Działanie systemu Collaborative Composite Manufacturing (CCM)
October 1st, 2019
Opracowany jest system wspólnej produkcji kompozytów do zrobotyzowanego układania laminatów kompozytowych za pomocą taśmy prepregowej. Proponowany system pozwala na produkcję laminatów kompozytowych o wysokim poziomie skomplikowania geometrycznego. W proponowanej metodzie rozwiązano problemy związane z planowaniem ścieżek, koordynacją robotów i sterowaniem.
Obecne zautomatyzowane maszyny do układania włókien mogą produkować tylko duże części o otwartej powierzchni, które nie są w stanie sprostać rosnącemu zainteresowaniu przemysłu małymi złożonymi konstrukcjami. Dzięki zastosowaniu stolika obrotowego, robota równoległego i robotów szeregowych, zręczność maszyny do układania włókien może zostać znacznie poprawiona przy produkcji złożonych części kompozytowych. Procedurę zademonstruje Pengcheng Li, doktorantka z mojego laboratorium.
Rozpocznij od załadowania pliku definicji ramy za pomocą oprogramowania optycznej współrzędnościowej maszyny pomiarowej. Kliknij opcję Pozycjonowanie i Wykryj cele, a następnie wybierz cele, które są przymocowane do silników robota równoległego. Kliknij przycisk Akceptuj, aby użyć tych obiektów docelowych jako odniesienia do pozycjonowania całego systemu, a następnie na liście Jednostki kliknij pozycję Ramka bazowa i wybierz opcję Ustaw tę ramkę odniesienia jako punkt początkowy.
Aby zdefiniować model śledzenia ramy platformy efektora końcowego, wybierz opcję Modele śledzenia, kliknij przycisk Wykryj model i wybierz cele zamocowane na platformie efektora końcowego robota równoległego. Kliknij przycisk Akceptuj, a następnie kliknij opcję Modele śledzenia. Wybierz UpPlatform z listy rozwijanej i kliknij Up Frame.
Następnie kliknij opcję Zastosuj i plik, eksport i model śledzenia, a następnie wprowadź nazwę pliku, aby zapisać model śledzenia. Aby zdefiniować model śledzenia ramy narzędzia, wybierz Modele śledzenia i Wykryj model, a następnie wybierz cele zamocowane na ramie narzędziowej robota szeregowego. Kliknij przycisk Akceptuj, a następnie kliknij Modele śledzenia i SerTool.
Następnie z listy rozwijanej wybieramy SerToolFrame, klikamy Zastosuj, zapisujemy zdefiniowany model śledzenia. Aby przygotować stolik obrotowy, należy załadować zintegrowany interfejs sterowania zaprogramowany za pomocą języka programowania sterowanego zdarzeniami na komputerze A i kliknąć Połącz, aby podłączyć sterownik stolika obrotowego. Kliknij przycisk Włącz, aby podłączyć silnik stolika obrotowego, a następnie kliknij przycisk Home, aby przesunąć stolik obrotowy do pozycji wyjściowej.
Aby przygotować robota szeregowego, włącz kontroler robota szeregowego i kliknij przycisk Połącz w zintegrowanym interfejsie sterowania, aby połączyć serwer robota. Aby przygotować optyczną współrzędnościową maszynę pomiarową, włącz optyczny kontroler współrzędnościowej maszyny pomiarowej i poczekaj, aż na ekranie sterownika pojawi się komunikat Gotowy. Kliknij przycisk Połącz w zintegrowanym interfejsie sterowania, aby podłączyć optyczną współrzędnościową maszynę pomiarową za pomocą interfejsu programowania aplikacji i zaimportować modele wbudowane w sekcję pierwszą, które obejmują model podstawowy, model górnej platformy i model efektora końcowego robota szeregowego.
Kliknij przycisk Dodaj sekwencję i w razie potrzeby dodaj sekwencję względną między modelami. Następnie kliknij Rozpocznij śledzenie, aby śledzić uzę modeli. Aby przygotować robota równoległego, włącz sterownik robota równoległego.
Załaduj program SerialPort_Receive i wybierz tryb normalny. Załaduj program Para Remote Control i wybierz tryb zewnętrzny. Następnie kliknij przycisk Kompilacja przyrostowa, aby połączyć się z celem, a następnie kliknij przycisk Rozpocznij symulację dwóch programów, aby zainicjować kontroler robota równoległego.
Aby wygenerować ścieżkę offline, załaduj interfejs planowania ścieżki za pomocą oprogramowania do obliczeń numerycznych i kliknij przycisk Importuj STL, aby wybrać plik części. Kliknij Segmentacja i Dodaj obszar roboczy, a następnie wybierz region wyodrębniania cylindrów. Ustaw suwak w pozycji 100%i kliknij opcję Wyodrębnij cylindry i Dodaj obszar roboczy, aby wybrać początkową gałąź ścieżki.
Kliknij przycisk Generuj ścieżkę i wybierz opcję Stały kąt umieszczenia w wyskakującym okienku. Następnie ustaw żądany kąt umieszczenia na 90 stopni i wybierz czerwoną kropkę. Aby wyświetlić wygenerowaną ścieżkę, w menu rozwijanym Wybierz ścieżkę wybierz ścieżkę, a następnie zapisz plik.
