Fonctionnement du système de fabrication composite collaborative (CCM)
1 octobre 2019
Un système de fabrication composite collaboratif est développé pour la mise en place robotique de stratifiés composites à l'aide de la bande prepreg. Le système proposé permet la production de stratifiés composites avec des niveaux élevés de complexité géométrique. Les questions de planification du parcours, de coordination des robots et de contrôle sont abordées dans la méthode proposée.
Les machines automatisées actuelles de place de fibre ne peuvent produire que de grandes pièces à surface ouverte, qui ne peuvent pas répondre à l’intérêt croissant pour les petites structures complexes de l’industrie. En utilisant une phase de rotation, un robot parallèle et des robots en série, la dextérité d’une machine de placement de fibres peut être considérablement améliorée pour la fabrication de pièces composites complexes. Pengcheng Li, doctorante de mon laboratoire, démontrera la procédure.
Commencez par charger le fichier de définition de trame à travers le logiciel du CMM optique. Cliquez sur Positionnement et Détection des cibles, et sélectionnez les cibles qui sont fixées sur les moteurs du robot parallèle. Cliquez sur Accepter d’utiliser ces cibles comme référence de positionnement de l’ensemble du système, et, dans la liste des entités, cliquez sur Cadre de base, et sélectionnez Faire de ce cadre de référence l’origine.
Pour définir le modèle de suivi du cadre de la plate-forme de l’effecteur final, sélectionnez modèles de suivi, cliquez sur Le modèle Détecter et sélectionnez les cibles fixées sur la plate-forme d’effecteur final du robot parallèle. Cliquez sur Accepter et cliquez sur Les modèles de suivi. Sélectionnez UpPlatform dans le drop-down, et cliquez sur Up Frame.
Cliquez ensuite sur Appliquer et fichier, exporter et suivre le modèle, et entrez un nom de fichier pour enregistrer le modèle de suivi. Pour définir le modèle de suivi du cadre de l’outil, sélectionnez les modèles de suivi et détectez le modèle, et sélectionnez les cibles fixées sur le cadre de l’outil du robot en série. Cliquez sur Accepter, et cliquez sur les modèles de suivi et SerTool.
Ensuite, sélectionnez SerToolFrame dans la liste de drop-down, cliquez sur Appliquer, enregistrer le modèle de suivi défini. Pour préparer l’étape de rotation, chargez l’interface de commande intégrée programmée par langage de programmation piloté par événement sur l’ordinateur A, et cliquez sur Connect pour connecter le contrôleur de l’étape de rotation. Cliquez sur Activer pour connecter le moteur de l’étape de rotation, et cliquez sur Accueil pour déplacer l’étape de rotation vers la position d’accueil.
Pour préparer le robot en série, alimenter le contrôleur robotique en série et cliquer sur Connectez-vous sur l’interface de commande intégrée pour connecter le serveur robot. Pour préparer le CMM optique, la puissance sur le contrôleur optique CMM, et attendre jusqu’à ce que l’écran du contrôleur montre Prêt. Cliquez sur Connectez-vous sur l’interface de commande intégrée pour connecter le CMM optique via l’interface de programmation de l’application, et importer les modèles construits dans la première section, qui incluent le modèle de base, le modèle de plate-forme supérieure et le modèle d’effecteur final du robot sériel.
Cliquez sur Ajouter séquence, et ajouter la séquence relative entre les modèles si nécessaire. Cliquez ensuite sur Démarrer le suivi pour suivre la pose des modèles. Pour préparer le robot parallèle, puissance sur le contrôleur de robot parallèle.
Chargez le SerialPort_Receive programme et sélectionnez le mode Normal. Chargez le programme Para Remote Control et sélectionnez le mode Externe. Cliquez ensuite sur Build incrémentiel pour vous connecter à la cible, et cliquez sur Démarrer la simulation des deux programmes pour para paraize le contrôleur du robot parallèle.
Pour générer le chemin hors ligne, chargez l’interface de planification de chemin à travers le logiciel informatique numérique, et cliquez sur Import STL pour sélectionner le fichier de pièce. Cliquez sur Segmentation et Ajouter la région de travail, et sélectionnez la région sur l’extraction des cylindres. Réglez le curseur à 100% et cliquez sur Extract Cylinders et Ajouter la région de travail pour sélectionner la branche de départ du chemin.
