Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Modeling and Vibration Control of a Two-Link Flexible Manipulator with ANSYS APDL

Yıl 2018, Cilt: 20 Sayı: 60, 817 - 829, 15.09.2018

Öz

In this study, the control of post-motion residual vibrations of a
two-link flexible manipulator is investigated. The manipulator is modeled in
ANSYS by using APDL (Ansys Parametric Design Language). The post-motion
vibration signals are simulated by transient analysis which is performed in
ANSYS based on the finite element theory. Experimental results are also
presented and compared with simulation results. Trapezoidal velocity profiles
are used for the motors. The acceleration, constant velocity and deceleration
time intervals of the trapezoidal velocity profile are determined by
considering the lowest natural frequency of the manipulator structure at the
stopping position. Various starting and stopping positions are considered. The
root mean square (RMS) acceleration values of the vibration signals after
stopping are calculated. It is observed that the residual vibration is
sensitive to the deceleration time.  The
RMS values are lowest if the inverse of the deceleration time is equal to the
first natural frequency.  It is highest
if the inverse of the deceleration time is equal to the half of the first
natural frequency. It is observed that simulation and experimental results are
in good agreement.

Kaynakça

  • [1] Benosman M., LeVey G. 2004. Control of flexible manipulators: A survey. Robotica, Cilt. 22, s. 533-545.
  • [2] Fung T.C. 1997. Unconditionally stable higher-order Newmark methods by sub-stepping procedure. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Cilt. 147, s. 61-84.
  • [3] Owren B., Simonsen H.H. 1995. Alternative integration methods for problems in structural dynamics. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Cilt. 122, s. 1-10.
  • [4] Zhang L., Zhu J.W., Zheng Z. 1999. The stochastic Newmark algorithm for random analysis of multi-degree-of-freedom nonlinear systems. Computers and Structures, Cilt. 70, s. 557-568.
  • [5] Karagülle H., Malgaca L., Öktem H.F. 2004. Analysis by active vibration control in smart structures by ANSYS, Smart Materials and Structures, Cilt. 13, s. 661–667.
  • [6] Dwivedy S.K., Eberhard P. 2006. Dynamic analysis of flexible manipulators, a literature review. Mechanism and Machine Theory, Cilt. 41, s. 749–777.
  • [7] Shin H.C., Choi S.B. 2001. Position control of a two link flexible manipulator featuring piezoelectric actuators and sensors. Mechatronics, Cilt. 11, s. 707-729.
  • [8] Gurses K., Bradley J.B., Edward J.P. 2009. Vibration control of a single-link flexible manipulator using an array of fiber optic curvature sensors and PZT actuators. Mechatronics Cilt. 19, s. 167–177.
  • [9] Mirzaee E., Eghtesad M., Fazelzadeh S.A. 2010. Maneuver control and active vibration suppression of a two-link flexible arm using a hybrid variable structure/Lyapunov control design. Acta Astronautica, Cilt. 67, s. 1218–1232.
  • [10] Zhang Q., Li J., Zhang J., Zhang J. 2017. Smooth adaptive sliding mode vibration control of a flexible parallel manipulator with multiple smart linkages in modal space. Journal of Sound and Vibration. Cilt. 411, s. 1-19.
  • [11] Pedro J.O., Smith R.V. 2017. Real-Time Hybrid PID/ILC Control of Two-Link Flexible Manipulators. IFAC-PapersOnline. Cilt. 50, s. 145-150.
  • [12] Park K.J. 2004. Flexible robot manipulator path design to reduce the endpoint residual vibration under torque constraints. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 275, s. 1051–1068.
  • [13] Abe A. 2009. Trajectory planning for residual vibration suppression of a two-link rigid-flexible manipulator considering large deformation. Mechanism and Machine Theory, Cilt. 44, s. 1627–1639.
  • [14] Green A., Sasiadek J.Z. 2004. Dynamics and Trajectory Tracking Control of a Two-Link Robot Manipulator. Journal of Vibration and Control, Cilt. 10, s. 1415–1440.
  • [15] Singer N.C., Seering W.P. 1990. Preshaping command inputs to reduce system vibration. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Cilt. 112, s. 76-82.
  • [16] Singhose W. 2009. Command shaping for flexible systems: a review of the first 50 years. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Cilt. 10, s. 153-168.
  • [17] Ouyang Y., He W., Li X. 2017. Reinforcement learning control of a single- link flexible robotic manipulator. IET Control Theory. Cilt. 11(9), s. 1426-1433.
  • [18] Ankarali A., Diken H. 1997. Vibration Control Of An Elastic Manipulator Link. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 204, s. 162-170.
  • [19] Mimmi G., Pennacchi P. 2001. Pre-shaping Motion Input for a Rotating Flexible Link. International Journal of Solids and Structures, Cilt. 38, s. 2009-2023.
  • [20] Shan J., Liu H.T., Sun S. 2005. Modified input shaping for a rotating single-link flexible manipulator. Journal of Sound and Vibration,Cilt. 285, s. 187–207.
  • [21] Shin K., Brennan M.J. 2008. Two simple methods to suppress the residual vibrations of a translating or rotating flexible cantilever beam. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 312, s. 140–150.
  • [22] Ozer A., Semercigil S.E. 2008. An event-based vibration control for a two-link flexible robotic arm: Numerical and experimental observations. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 313, s. 375–394.
  • [23] Karagülle H., Malgaca L., Dirilmiş M., Akdağ M., Yavuz Ş. 2017. Vibration control of a two-link flexible manipulator. Journal of Vibration and Control, Cilt. 23, s. 2023-2034.
  • [24] ANSYS. 2018. Web adresi: http:// http://www.ansys.com/academic. Erişim Tarihi: 20.01.2018
  • [25] Thomson W.T., & Dahleh M.D. (1988). Theory of Vibration with Applications 3rd edition. Englewood Cliffs: Prentice-Hall.
  • [26] MicroStrain Inc. 2015. Web adresi: http://www.microstrain.com/wireless/sensors. Erişim tarihi: 20.01.2018.

