subject.alternative | Υβριδική κατασκευή | |
| dc.subject.alternative | Μηχανολογικός σχεδιασμός | |
| dc.subject.alternative | Βελτιστοποίηση διάταξης | |
| dc.subject.alternative | Σχεδιασμός πλαισίου μηχανής | |
| dc.subject.alternative | Δυναμική ανάλυση | |
| dc.title | Dynamic response optimization of a portable robotic cell for hybrid manufacturing processes | |
| dc.title.alternative | Βελτιστοποίηση δυναμικής απόκρισης ενός φορητού ρομποτικού κελιού για υβριδικές κατεργασίες |