מבצע של מערכת הייצור המשולב שיתופי (CCM)
Summary
מערכת ייצור שיתופית מורכבת מפותחת עבור משכב רובוטית של ציפויים מרוכבים באמצעות קלטת prepreg. המערכת המוצעת מאפשרת ייצור ציפויים מרוכבים עם רמות גבוהות של סיבוכיות גיאומטריות. הבעיות בתכנון הנתיב, התאום של הרובוטים והשליטה מטופלות בשיטה המוצעת.
Abstract
המיקום האוטומטי של הקלטת ואת המיקום סיבים אוטומטיים (AFP) מכונות לספק סביבת עבודה בטוחה יותר ולהפחית את עוצמת העבודה של עובדים מאשר המיקום סיבים מסורתיים הידני עושה. לפיכך, דיוק הייצור, החזרה והיעילות של הייצור המשולב משופרים באופן משמעותי. עם זאת, מערכות AFP הנוכחיות יכולות לייצר רק את הרכיבים המורכבים עם משטח פתוח גדול או חלקי מהפכה פשוטים, שאינם יכולים לעמוד בעניין הגובר במבנים קטנים או סגורים מהתעשייה.
במחקר זה, על ידי העסקת 1 מידה של חופש (השלב) הרוטציה, רובוט מקביל של 6-RSS, ו רובוט סדרתי 6-דוף, את המיומנות של מערכת AFP ניתן לשפר באופן משמעותי לייצור חלקים מורכבים מורכב. השלב הסיבוב רכוב על הרובוט המקביל מנוצל כדי להחזיק את מוט ואת הרובוט הסדרתי נושאת את ראש המיקום כדי לחקות שתי ידיים אנושיות כי יש מספיק מיומנות כדי להניח את הסיבים כדי מוט עם מתאר מורכב.
למרות שמערכת ה-CCM מגדילה את הגמישות של ייצור מורכב, היא די גוזלת זמן או אפילו בלתי אפשרית כדי ליצור את הנתיב הבלתי-מקוון האפשרי, המבטיח שכבה אחידה של הסיבים הבאים בהתחשב באילוצים כמו שינויי קצוות, התנגשויות בין ראש מיקום סיבים לבין mandrel, שינוי כיוון סיבים חלקה ושמירה על ראש מיקום סיבים לאורך הנורמה של החלק של השטח, וכו ‘. בנוסף, עקב שגיאת המיקום הקיימת של הרובוטים, יש צורך בתיקון הנתיב המקוון. לכן, אלגוריתם התיקון המקוון מוצע כדי לתקן את הנתיבים של רובוטים מקבילים וסדרתיים, ולשמור על הנתיב היחסי בין שני הרובוטים ללא שינוי באמצעות המשוב החזותי כאשר בעיות האילוץ או הסינגולריות ב מתרחשים תכנון נתיב לא מקוון. התוצאות הנסיוניות מציגות את מערכת ה-CCM המיועדת לקיים את התנועה הדרושה לייצור מבנה מורכב עם צורת Y.
Introduction
לאחרונה, הצורך הגובר למבנים מורכבים בעלי ביצועים גבוהים בתעשיות שונות הניע מאוד את פיתוח טכנולוגיות הייצור המורכב1,2. ההפקה הידנית המסורתית אינה יכולה לעמוד ביעילות גבוהה, בדיוק ובדרישות האיכות של התעשייה המתעוררים. היבט זה עודד פיתוח טכנולוגיות ייצור חדשות כגון מערכות AFP. טכנולוגיית AFP ממכן את הייצור של מבני חומרים מרוכבים באמצעות prepregs, אשר נמצאים בצורה של רצועות המורכב של קלטות סיבים ספוג (זכוכית, פחמן, וכו ‘) של שרף למחצה פלגניים. במערכת AFP, ראש התצהיר עם היכולת של חימום ודחיסת prepregs שרף הוא רכוב על מכונת השמה סיבים או רובוט תעשייתי. מכונת המיקום סיבים או רובוט נושאת את ראש התצהיר מניח את הprepregs לעבור את פני השטח של המנדלס הנוסע. בתהליך הייצור, משמש הרכב כתבנית להיות הפצע סביב ידי prepregs ליצור מבנה מסוים של חלק מורכב. . האדם יוסר אחרי שהחלק יירפא מערכות ה-afp הנוכחיות יכולות לשפר באופן משמעותי את היעילות והאיכות של ייצור חומרים מרוכבים3,4,5. עם זאת, הם מוגבלים לייצור המשטחים הפתוחים המציגים משטח שטוח או מתאר, או חלקי מהפכה פשוטים כגון צילינדרים או איצטרובלים בשל הקושי המוגבל של המערכת והקשיים ביצירת מסלולים. במיוחד, תעשיית התעופה ותעשיות הייצור של ציוד ספורט מעוניינים כעת בטכניקה זו לייצור מבנים עם גיאומטריות מורכבות יותר, כמו צינורות “Y” או מבנים היוצרים לולאות סגורות כגון מסגרות אופניים.
