OTOMOTİV PARÇALARININ TAŞINMASINDA PNÖMATİK TUTUCULAR: YAPISAL İNCELEME, SONLU ELEMANLAR ANALİZİ VE TOPOLOJİ OPTİMİZASYON
Abstract
Robotik kavrayıcılar, otomotiv sektöründe malzeme taşıma işlemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu kavrayıcıların hafif, dayanıklı ve verimli tasarımı, üretim süreçlerinin optimize edilmesi açısından büyük öneme sahiptir. Bu çalışma, otomotiv parçalarının taşınması için tasarlanmış 500 kg kapasiteli bir malzeme taşıma sistemi için pnömatik kavrayıcı mekanizmasının yapısal performansını araştırmaktadır. Sonlu elemanlar analizi (SEA), kavrayıcının dayanım şartlarını karşılayarak uygulanan yükleri güvenle taşıyabilme yeteneğini değerlendirmek amacıyla kullanılmıştır. İlk analizde, 5 bar basınç altında sistemin güvenli olduğunu gösteren 5,16 güvenlik faktörü hesaplanmıştır. Daha sonra yapılan topoloji optimizasyonu ile sistemin kütlesi %35 oranında azaltılmış, bu süreçte güvenlik faktörü çok az bir düşüşle 4,72 olmuştur. Topoloji optimizasyonunun faydalarını daha iyi anlayabilmek için, her iki tasarım için güvenlik faktörünün birim kütle başına göre karşılaştırılmasını sağlayan boyutsuz bir SF/M oranı tanıtılmıştır. İlk tasarım, 1.0 SF/M oranı ile referans alınırken, optimize edilmiş tasarım 1.42 oranına ulaşmış ve bu, yapısal verimlilikte %42'lük bir iyileşmeyi göstermektedir. Bu çalışma, SEA ve topoloji optimizasyonunun malzeme taşıma uygulamaları için kavrayıcı tasarımlarını optimize etmedeki etkinliğini göstermekte olup, güvenlik faktörünün yeterli seviyede tutulmasının önemini vurgulamaktadır. Optimize edilmiş tasarım, kütleyi azaltırken gerilme seviyesinde bir artışla birlikte yapısal dayanımı korumuş ve kavrayıcının yükleri güvenli bir şekilde taşımasını sağlamıştır. Böylece, endüstriyel ortamlarda robotik kavrayıcıların işlevselliği ve verimliliği artırılmıştır.
References
- Bhagawati, M., Asaduz Zaman, M., Deka, R., Bora, K. P., Gogoi, P. P., Das, M., & Arora, N. (2022). Design and Finite Element Analysis of a Mechanical Gripper. Smart Innovation, Systems and Technologies, 292, 411–426. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0836-1_32
- Bhatt, N., & Chauhan, N. R. (2016). Design of a Two Fingered Friction Gripper for a Wheel Mobile Robot. Advanced Computing and Communication Technologies, 452, 195–203. https://doi.org/10.1007/978-981-10-1023-1_20
- Dörterler, M., Atila, U., Durgut, R., & Sahin, I. (2021). Analyzing the performances of evolutionary multi-objective optimizers on designoptimization of robot gripper configurations. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 29(1), 349–369. https://doi.org/10.3906/elk-2003-140
- Gürkal, A. E., Burak İnner, A., Özer, E., & Kibar, A. (2021). Design and Strength Analysis of an Autonomous Mobile Robot Chassis Structure Independent of the Load Capacity. Mühendis ve Makina, 62(704), 607–619. https://doi.org/10.46399/MUHENDISMAKINA.897322
- Larsson, J., Wennhage, P., & Göransson, P. (2022). Mass minimization with conflicting dynamic constraints by topology optimization using sequential integer programming. Finite Elements in Analysis and Design, 200, 103683. https://doi.org/10.1016/J.FINEL.2021.103683
- Trinh, H. X., Nguyen, H. H., Pham, T. D., & My, C. A. (2024). A novel rigid-soft gripper for safe and reliable object handling. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 46(4), 1–20. https://doi.org/10.1007/S40430-024-04757-6
- Wang, H., Gao, B., Hu, A., Xu, W., Shen, H., & He, J. (2024). Design of a Reconfigurable Gripper With Rigid-Flexible Variable Fingers. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1–12. https://doi.org/10.1109/TMECH.2024.3402357
- Wang, R., Zhang, X., Zhu, B., Zhang, H., Chen, B., & Wang, H. (2020). Topology optimization of a cable-driven soft robotic gripper. Structural and Multidisciplinary Optimization, 62(5), 2749–2763. https://doi.org/10.1007/s00158-020-02619-y
- Yıldırım, M., & Akay, R. (2024). Robot Tutucu Problemi için Çok Stratejili Aritmetik Optimizasyon Algoritması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 12(1), 108–116. https://doi.org/10.29109/GUJSC.1383797
STRUCTURAL INVESTIGATION OF PNEUMATIC GRIPPERS FOR HANDLING AUTOMOTIVE PARTS USING FINITE ELEMENT ANALYSIS AND TOPOLOGY OPTIMIZATION
Abstract
