Summary
Et samarbeid sammensatt produksjonssystem er utviklet for Robotic lay-up av kompositt laminat ved hjelp av prepreg tape. Den foreslåtte systemet tillater produksjon av kompositt laminat med høye nivåer av geometrisk kompleksitet. Problemene i banen planlegging, koordinering av roboter og kontroll er adressert i den foreslåtte metoden.
Abstract
Den automatiserte tapen plassering og automatisert fiber plassering (AFP) maskiner gir et tryggere arbeidsmiljø og redusere arbeidskraft intensiteten av arbeidstakere enn den tradisjonelle manuelle fiber plassering gjør. Dermed blir produksjons nøyaktigheten, repeterbarheten og effektiviteten i sammensatt produksjon betydelig forbedret. Imidlertid kan dagens AFP-systemer bare produsere kompositt komponenter med store åpne overflaten eller enkle revolusjon deler, som ikke kan møte den økende interessen for små komplekse eller lukkede strukturer fra industrien.
I denne forskningen, ved å ansette en 1-grad av frihet (DoF) rotasjons fase, en 6-RSS parallell robot, og en 6-DoF seriell robot, fingerferdighet av AFP-systemet kan bli betydelig forbedret for fremstilling komplekse kompositt deler. Rotasjons fasen montert på parallell roboten er benyttet for å holde mandrel og serie roboten bærer plasseringen hodet å etterligne to menneskelige hender som har nok fingerferdighet til å legge fiber til mandrel med komplekse kontur.
Selv om CCM systemet øker fleksibiliteten i kompositt produksjon, er det ganske tidkrevende eller umulig å generere gjennomførbare off-line banen, som sikrer ensartet lay-up av påfølgende fibre vurderer begrensningene som singulariteter, kollisjoner mellom fiber plassering hodet og mandrel, glatt fiberretning endring og holde fiber plassering hodet langs normen av delens overflate, etc. Videre, på grunn av eksisterende posisjonering feil av robotene, er on-line banen korreksjon nødvendig. Derfor er on-line positur korreksjon algoritme foreslått å korrigere banene til både parallelle og serielle roboter, og å holde den relative banen mellom de to robotene uendret gjennom visuell tilbakemelding når begrensningen eller singularitet problemer i ikke-linjers bane planlegging forekomme. De eksperimentelle resultatene demonstrerer det utformede CCM-systemet kan oppfylle bevegelsen som trengs for å produsere en sammensatt struktur med Y-form.
Introduction
Nylig har det økende behovet for høy ytelse kompositt strukturer i ulike bransjer i stor grad drevet utviklingen av kompositt produksjonsteknologi1,2. Den tradisjonelle manuelle produksjonen kan ikke møte den høye effektiviteten, nøyaktigheten og kvaliteten kravet til nye industrien. Dette aspektet har oppmuntret til utvikling av nye produksjonsteknologier som AFP-systemer. Den AFP-teknologi automatiserer produksjonen av kompositt materiale strukturer ved hjelp av prepregs, som er til stede i form av strimler bestående av impregnert fiber kassetter (glass, karbon, etc.) av semi-polymerisert harpiks. I AFP-systemet, et deponering hode med evne til oppvarming og komprimering av harpiks prepregs er montert på en fiber plassering maskin eller en industriell robot. Den fiber plassering maskin eller robot bærer deponering hodet legger opp prepregs traversering overflaten av verktøy spindler. I prosessen med produksjon, er verktøy mandrel brukes som en mold å bli såret rundt av prepregs å danne en viss struktur av kompositt del. Mandrel vil bli fjernet etter at delen er kurert. Den nåværende AFP systemer kan betydelig forbedre effektiviteten og kvaliteten på produksjonen av kompositt materialer3,4,5. Men de er begrenset til produksjon av åpne overflater presentere en flat eller profilert overflate, eller enkle revolusjon deler som sylindere eller kjegler på grunn av utilstrekkelig DoF av systemet og vanskelighetene med å generere baner. Spesielt er det luftfarts industri og produksjon næringer av sportsutstyr nå interessert i denne teknikken for produksjon av strukturer med mer kompleks geometri, som "Y" rør eller strukturer forming lukkede løkker som sykkel rammer.