Cliquez sur Générer le chemin et sélectionnez Angle de placement constant dans la fenêtre popup. Réglez ensuite l’angle de placement désiré à 90 degrés, et sélectionnez le point rouge. Pour afficher le chemin généré, dans le menu Sélectionnez un path dropdown, sélectionnez le chemin, puis enregistrez le fichier.
Pour initier une décomposition de trajectoire, exécutez la fonction Methode Jacobienne dans le logiciel informatique numérique et ouvrez le fichier de chemin souhaité. Entrez le numéro de chemin désiré. Le premier point de la trajectoire sera calculé.
Sélectionnez ensuite la configuration d’intérêt pour que le manipulateur atteigne cette pose. Lorsque la configuration est terminée, un graphique montrant l’évolution des valeurs communes sera affiché, et un fichier contenant la trajectoire du robot en série et l’étape de rotation seront générés. Pour exécuter un chemin hors ligne sans algorithme de modification de chemin, appuyez sur Sélectionnez sur le pendentif d’enseignement et sélectionnez le nom du fichier importé.
Appuyez sur Entrez pour charger le fichier de chemin, et tournez le commutateur du contrôleur robot en mode Automatique. Allumez/éteignez le pendentif d’enseignement et appuyez sur Cycle Démarrer sur le contrôleur du robot en série pour exécuter le chemin. Cliquez ensuite sur Cooperative Move dans le panneau de contrôle coopératif.
Pour exécuter un chemin hors ligne avec l’algorithme de modification de chemin, définissez le robot en série pour exécuter le chemin comme il vient de le démontrer, et cliquez sur DPM Connect dans le panneau de contrôle coopératif pour ajouter la capacité de modification de chemin en ligne pour le système. Cliquez ensuite sur Cooperative Move dans le panneau de contrôle coopératif. Comme démontré, le ply généré à 90 degrés peut couvrir deux branches sans aucune interruption, et les chevauchements et les écarts entre les bandes peuvent être minimisés.
Pour couvrir la branche C, les branches B et C sont considérées comme générant la deuxième trajectoire. Un autre ply de 90 degrés sera alors généré pour couvrir les branches A et C.Here, le processus de décomposition d’envelopper continuellement deux branches du mandrel en forme de Y avec un angle de placement constant de 90 degrés est illustré. Le mandrel peut être décomposé à la trajectoire du robot en série et au mouvement rotatif de l’étape de rotation avec un angle de placement constant de 90 degrés tel qu’illustré.
Dans cette expérience, un chemin de planification hors ligne a été généré pour la fabrication de la partie composite en forme de Y, dans laquelle la singularité du poignet articulaires se produit. Ces résultats expérimentaux démontrent que la méthode proposée peut créer une correction de pose pour le robot parallèle et ajuster la trajectoire hors ligne du robot en série en fonction de la coordonnée optique mesurant la rétroaction de la machine. De cette façon, le système peut passer en douceur la singularité et poser la fibre le long du chemin sans résiliation, confirmant que le système CCM proposé peut accomplir avec succès le processus de fabrication de la structure en forme de Y.
La chose la plus importante à retenir est d’utiliser les sous-systèmes dans la bonne séquence. Ce système collaboratif a le potentiel de fabriquer de petits composants composites de géométrie complexe en coopérant à six degrés de liberté, des robots en série et parallèles, et la machine de mesure de coordonnées optiques.
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Aperçu
Un système collaboratif de fabrication de composites est développé pour la pose robotisée de stratifiés composites à l'aide de ruban préimprégné. Ce système améliore la production de stratifiés composites présentant des géométries complexes.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Industrie des matériaux composites
- Robotique
- Automatisation
Contexte
- Les machines actuelles de placement automatisé des fibres sont limitées aux pièces de grandes dimensions à surfaces ouvertes.
- La demande industrielle croissante concerne des structures petites et complexes.
- La dextérité des machines de placement des fibres peut être améliorée grâce à l'utilisation de la robotique avancée.
- L'étude démontre une méthode permettant d'améliorer la fabrication de pièces composites.
Objectif de l'étude
- Développer un système permettant la production de stratifiés composites complexes.
- Résoudre les défis liés à la planification de trajectoire et à la coordination des robots.
- Améliorer le processus de fabrication des pièces composites.
Méthodes utilisées
- Utilisation d'une plateforme rotative et d'une combinaison de robots parallèles et sériels.
- Chargement des fichiers de définition du repère à l'aide d'un logiciel de métrologie optique CMM.
- Positionnement des robots à l'aide de cibles détectées pour une référence précise.
- Établissement d'un repère de base comme origine du système robotique.
