Funzionamento del sistema di produzione composita collaborativa (CCM)

Summary

Un sistema di produzione di composito collaborativo è sviluppato per la deposizione robotica di laminati compositi utilizzando il nastro prepreg. Il sistema proposto permette la produzione di laminati compositi con alti livelli di complessità geometrica. Le questioni relative alla pianificazione del percorso, al coordinamento dei robot e al controllo sono affrontate nel metodo proposto.

Abstract

Il posizionamento automatico del nastro e le macchine per il posizionamento automatico della fibra (AFP) forniscono un ambiente di lavoro più sicuro e riducono l'intensità di manodopera dei lavoratori rispetto al tradizionale posizionamento manuale in fibra. Pertanto, l'accuratezza della produzione, la ripetibilità e l'efficienza della produzione composita sono notevolmente migliorate. Tuttavia, gli attuali sistemi AFP possono produrre solo i componenti compositi con grandi superfici aperte o semplici parti di rivoluzione, che non possono soddisfare il crescente interesse per piccole strutture complesse o chiuse dell'industria.

In questa ricerca, impiegando uno stadio di rotazione di 1 grado di libertà (DoF), un robot parallelo 6-RSS e un robot seriale a 6 DoF, la destrezza del sistema AFP può essere notevolmente migliorata per la produzione di parti composite complesse. Il palco rotazionale montato sul robot parallelo viene utilizzato per tenere il mandrel e il robot seriale porta la testa di posizionamento per imitare due mani umane che hanno abbastanza destrezza per posare la fibra al mandrino con contorno complesso.

Anche se il sistema CCM aumenta la flessibilità della produzione di composito, è piuttosto dispendioso in termini di tempo o addirittura impossibile generare il percorso off-line fattibile, che garantisce una posa uniforme delle fibre successive considerando i vincoli come singolarità, collisioni tra la testa di posizionamento della fibra e mandrel, liscia fibra direzione cambiare e mantenere la testa di posizionamento fibra lungo la norma della superficie della parte, ecc. Inoltre, a causa dell'errore di posizionamento esistente dei robot, è necessaria la correzione del percorso on-line. Pertanto, si propone l'algoritmo di correzione della posa on-line per correggere i percorsi dei robot paralleli e seriali e per mantenere invariato il percorso relativo tra i due robot attraverso il feedback visivo quando il vincolo o i problemi di singolarità si verifica la pianificazione del percorso off-line. I risultati sperimentali dimostrano che il sistema CCM progettato è in grado di soddisfare il movimento necessario per la produzione di una struttura composita con forma Y.

Introduction

Recentemente, la crescente necessità di strutture composite ad alte prestazioni in vari settori ha fortemente guidato lo sviluppo delle tecnologie di produzione composita^1,2. La produzione manuale tradizionale non è in grado di soddisfare l'elevata efficienza, accuratezza e requisiti di qualità dell'industria emergente. Questo aspetto ha incoraggiato lo sviluppo di nuove tecnologie di produzione come i sistemi AFP. La tecnologia AFP automatizza la produzione di strutture di materiali compositi utilizzando prepreg, che sono presenti sotto forma di strisce composte da nastri in fibra impregnata (vetro, carbonio, ecc.) di resina semipolimerizzata. Nel sistema AFP, una testa di deposizione con la capacità di riscaldare e compattare i prepreg di resina è montata su una macchina per il posizionamento della fibra o su un robot industriale. La macchina per il posizionamento della fibra o il robot che trasporta la testa di deposizione depone i prepreg che attraversano la superficie dei mandrel utensili. Nel processo di fabbricazione, il mandrel utensile viene utilizzato come stampo da ferire intorno ai prepreg per formare una certa struttura di parte composita. Il mandrel verrà rimosso dopo la cura della parte. Gli attuali sistemi AFP possono migliorare significativamente l'efficienza e la qualità della produzione di materiali compositi^3,4,5. Tuttavia, sono limitati alla produzione delle superfici aperte che presentano una superficie piatta o sagomata, o semplici parti di rivoluzione come cilindri o coni a causa dell'insufficiente DoF del sistema e delle difficoltà nella generazione di traiettorie. In particolare, l'industria aerospaziale e le industrie di produzione delle attrezzature sportive sono ora interessate a questa tecnica per la produzione di strutture con geometrie più complesse, come tubi "Y" o le strutture che formano a circuito chiuso come telai per biciclette.