For å kunne produsere strukturene med kompleks geometri, bør fleksibiliteten til AFP-systemet forbedres. For eksempel, en 8 DoF AFP-systemet har blitt foreslått6 ved å legge en lineær spor til en 6 DoF industriell robot og en roterende scene til mandrel holde plattformen. Systemet er imidlertid fortsatt ikke egnet for produksjon av delene nevnt ovenfor med kompleks geometri. Samarbeidende robot system bestående av to roboter er en lovende løsning for å øke fingerferdighet ved å bruke en robot til å holde fiber plassering hodet på slutten-effektor og en annen robot til å holde mandrel. De to-seriell-robot samarbeids system kan ikke løse fiber plassering problemet, siden seriell roboter har en tendens til å deformere og mister nøyaktigheten på grunn av sin cantilever struktur, med tanke på vekten av mandrel og komprimerings kraft7. Sammenlignet med den serielle roboter, 6 DoF parallelle roboter, som har blitt benyttet i flysimulatoren og medisinsk verktøy, nyte bedre stivhet og nøyaktighet8. Derfor er en parallell-seriell samarbeidende robot system, i tillegg til en roterende etappe montert på plattformen av parallell robot, bygget for håndtering av komplekse strukturer produksjon i dette papiret.
Men den innebygde samarbeidende Robotic systemet gir vanskeligheter med å designe kontrolleren for hver robot til å møte den høye nøyaktigheten kravet om fiber plassering. Nøyaktig posisjon måling av slutt effektor kan oppnås ved hjelp av laser tracking system, som vanligvis brukes til å veilede den industrielle roboten i ulike romfart boring søknader9,10. Selv om laser tracking system kan gi høy nøyaktig posisjon måling, de viktigste ulempene ligger i kostnadene for systemet og okklusjon problemet. Lasersporing systemet er dyrt, for eksempel en kommersiell laser tracker og tilbehør koste opp til USD 90000, og laserstrålen er lett okkludert under bevegelsen av robotene. En annen lovende løsning er visjonen målesystem, som kan gi 6D utgjøre måling av slutt effektor med en betydelig nøyaktighet til en lav kostnad. Positur er referert til som en kombinasjon av 3D-posisjon og 3D orientering av ende-effektor med hensyn til basen rammen av roboten. Den optiske CMM (se tabell over materialer) er en dobbel kamerabasert visuell sensor. Ved å observere flere reflektor mål festet på slutten-effekt Orer av de to robotene, den relative positurer mellom robotene kan måles i sanntid. Den optiske CMM har blitt brukt på robot kalibrering11 og dynamisk bane sporing12 og dermed er innført for å gi tilbakemelding måling til lukket-loop kontrollsystemer av den foreslåtte CCM system i denne studien.
Kvaliteten på slutt sammensatt produkt er i stor grad avhengig av hvordan den opprinnelige fiber banen er generert for AFP13,14. Banen generasjon prosessen er normalt utføres ved hjelp av off-line programmering programvare. Den genererte banen består av en rekke tag punkter på mandrel, som indikerer positur av fiber plassering hodet. I motsetning til andre bane planlegging programmer som maling deponering, polering eller maskinering, der ulike typer dekning stier er mulig, valget er begrenset i tilfelle av AFP, siden fiber er kontinuerlig og det er ikke mulig å utføre brå endringer i retning (skarpe hjørner) uten å skade den og plasseringen hodet bør holdes i normen av overflaten av delene. Den første utviklingen av banen generasjon teknikk for AFP har vært konsentrert om produksjon av store flatskjermer5 før du går mot produksjon av objekter av 3D-figurer som åpne buede overflater eller kjegler5, 14. men, ingen praktisk metode er utviklet for å generere off-line banen for delene med kompleks geometri som Y-form eller de andre figurene. Derfor er en effektiv bane planlegging algoritme for delene med kompleks-profilerte overflater designet for å sikre ensartet lay-up av påfølgende fibre uten hull eller overlappinger i vår forrige forskning15. Tatt i betraktning den praktiske og effektiviteten av banen genererer algoritme, bare 6-DoF seriell robot med plassering hodet og 1-DoF roterende scenen som mandrel holderen anses som målsystemet for å finne den optimale banen planlegging i felles plass med minimum tid kriterier. Det kan være for komplisert og tidkrevende å generere off-line banen for hele 13 DoF CCM system på grunn av den tunge kinematikk beregning og hensynet til ulike begrensninger som singulariteter, kollisjoner, jevn retning endring og holde plasseringen hodet i normen av deler overflaten, etc.
