פיתוח: The Evolution of Industrial Robot Design

רובוטים תעשייתיים שינו את רצפות הייצור, מבצעים משימות חוזרות במהירות ובדיוק שצומחות בהרבה על יכולת האדם, אך כאשר דרישות הייצור צומחות מורכבות יותר – הם מחפשים רובוטים להתמודד עם אסיפות עדינות, לנווט סביבות מחוספסות, או לשתף פעולה בבטחה עם עובדים אנושיים – הצורך בעיצוב מותאם אישית הופך לפשוטי יותר, תהליך של שחזור רובוט ו-#17; מבנה פיזי, הידוע בשם LTF:0emigitalrated, כלומר, באופן מסורתי, הוא מגיב על ידי בדיקות מתכת, ובדיקה מהירה יותר, באופן מסורתי, ו-upative, ו-upative, על ידי מודלים מהירים יותר, ו-upative, על ידי אופטימיזציה של רובוטית, ו-upative, על ידי אופטימיזציה של רובוטיתים, באופן אוטומטי, ו-upative, על ידי אופטימיזציה של רובוטיתנים, על ידי מודלים מהירים יותר, כלומר, כלומר, על ידי מודלים מהירים יותר, יעיל יותר, שיפור עצמיים, שיפור עצמיים, יעיל יותר, על ידי מודלים מהירים יותר, על ידי אופטימיזציה של רובוטיים, יעיל יותר, על ידי אופטימיזציה של רובוטיים, כלומר, יעיל יותר, כלומר, על ידי אופטימיזציה של רובוטיים, יעיל יותר, על ידי אופטימיזציה של רובוטיתנים, כלומר, כלומר, יעיל יותר,

מאמר זה חוקר כיצד מודלים חישוביים עיצוב של הדגול עבור רובוטים תעשייתיים.זה מכסה טכניקות ליבה, יתרונות מעשיים, יישומים בעולם האמיתי, ומגמות מתפתחות כי הם לעצב מחדש כיצד רובוטים בנויים. בין אם אתה מהנדס עיצוב, מנהל ייצור, או חוקר רובוטיקה, הבנה שיטות אלה יעזור לך לקבל החלטות מושכלות כי להגביר יעילות, להפחית עלויות, להאיץ את החדשנות.

מה זה Embodiment design?

עיצוב Embodiment הוא שלב של פיתוח המוצר שבו רעיון מושג מושג מתורגם לתוך פריסה פיזית קונקרטית. עבור רובוטים תעשייתיים, זה אומר קביעת הגודל, הצורה והסידור של קישורים, מפרקים, פועלים, חיישנים, ותוצאות קצה.זה מגשר הפער בין דרישות פונקציונליות ברמה גבוהה - כגון יכולת עומס, להגיע, מהירות דיוק - ואת ההנחיות הנדסיות מפורטות כי הייצור.

החלטות חשובות במהלך עיצוב ההתגלמות כוללות:

  • (ב) [המבנה]: [ה] [המספר] וסוג המפרקים (המורכבים, פריזמטיים, הספיריים] והסידור שלהם (Serial, Parallel, Hybrid).
  • (FLT:0)Link Geo:cioFLT:1 , פסקי צלב, וחלוקה המונית של הרובוט & #8217; זרועות או חלקי גוף.
  • (ב) ⁇ :0) בחירה אווירית: 1FLT:1 - החלפה בין כוח, משקל, קשיחות, ועלויות (למשל, אלומיניום לעומת מרוכבים סיבי פחמן).
  • (FLT:0) פעולות ואפשרויות שידור: FLT:1 סוגי מנוע, יחסי הילוכים, מתחים חגורה, ומיקום איזון מומנט ומהירות.
  • אינטגרציה:0 (FLT:1 Location of encoders, Force /torqueחיישנים, ומערכות ראייה לשליטה משוב.

