Эксплуатация системы совместного композитного производства (CCM)

В последнее время растущая потребность в высокопроизводительных композитных структурах в различных отраслях промышленности в значительной степени способствовала развитию композитных производственных технологий^1,2. Традиционное ручное производство не может отвечать требованиям высокой эффективности, точности и качества развивающихся отраслей. Этот аспект способствовал разработке новых производственных технологий, таких, как системы АФП. Технология AFP автоматизирует производство композитных материальных структур с использованием препрегов, которые присутствуют в виде полосок, состоящих из пропитанных волоконных лент (стекло, углерод и т.д.) полуполимеризованной мели. В системе AFP, осаждение голову с возможностью отопления и уплотнения препрегоны сготавли на волоконно-оптической машины размещения или промышленного робота. Машина размещения волокна или робот нося головку осаждения кладет вверх prepregs пересекая поверхность mandrels инструмента. В процессе изготовления, инструментальный мандрель используется в качестве плесени, чтобы быть раны вокруг prepregs сформировать определенную структуру композитной части. Мандрель будет удалена после того, как часть вылечена. Современные системы AFP могут значительно повысить эффективность и качество производства композитных материалов^3,4,5. Тем не менее, они ограничиваются производством открытых поверхностей, представляющих плоскую или контурную поверхность, или простых частей революции, таких как цилиндры или конусы из-за недостаточного DoF системы и трудности в генерации траекторий. В частности, аэрокосмическая промышленность и производство спортивного оборудования теперь заинтересованы в этой технике для производства конструкций с более сложной геометрией, таких как трубки “Y” или конструкции, образующие замкнутые петли, такие как велосипедные рамы.

Чтобы иметь возможность производить конструкции со сложной геометрией, гибкость системы AFP должна быть улучшена. Например, система 8 DoF AFP была предложена⁶ путем добавления линейной дорожки к 6 DoF промышленного робота и вращательной стадии к платформе холдинга mandrel. Однако система по-прежнему не подходит для изготовления вышеупомянутых деталей со сложной геометрией. Совместная роботизированная система, состоящая из двух роботов, является перспективным решением для повышения ловкости, используя одного робота для удержания головы размещения волокна на конечном-эффекторе и другого робота для удержания мандрия. Двухсерийный робот совместной системы не может решить проблему размещения волокна, так как серийные роботы, как правило, деформировать и терять точность из-за его кантилевер структуры, учитывая вес mandrel и уплотнения силы⁷. По сравнению с серийными роботами, 6 параллельных роботов DoF, которые были использованы в симуляторе полета и медицинских инструментов, пользуются лучшей жесткостью и точностью⁸. Поэтому для обработки сложных конструкций, изготавливающих в этой бумаге, строится параллельно-серийная система совместного робота, в дополнение к вращающейся стадии, установленной на платформе параллельного робота.

Тем не менее, построенная совместная роботизированная система дает трудности в проектировании контроллера для каждого робота для удовлетворения высокой точности требования размещения волокна. Точное измерение положения конечного эффектора может быть достигнуто с помощью лазерной системы слежения, которая обычно используется для руководства промышленного робота в различных аэрокосмических приложений бурения^9,10. Хотя система лазерного слежения может обеспечить высокое точное измерение положения, основные недостатки заключаются в стоимости системы и проблеме окклюзии. Лазерная система слежения стоит дорого, например, коммерческий лазерный трекер и его аксессуары стоят до 90 000 долларов США, а лазерный луч легко окклюзии во время движения роботов. Другим перспективным решением является система измерения зрения, которая может обеспечить 6D-измерение позы конечного эффектора со значительной точностью при низкой стоимости. Поза называется сочетанием 3D-позиции и 3D-ориентации конечного эффектора по отношению к базовой раме робота. Оптический CMM (см. Таблица материалов) является двойной камеры на основе визуального датчика. Наблюдая несколько целей отражателя, прикрепленных на конечных эффекторах двух роботов, относительные позы между роботами могут быть измерены в режиме реального времени. Оптический CMM был успешно применен к роботизированной калибровке¹¹ и динамическому отслеживанию пути¹² и, таким образом, вводится для обеспечения измерения обратной связи с системами управления замкнутым циклом предлагаемой системы СКК в данном исследовании.

Качество конечного композитного продукта во многом зависит от того, как исходный путь волокна генерируется для AFP^13,14. Процесс генерации путей обычно выполняется с помощью программного обеспечения для программирования в автономном режиме. Сгенерированный путь состоит из ряда точек тегов на мандреле, которые указывают на позу головы размещения волокна. В отличие от других приложений планирования траектории, таких как осаждение краски, полировка или обработка, где возможны различные типы путей покрытия, выбор ограничен в случае AFP, так как волокно непрерывно и невозможно выполнить резкий изменения в направлении (острые углы) без повреждения его и размещения головы должны быть сохранены в норме поверхности частей. Первое развитие метода генерации траектории для AFP было сосредоточено на производстве больших плоских панелей⁵ перед переходом к производству объектов 3D-форм, таких как открытые изогнутые поверхности или конусы^{5, 14}. Но не была разработана практическая методология для создания офлайн-пути для деталей со сложными геометриями, такими как Y-образная форма или другие фигуры. Таким образом, эффективный алгоритм планирования путей для деталей со сложными контурными поверхностями предназначен для обеспечения равномерной укладки последующих волокон без зазоров или перекрытий в нашем предыдущем исследовании¹⁵. Учитывая практичность и эффективность алгоритма генерации пути, только 6-DoF серийный робот с головкой размещения и 1-DoF вращательной стадии, как держатель mandrel считаются целевой системой, чтобы найти оптимальное планирование траектории в совместное пространство с минимальными критериями времени. Это может быть слишком сложным и трудоемким для создания автономной траектории для всей 13 DoF CCM системы из-за тяжелых расчета кинематики и рассмотрения различных ограничений, таких как сингулярности, столкновения, плавное изменение направления и сохранение размещения головы в норме поверхности частей и т.д.

Предлагаемое автономное планирование траектории может генерировать сервопривод для серийного робота 6 DoF и этап вращения соответственно с точными сроками. Даже при таком автономном планировании траектории может быть невозможно создать возможный путь при всех ограничениях для определенных частей геометрии. Кроме того, ошибки позиционирования роботов могут привести к тому, что роботы столкнутся с мандрелем или другим устройством в рабочей среде. Он-лайн изменение пути осуществляется на основе визуальной обратной связи от оптического CMM. Поэтому он-лайн алгоритм коррекции позы предлагается скорректировать путь параллельного робота и настроить соответствующее смещение на траекторию серийного робота одновременно с помощью визуальной обратной связи. При обнаружении столкновения и других ограничений относительная поза между двумя роботами также остается неизменной при следовании по автономному сгенерированному пути. Благодаря коррекции он-лайн пути система СКК может избежать этих точек плавно без какого-либо прекращения. Благодаря гибкости параллельного робота, 6D-коррекция смещения могут быть созданы в связи с различными ограничениями. Данная рукопись представляет детальную процедуру работы системы СКК с использованием алгоритма коррекции позе в режиме он-лайн.