تشغيل نظام التصنيع المركب التعاوني (CCM)
Summary
يتم تطوير نظام التصنيع المركب التعاوني لوضع الروبوتية من شرائح مركب باستخدام الشريط تقويه. ويسمح النظام المقترح بإنتاج شرائح مركبه ذات مستويات عاليه من التعقيد الهندسي. وتعالج المسائل المتعلقة بتخطيط المسار وتنسيق الروبوتات والمراقبة في الطريقة المقترحة.
Abstract
ان وضع الشريط الألى وآلات وضع ألياف اليه (AFP) توفر بيئة عمل أكثر أمانا وتقلل من كثافة العمالة للعمال مقارنه بالوضع اليدوي التقليدي للألياف. التالي ، فان دقه الإنتاج ، والتكرار وكفاءه التصنيع المركب تحسنت بشكل كبير. ومع ذلك ، فان أنظمه AFP الحالية لا يمكن ان تنتج الا المكونات المركبة مع سطح مفتوح كبير أو أجزاء الثورة بسيطه ، والتي لا يمكن ان تلبي الاهتمام المتزايد في الهياكل الصغيرة المعقدة أو المغلقة من الصناعة.
في هذا البحث ، من خلال توظيف 1 درجه من الحرية (شعبه النهوض بالشعبة) التناوب المرحلة ، والروبوت الموازي 6-RSS ، والروبوت التسلسلي 6-الدائرة العامة ، والبراعة من نظام وكاله فرانس برس يمكن ان تتحسن بشكل كبير لتصنيع أجزاء مركبه معقده. وتستخدم مرحله التناوب التي شنت علي الروبوت موازيه لعقد المغزل والروبوت التسلسلي يحمل رئيس التنسيب لتقليد اثنين من الأيدي البشرية التي لديها ما يكفي من البراعة لوضع ألياف إلى المغزل مع كفاف معقده.
وعلي الرغم من ان نظام CCM يزيد من مرونة التصنيع المركب ، فانه يستهلك وقتا طويلا أو حتى من المستحيل توليد المسار المجدي خارج الخط ، والذي يضمن الوضع الموحد للألياف اللاحقة بالنظر إلى القيود مثل تفردات ، والاصطدامات بين رئيس وضع ألياف والمغزل ، والسلس اتجاه ألياف التغيير والحفاظ علي راس ألياف وضع علي طول القاعدة من سطح الجزء ، الخ. وعلاوة علي ذلك ، ونظرا للخطا الحالي لتحديد المواقع من الروبوتات ، وهناك حاجه إلى تصحيح المسار علي الإنترنت. ولذلك ، يقترح علي الإنترنت خوارزميه التصحيح يطرح لتصحيح مسارات كل من الروبوتات المتوازية والتسلسلية ، والحفاظ علي المسار النسبي بين الروبوتات اثنين دون تغيير من خلال الملاحظات البصرية عند القيد أو مشاكل التفرد في يحدث تخطيط المسار خارج الخط. وتبين النتائج التجريبية ان نظام CCM المصمم يمكن ان يلبي الحركة اللازمة لتصنيع هيكل مركب بشكل Y.
Introduction
وفي الاونه الاخيره ، فان الحاجة المتزايدة إلى هياكل مركبه عاليه الأداء في مختلف الصناعات قد دفعت إلى حد كبير إلى تطوير تكنولوجيات التصنيع المركبة1و2. الإنتاج اليدوي التقليدي لا يمكن ان تلبي الكفاءة العالية والدقة ومتطلبات الجودة للصناعة الناشئة. وقد شجع هذا الجانب علي تطوير تكنولوجيات إنتاج جديده مثل أنظمه وكاله فرانس برس. تكنولوجيا وكاله فرانس برس باتمته إنتاج هياكل المواد المركبة باستخدام prepregs ، والتي هي موجودة في شكل شرائط تتالف من الاشرطه ألياف المشربة (الزجاج والكربون ، وما إلى ذلك) من الراتنج شبه بلمره. في نظام وكاله فرانس برس ، يتم تركيب راس الترسيب مع قدره التدفئة وضغط التشرب الراتنج علي اله التنسيب ألياف أو الروبوت الصناعي. اله وضع ألياف أو الروبوت تحمل رئيس ترسب يضع ما يصل تشرب التي تعبر سطح الاداات المنشدون. في عمليه التصنيع ، يتم استخدام مغزل الاداات كقالب ليكون الجرح حولها من قبل تشرب لتشكيل بنيه معينه من جزء مركب. ستتم أزاله المغزل بعد الشفاء من الجزء. يمكن للانظمه الحالية لوكالة فرانس برس ان تحسن بشكل كبير من كفاءه ونوعيه إنتاج المواد المركبة3،4،5. ومع ذلك ، فهي تقتصر علي إنتاج الأسطح المفتوحة التي تقدم سطح مستو أو أحيط ، أو أجزاء الثورة بسيطه مثل أسطوانات أو المخاريط بسبب عدم كفاية الدائرة العامة للنظام والصعوبات في توليد المسارات. وعلي وجه الخصوص ، فان صناعه الطيران والصناعات الانتاجيه للمعدات الرياضية مهتمة الآن بهذه التقنية لإنتاج الهياكل ذات الهندسي الأكثر تعقيدا ، مثل أنابيب “Y” أو الهياكل التي تشكل حلقات مغلقه مثل إطارات الدراجات.