כדי להיות מסוגל לייצר את המבנים בעלי גיאומטריות מורכבות, יש לשפר את הגמישות של מערכת AFP. לדוגמה, מערכת של 8 מערכות AFP המוצעת6 על-ידי הוספת מסלול לינארי לרובוט תעשייתי 6, ולשלב הסיבוב לפלטפורמת ההחזקה של המנדל. עם זאת, המערכת עדיין לא מתאימה ליצור את החלקים הנ ל עם גיאומטריות מורכבות. מערכת רובוטית שיתופית המורכב של שני רובוטים הוא פתרון מבטיח כדי להגדיל את המיומנות על ידי שימוש ברובוט אחד להחזיק את הראש מיקום סיבים בסוף-אפקטור ורובוט אחר להחזיק את mandrel. מערכת דו-טורית רובוט שיתופי לא יכול לפתור את הבעיה מיקום סיבים, מאז רובוטים סדרתיים נוטים עוות ולאבד את הדיוק בשל מבנה הזיז שלה, בהתחשב במשקל של מוט ואת כוח דחיסה7. בהשוואה לרובוטים הסדרתיים, 6 הרובוטים המקבילים, שנוצלו בסימולטור הטיסה ובכלים הרפואיים, נהנים מנוקשות ודיוקשמונה. לכן, מערכת רובוטית שיתופית מקבילה, בנוסף לשלב הרוטציה הרכוב על פלטפורמת הרובוט המקביל, בנויה לטיפול בייצור מבנים מורכבים בנייר זה.
עם זאת, המערכת הבנויה רובוטית שיתופית תשואות קשיים בעיצוב בקר עבור כל רובוט לפגוש את הדרישה דיוק גבוהה של מיקום סיבים. את המדידה מיקום מדויק של סוף-אפקטור יכול להיות מושגת על ידי שימוש במערכת מעקב לייזר, אשר משמש בדרך כלל כדי להנחות את הרובוט התעשייתי ביישומים שונים קידוח החלל9,10. למרות מערכת מעקב לייזר יכול לספק מדידה מיקום מדויק גבוה, החסרונות העיקריים לשכב בעלות של המערכת ואת הבעיה סגר. מערכת מעקב לייזר הוא יקר, למשל, גשש לייזר מסחרי ואביזרים שלה עולה עד US $90000, ואת קרן הלייזר בקלות לחסימה במהלך התנועה של הרובוטים. פתרון מבטיח נוסף הוא מערכת מדידה החזון, אשר יכול לספק 6D להציב את המדידה של הקצה-אפקטור עם דיוק ניכר בעלות נמוכה. התנוחה מכונה שילוב של מיקום 3D וכיוון 3D של הקצה-אפקטור ביחס למסגרת הבסיסית של הרובוט. CMM אופטי (ראה טבלת חומרים) הוא חיישן חזותי מבוסס מצלמה כפול. על ידי התבוננות מטרות המחזיר מספר מחובר על הקצה-העריקים של שני הרובוטים, היחסי מהווה בין הרובוטים ניתן למדוד בזמן אמת. CMM אופטי הוחל בהצלחה על כיול רובוטית11 ו הנתיב הדינמי מעקב12 ולכן הוא הציג כדי לספק את מדידת משוב מערכות בקרת לולאה סגורה של מערכת cmm המוצעת במחקר זה.
