ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA TECHNOLOGII PRZYROSTOWEGO KSZTAŁTOWANIA WYROBÓW DO WYKONANIA PROTOTYPU ROBOTA MOBILNEGO CAMELEON

Transkrypt

1 Dr inż. Mciej TROJNACKI, inż. Ktrzyn BŁASZCZYKIEWICZ Politechnik Wrszwsk, Wydził Mechniczny Energetyki i Lotnictw Emil: mtrojncki@meil.pw.edu.pl Mgr inż. Mciej CADER Przemysłowy Instytut Automtyki i Pomirów PIAP Al. Jerozolimskie 202, Wrszw Telefon: , emil: mcder@pip.pl ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA TECHNOLOGII PRZYROSTOWEGO KSZTAŁTOWANIA WYROBÓW DO WYKONANIA PROTOTYPU ROBOTA MOBILNEGO CAMELEON W prcy opisno koncepcję i projekt konstrukcji root o zmiennej konfigurcji Cmeleon. Przedstwiono wyniki symulcji ruchu root w progrmie MD Adms. Zprezentowno wyniki sttycznych pró rozciągni dl próek wykonnych z wyrnych mteriłów mjących zstosownie w technologich przyrostowego wytwrzni wyroów. N podstwie wyników lortoryjnych dń mteriłowych orz wyznczonych sił i momentów sił dziłjących n konstrukcję root przeprowdzono w progrmie Ansys nlizę wytrzymłościową dl wyrnych elementów konstrukcji root pod kątem możliwości wytworzeni ich z zstosowniem technologii przyrostowych. ANALYSIS OF APPLICABILITY OF ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY TO PROTOTYPING OF THE MOBILE ROBOT CAMELEON The pper descries conception nd design of the reconfigurle root Cmeleon. Results of simultion of root s motion in MD Adms softwre environment re presented. Also included re results of sttic tensile tests of smples mde of selected mterils commonly used with dditive mnufcturing technologies. Bsed on the mteril properties nd construction lods otined from previously descried reserch, strength nlysis for chosen root s prts ws crried out in Ansys softwre to evlute the possiility of producing those prts using dditive mnufcturing technology. 1. WPROWADZENIE Technologie przyrostowego ksztłtowni wyroów ze względu n swoje zlety, tkie jk m.in. szykość wytwrzni i łtwość oszcowni jego kosztów cieszy się corz większą populrnością. Technologie te stją się lterntywą dl trdycyjnych technologii produkcji, np. oróki skrwniem, odlewni, itp. Wyór technologii zleży m.in. od ksztłtu elementów. W przypdku prostych ksztłtów trdycyjne technologie mogą yć szysze i tńsze. Ntomist w przypdku, gdy elementy mją rdziej skomplikowne ksztłty tńsze może yć zstosownie technologii przyrostowego wytwrzni. Niektóre elementy ze względu n ksztłt mogą yć wykonne tylko metodmi wydruku 3D. W celu efektywnego wykorzystni tych metod niezędne jest prowdzenie prc dwczych z zkresu inżynierii mteriłowej polegjących przede wszystkim n wyznczeniu chrkterystyk mteriłowych. Wyniki tkich dń mogą yć podstwą do dlszych nliz wytrzymłościowych części mszyn przeznczonych do ich wytworzeni w postci wydruków 3D. Niniejsz prc opisuje metodykę nlizy możliwości zstosowni technologii przyrostowego ksztłtowni wyroów n przykłdzie modelu root moilnego Cmeleon. 1

