Robotic machining optimization using digital twins

The use of industrial robots for machining operations has attracted the attention of many industries lately, as they are able to significantly increase the production system flexibility and reduce the production cost, while present several advantages over conventional CNC machines. However, several...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Γέροντας, Χρήστος
Άλλοι συγγραφείς: Gerontas, Christos
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/23933
id nemertes-10889-23933
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Robot machining
Multi-body simulation
Digital model
Workpiece placement optimization
Feed-rate scheduling
Φρεζάρισμα με ρομπότ
Ψηφιακό μοντέλο
Βελτιστοποίηση θέσης
Προγραμματισμός ταχύτητας πρόωσης
spellingShingle Robot machining
Multi-body simulation
Digital model
Workpiece placement optimization
Feed-rate scheduling
Φρεζάρισμα με ρομπότ
Ψηφιακό μοντέλο
Βελτιστοποίηση θέσης
Προγραμματισμός ταχύτητας πρόωσης
Γέροντας, Χρήστος
Robotic machining optimization using digital twins
description The use of industrial robots for machining operations has attracted the attention of many industries lately, as they are able to significantly increase the production system flexibility and reduce the production cost, while present several advantages over conventional CNC machines. However, several challenges have slowed down the adoption of robots in machining tasks by industry. Industrial robots are constructed as serial, open kinematic chains, leading to insufficient structural stiffness, which in turn directly affects the machining process accuracy. In addition to this, due to the posture dependency of the robot dynamic behavior, time consuming and costly experiments are required to determine its dynamic behavior over its whole working space with traditional approaches. For this purpose, this work aims to develop a complete Digital-Model for robotic machining that can be used during the process planning stage, providing a tool for virtual commissioning of the process. For the robot arm modelling, the flexible links-flexible joints approach has been selected and the Multi-Body Simulation method combined with a Component Mode synthesis method have been adopted for the simulation of its dynamic behavior. The cutting tool deflections due to robot deformation during the process can be calculated with this model too. Additionally, motivated from the tremendous flexibility and versatility of robotic based machining systems two optimization algorithms have been developed, in an effort to increase process accuracy and efficiency. Specifically, an algorithm that calculates the workpiece optimal placement position with respect to robot stiffness has been developed, acquiring knowledge from the robot stiffness maps we generated using the above-mentioned model. Also, an algorithm calculating the optimal feed-rate of the robot arm during the machining process has been developed, attempting to constraint the contour error by regulating the generating cutting forces without affecting the productivity. Finally, the developed model and algorithms have been applied in two different case study parts to present their capabilities and functionality. Results showed that with the application of the two developed optimization algorithms the process accuracy can be improved up to 45%, compared to the unoptimized process setup.
author2 Gerontas, Christos
author_facet Gerontas, Christos
Γέροντας, Χρήστος
author Γέροντας, Χρήστος
author_sort Γέροντας, Χρήστος
title Robotic machining optimization using digital twins
title_short Robotic machining optimization using digital twins
title_full Robotic machining optimization using digital twins
title_fullStr Robotic machining optimization using digital twins
title_full_unstemmed Robotic machining optimization using digital twins
title_sort robotic machining optimization using digital twins
publishDate 2022
url https://hdl.handle.net/10889/23933
work_keys_str_mv AT gerontaschrēstos roboticmachiningoptimizationusingdigitaltwins
AT gerontaschrēstos beltistopoiēsēkatergasiōnphrezarismatosmerompotikousbrachionesmechrēsēpsēphiakoudidymou
_version_ 1771297237528215552