Per poter produrre le strutture con geometrie complesse, occorre migliorare la flessibilità del sistema AFP. Ad esempio, un sistema 8 DoF AFP è stato proposto⁶ aggiungendo una traccia lineare a un robot industriale DoF 6 e una fase di rotazione alla piattaforma di tenuta mandrel. Tuttavia, il sistema non è ancora adatto per la produzione delle parti di cui sopra con geometrie complesse. Il sistema robotico collaborativo composto da due robot è una soluzione promettente per aumentare la destrezza impiegando un robot per tenere la testa di posizionamento della fibra alla fine dell'effettore e un altro robot per tenere il mandrel. Il sistema collaborativo a due seriali-robot potrebbe non risolvere il problema del posizionamento della fibra, dal momento che i robot seriali tendono a deformarsi e perdere la precisione a causa della sua struttura a sbalzo, considerando il peso del mandrel e la forza di compattazione⁷. Rispetto ai robot seriali, 6 robot paralleli DoF, che sono stati utilizzati nel simulatore di volo e negli strumenti medici, godono di una migliore rigidità e precisione⁸. Pertanto, un sistema robot collaborativo parallelo-seriale, in aggiunta a un palco rotazionale montato sulla piattaforma del robot parallelo, è costruito per la gestione delle strutture complesse che producono in questo documento.

Tuttavia, il sistema robotico collaborativo costruito offre difficoltà nella progettazione del controller per ogni robot per soddisfare il requisito di alta precisione del posizionamento della fibra. La misurazione accurata della posizione dell'effettore finale potrebbe essere ottenuta utilizzando il sistema di tracciamento laser, comunemente utilizzato per guidare il robot industriale in varie applicazioni di perforazione aerospaziale^9,10. Anche se il sistema di tracciamento laser può fornire un'elevata misurazione accurata della posizione, i principali inconvenienti riguardano il costo del sistema e il problema dell'occlusione. Il sistema di tracciamento laser è costoso, ad esempio, un laser tracker commerciale e i suoi accessori costano fino a 90.000 dollari, e il raggio laser è facilmente occluso durante il movimento dei robot. Un'altra soluzione promettente è il sistema di misurazione della visione, che può fornire la misurazione della posa 6D dell'effetto recisivo finale con una notevole precisione a basso costo. La posa è indicata come la combinazione della posizione 3D e dell'orientamento 3D dell'effetto finale rispetto al telaio di base del robot. Il CMM ottico (vedi Tabella dei materiali)è un sensore visivo basato su doppia fotocamera. Osservando diversi obiettivi riflettori attaccati agli effetti finali dei due robot, le pose relative tra i robot possono essere misurate in tempo reale. La CMM ottica è stata applicata con successo alla calibrazione robotica¹¹ e al tracciamento dinamico del percorso¹² e quindi viene introdotta per fornire la misurazione del feedback ai sistemi di controllo a circuito chiuso del sistema CCM proposto in questo studio.

La qualità del prodotto composito finale dipende in gran parte da come viene generato il percorso in fibra originale per l'AFP^13,14. Il processo di generazione del percorso viene normalmente eseguito utilizzando software di programmazione off-line. Il percorso generato è costituito da una serie di tag point sul mandrel, che indicano la posa della testa di posizionamento della fibra. A differenza di altre applicazioni di pianificazione della traiettoria come la deposizione della vernice, la lucidatura o la lavorazione, dove sono possibili diversi tipi di percorsi di copertura, la scelta è limitata nel caso di AFP, poiché la fibra è continua e non è possibile eseguire cambiamenti di direzione (angoli taglienti) senza danneggiarlo e la testa di posizionamento deve essere mantenuta nella norma della superficie delle parti. Il primo sviluppo della tecnica di generazione della traiettoria per AFP si è concentrato sulla produzione di grandi pannelli piatti⁵ prima di spostarsi verso la produzione gli oggetti di forme 3D come superfici curve aperte o coni^{5, 14.}Ma non è stata sviluppata alcuna metodologia pratica per generare percorsi off-line per le parti con geometrie complesse come la forma A o le altre forme. Pertanto, un algoritmo di pianificazione del percorso efficace per le parti con superfici a contorno complesso è progettato per garantire una posa uniforme delle fibre successive senza spazi o sovrapposizioni nella nostra precedente ricerca¹⁵. Considerando la praticità e l'efficacia dell'algoritmo di generazione del percorso, solo il robot seriale 6-DoF con la testa di posizionamento e la fase di rotazione 1-DoF in quanto il supporto mandrel è considerato come il sistema target per trovare la pianificazione ottimale della traiettoria spazio comune con criteri di tempo minimi. Potrebbe essere troppo complicato e dispendioso in termini di tempo generare la traiettoria off-line per l'intero sistema CcM DoF 13 a causa del pesante calcolo della cinematica e della considerazione di vari vincoli come singolarità, collisioni, cambio di direzione uniforme e mantenendo la testa di posizionamento nella norma della superficie delle parti, ecc.

