Funzionamento del sistema di produzione composita collaborativa (CCM)

Summary

Un sistema di produzione di composito collaborativo è sviluppato per la deposizione robotica di laminati compositi utilizzando il nastro prepreg. Il sistema proposto permette la produzione di laminati compositi con alti livelli di complessità geometrica. Le questioni relative alla pianificazione del percorso, al coordinamento dei robot e al controllo sono affrontate nel metodo proposto.

Abstract

Il posizionamento automatico del nastro e le macchine per il posizionamento automatico della fibra (AFP) forniscono un ambiente di lavoro più sicuro e riducono l’intensità di manodopera dei lavoratori rispetto al tradizionale posizionamento manuale in fibra. Pertanto, l’accuratezza della produzione, la ripetibilità e l’efficienza della produzione composita sono notevolmente migliorate. Tuttavia, gli attuali sistemi AFP possono produrre solo i componenti compositi con grandi superfici aperte o semplici parti di rivoluzione, che non possono soddisfare il crescente interesse per piccole strutture complesse o chiuse dell’industria.

In questa ricerca, impiegando uno stadio di rotazione di 1 grado di libertà (DoF), un robot parallelo 6-RSS e un robot seriale a 6 DoF, la destrezza del sistema AFP può essere notevolmente migliorata per la produzione di parti composite complesse. Il palco rotazionale montato sul robot parallelo viene utilizzato per tenere il mandrel e il robot seriale porta la testa di posizionamento per imitare due mani umane che hanno abbastanza destrezza per posare la fibra al mandrino con contorno complesso.

Anche se il sistema CCM aumenta la flessibilità della produzione di composito, è piuttosto dispendioso in termini di tempo o addirittura impossibile generare il percorso off-line fattibile, che garantisce una posa uniforme delle fibre successive considerando i vincoli come singolarità, collisioni tra la testa di posizionamento della fibra e mandrel, liscia fibra direzione cambiare e mantenere la testa di posizionamento fibra lungo la norma della superficie della parte, ecc. Inoltre, a causa dell’errore di posizionamento esistente dei robot, è necessaria la correzione del percorso on-line. Pertanto, si propone l’algoritmo di correzione della posa on-line per correggere i percorsi dei robot paralleli e seriali e per mantenere invariato il percorso relativo tra i due robot attraverso il feedback visivo quando il vincolo o i problemi di singolarità si verifica la pianificazione del percorso off-line. I risultati sperimentali dimostrano che il sistema CCM progettato è in grado di soddisfare il movimento necessario per la produzione di una struttura composita con forma Y.

Introduction

Recentemente, la crescente necessità di strutture composite ad alte prestazioni in vari settori ha fortemente guidato lo sviluppo delle tecnologie di produzione composita^1,2. La produzione manuale tradizionale non è in grado di soddisfare l’elevata efficienza, accuratezza e requisiti di qualità dell’industria emergente. Questo aspetto ha incoraggiato lo sviluppo di nuove tecnologie di produzione come i sistemi AFP. La tecnologia AFP automatizza la produzione di strutture di materiali compositi utilizzando prepreg, che sono presenti sotto forma di strisce composte da nastri in fibra impregnata (vetro, carbonio, ecc.) di resina semipolimerizzata. Nel sistema AFP, una testa di deposizione con la capacità di riscaldare e compattare i prepreg di resina è montata su una macchina per il posizionamento della fibra o su un robot industriale. La macchina per il posizionamento della fibra o il robot che trasporta la testa di deposizione depone i prepreg che attraversano la superficie dei mandrel utensili. Nel processo di fabbricazione, il mandrel utensile viene utilizzato come stampo da ferire intorno ai prepreg per formare una certa struttura di parte composita. Il mandrel verrà rimosso dopo la cura della parte. Gli attuali sistemi AFP possono migliorare significativamente l’efficienza e la qualità della produzione di materiali compositi^3,4,5. Tuttavia, sono limitati alla produzione delle superfici aperte che presentano una superficie piatta o sagomata, o semplici parti di rivoluzione come cilindri o coni a causa dell’insufficiente DoF del sistema e delle difficoltà nella generazione di traiettorie. In particolare, l’industria aerospaziale e le industrie di produzione delle attrezzature sportive sono ora interessate a questa tecnica per la produzione di strutture con geometrie più complesse, come tubi “Y” o le strutture che formano a circuito chiuso come telai per biciclette.