Robotic grippers are widely used in the automotive industry for material handling processes. The lightweight, durable, and efficient design of these grippers is a critical factor for optimizing production operations. This study investigates the structural performance of a pneumatic gripper mechanism designed for a 500 kg material handling system, specifically for handling automotive parts. Finite element analysis (FEA) was used to evaluate the gripper’s ability to withstand applied loads without compromising its structural integrity. The initial analysis revealed a safety factor of 5.16, confirming the design's safety under an applied pressure of 5 bar. Following topology optimization, the gripper’s mass was reduced by 35%, resulting in a slight increase in the stress concentration and a decrease in the safety factor to 4.72. To better understand the benefits of topology optimization, a dimensionless SF/M ratio was introduced, which compares the relative safety factor per unit mass for both designs. The initial design served as the baseline with an SF/M ratio of 1.0, while the optimized design achieved a ratio of 1.42, indicating a 42% improvement in structural efficiency. This research demonstrated the effectiveness of FEA and topology optimization in optimizing gripper designs for material handling applications, emphasizing the importance of maintaining a sufficient safety factor. While the optimized design results in higher stress, it maintains structural integrity and reduces the mass, ensuring that the gripper can securely handle loads. These improvements ultimately enhance the functionality and efficiency of robotic grippers in industrial environments.
References
- Bhagawati, M., Asaduz Zaman, M., Deka, R., Bora, K. P., Gogoi, P. P., Das, M., & Arora, N. (2022). Design and Finite Element Analysis of a Mechanical Gripper. Smart Innovation, Systems and Technologies, 292, 411–426. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0836-1_32
- Bhatt, N., & Chauhan, N. R. (2016). Design of a Two Fingered Friction Gripper for a Wheel Mobile Robot. Advanced Computing and Communication Technologies, 452, 195–203. https://doi.org/10.1007/978-981-10-1023-1_20
- Dörterler, M., Atila, U., Durgut, R., & Sahin, I. (2021). Analyzing the performances of evolutionary multi-objective optimizers on designoptimization of robot gripper configurations. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 29(1), 349–369. https://doi.org/10.3906/elk-2003-140
- Gürkal, A. E., Burak İnner, A., Özer, E., & Kibar, A. (2021). Design and Strength Analysis of an Autonomous Mobile Robot Chassis Structure Independent of the Load Capacity. Mühendis ve Makina, 62(704), 607–619. https://doi.org/10.46399/MUHENDISMAKINA.897322
- Larsson, J., Wennhage, P., & Göransson, P. (2022). Mass minimization with conflicting dynamic constraints by topology optimization using sequential integer programming. Finite Elements in Analysis and Design, 200, 103683. https://doi.org/10.1016/J.FINEL.2021.103683
- Trinh, H. X., Nguyen, H. H., Pham, T. D., & My, C. A. (2024). A novel rigid-soft gripper for safe and reliable object handling. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 46(4), 1–20. https://doi.org/10.1007/S40430-024-04757-6
- Wang, H., Gao, B., Hu, A., Xu, W., Shen, H., & He, J. (2024). Design of a Reconfigurable Gripper With Rigid-Flexible Variable Fingers. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1–12. https://doi.org/10.1109/TMECH.2024.3402357
- Wang, R., Zhang, X., Zhu, B., Zhang, H., Chen, B., & Wang, H. (2020). Topology optimization of a cable-driven soft robotic gripper. Structural and Multidisciplinary Optimization, 62(5), 2749–2763. https://doi.org/10.1007/s00158-020-02619-y
- Yıldırım, M., & Akay, R. (2024). Robot Tutucu Problemi için Çok Stratejili Aritmetik Optimizasyon Algoritması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 12(1), 108–116. https://doi.org/10.29109/GUJSC.1383797
Details
| Primary Language | English |
|---|---|
| Subjects | Numerical Methods in Mechanical Engineering |
| Journal Section | Mechanical Engineering |
| Authors | |
| Publication Date | March 3, 2025 |
| Submission Date | October 17, 2024 |
| Acceptance Date | January 6, 2025 |
| Published in Issue | Year 2025Volume: 28 Issue: 1 |
