Betrieb des Collaborative Composite Manufacturing (CCM) Systems

Summary

Ein kollaboratives Composite-Fertigungssystem wird für die robotische Verlegung von Verbundlaminaten mit dem Prepreg-Band entwickelt. Das vorgeschlagene System ermöglicht die Herstellung von Verbundlaminaten mit hoher geometrischer Komplexität. Die Themen in der Wegeplanung, Koordination der Roboter und Steuerung werden in der vorgeschlagenen Methode behandelt.

Abstract

Die automatisierte Bandplatzierung und die automatisierte nähant-Maschine (AUTOMATED Fiber Placement, AFP) bieten eine sicherere Arbeitsumgebung und reduzieren die Arbeitsintensität der Arbeiter als die herkömmliche manuelle Faserplatzierung. Dadurch werden die Produktionsgenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Effizienz der Verbundwerkstofffertigung deutlich verbessert. Die aktuellen AFP-Systeme können jedoch nur die Verbundkomponenten mit großen offenen Flächen oder einfachen Umdrehungsteilen herstellen, die dem wachsenden Interesse an kleinen komplexen oder geschlossenen Strukturen aus der Industrie nicht gerecht werden können.

In dieser Forschung kann durch den Einsatz einer 1-Grad-Freiheits-Rotationsstufe (DoF), einem 6-RSS-Parallelroboter und einem 6-DoF-Serienroboter die Geschicklichkeit des AFP-Systems für die Herstellung komplexer Verbundteile deutlich verbessert werden. Die Rotationsstufe, die auf dem parallelen Roboter montiert ist, wird verwendet, um den Dorn zu halten und der serielle Roboter trägt den Platzierungskopf, um zwei menschliche Hände zu imitieren, die genug Geschicklichkeit haben, um die Faser mit komplexer Kontur auf den Dorn zu legen.

Obwohl das CCM-System die Flexibilität der Composite-Fertigung erhöht, ist es ziemlich zeitaufwändig oder sogar unmöglich, den machbaren Off-Line-Pfad zu erzeugen, der eine gleichmäßige Verlegung nachfolgender Fasern unter Berücksichtigung der Singularitäten, Kollisionen zwischen Faserplatzierungskopf und Dorn, sanfte Faserrichtung ändern und halten die Faser Platzierung Kopf entlang der Norm des Teils Oberfläche, etc. Darüber hinaus ist aufgrund des bestehenden Positionierungsfehlers der Roboter die Online-Pfadkorrektur erforderlich. Daher wird der Online-Pose-Korrekturalgorithmus vorgeschlagen, um die Pfade von parallelen und seriellen Robotern zu korrigieren und den relativen Pfad zwischen den beiden Robotern durch das visuelle Feedback unverändert zu halten, wenn die Einschränkung oder Singularität Probleme in der Off-Line-Pfadplanung erfolgen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das entworfene CCM-System die Fürdier eine Verbundstruktur mit Y-Formerfüllen kann.

Introduction

In letzter Zeit hat der steigende Bedarf an Hochleistungsverbundstrukturen in verschiedenen Branchen die Entwicklung der Verbundwerkstofffertigungstechnologien^1,2stark vorangetrieben. Die traditionelle manuelle Fertigung kann die hohen Effizienz-, Genauigkeits- und Qualitätsanforderungen der aufstrebenden Industrie nicht erfüllen. Dieser Aspekt hat die Entwicklung neuer Produktionstechnologien wie AFP-Systeme gefördert. Die AFP-Technologie automatisiert die Herstellung von Verbundwerkstoffstrukturen mit Prepregs, die in Form von Streifen aus imprägnierten Faserbändern (Glas, Kohlenstoff usw.) aus halbpolymerisiertem Harz vorhanden sind. Im AFP-System wird ein Abscheidungskopf mit der Fähigkeit, die Harzprepregs zu erwärmen und zu verdichten, auf einer Faserbestückungsmaschine oder einem Industrieroboter montiert. Die Faserplatzierungsmaschine oder der Roboter, der den Abscheidungskopf trägt, legt die Prepregs auf, die die Oberfläche der Werkzeugleiter durchqueren. Bei der Herstellung wird der Werkzeugdorn als Form verwendet, um von den Prepregs gewickelt zu werden, um eine bestimmte Struktur des Verbundteils zu bilden. Der Dorn wird entfernt, nachdem das Teil ausgehärtet wurde. Die aktuellen AFP-Systeme können die Effizienz und Qualität der Herstellung von Verbundwerkstoffen deutlich verbessern^3,4,5. Sie beschränken sich jedoch auf die Herstellung offener Flächen mit einer flachen oder konturierten Oberfläche oder einfache Umdrehungsteile wie Zylinder oder Kegel aufgrund des unzureichenden DoF des Systems und der Schwierigkeiten bei der Erzeugung von Flugbahnen. Vor allem die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Produktionsindustrie von Sportgeräten interessieren sich nun für diese Technik zur Herstellung von Strukturen mit komplexeren Geometrien wie “Y”-Rohren oder den Strukturen, die geschlossene Schleifen bilden, wie z.B. Fahrradrahmen.