Per poter produrre le strutture con geometrie complesse, occorre migliorare la flessibilità del sistema AFP. Ad esempio, un sistema 8 DoF AFP è stato proposto⁶ aggiungendo una traccia lineare a un robot industriale DoF 6 e una fase di rotazione alla piattaforma di tenuta mandrel. Tuttavia, il sistema non è ancora adatto per la produzione delle parti di cui sopra con geometrie complesse. Il sistema robotico collaborativo composto da due robot è una soluzione promettente per aumentare la destrezza impiegando un robot per tenere la testa di posizionamento della fibra alla fine dell’effettore e un altro robot per tenere il mandrel. Il sistema collaborativo a due seriali-robot potrebbe non risolvere il problema del posizionamento della fibra, dal momento che i robot seriali tendono a deformarsi e perdere la precisione a causa della sua struttura a sbalzo, considerando il peso del mandrel e la forza di compattazione⁷. Rispetto ai robot seriali, 6 robot paralleli DoF, che sono stati utilizzati nel simulatore di volo e negli strumenti medici, godono di una migliore rigidità e precisione⁸. Pertanto, un sistema robot collaborativo parallelo-seriale, in aggiunta a un palco rotazionale montato sulla piattaforma del robot parallelo, è costruito per la gestione delle strutture complesse che producono in questo documento.

Tuttavia, il sistema robotico collaborativo costruito offre difficoltà nella progettazione del controller per ogni robot per soddisfare il requisito di alta precisione del posizionamento della fibra. La misurazione accurata della posizione dell’effettore finale potrebbe essere ottenuta utilizzando il sistema di tracciamento laser, comunemente utilizzato per guidare il robot industriale in varie applicazioni di perforazione aerospaziale^9,10. Anche se il sistema di tracciamento laser può fornire un’elevata misurazione accurata della posizione, i principali inconvenienti riguardano il costo del sistema e il problema dell’occlusione. Il sistema di tracciamento laser è costoso, ad esempio, un laser tracker commerciale e i suoi accessori costano fino a 90.000 dollari, e il raggio laser è facilmente occluso durante il movimento dei robot. Un’altra soluzione promettente è il sistema di misurazione della visione, che può fornire la misurazione della posa 6D dell’effetto recisivo finale con una notevole precisione a basso costo. La posa è indicata come la combinazione della posizione 3D e dell’orientamento 3D dell’effetto finale rispetto al telaio di base del robot. Il CMM ottico (vedi Tabella dei materiali)è un sensore visivo basato su doppia fotocamera. Osservando diversi obiettivi riflettori attaccati agli effetti finali dei due robot, le pose relative tra i robot possono essere misurate in tempo reale. La CMM ottica è stata applicata con successo alla calibrazione robotica¹¹ e al tracciamento dinamico del percorso¹² e quindi viene introdotta per fornire la misurazione del feedback ai sistemi di controllo a circuito chiuso del sistema CCM proposto in questo studio.

