Werking van het collaborative Composite Manufacturing (CCM) systeem

Summary

Een Collaboratief samengesteld productiesysteem is ontwikkeld voor robotachtige lay-up van composiet laminaten met behulp van de harsen tape. Het voorgestelde systeem maakt de productie mogelijk van samengestelde laminaten met een hoge mate van geometrische complexiteit. De problemen in de planning van de paden, de coördinatie van de robots en de controle worden in de voorgestelde methode aangepakt.

Abstract

De geautomatiseerde tape plaatsing en de geautomatiseerde Fiber Placement (AFP) machines zorgen voor een veiligere werkomgeving en verminderen de arbeidsintensiteit van werknemers dan de traditionele plaatsing van de handmatige vezel. Zo zijn de productie nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid en efficiëntie van de samengestelde productie aanzienlijk verbeterd. De huidige AFP-systemen kunnen echter alleen de samengestelde componenten produceren met grote open oppervlakken of eenvoudige revolutie onderdelen, die niet kunnen voldoen aan de groeiende interesse in kleine complexe of gesloten constructies uit de industrie.

In dit onderzoek, door het gebruik van een 1-graad van vrijheid (DOF) rotatie stage, een 6-RSS parallelle robot, en een 6-DOF seriële robot, de behendigheid van het AFP-systeem kan aanzienlijk worden verbeterd voor het vervaardigen van complexe samengestelde onderdelen. De rotatie stage gemonteerd op de parallelle robot wordt gebruikt om de doorn vast te houden en de seriële robot draagt de plaatsings kop om twee menselijke handen te imiteren die genoeg beweeglijkheid hebben om de vezels te leggen aan de doorn met complexe contour.

Hoewel het CCM-systeem de flexibiliteit van samengestelde productie verhoogt, is het vrij tijdrovend of zelfs onmogelijk om het haalbare off-line pad te genereren, wat zorgt voor een uniforme lay-up van volgende vezels, gezien de beperkingen zoals singulariteiten, botsingen tussen de vezel plaatsings kop en de Mandrel, soepele vezelrichting veranderen en het houden van de vezel plaatsing hoofd langs de norm van het oppervlak van het deel, enz. Bovendien, als gevolg van de bestaande positionerings fout van de robots, is de on-line Path correctie nodig. Daarom wordt het on-line pose Correction-algoritme voorgesteld om de paden van zowel parallelle als seriële robots te corrigeren en om het relatieve pad tussen de twee robots ongewijzigd te houden door de visuele feedback wanneer de beperking of singulariteit problemen in de off-line Path planning plaatsvinden. De experimentele resultaten laten zien dat het ontworpen CCM-systeem kan voldoen aan de beweging die nodig is voor het vervaardigen van een samengestelde structuur met Y-vorm.

Introduction

Onlangs heeft de toenemende behoefte aan hoogwaardige samengestelde structuren in verschillende industrieën de ontwikkeling van de composiet fabricagetechnologieën^1,2aanzienlijk^{gestimuleerd.} De traditionele handmatige productie kan niet voldoen aan de hoge efficiëntie, nauwkeurigheid en kwaliteitseisen van de opkomende industrie. Dit aspect heeft de ontwikkeling van nieuwe productie technologieën, zoals AFP-systemen, aangemoedigd. De AFP-technologie automatiseert de productie van composietmateriaal structuren met behulp van prepregs, die aanwezig zijn in de vorm van strips bestaande uit geïmpregneerde Fiber tapes (glas, koolstof, enz.) van semi-gepolymeriseerde hars. In het AFP-systeem is een afdekkop met het vermogen van het verwarmen en comprimeren van de hars prepregs gemonteerd op een vezel plaatsingsmachine of een industriële robot. De vezel plaatsingsmachine of robot die de afdekkast draagt, legt de prepregs die het oppervlak van de gereedschaps Mandrels doorkruisen. In het proces van productie, de tooling Doorn wordt gebruikt als een mal om te worden gewikkeld rond door de prepregs een bepaalde structuur van samengestelde deel vormen. De doorn wordt verwijderd nadat het deel is genezen. De huidige AFP-systemen kunnen de efficiëntie en kwaliteit van de productie van composietmaterialen^3,4,5aanzienlijk verbeteren. Ze zijn echter beperkt tot de productie van de open oppervlakken die een vlakke of gecontourde oppervlakte vertonen, of eenvoudige revolutie onderdelen zoals cilinders of kegels als gevolg van de ontoereikende DoF van het systeem en de moeilijkheden bij het genereren van trajecten. Vooral de lucht-en ruimtevaartindustrie en de productie-industrie van sportartikelen zijn nu geïnteresseerd in deze techniek voor de productie van constructies met complexere geometrieën, zoals “Y”-buizen of de structuren die gesloten lussen vormen, zoals fietsframes.