Den foreslåtte off-line bane planlegging kan generere servo referanse for 6 DoF seriell robot og rotasjons trinn henholdsvis med eksakt timing. Selv med denne off-line bane planlegging, kan det være umulig å generere en gjennomførbar bane under alle begrensningene for visse geometri deler. Videre posisjonering feil av robotene kan føre til at robotene til å kollidere med mandrel eller en annen enhet i arbeidsmiljøet. On-line bane modifikasjon implementeres basert på den visuelle tilbakemeldingen fra den optiske CMM. Derfor er on-line positur korreksjon algoritme foreslås å korrigere banen til parallell robot og å tune en tilsvarende forskyvning på banen til den serielle roboten samtidig gjennom visuell tilbakemelding. Når kollisjonen og andre begrensninger blir oppdaget, den relative positur mellom de to robotene er også holdt uendret mens du følger off-line generert banen. Gjennom korreksjon av on-line banen, CCM systemet kan unngå disse punktene jevnt uten oppsigelse. På grunn av fleksibiliteten til parallell roboten, kan 6D korreksjon forskyvninger genereres med hensyn til ulike begrensninger. Dette manuskriptet presenterer en detaljert operasjonsprosedyre av CCM-systemet ved hjelp av on-line positur korreksjon algoritme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ramme definisjoner av CCM-systemet
Merk: den optiske CMM er en dobbel kamera sensor, som kan spore objektet med et stivt sett med reflekser som mål i sanntid. Plasserings prinsippet for disse målene er at målene sitter fast på de asymmetriske stedene med en viss avstand mellom dem. Målene må festes på robotene eller plassering hodet og forbli i synsfeltet (FOV) av den optiske CMM. Minst fire mål bør observeres for hver definert ramme av den optiske CMM hele tiden. Base RAM men til parallell roboten, den effektor rammen på parallell roboten og verktøy RAM men til serie roboten er merket som Fb, ftP, og ftS, henholdsvis. Definisjonene av disse rammene vises i figur 1. Fordi grunnrammen for parallell roboten og den serielle roboten er fast, kan transformerings matrisen mellom de to base rammene utledes av kalibreringen.
Figur 1. System oppsett for samarbeid med sammensatt produksjon (CCM). Maskinvaren i CCM systemet består av en 6-RSS parallell robot, en 1-DoF rotasjons trinn, en 6-DoF seriell robot, en plassering hodet, og den optiske CMM. Mandrel klemmes på rotasjons fasen, og rotasjons fasen monteres på parallell roboten. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Definisjon av basen rammen av parallell robot
- Last inn ramme definisjonsfilen gjennom programvaren til den optiske CMM (se tabell over materialer).
- Klikk plassering ≫ Finn mål. Velg målene som er festet på motorene i parallell roboten. Klikk godta for å ta disse målene som plasserings referanse for hele systemet.
- Klikk Grunnramme i enheter -listen, og velg gjør denne referanse rammen til opprinnelsen.
Merk: formålet med trinn 1,1 er å ta Fb som referanse RAM men for hele systemet. Filen Frame Definition kan fås på følgende link: < https://users.encs.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/P3. CSF >.
- Definisjon av sporings modellen til den effektor plattform RAM men
- Velg sporings modeller i Navigasjonsområdet. Klikk Oppdag modell, og velg deretter målene fast på effektor plattform av parallell roboten. Klikk på godta.
- Klikk på den genererte deteksjons modellen. Velg Up_Frame i rullegardinlisten for opprinnelse-forskyvning. Klikk deretter Bruk.
Merk: dette trinnet er å sette opp de faste relasjonene mellom effektor plattform ramme FtP og mål festet på effektor plattform. - Klikk fil-Eksporter-Tracking-modellen, og skriv inn et filnavn for å lagre sporings modellen.
