협업 복합제조(CCM) 시스템 운영

Summary

prepreg 테이프를 사용하여 복합 라미네이트의 로봇 레이업을 위해 협업 복합 제조 시스템이 개발되었습니다. 제안 된 시스템은 기하학적 복잡성의 높은 수준의 복합 라미네이트의 생산을 할 수 있습니다. 경로 계획, 로봇 조정 및 제어의 문제는 제안 된 방법으로 해결됩니다.

Abstract

자동 테이프 배치와 자동 섬유 배치(AFP) 기계는 기존의 수동 섬유 배치보다 더 안전한 작업 환경을 제공하고 작업자의 노동 강도를 줄입니다. 따라서 복합 소재 제조의 생산 정확도, 반복성 및 효율성이 크게 향상됩니다. 그러나 현재의 AFP 시스템은 큰 개방표면 또는 단순한 회전 부품이 있는 복합 부품만 생산할 수 있으며, 이는 산업에서 발생하는 소규모 복합 또는 폐쇄 구조에 대한 증가하는 관심을 충족시킬 수 없습니다.

이 연구에서는 1도(DoF) 회전 스테이지, 6-RSS 병렬 로봇 및 6-DoF 직렬 로봇을 채택하여 복잡한 복합 부품을 제조할 때 AFP 시스템의 손재도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 병렬 로봇에 장착된 회전 스테이지는 맨드렐을 고정하는 데 활용되며 직렬 로봇은 복잡한 윤곽을 가진 맨드렐에 섬유를 배치하기에 충분한 손재주가 있는 두 사람의 손을 모방하기 위해 배치 헤드를 운반합니다.

CCM 시스템은 복합 재료 제조의 유연성을 증가시킵니다, 그것은 매우 시간이 많이 걸리거나 같은 제약을 고려하여 후속 섬유의 균일 한 레이업을 보장 가능한 오프라인 경로를 생성하는 것은 불가능 특이점, 섬유 배치 헤드와 맨드렐 사이의 충돌, 매끄러운 섬유 방향 변경 및 부품 표면의 규범을 따라 섬유 배치 헤드 유지 등 또한, 로봇의 기존 위치 오류로 인해 온라인 경로 보정이 필요합니다. 따라서, 온라인 포즈 보정 알고리즘은 병렬 및 직렬 로봇의 경로를 보정하고, 두 로봇 사이의 상대 경로를 시각적 피드백을 통해 변경되지 않고 유지하도록 제안되어 제약 조건 또는 특이성 문제가 발생할 때 오프라인 경로 계획이 수행됩니다. 실험 결과는 설계된CCM 시스템이 Y-shape를 이어 복합 구조를 제조하는 데 필요한 이동을 충족시킬 수 있음을 입증한다.

Introduction

최근, 다양한 산업에서 고성능 복합구조에 대한 필요성이 증가함에 따라 복합제조기술의 발전을 크게 주도하고 있다^1,2. 기존의 수동 생산은 신흥 산업의 높은 효율성, 정확성 및 품질 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 이러한 측면은 AFP 시스템과 같은 새로운 생산 기술의 개발을 장려했다. AFP 기술은 반 중합 수지의 함침 섬유 테이프 (유리, 탄소 등)로 구성된 스트립 형태로 존재하는 prepregs를 사용하여 복합 재료 구조의 생산을 자동화합니다. AFP 시스템에서는 수지 프리프레그(prepregs)를 가열하고 압축하는 기능을 갖춘 증착 헤드가 섬유 배치 기계 또는 산업용 로봇에 장착됩니다. 증착 헤드를 운반하는 섬유 배치 기계 또는 로봇은 툴링 맨드렐의 표면을 통과하는 프레프리그(prepregs)를 낳습니다. 제조 과정에서, 툴링 맨드렐은 복합 부품의 특정 구조를 형성하기 위해 프레그저에 의해 감겨질 금형으로 사용됩니다. 맨드렐은 부품이 경화된 후 제거됩니다. 현재 AFP 시스템은 크게 복합 재료 의 생산의 효율성과 품질을 향상시킬 수^{있습니다 3,4,5.} 그러나, 이들은 시스템의 DoF 부족 및 궤적 생성의 어려움으로 인해 평평하거나 윤곽이 있는 표면, 또는 실린더 나 원콘과 같은 단순한 회전 부품을 제시하는 개방 표면의 생산에 제한된다. 특히, 항공 우주 산업과 스포츠 장비의 생산 산업은 이제 “Y”튜브 또는 자전거 프레임과 같은 폐쇄 루프를 형성하는 구조와 같은 보다 복잡한 기하학을 가진 구조물의 생산을위한이 기술에 관심이 있습니다.