Um die Strukturen mit komplexen Geometrien herstellen zu können, sollte die Flexibilität des AFP-Systems verbessert werden. Beispielsweise wurde ein 8 DoF AFP-System⁶ vorgeschlagen, indem einem 6 DoF Industrieroboter eine lineare Spur und der Dornhalteplattform eine Rotationsstufe hinzugefügt wurde. Das System ist jedoch immer noch nicht für die Herstellung der oben genannten Teile mit komplexen Geometrien geeignet. Das kollaborative Robotersystem, das aus zwei Robotern besteht, ist eine vielversprechende Lösung, um die Geschicklichkeit zu erhöhen, indem ein Roboter verwendet wird, um den Faserplatzierungskopf am Endeffektor zu halten, und einen anderen Roboter, um den Dorn zu halten. Das kollaborative System mit zwei seriellen Robotern löst möglicherweise nicht das Problem der Faserplatzierung, da die seriellen Roboter aufgrund ihrer Auslegerstruktur tendenziell verformen und die Genauigkeit verlieren, wenn man das Gewicht des Dorns und die Verdichtungskraft⁷berücksichtigt. Im Vergleich zu den seriellen Robotern genießen 6 DoF-Parallelroboter, die im Flugsimulator und medizinischen Werkzeugen eingesetzt wurden, eine bessere Steifigkeit und Genauigkeit⁸. Daher wird ein parallel-serielles kollaboratives Robotersystem, zusätzlich zu einer Rotationsstufe auf der Plattform des Parallelroboters, für die Handhabung der komplexen Strukturen in diesem Papier gebaut.

Das gebaute kollaborative Robotersystem führt jedoch zu Schwierigkeiten bei der Konstruktion der Steuerung für jeden Roboter, um die hohe Genauigkeit der Faserplatzierung zu erfüllen. Die genaue Positionsmessung des Endeffektors konnte durch lasertracking-System erreicht werden, das häufig verwendet wird, um den Industrieroboter in verschiedenen Luft- und Raumfahrtbohranwendungen^9,10zu führen. Obwohl das Laser-Tracking-System eine hochgenaue Positionsmessung liefern kann, liegen die Hauptnachteile in den Kosten des Systems und dem Okklusionsproblem. Das Laser-Tracking-System ist teuer, z.B. ein kommerzieller Lasertracker und dessen Zubehör kosten bis zu 90.000 US-Dollar, und der Laserstrahl lässt sich während der Bewegung der Roboter leicht verschließen. Eine weitere vielversprechende Lösung ist das Vision-Messsystem, das eine 6D-Pose-Messung des Endeffektors mit erheblicher Genauigkeit zu geringen Kosten ermöglichen kann. Die Pose wird als Kombination der 3D-Position und der 3D-Ausrichtung des Endeffektors in Bezug auf den Grundrahmen des Roboters bezeichnet. Das optische CMM (siehe Tabelle der Materialien) ist ein visueller Sensor mit zwei Kameras. Durch die Beobachtung mehrerer Reflektorziele, die an den Endeffektoren der beiden Roboter befestigt sind, können die relativen Posen zwischen den Robotern in Echtzeit gemessen werden. Das optische KMG wurde erfolgreich auf die Roboterkalibrierung¹¹ und die dynamische Pfadverfolgung¹² angewendet und wird daher eingeführt, um die Rückkopplungsmessung an die Closed-Loop-Steuerungssysteme des vorgeschlagenen CCM-Systems in dieser Studie zu liefern.

