Σχεδιασμός και υπολογιστική προσομοίωση πλατφόρμας Stewart για κατεργασία έξι αξόνων σε λογισμικό CAD/CAM/CAE.

Abstract

Στην παρούσα πτυχιακή εξετάζεται η χρήση της πλατφόρμας Stewart σε βιομηχανικές εφαρμογές για κατεργασίες αφαίρεσης υλικού. Στην συνέχεια αυτής της ενότητας γίνεται σύνοψη του περιεχομένου των επιμέρους κεφαλαίων της παρούσας πτυχιακής. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία συνοπτική ανασκόπηση των πιο διαδεδομένων ρομποτικών διατάξεων με σφαιρικές αρθρώσεις. Για κάθε έναν από αυτούς τους μηχανισμούς παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους, το πλήθος των βαθμών ελευθερίας τους, ο τύπος κίνησης που εκτελεί το άκρο καθώς και πιθανοί τομείς εφαρμογής τους. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στο κυρίως θέμα της παρούσας πτυχιακής, την πλατφόρμα Stewart. Αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή όπου αναλύεται η εξέλιξη στο χρόνο αυτού του μηχανισμού, στην συνέχεια γίνεται περιγραφή των διάφορων διαθέσιμων τύπων πλατφόρμας Stewart και των κινήσεων που μπορούν να εκτελέσουν, όπως επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της. Τέλος γίνεται αναφορά στους πιο διαδεδομένους τομείς χρήσης της πλατφόρμας Stewart. Στο τέταρτο κεφάλαιο αρχικά αναφέρεται ο τύπος της πλατφόρμας που επιλέχθηκε και στην συνέχεια παρατίθεται η διαδικασία έρευνας αγοράς που πραγματοποιήθηκε για την επιλογή των επενεργητών που οδηγούν τις πρισματικές αρθρώσεις τις πλατφόρμας. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία γεωμετρικής μοντελοποίησης των μη τυποποιημένων εξαρτημάτων. Επίσης παρουσιάζεται το σύστημα συγκράτησης μηχανισμού κοπής που αναπτύχθηκε για την πραγματοποίηση κατεργασιών αφαίρεσης υλικού. Τέλος, παρουσιάζεται η συναρμολόγηση των επιμέρους εξαρτημάτων σε ένα κεντρικό αρχείο συναρμολόγησης. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαδικασία κινηματικής προσομοίωσης της πλατφόρμας Stewart με τη χρήση της εφαρμογής Mechanism του λογισμικού PTC Creo Parametric 3.0. Πιο συγκεκριμένα αναφέρονται οι διαθέσιμοι τύποι προσομοίωσης και οι επιλογές που παρέχονται για τον κάθε ένα από αυτούς. Τέλος παρατίθενται οι ρυθμίσεις που έγιναν για την εκτέλεση της κινηματικής ανάλυσης. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαδικασία μελέτης της μηχανικής συμπεριφοράς της πλατφόρμας Stewart με χρήση του λογισμικού PTC Creo Simulate 3.0. Ειδικότερα, γίνεται αναφορά στις ρυθμίσεις που απαιτούνται για την πραγματοποίηση της προσομοίωσης οι οποίες περιλαμβάνουν την επιλογή υλικών για τα εξαρτήματα, τον καθορισμό στηρίξεων, συνδέσεων και φορτίσεων αλλά και την εισαγωγή μετρητικών οργάνων. Τέλος, γίνεται περιγραφή της διαδικασίας διεξαγωγής στατικής ανάλυσης. Στο όγδοο κεφάλαιο παρατίθενται αναλυτικά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για την μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς της πλατφόρμας Stewart. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις για τα επιμέρους εξαρτήματα της πλατφόρμας ενώ στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε συνολική ανάλυση για ολόκληρη τη συναρμολογημένη πλατφόρμα. Για την κάθε περίπτωση παρουσιάζεται ο τρόπος εφαρμογής του φορτίου, η γραφική απεικόνιση των αποτελεσμάτων, όπως επίσης συγκεντρωτικοί πίνακες με τα δεδομένα εισαγωγής και τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Τέλος, γίνεται μια σύνοψη των συμπερασμάτων που εξήχθησαν από όλη την διαδικασία εκπόνησης της παρούσας πτυχιακής, τόσο κατά την διαδικασία ανάπτυξης όσο και κατά την διαδικασία συγγραφής.

This thesis examines the use of the Stewart Platform in industrial applications for material removal processes. This section is a summary of the content of the individual chapters of this thesis. The second chapter is a brief review of the most widely used robotic devices with spherical joints. We present the advantages and disadvantages, the number of the degrees of freedom, the type of movement that runs the end effector and possible areas of application for each of these mechanisms. The third chapter is an introduction to the main subject of this project, the Stewart Platform. Here we submit a historical review where we analyze the Platform’s development in time, with a description of the various Platform types available and the movements they can perform, as well as its advantages and disadvantages. Finally, reference is made to the most common areas of use of the Stewart Platform. In the fourth chapter, initially the type of Platform chosen is indicated and then we present the market research that was carried out for the selection of actuators that drive the prismatic joints of the Platform. The fifth chapter presents the geometric modeling process of non-standard parts. Also, here is described the cutter retaining system that was developed for performing material removal machining. Finally, the assembly process of the individual components is shown in a central assembly file. The sixth chapter presents the Platform kinematics simulation process using the Mechanism application provided by PTC Creo Parametric 3.0 software package. More specifically, here is provided a list of the available types of simulation and the options that are provided for each of them. Finally, the arrangements that were made for the execution of kinematics analysis are set out. The seventh chapter presents the process of studying the mechanical behavior of the Stewart Platform using the PTC Creo Simulate 3.0 software package. Reference is made to the settings required for the realization of a simulation including material selection for parts, fixing supports, connections and loads and the input of measuring instruments. Finally, a description of the static analysis process is carried out. In the eighth chapter the results of the simulations are presented for the study of the mechanical behavior of the Stewart Platform. At first, a set of analyzes were performed for each of the components of the Platform and then they were analyzed as a total for the assembled Platform. For every case, it is shown how the load is applied as a graphical display of the results as well as the aggregate tables with the input data and the results of the analysis are presented. Finally, a summary of the conclusions drawn from the entire process of this project, both during the development process and during the writing process.