Parametric 3D model and FEA of a robotic welding portal
Keto, Pasi (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026052756576
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2026052756576
Tiivistelmä
This thesis involves the modelling of a parametric 3D model of a robotic welding portal, as well as the derived finite element analysis. The purpose of the work is to enable the comparison of different structural options in the early stages of design with rapid parameter changes.
A middle-out type of modelling strategy was selected because the product consisted of both standard parts and parameter-controlled structures. The parameters were intended to control the main dimensions of the portal and certain material thicknesses. This enabled agile comparison of structural options in the finite element analysis environment. The necessary configurations for both manufacturing and analysis were created from the 3D model of the portal. This eliminated features that were necessary for manufacturing but insignificant from an analysis perspective from the analysed model, which improved the efficiency of the calculation.
In order to determine the displacements, stresses and natural frequencies, finite element analysis was performed for several structural configurations of the robotic welding portal. The results showed that several lightweight structural options meet the serviceability limit state specification. The modal analysis results show that the height of the portal leg and the depth of the main support beam have the most significant effect on the lowest natural frequencies of the structure. There were slight discrepancies between the measurements taken from the actual portal and the finite element analysis results, but overall, the results were in line, which increased the reliability of the analysis results.
Overall, the results showed that the parametric model and the resulting finite element analysis provide a practical and efficient way to evaluate early design choices. Tämä opinnäytetyö esittelee robottihitsausportaalin parametrisen 3D-mallin mallintamisen, sekä siitä johdetun elementtimenetelmäanalyysin. Työn tarkoituksena on mahdollistaa eri rakennevaihtoehtojen vertailu suunnittelun alkuvaiheissa nopeilla parametrimuutoksilla.
Mallinnusstrategiaksi valittiin middle-out-tyyppinen menetelmä, koska tuote koostui sekä vakio-osista, että parametriohjatuista rakenteista. Parametrien tarkoituksena oli hallita portaalin päämittoja ja tiettyjä materiaalipaksuuksia. Tämä mahdollisti rakennevaihtoehtojen ketterän vertailun analyysiympäristössä. Portaalin 3D mallista muodostettiin sekä valmistuksessa, että analyysissa tarvittavat konfiguraatiot. Tämä poisti analyysimallista valmistuksen kannalta välttämättömät, mutta analyysin kannalta merkityksettömät piirteet, mikä paransi laskennan tehokkuutta.
Siirtymien, jännitysten ja ominaistaajuuksien määrittämiseksi suoritettiin elementtimenetelmäanalyysi useille robottihitsausportaalin rakennekonfiguraatioille. Tulokset osoittivat, että useat kevennetyt rakennevaihtoehdot täyttävät käyttörajatilan määrityksen. Modaalianalyysin tulokset osoittavat, että portaalin jalan korkeudella ja pääkannatinpalkin syvyydellä on merkittävimmät vaikutukset rakenteen alimpiin ominaistaajuuksiin. Varsinaisesta portaalista tehtyjen mittausten ja elementtimenetelmäanalyysin tulosten välillä oli pieniä eroja, mutta kokonaisuudessaan tulokset olivat linjassa, joka vahvistaa analyysin tulosten luotettavuutta.
Kaiken kaikkiaan tulokset osoittivat, että parametrinen malli ja siitä johdettu elementtimenetelmäanalyysi tarjoavat käytännöllisen ja tehokkaan tavan arvioida varhaisia suunnitteluvalintoja.
A middle-out type of modelling strategy was selected because the product consisted of both standard parts and parameter-controlled structures. The parameters were intended to control the main dimensions of the portal and certain material thicknesses. This enabled agile comparison of structural options in the finite element analysis environment. The necessary configurations for both manufacturing and analysis were created from the 3D model of the portal. This eliminated features that were necessary for manufacturing but insignificant from an analysis perspective from the analysed model, which improved the efficiency of the calculation.
In order to determine the displacements, stresses and natural frequencies, finite element analysis was performed for several structural configurations of the robotic welding portal. The results showed that several lightweight structural options meet the serviceability limit state specification. The modal analysis results show that the height of the portal leg and the depth of the main support beam have the most significant effect on the lowest natural frequencies of the structure. There were slight discrepancies between the measurements taken from the actual portal and the finite element analysis results, but overall, the results were in line, which increased the reliability of the analysis results.
Overall, the results showed that the parametric model and the resulting finite element analysis provide a practical and efficient way to evaluate early design choices.
Mallinnusstrategiaksi valittiin middle-out-tyyppinen menetelmä, koska tuote koostui sekä vakio-osista, että parametriohjatuista rakenteista. Parametrien tarkoituksena oli hallita portaalin päämittoja ja tiettyjä materiaalipaksuuksia. Tämä mahdollisti rakennevaihtoehtojen ketterän vertailun analyysiympäristössä. Portaalin 3D mallista muodostettiin sekä valmistuksessa, että analyysissa tarvittavat konfiguraatiot. Tämä poisti analyysimallista valmistuksen kannalta välttämättömät, mutta analyysin kannalta merkityksettömät piirteet, mikä paransi laskennan tehokkuutta.
Siirtymien, jännitysten ja ominaistaajuuksien määrittämiseksi suoritettiin elementtimenetelmäanalyysi useille robottihitsausportaalin rakennekonfiguraatioille. Tulokset osoittivat, että useat kevennetyt rakennevaihtoehdot täyttävät käyttörajatilan määrityksen. Modaalianalyysin tulokset osoittavat, että portaalin jalan korkeudella ja pääkannatinpalkin syvyydellä on merkittävimmät vaikutukset rakenteen alimpiin ominaistaajuuksiin. Varsinaisesta portaalista tehtyjen mittausten ja elementtimenetelmäanalyysin tulosten välillä oli pieniä eroja, mutta kokonaisuudessaan tulokset olivat linjassa, joka vahvistaa analyysin tulosten luotettavuutta.
Kaiken kaikkiaan tulokset osoittivat, että parametrinen malli ja siitä johdettu elementtimenetelmäanalyysi tarjoavat käytännöllisen ja tehokkaan tavan arvioida varhaisia suunnitteluvalintoja.