Drift av Collaborative kompositt Manufacturing (CCM) system

Summary

Et samarbeid sammensatt produksjonssystem er utviklet for Robotic lay-up av kompositt laminat ved hjelp av prepreg tape. Den foreslåtte systemet tillater produksjon av kompositt laminat med høye nivåer av geometrisk kompleksitet. Problemene i banen planlegging, koordinering av roboter og kontroll er adressert i den foreslåtte metoden.

Abstract

Den automatiserte tapen plassering og automatisert fiber plassering (AFP) maskiner gir et tryggere arbeidsmiljø og redusere arbeidskraft intensiteten av arbeidstakere enn den tradisjonelle manuelle fiber plassering gjør. Dermed blir produksjons nøyaktigheten, repeterbarheten og effektiviteten i sammensatt produksjon betydelig forbedret. Imidlertid kan dagens AFP-systemer bare produsere kompositt komponenter med store åpne overflaten eller enkle revolusjon deler, som ikke kan møte den økende interessen for små komplekse eller lukkede strukturer fra industrien.

I denne forskningen, ved å ansette en 1-grad av frihet (DoF) rotasjons fase, en 6-RSS parallell robot, og en 6-DoF seriell robot, fingerferdighet av AFP-systemet kan bli betydelig forbedret for fremstilling komplekse kompositt deler. Rotasjons fasen montert på parallell roboten er benyttet for å holde mandrel og serie roboten bærer plasseringen hodet å etterligne to menneskelige hender som har nok fingerferdighet til å legge fiber til mandrel med komplekse kontur.

Selv om CCM systemet øker fleksibiliteten i kompositt produksjon, er det ganske tidkrevende eller umulig å generere gjennomførbare off-line banen, som sikrer ensartet lay-up av påfølgende fibre vurderer begrensningene som singulariteter, kollisjoner mellom fiber plassering hodet og mandrel, glatt fiberretning endring og holde fiber plassering hodet langs normen av delens overflate, etc. Videre, på grunn av eksisterende posisjonering feil av robotene, er on-line banen korreksjon nødvendig. Derfor er on-line positur korreksjon algoritme foreslått å korrigere banene til både parallelle og serielle roboter, og å holde den relative banen mellom de to robotene uendret gjennom visuell tilbakemelding når begrensningen eller singularitet problemer i ikke-linjers bane planlegging forekomme. De eksperimentelle resultatene demonstrerer det utformede CCM-systemet kan oppfylle bevegelsen som trengs for å produsere en sammensatt struktur med Y-form.

Introduction

Nylig har det økende behovet for høy ytelse kompositt strukturer i ulike bransjer i stor grad drevet utviklingen av kompositt produksjonsteknologi^1,2. Den tradisjonelle manuelle produksjonen kan ikke møte den høye effektiviteten, nøyaktigheten og kvaliteten kravet til nye industrien. Dette aspektet har oppmuntret til utvikling av nye produksjonsteknologier som AFP-systemer. Den AFP-teknologi automatiserer produksjonen av kompositt materiale strukturer ved hjelp av prepregs, som er til stede i form av strimler bestående av impregnert fiber kassetter (glass, karbon, etc.) av semi-polymerisert harpiks. I AFP-systemet, et deponering hode med evne til oppvarming og komprimering av harpiks prepregs er montert på en fiber plassering maskin eller en industriell robot. Den fiber plassering maskin eller robot bærer deponering hodet legger opp prepregs traversering overflaten av verktøy spindler. I prosessen med produksjon, er verktøy mandrel brukes som en mold å bli såret rundt av prepregs å danne en viss struktur av kompositt del. Mandrel vil bli fjernet etter at delen er kurert. Den nåværende AFP systemer kan betydelig forbedre effektiviteten og kvaliteten på produksjonen av kompositt materialer^3,4,5. Men de er begrenset til produksjon av åpne overflater presentere en flat eller profilert overflate, eller enkle revolusjon deler som sylindere eller kjegler på grunn av utilstrekkelig DoF av systemet og vanskelighetene med å generere baner. Spesielt er det luftfarts industri og produksjon næringer av sportsutstyr nå interessert i denne teknikken for produksjon av strukturer med mer kompleks geometri, som “Y” rør eller strukturer forming lukkede løkker som sykkel rammer.

