الگوریتم جدید اصلاح مرز سازه در طراحی بهینه‌ چندهدفه توپولوژی یک میکروگریپر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 دانشکده مکانیک - دانشگاه سمنان - سمنان - ایران

چکیده

در صنایعی که عملیات ساخت و مونتاژ باید با دقت بالا و در ابعاد میکرو صورت ‌گیرد، انتقال و جابجایی کنترل‌شده و دقیق قطعات در ابعاد میکرو به شدت مورد نیاز است. برای این منظور از مکانیزمهای یکپارچه میکروگریپر استفاده میگردد. در این مقاله با استفاده از روش بهینهسازی توپولوژی چندهدفه، میکروگریپری با مکانیزم یکپارچه طراحی گردیده است. معمولا سازه‌های استخراج‌شده با استفاده از تکنیکهای بهینهسازی در طراحی توپولوژی سازهها، دارای اشکالاتی هستند. از جمله اتصالات گره با گره به جای اتصال صحیح المان‌ها و همچنین وجود مرزهای پلکانی به دلیل تحلیل مسئله به صورت المان محدود. از این رو در این مقاله با استفاده از یک الگوریتم جدید اصلاح مرز سازه، شکل نهایی مکانیزم به گونهای استخراج میگردد که برای ساخت نهایی آماده گردد. برای این منظور از روش برازش منحنی استفاده شده است تا از طریق کمینه‌نمودن مجموع خطای مربعات، پروفیل مرز سازه اصلاح گردد، به گونهای که سازه پس از اصلاح مرز از حالت بهینه خارج نشده و حتی توابع هدف مورد استفاده در طراحی میکروگریپر، بهبود داده ‌شوند. در انتها با مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازیهای عددی و تست‌های تجربی و آزمایشگاهی، عملکرد سازه میکروگریپر مورد بررسی قرار گرفته و انطباق مناسبی بین نتایج مشاهده شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A new optimal structural boundary modification algorithm in the multi-objective topology optimization of microgripper

نویسندگان [English]

  • Ehsan Hasanabadi 1
  • Ali Ghoddosian 2
  • Amin Nikoobin 1
1 Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Faculty of Mechanical Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
چکیده [English]

In industries where manufacturing and assembly operations are to be carried out with a high degree of precision on a micro scale, precise control and movement of components on a micro scale are desperately needed. Integrated microgripper mechanisms are used for this purpose. In this paper, a compliant-based microgripper is designed using multi-objective topology optimization method and the final form of the mechanism is prepared for manufacturing using a new optimal structural boundary modification algorithm. Usually, the optimization faces some problems in the designing step of the structure topology, such as node to node joining rather than the correct joining of the elements, as well as staircase boundaries due to the analysis of the problem with the finite element method. To overcome these drawbacks, in this paper, the curve fitting method is used to minimize the sum of squared errors in the boundary profile of the structure; meanwhile, the optimized objective functions of the structure are improved and better results are obtained. Finally, the performance results of the microgripper are confirmed using the comparison between numerical simulations and empirical tests.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Compliant mechanism
  • microgripper
  • multi-objective topology optimization
  • structural boundary modification algorithm
  • Experimental test
[1] S. Nah, Z. Zhong, A microgripper using piezoelectric actuation for micro-object manipulation, Sensors and Actuators A: Physical, 133(1) (2007) 218-224.
[2] P. Dario, M.C. Carrozza, A. Benvenuto, A. Menciassi, Micro-systems in biomedical applications, Journal of Micromechanics and Microengineering, 10(2) (2000) 235.
[3] A. Alogla, P. Scanlan, W. Shu, R. Reuben, A scalable syringe-actuated microgripper for biological manipulation, Procedia Engineering, 47 (2012) 882-885.
[4] Y. Zhang, Y. Yu, Z. Zhang, X. Zhang, Structure and Design of Microgrippers: A Survey, in:  2017 2nd International Conference on Cybernetics, Robotics and Control (CRC), IEEE, 2017, pp. 139-143.
[5] P. Zhang, W. GUO-ying, Y.-l. HAO, Z.-j. LI, Development of microgripper technology [J], Optics and Precision Engineering, 3 (2000) 292-296.
[6] L. Saggere, S. Kota, Synthesis of planar, compliant four-bar mechanisms for compliant-segment motion generation, Journal of Mechanical Design, 123(4) (2001) 535-541.
[7] A.E. Albanesi, V.D. Fachinotti, M.A. Pucheta, A. Cardona, Synthesis of compliant mechanisms for segment-motion generation tasks, Mecánica Computacional, 26 (2007) 2919-1930.
[8] L.L. Howell, Compliant mechanisms, John Wiley & Sons, 2001.
[9] M.P. Bendsøe, O. Sigmund, Topology optimization : theory, methods and applications, Springer, Berlin [u.a.], 2003.
[10] V. Megaro, J. Zehnder, M. Bächer, S. Coros, M.H. Gross, B. Thomaszewski, A computational design tool for compliant mechanisms, ACM Trans. Graph., 36(4) (2017) 82:81-82:12.
[11] S. Linß, S. Henning, L. Zentner, Modeling and design of flexure hinge-based compliant mechanisms, in:  Kinematics, IntechOpen, 2019.
[12] L. Yin, G. Ananthasuresh, A novel topology design scheme for the multi-physics problems of electro-thermally actuated compliant micromechanisms, Sensors and Actuators A: Physical, 97 (2002) 599-609.
[13] O. Sardan, D.H. Petersen, K. Mølhave, O. Sigmund, P. Bøggild, Topology optimized electrothermal polysilicon microgrippers, Microelectronic Engineering, 85(5) (2008) 1096-1099.
[14] A.N. Reddy, N. Maheshwari, D.K. Sahu, G. Ananthasuresh, Miniature compliant grippers with vision-based force sensing, Robotics, IEEE Transactions on, 26(5) (2010) 867-877.
[15] R. Horstmann, L.K. Ardi, G.P. Rehder, E.C. Silva, M.N.P. Carreno, Development of ETM microgrippers using Topology Optimization, in:  Microelectronics Technology and Devices (SBMicro), 2014 29th Symposium on, IEEE, 2014, pp. 1-5.
[16] J. Liang, X. Zhang, B. Zhu, Nonlinear topology optimization of parallel-grasping microgripper, Precision Engineering, 60 (2019) 152-159.
[17] B. Zhu, X. Zhang, H. Zhang, J. Liang, H. Zang, H. Li, R. Wang, Design of compliant mechanisms using continuum topology optimization: A review, Mechanism and Machine Theory, 143 (2020) 103622.
[18] R. Bharanidaran, T. Ramesh, Numerical simulation and experimental investigation of a topologically optimized compliant microgripper, Sensors and Actuators A: Physical, 205 (2014) 156-163.
[19] R. Bharanidaran, T. Ramesh, A modified post-processing technique to design a compliant based microgripper with a plunger using topological optimization, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 93(1-4) (2017) 103-112.
[20] R. Ansola, E. Veguería, J. Canales, J.A. Tárrago, A simple evolutionary topology optimization procedure for compliant mechanism design, Finite Elements in Analysis and Design, 44(1) (2007) 53-62.
[21] F.R. David, J.A. Adams, Mathematical elements for computer graphics, McGraw-Hill International,  (1990).
[22] P.-S. Tang, K.-H. Chang, Integration of topology and shape optimization for design of structural components, Structural and Multidisciplinary Optimization, 22(1) (2001) 65-82.
[23] K. Shrivastava, S.S. Joshi, Design and development of compliant microgripper-based assembly station, in:  ASME 2016 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2016.