לכל בחירה יש השפעות מקטנות על הביצועים.הזרוע ארוכה יותר עולה להגיע אבל מפחיתה את הנוקשות ועלולה להציג סטיות גדולות יותר. בסיס כבד יותר משפר את היציבות, אך מוסיף עלות וטעינה הרצפה. עיצוב Embodiment הוא ביסודו על איזון אלה של מודלים של סחר. Computational Modeling מאפשר להעריך מאות חלופות בימים, לא חודשים.

התפקיד של מודל Computational בעיצוב Embodiment

מודלים Computational משתמשת ייצוגים מתמטיים של מערכות פיזיות כדי לחזות התנהגות תחת קלטות ותנאים מגוונים. בעיצוב רובוט, מודלים אלה סימולציה דינמיקות מכניות, מתחים מבניים, אפקטים תרמיים, ותשובות שליטה. הגישה הגנטית – שבו העתק וירטואלי משקף את הרובוט הפיזי – מאפשר למהנדסים לבדוק ול-#8220; מה- אם #82; ללא סיכון לחומרה.

Multibody Dynamics

מודלים של דינמיקה רב-גוף מתייחסים לרובוט כמערכת של גופים נוקשים או גמישים מחוברים.הם פותרים משוואות של תנועה עבור כל רכיב, מחשוב משותף מומנט, האצות, וכוחות התגובה כמו הרובוט נע לאורך מסלול.זה חיוני עבור sizing מנועים ותיבת הילוכים, כמו גם עבור כוונון פרופילים תנועה כדי למזער את הזמן ללא מגבלות הפעלה גבוהות יותר.

ניתוח יסודות Finite Element Analysis (FEA)

(FLT:0) ניתוח אלמנט היסוד של רכיב יסוד (FLT:1) משמש כדי להעריך מתחים, זנים, וסטיות של הרובוט & #8217; רכיבים מבניים.על ידי מיצוי מודל 3D CAD וליישם עומסים (גרביט, תשלום, עומס, כוחות לאיים), מהנדסים יכולים לתפוס נקודות חלשות, להפחית את המשקל באמצעות הסרת החומר, ולהבטיח כי גורמי בטיחות הם נפגשות לדוגמה, אופטימיזציה מקסימלית של פחמן מינימלית של פחמן-אפומטריד - 40% כדי להשיג לחץ דם מינימלית של כוח.

אינטראקציה עם Fluid-Structure

עבור רובוטים הפועלים בסביבות קשות (למשל, מפעלים מאובקים, תת-ימיים, או עם ריסוס מגניב), דינמיקת נוזל חישובית (CFD) יכולה מודל אוויר או זרימה נוזלית סביב הרובוט.זה עוזר לחזות יעילות קירור עבור כוננים משובצים, או להעריך כוחות גרר שיכולים להשפיע על דיוק מיקום. בשילוב עם FEA, סימולציות אינטראקציה מבנית נוזל חושף כיצד עומסי אוויריים עיוותודינמיקה של המבנה הרובוטי.

מערכת בקרת Simulation

מעבר להתנהגות גופנית, מודלים חישוביים יכולים לכלול את ההיגיון השולט - כגון PID רווחים, קרימטיים הפוכה (המכונים אלגוריתמים) ותהליכי תכנון נתיב אלגוריתמים.FLT:0Hardware-in-in-the-loop (HIL)FLT:1 ו-FLT:2 Model-in-in-the-the-the-the-the-loop (MIL) סימולציות יקרות ערך מבחן התוכנה המוטבעת מפני הרובוטים, חשיפת בעיות תזמון ואפקטיכותליפות במיוחד עבור חשיפות, ובמיוחד תזמון זה, ובמיוחד על פני תזמון שיתופיות (Ricerco).

