Drift af det kollaborative komposit fremstillings system (CCM)

Summary

Et samarbejdende komposit fremstillingssystem er udviklet til robot oplægning af komposit laminater ved hjælp af prepreg tape. Det foreslåede system giver mulighed for produktion af komposit laminater med høje niveauer af geometrisk kompleksitet. Spørgsmålene i Path planlægning, koordinering af robotter og kontrol er behandlet i den foreslåede metode.

Abstract

Den automatiserede tape placering og AFP-maskiner (Automated fiber placering) giver et sikrere arbejdsmiljø og reducerer arbejdernes arbejdskraftintensitet, end den traditionelle manuelle fiber placering gør. Således er produktionens nøjagtighed, repeterbarhed og effektivitet af komposit produktionen væsentligt forbedret. Men de nuværende AFP-systemer kan kun producere komposit komponenterne med store åbne overflader eller simple revolution dele, som ikke kan opfylde den stigende interesse i små komplekse eller lukkede strukturer fra industrien.

I denne forskning, ved at ansætte en 1-grad af frihed (DoF) roterende fase, en 6-RSS parallel robot, og en 6-DoF seriel robot, kan fingerfærdighed AFP systemet forbedres betydeligt for fremstilling komplekse komposit dele. Den roterende fase monteret på den parallelle robot er udnyttet til at holde dornen og den serielle robot bærer placeringen hoved til at efterligne to menneskelige hænder, der har nok fingerfærdighed at lægge fibrene til dornen med komplekse kontur.

Selv om CCM-systemet øger fleksibiliteten i komposit produktion, er det ganske tidskrævende eller endda umuligt at generere den gennemførlige off-line sti, som sikrer ensartet opsætning af efterfølgende fibre i betragtning af begrænsningerne som singularitet, kollisioner mellem fiber placering hoved og Mandrel, glatte fiberretning ændre og holde fiber placering hovedet langs normen af den del af overfladen, osv. På grund af roboternes eksisterende positioneringsfejl er det desuden nødvendigt at korrigere on-line Path. Derfor foreslås on-line pose korrektion algoritme til at korrigere stierne i både parallelle og serielle robotter, og at holde den relative sti mellem de to robotter uændret gennem visuel feedback, når begrænsningen eller singularitet problemer i off-line Path planlægning forekomme. De eksperimentelle resultater demonstrere det designede CCM-system kan opfylde den bevægelse, der er nødvendig for at fremstille en sammensat struktur med Y-form.

Introduction

For nylig har det stigende behov for højtydende sammensatte strukturer i forskellige brancher i høj grad drevet udviklingen af komposit fremstillingsteknologier^1,2. Den traditionelle manuelle produktion kan ikke opfylde den høje effektivitet, nøjagtighed og kvalitet krav i den nye industri. Dette aspekt har fremmet udviklingen af nye produktionsteknologier såsom AFP-systemer. AFP-teknologien automatiserer produktionen af kompositmateriale konstruktioner ved hjælp af prepregs, som er til stede i form af strimler bestående af imprægnerede Fiberbånd (glas, kulstof osv.) af semi-polymeriseret harpiks. I AFP-systemet er et aflejrings hoved med mulighed for opvarmning og komprimering af harpiks eller monteret på en fiber placerings maskine eller en industriel robot. Fiber placerings maskinen eller robotten, der bærer aflejrings hovedet, opstiller de eller, der krydser overfladen af værktøjerne. I fremstillingsprocessen bruges værktøjet dornen som en støbeform, der skal afvikles af prepreg’erne for at danne en bestemt struktur af sammensat del. Den dornen vil blive fjernet efter den del er helbredt. De nuværende AFP-systemer kan i væsentlig grad forbedre effektiviteten og kvaliteten af produktionen af kompositmaterialer^3,4,5. De er dog begrænset til fremstilling af de åbne overflader, der præsenterer en flad eller kontureret flade, eller simple revolution dele såsom cylindre eller kegler på grund af den utilstrækkelige DoF af systemet og vanskeligheder med at generere forløbskurver. Især luft-og rumfartsindustrien og produktions industrierne af sportsudstyr er nu interesseret i denne teknik til produktion af strukturer med mere komplekse geometrier, som “Y” rør eller strukturer danner lukket-sløjfer såsom cykelstel.

