协同复合制造 （CCM） 系统的操作
Summary
利用预置胶带为复合层压板的机器人铺设开发了一个协作复合制造系统。该系统允许生产具有高几何复杂性的复合层压板。在该方法中讨论了路径规划、机器人协调与控制中的问题。
Abstract
自动化胶带放置和自动光纤放置 （AFP） 机器提供了比传统手动光纤放置更安全的工作环境，并降低了工人的劳动强度。因此，复合材料制造的生产精度、可重复性和效率都得到了显著提高。然而，目前的AFP系统只能生产具有大开放表面或简单旋转部件的复合材料部件，不能满足工业界对小型复杂或封闭结构日益增长的兴趣。
在本研究中，通过采用 1 度自由 （DoF） 旋转级、6-RSS 并行机器人和 6-DoF 串行机器人，可以显著提高 AFP 系统的灵巧性，从而制造复杂的复合部件。安装在平行机器人上的旋转阶段用于握住芯轴，串行机器人携带放置头来模拟两只手，这双手有足够的灵巧性，将纤维放在具有复杂轮廓的芯轴上。
虽然 CCM 系统增加了复合材料制造的灵活性，但生成可行的线下路径非常耗时，甚至是不可能的，这可确保后续光纤均匀铺设，因为各种约束因素奇点、纤维放置头与芯器之间的碰撞、平滑的纤维方向变化以及保持纤维放置头沿零件表面的规范等。此外，由于机器人现有的定位误差，需要在线路径校正。因此，提出了在线姿势校正算法，以校正并行机器人和串行机器人的路径，并在当两个机器人的约束或奇点出现问题时，通过视觉反馈保持两个机器人之间的相对路径不变。进行线下路径规划。实验结果表明，所设计的CCM系统能够满足制造Y型复合结构所需的运动。
Introduction
近年来，各行业对高性能复合材料结构的需求日益增长，极大地推动了复合材料制造技术的发展。传统的手工生产不能满足新兴产业的高效率、高精度和质量要求。这一方面鼓励了新的生产技术，如AFP系统。AFP 技术使用预处理物自动生产复合材料结构，预处理物以半聚合树脂的浸渍纤维胶带（玻璃、碳等）组成的条状形式存在。在 AFP 系统中，一个能够加热和压实树脂预塞的沉积头安装在纤维放置机或工业机器人上。携带沉积头的纤维放置机或机器人将前置物铺在工具芯的表面。在制造过程中，将模具芯勒用作由预处理物缠绕的模具，形成一定的复合部件结构。部分固化后，将拆下芯轴。目前的AFP系统可以显著提高复合材料3、4、5的生产效率和质量。然而，由于系统 DoF 不足和产生轨迹的困难，它们仅限于生产呈现平坦或轮廓表面的开阔表面，或简单的旋转部件（如圆柱体或锥体）。特别是，航空航天工业和运动器材生产行业现在对这项技术感兴趣，用于生产具有更复杂的几何结构的结构，如”Y”管或形成闭环的结构，如自行车车架。
为了能够制造具有复杂几何形状的结构，应提高 AFP 系统的灵活性。例如，通过在 6 DoF 工业机器人中添加线性轨道和在 mandrel 保持平台中添加旋转阶段，提出了 8 DoF AFP 系统6。然而，该系统仍然不适合制造上述具有复杂几何形状的部件。由两个机器人组成的协作机器人系统是提高灵巧性的希望解决方案，它采用一个机器人将纤维放置头在末端效应器上，另一个机器人握住芯轴。双串行机器人协作系统可能无法解决光纤放置问题，因为考虑到悬臂结构，考虑到悬臂的重重和压实力7，串行机器人容易变形，精度下降。与串行机器人相比，在飞行模拟器和医疗工具中应用的6个DoF并行机器人具有较好的刚度和精度8。因此，除了安装在并行机器人平台上的旋转级外，还构建了一个并行串行协作机器人系统，用于处理复杂的结构制造。