היתרונות של עיצוב מודל-Driven Embodiment Designflow

ארגונים אשר מאמצים מודלים חישוביים כחלק מדוח עיצוב ההתגלמות של שיפור משמעותי על פני כמה מדדים:

  • (FLT:0) הוצאות של הסתברות.ראהל:1 , פחתות פיזיות קטנות יותר פירושו פסולת חומרית נמוכה יותר, זמן מאצ'ינג ועבודה. יצרנית רכב מובילה מופחתת אבטיפוס נבנה על ידי 60% לאחר הצגת עיצוב מונע סימולציה עבור רובוטים מחוסנים.
  • מחזורי פיתוח קצרים יותר (FLT:1 סימולציה רציפה מאפשר הנדסה עכשווית - מכנית, חשמל וצוותי תוכנה יכולים לעבוד במקביל באמצעות מודלים דיגיטליים משותפים.
  • (FLT:0) אמינות גבוהה יותר ובטיחות.FLT:1 סימליונות לחשוף מצבי כשלון (סדקים פציפיים, תדרי התחדשות) אשר עשויים לא להיות ברורים מ חישובים ידניים או בדיקות פשוטות.
  • (FLT:0) אופטימיזציה של מטרות סותרות מרובות.BuildFLT:1 עבור משימה נתונה (למשל, ציור גופי רכב בתוך תא ריסוס הדוק), מודלים חישוביים יכולים למצוא את הפשרה הטובה ביותר בין להגיע, מהירות, צריכת אנרגיה, ועלות. אלגוריתמי אופטימיזציה רב-אובייקטיביים לחקור את המרחב העיצוב ביעילות.
  • (FLT:0 Betterization for נישה יישומים.FLT:1) ייצור Semiconductor, עיבוד מזון, ורכבה של מכשיר רפואי כל אחד לכפות מגבלות ייחודיות. סימולציה מהירה מאפשרת למהנדסים להתאים את הגיאומטריה הרובוטית לסביבות מיוחדות אלה מבלי להתחיל מאפס.

דוגמה קונקרטית אחת: יצרנית הרובוטים של האריזה היפנית השתמשה באופטימיזציה של טופולוגיה מבוססת FEA כדי לעצב מחדש את זרועות הרובוט דלה שלהם.העיצוב המתקבל בשימוש 30% פחות חומר, היה תדירות גבוהה יותר של 20% (הפחתת רטט), וצרכו 15% פחות אנרגיה למחזור איסוף.הרווחים הללו אושרו באמצעות בדיקות פיזיות שתואמים סימולציות בתוך 5%.

יישומים אמיתיים ומקריות

אופטימיזציה של זרוע רובוטית כבדה עבור אוטומציה של Foundry

מצא אירופי היה צריך רובוט שיכול לתפעל ליהוק מתכת חם במשקל עד 200 ק"ג בסביבה רב-תרבותית, גבוהה-זמנית-זמן. עיצוב מסורתי היה להשתמש במבנה מסיבי של ברזל, אשר יהיה איטי ויקר.שימוש בדינמיקה רב-גוף ו- FEA, מהנדסים סימולציה של גיאוגרפיות שונות ותצורה משותפת.הם גילו כי עיצוב היברידי - שימוש מסגרת אור פלדה עבור נפח גדול של מחזור הדם, ופרק גדול, עם מחזור חיים רחב של 50%, אשר היה צריך גם עם סימולציה, כולל של מחזור הדם.

עיצוב רובוט משותף עם בטיחות פנימית

Cobots חייב להיות בטוח סביב בני אדם: הם חייבים לעצור על מגע ויש להם קצוות מעוגלים כי do & #8217; t צובט עור. חברה מכשיר רפואי השתמש דינמיקות מגע חישוביות כדי לדמות התנגשויות בין הזרוע הקובוט שלהם מודל דומיה זרוע אנושי. הם שונים נוקשות משותפת, חומרים ⁇ , ו-servo מגביל עד כוח ההשפעה ירד מתחת לבטיחות שנקבעו על ידי ISO / רזולוציה של יותר של סימולציה, גם על ידי כוחות לחץ דם נמוך יותר, עם השפעה, 000, היה צורך של יותר, 000, אפילו ירידה של סימולציה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 סימולציה, 000, 000, 000 פגע, 000 פגע, 000, 000 פגע, 000 פגע, 000, 000, 000, 000, 000 פגעו של ירידה של ירידה של כוח השפעה קשה יותר, 000, 000, 000 פגעו של ירידה של סימולציה, 000, 000 פגעו של ירידה של ירידה של ירידה של ירידה של כוח השפעה קשה יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 סימולציה, 000 פגעו של

