Operación del Sistema de Fabricación Colaborativa compuesta (CCM)

Summary

Se ha desarrollado un sistema de fabricación de compuestos colaborativos para la colocación robótica de laminados compuestos utilizando la cinta prepreg. El sistema propuesto permite la producción de laminados compuestos con altos niveles de complejidad geométrica. Los problemas en la planificación del camino, la coordinación de los robots y el control se abordan en el método propuesto.

Abstract

La colocación automatizada de cintas y las máquinas de colocación automatizada de fibra (AFP) proporcionan un entorno de trabajo más seguro y reducen la intensidad de mano de obra de los trabajadores que la colocación manual tradicional de fibra. Por lo tanto, la precisión de la producción, la repetibilidad y la eficiencia de la fabricación de compuestos se mejoran significativamente. Sin embargo, los sistemas AFP actuales sólo pueden producir los componentes compuestos con grandes superficies abiertas o piezas simples de revolución, que no pueden satisfacer el creciente interés en pequeñas estructuras complejas o cerradas de la industria.

En esta investigación, mediante el empleo de una etapa de rotación de 1 grado de libertad (DoF), un robot paralelo 6-RSS y un robot serie 6-DoF, la destreza del sistema AFP se puede mejorar significativamente para la fabricación de piezas compuestas complejas. La etapa de rotación montada en el robot paralelo se utiliza para sostener el mandril y el robot serie lleva el cabezal de colocación para imitar dos manos humanas que tienen suficiente destreza para poner la fibra al mandril con contorno complejo.

Aunque el sistema MCP aumenta la flexibilidad de la fabricación de compuestos, es bastante lento o incluso imposible generar el camino fuera de línea factible, lo que garantiza una unión uniforme de las fibras posteriores teniendo en cuenta las restricciones como singularidades, colisiones entre el cabezal de colocación de fibra y el mandril, cambio de dirección de fibra lisa y mantener el cabezal de colocación de fibra a lo largo de la norma de la superficie de la pieza, etc. Además, debido al error de posicionamiento existente de los robots, se necesita la corrección de la trayectoria en línea. Por lo tanto, se propone el algoritmo de corrección de pose en línea para corregir las rutas de los robots paralelos y seriales, y para mantener la ruta relativa entre los dos robots sin cambios a través de la retroalimentación visual cuando la restricción o problemas de singularidad en el se produce la planificación de rutas fuera de línea. Los resultados experimentales demuestran que el sistema MCP diseñado puede cumplir con el movimiento necesario para la fabricación de una estructura compuesta con forma Y.

Introduction

Recientemente, la creciente necesidad de estructuras compuestas de alto rendimiento en diversas industrias ha impulsado en gran medida el desarrollo de las tecnologías de fabricación compuesta^1,2. La producción manual tradicional no puede cumplir con los requisitos de alta eficiencia, precisión y calidad de la industria emergente. Este aspecto ha fomentado el desarrollo de nuevas tecnologías de producción, como los sistemas AFP. La tecnología AFP automatiza la producción de estructuras de materiales compuestos utilizando prepregs, que están presentes en forma de tiras compuestas de cintas de fibra impregnadas (vidrio, carbono, etc.) de resina semipolimerizada. En el sistema AFP, un cabezal de deposición con la capacidad de calentar y compactar los prepregs de resina se monta en una máquina de colocación de fibra o un robot industrial. La máquina de colocación de fibra o el robot que lleva el cabezal de deposición levanta los prepregs que atraviesan la superficie de los mandriles de herramientas. En el proceso de fabricación, el mandril de herramientas se utiliza como un molde para ser enrollado alrededor por los prepregs para formar una cierta estructura de la parte compuesta. El mandril se retirará después de que la pieza esté curada. Los actuales sistemas AFP pueden mejorar significativamente la eficiencia y la calidad de la producción de materiales compuestos^3,4,5. Sin embargo, se limitan a la producción de las superficies abiertas que presentan una superficie plana o contorneada, o piezas simples de revolución como cilindros o conos debido a la insuficiente DoF del sistema y las dificultades para generar trayectorias. Especialmente, la industria aeroespacial y las industrias de producción de equipos deportivos están ahora interesados en esta técnica para la producción de estructuras con geometrías más complejas, como tubos “Y” o las estructuras que forman bucles cerrados como marcos de bicicletas.

