協調複合製造(CCM)システムの運用
2019年10月1日
プレプレグテープを使用した複合ラミネートのロボットレイアップ用の共同複合製造システムを開発しました。提案されたシステムは幾何学的複雑さの高いレベルの複合積層の生産を可能にする。パスプランニング、ロボットの調整、制御の課題は、提案された方法で取り組んでいます。
現在の自動繊維プレイスマシンは、産業の小さな複雑な構造に対する関心の高まりに応えることができない、大きなオープンサーフェス部品しか生産できません。回転ステージ、並列ロボット、シリアルロボットを採用することで、複雑な複合部品の製造に向けて、繊維配置機の器用さを大幅に向上させることができます。手順を実証することは、私の研究室の博士課程の学生であるPengcheng Liです。
まず、光 CMM のソフトウェアを介してフレーム定義ファイルをロードします。[位置指定と検出ターゲット]をクリックし、並列ロボットのモーターに取り付けるターゲットを選択します。これらのターゲットをシステム全体の位置参照として使用するには、[承諾]をクリックし、[エンティティ]リストで[基準フレーム]をクリックし、[この参照フレームを原点にする]を選択します。
エンドエフェクタ プラットフォーム フレームの追跡モデルを定義するには、[追跡モデル] を選択し、[モデルの検出] をクリックして、並列ロボットのエンド エフェクタ プラットフォームで固定されたターゲットを選択します。[承認] をクリックし、[モデルの追跡] をクリックします。ドロップダウンで[アッププラットフォーム]を選択し、[アップフレーム]をクリックします。
次に、[適用とファイル]、[エクスポート]、[追跡モデル] をクリックし、ファイル名を入力して追跡モデルを保存します。ツールフレームのトラッキングモデルを定義するには、トラッキングモデルと検出モデルを選択し、シリアルロボットのツールフレームに固定されたターゲットを選択します。[承認]をクリックし、[追跡モデル]および[SerTool]をクリックします。
次に、ドロップダウン リストで [SerToolFrame] を選択し、[適用] をクリックして、定義した追跡モデルを保存します。回転ステージを準備するには、イベント駆動型プログラミング言語によってプログラムされた統合制御インターフェースをコンピューター A にロードし、「接続」をクリックして回転ステージのコントローラーを接続します。[有効] をクリックして回転ステージのモーターを接続し、[ホーム] をクリックして回転ステージをホームポジションに移動します。
シリアルロボットを準備するには、シリアルロボットコントローラの電源を入れ、統合制御インタフェースのConnectをクリックしてロボットサーバーを接続します。光 CMM を準備するには、光 CMM コントローラの電源を入れ、コントローラの画面が Ready と表示されるまで待ちます。統合制御インターフェースの Connect をクリックして、アプリケーション・プログラミング・インターフェースを介して光 CMM を接続し、基本モデル、上位プラットフォーム・モデル、およびシリアル・ロボットのエンド・エフェクター・モデルを含むセクション 1 に組み込まれたモデルをインポートします。
[シーケンスを追加]をクリックし、必要に応じてモデル間の相対シーケンスを追加します。次に、[追跡の開始] をクリックして、モデルのポーズを追跡します。並列ロボットを準備するには、並列ロボットコントローラの電源をオンにします。
SerialPort_Receiveプログラムをロードし、標準モードを選択します。Para リモートコントロールプログラムをロードし、外部モードを選択します。次に、[インクリメンタル ビルド]をクリックしてターゲットに接続し、2 つのプログラムの [シミュレーションの開始] をクリックして、並列ロボットのコントローラを初期化します。
オフライン パスを生成するには、数値計算ソフトウェアを使用してパス計画インタフェースをロードし、[STL をインポート]をクリックしてパーツ ファイルを選択します。[セグメンテーション]および[作業領域を追加]をクリックし、円柱の抽出領域を選択します。スライダを 100%に調整し、[円柱の抽出] と [作業領域の追加] をクリックして、パスの開始分岐を選択します。
