开发了一种用于预浸料带自动铺放的协作式复合材料制造系统。该系统能够制造具有高度几何复杂性的复合材料层压板。所提出的方法解决了路径规划、机器人协调与控制中的各项问题。
本文内容
摘要
摘要
自动铺带和自动纤维铺放（AFP）设备相比传统的手工纤维铺放，能够提供更安全的工作环境并降低工人的劳动强度。因此，复合材料制造的生产精度、重复性和效率得到显著提升。然而，目前的AFP系统仅能制造具有大面积开放表面或简单回转体的复合材料构件，无法满足工业界对小型复杂结构或封闭结构日益增长的需求。
本研究通过采用一个1自由度（DoF）旋转台、一个6-RSS并联机器人和一个6自由度串联机器人，可显著提高自动铺放（AFP）系统在制造复杂复合材料构件时的灵活性。安装在并联机器人上的旋转台用于夹持芯模，而串联机器人则携带铺放头，二者协同工作，模拟两只具有足够灵活性的人手，将纤维精确铺设到具有复杂轮廓的芯模上。
尽管CCM系统提高了复合材料制造的灵活性，但在考虑奇异性、纤维铺放头与芯模之间的碰撞、纤维方向的平滑变化以及保持纤维铺放头沿零件表面法线方向等约束条件的情况下，生成可行的离线路径往往非常耗时，甚至难以实现。此外，由于机器人存在定位误差，还需进行在线路径修正。因此，本文提出了一种在线位姿修正算法，通过视觉反馈对并联与串联机器人路径进行修正，并在离线路径规划出现约束或奇异性问题时，保持两机器人之间的相对路径不变。实验结果表明，所设计的CCM系统能够完成制造复合材料结构所需的运动 Y-形状。
引言
近年来，各行业对高性能复合材料结构日益增长的需求极大地推动了复合材料制造技术的发展1,2。传统的手工生产方式已无法满足新兴工业对高效率、高精度和高质量的要求。这一局限性促进了诸如自动铺丝（AFP）系统等新型制造技术的发展。AFP技术利用预浸料自动制造复合材料结构，预浸料以条带形式存在，由浸渍了半聚合树脂的纤维带（如玻璃纤维、碳纤维等）组成。在AFP系统中，配备有加热和压实树脂预浸料功能的铺放头被安装在纤维铺放设备或工业机器人上。该纤维铺放设备或机器人携带铺放头在模具芯模表面移动，逐层铺设预浸料。在制造过程中，模具芯模作为成型模具，预浸料缠绕其表面以形成特定结构的复合材料部件，待部件固化后，芯模将被移除。现有的AFP系统可显著提高复合材料生产的效率和质量3,4,5。然而，由于系统自由度（DoF）不足以及轨迹生成困难，当前的AFP系统仍局限于平面、曲面或简单的回转体零件（如圆柱或圆锥）等开放表面的制造。特别是航空航天工业以及体育器材制造业，目前正关注该技术在更复杂几何结构制造中的应用，例如"Y"形管件或自行车车架等形成闭合回路的结构。
为了能够制造具有复杂几何形状....
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方案
1. CCM 系统的框架定义
注意：光学坐标测量机（CMM）是一种双相机传感器，可实时跟踪带有刚性反射靶标的物体。这些靶标的布置原则是将其粘贴在相互之间具有一定距离的非对称位置上。靶标需固定在机器人或放置头上，并始终处于光学CMM的视野（FOV）范围内。光学CMM在任何时候都必须同时观测到每个定义坐标系的至少四个靶标。并联机器人的基座坐标系、并联机器人的末端执行器坐标系以及串联机器人的工具坐标系分别记为 Fb、FtP 和 FtS。这些坐标系的定义如图1所示。由于并联机器人与串联机器人的基座坐标系是固定的，两者基座坐标系之间的变换矩阵可通过标定获得。
图1. 协同复合材料制造（CCM）系统装置。 CCM系统的硬件由一个6-RSS并联机器人、一个1自由度旋转台、一个6自由度串联机器人、一个铺放头以及光学三坐标测量机（CMM）组成。芯模被夹持在旋转....