وللتمكن من تصنيع الهياكل ذات الهندسي المعقدة ، ينبغي تحسين مرونة نظام وكاله فرانس برس. علي سبيل المثال ، تم اقتراح نظام الدائرة الثامنة لوكالة فرانس برس6 عن طريق أضافه مسار خطي إلى 6 الروبوت الصناعية الدائرة الاقتصادية الخاصة ومرحله التناوب إلى منصة القابضة مغزل. ومع ذلك ، فان النظام لا يزال غير مناسب لتصنيع الأجزاء المذكورة أعلاه مع هندسي المعقدة. نظام الروبوتية التعاونية التي تتكون من اثنين من الروبوتات هو حل واعده لزيادة البراعة من خلال توظيف الروبوت واحد لعقد راس ألياف التنسيب في نهاية المعرض والروبوت آخر لعقد المغزل. النظام التعاوني ثنائي السلسلة-الروبوت قد لا يحل مشكله وضع ألياف ، لان الروبوتات التسلسلية تميل إلى تشوه وتفقد الدقة بسبب هيكلها ناتئ ، بالنظر إلى وزن مغزل وقوه الضغط7. مقارنه مع الروبوتات المسلسل ، 6 الروبوتات الموازية الدائرة العامة ، والتي تم استخدامها في جهاز محاكاة الطيران والاداات الطبية ، والتمتع أفضل صلابة ودقه8. ولذلك ، فان نظام الروبوت التعاوني التسلسلي الموازي ، بالاضافه إلى المرحلة التناوبية المركبة علي منصة الروبوت الموازي ، تم بناؤه للتعامل مع تصنيع الهياكل المعقدة في هذه الورقة.
ومع ذلك ، فان النظام الروبوتي التعاوني المبني يؤدي إلى صعوبات في تصميم وحده التحكم لكل روبوت لتلبيه متطلبات الدقة العالية لوضع ألياف. يمكن ان يتحقق قياس الموضع الدقيق للجهة النهائية باستخدام نظام التتبع بالليزر ، والذي يستخدم عاده لتوجيه الروبوت الصناعي في مختلف تطبيقات الحفر الفضائية9،10. علي الرغم من ان نظام تتبع الليزر يمكن ان توفر عاليه قياس موقف دقيقه ، والعيوب الرئيسية تكمن في تكلفه النظام ومشكله انسداد. نظام التتبع بالليزر مكلف ، علي سبيل المثال ، تعقب ليزر تجاري وملحقاته تكلف ما يصل إلى 90000 دولار أمريكي ، وشعاع الليزر هو مسدود بسهوله خلال حركه الروبوتات. ومن الحلول الواعدة الأخرى نظام قياس الرؤية ، الذي يمكن ان يوفر قياسا بالابعاد 6D للمستجيب النهائي بدقه كبيره بتكلفه منخفضه. ويشار إلى تشكل الجمع بين موقف 3D والتوجه 3D للجهة النهائية فيما يتعلق بالإطار الأساسي للروبوت. و CMM البصرية (انظر جدول المواد) هو جهاز استشعار البصرية المستندة إلى كاميرا مزدوجة. من خلال مراقبه العديد من الأهداف العاكسة المرفقة علي القاذفات نهاية اثنين من الروبوتات ، والنسبية يطرح بين الروبوتات يمكن قياسها في الوقت الحقيقي. وقد تم تطبيق CMM البصرية بنجاح علي المعايرة الروبوتية11 وتتبع المسار الديناميكي12 التالي يتم إدخالها لتوفير قياس التغذية المرتدة لأنظمه التحكم في حلقه مغلقه من نظام CCM المقترح في هذه الدراسة.