[パスを生成]をクリックし、ポップアップウィンドウで[配置角度を固定]を選択します。次に、希望の配置角度を 90 度に設定し、赤い点を選択します。生成されたパスを表示するには、[パスの選択] ドロップダウン メニューでパスを選択し、ファイルを保存します。
軌道分解を開始するには、数値計算ソフトウェアでMethode Jacobienne関数を実行し、目的のパスファイルを開きます。目的のパス番号を入力します。軌道の最初の点が計算されます。
次に、マニピュレータがこのポーズに到達する目的の設定を選択します。構成が完了すると、関節値の進化を示すグラフが表示され、シリアルロボットと回転ステージの軌道を含むファイルが生成されます。パス変更アルゴリズムを使用せずにオフライン パスを実行するには、教えるペンダントの Select キーを押し、インポートしたファイルの名前を選択します。
Enter キーを押してパス ファイルをロードし、ロボット コントローラのスイッチを自動モードにします。ティーチペンダントのオン/オフスイッチをオフにし、シリアルロボットのコントローラでサイクルスタートを押してパスを実行します。次に、協調コントロールパネルで「協調移動」をクリックします。
パス変更アルゴリズムを使用してオフライン パスを実行するには、先ほど説明したように、シリアル ロボットをパスを実行するように設定し、協調コントロール パネルの [DPM Connect] をクリックして、システムのオンライン パス変更機能を追加します。次に、協調コントロールパネルで「協調移動」をクリックします。実証したように、生成された90度のplyは中断することなく2つの枝をカバーすることができ、テープ間の重複およびギャップを最小限に抑えることができます。
分岐Cをカバーするために、分岐BおよびCは第2の軌道を生成すると考えられる。次に、枝AとC.をカバーするために別の90度のplyが生成され、Y字型のマンドレルの2つの枝を一定の90度配置角度で連続的に包む分解プロセスが図示される。このマンドレルは、図示したように、連続ロボットの軌跡と回転ステージの回転運動に分解し、90度の配置角度を一定にします。
この実験では、関節手首特異点が発生するY字複合部品を製造するためのオフライン計画経路を生成した。これらの実験結果は、提案された方法が平行ロボットのポーズ補正を作成し、光学座標測定機のフィードバックに基づいてシリアルロボットのオフラインパスを調整できることを実証する。このようにして、システムは、特異点をスムーズに通過し、繊維を終端なしに経路に沿って敷設することができ、提案されたCCMシステムがY字構造の製造プロセスを正常に達成できることを確認する。
覚えておかねばなることが最も重要なことは、サブシステムを正しい順序で操作することです。この協調システムは、6つの自由度、シリアルロボット、並列ロボット、光座標測定機を協働させることで、複雑な幾何学の小さな複合部品を製造する可能性を秘めています。
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概要
プリプレグテープを用いた複合材料積層板のロボットレイアップに向けた、協調的な複合材製造システムを開発しました。このシステムにより、複雑な形状を持つ複合材料積層板の製造が効率化されます。
研究の主要構成要素
科学分野
- 複合材製造
- ロボティクス
- オートメーション
背景
- 現在の自動繊維積層装置は、大型で表面が開いた部品に限定されています。
- 産業界では、小型で複雑な構造体への需要が高まっています。
- 高度なロボティクスを用いることで、繊維積層装置の器用さを向上させることができます。
- 本研究では、複合材部品の製造を効率化する手法を実証します。
研究の目的
- 複雑な複合材料積層板の製造を可能にするシステムを開発すること。
- パスプランニングとロボットの協調における課題を解決すること。
- 複合材部品の製造プロセスを改善すること。
使用された手法
- 回転ステージおよびパラレルロボットとシリアルロボットの組み合わせの利用。
- 光学式CMMソフトウェアによるローディングフレーム定義ファイルの作成。
- 検出したターゲットを用いてロボットを配置し、正確な基準を確保。
- ロボットシステムの原点としてベースフレームを設定。
主な結果
- 提案されたシステムにより、ファイバープレースメントマシンの器用さが向上しました。
- 複雑な複合材部品を、より高い精度で製造することが可能です。
- パスプランニングおよび協調制御の問題が効果的に解決されました。
