Milling accuracy improvement of a 6-axis industrial robot through dynamic analysis : From datasheet to improvement suggestions

• Main Author: Eriksson, Peter
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, MWL Marcus Wallenberg Laboratoriet 2019
• Subjects: Industrial robot; milling; 3D-printing; additive manufacturing; simulation; struc-tural analysis; dynamic modelling; accuracy improvement; configuration screen-ing; simulation automation; HyperWorks; Industrirobot; fräsning; friformsframställning; strukturanalys; dynamisk modellering; förbättrad noggrannhet; kombinationsstudie; automatisk simulation; Vehicle Engineering; Farkostteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-250244

The industrial robot is a flexible and cheap standard component that can becombined with a milling head to complete low accuracy milling tasks. Thefuture goal for researchers and industry is to increase the milling accuracy, suchthat it can be introduced to more high value added operations.The serial build up of an industrial robot bring non-linear compliance andchallenges in vibration mitigation due to the member and reducer design. WithAdditive Manufacturing (AM), the traditional cast aluminum structure couldbe revised and, therefore, milling accuracy gain could be made possible due tostructural changes.This thesis proposes the structural changes that would improve the millingaccuracy for a specific trajectory. To quantify the improvement, first the robothad to be reverse engineered and a kinematic simulation model be built. Nextthe kinematic simulation process was automated such that multiple input parameterscould be varied and a screening conducted that proposed the mostprofitable change.It was found that a mass decrease in any member did not affect the millingaccuracy and a stiffness increase in the member of the second axis would increasethe milling accuracy the most, without changing the design concept. To changethe reducer in axis 1 would reduce the mean position error by 7.5 % and themean rotation error by 4.5 % approximately, but also reduces the maximumspeed of the robot. The best structural change would be to introduce twosupport bearings for axis two and three, which decreased the mean positioningerror and rotation error by approximately 8 % and 13 % respectively. === En industrirobot är en anpassningsbar och relativt billig standardkomponent.Den kan utrustas med ett fräshuvud för att genomföra fräsoperationer med låg noggrannhet. Det framtida målet för forskare och industri är att öka noggrannheten vid fräsning så att dess användningsområde kan utökas till ändamål som kräver högre precision.Den seriella uppbyggnaden av en industrirobot medför icke-linjär styvhet och därmed utmaningar vid vibrationsdämpning. Detta på grund av den strukturella uppbyggnaden då en industrirobot kan förenklat sägas vara uppbyggd av balkelement som i ledpunkterna kopplas samman av växellådor. Med friformsframställning kan en mer komplex struktur erhållas jämfört med traditionellt gjuten aluminiumkonstruktion därmed skulle en ökad noggrannhet vid fräsning kunna uppnås.Det här examensarbetet föreslår strukturella ändringar som skulle kunna öka noggrannheten vid fräsning för en specifik fräsbana. För att kvantifiera förbättringen, var det först nödvändigt att utgående från tillgänglig data konstruktion en specific robot samt att bygga en kinematisk modell. Därefter automatiserades beräkningsflödet så att ett flertal indata kunde varieras. Detta resulterande i en kombinationsstudie som visade den mest gynsamma strukturella förändringen.Det visade sig att en minskning av balkelementens massa inte påverkade nogrannheten. Att öka styvheten i balkelementet från den andra axeln skulle d¨aremot öka nogrannheten mest utan att behöva ändra robotens uppbyggnad.Att byta växellåda i första axeln kan öka positionsnogrannheten med nära 7.5 % och rotationsnoggrannheten med cirka 4.5 % men ändringen sänker samtidigt den maximala hastigheten. Den bästa strukturella förändringen vore att introducera ett stödlager vid axel två respektive tre, vilket skulle förbättra positionsnogrannheten med cirka 8 % och rotationsnogrannheten med nära 13 %.