然而，构建的协作机器人系统在设计每个机器人的控制器时遇到了困难，无法满足光纤放置的高精度要求。终端效应器的精确位置测量可以通过激光跟踪系统实现，激光跟踪系统通常用于指导工业机器人在各种航空航天钻井应用中应用9、10。虽然激光跟踪系统可以提供高精度的位置测量，但主要缺点是系统成本和遮挡问题。激光跟踪系统价格昂贵，例如，商业激光跟踪仪及其配件的造价高达 90，000 美元，激光束在机器人移动过程中很容易被遮挡。另一个有前途的解决方案是视觉测量系统，该系统能够以较低的成本提供具有相当精度的末端效应器的 6D 姿势测量。姿势称为末端效应器的 3D 位置和 3D 方向与机器人基本框架的组合。光学CMM（见材料表）是一种基于双摄像头的视觉传感器。通过观察两个机器人末端效应器上的多个反射器目标，可以实时测量机器人之间的相对姿势。光学CMM已成功应用于机器人校准11和动态路径跟踪12，从而在研究中为拟建CCM系统的闭环控制系统提供反馈测量。
最终复合材料产品的质量很大程度上取决于原始光纤路径如何为AFP13、14生成。路径生成过程通常使用线下编程软件执行。生成的路径由芯轴上的一系列标记点组成，这些标记点指示光纤放置头的姿势。与其他轨迹规划应用（如喷漆、抛光或加工）不同，在可能采用不同类型的覆盖路径时，对于 AFP 而言，选择有限，因为光纤是连续的，并且不可能执行突然方向（尖角）的变化，不损坏它，放置头应保持在零件表面的规范中。AFP 的轨迹生成技术首次开发集中在制造大型平板5，然后再转向制造 3D 形状的对象，如开放曲面或圆锥体 5， 14.但是，尚未开发用于为具有复杂几何形状（如 Y 形或其他形状）的零件生成线路径的实用方法。因此，在以前的研究中，为具有复杂轮廓表面的零件设计了一个有效的路径规划算法，以确保后续纤维均匀地铺设，没有间隙或重叠。考虑到路径生成算法的实用性和有效性，仅将6-DoF串行机器人作为定位轴支架的放置头和1-DoF旋转级机器人作为目标系统，以找到最佳轨迹规划。具有最小时间条件的联合空间。由于重运动学计算和考虑各种约束，如奇点、碰撞、平滑方向变化和使放置头保持在零件表面的规范中，等等。
建议的线下轨迹规划可分别为6DoF串行机器人和旋转级生成伺服参考，具有精确的时序。即使进行这种线下轨迹规划，在某些几何零件的所有约束下也不可能生成可行的路径。此外，机器人的定位误差可能导致机器人与工作环境中的芯器或其他设备碰撞。基于光学 CMM 的视觉反馈实现在线路径修改。因此，提出了在线姿势校正算法，以校正并行机器人的路径，并通过视觉反馈同时调整串行机器人路径上的相应偏移。当检测到碰撞和其他约束时，两个机器人之间的相对姿势也会保持不变，同时遵循线下生成的路径。通过在线路径的修正，CCM 系统可以平稳地避开这些点，而不会终止任何端接。由于并行机器人的灵活性，可以针对不同的约束生成 6D 校正偏移量。本手稿介绍了使用在线姿势校正算法的 CCM 系统的详细操作过程。
Protocol
Representative Results
Discussion
实验结果表明，所设计的CCM系统具有90°板放置角度的制造工艺。本文提出的方法可用于在带有 Y 形和其他形状的芯子上设置 0° 和 45° 层位置角度的纤维。串行机器人的内置控制器能够提供奇异性避免功能17，但仅支持末端效应器的线性运动。当末端执行器执行圆移动的任务时，要素不起作用，因此无法确保生成的所需线下路径。此外，通过内置控制器功能，也无法解决关节约?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
该项目由加拿大自动化复合材料制造工业研究主席自然科学和工程研究理事会（NSERC）和魁北克省与纳特鲁技术基金会（FRQNT）资助。
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 |
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