For å kunne produsere strukturene med kompleks geometri, bør fleksibiliteten til AFP-systemet forbedres. For eksempel, en 8 DoF AFP-systemet har blitt foreslått⁶ ved å legge en lineær spor til en 6 DoF industriell robot og en roterende scene til mandrel holde plattformen. Systemet er imidlertid fortsatt ikke egnet for produksjon av delene nevnt ovenfor med kompleks geometri. Samarbeidende robot system bestående av to roboter er en lovende løsning for å øke fingerferdighet ved å bruke en robot til å holde fiber plassering hodet på slutten-effektor og en annen robot til å holde mandrel. De to-seriell-robot samarbeids system kan ikke løse fiber plassering problemet, siden seriell roboter har en tendens til å deformere og mister nøyaktigheten på grunn av sin cantilever struktur, med tanke på vekten av mandrel og komprimerings kraft⁷. Sammenlignet med den serielle roboter, 6 DoF parallelle roboter, som har blitt benyttet i flysimulatoren og medisinsk verktøy, nyte bedre stivhet og nøyaktighet⁸. Derfor er en parallell-seriell samarbeidende robot system, i tillegg til en roterende etappe montert på plattformen av parallell robot, bygget for håndtering av komplekse strukturer produksjon i dette papiret.

Men den innebygde samarbeidende Robotic systemet gir vanskeligheter med å designe kontrolleren for hver robot til å møte den høye nøyaktigheten kravet om fiber plassering. Nøyaktig posisjon måling av slutt effektor kan oppnås ved hjelp av laser tracking system, som vanligvis brukes til å veilede den industrielle roboten i ulike romfart boring søknader^9,10. Selv om laser tracking system kan gi høy nøyaktig posisjon måling, de viktigste ulempene ligger i kostnadene for systemet og okklusjon problemet. Lasersporing systemet er dyrt, for eksempel en kommersiell laser tracker og tilbehør koste opp til USD 90000, og laserstrålen er lett okkludert under bevegelsen av robotene. En annen lovende løsning er visjonen målesystem, som kan gi 6D utgjøre måling av slutt effektor med en betydelig nøyaktighet til en lav kostnad. Positur er referert til som en kombinasjon av 3D-posisjon og 3D orientering av ende-effektor med hensyn til basen rammen av roboten. Den optiske CMM (se tabell over materialer) er en dobbel kamerabasert visuell sensor. Ved å observere flere reflektor mål festet på slutten-effekt Orer av de to robotene, den relative positurer mellom robotene kan måles i sanntid. Den optiske CMM har blitt brukt på robot kalibrering¹¹ og dynamisk bane sporing¹² og dermed er innført for å gi tilbakemelding måling til lukket-loop kontrollsystemer av den foreslåtte CCM system i denne studien.