La proposta di pianificazione della traiettoria off-line può generare il servo riferimento per il robot seriale 6 DoF e la fase di rotazione rispettivamente con tempi esatti. Anche con questa pianificazione della traiettoria off-line, potrebbe essere impossibile generare un percorso fattibile sotto tutti i vincoli per alcune parti geometriche. Inoltre, gli errori di posizionamento dei robot possono far sì che i robot collidano con il mandrel o un altro dispositivo nell'ambiente di lavoro. La modifica del percorso on-line viene implementata in base al feedback visivo della CMM ottica. Pertanto si propone l'algoritmo di correzione della posa on-line per correggere il percorso del robot parallelo e per sintonizzare contemporaneamente un offset corrispondente sul percorso del robot seriale attraverso il feedback visivo. Quando la collisione e altri vincoli vengono rilevati, anche la posa relativa tra i due robot viene mantenuta invariata mentre segue il percorso generato off-line. Attraverso la correzione del percorso on-line, il sistema CCM può evitare questi punti senza alcuna terminazione. Grazie alla flessibilità del robot parallelo, gli offset di correzione 6D possono essere generati rispetto ai diversi vincoli. Questo manoscritto presenta una procedura operativa dettagliata del sistema CCM utilizzando l'algoritmo di correzione della posa on-line.

Protocol

1. Definizioni dei fotogrammi del sistema CCM

NOTA: L'ottico CMM è un sensore a doppia fotocamera, in grado di tracciare l'oggetto con un set rigido di riflettori come bersagli in tempo reale. Il principio di posizionamento di questi obiettivi è che gli obiettivi sono bloccati in posizioni asimmetriche con una certa distanza tra di loro. Gli obiettivi devono essere fissati sui robot o sulla testa di posizionamento e rimanere nel campo visivo (FOV) della CMM ottica. Almeno quattro bersagli devono essere osservati per ogni fotogramma definito dalla CMM ottica per tutto il tempo. Il telaio di base del robot parallelo, il telaio dell'effetto finale del robot parallelo e il telaio del robot seriale sono indicati rispettivamente come F_b, F_t^Pe F_t^S. Le definizioni di tali frame sono mostrate nella Figura 1. Poiché i fotogrammi di base del robot parallelo e del robot seriale sono fissi, la matrice di trasformazione tra i due fotogrammi di base può essere derivata dalla calibrazione.

come illustrato nella Figura 1. Configurazione del sistema CCM (Collaborative Composite Manufacturing). L'hardware del sistema CCM è costituito da un robot parallelo 6-RSS, uno stadio rotazionale 1-DoF, un robot seriale 6-DoF, una testina di posizionamento e la CMM ottica. Il mandrel è bloccato sul palco rotazionale, e lo stadio di rotazione è montato sul robot parallelo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