האיכות של המוצר בקצה המורכב תלויה במידה רבה באופן בו הנתיב המקורי של סיבים נוצר עבור afp13,14. תהליך יצירת הנתיב מבוצע בדרך כלל באמצעות תוכנת תיכנות לא מקוונת. הנתיב שנוצר מורכב מסדרה של נקודות תג על mandrel, אשר מצביעים על פוזה של ראש מיקום סיבים. בניגוד ליישומים אחרים בתכנון מסלול כגון התצהיר לצייר, ליטוש או עיבוד שבבי, כאשר סוגים שונים של נתיבי כיסוי אפשריים, הבחירה מוגבלת במקרה של AFP, מאז סיבים רציפה ולא ניתן לבצע בפתאומיות שינויים בכיוון (פינות חדות) מבלי לפגוע בו, ויש לשמור על ראש המיקום בנורמה של החלקים. הפיתוח הראשון של טכניקת הדור מסלול עבור AFP התמקדה בייצור פאנלים שטוחים גדולים5 לפני הזזת לכיוון הייצור אובייקטים של צורות 3d כגון משטחים מעוקל פתוח או קונוסים5, 14. אך לא פותחה מתודולוגיה מעשית ליצירת נתיב לא מקוון עבור חלקים עם גיאומטריות מורכבות כגון צורת Y או צורות אחרות. לפיכך, אלגוריתם תכנון נתיב אפקטיבי עבור החלקים עם משטחי מתאר מורכבים נועד להבטיח שכבה אחידה של הסיבים הבאים ללא פערים או חופף במחקר הקודם שלנו15. בהתחשב במעשיות ובאפקטיביות של אלגוריתם הנתיב היוצר, רק את 6-הרובוט הסדרתי עם ראש המיקום והשלב 1-הסיבוב הראשון כמו מחזיק מוט נחשבים מערכת היעד כדי למצוא את התכנון מסלול אופטימלי ב שטח משותף עם קריטריוני זמן מינימליים. זה יכול להיות מסובך מדי ולגזול זמן כדי ליצור את מסלול מחוץ לקו עבור כל 13 המערכת מערכת ccm בשל החישוב kinאמאם הכבד ואת השיקול של אילוצים שונים כמו בקטבים, התנגשויות, הכיוון חלקה שינוי ו שמירה על ראש המיקום בנורמה של משטח החלקים וכו ‘.
תכנון המסלול המוצע מחוץ לשורה יכול ליצור את הפניית הסרוו עבור 6 הרובוט הסדרתי והשלב הסיבוב בהתאמה עם התזמון המדויק. אפילו עם תכנון מסלול לא מקוון זה, זה יכול להיות בלתי אפשרי ליצור נתיב אפשרי תחת כל האילוצים עבור חלקי הגיאומטריה מסוימים. יתר על כן, שגיאות המיקום של הרובוטים עלולים לגרום לרובוטים להתנגש עם מוט או התקן אחר בסביבת העבודה. שינוי הנתיב המקוון מיושם בהתבסס על המשוב החזותי מתוך CMM האופטי. לפיכך, אלגוריתם התיקון המקוון מוצע כדי לתקן את הנתיב של הרובוט המקביל ולכוונן היסט מתאים בנתיב של הרובוט הסדרתי בו באמצעות המשוב החזותי. כאשר מזוהים ההתנגשות ואילוצים אחרים, היחס היחסי בין שני הרובוטים נשמר גם הוא ללא שינוי בזמן שהוא ממשיך בנתיב שנוצר מחוץ לקו. באמצעות תיקון הנתיב המקוון, מערכת ה-CCM יכולה להימנע מנקודות אלה בצורה חלקה ללא כל סיום. בשל הגמישות של הרובוט המקביל, ניתן ליצור הסטת תיקון 6D ביחס לאילוצים שונים. כתב יד זה מציג נוהל פעולה מפורט של מערכת ה-CCM באמצעות אלגוריתם תיקון מקוון.
Protocol
Representative Results
Discussion
התוצאות הנסיוניות מציגות את תהליך הייצור של זוויות מיקום של 90 ° רובדי של מערכת ה-CCM המתוכננת. את המתודולוגיות המוצעות בנייר זה ניתן להשתמש כדי להניח את הסיבים עם 0 ° ו 45 ° מיקום רובדי זווית על מוט עם צורת Y וצורות אחרות. בעוד הבקר המובנה של הרובוט הסדרתי הוא מסוגל לספק את הימנעות סינגולריות תכ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרויקט זה מומן על ידי מדעי הטבע ומועצת המחקר ההנדסה (nserc) של קנדה כיסא המחקר התעשייתי בייצור מרוכבים אוטומטיים וכפות דה מחקר du קוויבק – natrue et טכנולוגיות (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).
