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具有拓扑优化和金属 3D 打印功能的敏捷工业机器人夹持器

具有拓扑优化和金属 3D 打印功能的敏捷工业机器人夹持器

2021-09-01 13:26

Preziosa Francesco SRL & Add-it 重新设计了用于金属 3D 打印的内部折弯机弯曲机器人单元的夹具。最终设计在短短 4 天内即可投入使用,提高了系统可靠性,绕过了供应链瓶颈,并实现了无人值守制造。

为了保持竞争力并适应不断变化的客户需求,意大利钣金制造商 Preziosa Francesco SRL 希望针对每项工作优化其机器人系统。然而,CNC 加工一套新的定制机器人夹具的交货时间长是他们过程中的一个瓶颈。

通过与 Add-it 合作,他们使用 Desktop Metal Studio 系统在内部转移了零件生产。为了最大限度地发挥金属 3D 打印的价值,他们在 nTopology 中创建了可重复使用的设计工作流程。

结果是一个端到端的设计和数字制造过程,可以生产针对工作优化的定制机器人抓手,并利用最新的设计方法 - 如拓扑优化。

介绍

Preziosa Francesco SRL是一家位于意大利贝加莫的钣金橱柜制造商。在过去的 40 年里,他们一直引领着意大利市场。公司首席执行官 Marco Preziosa 为其工厂生产的产品质量感到自豪。他还重视公司根据客户的特定需求定制标准产品线的灵活性。

Preziosa Francesco SRL 的工程师一直在寻找可以改进其流程和工作流程并使其保持竞争力的最新技术。今天,他们活动的核心是一个机器人单元和一台自动折弯机。然而,这项价值数十万欧元的投资因为一个相对便宜的部件而岌岌可危:机器人末端执行器的夹具。

使用重新设计的抓手动作的机器人特写

机器人夹具是定制组件,通常需要更改以满足定制钣金作业的要求。Preziosa Francesco SRL 与Additive Italia(简称 Add-it)合作,为金属增材制造重新设计了他们的机器人抓手。Add-it 是一家专门从事模拟驱动工程和衍生式设计的设计咨询公司。

在本案例研究中,我们记录了 Preziosa Francesco 和 Add-it 如何使用 nTopology 的高级工程功能为机器人抓手创建可重复使用的设计工作流程。通过这种方式,他们提高了系统的性能并绕过了供应链挑战。

实用的机器人夹持器设计挑战

Preziosa Francesco 使用 Fanuc M710-iC 机械臂将金属板装载到他们的自动折弯机上,在弯曲操作期间定位并保持它们的位置,然后将零件存放在适当的篮子中。

自动折弯机的工厂设置

该系统配备了两个金属夹具,用于在铺垫操作期间处理零件。Preziosa Francesco 的生产团队面临着与这个简单组件相关的三个主要技术挑战。这些挑战直接影响了他们的产品质量和系统的生产力:

  • 标准的扁平抓手太滑了。由于钣金件和原始数控加工夹具之间的牵引效率低下,折弯过程中钣金件移动,降低了最终产品的精度。
  • 标准抓手不够灵活。由于它们的尺寸,夹持器的侧面有在某些弯曲角度与机器碰撞的危险,导致系统停止。
  • 制造定制夹具太慢了。理想情况下,应针对不同的板材厚度和坯料尺寸使用不同的夹具。将工作外包给 CNC 机加工车间至少需要两周时间,这是不可接受的。

端到端设计和数字化制造工作流程

为了克服这些挑战,Add-it 的工程师重新设计了用于增材制造的夹具。他们选择 17-4 PH 不锈钢的金属 3D 打印和 Desktop Metal 的 Studio System 作为制造过程,因为它能够在内部快速生产金属零件。

重新设计过程的细分——从概念到应用不到 4 天

该团队还考虑将聚合物 3D 打印作为一种选择,但很快就放弃了这种解决方案。对于重型工业应用,聚合物夹具会迅速磨损,随着时间的推移会降低夹紧效率并降低过程的准确性。在此应用中,可重复性至关重要。

该项目的主要目标是创建一个可以轻松复制的流程。可重复使用的设计过程将使团队能够快速修改夹具并根据每个制造工作的特定需求进行调整。这样,团队就可以创建端到端的数字化制造工作流程。

nTopology 是工程团队的自然选择。该项目的首席设计工程师 Gianluigi Rossi 说:“由于我们可以制作各种各样的把手,我们立即决定使用 nTopology 开始这个项目。”

