Эксплуатация системы совместного композитного производства (CCM)
Summary
Разработана совместная композитная система производства для роботизированной укладки композитных ламинатов с использованием препредосвой ленты. Предлагаемая система позволяет производство композитных ламинатов с высоким уровнем геометрической сложности. В предлагаемом методе рассматриваются вопросы планирования пути, координации роботов и управления.
Abstract
Автоматизированное размещение ленты и автоматизированное размещение волокна (AFP) машины обеспечивают более безопасную рабочую среду и уменьшить рабочую интенсивность работников, чем традиционные ручного размещения волокна делает. Таким образом, значительно повышается точность производства, повторяемость и эффективность композитного производства. Однако нынешние системы AFP могут производить только композитные компоненты с большой открытой поверхностью или простыми частями революции, которые не могут удовлетворить растущий интерес к небольшим сложным или закрытым структурам промышленности.
В этом исследовании, используя 1-градусную свободу (DoF) вращательной стадии, 6-RSS параллельный робот, и 6-DoF серийный робот, ловкость системы AFP может быть значительно улучшена для производства сложных композитных деталей. Вращательная стадия, установленная на параллельном роботе, используется для удержания мандреля, а серийный робот несет голову размещения, чтобы имитировать две человеческие руки, которые обладают достаточной ловкостью, чтобы заложить волокно к мандрелу со сложным контуром.
Хотя система СКК повышает гибкость композитного производства, это довольно много времени или даже невозможно создать осуществимый автономный путь, который обеспечивает равномерное закладка последующих волокон с учетом ограничений, как сингулярности, столкновения между волокне размещения головы и mandrel, плавное изменение направления волокна и сохранение волокна размещения голову вдоль нормы поверхности детали, и т.д. Кроме того, из-за существующей ошибки позиционирования роботов необходима коррекция он-лайн пути. Таким образом, он-лайн алгоритм коррекции позы предлагается исправить пути как параллельных, так и серийных роботов, и сохранить относительный путь между двумя роботами неизменным через визуальную обратную связь, когда ограничения или сингулярность проблемы в в автономном режиме происходит планирование. Экспериментальные результаты показывают, что разработанная система СКК может выполнить движение, необходимое для изготовления композитной конструкции с Y-формой.
Introduction
В последнее время растущая потребность в высокопроизводительных композитных структурах в различных отраслях промышленности в значительной степени способствовала развитию композитных производственных технологий1,2. Традиционное ручное производство не может отвечать требованиям высокой эффективности, точности и качества развивающихся отраслей. Этот аспект способствовал разработке новых производственных технологий, таких, как системы АФП. Технология AFP автоматизирует производство композитных материальных структур с использованием препрегов, которые присутствуют в виде полосок, состоящих из пропитанных волоконных лент (стекло, углерод и т.д.) полуполимеризованной мели. В системе AFP, осаждение голову с возможностью отопления и уплотнения препрегоны сготавли на волоконно-оптической машины размещения или промышленного робота. Машина размещения волокна или робот нося головку осаждения кладет вверх prepregs пересекая поверхность mandrels инструмента. В процессе изготовления, инструментальный мандрель используется в качестве плесени, чтобы быть раны вокруг prepregs сформировать определенную структуру композитной части. Мандрель будет удалена после того, как часть вылечена. Современные системы AFP могут значительно повысить эффективность и качество производства композитных материалов3,4,5. Тем не менее, они ограничиваются производством открытых поверхностей, представляющих плоскую или контурную поверхность, или простых частей революции, таких как цилиндры или конусы из-за недостаточного DoF системы и трудности в генерации траекторий. В частности, аэрокосмическая промышленность и производство спортивного оборудования теперь заинтересованы в этой технике для производства конструкций с более сложной геометрией, таких как трубки “Y” или конструкции, образующие замкнутые петли, такие как велосипедные рамы.
Чтобы иметь возможность производить конструкции со сложной геометрией, гибкость системы AFP должна быть улучшена. Например, система 8 DoF AFP была предложена6 путем добавления линейной дорожки к 6 DoF промышленного робота и вращательной стадии к платформе холдинга mandrel. Однако система по-прежнему не подходит для изготовления вышеупомянутых деталей со сложной геометрией. Совместная роботизированная система, состоящая из двух роботов, является перспективным решением для повышения ловкости, используя одного робота для удержания головы размещения волокна на конечном-эффекторе и другого робота для удержания мандрия. Двухсерийный робот совместной системы не может решить проблему размещения волокна, так как серийные роботы, как правило, деформировать и терять точность из-за его кантилевер структуры, учитывая вес mandrel и уплотнения силы7. По сравнению с серийными роботами, 6 параллельных роботов DoF, которые были использованы в симуляторе полета и медицинских инструментов, пользуются лучшей жесткостью и точностью8. Поэтому для обработки сложных конструкций, изготавливающих в этой бумаге, строится параллельно-серийная система совместного робота, в дополнение к вращающейся стадии, установленной на платформе параллельного робота.