Kvaliteten på slutt sammensatt produkt er i stor grad avhengig av hvordan den opprinnelige fiber banen er generert for AFP^13,14. Banen generasjon prosessen er normalt utføres ved hjelp av off-line programmering programvare. Den genererte banen består av en rekke tag punkter på mandrel, som indikerer positur av fiber plassering hodet. I motsetning til andre bane planlegging programmer som maling deponering, polering eller maskinering, der ulike typer dekning stier er mulig, valget er begrenset i tilfelle av AFP, siden fiber er kontinuerlig og det er ikke mulig å utføre brå endringer i retning (skarpe hjørner) uten å skade den og plasseringen hodet bør holdes i normen av overflaten av delene. Den første utviklingen av banen generasjon teknikk for AFP har vært konsentrert om produksjon av store flatskjermer⁵ før du går mot produksjon av objekter av 3D-figurer som åpne buede overflater eller kjegler^{5, 14}. men, ingen praktisk metode er utviklet for å generere off-line banen for delene med kompleks geometri som Y-form eller de andre figurene. Derfor er en effektiv bane planlegging algoritme for delene med kompleks-profilerte overflater designet for å sikre ensartet lay-up av påfølgende fibre uten hull eller overlappinger i vår forrige forskning¹⁵. Tatt i betraktning den praktiske og effektiviteten av banen genererer algoritme, bare 6-DoF seriell robot med plassering hodet og 1-DoF roterende scenen som mandrel holderen anses som målsystemet for å finne den optimale banen planlegging i felles plass med minimum tid kriterier. Det kan være for komplisert og tidkrevende å generere off-line banen for hele 13 DoF CCM system på grunn av den tunge kinematikk beregning og hensynet til ulike begrensninger som singulariteter, kollisjoner, jevn retning endring og holde plasseringen hodet i normen av deler overflaten, etc.

Den foreslåtte off-line bane planlegging kan generere servo referanse for 6 DoF seriell robot og rotasjons trinn henholdsvis med eksakt timing. Selv med denne off-line bane planlegging, kan det være umulig å generere en gjennomførbar bane under alle begrensningene for visse geometri deler. Videre posisjonering feil av robotene kan føre til at robotene til å kollidere med mandrel eller en annen enhet i arbeidsmiljøet. On-line bane modifikasjon implementeres basert på den visuelle tilbakemeldingen fra den optiske CMM. Derfor er on-line positur korreksjon algoritme foreslås å korrigere banen til parallell robot og å tune en tilsvarende forskyvning på banen til den serielle roboten samtidig gjennom visuell tilbakemelding. Når kollisjonen og andre begrensninger blir oppdaget, den relative positur mellom de to robotene er også holdt uendret mens du følger off-line generert banen. Gjennom korreksjon av on-line banen, CCM systemet kan unngå disse punktene jevnt uten oppsigelse. På grunn av fleksibiliteten til parallell roboten, kan 6D korreksjon forskyvninger genereres med hensyn til ulike begrensninger. Dette manuskriptet presenterer en detaljert operasjonsprosedyre av CCM-systemet ved hjelp av on-line positur korreksjon algoritme.

Protocol

1. ramme definisjoner av CCM-systemet Merk: den optiske CMM er en dobbel kamera sensor, som kan spore objektet med et stivt sett med reflekser som mål i sanntid. Plasserings prinsippet for disse målene er at målene sitter fast på de asymmetriske stedene med en viss avstand mellom dem. Målene må festes på robotene eller plassering hodet og forbli i synsfeltet (FOV) av den optiske CMM. Minst fire mål bør observeres for hver definert ramme av den optiske CMM hele tiden. Base RAM men til pa…

Representative Results

Eksperimentet tar sikte på å demonstrere prosessen med å realisere bevegelse for å legge opp fiber på Y-formen mandrel av det foreslåtte CCM systemet. Prosessen utføres i tre trinn: bane generering; bane nedbryting; og singularitet og begrensning unngåelse. Generering av baneNormalt brukes standard orientering i industrien for å definere forskjellige lag av laminatet. I dette papiret bør orienterin…

Discussion

De eksperimentelle resultatene viser produksjonsprosessen av 90 °-Ply plasserings vinkler av det utformede CCM-systemet. De metoder som foreslås i dette papiret kan brukes til å legge opp fiber med 0 ° og 45 ° Ply plasserings vinkler på mandrel med Y-form og andre former. Mens den innebygde kontrolleren av den serielle roboten er i stand til å gi singularitet unngåelse funksjonen¹⁷, bare lineær bevegelse av slutt-effektor støttes. Når slutt effektor utfører oppgaven med sirkelen bevege…

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