Om de structuren met complexe geometrieën te kunnen vervaardigen, moet de flexibiliteit van het AFP-systeem worden verbeterd. Bijvoorbeeld, een 8 DOF AFP-systeem is voorgesteld⁶ door het toevoegen van een lineaire track aan een 6 DOF industriële robot en een rotatie fase naar de doorn Holding platform. Het systeem is echter nog steeds niet geschikt voor het vervaardigen van de bovengenoemde onderdelen met complexe geometrieën. Het collaboratieve robotsysteem bestaande uit twee robots is een veelbelovende oplossing om de beweeglijkheid te verhogen door gebruik te maken van één robot om de vezel plaatsings hoofd aan de eind Effector te houden en een andere robot om de Mandrel vast te houden. Het twee-seriële-robot collaboratieve systeem kan het vezel plaatsings probleem niet oplossen, omdat de seriële robots de neiging hebben om te vervormen en de nauwkeurigheid te verliezen als gevolg van de vrijdragende structuur, gezien het gewicht van de Doorn en de verdichting kracht⁷. Vergeleken met de seriële robots, 6 DoF parallelle robots, die zijn gebruikt in de Flight Simulator en medische hulpmiddelen, genieten van betere stijfheid en nauwkeurigheid⁸. Daarom is een parallel-Serial Collaboratief robotsysteem, aanvullend op een rotatie podium gemonteerd op het platform van de parallelle robot, gebouwd voor het hanteren van de complexe constructies die in dit papier worden gefabriceerd.

Het gebouwde, collaboratieve robotsysteem levert echter moeilijkheden bij het ontwerpen van de controller voor elke robot om te voldoen aan de hoge nauwkeurigheidsvereisten van vezel plaatsing. De nauwkeurige positiemeting van de eind Effector kan worden bereikt door het Laser volgsysteem te gebruiken, dat vaak wordt gebruikt om de industriële robot te begeleiden in verschillende ruimtevaarttoepassingen^9,10. Hoewel het Laser volgsysteem een hoge nauwkeurige positiemeting kan bieden, liggen de belangrijkste nadelen in de kosten van het systeem en de occlusie kwestie. De laser tracking systeem is duur, bijvoorbeeld, een commerciële Laser Tracker en de accessoires kosten tot US $90000, en de laserstraal is gemakkelijk verstopt tijdens de beweging van de robots. Een andere veelbelovende oplossing is het Vision-meetsysteem, dat 6D-pose meting van de eind Effector met een aanzienlijke nauwkeurigheid tegen lage kosten kan bieden. De pose wordt aangeduid als de combinatie van de 3D-positie en 3D-oriëntatie van de eind Effector met betrekking tot het basisframe van de robot. De optische CMM (Zie tabel van de materialen) is een dual camera-gebaseerde visuele sensor. Door het observeren van verschillende reflector doelen bevestigd op de eind Effectors van de twee robots, de relatieve poses tussen de robots kunnen worden gemeten in real time. De optische CMM is met succes toegepast op de Robotic Calibration¹¹ en Dynamic Path tracking¹² en is zo geïntroduceerd om de feedback meting te leveren aan de closed-loop besturingssystemen van het voorgestelde CCM-systeem in deze studie.