使用晶格结构增加抓地力

摩擦通常不足以确保良好的抓地力,尤其是在高负载条件下需要精确定位时。增加抓地力的一种常见方法——从而提高弯曲过程的可靠性——是为机器人抓手添加牵引模式。牵引模式的凹槽导致较软的材料变形(在这种情况下,铝板),将零件机械互锁在一起并增加抓地力。

Add-it 的工程师尝试了两种初始设计变体。首先,他们将夹具和停止参考的组件合并为一个组件。然后,他们在夹具上应用了两种不同的图案:使用表面格子和蜂窝状穿孔图案创建的凹槽。这种保守的 DfAM 重新设计的目标是测试金属 3D 打印过程的准确性。

他们通过测试发现,蜂窝状穿孔图案提供了更好的牵引力,并且使用金属3D打印更容易制造。这种设计被用作后来迭代的基础。

在这个项目中,团队最突出的是迭代速度。他们在不到 4 天的时间内从概念转变为应用。nTopology 的设计能力在很大程度上促成了这种快速发展。

“从经典 CAD 软件转向 nTopology 是一个根本性的飞跃。我接触了另一种工作和思考方式。该软件可以打开新路径,例如将相同的工作流程重用于其他几何图形并与同事共享。这是在工作环境中独特的节省时间。一个下午,我们设法制作了我们需要的组件。几分钟后,我们就可以改变手柄的类型并生产出可以制造的零件。”
Gianluigi Rossi,设计工程师,Add-it

拓扑优化设计更敏捷的机器人

夹爪离折弯机越近,该过程就越安全且可重复。然而,即使板材厚度的微小变化也会导致夹具以特定角度与机床碰撞,从而导致停止。用更细长的设计取代标准抓手,扩大了机器人的安全区域并提高了其敏捷性。

这是第二次设计迭代的目标。Add-it 的工程师使用 nTopology 的内置拓扑优化功能来生成具有优化几何形状的夹具。主要目标不是减轻零件的重量,而是创建具有相似性能(刚度、抓握力、重量)但占地面积更小的设计。

拓扑优化的夹具使系统能够执行更精细的机器人操作并处理更小的金属板。“我们估算了需要节省的夹具体积空间。这是几毫米的问题。尽管如此,在这个应用程序中仍然是几毫米,”罗西指出。

nTopology 中全自动后拓扑优化设计工作流程概述

该团队使用两个不同的密度阈值级别设计并3D打印了拓扑优化夹具的两种变体。使用nTopology,Rossi 自动重建和平滑拓扑优化结果,绕过了其他软件中常见的耗时的手动步骤。由于团队不必手动重新创建零件几何形状,因此只需单击几下即可生成多个变体。

事实上,当 Add-it 刚开始使用nTopology时,他们曾经在nTopology中导入第三方拓扑优化工具的结果——比如 Altair Optistruct®——只是为了利用该软件的自动重建功能。现在,由于其简化的工作流程和更好的级别控制,Add-it 团队正在使用 nTopology 来满足他们所有的拓扑优化需求。

通过可重复使用的设计流程确保流程可靠性

设计中每一个不可预见的变化都会对最终产品的质量产生影响。对于夹持器,即使是几毫米也可以使您的过程可靠或不可靠。您在使工具适应不断变化的环境方面越灵活,企业取得成功的机会就越大。

对于 Preziosa Francesco,重新设计的夹持器大大提高了工艺可靠性。通过消除停机,它开启了无人值守制造和机器人制造系统的充分利用。

此外,能够在几天内在内部生产他们需要的零件,这使 Preziosa Francesco 能够在短时间内调整他们的系统。他们还可以在必要时重新审视他们的流程。在nTopology中创建的可重用设计工作流程是充分利用其 Desktop Metal Studio System 制造能力的缺失环节。

“如果你没有一个非常可重复的过程,你就只能在白天运行生产。让这些机器仅在白班期间运行在经济上是非常困难的。从理论上讲,您可以拥有一个非常聪明的生产系统。但是,如果由于零件便宜而无法按预期工作,那么价值数十万的投资就会岌岌可危。nTopology 使我们能够使用机器人制造我们的桌面金属工作室系统,以发挥其全部潜力。”
Marco Preziosa,首席执行官,Preziosa Francesco SRL

下一步

随着新夹具在行动中证明了其价值,Preziosca Francesco SLR 和 Add-it 现在正在寻求复制其他应用程序的这一过程。例如,他们正在为公司的冲床设计夹具更换件和备件。

至于对现有工作流程的改进,Add-it 的工程师现在正在研究如何创建一个新的拓扑优化版本的抓手,它的长度是原来的两倍,同时保持耐用和可靠。这样,他们将生成一个可定制的夹紧工具,该工具更加机动灵活。

源文摘自:nTopology

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