تعتمد جوده المنتج المركب النهائي إلى حد كبير علي كيفيه إنشاء مسار ألياف الاصليه لوكالة فرانس برس13،14. يتم تنفيذ عمليه إنشاء مسار عاده باستخدام برامج البرمجة خارج الخط. يتكون المسار الذي تم إنشاؤه من سلسله من نقاط العلامات علي مغزل ، والتي تشير إلى تشكل راس موضع ألياف. وخلافا لغيرها من تطبيقات التخطيط مسار مثل ترسب الطلاء ، وتلميع أو بالقطع ، حيث أنواع مختلفه من مسارات التغطية الممكنة ، واختيار محدود في حاله وكاله فرانس برس ، لان ألياف مستمرة وليس من الممكن لأداء مفاجئ التغييرات في الاتجاه (زوايا حاده) دون الاضرار به وينبغي ان تبقي علي راس التنسيب في القاعدة من سطح الأجزاء. وقد تركز التطوير الأول لتقنية توليد مسار لوكالة فرانس برس علي تصنيع لوحات مسطحه كبيره5 قبل التحرك نحو تصنيع الكائنات من الاشكال 3d مثل الأسطح المنحنية المفتوحة أو المخاريط5، 14-ولكن لم توضع منهجيه عمليه لتوليد مسار غير مباشر للأجزاء ذات الهندسي المعقدة مثل الشكل Y أو الاشكال الأخرى. ولذلك ، تم تصميم خوارزميه التخطيط المسار الفعال للأجزاء مع الأسطح أحيط معقده لضمان وضع موحده من ألياف اللاحقة دون ثغرات أو تداخلات في أبحاثنا السابقة15. بالنظر إلى التطبيق العملي وفعالية خوارزميه توليد المسار ، الا ان الروبوت التسلسلي 6-الدائرة العامة مع رئيس التنسيب والدائرة 1-الدائرة الدوارة كحامل مغزل تعتبر النظام المستهدف للعثور علي التخطيط مسار الأمثل في مساحة مشتركه مع معايير الحد الأدنى من الوقت. يمكن ان تكون معقده للغاية وتستغرق وقتا طويلا لتوليد مسار خارج الخط لكامل 13 دائره الاداره العامة CCM بسبب حساب الجسيمات الثقيلة والنظر في القيود المختلفة مثل تفردات ، والاصطدامات ، والاتجاه السلس تغيير الحفاظ علي رئيس التنسيب في القاعدة من أجزاء السطح ، الخ.
التخطيط المقترح خارج خط المسار يمكن ان تولد المرجع مضاعفات لل 6 الروبوت التسلسلي دائره التحقيقات الخاصة ومرحله التناوب علي التوالي مع توقيت دقيق. وحتى مع هذا التخطيط غير المباشر للمسار ، قد يكون من المستحيل توليد مسار مجد في ظل جميع القيود المفروضة علي بعض أجزاء الهندسة. وعلاوة علي ذلك ، فان أخطاء تحديد المواقع من الروبوتات قد تسبب الروبوتات لتصطدم مع مغزل أو جهاز آخر في بيئة العمل. يتم تنفيذ تعديل المسار علي الإنترنت استنادا إلى الملاحظات المرئية من CMM البصرية. ولذلك يقترح علي الخط خوارزميه التصحيح يطرح لتصحيح مسار الروبوت موازيه وضبط أزاحه المقابلة علي مسار الروبوت التسلسلي في وقت واحد من خلال ردود الفعل البصرية. عندما يتم الكشف عن الاصطدام وغيرها من القيود ، والنسبية تشكل بين الروبوتات اثنين يتم أيضا الاحتفاظ بدون تغيير اثناء اتباع المسار الذي تم إنشاؤه خارج الخط. ومن خلال تصحيح المسار المباشر ، يمكن لنظام CCM تجنب هذه النقاط بسلاسة دون اي إنهاء. ونظرا لمرونة الروبوت الموازي ، يمكن إنشاء أزاحه تصحيح 6D فيما يتعلق بالقيود المختلفة. تقدم هذه المخطوطة اجراء عمليات تفصيليه لنظام CCM باستخدام خوارزميه التصحيح علي الإنترنت.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتظهر النتائج التجريبية عمليه التصنيع الخاصة بزوايا التنسيب التي تبلغ 90 درجه في نظام CCM المصمم. المنهجيات المقترحة في هذه الورقة يمكن استخدامها لوضع ألياف مع 0 ° و 45 درجه رقائق وضع زوايا علي مغزل مع Y-الشكل وغيرها من الاشكال. في حين ان وحده تحكم المدمج في الروبوت التسلسلي قادره علي توفير ميز?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا المشروع من قبل مجلس العلوم الطبيعية والبحوث الهندسية (NSERC) كرسي البحوث الصناعية الكندية في تصنيع المركبات المؤتمتة والبحث عن الأبحاث في كيبيك-Natrue et تكنولوجيات (FRQNT).
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 |
References
- 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).