- Definisjon av sporings modellen for verktøy RAM men
- Velg sporings modeller. Klikk på Finn modell, og velg deretter målene som er festet på verktøy RAM men til den serielle roboten. Klikk på godta.
- Klikk på den genererte deteksjons modellen. Velg SerToolFrame i rullegardinlisten for opprinnelse-forskyvningen. Klikk på Bruk , og lagre den definerte sporings modellen.
2. system forberedelse
Merk: oppsettet til kontrollsystemet på CCM-systemet er vist i figur 2.
Figur 2. System oppsett. To datamaskiner (A & B) brukes til å styre CCM-systemet. Kommunikasjonen mellom dem er via RS232. Datamaskin A kontrollerer rotasjons tilstand, fotogrammetri Senor og seriell robot. Computer B styrer parallell robot, motorer og ventiler etc. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Utarbeidelse av rotasjons fasen
- Last inn det integrerte kontroll grensesnittet programmerte av hendelsesdrevet programmeringsspråk på datamaskin A.
Merk: kontroll grensesnittet vises i Figur 3. Grensesnittet programmet kan fås på følgende link: < https://users.encs.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/pcdk-ctrack. rar >. - Klikk Koble til for å koble kontrolleren til rotasjons stadiet. Klikk Aktiver for å koble motoren for rotasjons fasen. Klikk deretter hjem for å flytte rotasjons stadiet til startposisjonen.
- Last inn det integrerte kontroll grensesnittet programmerte av hendelsesdrevet programmeringsspråk på datamaskin A.
Figur 3. Kontroll grensesnitt. Kontrollprogramvaren programmert av hendelsesdrevet programmeringsspråk. Grensesnittet er sammensatt av 6 seksjoner: seriell robot, parallell robot, roterende scene, sti import, optisk CMM og samarbeidende kontroll. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Utarbeidelse av seriell robot
- Slå på kontrolleren til den serielle roboten (se tabell over materialer).
- Klikk på Koble til på det integrerte kontroll grensesnittet for å koble til robot tjeneren.
- Fremstilling av den optiske CMM
- Slå på kontrolleren til den optiske CMM og vent til skjermen på kontrolleren viser klar.
- Klikk på Koble til på det integrerte kontroll grensesnittet for å koble til den optiske CMM via API (Application Programming Interface).
- Importer modellene som er bygget i del 1, som inkluderer base-modellen, den øvre plattform modellen og effektor-modellen til den serielle roboten.
- Klikk Legg til sekvens. Legg til den relative sekvensen mellom modellene hvis det er nødvendig. Deretter klikker du Start sporing for å spore positur av modellene.
- Utarbeidelse av parallell robot
- Slå på kontrolleren til parallell roboten.
- Last SerialPort_Receive programmet og velg Normal modus.
Merk: SerialPort_Receive -programmet kan ikke kontrollere parallell roboten direkte. Den brukes til å motta de eksterne data fra datamaskin A via seriell kommunikasjon port. Den SerialPort_Receive programmet kan fås på følgende link: < https://users.encs.Concordia.ca/~ Wfxie/Jove_program/SerialPort_Receive. mdl >. - Last ParaRemoteControl programmet og velg ekstern modus. Klikk deretter trinnvis Build for å koble til målet.
Merk: ParaRemoteControl programmet brukes til å motta ønsket positur fra SerialPort_Receive program og kontrollere parallell robot. Den ParaRemoteControl programmet kan fås på følgende link: < https://users.encs.Concordia.ca/~ Wfxie/Jove_program/ParaRemoteControl. mdl >. - Klikk Start simulering av de to programmene til å initialisere kontrolleren av parallell roboten.
3. generering av off-line banen
- Last bane planleggings grensesnittet gjennom den numeriske databehandlingsprogram varen (se tabell over materialer).
Merk: grensesnittet er vist i Figur 4. Banen planlegging grensesnittet er off-line programvare for å generere banen for systemet og kan fås på følgende link: < https://users.encs.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/AFP_PathPlanning_Pcode. zip >.
Figur 4. Grensesnitt for bane planlegging. Banen planlegging programvare består av 3 seksjoner: Visual Area, kommandoområdet og informasjon Box. I «visningsområde»-delen kan du se 3D-visningen av delene som skal behandles. "Kommando område"-delen er å utføre de viktigste handlingene for generering av banen utenfor linjen. Delen Informasjonsboks viser informasjon om programmets status. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Klikk IMPORTER STL , og velg del filen. Klikk deretter Segmentering.