אופטימיזציה ל-Precision Assembly Robot

סטארט-אפ רובוטי שמטרתו למקד לוח מעגלים מודפס (PCB) היה צורך רובוט עם דיוק מיקום תת-מילימטר אבל מסה נמוכה מאוד להעביר למזער את זמן מחזורי.שימוש בזרימת עבודה מבוססת ענן (ראה FLT:0:0;0 אלטר אופטית אופטית אופטית אופטית FLT:1), הם עיצבו זרוע מונוקו חלימה עם מבנים פנימיים של lce.

אתגרים ומגבלות של מודלים של פיצוי

למרות כוחו, מודלים חישוביים אינם כדור כסף, מהנדסים חייבים להיות מודעים לכמה אתגרים כדי להימנע מתוצאות מטעות.

  • (FLT:0) נאמנות ופשטות (סימול: ⁇ ) 1:1 כל סימולציה כרוכה הנחות - הפחתת חיכוך, פשט מגע, או צמצום דרגות החופש.אם הנחות אלה אגרסיביות מדי, המודל עשוי לחזות ביצועים שלא ניתן לממש במערכת הפיזית.הפרקטיקה הטובה ביותר היא לאמת מודל פשוט נגד אבטיפוס בסיס לפני התוספת.
  • (FLT:0) עלויות חישוביות.FLT:1 נאמנות גבוהה FEA עם מגע לא ליניארי או הפיכה רב-פיסיקה יכול לקחת שעות או ימים על גבי אשכול. Balancing דיוק עם הזמן ההפוך דורש מיומנות.ענן מחשוב והאצה GPU סייע, אבל לא לכל היצרנים יש גישה למשאבים אלה.
  • (FLT:0Data Quality and Materials Properties.FLT:1ureסימולציה תלויה בנתונים מדויקים קלט: Moduli, לחות coefficients, קשיחות מהירה, והפעלה של עקומות מהירות.בארגונים רבים, נתונים אלה אינם שלמים או נמדדים בתנאים שונים מאשר הרובוט יחוו.
  • (FLT:0) שילוב עם תהליכי עיצוב מורשת.BuildFLT:1) צוותים הנדסיים רבים רגילים לטיפוח גופני חישובים ידניים.עבור גישה מבוססת מודל דורש הכשרה, שינויים בכלי, וקבלה תרבותית.

התייחסות לאתגרים אלה לעתים קרובות כרוכה בגישה שלבית: להתחיל עם מודלים פשוטים של 2D או קשיח גוף, ולאחר מכן בהדרגה להציג גמישות, חיכוך ואפקטים תרמיים ככל שהביטחון גדל. צוותי תפקודי קרוס הכוללים גם מומחי סימולציה ומהנדסי בדיקה נוטים להשיג את האימות המודל הטוב ביותר.

כיוונים עתידיים: AI, Digital Twins, ועיצוב אוטומטי

מודלים מתאימים לתכנון ההתגלמות מתפתחים במהירות.כמה מגמות מבטיחות להפוך אותו אפילו יותר חזק.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות

AI יכול להאיץ סימולציה על ידי הפעלת מודל חלופית. במקום לרוץ אלפי סימולציות כוח רוטט FEA, רשת עצבית יכול להיות מאומן על סט קטן יותר של תוצאות, אז משוער הביצועים של עיצובים חדשים ב מילישניות.זה מאפשר אופטימיזציה אינטראקטיבית בזמן אמת שבו מהנדסים לגרור שקופיות ולראות את חלוקת הלחץ באופן מיידי.