İki Eksenli Esnek bir Manipülatörün ANSYS APDL ile Modellenmesi ve Titreşim Kontrolü

Yıl 2018, Cilt: 20 Sayı: 60, 817 - 829, 15.09.2018

Öz

Bu çalışmada, iki eksenli esnek bir manipülatörün hareket sonrası artık
titreşimlerinin kontrolü incelenmiştir. Manipülatör ANSYS'de APDL (Ansys
Parametrik Tasarım Dili) kullanılarak modellenmiştir. Hareket sonrası titreşim
sinyalleri, sonlu elemanlar teorisine dayalı olarak ANSYS'de gerçekleştirilen
dinamik analiz ile simüle edilir. Önceki çalışmada elde edilen deney sonuçları
da sunulmuş ve benzetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Tahrik motorları
için trapez hız profilleri kullanılmıştır. Trapez hız profilinin ivme, sabit
hız ve yavaşlama süreleri, durdurma pozisyonundaki manipülatör yapısının en
düşük doğal frekansı dikkate alınarak seçilir. Çeşitli başlangıç ve durma
pozisyonları değerlendirilmiştir. Hareket bittikten sonra meydana gelen artık
titreşim sinyallerinin karelerinin ortalamasının karekök (RMS) değerleri
hesaplanır. Artık titreşimin yavaşlama süresine duyarlı olduğu gözlemlenmiştir.
RMS değerleri, yavaşlama süresinin tersi ilk doğal frekansa eşitse, en düşük
değer elde edilmektedir. Yavaşlama zamanının tersi ilk doğal frekansın yarısına
eşitse, en yüksek değer elde edilir. Benzetim ve deney sonuçlarının birbirleriyle
uyumlu çıktığı görülmektedir.