La qualità del prodotto composito finale dipende in gran parte da come viene generato il percorso in fibra originale per l’AFP^13,14. Il processo di generazione del percorso viene normalmente eseguito utilizzando software di programmazione off-line. Il percorso generato è costituito da una serie di tag point sul mandrel, che indicano la posa della testa di posizionamento della fibra. A differenza di altre applicazioni di pianificazione della traiettoria come la deposizione della vernice, la lucidatura o la lavorazione, dove sono possibili diversi tipi di percorsi di copertura, la scelta è limitata nel caso di AFP, poiché la fibra è continua e non è possibile eseguire cambiamenti di direzione (angoli taglienti) senza danneggiarlo e la testa di posizionamento deve essere mantenuta nella norma della superficie delle parti. Il primo sviluppo della tecnica di generazione della traiettoria per AFP si è concentrato sulla produzione di grandi pannelli piatti⁵ prima di spostarsi verso la produzione gli oggetti di forme 3D come superfici curve aperte o coni^{5, 14.}Ma non è stata sviluppata alcuna metodologia pratica per generare percorsi off-line per le parti con geometrie complesse come la forma A o le altre forme. Pertanto, un algoritmo di pianificazione del percorso efficace per le parti con superfici a contorno complesso è progettato per garantire una posa uniforme delle fibre successive senza spazi o sovrapposizioni nella nostra precedente ricerca¹⁵. Considerando la praticità e l’efficacia dell’algoritmo di generazione del percorso, solo il robot seriale 6-DoF con la testa di posizionamento e la fase di rotazione 1-DoF in quanto il supporto mandrel è considerato come il sistema target per trovare la pianificazione ottimale della traiettoria spazio comune con criteri di tempo minimi. Potrebbe essere troppo complicato e dispendioso in termini di tempo generare la traiettoria off-line per l’intero sistema CcM DoF 13 a causa del pesante calcolo della cinematica e della considerazione di vari vincoli come singolarità, collisioni, cambio di direzione uniforme e mantenendo la testa di posizionamento nella norma della superficie delle parti, ecc.

La proposta di pianificazione della traiettoria off-line può generare il servo riferimento per il robot seriale 6 DoF e la fase di rotazione rispettivamente con tempi esatti. Anche con questa pianificazione della traiettoria off-line, potrebbe essere impossibile generare un percorso fattibile sotto tutti i vincoli per alcune parti geometriche. Inoltre, gli errori di posizionamento dei robot possono far sì che i robot collidano con il mandrel o un altro dispositivo nell’ambiente di lavoro. La modifica del percorso on-line viene implementata in base al feedback visivo della CMM ottica. Pertanto si propone l’algoritmo di correzione della posa on-line per correggere il percorso del robot parallelo e per sintonizzare contemporaneamente un offset corrispondente sul percorso del robot seriale attraverso il feedback visivo. Quando la collisione e altri vincoli vengono rilevati, anche la posa relativa tra i due robot viene mantenuta invariata mentre segue il percorso generato off-line. Attraverso la correzione del percorso on-line, il sistema CCM può evitare questi punti senza alcuna terminazione. Grazie alla flessibilità del robot parallelo, gli offset di correzione 6D possono essere generati rispetto ai diversi vincoli. Questo manoscritto presenta una procedura operativa dettagliata del sistema CCM utilizzando l’algoritmo di correzione della posa on-line.

Protocol

1. Definizioni dei fotogrammi del sistema CCM NOTA: L’ottico CMM è un sensore a doppia fotocamera, in grado di tracciare l’oggetto con un set rigido di riflettori come bersagli in tempo reale. Il principio di posizionamento di questi obiettivi è che gli obiettivi sono bloccati in posizioni asimmetriche con una certa distanza tra di loro. Gli obiettivi devono essere fissati sui robot o sulla testa di posizionamento e rimanere nel campo visivo (FOV) della CMM ottica. Almeno quattro bersagli devo…

Representative Results

L’esperimento mira a dimostrare il processo di realizzazione del movimento di posa della fibra sul mandrel a forma di Y del sistema CCM proposto. Il processo viene eseguito in tre fasi: generazione del percorso; decomposizione della traiettoria; e singolarità ed elusione dei vincoli. Generazione del percorsoNormalmente, l’orientamento standard viene utilizzato nell’industria per definire i diversi strati de…

Discussion

I risultati sperimentali mostrano il processo di produzione di 90 gradi di posizionamento dello strato del sistema CCM progettato. Le metodologie proposte in questo documento possono essere utilizzate per disporre la fibra con angoli di posizionamento dello strato di 0 e 45 gradi sul mandrel con forma Y e altre forme. Mentre il controller integrato del robot seriale è in grado di fornire la funzione di prevenzione della singolarità^17,è supportato solo il movimento lineare dell’effettivo finale….

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