1. Definizione del telaio di base del robot parallelo
   1. Caricare il file di definizione dei frame tramite il software del CMM ottico (vedere la tabella dei materiali).
   2. Fare clic su Posizionamento > Rileva destinazioni. Selezionare i bersagli collegati ai motori del robot parallelo. Fare clic su Accetta per prendere tali destinazioni come riferimento di posizionamento dell'intero sistema.
   3. Nell'elenco Entità, fare clic su Telaio di base e selezionare Rendi questo riquadrodi riferimento Origin .
      NOTA: Lo scopo del passaggio 1.1 è quello di prendere F_b come piano di riferimento dell'intero sistema. Il file di definizione dei frame è retè al seguente collegamento: .
2. Definizione del modello di tracciamento del telaio della piattaforma end-effector
   1. Selezionare Modelli di rilevamento nell'area di navigazione. Fare clic su Rileva modello, quindi selezionare le destinazioni fissate sulla piattaforma dell'effettofinale del robot parallelo. Fare clic su Accetta.
   2. Fare clic sul modello di rilevamento generato. Selezionate Up_Frame nell'elenco a discesa di Offset origine. Quindi fare clic su Applica.
      NOTA: Questo passaggio consiste nell'impostare le relazioni fisse tra il telaio della piattaforma dell'effetto finale F_t^P e gli obiettivi collegati sulla piattaforma dell'effetto finale.
   3. Fate clic su File-Export-Tracking model (File-Export-Tracking model)e immettete un nome file per salvare il modello di rilevamento.
3. Definizione del modello di tracciamento del quadro utensile
   1. Selezionare Modelli di rilevamento. Fare clic su Rileva modello, quindi selezionare le destinazioni fissate sul telaio dell'utensile del robot seriale. Fare clic su Accetta.
   2. Fare clic sul modello di rilevamento generato. Selezionate SerToolFrame nell'elenco a discesa dell'offset Origine. Fare clic su Applica e salvare il modello di rilevamento definito.

2. Preparazione del sistema

NOTA: il layout del sistema di controllo del sistema CCM è illustrato nella Figura 2.

come illustrato nella Figura 2. Layout di sistema. Due computer (A & B) vengono utilizzati per il controllo del sistema CCM. La comunicazione tra di loro è via RS232. Il computer A controlla lo stato di rotazione, il senor della fotogrammetria e il robot seriale. Computer B controlla il robot parallelo, motori e valvole ecc. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

1. Preparazione della fase di rotazione
   1. Caricare l'interfaccia di controllo integrata programmata dal linguaggio di programmazione basato su eventi sul computer A.
      NOTA: l'interfaccia di controllo è illustrata nella Figura 3. Il programma di interfaccia può essere ottenuto al seguente link: .
   2. Fare clic su Connetti per collegare il controller dello stage di rotazione. Fare clic su Abilita per collegare il motore della fase di rotazione. Quindi fare clic su Home per spostare la fase di rotazione nella posizione iniziale.

come illustrato nella figura 3. Interfaccia di controllo. Il software di controllo programmato dal linguaggio di programmazione basato su eventi. L'interfaccia è composta da 6 sezioni: robot seriale, robot parallelo, fase di rotazione, importazione del percorso, CMM ottico e controllo cooperativo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Preparazione del robot seriale
   1. Accendere il controller del robot seriale (vedere la Tabella dei materiali).
   2. Fare clic su Connetti sull'interfaccia di controllo integrata per collegare il server robot.
3. Preparazione dell'Ottica CMM
   1. Accendere il controller della CMM ottica e attendere che lo schermo del controller mostri Pronto.
   2. Fare clic su Connetti sull'interfaccia di controllo integrata per collegare la CMM ottica tramite l'API (Application Programming Interface).
   3. Importare i modelli incorporati nella sezione 1, che include il modello Base, il modello di piattaforma superiore e il modello End-effector del robot seriale.
   4. Fare clic su Aggiungi sequenza. Se necessario, aggiungere la sequenza relativa tra i modelli. Quindi fare clic su Avvia rilevamento per tenere traccia della posa dei modelli.
4. Preparazione del robot parallelo
   1. Accendere il controller del robot parallelo.
   2. Caricare il programma SerialPort_Receive e selezionare modalità normale.
      NOTA: il programma SerialPort_Receive non è in grado di controllare direttamente il robot parallelo. Viene utilizzato per ricevere i dati remoti dal computer A tramite porta di comunicazione seriale. Il programma SerialPort_Receive può essere ottenuto al seguente link: .
   3. Caricare il programma ParaRemoteControl e selezionare Modalità esterna. Quindi fare clic su Compilazione incrementale per connettersi alla destinazione.
      NOTA: il programma ParaRemoteControl viene utilizzato per ricevere la posa desiderata dal programma SerialPort_Receive e controllare il robot parallelo. Il programma ParaRemoteControl è possibile ottenere al seguente link: .
   4. Fare clic su Avvia simulazione dei due programmi per inizializzare il controller del robot parallelo.