Kaynakça

  • [1] Benosman M., LeVey G. 2004. Control of flexible manipulators: A survey. Robotica, Cilt. 22, s. 533-545.
  • [2] Fung T.C. 1997. Unconditionally stable higher-order Newmark methods by sub-stepping procedure. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Cilt. 147, s. 61-84.
  • [3] Owren B., Simonsen H.H. 1995. Alternative integration methods for problems in structural dynamics. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Cilt. 122, s. 1-10.
  • [4] Zhang L., Zhu J.W., Zheng Z. 1999. The stochastic Newmark algorithm for random analysis of multi-degree-of-freedom nonlinear systems. Computers and Structures, Cilt. 70, s. 557-568.
  • [5] Karagülle H., Malgaca L., Öktem H.F. 2004. Analysis by active vibration control in smart structures by ANSYS, Smart Materials and Structures, Cilt. 13, s. 661–667.
  • [6] Dwivedy S.K., Eberhard P. 2006. Dynamic analysis of flexible manipulators, a literature review. Mechanism and Machine Theory, Cilt. 41, s. 749–777.
  • [7] Shin H.C., Choi S.B. 2001. Position control of a two link flexible manipulator featuring piezoelectric actuators and sensors. Mechatronics, Cilt. 11, s. 707-729.
  • [8] Gurses K., Bradley J.B., Edward J.P. 2009. Vibration control of a single-link flexible manipulator using an array of fiber optic curvature sensors and PZT actuators. Mechatronics Cilt. 19, s. 167–177.
  • [9] Mirzaee E., Eghtesad M., Fazelzadeh S.A. 2010. Maneuver control and active vibration suppression of a two-link flexible arm using a hybrid variable structure/Lyapunov control design. Acta Astronautica, Cilt. 67, s. 1218–1232.
  • [10] Zhang Q., Li J., Zhang J., Zhang J. 2017. Smooth adaptive sliding mode vibration control of a flexible parallel manipulator with multiple smart linkages in modal space. Journal of Sound and Vibration. Cilt. 411, s. 1-19.
  • [11] Pedro J.O., Smith R.V. 2017. Real-Time Hybrid PID/ILC Control of Two-Link Flexible Manipulators. IFAC-PapersOnline. Cilt. 50, s. 145-150.
  • [12] Park K.J. 2004. Flexible robot manipulator path design to reduce the endpoint residual vibration under torque constraints. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 275, s. 1051–1068.
  • [13] Abe A. 2009. Trajectory planning for residual vibration suppression of a two-link rigid-flexible manipulator considering large deformation. Mechanism and Machine Theory, Cilt. 44, s. 1627–1639.
  • [14] Green A., Sasiadek J.Z. 2004. Dynamics and Trajectory Tracking Control of a Two-Link Robot Manipulator. Journal of Vibration and Control, Cilt. 10, s. 1415–1440.
  • [15] Singer N.C., Seering W.P. 1990. Preshaping command inputs to reduce system vibration. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Cilt. 112, s. 76-82.
  • [16] Singhose W. 2009. Command shaping for flexible systems: a review of the first 50 years. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Cilt. 10, s. 153-168.
  • [17] Ouyang Y., He W., Li X. 2017. Reinforcement learning control of a single- link flexible robotic manipulator. IET Control Theory. Cilt. 11(9), s. 1426-1433.
  • [18] Ankarali A., Diken H. 1997. Vibration Control Of An Elastic Manipulator Link. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 204, s. 162-170.
  • [19] Mimmi G., Pennacchi P. 2001. Pre-shaping Motion Input for a Rotating Flexible Link. International Journal of Solids and Structures, Cilt. 38, s. 2009-2023.
  • [20] Shan J., Liu H.T., Sun S. 2005. Modified input shaping for a rotating single-link flexible manipulator. Journal of Sound and Vibration,Cilt. 285, s. 187–207.
  • [21] Shin K., Brennan M.J. 2008. Two simple methods to suppress the residual vibrations of a translating or rotating flexible cantilever beam. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 312, s. 140–150.
  • [22] Ozer A., Semercigil S.E. 2008. An event-based vibration control for a two-link flexible robotic arm: Numerical and experimental observations. Journal of Sound and Vibration, Cilt. 313, s. 375–394.
  • [23] Karagülle H., Malgaca L., Dirilmiş M., Akdağ M., Yavuz Ş. 2017. Vibration control of a two-link flexible manipulator. Journal of Vibration and Control, Cilt. 23, s. 2023-2034.
  • [24] ANSYS. 2018. Web adresi: http:// http://www.ansys.com/academic. Erişim Tarihi: 20.01.2018
  • [25] Thomson W.T., & Dahleh M.D. (1988). Theory of Vibration with Applications 3rd edition. Englewood Cliffs: Prentice-Hall.
  • [26] MicroStrain Inc. 2015. Web adresi: http://www.microstrain.com/wireless/sensors. Erişim tarihi: 20.01.2018.
Toplam 26 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Mühendislik
Bölüm Makaleler
Yazarlar

Şahin Yavuz 0000-0001-9007-772X

Yayımlanma Tarihi 15 Eylül 2018
Yayımlandığı Sayı Yıl 2018 Cilt: 20 Sayı: 60

Kaynak Göster

APA Yavuz, Ş. (2018). İki Eksenli Esnek bir Manipülatörün ANSYS APDL ile Modellenmesi ve Titreşim Kontrolü. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen Ve Mühendislik Dergisi, 20(60), 817-829.
AMA Yavuz Ş. İki Eksenli Esnek bir Manipülatörün ANSYS APDL ile Modellenmesi ve Titreşim Kontrolü. DEUFMD. Eylül 2018;20(60):817-829.
Chicago Yavuz, Şahin. “İki Eksenli Esnek Bir Manipülatörün ANSYS APDL Ile Modellenmesi Ve Titreşim Kontrolü”. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen Ve Mühendislik Dergisi 20, sy. 60 (Eylül 2018): 817-29.
EndNote Yavuz Ş (01 Eylül 2018) İki Eksenli Esnek bir Manipülatörün ANSYS APDL ile Modellenmesi ve Titreşim Kontrolü. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi 20 60 817–829.
IEEE Ş. Yavuz, “İki Eksenli Esnek bir Manipülatörün ANSYS APDL ile Modellenmesi ve Titreşim Kontrolü”, DEUFMD, c. 20, sy. 60, ss. 817–829, 2018.
ISNAD Yavuz, Şahin. “İki Eksenli Esnek Bir Manipülatörün ANSYS APDL Ile Modellenmesi Ve Titreşim Kontrolü”. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi 20/60 (Eylül 2018), 817-829.
JAMA Yavuz Ş. İki Eksenli Esnek bir Manipülatörün ANSYS APDL ile Modellenmesi ve Titreşim Kontrolü. DEUFMD. 2018;20:817–829.
MLA Yavuz, Şahin. “İki Eksenli Esnek Bir Manipülatörün ANSYS APDL Ile Modellenmesi Ve Titreşim Kontrolü”. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen Ve Mühendislik Dergisi, c. 20, sy. 60, 2018, ss. 817-29.
Vancouver Yavuz Ş. İki Eksenli Esnek bir Manipülatörün ANSYS APDL ile Modellenmesi ve Titreşim Kontrolü. DEUFMD. 2018;20(60):817-29.

Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Dekanlığı Tınaztepe Yerleşkesi, Adatepe Mah. Doğuş Cad. No: 207-I / 35390 Buca-İZMİR.