Aby zainicjować dekompozycję trajektorii, uruchom funkcję Methode Jacobienne w oprogramowaniu do obliczeń numerycznych i otwórz żądany plik ścieżki. Wprowadź żądany numer ścieżki. Zostanie obliczony pierwszy punkt trajektorii.
Następnie wybierz konfigurację, która Cię interesuje, aby manipulator osiągnął tę pozę. Po zakończeniu konfiguracji zostanie wyświetlony wykres przedstawiający ewolucję wartości złącza oraz zostanie wygenerowany plik zawierający trajektorię dla robota szeregowego i etap obrotowy. Aby uruchomić ścieżkę offline bez algorytmu modyfikacji ścieżki, naciśnij przycisk Wybierz na kasecie zdalnego sterowania i wybierz nazwę zaimportowanego pliku.
Naciśnij Enter, aby załadować plik ścieżki i ustaw przełącznik kontrolera robota w trybie automatycznym. Ustaw przełącznik włączania/wyłączania kasety przyuczającej w pozycji Off i naciśnij przycisk Cycle Start na kontrolerze robota szeregowego, aby uruchomić ścieżkę. Następnie kliknij opcję Ruch kooperacyjny w panelu sterowania współpracy.
Aby uruchomić ścieżkę w trybie offline z algorytmem modyfikacji ścieżki, ustaw robota szeregowego tak, aby uruchamiał ścieżkę, jak pokazano, a następnie kliknij pozycję DPM Connect w panelu sterowania współpracy, aby dodać możliwość modyfikowania ścieżki w trybie online dla systemu. Następnie kliknij opcję Ruch kooperacyjny w panelu sterowania współpracy. Jak pokazano, wygenerowana warstwa pod kątem 90 stopni może pokryć dwie gałęzie bez żadnej przerwy, a zakładki i przerwy między taśmami można zminimalizować.
Aby pokryć gałąź C, przyjmuje się, że gałęzie B i C generują drugą trajektorię. Następnie zostanie wygenerowana kolejna warstwa pod kątem 90 stopni, aby pokryć gałęzie A i C. Tutaj zilustrowano proces rozkładu polegający na ciągłym owijaniu dwóch gałęzi trzpienia w kształcie litery Y ze stałym kątem umieszczenia 90 stopni. Trzpień można rozłożyć na trajektorię robota szeregowego i ruch obrotowy stopnia obrotowego ze stałym kątem umieszczenia 90 stopni, jak pokazano na ilustracji.
W tym eksperymencie wygenerowano ścieżkę planowania offline dla produkcji części kompozytowej w kształcie litery Y, w której występuje osobliwość stawu nadgarstka. Te wyniki eksperymentalne pokazują, że proponowana metoda może stworzyć poprawkę ułożenia dla robota równoległego i dostosować ścieżkę offline robota szeregowego w oparciu o sprzężenie zwrotne optycznej współrzędnościowej maszyny pomiarowej. W ten sposób system może płynnie przechodzić przez osobliwość i układać włókno wzdłuż ścieżki bez zakończenia, potwierdzając, że proponowany system CCM może z powodzeniem przeprowadzić proces produkcyjny struktury w kształcie litery Y.
Najważniejszą rzeczą, o której należy pamiętać, jest obsługa podsystemów w odpowiedniej kolejności. Ten współpracujący system ma potencjał do wytwarzania małych elementów kompozytowych o złożonej geometrii dzięki współpracy robotów szeregowych i równoległych o sześciu stopniach swobody oraz optycznej współrzędnościowej maszyny pomiarowej.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Opracowano współpracujący system produkcji kompozytów przeznaczony do układania warstw kompozytowych za pomocą taśmy prepreg. System ten poprawia produkcję kompozytowych warstw o złożonych geometriach.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Produkcja kompozytów
- Robotyka
- Automatyzacja
Tło
- Obecne zautomatyzowane maszyny do układania włókien są ograniczone do dużych, otwartych części.
- W przemyśle rośnie popyt na małe, złożone struktury.
- Zwinność maszyn do układania włókien można poprawić za pomocą zaawansowanej robotyki.
- Badanie demonstruje metodę poprawy produkcji części kompozytowych.
Cel badania
- Opracowanie systemu, który umożliwia produkcję złożonych warstw kompozytowych.
- Rozwiązanie problemów z planowaniem ścieżek i koordynacją robotów.
- Poprawa procesu produkcji części kompozytowych.
Zastosowanie metod
- Wykorzystanie stołu obrotowego oraz kombinacji robotów równoległych i szeregowo-równoległych.
- Definiowanie plików ramki ładunkowej za pomocą optycznego oprogramowania CMM.
- Pozycjonowanie robotów za pomocą wykrytych celów dla dokładnego odniesienia.
- Ustawienie ramki bazowej jako początku dla systemu robotycznego.
Główne wyniki
- Zaproponowany system skutecznie poprawia zwinność maszyn do układania włókien.
- Złożone części kompozytowe mogą być produkowane z lepszą precyzją.
- Problemy z planowaniem ścieżek i koordynacją zostały skutecznie rozwiązane.
- Metoda wykazuje potencjał do zastosowań przemysłowych.
Wnioski
- System współpracującej produkcji reprezentuje znaczący postęp w produkcji kompozytów.
- Ulepszona koordynacja robotów prowadzi do lepszych wyników produkcyjnych.
- To podejście może zaspokoić popyt przemysłu na złożone struktury.
Często zadawane pytania
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