Тем не менее, построенная совместная роботизированная система дает трудности в проектировании контроллера для каждого робота для удовлетворения высокой точности требования размещения волокна. Точное измерение положения конечного эффектора может быть достигнуто с помощью лазерной системы слежения, которая обычно используется для руководства промышленного робота в различных аэрокосмических приложений бурения9,10. Хотя система лазерного слежения может обеспечить высокое точное измерение положения, основные недостатки заключаются в стоимости системы и проблеме окклюзии. Лазерная система слежения стоит дорого, например, коммерческий лазерный трекер и его аксессуары стоят до 90 000 долларов США, а лазерный луч легко окклюзии во время движения роботов. Другим перспективным решением является система измерения зрения, которая может обеспечить 6D-измерение позы конечного эффектора со значительной точностью при низкой стоимости. Поза называется сочетанием 3D-позиции и 3D-ориентации конечного эффектора по отношению к базовой раме робота. Оптический CMM (см. Таблица материалов) является двойной камеры на основе визуального датчика. Наблюдая несколько целей отражателя, прикрепленных на конечных эффекторах двух роботов, относительные позы между роботами могут быть измерены в режиме реального времени. Оптический CMM был успешно применен к роботизированной калибровке11 и динамическому отслеживанию пути12 и, таким образом, вводится для обеспечения измерения обратной связи с системами управления замкнутым циклом предлагаемой системы СКК в данном исследовании.
Качество конечного композитного продукта во многом зависит от того, как исходный путь волокна генерируется для AFP13,14. Процесс генерации путей обычно выполняется с помощью программного обеспечения для программирования в автономном режиме. Сгенерированный путь состоит из ряда точек тегов на мандреле, которые указывают на позу головы размещения волокна. В отличие от других приложений планирования траектории, таких как осаждение краски, полировка или обработка, где возможны различные типы путей покрытия, выбор ограничен в случае AFP, так как волокно непрерывно и невозможно выполнить резкий изменения в направлении (острые углы) без повреждения его и размещения головы должны быть сохранены в норме поверхности частей. Первое развитие метода генерации траектории для AFP было сосредоточено на производстве больших плоских панелей5 перед переходом к производству объектов 3D-форм, таких как открытые изогнутые поверхности или конусы5, 14. Но не была разработана практическая методология для создания офлайн-пути для деталей со сложными геометриями, такими как Y-образная форма или другие фигуры. Таким образом, эффективный алгоритм планирования путей для деталей со сложными контурными поверхностями предназначен для обеспечения равномерной укладки последующих волокон без зазоров или перекрытий в нашем предыдущем исследовании15. Учитывая практичность и эффективность алгоритма генерации пути, только 6-DoF серийный робот с головкой размещения и 1-DoF вращательной стадии, как держатель mandrel считаются целевой системой, чтобы найти оптимальное планирование траектории в совместное пространство с минимальными критериями времени. Это может быть слишком сложным и трудоемким для создания автономной траектории для всей 13 DoF CCM системы из-за тяжелых расчета кинематики и рассмотрения различных ограничений, таких как сингулярности, столкновения, плавное изменение направления и сохранение размещения головы в норме поверхности частей и т.д.
Предлагаемое автономное планирование траектории может генерировать сервопривод для серийного робота 6 DoF и этап вращения соответственно с точными сроками. Даже при таком автономном планировании траектории может быть невозможно создать возможный путь при всех ограничениях для определенных частей геометрии. Кроме того, ошибки позиционирования роботов могут привести к тому, что роботы столкнутся с мандрелем или другим устройством в рабочей среде. Он-лайн изменение пути осуществляется на основе визуальной обратной связи от оптического CMM. Поэтому он-лайн алгоритм коррекции позы предлагается скорректировать путь параллельного робота и настроить соответствующее смещение на траекторию серийного робота одновременно с помощью визуальной обратной связи. При обнаружении столкновения и других ограничений относительная поза между двумя роботами также остается неизменной при следовании по автономному сгенерированному пути. Благодаря коррекции он-лайн пути система СКК может избежать этих точек плавно без какого-либо прекращения. Благодаря гибкости параллельного робота, 6D-коррекция смещения могут быть созданы в связи с различными ограничениями. Данная рукопись представляет детальную процедуру работы системы СКК с использованием алгоритма коррекции позе в режиме он-лайн.