Merk: delen er delt inn i atskilte områder (sylindere og knutepunkter av Y-form del). De ulike regionene vises i forskjellige farger. - Klikk Legg til arbeids område , og Velg området på utvinning av sylindere.
- Juster glidebryteren til 100% og klikk på trekk ut sylindere.
- Klikk Legg til arbeids område for å velge Start grenen for banen.
- Klikk Generer bane. Velg det tredje alternativet: konstant plasserings vinkel (CPA) i popup-dialogboksen.
- Velg ønsket plasserings vinkel 90 ° i popup-dialogvinduet. Deretter velger du den røde prikken.
- Klikk Velg en bane på rullegardinmenyen for å vise den genererte banen. Deretter velger du banen.
- Hvis du vil lagre denne banen, klikker du fil > Lagre og skriver inn et filnavn.
4. individuell nedbryting av banen for den serielle roboten og rotasjons fasen
- Kjør Methode_Jacobian -funksjonen i den numeriske databehandlingsprogram varen (se tabell over materialer).
Merk: Methode_Jacobian -funksjonen brukes til å dele opp den genererte banen i trinn 3 i to individuelle baner for den serielle roboten og rotasjons fasen. - Velg den ønskede bane filen (genereres av grensesnittet for bane planlegging), og klikk Åpne.
- Angi ønsket bane nummer.
- Det første punktet i banen beregnes deretter. Velg ønsket konfigurasjon for manipulator for å nå denne positur.
Merk: Når trinn 4,4 er fullført, vises en graf som viser utviklingen av felles verdier. En fil som inneholder banen for den serielle roboten og rotasjons stadiet, genereres.
5. running det av-line sti uten banen modifisering algoritmen
- Trykk på Velg på lære anheng og velg navnet på den importerte filen. Trykk Enter for å laste inn bane filen.
- Drei bryteren på robot kontrolleren til Auto -modus. Slå på/ av-bryteren for å læreanheng.
- Trykk Cycle Start av kontrolleren av den serielle roboten til å kjørebanen.
- Klikk på kooperativ flytting i kooperativ kontroll panel.
Merk: systemet vil kjøre den frakoblede banen uten den on-line banen modifikasjon algoritmen. Hvis skjøten kommer til singularitet-eller Begrensnings betingelsen, vil systemet stoppe.
6. kjører off-line banen med banen modifikasjon algoritmen
- Gjenta trinn 5.1 – 5.3. Deretter klikker du DPM koble til ligger i kooperativ kontroll panel i Figur 3 for å legge til on-line bane modifisering evne for systemet.
- Klikk på kooperativ flytting i kooperativ kontroll panel.
Merk: systemet vil kjøre den frakoblede banen med den on-line banen modifikasjon algoritmen. Under utførelsen overvåkes singulariteter og leddene ' begrensninger gjennom koderen måling av serie roboten. Systemet kan jevnt passere singularitet eller begrensning begrensning poeng uten oppsigelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eksperimentet tar sikte på å demonstrere prosessen med å realisere bevegelse for å legge opp fiber på Y-formen mandrel av det foreslåtte CCM systemet. Prosessen utføres i tre trinn: bane generering; bane nedbryting; og singularitet og begrensning unngåelse.
Generering av bane
Normalt brukes standard orientering i industrien for å definere forskjellige lag av laminatet. I dette papiret bør orienterings definisjonen tilpasses til formen. Ved å ta den sentrale aksen av mandrel som en referanse, nemlig 0 °, tre forskjellige retninger av Ply, 0 °, 45 ° og 90 ° er studert for den praktiske kompositt industriell anvendelse. Banen generasjon for 90 ° retning er vist som et eksempel. Den 90 ° Ply er oppnådd som en Helix kurve kurs, hvis tonehøyde er bredden av kompositt kassetter. Derfor er den faktiske vinkelen mellom kurset og referansen nær 90 °. Den genererte 90 ° Ply kan dekke to grener uten avbrudd, og overlapping og gap mellom kassetter kan minimeres. Som vist i figur 5, er de tre grenene på delen merket som A, Bog C. Den første banen er generert for å dekke grener A og B , men la Branch C avdekket. For å dekke gren C, grener B og C anses å generere den andre banen. Til slutt, er en annen 90 ° Ply generert for å dekke grener A og C. Etter å ha fulgt prosedyrene ovenfor, genereres to lag for hver gren.