For at kunne fremstille strukturerne med komplekse geometrier bør AFP-systemets fleksibilitet forbedres. For eksempel er et 8 DOF AFP-system blevet foreslået⁶ ved at tilføje et lineært spor til en 6 DOF industriel robot og en rotations fase til dornen Holding platformen. Systemet er dog stadig ikke egnet til fremstilling af de ovennævnte dele med komplekse geometrier. Det samarbejdende robot system, der består af to robotter, er en lovende løsning til at øge fingerfærdighed ved at ansætte en robot til at holde fiber placerings hovedet ved enden-Effector og en anden robot til at holde Mandrel. De to-serielle-robot samarbejde system kan ikke løse fiber placering problem, da de serielle robotter tendens til at deforme og miste nøjagtigheden på grund af sin cantilever struktur, i betragtning af vægten af dornen og komprimering Force⁷. Sammenlignet med de serielle robotter, 6 DoF parallel robotter, som er blevet udnyttet i Flight Simulator og medicinske værktøjer, nyde bedre stivhed og nøjagtighed⁸. Derfor er en parallel-seriel kollaborativ robot system, i tillæg til en rotations fase monteret på platformen af parallel robot, bygget til håndtering af komplekse strukturer fremstilling i dette papir.

Men det byggede samarbejdende robot system giver vanskeligheder med at designe controlleren for hver robot til at opfylde det høje nøjagtighedskrav for fiber placering. Den nøjagtige positions måling af den endelige Effector kan opnås ved hjælp af laser tracking system, som er almindeligt anvendt til at vejlede den industrielle robot i forskellige Aerospace boring applikationer^9,10. Selv om laser tracking system kan give høj præcis positions måling, de vigtigste ulemper ligger i omkostningerne ved systemet og okklusion spørgsmål. Laser Tracking System er dyrt, fx en kommerciel laser Tracker og dens tilbehør koste op til US $90000, og laserstrålen er let tilstoppet under bevægelsen af robotterne. En anden lovende løsning er visionen målingssystem, som kan give 6D pose måling af den endelige Effector med en betydelig nøjagtighed til en lav pris. Stillingen betegnes som kombinationen af 3D-positionen og 3D-retningen af effektoren med hensyn til robot enes bundramme. Den optiske CMM (Se tabel over materialer) er en dobbelt kamera-baseret visuel sensor. Ved at observere flere reflektor mål fastgjort på effektorer af de to robotter, kan de relative rejser mellem robotterne måles i realtid. Den optiske CMM er blevet anvendt med succes på robot kalibrering¹¹ og Dynamic Path tracking¹² og er således indført for at give feedback-målingen til de lukkede loop-kontrolsystemer i det foreslåede CCM-system i denne undersøgelse.