De kwaliteit van het eind samengestelde product is grotendeels afhankelijk van hoe het originele Fiber pad wordt gegenereerd voor de AFP^13,14. Het proces voor het genereren van paden wordt normaalgesproken uitgevoerd met behulp van off-line programmeersoftware. Het gegenereerde pad bestaat uit een reeks tagpunten op de Mandrel, die de pose van de vezel plaatsings hoofd aangeven. In tegenstelling tot andere trajecten voor plannings toepassingen zoals verf depositie, polijsten of verspanen, waarbij verschillende soorten dekkings paden mogelijk zijn, is de keuze beperkt in het geval van AFP, omdat de vezel continu is en het niet mogelijk is om abrupt te presteren veranderingen in de richting (scherpe hoeken) zonder het te beschadigen en de plaatsings kop moet worden gehouden in de norm van het oppervlak van de delen. De eerste ontwikkeling van de traject techniek voor AFP is geconcentreerd op het vervaardigen van grote platte panelen⁵ voordat ze naar de productie van de objecten van 3D-vormen, zoals open gebogen oppervlakken of kegels^{5, 14}. er is echter geen praktische methodologie ontwikkeld voor het genereren van off-line paden voor de onderdelen met complexe geometrieën zoals Y-vorm of de andere vormen. Daarom is een effectief pad plannings algoritme voor de onderdelen met complexe contour oppervlakken ontworpen om te zorgen voor een uniforme lay-up van volgende vezels zonder gaten of overlappingen in ons vorige onderzoek¹⁵. Gezien de bruikbaarheid en de effectiviteit van het pad genererend algoritme, worden alleen de 6-DOF seriële robot met de plaatsings kop en 1-DOF rotatie fase als de doorn-houder beschouwd als het doelsysteem om de optimale traject planning te vinden in gemeenschappelijke ruimte met minimale tijdcriteria. Het zou te ingewikkeld en tijdrovend zijn om het off-line traject voor het hele 13 DoF CCM-systeem te genereren vanwege de zware kinematica-berekening en de afweging van verschillende beperkingen zoals singulariteiten, botsingen, vloeiende richting verandering en houden van de plaatsing hoofd in de norm van het oppervlak van de onderdelen, enz.

De voorgestelde off-line traject planning kan het genereren van de servo referentie voor de 6 DoF seriële robot en de rotatie fase respectievelijk met exacte timing. Zelfs met deze off-line traject planning, kan het onmogelijk zijn om een haalbaar pad te genereren onder alle beperkingen voor bepaalde geometrie onderdelen. Bovendien kunnen de positionerings fouten van de robots ertoe leiden dat de robots in botsing komen met de doorn of een ander apparaat in de werkomgeving. De on-line Path modificatie wordt uitgevoerd op basis van de visuele feedback van de optische CMM. Daarom wordt het on-line pose Correction algoritme voorgesteld om het pad van de parallelle robot te corrigeren en tegelijkertijd een corresponderende offset op het pad van de seriële robot af te stemmen via de visuele feedback. Wanneer de botsing en andere beperkingen worden gedetecteerd, wordt de relatieve pose tussen de twee robots ook ongewijzigd gehouden tijdens het volgen van het off-line gegenereerde pad. Door de correctie van het on-line pad kan het CCM-systeem deze punten probleemloos zonder beëindiging voorkomen. Door de flexibiliteit van de parallelle robot kunnen de 6D correctie verschuivingen worden gegenereerd met betrekking tot verschillende beperkingen. Dit manuscript presenteert een gedetailleerde operatie procedure van het CCM-systeem met behulp van het on-line pose Correction-algoritme.

Protocol

1. frame definities van het CCM-systeem Opmerking: de optische CMM is een dubbele camerasensor, die het object met een stijve set reflectoren als de doelstellingen in real-time kan volgen. Het plaatsings principe van deze doelstellingen is dat de doelstellingen vast zitten op de asymmetrische locaties met bepaalde afstand tussen hen. De doelstellingen moeten worden vastgesteld op de robots of de plaatsings kop en blijven in het gezichtsveld (FOV) van de optische CMM. Voor elk gedefinieerd frame …

Representative Results

Het experiment is gericht op het aantonen van het proces van het realiseren van de beweging van de vezel op de Y-vormige Doorn van het voorgestelde CCM-systeem. Het proces wordt uitgevoerd in drie stappen: pad genereren; traject ontleding; en singulariteit en beperking vermijding. Pad genererenNormaalgesproken wordt de standaardoriëntatie in de industrie gebruikt om de verschillende lagen van het laminaat t…

Discussion

De experimentele resultaten tonen het fabricageproces van 90 ° ply plaatsings hoeken van het ontworpen CCM systeem. De methoden die in dit document worden voorgesteld, kunnen worden gebruikt om de vezel met een plaatsings hoek van 0 ° en 45 ° te leggen op de doorn met Y-vorm en andere vormen. Terwijl de ingebouwde controller van de seriële robot in staat is om de singulariteit vermijdings functie¹⁷te bieden, wordt alleen de lineaire beweging van de eind Effector ondersteund. Wanneer de eind Ef…

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