Figur 5. Den første genererte banen av 90 °. Den første banen er generert for å dekke grener a og B med en kontinuerlig kurs samtidig minimere hullene og overlappinger. Tilsvarende er den andre banen generert for å dekke grener B og c og den tredje er å dekke grener A og c for å få uniform dekning av mandrel. Banen er iteratively generert ved å følge samme fremgangsmåte. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Nedbryting av bane
Bane nedbryting definerer banen til hver robot uavhengig for å unngå kollisjon med hverandre. Trykket av fiber plassering hodet komprimering valsen må være normal til overflaten av mandrel og aksen av kompresjons valsen bør alltid holdes vinkelrett på banen banen under produksjonsprosessene. Mandrel er montert på rotasjons stadiet som er festet på den øvre plattform av parallell robot. Den Kinematisk forholdet mellom slutten-effekt Orer av to roboter er pre-planlagt og kjent.
Figur 6 illustrerer rotne prosessen med kontinuerlig innpakning to grener av formen mandrel med konstant 90 ° plasserings vinkel. Det kan deles opp til banen av seriell robot og roterende bevegelse av roterende scenen. Den nedbrutt baner kan garantere valsen ville være normal til mandrel overflaten. Som nevnt ovenfor, etter endt innpakning fra gren A til gren B, er et annet lag innpakket fra gren B til gren C. Deretter startes et nytt lag fra gren a til gren C , og tekst brytings syklusen holdes gjentakende.
Figur 6. Nedbryting for Y-formet bane. Den genererte banen brytes opp til baner av seriell robot og roterende bevegelse av rotasjons fasen. Rotne prosessen tar sikte på å kontinuerlig pakke to grener av Y-formen mandrel med konstant 90 ° plasserings vinkel. Vinkel α er retningen til serie robot ' s end-effektor. Vector e2 er normal enhet vektor som garanterer valsen ville være normal til mold overflaten. I spiral delen av banen for serie roboten er banen lik bredden på båndene. Valsen forskyvninger er langs retningen av vektoren e3. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Singularitet og begrensninger unngåelse
Banen generert off-line for CCM systemet består uunngåelig av entall punkter og begrensninger i noen tilfeller. For eksempel oppstår håndleddet singularitet av serie roboten når aksene av Joint 4 og joint 6 er sammenfallende på grunn av det faktum at rotasjonsvinkelen på joint 5, θ5, er lik eller nær 0 °. Den utviklede unngåelse algoritmen kan samtidig flytte 6-RSS-plattformen og seriell robot for å legge opp fiber etter generert off-line baner. I den innebygde kontrolleren til serie roboten er en sikker terskel vinkel for felles 5 3,5 °, noe som betyr at roboten automatisk stopper når θ5 ≤ 3,5. Tatt i betraktning tilgjengelighet for SIM av serie roboten og følsomhet av singularitet deteksjon, er 4,0 ° valgt som den optimale terskelen(Δθ.) for denne typen singularitet unngåelse gjennom en stor mengde eksperiment. Utløseren betingelse for singularitet unngåelse mekanismen er │ θ5(k) │< Δθ. I on-line positur korreksjon algoritmen vist i figur 7, er koderen av Joint 5 av den serielle roboten overvåket. Hvis felles 5 oppfyller singularitet trigger tilstand, vil den integrerte kontroll grensesnittet programvare generere offset ΔPpo for parallell roboten og legge til korreksjon til off-line banen til seriell robot tilsvarende. Når joint 5 passerer den forhåndsdefinerte terskelen, flytter parallell roboten tilbake til sin opprinnelige positur og on-line bane korreksjon av den serielle roboten stopper.
