Fonctionnement du système de fabrication composite collaborative (CCM)
October 1st, 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 de fabrication composite collaboratif est développé pour la pose robotisée de stratifiés composites utilisant des bandes préimprégnées. Ce système améliore la production de stratifiés composites avec des géométries complexes.
Composantes clés de l'étude
Domaine de la science
- Fabrication composite
- Robotique
- Automatisation
Contexte
- Les machines actuelles de pose automatisée de fibres sont limitées aux grandes pièces à surface ouverte.
- Il y a une demande croissante de structures petites et complexes dans l'industrie.
- La dextérité des machines de pose de fibres peut être améliorée en utilisant une robotique avancée.
- L'étude démontre une méthode pour améliorer la fabrication de pièces composites.
Objectif de l'étude
- Développer un système permettant la production de stratifiés composites complexes.
- Répondre aux défis de planification de trajectoire et de coordination des robots.
- Améliorer le processus de fabrication des pièces composites.
Méthodes utilisées
- Utilisation d'un plateau rotatif et d'une combinaison de robots parallèles et sériels.
- Définition des fichiers de cadre de chargement par le biais du logiciel CMM optique.
- Positionnement des robots à l'aide de cibles détectées pour une référence précise.
- Établissement d'un cadre de base comme origine pour le système robotique.
Principaux résultats
- Le système proposé améliore avec succès la dextérité des machines de pose de fibres.
- Les pièces composites complexes peuvent être fabriquées avec une meilleure précision.
- Les problèmes de planification de trajectoire et de coordination ont été efficacement résolus.
- La méthode démontre un potentiel pour des applications industrielles.
Conclusions
- Le système de fabrication collaboratif représente une avancée significative dans la production composite.
- Une meilleure coordination des robots conduit à de meilleurs résultats de fabrication.
- Cette approche pourrait répondre à la demande de l'industrie pour des structures complexes.
Questions fréquemment posées
Executive Industry Relevance
Manufacturing complex composite structures remains a bottleneck in biopharma device development, where precision lay-up of biomaterials is critical for implantable scaffolds and diagnostic housings. The CCM system addresses this by enabling robotic fiber placement on intricate geometries through coordinated multi-axis control and real-time pose correction. This enhances reproducibility and reduces reliance on manual processes, supporting scalable production of high-complexity components.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables fabrication of biomimetic scaffolds with complex topographies for studying cell-material interactions in target validation assays.
- Operational Value: Reduces variability in scaffold production, improving consistency in preclinical screening outcomes.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces standardized composite substrates with controlled surface geometry for reproducible biomarker screening platforms.
- Operational Value: Supports high-fidelity replication of assay-compatible components across multiple runs and sites.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates production of patient-specific implant prototypes with anatomical fidelity for preclinical efficacy testing.
- Operational Value: Enables iterative design refinement through rapid, accurate manufacturing of complex test articles.
Pipeline & Workflow Integration
The CCM system integrates into the discovery workflow by enabling precise fabrication of composite-based tools and devices from early hypothesis testing through preclinical validation.
- Discovery Biology: Supports creation of intricate 3D culture systems that model complex tissue interfaces for mechanistic de-risking.
- Screening: Delivers dimensionally stable platforms for consistent immobilization of capture reagents in diagnostic assay development.
- Analytics: Provides geometric precision critical for aligning sensor arrays or microfluidic channels in diagnostic devices.
- Translational Research: Bridges design and validation by producing anatomically accurate prototypes for iterative preclinical evaluation.
- Enterprise Reuse: Functions as a adaptable fabrication capability across multiple projects requiring complex composite geometries.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence by enabling accurate reproduction of complex biomaterial structures.
- Operational Value: Enhances manufacturing consistency through vision-guided path correction and reduced manual intervention.
- Strategic Value: Accelerates development timelines by resolving geometric fabrication bottlenecks in device prototyping.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by ensuring reliable production of high-complexity components for go/no-go decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in robotic programming, coordinate metrology, and composite material handling.
- Depends on integrated control interfaces, optical tracking systems, and path planning software for operation.
- Necessitates standardization of pose correction protocols across teams to ensure reproducible outcomes.
- Involves adaptation of path generation algorithms for varying mandrel geometries and fiber tow properties.
- Limited by the need for careful calibration to manage positioning errors and singularity avoidance in complex paths.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
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