복잡한 형상으로 구조물을 제조하려면 AFP 시스템의 유연성이 향상되어야 합니다. 예를 들어, 8DoF AFP 시스템은 6DoF 산업용 로봇에 선형 트랙을 추가하고 맨드렐 홀딩 플랫폼에 회전 스테이지를 추가하여^6을 제안했습니다. 그러나 시스템은 여전히 복잡한 형상으로 위에서 언급 한 부품을 제조하기에 적합하지 않습니다. 두 대의 로봇으로 구성된 협업 로봇 시스템은 엔드 이펙터에 섬유 배치 헤드를 고정하는 로봇 1대와 맨드렐을 고정하는 또 다른 로봇을 사용하여 손재주를 높이는 유망한 솔루션입니다. 이 2-직렬 로봇 협업 시스템은 맨드릴의 무게와 다짐력^7을고려하여 직렬 로봇이 캔틸레버 구조로 인해 변형되고 정확도를 잃는 경향이 있기 때문에 섬유 배치 문제를 해결하지 못할 수 있습니다. 직렬 로봇과 비교하여 비행 시뮬레이터 및 의료 도구에 활용된 6 개의 DoF 병렬 로봇은 더 나은 강성과 정확도를 즐길^{수 있습니다 8.} 따라서, 병렬 로봇의 플랫폼에 장착된 회전 스테이지에 추가로 병렬 직렬 협업 로봇 시스템은 이 백서에서 제조되는 복잡한 구조물을 처리하기 위해 제작된다.

그러나, 내장 된 협업 로봇 시스템은 섬유 배치의 높은 정확도 요구 사항을 충족하기 위해 각 로봇에 대한 컨트롤러를 설계하는 데 어려움을 산출합니다. 엔드 이펙터의 정확한 위치 측정은 일반적으로 다양한 항공 우주 드릴링 응용 분야에서 산업 용 로봇을 안내하는 데 사용되는 레이저 추적 시스템을 사용하여 달성 할 수있다^9,10. 레이저 추적 시스템은 높은 정확한 위치 측정을 제공할 수 있지만, 주요 단점은 시스템 비용과 폐색 문제에 있습니다. 레이저 추적 시스템은 상업용 레이저 트래커와 액세서리비용이 최대 미화 90,000달러에 들며, 로봇의 이동 중에 레이저 빔이 쉽게 가려지게 됩니다. 또 다른 유망한 솔루션은 저렴한 비용으로 상당한 정확도로 최종 이펙터의 6D 포즈 측정을 제공할 수 있는 비전 측정 시스템입니다. 포즈는 로봇의 기본 프레임에 대하여 최종 이펙터의 3D 위치 및 3D 방향의 조합이라고 한다. 광학 CMM(재료 표참조)은 듀얼 카메라 기반 시각적 센서입니다. 두 로봇의 최종 이펙터에 부착된 여러 반사판 표적을 관찰함으로써 로봇 간의 상대적인 포즈를 실시간으로 측정할 수 있습니다. 광학 CMM은 로봇^교정(11) 및 동적 경로^{추적(12)에} 성공적으로 적용되었으며, 이에 따라 본 연구에서 제안된 CCM 시스템의 폐쇄 루프 제어 시스템에 피드백 측정을 제공하기 위해 도입되었다.