2 2. ROBOT MOBILNY O ZMIENNEJ KONFIGURACJI CAMELEON Cmeleon jest rootem o zmiennej konfigurcji, co ozncz, że może yć dostosowywny do zplnownego zdni. Root skłd się z modułów, do których nleży tzw. moduł rodzic orz tzw. moduły dzieci, którymi są elementy wykonwcze lu czujniki. Root skłd się z nstępujących modułów: korpus (R), wież (T), mnipultor (M), pedipultor (P), moduł hyrydowy koło-stop (H) i chwytk (G). Modele CAD tych modułów, pokzne n Rys. 1, oprcowno w progrmie Autodesk Inventor. Njwżniejszym modułem jest korpus (moduł rodzic ), który m wymiry 0,32 m x 0,32 m x 0,06 m. N owodzie korpusu znjduje się dwnście złącz interfejsu, kolejne dw znjdują się w jego górnej i dolnej części. Umieszczone n korpusie złącz interfejsu służą do mocowni modułów: elementów wykonwczych, kmer wizyjnych i czujników. Msy poszczególnych modułów wynoszą w przyliżeniu: korpus (ez kumultor) 1,083 [kg], moduł wieży 0,656 [kg], mnipultor 1,104 [kg], chwytk 0,5 [kg], pedipultor 0,968 [kg], moduł hyrydowy koło-stop 0,496 [kg]. Ms cłkowit root wynosi 7,9 [kg]. Przykłdowe konfigurcje root możliwe do uzyskni po połączeniu wyrnych jego modułów pokzno n Rys. 2. Nie wyczerpują one oczywiście możliwości root, które mogą zleżeć od pomysłowości i potrze użytkownik. c d e Rys. 1. Modele CAD wyrnych modułów root: korpus, wież, c pedipultor z modułem hyrydowym koło-stop, d mnipultor, e chwytk c Rys. 2. Przykłdowe konfigurcje root Cmeleon: root trzykołowy z modułem wizyjnym, root z czterem nogmi zkończonymi kołmi, wieżą i dwom mnipultormi, c root czteronożny z dwom mnipultormi 2

3 Konstrukcj mechniczn modułów root zostł szerzej omówion w pulikcji [4], ntomist pulikcję [1] poświęcono prolemom plnowni optymlnego procesu wytwrzni modułów root w technologii FDM, tj. mnipulowni prmetrmi wydruku. Niniejsz pulikcj koncentruje się ntomist n nlizie możliwości wytworzeni konkretnych elementów root przy użyciu wytypownych w toku prc dwczych technologii przyrostowego ksztłtowni wyroów, potencjlnie ndjących się do wykorzystni w produkcji ruchomych części mszyn. Podstwą tej nlizy są dni symulcyjne ruchu root orz wyniki sttycznych pró rozciągni próek wyrnych mteriłów przeznczonych n wydruki 3D, poniewż stnowią one podstwę do wykonni kompleksowych nliz wytrzymłościowych z zstosowniem środowisk Ansys. 3. SYMULACJA RUCHU ROBOTA W PROGRAMIE MD ADAMS Progrm MD Adms umożliwi nlizę ruchu złożonych ukłdów mechnicznych, przede wszystkim tych, których nliz metodmi nlitycznymi jest trudn i rdzo prcochłonn. Wyniki symulcji ruchu pozwlją m.in. n wstępny doór npędów i wyznczenie wrunków rzegowych do wykonni symulcji wytrzymłościowych. Znjomość sił i momentów sił dziłjących n konstrukcję jest kluczow w trkcie procesu projektowni. [6] N Rys. 3 zilustrowno pokltkowo przykłdową symulcję ruchu przeprowdzoną w progrmie MD Adms polegjącą n wspinniu się root po schodch. Symulcj t m.in. ze względu n duże i zmienne ociążenie root jest dorą podstwą do dlszej nlizy wytrzymłościowej wyrnych elementów konstrukcji. Root wspin się po schodch przestwijąc pojedynczo kolejne nogi, przy czym njpierw przenoszone są nogi znjdujące się z przodu nstępnie z tyłu. Pomiędzy fzmi przestwień nóg przednich i tylnych nstępuje przemieszcznie korpusu. W związku z tym pojedyncz sekwencj przenoszeni nóg i ruchu korpusu skłd się z pięciu fz. Przemieszczenie korpusu nstępuje tkże w osttniej fzie ruchu, po której root m konfigurcję zliżoną do tej, jką mił przed rozpoczęciem sekwencji wspinni się po schodch. Stilność postury jest zpewnion przede wszystkim poprzez odpowiedni rozkłd msy root w trkcie jego ruchu, w szczególności poprzez relizcję odpowiednich ruchów mnipultormi kompensujących przemieszczeni środk msy root. Rys. 3. Pokltkow symulcj wspinni się root po schodch 3

