Fonctionnement du système de fabrication composite collaborative (CCM)

Summary

Un système de fabrication composite collaboratif est développé pour la mise en place robotique de stratifiés composites à l’aide de la bande prepreg. Le système proposé permet la production de stratifiés composites avec des niveaux élevés de complexité géométrique. Les questions de planification du parcours, de coordination des robots et de contrôle sont abordées dans la méthode proposée.

Abstract

Le placement automatisé de bande et les machines automatisées de placement de fibre (AFP) fournissent un environnement de travail plus sûr et réduisent l’intensité de travail des ouvriers que le placement manuel traditionnel de fibre fait. Ainsi, la précision de la production, la répétabilité et l’efficacité de la fabrication composite sont considérablement améliorées. Cependant, les systèmes actuels d’AFP ne peuvent produire que les composants composites avec de grandes surfaces ouvertes ou de simples pièces révolutionnaires, qui ne peuvent pas répondre à l’intérêt croissant pour les petites structures complexes ou fermées de l’industrie.

Dans cette recherche, en employant un stade de rotation de 1 degré de liberté (DoF), un robot parallèle 6-RSS et un robot de série 6-DoF, la dextérité du système AFP peut être considérablement améliorée pour la fabrication de pièces composites complexes. L’étape de rotation montée sur le robot parallèle est utilisée pour tenir le mandrel et le robot de série porte la tête de placement pour imiter deux mains humaines qui ont assez de dextérité pour poser la fibre au mandrel avec le contour complexe.

Bien que le système CCM augmente la flexibilité de la fabrication composite, il est assez long, voire impossible de générer la voie hors ligne faisable, ce qui assure une mise en place uniforme des fibres ultérieures compte tenu des contraintes comme singularités, collisions entre la tête de placement de fibre et mandrel, changement lisse de direction de fibre et gardant la tête de placement de fibre le long de la norme de la surface de la pièce, etc. En outre, en raison de l’erreur de positionnement existante des robots, la correction de chemin en ligne est nécessaire. Par conséquent, l’algorithme de correction de pose en ligne est proposé pour corriger les trajectoires des robots parallèles et en série, et pour maintenir le chemin relatif entre les deux robots inchangé par la rétroaction visuelle lorsque la contrainte ou les problèmes de singularité dans le planification hors ligne de chemin se produisent. Les résultats expérimentaux démontrent que le système CCM conçu peut répondre au mouvement nécessaire à la fabrication d’une structure composite avec la forme Y.

Introduction

Récemment, le besoin croissant de structures composites de haute performance dans diverses industries a grandement stimulé le développement des technologies de fabrication^{composites 1,2}. La production manuelle traditionnelle ne peut pas répondre à l’exigence d’efficacité, de précision et de qualité élevée de l’industrie émergente. Cet aspect a encouragé le développement de nouvelles technologies de production telles que les systèmes DE l’AFP. La technologie AFP automatise la production de structures de matériaux composites à l’aide de prepregs, qui sont présents sous forme de bandes composées de rubans de fibres imprégnés (verre, carbone, etc.) de résine semi-polymétérée. Dans le système AFP, une tête de dépôt avec la capacité de chauffage et de compactage des prepregs de résine est montée sur une machine de placement de fibre ou un robot industriel. La machine de placement de fibre ou robot portant la tête de dépôt pose vers le haut les prepregs traversant la surface des mandrels d’outillage. Dans le processus de fabrication, le mandrel d’outillage est employé comme moule pour être enroulé autour par les prepregs pour former une certaine structure de partie composite. Le mandrel sera enlevé après la guérison de la pièce. Les systèmes actuels d’AFP peuvent améliorer considérablement l’efficacité et la qualité de la production de matériaux composites^3,4,5. Cependant, ils sont limités à la production des surfaces ouvertes présentant une surface plate ou profilée, ou des pièces de révolution simples telles que des cylindres ou des cônes en raison de l’insuffisance de DoF du système et des difficultés à générer des trajectoires. En particulier, l’industrie aérospatiale et les industries de production d’équipements sportifs s’intéressent désormais à cette technique de production de structures dont les géométries sont plus complexes, comme les tubes « Y » ou les structures formant des boucles fermées comme les cadres de bicyclettes.