최종 복합 제품의 품질은 AFP^13,14에대해 원래 섬유 경로가 어떻게 생성되는지에 크게 의존한다. 경로 생성 프로세스는 일반적으로 오프라인 프로그래밍 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다. 생성된 경로는 맨드렐의 일련의 태그 점으로 구성되며, 이는 섬유 배치 헤드의 포즈를 나타냅니다. 페인트 증착, 연마 또는 가공과 같은 다른 궤도 계획 응용 프로그램과 달리 다양한 유형의 커버리지 경로가 가능한 경우, 섬유가 연속적이고 갑작스러운 수행이 불가능하기 때문에 AFP의 경우 선택이 제한됩니다. 방향(날카로운 모서리)을 손상시키지 않고 배치 헤드를 부품 표면의 규범에 유지해야 합니다. AFP에 대한 탄도 생성 기술의 첫 번째 개발은 오픈 곡면 또는 원엽^5와같은 3D 모양의 객체를 제조하는 쪽으로 이동하기 전에 대형 평면 패널⁵ 제조에 집중되어있다. ¹⁴. 그러나 Y 자형 이나 다른 모양과 같은 복잡한 형상을 가진 부품에 대한 오프라인 경로를 생성하기위한 실용적인 방법론이 개발되지 않았습니다. 따라서, 복잡한 윤곽 표면을 가진 부품에 대한 효과적인 경로 계획 알고리즘은 이전 연구^15에서갭 또는 겹침 없이 후속 섬유의 균일한 레이업을 보장하도록 설계된다. 경로 생성 알고리즘의 실용성과 효율성을 고려하여, 맨드렐 홀더로서의 배치 헤드와 1-DoF 회전 스테이지가 있는 6-DoF 직렬 로봇만이 최적의 궤적 계획을 찾을 수 있는 타겟 시스템으로 간주됩니다. 최소 시간 기준을 가진 조인트 공간. 무거운 운동학 계산과 특이성, 충돌, 부드러운 방향 변경 및 같은 다양한 제약 조건의 고려로 인해 전체 13 DoF CCM 시스템에 대한 오프라인 궤적을 생성하는 것은 너무 복잡하고 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 배치 헤드를 부품 표면 의 규범 에 유지합니다.

제안된 오프라인 궤도 계획은 정확한 타이밍에 따라 6DoF 직렬 로봇과 회전 스테이지에 대한 서보 레퍼런스를 생성할 수 있습니다. 이러한 오프라인 궤적 계획이 있더라도 특정 형상 부품의 모든 구속조건 하에서 실행 가능한 경로를 생성하는 것은 불가능할 수 있습니다. 또한, 로봇의 위치 오류로 인해 로봇이 작업 환경에서 맨드렐 또는 다른 장치와 충돌할 수 있습니다. 온라인 경로 수정은 광학 CMM의 시각적 피드백에 따라 구현됩니다. 따라서 온라인 포즈 보정 알고리즘은 병렬 로봇의 경로를 보정하고 시각적 피드백을 통해 직렬 로봇의 경로에 대응하는 오프셋을 동시에 조정하는 것이 제안된다. 충돌 및 기타 제약 조건이 감지되면 오프라인에서 생성된 경로를 따르는 동안 두 로봇 간의 상대 포즈도 변경되지 않습니다. 온라인 경로의 보정을 통해 CCM 시스템은 종료 없이 이러한 점을 원활하게 방지할 수 있습니다. 병렬 로봇의 유연성으로 인해 다양한 제약 조건에 따라 6D 보정 오프셋을 생성할 수 있습니다. 이 원고는 온라인 포즈 보정 알고리즘을 사용하여 CCM 시스템의 자세한 작업 절차를 제공합니다.

Protocol

1. CCM 시스템의 프레임 정의 참고: 광학 CMM은 이중 카메라 센서로, 경직된 반사판 세트를 대상으로 하여 물체를 실시간으로 추적할 수 있습니다. 이러한 대상의 배치 원칙은 대상이 비대칭 위치에 붙어 있다는 것입니다. 대상은 로봇 이나 배치 헤드에 고정 해야 하 고 광학 CMM의 시야 (FOV)에 남아. 광학 CMM에 의해 정의된 각 프레임에 대해 항상 적어도 4개의 타겟을 관찰해야 한다….

Representative Results

이 실험은 제안된 CCM 시스템의 Y자형 맨드렐에 섬유를 놓는 동작을 실현하는 과정을 입증하는 것을 목표로 합니다. 이 과정은 경로 생성의 세 단계로 수행됩니다. 궤적 분해; 특이점 및 제약 조건 회피. 경로 생성일반적으로 표준 방향은 라미네이트의 상이한 플라이를 정의하기 위해 산업에서 사용됩니다. 이 백…

Discussion

실험 결과는 설계된 CCM 시스템의 90° ply 배치 각도의 제조 공정을 보여줍니다. 이 백서에 제시된 방법론은 Y-Shape 및 기타 모양의 맨드렐에 0° 및 45° 표고 배치 각도로 섬유를 배치하는 데 사용할 수 있습니다. 직렬 로봇의 내장 컨트롤러는 특이점 회피^{기능(17)을}제공할 수 있지만, 최종 이펙터의 선형 이동만 지원된다. 최종 이펙터가 원 이동 작업을 실행하면 피쳐가 작동하지 않?…

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