4 W wyniku symulcji wyznczono siły i momenty sił dziłjące n poszczególne elementy konstrukcji root, które ędą stnowiły wrunki rzegowe do nliz wytrzymłościowych, i niezędne do ruchu momenty npędowe. Przykłdowe uzyskne wyniki pokzno n Rys. 4. Prolemtyk symulcji ruchu root w progrmie MD Adms zostł szerzej omówion w rtykule [3]. Animcje ruchu root możn z kolei znleźć pod dresem [5]. r R [m] r P1.4 [m] r P2.4 [m] z [m] x [m] θ M1.2 [ o ] θ P1.2 [ o ] θ P2.2 [ o ] c θ M1.1 [ o ] θ P1.3 [ o ] θ P2.3 [ o ] d F P2.4x [N] F P2.4y [N] F P2.4z [N] e τ P2.3 [Nm] τ P2.4 [Nm] τ P2.5 [Nm] f τ M1.2 [Nm] τ M1.1 [Nm] Rys. 4. Wyrne wyniki symulcji wspinni się root po schodch: tory ruchu punktów R (środek geometryczny korpusu), P1.4 i P2.4 (kostki nóg 1 i 2) (), kąty w prch kinemtycznych mnipultor i nóg (, c), skłdowe sił rekcji w punkcie P2.4, tj. kostce nogi nr 2 (d), momenty npędowe (e, f) 4

5 4. STATYCZNE PRÓBY ROZCIĄGANIA MATERIAŁÓW N potrzey dń zostły wykonne w PIAP próki mteriłów z zstosowniem technologii FDM przy użyciu centrum wytwórczego Fortus 400mc firmy Strtsys (Rys. 5). Mszyn skłd się z czterech modułów, którymi są: komor z suwnicą (I), n której zmontown jest głowic z dyszmi rozprowdzjącymi mterił, komor roocz ze stołem modelowym (II), n którym udowny jest model poprzez przyrostowe nkłdnie mteriłu, komor z ksetmi mteriłowymi (III), pnel sterowni (IV). N potrzey dń wykonno tkże próki z zstosowniem technologii SLS i PolyJet. Bdnie próek poległo n osiowym ich rozciągniu nrstjącą siłą, ż do chwili zerwni. Przygotownie próek i przeprowdzenie dń, jk również interpretcj wyników yły relizowne zgodnie z normmi PN-EN ISO 527 i PN-EN [2] Bdni wykonno przy użyciu typowej mszyny wytrzymłościowej (tzw. zrywrki) o npędzie hydrulicznym (Rys. 5). N początku wykonno dni dl próek wykonnych w technologii FDM, z mteriłów PC i ULTEM Po przeprowdzeniu dń n pierwszej serii próek (Rys. 6) zoserwowno występownie efektu kru n kżdej z próek. Okzło się, że efekt ten powstł w wyniku wydruku, podczs którego mszyn drukując zczynł nkłdnie wrstw płynnego mteriłu dokłdnie w tym smym miejscu, przez co płyn nwrstwił się tworząc kr. Podejrzewjąc, że oecność kru m wpływ n wytrzymłość mteriłu, postnowiono przeprowdzić ponowne dnie, gdzie wyeliminowno kr poprzez zmodyfikownie procesu wytwrzni głowic dl kżdej wrstwy nkłdnego mteriłu rozpoczynł proces w innym miejscu. W ten sposó zostły wydrukowne dodtkowe próki z mteriłu ULTEM I IV II III Rys. 5. Mszyn Fortus 400mc firmy Strtsys znjdując się w PIAP (), mszyn wytrzymłościow (zrywrk) ędąc n wyposżeniu Wydziłu Mechnicznego Energetyki i Lotnictw Politechniki Wrszwskiej () 5