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结果
本实验旨在演示在所提出的CCM系统Y形芯模上实现纤维铺放运动的过程。该过程分为三个步骤：路径生成、轨迹分解以及奇异点与约束规避。
路径生成
通常，工业上采用标准取向来定义层压板中各铺层的方向。本文中，铺层取向的定义需适应-形构件的几何特征。以芯模的中心轴线作为参考方向（即0°），针对实际复合材料工业应用，研究了三种不同的铺层取向：0°、45°和90°。以90°铺层取向的路径生成为例进行说明。90°铺层由螺旋线轨迹构成，其螺距等于复合材料带材的宽度，因此轨迹与参考方向的实际夹角接近90°。所生成的90°铺层能够连续覆盖两个分支，且可最大限度减少带材之间的重叠与间隙。如图5所示，构件的三个分支分别标记为A、B和C。第一条轨迹用于覆盖分支A和B，而分支C
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讨论
实验结果展示了所设计的 CCM 系统在 90° 铺放角度下的制造过程。本文提出的方法可用于在 Y 形及其他形状的芯模上铺设 0° 和 45° 铺放角度的纤维。尽管串联机器人的内置控制器能够提供避免奇异性的功能17，但仅支持末端执行器的线性运动。当末端执行器执行圆周运动任务时，该功能无法生效，因此无法保证生成的期望离线路径得以实现。此外，关节约束问题也无法通过内置控制器的功能解决。因此，本文提出了一种在线路径校正方法，通过为串联与并联机器人生成最优校正位姿，结合光学坐标测量机（CMM）反馈，保持两台机器人之间的相对路径沿预定的离线路径运行，以克服上述缺陷。关节极限与奇异性的触发条件指示了控制器发送运动指令信号以驱动并联机器人并相应调整串联机器人路径的时刻。当串联机器人出现约束或奇异状态时，将触发并联机器人的最优路径校正，其优化目标为最小化并联机器人的运动量。与现有的自动铺放（AFP）设备相比，CCM 系统具备制造复杂几何形状小型复合材料构件的潜力。
该方案中的关键步骤是生成位姿校正并将其输入至两个机器人。串联机器人的轨迹位姿校正由该机器.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本项目由加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）工业研究讲席资助，用于自动化复合材料制造，以及魁北克研究基金会–自然与技术（FRQNT）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AeroBasic | Aerotech | 运动控制软件 | |
| 协作式复合材料制造（CCM）系统 | 康考迪亚大学 | 提出了一种CCM系统，用于制造比当前自动铺放（AFP）系统更复杂的复合材料构件，此类构件对轨迹规划提出了更高要求。该系统由一个六自由度（DOF）串联机器人（用于承载纤维铺放头）、一个六自由度转动-球面-球面（RSS）并联机器人（其上安装有一个单自由度芯模夹持器）以及一个眼在手外的光学坐标测量机（CMM）传感器（即C-track）组成，用于检测并联机器人和串联机器人的末端执行器位姿。 | |
| C-track | Creaform公司 | 一种眼在手外的光学坐标测量机（CMM）传感器 | |
| Fanuc M-20iA | Fanuc公司 | 串联机器人 | |
| Matlab | MathWorks公司 | 一种多范式的数值计算软件 | |
| Quanser | Quanser公司 | 提供用于教学与科研的工程实验设备 | |
| VB | 微软公司 | Visual Basic | |
| Vxelements | Creaform公司 | C-track配套软件 |
参考文献
- Groppe, D. Robots Improve the Quality and Cost-effectiveness of Composite Structures. Industrial Robot: An International Journal. 27 (2), 96-102 (2000).
- Ahrens, M., Mallick, V., Parfrey, K. Robotic Based Thermoplastic Fibre Place....
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