Protocol
Representative Results
Discussion
Экспериментальные результаты показывают процесс производства 90 “курс размещения углы разработан нойсистемы СКК. Методологии, предложенные в этой работе, могут быть использованы для укладки волокна с углами размещения на 0 и 45 градусов на мандреле с Y-shape и другими формами. В то время как…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот проект был профинансирован Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC) Канады по промышленным исследованиям кафедры в области автоматизированных композитов производства и Фонды de recherche дю Квебек – Natrue et технологий (ФРЗНТ).
Materials
| AeroBasic | Aerotech | Motion control software | |
| Collaborative Composite Manufacturing (CCM) System | Concordia University | A CCM system is proposed to manufacture more complex composite components which pose high demand for trajectory planning than those by the current AFP system. The system consists of a 6 degree-of-freedom (DOF) serial robot holding the fiber placement head, a 6-DOF revolute-spherical-spherical (RSS) parallel robot on which a 1-DOF mandrel holder is installed and an eye-to-hand optical CMM sensor, i.e. C-track, to detect the poses of both end-effectors of parallel robot and serial robot. | |
| C-track | Creaform Inc. | An eye-to-hand optical CMM sensor | |
| Fanuc M-20iA | Fanuc Inc. | Serial robot | |
| Matlab | MathWorks | A multi-paradigm numerical computing software | |
| Quanser | Quanser Inc. | Providing the engineering lab equipments for teaching and research. | |
| VB | Microsoft | Visual Basic | |
| Vxelements | Creaform Inc. | Software for C-track |
Riferimenti
- Groppe, D. Robots Improve the Quality and Cost-effectiveness of Composite Structures. Industrial Robot: An International Journal. 27 (2), 96-102 (2000).
- Ahrens, M., Mallick, V., Parfrey, K. Robotic Based Thermoplastic Fibre Placement Process. Industrial Robot: An International Journal. 25 (5), 326-330 (1998).
- hirinzadeh, B., Cassidy, G., Oetomo, D., Alici, G., Ang, M. H. Trajectory generation for open-contoured structures in robotic fibre placement. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 23 (4), 380-394 (2007).
- Shirinzadeh, B., Foong, C. W., Tan, B. H. Robotic fibre placement process planning and control. Assembly Automation. 20 (4), 313-320 (2000).
- Shirinzadeh, B., Alici, G., Foong, C. W., Cassidy, G. Fabrication process of open surfaces by robotic fibre placement. Robotics and Computer Integrated Manufacturing. 20 (1), 17-28 (2004).
- Dasgupta, B., Muthyunjaya, T. S. The Stewart platform manipulator: a review. Mechanism and Machine Theory. 35 (1), 15-40 (2000).
- Zhang, X. M., Xie, W. F., Hoa, S. V., Zeng, R. Design and Analysis of Collaborative Automated Fiber Placement Machine. International Journal of Advanced Robotics and Automation. 1 (1), 1-14 (2016).
- Shirinzadeh, B., et al. Laser interferometry-based guidance methodology for high precision positioning of mechanisms and robots. Robotics Computer-Integrated Manufacturing. 26 (1), 74-82 (2010).
- Vincze, M., Prenninger, J. P., Gander, H. A laser tracking system to measure position and orientation of robot end effectors under motion. International Journal of Robotics Research. 13 (4), 305-314 (1994).
- Li, P., Zeng, R., Xie, W., Zhang, X. Relative posture-based kinematic calibration of a 6-RSS parallel robot by optical coordinate measurement machine. International Journal of Advanced Robotic Systems. 15 (2), (2018).
- Shu, T., Gharaaty, S., Xie, W. F., Joubair, A., Bonev, I. Dynamic path tracking of industrial robots with high accuracy using photogrammetry sensor. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 23 (3), 1159-1170 (2018).
- Shirinzadeh, B., Cassidy, G., Oetomo, D., Alici, G., Ang, M. H. Trajectory generation for open-contoured structures in robotic fibre placement. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 23 (4), 380-394 (2007).
- Blom, A. W., Abdalla, M. M., Gürdal, Z. Optimization of course locations in fiber-placed panels for general fiber angle distributions. Composites Science and Technology. 70 (4), 564-570 (2010).
- Hély, C., Birglen, L., Xie, W. F. Feasibility study of robotic fibre placement on intersecting multi-axial revolution surfaces. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 48, 73-79 (2017).
- Zhang, X. M., Xie, W. F., Hoa, S. V. Semi-offline trajectory synchronized algorithm of the cooperative automated fiber placement system. Robotics and Computer–Integrated Manufacturing. 51, 53-62 (2018).
- Robotics America Corporation. FANUC Robotics SYSTEM R-30iB Handling Tool Setup and Operations Manual. Fanuc. , 1686-1692 (2012).