תאומים דיגיטליים לשיפור מתמיד

במקום לעצב רובוט פעם, תאומים דיגיטליים מאפשרים למודל הווירטואלי להישאר מחובר הרובוט הפיזי לאורך חייו.חיישנים על רצפת המפעל להאכיל בחזרה עומסים, טמפרטורות, וללבוש דפוסים לתוך המודל, אשר יכול אז להמליץ על לוח הזמנים של תחזוקה או אפילו לעצב מחדש רכיבים מסוימים לדור הבא. גישה סגורה זו שימשה על ידי יצרנית רכב גרמנית גדולה כדי להתאים את ההשפעה הסופית של רובוט לאחר שישה חודשים של פריסה, שיפור מחזור זמן של 8%.

עיצוב יצירתי ושחרור אוטונומי

אלגוריתמים עיצוביים יצרניים חוקרים מיליוני תצורה רובוטית פוטנציאלית, באמצעות מחשוב ענן כדי למצוא מבנים אופטימליים המחקים דפוסי צמיחה ביולוגיים (למשל, מבנים דמויי עצמות) כמה חבילות CAD עכשיו כוללים מודולים עיצוביים חדשניים המייצרים באופן אוטומטי מספר חלופות קיימא עבור המהנדס להעריך.מערכות עתידיות עשויות להיות עיצוב התגלמות אוטומטי לחלוטין עבור נשק סטנדרטי, מה שמוביל את בני האדם להתמודד עם ההיבטים הבטיחותיים או קריטיים ביותר.

שילוב עם ייצור סימבול

כמו מפעלים דיגיטליים להפוך למציאות, עיצוב embodiment יהיה קשור עם סימולציה תהליך (למשל, איך הרובוט אינטראקציה עם משדרים, תיקונים, מכונות אחרות) גישה הוליסטית זו - לפעמים נקראה FLT:0 דיגיטלי ייצור ייצור ייצור ייצור גלקסיות 1 - מבטיח כי הרובוט & #8217; עיצוב פיזי לא רק עומד specs אלא גם מתאים חלקה לתוך הייצור של תקן של 15% עיצוב משופר עם עיצוב רובוט משופר עם עיצוב דגם עיצוב מופחת של עיצוב.

מסקנה

מודלים Computational עבר כלי נישה לאבן הפינה של עיצוב התגלמות הרובוטים התעשייתיים.על ידי הדמיה של דינמיקות רב-גוף, יושרה מבנית, התנהגות תרמית, ואינטראקציות בקרה, מהנדסים יכולים לייעל את הגיאומטריה של הרובוט ובחירת הרכיב עם דיוק חסר תקדים ומהירות.היתרונות הם מוחשיים: עלויות פיתוח נמוכות יותר, זמן קצר יותר לשוק, אמינות גבוהה יותר, ועיצובים מותאמים באופן מושלם למשימות ספציפיות.

כמו AI, תאומים דיגיטליים, עיצוב חדשני בוגר, התפקיד של המהנדס ישתנה עיצובים מרתיעים ידנית כדי לרפא ולאמת את התפוקה של מערכות אוטומטיות.התוצאה תהיה רובוטים תעשייתיים קלים, חזקים יותר, יעילים ובטוחים יותר מאי פעם. עבור יצרנים המבקשים להישאר תחרותי, השקעה ביכולות דוגמניות חישוביות היא כבר לא אופציונלית - זה הכרחי.

כדי ללמוד עוד על הכלים והטכניקות שנדונו, לחקור משאבים מהאגודה האמריקנית למהנדסים מכניים (FLT) 1 או סקירת מחקרים שפורסמו על ידי הפדרציה הבינלאומית של RoboticsFLT 3:2.