3. Generazione del percorso off-line

1. Caricare l'interfaccia di pianificazione del percorso tramite il software di calcolo numerico (vedere la tabella dei materiali).
   NOTA: l'interfaccia è illustrata nella Figura 4. L'interfaccia di pianificazione del percorso è il software off-line per generare il percorso per il sistema e può essere ottenuta al seguente link:

come illustrato nella Figura 4. Interfaccia di pianificazione del percorso. Il software di pianificazione del percorso è composto da 3 sezioni: Area visiva, Area di comando e Casella di informazioni. La sezione "Area di visualizzazione" consente di elaborare la visualizzazione 3D delle parti. La sezione "Area di comando" consiste nell'eseguire le azioni principali per la generazione del percorso off-line. La sezione "Information Box" visualizza le informazioni sullo stato del programma. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Fare clic su Importa STL e scegliere il file di parti. Quindi fare clic su Segmentazione.
   NOTA: la parte è suddivisa in regioni separate (cilindri e giunzioni della parte a forma di Y). Le diverse regioni vengono visualizzate in colori diversi.
3. Fare clic su Aggiungi area di lavoro e selezionare la regione sull'estrazione dei cilindri.
4. Regolare il dispositivo di scorrimento al 100% e fare clic su Estrai cilindri.
5. Fare clic su Aggiungi area di lavoro per selezionare il ramo iniziale del percorso.
6. Fare clic su Genera percorso. Scegliete la terza opzione: Angolo di posizionamento costante (CPA) nella finestra di dialogo a comparsa.
7. Scegliere l'angolo di posizionamento desiderato di 90 gradi nella finestra di dialogo a comparsa. Quindi scegli il punto rosso.
8. Per visualizzare il percorso generato, fare clic sul menu a discesa Seleziona un percorso. Quindi, selezionare il percorso.
9. Per salvare questo percorso, fare clic su File > Salva e immettere un nome file.

4. Decomposizione individuale della traiettoria per il robot seriale e la fase di rotazione

1. Eseguire la funzione Methode_Jacobian nel software di calcolo numerico (vedere Tabella dei materiali).
   NOTA: La funzione Methode_Jacobiana viene utilizzata per scomporre il percorso generato nel passaggio 3 in due singole traiettorie per il robot seriale e la fase di rotazione.
2. Selezionare il file di percorso desiderato (generato dall'interfaccia di pianificazione del percorso) e fare clic su Apri.
3. Immettere il numero di percorso desiderato.
4. Viene quindi calcolato il primo punto della traiettoria. Scegliere la configurazione desiderata per il manipolatore per raggiungere questa posa.
   NOTA: al termine del passaggio 4.4, viene visualizzato un grafico che mostra l'evoluzione dei valori delle articolazioni. Viene generato un file contenente la traiettoria per il robot seriale e la fase di rotazione.

5. Esecuzione del percorso off-line senza l'algoritmo di modifica del percorso

1. Premere Seleziona sul ciondolo di insegnamento e scegliere il nome del file importato. Premere INVIO per caricare il file del percorso.
2. Attivare l'interruttore del controller robot in modalità Automatica. Impostare l'interruttore Teach pendant ON/OFF su Off.
3. Premere Ciclo Start del controller del robot seriale per eseguire il percorso.
4. Fare clic su Spostamento cooperativo nel pannello Controllo cooperativo.
   NOTA: il sistema eseguirà il percorso offline senza l'algoritmo di modifica del percorso in linea. Se l'articolazione raggiunge la singolarità o la condizione di vincolo, il sistema si arresterà.

6. Esecuzione del percorso off-line con l'algoritmo di modifica del percorso

1. Ripetere i passaggi da 5.1 a 5.3. Quindi fare clic su Connessione DPM che si trova nel pannello di controllo cooperativo in Figura 3 per aggiungere la modalità di modifica del percorso on-line per il sistema.
2. Fare clic su Spostamento cooperativo nel pannello Controllo cooperativo.
   NOTA: il sistema eseguirà il percorso offline con l'algoritmo di modifica del percorso in linea. Durante l'esecuzione, le singolarità e i vincoli dei giunti vengono monitorati attraverso la misurazione dell'encoder del robot seriale. Il sistema può passare senza problemi la singolarità o i punti di limitazione del vincolo senza terminazione.