Para poder fabricar las estructuras con geometrías complejas, se debe mejorar la flexibilidad del sistema AFP. Por ejemplo, se ha propuesto un sistema 8 DoF AFP⁶ añadiendo una pista lineal a un robot industrial de 6 DoF y una etapa de rotación a la plataforma de retención del mandril. Sin embargo, el sistema todavía no es adecuado para la fabricación de las piezas antes mencionadas con geometrías complejas. El sistema robótico colaborativo que consiste en dos robots es una solución prometedora para aumentar la destreza empleando un robot para sostener el cabezal de colocación de fibra en el efector final y otro robot para sostener el mandril. El sistema colaborativo de dos robots serie puede no resolver el problema de colocación de fibra, ya que los robots en serie tienden a deformarse y perder la precisión debido a su estructura en voladizo, teniendo en cuenta el peso del mandril y la fuerza de compactación^7. En comparación con los robots serie, 6 robots paralelos DoF, que se han utilizado en el simulador de vuelo y herramientas médicas, disfrutan de una mejor rigidez y precisión⁸. Por lo tanto, un sistema de robot colaborativo en serie paralela, además de una etapa de rotación montada en la plataforma del robot paralelo, está construido para manejar las complejas estructuras de fabricación en este papel.

Sin embargo, el sistema robótico colaborativo construido produce dificultades en el diseño del controlador para cada robot para cumplir con el requisito de alta precisión de la colocación de fibra. La medición precisa de la posición del efector final podría lograrse mediante el uso del sistema de seguimiento láser, que se utiliza comúnmente para guiar al robot industrial en varias aplicaciones de perforación aeroespacial^9,10. Aunque el sistema de seguimiento láser puede proporcionar una medición de posición de alta precisión, los principales inconvenientes residen en el costo del sistema y el problema de la oclusión. El sistema de seguimiento láser es caro, por ejemplo, un rastreador láser comercial y sus accesorios cuestan hasta US$90.000, y el rayo láser se ocluye fácilmente durante el movimiento de los robots. Otra solución prometedora es el sistema de medición de la visión, que puede proporcionar la medición de la pose 6D del efector final con una precisión considerable a un bajo costo. La pose se conoce como la combinación de la posición 3D y la orientación 3D del efector final con respecto al marco base del robot. La MMC óptica (ver Tabla de Materiales)es un sensor visual doble basado en cámara. Al observar varios objetivos reflectores unidos a los efectos finales de los dos robots, las posturas relativas entre los robots se pueden medir en tiempo real. La MMC óptica se ha aplicado con éxito a la calibración robótica¹¹ y al seguimiento dinámico de trayecto¹² y, por lo tanto, se introduce para proporcionar la medición de retroalimentación a los sistemas de control de bucle cerrado del sistema MCP propuesto en este estudio.

