Fonctionnement du système de fabrication composite collaborative (CCM)

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.