Résultats principaux
- Le système proposé améliore avec succès la dextérité des machines de placement de fibres.
- Des pièces composites complexes peuvent être fabriquées avec une précision accrue.
- Les problèmes de planification de trajectoire et de coordination ont été efficacement résolus.
- La méthode montre un potentiel pour des applications industrielles.
Conclusions
- Le système de fabrication collaborative représente un progrès important dans la production de matériaux composites.
- Une meilleure coordination des robots conduit à de meilleurs résultats de fabrication.
- Cette approche pourrait répondre à la demande industrielle de structures complexes.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
La fabrication de structures composites complexes reste un goulot d'étranglement dans le développement de dispositifs biopharmaceutiques, où la pose précise de biomatériaux est essentielle pour les échafaudages implantables et les boîtiers diagnostiques. Le système CCM remédie à cela en permettant un positionnement robotisé des fibres sur des géométries complexes grâce à une commande coordonnée multi-axe et une correction en temps réel de la pose. Cela améliore la reproductibilité et réduit la dépendance aux procédés manuels, favorisant ainsi une production à grande échelle de composants à haute complexité.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet la fabrication de supports biomimétiques aux topographies complexes pour l'étude des interactions cellules-matériaux dans les tests de validation ciblée.
- Valeur opérationnelle : Réduit la variabilité de la production des supports, améliorant ainsi la reproductibilité des résultats de criblage préclinique.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Produit des substrats composites standardisés avec une géométrie de surface contrôlée pour des plateformes reproductibles de criblage de biomarqueurs.
- Valeur opérationnelle : Permet une réplication fidèle des composants compatibles avec les tests au cours de plusieurs séries et sur différents sites.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Facilite la production de prototypes d'implants personnalisés présentant une fidélité anatomique pour les tests précliniques d'efficacité.
- Valeur opérationnelle : Permet un perfectionnement itératif de la conception grâce à la fabrication rapide et précise d'éléments complexes destinés aux essais.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Le système CCM s'intègre au flux de travail de découverte en permettant la fabrication précise d'outils et de dispositifs à base de composites, depuis les premiers tests d'hypothèses jusqu'à la validation préclinique.
- Biologie du découverte : Permet la création de systèmes complexes de culture 3D modélisant des interfaces tissulaires complexes pour la réduction mécanistique des risques.
- Analyse : Offre des plateformes dimensionnellement stables permettant une immobilisation constante de réactifs de capture lors du développement d'analyses diagnostiques.
- Analytique : Assure la précision géométrique nécessaire à l'alignement des réseaux de capteurs ou des canaux microfluidiques dans les dispositifs diagnostiques.
- Recherche translationnelle : Relie conception et validation en produisant des prototypes anatomiquement précis destinés à une évaluation préclinique itérative.
- Réutilisation en entreprise : Fonctionne comme une capacité de fabrication adaptable à plusieurs projets nécessitant des géométries composites complexes.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Améliore la confiance prédictive en permettant la reproduction précise de structures biomatérielles complexes.
- Valeur opérationnelle : Renforce la constance de fabrication grâce à une correction de trajectoire assistée par vision et à une réduction de l'intervention manuelle.
- Valeur stratégique : Accélère les délais de développement en résolvant les goulots d'étranglement liés à la fabrication géométrique lors du prototypage de dispositifs.
- Impact sur le portefeuille : Favorise un progrès ajusté au risque en assurant une production fiable de composants à haute complexité pour les décisions d'aller/arrêt.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en programmation robotique, en métrologie des coordonnées et en manipulation de matériaux composites.
- Dépend d'interfaces de contrôle intégrées, de systèmes de suivi optique et de logiciels de planification de trajectoire pour son fonctionnement.
- Exige une standardisation des protocoles de correction de pose entre les équipes afin d'assurer des résultats reproductibles.
- Implique l'adaptation d'algorithmes de génération de trajectoire à différentes géométries de mandrins et propriétés des fils de fibres.
- Est limité par la nécessité d'un étalonnage rigoureux pour gérer les erreurs de positionnement et éviter les singularités dans les trajectoires complexes.
Foire aux questions en biopharmacie
Chapters in this video
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Title
0:45
Parallel Robot Base Frame Definition
2:13
System Preparation
4:01
Off-Line Path Generation
4:52
Individual Serial Robot and Rotational Stage Trajectory Decomposition
5:35
Off-Line Path Execution without and with Path Modification Algorithm
7:58
Results: Representative Collaborative CCM Manufacturing
9:24
Conclusion