Pour pouvoir fabriquer les structures avec des géométries complexes, la flexibilité du système AFP devrait être améliorée. Par exemple, un système 8 DoF AFP a été proposé⁶ en ajoutant une voie linéaire à un robot industriel 6 DoF et une phase de rotation à la plate-forme de fixation de mandrel. Cependant, le système n’est toujours pas adapté à la fabrication des pièces mentionnées ci-dessus avec des géométries complexes. Le système robotique collaboratif composé de deux robots est une solution prometteuse pour augmenter la dextérité en employant un robot pour tenir la tête de placement de fibre à l’effecteur final et un autre robot pour tenir le mandrel. Le système collaboratif à deux séries-robot peut ne pas résoudre le problème de placement de fibres, puisque les robots en série ont tendance à se déformer et à perdre la précision en raison de sa structure en porte-à-faux, compte tenu du poids de la mandrel et de la force de compactage⁷. Par rapport aux robots de série, 6 robots parallèles DoF, qui ont été utilisés dans le simulateur de vol et les outils médicaux, jouissent d’une meilleure rigidité et la précision⁸. Par conséquent, un système de robot collaboratif en série parallèle, en plus d’une étape de rotation montée sur la plate-forme du robot parallèle, est construit pour manipuler les structures complexes de fabrication dans ce papier.

Cependant, le système robotique collaboratif construit rencontre des difficultés dans la conception du contrôleur pour chaque robot afin de répondre à l’exigence de haute précision du placement des fibres. La mesure précise de la position de l’effecteur final pourrait être réalisée en utilisant le système de suivi laser, qui est couramment utilisé pour guider le robot industriel dans diverses applications de forage aérospatial^9,10. Bien que le système de suivi laser puisse fournir une mesure de position élevée et précise, les principaux inconvénients résident dans le coût du système et le problème d’occlusion. Le système de suivi laser est coûteux, par exemple, un tracker laser commercial et ses accessoires coûtent jusqu’à 90 000 $ US, et le faisceau laser est facilement occluded pendant le mouvement des robots. Une autre solution prometteuse est le système de mesure de la vision, qui peut fournir la mesure de pose 6D de l’effecteur final avec une précision considérable à un faible coût. La pose est appelée la combinaison de la position 3D et de l’orientation 3D de l’effecteur final par rapport au cadre de base du robot. Le CMM optique (voir Tableau des matériaux) est un capteur visuel à double caméra. En observant plusieurs cibles réflecteurs fixées sur les effets finaux des deux robots, les poses relatives entre les robots peuvent être mesurées en temps réel. Le CMM optique a été appliqué avec succès à l’étalonnage robotique¹¹ et au suivi dynamique des trajectoires¹² et est donc introduit pour fournir la mesure de rétroaction aux systèmes de contrôle en boucle fermée du système CCM proposé dans cette étude.