Representative Results

L'esperimento mira a dimostrare il processo di realizzazione del movimento di posa della fibra sul mandrel a forma di Y del sistema CCM proposto. Il processo viene eseguito in tre fasi: generazione del percorso; decomposizione della traiettoria; e singolarità ed elusione dei vincoli.

Generazione del percorso
Normalmente, l'orientamento standard viene utilizzato nell'industria per definire i diversi strati del laminato. In questo documento, la definizione dell'orientamento deve essere adattata al corpo -forma. Prendendo come riferimento l'asse centrale del mandrel, vale a dire 0, si studiano tre diversi orientamenti dello schivo, 0, 45 e 90 gradi per la pratica applicazione industriale composita. La generazione del percorso per l'orientamento dello slorato di 90 gradi viene mostrata come esempio. Lo spessore di 90 gradi si ottiene come un percorso di curva elicoidale, il cui passo è la larghezza dei nastri compositi. Pertanto, l'angolo effettivo tra il percorso e il riferimento è vicino a 90 gradi. Lo schivo di 90 gradi generato può coprire due rami senza alcuna interruzione e le sovrapposizioni e gli spazi tra i nastri possono essere ridotti al minimo. Come illustrato nella Figura 5, i tre rami della parte sono etichettati come A, Be C. La prima traiettoria viene generata per coprire i rami A e B ma lasciare il ramo C scoperto. Per coprire i rami C, i rami B e C sono considerati per generare la seconda traiettoria. Infine, viene generato un altro plissma di 90 gradi per coprire i rami A e C. Dopo aver seguito le procedure precedenti, vengono generati due layer per ogni ramo.

come illustrato nella Figura 5. La prima traiettoria generata di 90' Ply. Il primo percorso viene generato per coprire i rami A e B con un percorso continuo riducendo al minimo le lacune e le sovrapposizioni. Allo stesso modo, il secondo percorso viene generato per coprire i rami B e C e il terzo è quello di coprire i rami A e C per ottenere la copertura uniforme del mandrel. La traiettoria viene generata in modo iterativo seguendo la stessa procedura. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Decomposizione della traiettoria
La decomposizione della traiettoria definisce la traiettoria di ogni robot in modo indipendente per evitare collisioni tra loro. La pressione del rullo di compressione della testa di posizionamento della fibra deve essere normale alla superficie del mandrel e l'asse del rullo di compressione deve essere sempre mantenuto perpendicolare al percorso di traiettoria durante i processi di produzione. Il mandrel è montato sullo stadio rotazionale che è fissato sulla piattaforma superiore del robot parallelo. La relazione cinematica tra gli effettivi finali di due robot è pre-pianificata e conosciuta.

Figura 6 illustra il processo di decomposizione di avvolgere continuamente due rami del mandrel -shape con angolo di posizionamento costante di 90 gradi. Può essere decomposto alla traiettoria del robot seriale e del movimento rotatorio dello stadio rotazionale. Le traiettorie scomposte possono garantire che il rullo sarebbe normale alla superficie del mandrel. Come accennato in precedenza, dopo aver terminato l'avvolgimento dal ramo A al ramo B, un altro livello viene eseguito il wrapping dal ramo B al ramo C. Quindi, un nuovo livello viene avviato dal ramo A al ramo C e il ciclo di avvolgimento mantiene iterativo.