6 Rys. 6. Próki z krem wykonne z mteriłu ULTEM 9085 po zerwniu (), wykres σ(ε) i prost proksymując prók z krem wykonn z mteriłu ULTEM 9085 moduł Young E = 492,32 [MP] () N podstwie wykonnych dń n wszystkich prókch oprcowno wykresy σ(ε), tj. nprężeń umownych od odksztłceń umownych. Nstępnie wyznczono moduł Young proksymując otrzymne przeiegi w wyrnym przedzile przy pomocy prostych (Rys. 6). Wyrne wykresy σ(ε) otrzymne w wyniku dń pokzno n Rys. 7, ntomist w T. 1 pokzno otrzymne wyniki w postci ziorczej. N podstwie przeprowdzonych dń stwierdzono, że mterił ULTEM 9085 chrkteryzuje się njlepszymi włściwościmi mechnicznymi spośród dnych mteriłów, dokłdnie njwyższą wrtością wytrzymłości n rozciągnie R m. Rys. 7. Wykres σ(ε) dl próek z krem wykonnych z mteriłu PC () i dl próek ez kru wykonnych z mteriłu ULTEM 9085 () Sił zrywjąc Grnic plstyczności Moduł Young E [MP] F Mterił Technologi mx [kn] R m [MP] Dne Dl próek Dl próek Dl próek Dl próek Dl próek Dl próek ktlogowe z krem ez kru z krem ez kru z krem ez kru PC FDM ULTEM 9085 FDM PA 2200 SLS FC 720 PolyJet T. 1. Ziorcze wyniki dń próek mteriłów 6

7 5. ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA ELEMENTÓW ROBOTA W celu przeprowdzeni nliz wytrzymłościowych wyrnych elementów konstrukcji root n zie wyznczonych stłych mteriłowych zstosowno progrm Ansys. Ansys (nd. Anlisis Nonliner System) jest multidyscyplinrnym środowiskiem symulcyjnym służącym do prowdzeni symulcji komputerowych n zie Metody Elementów Skończonych. Ansys m zstosownie w rozwiązywniu zgdnień z zkresu sttyki liniowej i nieliniowej, poprzez termodynmikę, ż po dynmikę explicite i nlizy sprzężone (połączenie zgdnień różnych dziedzin fizyki). W rmch opisywnych prc Ansys ył wykorzystywny do przeprowdzeni symulcji wytrzymłościowych z zkresu sttyki liniowej orz prostych optymlizcji ksztłtu konstrukcji. [7] Przed przystąpieniem do nliz wytrzymłościowych w progrmie Ansys zdefiniowno dl poszczególnych elementów root: stłe mteriłowe (m. in. moduł Young E) wyznczone w wyniku dń próek, wrunki rzegowe, tj. dziłjące siły i momenty sił. W rmch niniejszej prcy prezentuje się wyniki nliz wytrzymłościowych dl dwóch wyrnych elementów konstrukcji root (jedne z njrdziej ociążonych). Wrunki rzegowe do symulcji zilustrowno n Rys. 8. W symulcjch tych wprowdzono prmetry mteriłowe otrzymne w wyniku dń dl próek z mteriłu ULTEM F D F R D 1 = D2 = / 2 = [3,6545 [1, , ,663] 59,245] F B1 = FB 2 = / 2 = [-1,0582 [- 225,01 0, ,1314 Rys. 8. Wrunki rzegowe do nliz wytrzymłościowych dl dwóch wyrnych elementów konstrukcji root (wrtości podno w [N]) R B 0] 37,301] N Rys. 9- pokzne są uzyskne w wyniku symulcji deformcje ou elementów, n Rys. 9c-d odksztłceni względne. Mksymln deformcj dl pierwszej części wynosi ok. 1 [mm], dl drugiej ok. 0,5 [mm]. Z kolei n Rys. 9e-f widoczny jest rozkłd nprężeń dziłjących n te elementy. Mksymlne wrtości nprężeń dl ou części wynoszą odpowiednio: 6 [MP] i 17 [MP]. W związku z tym współczynniki ezpieczeństw dl tych części dl nlizownego ruchu root, zkłdjąc wykonnie ich z mteriłu ULTEM 9085 wynoszą odpowiednio 10 i 3,7. Ze względu n to, że w wyniku dń symulcyjnych ruchu root w progrmie MD Adms [3] okzło się, że niektóre npędy root są w nlizownym ruchu po schodch zyt ociążone, dltego konieczn jest redukcj msy cłej konstrukcji. W tym celu wykonno nlizę topologiczną dl poszczególnych elementów konstrukcji root, tj. wyznczono miejsc, w których możn odjąć mterił. Przykłd tkiej nlizy pokzno n Rys