I eksperimentet genereres det en bane til planlegging for å produsere den sammensatte Y-figuren, der leddet singularitet oppstår. Eksperimentresultatene viser at den foreslåtte metoden kan skape positur korreksjon for parallell robot og justere off-line banen til den serielle roboten basert på den optiske CMM tilbakemelding. På denne måten kan systemet jevnt passere singularitet og legge opp fiber langs stien uten oppsigelse som vist i Figur 8] derfor kan det foreslåtte CCM systemet utføre produksjonsprosessen av strukturen med Y-Shape vellykket.
Figur 7. Flow Chart av on-line positur korreksjon algoritme. Flytskjema som beskriver prosedyrene for å kjøre on-line positur korreksjon algoritme. Den består av prosedyren for håndleddet singularitet unngåelse og prosedyren for felles begrensninger unngåelse. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. Bane sammenligning med og uten wrist singularitet unngåelse, a) 3D-arbeidsområdet kurs, b) den kantete banen til Joint 5, og c) den orientational banen til parallell roboten. (a) den faktiske arbeidsområdet løpet av tapen med og uten håndleddet singularitet unngåelse er gitt. Den svarte linjen viser at når joint 5 når området-3,5 ° ≤ J5 ≤ 3,5 °, stopper systemet på grunn av innstillingen for sikker terskel vinkel i robot kontrolleren. Den blå strek linjen demonstrerer roboten kan jevnt passere felles grenser og fullføre resten kurset ved hjelp av unngåelse algoritmen for å generere korreksjon stier for både parallelle og serielle roboter. (b) banen til Joint 5 opphører rundt 24 s uten den foreslåtte unngåelse algoritmen når den serielle roboten beveger seg i nærheten av sin singularitet punkt (dvs. 4,0 °). (c) den faktiske baner av den parallelle roboten, inkludert den Y-retningen Euler vinkelen på ende-effektor positur, er gitt. Den blå linjen viser den opprinnelige banen til roboten uten on-line korreksjon, og den røde linjen illustrerer at korreksjon banen er lagt til roboten når joint 5 er nær 4,0 °. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De eksperimentelle resultatene viser produksjonsprosessen av 90 °-Ply plasserings vinkler av det utformede CCM-systemet. De metoder som foreslås i dette papiret kan brukes til å legge opp fiber med 0 ° og 45 ° Ply plasserings vinkler på mandrel med Y-form og andre former. Mens den innebygde kontrolleren av den serielle roboten er i stand til å gi singularitet unngåelse funksjonen17, bare lineær bevegelse av slutt-effektor støttes. Når slutt effektor utfører oppgaven med sirkelen bevegelse, fungerer funksjonen ikke og dermed den genererte ønskede off-line banen kan ikke sikres. Dessuten, det skjøt tvang problem kan ikke være løste igjennom det bygget-inne leder vise egenskaper. Derfor i dette papiret, en on-line bane korreksjon metoden er foreslått å overvinne de nevnte ulempene ved å generere den optimale korreksjon posere for den serielle og parallelle roboter, og å holde den relative banen mellom de to robotene til å følge off-line banen basert på den optiske CMM tilbakemelding. Den utløsende forhold for felles grenser og singulariteter indikere øyeblikket når kontrolleren sender bevegelsen kommando signalet å kjøre parallell robot og tilsvarende for å endre den serielle roboten banen. Utløst av begrensningen og singularitet situasjoner av den serielle roboten, er den optimale bane korreksjon av parallell roboten generert med sikte på minimum parallell robot bevegelse. I forhold til de nåværende AFP-maskinene har CCM-systemet potensial til å produsere små sammensatte komponenter av kompleks geometri.
De kritiske trinnene i protokollen er generering av positur korreksjon og innspill til begge robotene. Positur korreksjon for banen til den serielle roboten er utført av dynamisk Path modifikasjon (DPM) levert av seriell robot. Responsen tid er relativt lang, noe som resulterer i feil av den relative positurer av de to verktøy rammer.