Kvaliteten af det endelige komposit produkt er i høj grad afhængig af, hvordan den oprindelige fiber bane genereres for AFP^13,14. Path genereringsprocessen udføres normalt ved hjælp af off-line programmeringssoftware. Den genererede sti består af en række tagpunkter på Mandrel, som angiver posens placering hoved. I modsætning til andre bane planlægning applikationer såsom maling deposition, polering eller bearbejdning, hvor forskellige typer af dækning stier er muligt, valget er begrænset i tilfælde af AFP, da fiber er kontinuerlig, og det er ikke muligt at udføre pludselige ændringer i retningen (skarpe hjørner) uden at beskadige den, og placeringen hovedet skal holdes i normen af overfladen af delene. Den første udvikling af bane produktionsteknik for AFP har været koncentreret om fremstilling af store fladskærme⁵ , før de bevæger sig mod fremstillingen af objekter af 3D-former såsom åbne buede overflader eller kegler^{5, 14}. men der er ikke udviklet nogen praktisk metode til generering af off-line-kurve for delene med komplekse geometrier såsom Y-form eller de andre former. Derfor er en effektiv sti planlægning algoritme for de dele med komplekse-kurvede overflader er designet til at sikre ensartet opsætning af efterfølgende fibre uden huller eller overlapninger i vores tidligere forskning¹⁵. I betragtning af den praktiske og effektiviteten af stien genererer algoritme, kun 6-DOF seriel robot med placering hoved og 1-DOF roterende fase som dornen indehaveren betragtes som målsystemet for at finde den optimale baneplan lægning i fælles rum med minimums tidskriterier. Det kunne være for kompliceret og tidskrævende at generere off-line bane for hele 13 DoF CCM system på grund af den tunge kinematik beregning og overvejelse af forskellige begrænsninger som singulariteter, kollisioner, glat retning skiftende og holde placeringen hovedet i normen af delene overflade, osv.

Den foreslåede off-line bane planlægning kan generere servo reference for den 6 DoF seriel robot og rotations stadiet henholdsvis med nøjagtige timing. Selv med denne off-line bane planlægning, kunne det være umuligt at generere en gennemførlig vej under alle begrænsninger for visse geometri dele. Desuden kan positionerings fejlene i robotterne få robotterne til at kollidere med dornen eller en anden anordning i arbejdsmiljøet. On-line Path modifikation implementeres baseret på den visuelle feedback fra den optiske CMM. Derfor foreslås on-line pose korrektion algoritme til at korrigere stien til parallel robot og til at tune en tilsvarende forskydning på stien til den serielle robot samtidigt gennem visuel feedback. Når kollisionen og andre begrænsninger opdages, holdes den relative stilling mellem de to robotter også uændret, samtidig med at man følger den off-line genererede sti. Gennem korrektionen af on-line sti, kan CCM systemet undgå disse punkter gnidningsløst uden nogen opsigelse. På grund af fleksibiliteten i den parallelle robot, kan 6D korrektion forskydninger genereres med hensyn til forskellige begrænsninger. Dette manuskript præsenterer en detaljeret operation procedure af CCM-systemet ved hjælp af on-line pose korrektion algoritme.

Protocol

1. ramme definitioner af CCM-systemet Bemærk: den optiske CMM er en dobbelt kamera sensor, som kan spore objektet med et stift sæt reflektorer som mål i realtid. Placerings princippet for disse mål er, at målene sidder fast på de asymmetriske steder med en vis afstand mellem dem. Målene skal fastsættes på robotterne eller placeringen hoved og forblive i synsfeltet (FOV) af den optiske CMM. Mindst fire mål skal overholdes for hver defineret ramme af den optiske CMM hele tiden. Den paral…

Representative Results

Eksperimentet har til formål at demonstrere processen med at realisere bevægelsen af æglæggende fiber på Y-form dornen af den foreslåede CCM system. Processen udføres i tre trin: Path generation; forløbs nedbrydning; og singularitet og begrænsning undgåelse. Generering af kurveNormalt anvendes Standardretningen i industrien til at definere de forskellige lag af laminatet. I dette papir, bør orient…

Discussion

De eksperimentelle resultater viser fremstillings processen af 90 ° ply placerings vinkler på det designede CCM-system. De metoder, der foreslås i dette papir kan bruges til at lægge op fiber med 0 ° og 45 ° ply placering vinkler på dornen med Y-form og andre former. Mens den indbyggede controller af den serielle robot er i stand til at give den singularitet undgåelse funktion¹⁷, kun lineær bevægelse af den endelige Effector er understøttet. Når den endelige Effector udfører opgaven a…

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