8 c d e f Rys. 9. Wyniki nlizy wytrzymłościowej dl dwóch wyrnych elementów konstrucji root Rys. 10. Przykłd nlizy topologicznej wyrnej części 8

9 6. PODSUMOWANIE I KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ W rmch prcy zostł przeprowdzon nliz możliwości zstosowni mteriłów wykorzystywnych w wyrnych technologich przyrostowego wytwrzni do udowy prototypu root Cmeleon. W celu wykonni szczegółowych nliz wytrzymłościowych przeprowdzono symulcje ruchu modelu root (z uwzględnieniem zgdnień kinemtyki orz dynmiki), co pozwoliło n wyznczenie wrunków rzegowych. Równolegle wykonywno dni wytrzymłościowe próek, w celu wyznczeni wymgnych do nliz wytrzymłościowych prmetrów mteriłowych. W efekcie nliz wytrzymłościowych okzło się, że njrdziej ociążone elementy konstrukcji nie zostną zniszczone podczs normlnej prcy root. Zuwżono również, że ze względu n występownie przeciążeni w npędch nleży zmodyfikowć syntezę ruchu i możliwie zmniejszyć msę wyrnych elementów konstrukcji. W tym celu podjęto już próę wykonni nlizy topologicznej ksztłtu konstrukcji i wyznczono miejsc, w których możn odjąć mterił. 7. Podziękowni Autorzy prcy skłdją serdeczne podziękowni prcownikom Politechniki Wrszwskiej, dr h. inż. Mirosłwowi Rodzewiczowi orz Admowi Pruszkowskiemu z umożliwienie przeprowdzenie dń n mszynie wytrzymłościowej. LITERATURA [1] Cder M., Trojncki M.: Projektownie konstrukcji mechnicznej root o zmiennej konfigurcji Cmeleon z przeznczeniem do wytworzeni w technologii FDM, Mechnik 7/2012, 1-8, dodtek n CD. [2] Dorzński L.: Mteriły inżynierskie i projektownie mteriłowe. Podstwy nuki o mteriłch i metloznwstwo, Wydwnictwo Nukowo-Techniczne, Wrszw [3] Trojncki M., Błszczykiewicz K.: Symulcj wspinni się po schodch root o zmiennej konfigurcji Cmeleon z zstosowniem progrmu MD Adms, Mechnik 7/2012, 1-8, dodtek n CD. [4] Trojncki M., Cder M.: Projekt konstrukcji root moilnego o zmiennej konfigurcji, Prce nukowe Politechniki Wrszwskiej, Seri: Elektronik, Zeszyt 182, Tom 2, Wrszw 2012, [5] Trojncki M.: Moile roots nimtions nd movies, [6] Wojtyr M., Frączek J.: Metod ukłdów wieloczłonowych w dynmice mechnizmów, Oficyn Wydwnicz Politechniki Wrszwskiej, Wrszw [7] Zgrjek T., Krzesiński G., Mrek P.: Metod elementów skończonych w mechnice konstrukcji. Ćwiczeni z zstosowniem systemu Ansys, Oficyn Wydwnicz Politechniki Wrszwskiej, Wrszw