La calidad del producto compuesto final depende en gran medida de cómo se genere la ruta de fibra original para el AFP^13,14. El proceso de generación de rutas se realiza normalmente mediante el uso de software de programación fuera de línea. La ruta generada consiste en una serie de puntos de etiqueta en el mandril, que indican la pose del cabezal de colocación de fibra. A diferencia de otras aplicaciones de planificación de trayectoria como la deposición de pintura, pulido o mecanizado, donde diferentes tipos de trayectorias de cobertura son posibles, la elección es limitada en el caso de AFP, ya que la fibra es continua y no es posible realizar abruptamente cambios de dirección (esquinas afiladas) sin dañarlo y el cabezal de colocación debe mantenerse en la norma de la superficie de las piezas. El primer desarrollo de la técnica de generación de trayectoria para AFP se ha concentrado en la fabricación de grandes paneles planos⁵ antes de desplazarse hacia la fabricación de los objetos de formas 3D como superficies curvas abiertas o conos^{5, 14}. Pero, no se ha desarrollado ninguna metodología práctica para generar trayectoria sin conexión para las piezas con geometrías complejas como la forma Y u otras formas. Por lo tanto, un algoritmo de planificación de trayectos eficaz para las piezas con superficies de contorno complejo está diseñado para garantizar una construcción uniforme de las fibras posteriores sin huecos o solapamientos en nuestra investigación anterior¹⁵. Teniendo en cuenta la practicidad y la eficacia del algoritmo de generación de trayectoria, sólo el robot serie 6-DoF con el cabezal de colocación y la etapa de rotación 1-DoF como el soporte del mandril se consideran como el sistema de destino para encontrar la planificación de trayectoria óptima en espacio conjunto con criterios de tiempo mínimo. Podría ser demasiado complicado y lento generar la trayectoria fuera de línea para todo el sistema de 13 DOF CCM debido al fuerte cálculo cinemático y la consideración de varias restricciones como singularidades, colisiones, cambio de dirección suave y mantener el cabezal de colocación en la norma de la superficie de las piezas, etc.

La planificación de trayectoria fuera de línea propuesta puede generar la referencia de servo para el robot serie 6 DoF y la etapa de rotación respectivamente con la sincronización exacta. Incluso con esta planificación de trayectoria fuera de línea, podría ser imposible generar una trayectoria factible bajo todas las restricciones para ciertas piezas de geometría. Además, los errores de posicionamiento de los robots pueden hacer que los robots colisionen con el mandril u otro dispositivo en el entorno de trabajo. La modificación de la trayectoria en línea se implementa sobre la base de la retroalimentación visual de la MMC óptica. Por lo tanto, se propone el algoritmo de corrección de pose en línea para corregir la trayectoria del robot paralelo y ajustar un desplazamiento correspondiente en la trayectoria del robot serie simultáneamente a través de la retroalimentación visual. Cuando se detecta la colisión y otras restricciones, la pose relativa entre los dos robots también se mantiene sin cambios mientras sigue la ruta generada fuera de línea. A través de la corrección de la trayectoria en línea, el sistema CCM puede evitar estos puntos sin problemas sin ninguna terminación. Debido a la flexibilidad del robot paralelo, los desplazamientos de corrección 6D se pueden generar con respecto a diferentes restricciones. Este manuscrito presenta un procedimiento de operación detallado del sistema MCP utilizando un algoritmo de corrección de pose en línea.

Protocol

1. Definiciones de marco del sistema MCP NOTA: La MMC óptica es un sensor de cámara dual, que puede rastrear el objeto con un conjunto rígido de reflectores como los objetivos en tiempo real. El principio de colocación de estos objetivos es que los objetivos están atascados en las ubicaciones asimétricas con cierta distancia entre ellos. Los objetivos deben fijarse en los robots o en el cabezal de colocación y permanecer en el campo de visión (FOV) de la MMC óptica. La MMC óptica debe …

Representative Results

El experimento tiene como objetivo demostrar el proceso de realización del movimiento de la colocación de la fibra en el mandril en forma de Y del sistema MCP propuesto. El proceso se lleva a cabo en tres pasos: generación de trayectos; descomposición de la trayectoria; y la singularidad y la evitación de restricciones. Generación de rutasNormalmente, la orientación estándar se utiliza en la industri…

Discussion

Los resultados experimentales muestran el proceso de fabricación de ángulos de colocación de 90o de la posición del MCP diseñado. Las metodologías propuestas en este documento se pueden utilizar para colocar la fibra con ángulos de colocación de 0o y 45o en el mandril con forma Y y otras formas. Mientras que el controlador incorporado del robot serie es capaz de proporcionar la característica de evitación de singularidad¹⁷, sólo se admite el movimiento lineal del efector final. Cuando e…

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