Werking van het collaborative Composite Manufacturing (CCM) systeem

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.