協調複合製造(CCM)システムの運用

近年、様々な産業における高性能複合構造のニーズの高まりが、複合製造^技術1,2の開発を大きく牽引している。従来の手動生産は、新興産業の高効率、精度、品質要件を満たすことができません。この側面は、AFPシステムなどの新しい生産技術の開発を奨励しています。AFP技術は、半重合樹脂の含浸繊維テープ(ガラス、炭素など)で構成されるストリップの形で存在するプリプレグを使用して複合材料構造の生産を自動化します。AFPシステムでは、樹脂プリプレグを加熱および圧縮する能力を持つ堆積ヘッドが繊維配置機または産業用ロボットに搭載されている。堆積ヘッドを運ぶ繊維配置機またはロボットは、ツーリングマンドレルの表面を横断するプリプレグを敷設する。製造の過程で、ツーリングマンドレルは、複合部品の特定の構造を形成するためにプリプレグによって巻き付かれる金型として使用される。マンドレルは、部品が硬化した後に除去されます。現在のAFPシステムは、複合^{材料3、4、5}の生産の効率と品質を大幅に改善することができます。しかし、それらは平らなまたは輪郭を描かれた表面を示す開いた表面の生産、またはシステムの不十分なDoFおよび軌道を生成することの困難によるシリンダーまたは円錐のような簡単な回転部品の生産に限定される。特に、航空宇宙産業やスポーツ用品の生産産業は、「Y」チューブや自転車フレームなどの閉ループを形成する構造物など、より複雑な形状を持つ構造物の生産に関心を持っています。

複雑な形状を持つ構造物を製造するには、AFPシステムの柔軟性を向上させる必要があります。例えば、8 DoF AFPシステムは、6 DoF産業用ロボットに直線トラックを追加し、マンドレル保持プラットフォームに回転ステージを追加^{することによって6}を提案している。ただし、システムは、複雑なジオメトリを持つ上記の部品の製造には適していません。2台のロボットで構成される協調ロボットシステムは、エンドエフェクタに繊維配置ヘッドを保持するロボットとマンドレルを保持する別のロボットを採用することで、器用さを高める有望なソリューションです。2シリアルロボット協調システムは、マンドレルの重量と圧縮^力7を考慮すると、シリアルロボットは片持ち構造に起因して変形し、精度を失う傾向があるので、繊維配置の問題を解決できない場合があります。シリアルロボットと比較して、フライトシミュレータや医療用具で利用されている6 DoF並列ロボットは、より良い剛性と^精度8を楽しんでいます。そこで、並列式協調ロボットシステムは、並列ロボットのプラットフォームに搭載された回転ステージに加えて、本稿で製造する複雑な構造を処理するために構築される。

しかし、組み込まれた協調ロボットシステムは、繊維配置の高精度要件を満たすために、各ロボットのコントローラを設計するのが困難です。エンドエフェクタの正確な位置測定は、様々な航空宇宙掘削^{アプリケーション9、10}で産業用ロボットを導くために一般的に使用されるレーザー追跡システムを使用することによって達成することができる。レーザートラッキングシステムは高精度な位置測定を提供できますが、主な欠点はシステムのコストと閉塞の問題にあります。レーザートラッキングシステムは、例えば、市販のレーザートラッカーとそのアクセサリーは90,000米ドルまでの費用がかかり、レーザービームはロボットの動き中に簡単に遮蔽されます。もう一つの有望な解決策は、低コストでかなりの精度でエンドエフェクタの6Dポーズ測定を提供できるビジョン測定システムです。ポーズは、ロボットのベース フレームに対するエンド エフェクタの 3D 位置と 3D 方向の組み合わせと呼ばれます。光学CMM(材料の表を参照)は、デュアルカメラベースのビジュアルセンサーです。2台のロボットのエンドエフェクタに取り付けられた複数のリフレクターターゲットを観察することで、ロボット間の相対的なポーズをリアルタイムで測定できます。光学CMMは、ロボットキャリブレーション11および動的経路^{トラッキング12}に正常に適用され、本研究で提案されたCCMシステムの閉ループ制御システムにフィードバック測定を提供するために導入された。

最終複合製品の品質は、AFP^13,14に対して元のファイバ パスがどのように生成されるかに大きく依存します。パス生成プロセスは、通常、オフラインプログラミングソフトウェアを使用して実行されます。生成されたパスは、マンドレル上の一連のタグ ポイントで構成され、繊維配置ヘッドのポーズを示します。塗料の堆積、研磨、加工など、異なるタイプのカバレッジパスが可能な他の軌道計画アプリケーションとは異なり、AFPの場合は選択が制限されています。方向(鋭角コーナー)の変化は、それを損傷することなく、配置ヘッドは、部品の表面の標準に保たれるべきです。AFPの軌道生成技術の最初の開発は、開いた曲面やコーン5などの3D形状のオブジェクトの製造に向かう前に、大型フラット^{パネル5の製造に集中してきました。14.}しかし、Y字形やその他の形状のような複雑な形状を持つ部品のオフラインパスを生成するための実用的な方法論は開発されていません。したがって、複雑な輪郭を描かれた表面を有する部品に対する効果的なパス計画アルゴリズムは、以前の^研究15でギャップや重なりのない後続の繊維の均一なレイアップを確保するように設計されている。パス生成アルゴリズムの実用性と有効性を考慮すると、マンドレルホルダーとしての配置ヘッドと1-DoF回転ステージを備えた6-DoFシリアルロボットのみが、最適な軌道計画を見つけるためのターゲットシステムと考えられています。最小時間基準を持つジョイントスペース。重いキネマティクス計算と特異点、衝突、滑らかな方向変化などの様々な制約の考慮のために、13 DoF CCMシステム全体のオフライン軌道を生成するには複雑で時間がかかりすぎる可能性があります。パーツ表面等の標準に配置ヘッドを保持します。

提案されたオフライン軌道計画は、6 DoFシリアルロボットのサーボリファレンスと回転ステージをそれぞれ正確なタイミングで生成できます。このオフライン軌道計画を使用しても、特定のジオメトリ パーツのすべての拘束の下で実現可能なパスを生成することは不可能な場合があります。さらに、ロボットの位置決めエラーにより、ロボットが作業環境でマンドレルや他のデバイスと衝突する可能性があります。オンラインパスの変更は、光学CMMからの視覚的フィードバックに基づいて実装されます。そこで、並列ロボットの経路を補正し、視覚的フィードバックを通じてシリアルロボットの経路上の対応するオフセットを同時に調整する、オンラインポーズ補正アルゴリズムが提案される。衝突やその他の拘束が検出されると、2 つのロボット間の相対的なポーズも、オフラインで生成されたパスに従いながら変更されません。CCMシステムは、オンラインパスの補正を通じて、これらのポイントを終了することなくスムーズに回避できます。並列ロボットの柔軟性により、6D補正オフセットは異なる制約に対して生成できます。本原稿では、ラインポーズ補正アルゴリズムを用いてCCMシステムの詳細な操作手順を提示する。