- 本手法は産業応用への可能性を示しています。
結論
- 協調的な製造システムは、複合材生産における重要な進展を示しています。
- ロボットの連携を向上させることで、より優れた製造結果が得られます。
- このアプローチは、複雑な構造体に対する産業界の需要を満たす可能性があります。
よくある質問
業界における実用的意義
複雑な複合構造体の製造は、バイオ医薬品デバイス開発におけるボトルネックとなっており、特にインプラント用スキャフォールドや診断用ハウジングにおいて、バイオマテリアルの精密な積層が極めて重要です。CCMシステムは、協調的な多軸制御とリアルタイムのポーズ補正を通じて、複雑な形状へのロボットによるファイバー配置を可能にすることで、この課題を解決します。これにより、再現性が向上し、手作業への依存度が低減され、高複雑性コンポーネントのスケールアップ生産が可能になります。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期発見およびターゲット検証
- 科学的価値： 標的検証アッセイにおける細胞と材料の相互作用を研究するための、複雑なトポグラフィを持つバイオミメティック（生体模倣）スキャフォールドの作製を可能にします。
- 実用的価値： スキャフォールド製造におけるばらつきを低減し、前臨床スクリーニング結果の一貫性を向上させます。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 再現性のあるバイオマーカー・スクリーニングプラットフォーム向けに、表面形状を制御した標準化複合基板を作製する。
- 運用の価値： 複数のランおよび施設において、アッセイ適合コンポーネントの高精度な複製を可能にする。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値： 前臨床段階での有効性試験のため、解剖学的忠実度を備えた患者個々のインプラントプロトタイプの作製を容易にする。
- 運用的価値： 複雑な試験体の迅速かつ正確な製造により、反復的な設計の洗練を可能にする。
パイプラインおよびワークフローの統合
CCMシステムは、初期の仮説検証から前臨床検証に至るまで、複合材ベースのツールやデバイスの精密な作製を可能にすることで、探索ワークフローに組み込まれます。
- ディスカバリーバイオロジー：メカニズムのデリスキングに向けた、複雑な組織界面を模倣する精巧な3D培養システムの構築を支援します。
- スクリーニング：診断アッセイの開発において、キャプチャー試薬を安定的に固定するための寸法安定性の高いプラットフォームを提供します。
- 分析：診断デバイスにおけるセンサーアレイやマイクロ流路の整合に不可欠な幾何学的精度を提供します。
- トランスレーショナルリサーチ：反復的な前臨床評価のための解剖学的に正確なプロトタイプを製作し、設計と検証の橋渡しをします。
- エンタープライズでの再利用：複雑な複合形状を必要とする複数のプロジェクトにわたって、適応可能な製造能力として機能します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：複雑なバイオマテリアル構造の正確な再現を可能にすることで、予測の信頼性を向上させます。
- 運用の価値：ビジョンガイドによるパス補正と手動介入の削減により、製造の整合性を高めます。
- 戦略的価値：デバイスのプロトタイプ作製における幾何学的な作製上のボトルネックを解消し、開発期間を短縮します。
- ポートフォリオへの影響：高複雑度コンポーネントの信頼性の高い製造を保証することで、go/no-go判断に基づいたリスク調整後の進展を支援します。
実施上の考慮事項
- ロボットプログラミング、座標計測、および複合材料の取り扱いに関する専門知識が必要です。
- 操作には、統合制御インターフェース、光学トラッキングシステム、およびパスプランニングソフトウェアが必要です。
- 再現性のある結果を確保するため、チーム間でポーズ補正プロトコルの標準化を行う必要があります。
- 異なるマンドレル形状やファイバートウの特性に合わせて、パス生成アルゴリズムを適応させる必要があります。
- 位置決め誤差の管理および複雑なパスにおける特異点回避のため、慎重なキャリブレーションが必要であるという制約があります。
バイオファーマFAQ
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