Die Qualität des Endverbundprodukts hängt weitgehend davon ab, wie der ursprüngliche Faserpfad für die AFP^13,14erzeugt wird. Der Pfadgenerierungsprozess wird normalerweise mithilfe von Offline-Programmiersoftware durchgeführt. Der erzeugte Pfad besteht aus einer Reihe von Tag-Punkten auf dem Dorn, die die Pose des Faserplatzierungskopfes anzeigen. Im Gegensatz zu anderen Bahnplanungsanwendungen wie Lackabscheidung, Polieren oder Zerspanen, bei denen unterschiedliche Deckungswege möglich sind, ist die Auswahl bei AFP begrenzt, da die Faser kontinuierlich ist und es nicht möglich ist, abrupte Richtungsänderungen (scharfe Ecken), ohne sie zu beschädigen, und der Platzierungskopf sollte in der Norm der Oberfläche der Teile gehalten werden. Die erste Entwicklung der Bahnerzeugungstechnik für AFP konzentrierte sich auf die Herstellung großer Flachplatten^5, bevor sie sich in Richtung der Herstellung der Objekte von 3D-Formen wie offenen gekrümmten Oberflächen oder Kegeln^{5 , 14}. Es wurde jedoch keine praktische Methodik zur Erzeugung von Off-Line-Pfaden für die Teile mit komplexen Geometrien wie Y-Form oder anderen Formen entwickelt. Daher ist ein effektiver Wegeplanungsalgorithmus für die Teile mit komplex konturierten Oberflächen so konzipiert, dass nachfolgende Fasern lücken- oder überlappend in unseren bisherigen Forschungsarbeiten¹⁵gleichmäßig verlegt werden. Unter Berücksichtigung der Praktikabilität und Wirksamkeit des Pfaderzeugungsalgorithmus werden nur der 6-DoF-Serienroboter mit dem Platzierungskopf und der 1-DoF-Rotationsstufe als Dornhalter als Zielsystem betrachtet, um die optimale Flugbahnplanung in gemeinsamen Raum mit minimalen Zeitkriterien. Es könnte aufgrund der schweren Kinematikberechnung und der Berücksichtigung verschiedener Einschränkungen wie Singularitäten, Kollisionen, sanfte Richtungsänderung und den Platzierungskopf in der Norm der Teileoberfläche usw. zu halten.

Die vorgeschlagene Off-Line-Trajektorienplanung kann die Servoreferenz für den seriellen Roboter 6 DoF bzw. die Rotationsstufe mit exaktem Timing generieren. Selbst mit dieser Off-Line-Trajektobahnplanung könnte es unmöglich sein, einen machbaren Pfad unter allen Einschränkungen für bestimmte Geometrieteile zu generieren. Darüber hinaus können die Positionierungsfehler der Roboter dazu führen, dass die Roboter mit dem Dorn oder einem anderen Gerät in der Arbeitsumgebung kollidieren. Die Online-Pfadänderung wird auf Basis des visuellen Feedbacks des optischen KMG implementiert. Daher wird der Online-Posenkorrekturalgorithmus vorgeschlagen, den Weg des parallelen Roboters zu korrigieren und einen entsprechenden Offset auf den Pfad des seriellen Roboters gleichzeitig durch das visuelle Feedback zu stimmen. Wenn die Kollision und andere Einschränkungen erkannt werden, bleibt auch die relative Pose zwischen den beiden Robotern unverändert, während sie dem vom Liniennetz generierten Pfad folgt. Durch die Korrektur des Online-Pfades kann das CCM-System diese Punkte reibungslos und ohne Beendigung vermeiden. Durch die Flexibilität des Parallelroboters können die 6D-Korrekturversätze in Bezug auf unterschiedliche Einschränkungen erzeugt werden. Dieses Manuskript stellt ein detailliertes Arbeitsverfahren des CCM-Systems unter Verwendung eines Online-Posenkorrekturalgorithmus vor.

Protocol

1. Rahmendefinitionen des CCM-Systems HINWEIS: Das optische CMM ist ein Dual-Kamera-Sensor, der das Objekt mit einem starren Satz von Reflektoren als Ziel in Echtzeit verfolgen kann. Das Platzierungsprinzip dieser Ziele besteht darin, dass die Ziele an den asymmetrischen Stellen mit einer gewissen Entfernung zwischen ihnen stecken bleiben. Die Targets müssen an den Robotern oder dem Platzierungskopf befestigt werden und im Sichtfeld (FOV) des optischen KMG verbleiben. Mindestens vier Ziele soll…

Representative Results

Das Experiment zielt darauf ab, den Prozess der Realisierung der Bewegung der Verlegung der Faser auf dem Y-förmigen Dorn des vorgeschlagenen CCM-Systems zu demonstrieren. Der Prozess erfolgt in drei Schritten: Pfadgenerierung; Trajektorie Zersetzung; Und Singularität und Einschränkungsvermeidung. PfadgenerierungNormalerweise wird die Standardausrichtung in der Industrie verwendet, um die verschiedenen La…

Discussion

Die experimentellen Ergebnisse zeigen den Herstellungsprozess von 90° Lagewinkeln des entworfenen CCM-Systems. Die in diesem Papier vorgeschlagenen Methoden können verwendet werden, um die Faser mit 0° und 45° Lagenplatzierungswinkeln auf dem Dorn mit Y-Form und anderen Formen aufzulegen. Während der eingebaute Controller des seriellen Roboters in der Lage ist, die Singularitätsvermeidungsfunktion¹⁷bereitzustellen, wird nur die lineare Bewegung des Endeffektors unterstützt. Wenn der Endeffe…

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