spelling nemertes-10889-239332022-11-15T04:36:01Z Robotic machining optimization using digital twins Βελτιστοποίηση κατεργασιών φρεζαρίσματος με ρομποτικούς βραχίονες με χρήση ψηφιακού διδύμου Γέροντας, Χρήστος Gerontas, Christos Robot machining Multi-body simulation Digital model Workpiece placement optimization Feed-rate scheduling Φρεζάρισμα με ρομπότ Ψηφιακό μοντέλο Βελτιστοποίηση θέσης Προγραμματισμός ταχύτητας πρόωσης The use of industrial robots for machining operations has attracted the attention of many industries lately, as they are able to significantly increase the production system flexibility and reduce the production cost, while present several advantages over conventional CNC machines. However, several challenges have slowed down the adoption of robots in machining tasks by industry. Industrial robots are constructed as serial, open kinematic chains, leading to insufficient structural stiffness, which in turn directly affects the machining process accuracy. In addition to this, due to the posture dependency of the robot dynamic behavior, time consuming and costly experiments are required to determine its dynamic behavior over its whole working space with traditional approaches. For this purpose, this work aims to develop a complete Digital-Model for robotic machining that can be used during the process planning stage, providing a tool for virtual commissioning of the process. For the robot arm modelling, the flexible links-flexible joints approach has been selected and the Multi-Body Simulation method combined with a Component Mode synthesis method have been adopted for the simulation of its dynamic behavior. The cutting tool deflections due to robot deformation during the process can be calculated with this model too. Additionally, motivated from the tremendous flexibility and versatility of robotic based machining systems two optimization algorithms have been developed, in an effort to increase process accuracy and efficiency. Specifically, an algorithm that calculates the workpiece optimal placement position with respect to robot stiffness has been developed, acquiring knowledge from the robot stiffness maps we generated using the above-mentioned model. Also, an algorithm calculating the optimal feed-rate of the robot arm during the machining process has been developed, attempting to constraint the contour error by regulating the generating cutting forces without affecting the productivity. Finally, the developed model and algorithms have been applied in two different case study parts to present their capabilities and functionality. Results showed that with the application of the two developed optimization algorithms the process accuracy can be improved up to 45%, compared to the unoptimized process setup. Η αξιοποίηση ρομποτικών βραχιόνων στο τομέα των κατεργασιών αφαίρεσης υλικού και ειδικότερα στην απαιτητική κατεργασία του φρεζαρίσματος συγκεντρώνει όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον από τη βιομηχανία τελευταία, καθώς φαίνεται να αυξάνουν σημαντικά την ευελιξία και να μειώνουν τα κόστη παραγωγής, ενώ παρουσιάζουν και μια σειρά από πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών CNC μηχανών. Ωστόσο, τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν και κάποια μειονεκτήματα, τα οποία εμποδίζουν την εδραίωσή τους στη βιομηχανία. Πιο συγκεκριμένα, τα ρομπότ λόγο της δομής της κινηματικής τους αλυσίδας παρουσιάζουν μειωμένη στιβαρότητα, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια της κατεργασίας. Είναι λοιπόν εμφανές ότι ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στη δυναμική συμπεριφορά του ρομποτικού βραχίονα σε περιπτώσεις τέτοιου είδους κατεργασιών. Επιπλέον, η εξάρτηση της δυναμικής συμπεριφοράς του ρομποτικού βραχίονα από τη πόζα του, καθιστά τον υπολογισμό της για όλο το χώρο εργασίας του χρονοβόρο και εξουθενωτικό σε περιπτώσεις που επιχειρείται να υπολογιστεί μέσω πειραματικών μεθόδων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός Ψηφιακού-Μοντέλου για ρομπότ που εκτελεί κατεργασίες φρεζαρίσματος, το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί κατά το στάδιο του σχεδιασμού της κατεργασίας, για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της κατεργασίας. Για τη μοντελοποίηση και προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του βραχίονα αξιοποιήθηκε η μέθοδος Multi-Body Simulation σε συνδυασμό με μια τεχνική Component Mode Synthesis, ώστε να ληφθεί υπόψιν η ελαστική συμπεριφορά τόσο των αρθρώσεων, όσο και των μελών του ρομπότ. Οι αποκλίσεις στη θέση του κοπτικού εργαλείου λόγο της ελαστικής συμπεριφοράς του βραχίονα υπολογίζονται επίσης μέσω του μοντέλου. Επιπλέον, δύο αλγόριθμοι για τη βελτιστοποίηση της κατεργασίας αναπτύχθηκαν. Ο πρώτος αλγόριθμος υπολογίζει τη βέλτιστη θέσης τοποθέτησης του κατεργαζόμενου κομματιού, αντλώντας γνώση από τους χάρτες δυσκαμψίας του ρομπότ που αναπτύχθηκαν με χρήση του παραπάνω μοντέλου. Ο δεύτερος αλγόριθμος υπολογίζει το βέλτιστο προφίλ για τη ταχύτητα πρόωσης του ρομπότ κατά τη κατεργασία, σε μια προσπάθεια να περιορίσει τις αποκλίσεις θέσης, μειώνοντας τις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής. Τέλος, για τη παρουσίαση των δυνατοτήτων του μοντέλου και των αλγορίθμων που αναπτύξαμε, τα αποτελέσματα από την εφαρμογή τους για δύο διαφορετικές περιπτώσεις μελέτης παρουσιάζονται. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι με την εφαρμογή των δύο αλγορίθμων βελτιστοποίησης η ακρίβεια της κατεργασίας μπορεί να αυξηθεί πάνω από 45%. 2022-11-14T12:20:22Z 2022-11-14T12:20:22Z 2022-07-18 2022 https://hdl.handle.net/10889/23933 en application/pdf