Våre fremtidsplaner inkluderer å utvikle en avansert modellbasert kontroller for å forbedre bane sporings nøyaktigheten for CCM-systemet, designe et filter for å fjerne støyen i den optiske CMM-målingen, og ved å bruke det utviklede CCM-systemet til å produsere den faktiske sammensatte strukturer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette prosjektet ble finansiert av Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) av Canada Industrial Research Chair i Automated kompositter Manufacturing og fonds de Recherche du Québec-Natrue et Technologies (FRQNT).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AeroBasic | Aerotech | Motion control software | |
| Collaborative Composite Manufacturing (CCM) System | Concordia University | A CCM system is proposed to manufacture more complex composite components which pose high demand for trajectory planning than those by the current AFP system. The system consists of a 6 degree-of-freedom (DOF) serial robot holding the fiber placement head, a 6-DOF revolute-spherical-spherical (RSS) parallel robot on which a 1-DOF mandrel holder is installed and an eye-to-hand optical CMM sensor, i.e. C-track, to detect the poses of both end-effectors of parallel robot and serial robot. | |
| C-track | Creaform Inc. | An eye-to-hand optical CMM sensor | |
| Fanuc M-20iA | Fanuc Inc. | Serial robot | |
| Matlab | MathWorks | A multi-paradigm numerical computing software | |
| Quanser | Quanser Inc. | Providing the engineering lab equipments for teaching and research. | |
| VB | Microsoft | Visual Basic | |
| Vxelements | Creaform Inc. | Software for C-track |
References
- 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 Placement Process. Industrial Robot: An International Journal. 25 (5), 326-330 (1998).
- hirinzadeh, B., Cassidy, G., Oetomo, D., Alici, G., Ang, M. H. Jr Trajectory generation for open-contoured structures in robotic fibre placement. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 23 (4), 380-394 (2007).
- Shirinzadeh, B., Foong, C. W., Tan, B. H. Robotic fibre placement process planning and control. Assembly Automation. 20 (4), 313-320 (2000).
- Shirinzadeh, B., Alici, G., Foong, C. W., Cassidy, G. Fabrication process of open surfaces by robotic fibre placement. Robotics and Computer Integrated Manufacturing. 20 (1), 17-28 (2004).
- Coriolis. , Available from: http://www.coriolis-composites.com/ (2011).
- Dasgupta, B., Muthyunjaya, T. S. The Stewart platform manipulator: a review. Mechanism and Machine Theory. 35 (1), 15-40 (2000).
- Zhang, X. M., Xie, W. F., Hoa, S. V., Zeng, R. Design and Analysis of Collaborative Automated Fiber Placement Machine. International Journal of Advanced Robotics and Automation. 1 (1), 1-14 (2016).
- Shirinzadeh, B., et al. Laser interferometry-based guidance methodology for high precision positioning of mechanisms and robots. Robotics Computer-Integrated Manufacturing. 26 (1), 74-82 (2010).
- Vincze, M., Prenninger, J. P., Gander, H. A laser tracking system to measure position and orientation of robot end effectors under motion. International Journal of Robotics Research. 13 (4), 305-314 (1994).
- Li, P., Zeng, R., Xie, W., Zhang, X. Relative posture-based kinematic calibration of a 6-RSS parallel robot by optical coordinate measurement machine. International Journal of Advanced Robotic Systems. 15 (2), (2018).
- Shu, T., Gharaaty, S., Xie, W. F., Joubair, A., Bonev, I. Dynamic path tracking of industrial robots with high accuracy using photogrammetry sensor. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 23 (3), 1159-1170 (2018).
- Shirinzadeh, B., Cassidy, G., Oetomo, D., Alici, G., Ang, M. H. Jr Trajectory generation for open-contoured structures in robotic fibre placement. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 23 (4), 380-394 (2007).
- Blom, A. W., Abdalla, M. M., Gürdal, Z. Optimization of course locations in fiber-placed panels for general fiber angle distributions. Composites Science and Technology. 70 (4), 564-570 (2010).
- Hély, C., Birglen, L., Xie, W. F. Feasibility study of robotic fibre placement on intersecting multi-axial revolution surfaces. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 48, 73-79 (2017).
- Zhang, X. M., Xie, W. F., Hoa, S. V. Semi-offline trajectory synchronized algorithm of the cooperative automated fiber placement system. Robotics and Computer–Integrated Manufacturing. 51, 53-62 (2018).
- Robotics America Corporation. FANUC Robotics SYSTEM R-30iB Handling Tool Setup and Operations Manual. Fanuc. , 1686-1692 (2012).