La qualité du produit composite final dépend en grande partie de la façon dont la voie de fibre originale est générée pour l’AFP^13,14. Le processus de génération de chemins est normalement effectué à l’aide d’un logiciel de programmation hors ligne. Le chemin généré se compose d’une série de points d’étiquette sur le mandrel, qui indiquent la pose de la tête de placement de fibre. Contrairement à d’autres applications de planification de trajectoire telles que le dépôt de peinture, le polissage ou l’usinage, où différents types de chemins de couverture sont possibles, le choix est limité dans le cas de l’AFP, puisque la fibre est continue et qu’il n’est pas possible d’effectuer des changements de direction (coins pointus) sans l’endommager et la tête de placement doit être maintenue dans la norme de la surface des pièces. Le premier développement de la technique de génération de trajectoire pour l’AFP a été concentré sur la fabrication de grands panneaux plats⁵ avant de se déplacer vers la fabrication des objets de formes 3D telles que les surfaces courbes ouvertes ou cônes^{5, 14}. Mais aucune méthodologie pratique n’a été développée pour générer des chemins hors ligne pour les pièces avec des géométries complexes telles que la forme Y ou les autres formes. Par conséquent, un algorithme efficace de planification des voies pour les pièces avec des surfaces à contours complexes est conçu pour assurer une mise en place uniforme des fibres ultérieures sans lacunes ou chevauchements dans nos recherches précédentes¹⁵. Compte tenu de la praticité et de l’efficacité de l’algorithme de génération de trajectoire, seul le robot de série 6-DoF avec la tête de placement et l’étape de rotation 1-DoF comme le support de mandrel sont considérés comme le système cible pour trouver la planification optimale de trajectoire dans l’espace commun avec des critères de temps minimum. Il pourrait être trop compliqué et trop long de générer la trajectoire hors ligne pour l’ensemble du système 13 DoF CCM en raison du calcul cinématique lourd et de la prise en compte de diverses contraintes comme les singularités, les collisions, le changement de direction en douceur et maintenir la tête de placement dans la norme de la surface des pièces, etc.

La planification de trajectoire hors ligne proposée peut générer la référence servo pour le robot de série 6 DoF et l’étape de rotation respectivement avec le calendrier exact. Même avec cette planification hors ligne de trajectoire, il pourrait être impossible de générer un chemin faisable sous toutes les contraintes pour certaines pièces de géométrie. En outre, les erreurs de positionnement des robots peuvent provoquer les robots à entrer en collision avec le mandrel ou un autre dispositif dans l’environnement de travail. La modification du chemin en ligne est mise en œuvre en fonction de la rétroaction visuelle du CMM optique. Par conséquent, l’algorithme de correction de pose en ligne est proposé pour corriger la trajectoire du robot parallèle et régler un décalage correspondant sur le chemin du robot en série simultanément à travers la rétroaction visuelle. Lorsque la collision et d’autres contraintes sont détectées, la pose relative entre les deux robots est également maintenue inchangée tout en suivant la trajectoire générée hors ligne. Grâce à la correction du chemin en ligne, le système CCM peut éviter ces points en douceur sans aucune terminaison. Grâce à la flexibilité du robot parallèle, les décalages de correction 6D peuvent être générés en ce qui concerne différentes contraintes. Ce manuscrit présente une procédure de fonctionnement détaillée du système CCM à l’aide d’un algorithme de correction de pose en ligne.

Protocol

1. Définitions de cadres du système CCM REMARQUE: Le CMM optique est un capteur à double caméra, qui peut suivre l’objet avec un ensemble rigide de réflecteurs comme les cibles en temps réel. Le principe de placement de ces cibles est que les cibles sont bloquées aux endroits asymétriques avec une certaine distance entre elles. Les cibles doivent être fixées sur les robots ou la tête de placement et rester dans le champ de vision (FOV) de l’optique CMM. Au moins quatre cibles doivent …

Representative Results

L’expérience vise à démontrer le processus de réalisation du mouvement de pose de la fibre sur le mandrel en forme de Y du système CCM proposé. Le processus se déroule en trois étapes : la génération de chemins; décomposition de la trajectoire; et la singularité et l’évitement des contraintes. Génération de cheminNormalement, l’orientation standard est utilisée dans l’industrie pour définir …

Discussion

Les résultats expérimentaux montrent le processus de fabrication des angles de placement de 90 degrés du système CCM conçu. Les méthodologies proposées dans ce document peuvent être utilisées pour poser la fibre avec des angles de placement de ply de 0 et 45 degrés sur le mandrel avec Y-Shape et d’autres formes. Alors que le contrôleur intégré du robot de série est capable de fournir la caractéristique d’évitement de singularité¹⁷, seul le mouvement linéaire de l’effecteur final …

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