come illustrato nella Figura 6. La scomposizione per la traiettoria a forma di Y. La traiettoria generata viene scomposta in base alle traiettorie del robot seriale e del movimento rotatorio dello stadio rotazionale. Il processo di decomposizione mira a avvolgere continuamente due rami del mandrel a forma di Ycon un angolo di posizionamento costante di 90 gradi. L'angolo n. è l'orientamento dell'effetto finale del robot seriale. Vector e₂ è il vettore unitario normale che garantisce che il rullo sarebbe normale alla superficie dello stampo. Nella parte elicoidale della traiettoria per il robot seriale, il passo è uguale alla larghezza dei nastri. Gli offset del rullo sono lungo la direzione del vettore e₃. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Singolarità ed elusione dei vincoli
La traiettoria generata off-line per il sistema CCM è inevitabilmente costituita da punti e vincoli singolari in alcuni casi. Ad esempio, la singolarità del polso del robot seriale si verifica quando gli assi del giunto 4 e del giunto 6 sono coincidenti a causa del fatto che l'angolo di rotazione di Giunto 5, ,_{, è}uguale o prossimo a 0 . L'algoritmo di evitamento sviluppato può spostare simultaneamente la piattaforma 6-RSS e il robot seriale al fine di posare la fibra seguendo le traiettorie off-line generate. Nel controller integrato del robot seriale, un angolo di soglia sicuro per Joint 5 è di 3,5 gradi, il che significa che il robot si fermerà automaticamente quando,₅ gradi, 3,5. Considerando la raggiungibilità del robot seriale e la sensibilità del rilevamento della singolarità,viene selezionato come soglia ottimale per questo tipo di prevenzione della singolarità attraverso una grande quantità di esperimento. La condizione di innesco per il meccanismo di prevenzione della singolarità è di_z5(k) - <_z. Nell'algoritmo di correzione della posa on-line illustrato nella Figura 7,viene monitorato il codificatore del giunto 5 del robot seriale. Se il giunto 5 soddisfa la condizione di innesco della singolarità, il software dell'interfaccia di controllo integrato genererà l'offset , p^o per il robot parallelo, e aggiungerà di conseguenza la correzione al percorso off-line del robot seriale. Quando il giunto 5 supera la soglia predefinita, il robot parallelo torna alla sua posa iniziale e la correzione del percorso on-line del robot seriale si arresta.

Nell'esperimento, viene generato un percorso di pianificazione off-line per la produzione della parte composita a forma di Y, in cui si verifica la singolarità del polso articolare. I risultati dell'esperimento mostrano che il metodo proposto può creare la correzione della posa per il robot parallelo e regolare il percorso off-line del robot seriale in base al feedback ottico CMM. In questo modo, il sistema può passare senza problemi la singolarità e porre la fibra lungo il percorso senza terminazione come mostrato Figura 8] Pertanto il sistema CCM proposto può realizzare il processo di produzione della struttura con Y-Shape con successo.

come illustrato nella Figura 7. Algoritmo di correzione della posa del diagramma di flusso della posa in linea. Diagramma di flusso che delinea le procedure per l'esecuzione dell'algoritmo di correzione della posa on-line. Consiste nella procedura di elusione della singolarità del polso e la procedura di elusione dei vincoli articolari. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

come illustrato nella Figura 8. Traiettoria Di confronto con e senza Wrist Singularity Avoidance, a) il percorso dell'area di lavoro 3D, b) la traiettoria angolare del giunto 5 e c) La traiettoria di orientamento del robot parallelo. (a) Viene indicato il corso effettivo del nastro con e senza evitare la singolarità del polso. La linea nera mostra che quando il giunto 5 raggiunge l'intervallo di -3,5 gradi centigradi , J5 , il sistema si arresta a causa dell'impostazione dell'angolo di soglia di sicurezza nel controller robot. La linea di tratteggio blu dimostra che il robot può superare senza problemi i limiti del giunto e completare il corso di riposo utilizzando l'algoritmo di elusione per generare i percorsi di correzione sia per i robot paralleli che per quelli seriali. (b) La traiettoria del giunto 5 termina intorno ai 24 s senza l'algoritmo di elusione proposto quando il robot seriale si avvicina al suo punto di singolarità (cioè 4,0). (c) Vengono fornite le traiettorie effettive del robot parallelo, compreso l'angolo di Eulero in direzione Y della posa dell'effettore finale. La linea blu mostra il percorso originale del robot senza alcuna correzione on-line, e la linea rossa indica che il percorso di correzione viene aggiunto al robot quando il giunto 5 è vicino a 4,0 . Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

I risultati sperimentali mostrano il processo di produzione di 90 gradi di posizionamento dello strato del sistema CCM progettato. Le metodologie proposte in questo documento possono essere utilizzate per disporre la fibra con angoli di posizionamento dello strato di 0 e 45 gradi sul mandrel con forma Y e altre forme. Mentre il controller integrato del robot seriale è in grado di fornire la funzione di prevenzione della singolarità^17,è supportato solo il movimento lineare dell'effettivo finale. Quando l'effetto finale esegue l'attività del movimento circolare, la funzione non funziona e quindi il percorso off-line generato generato non può essere garantito. Inoltre, il problema del vincolo articolare non può essere risolto attraverso le funzioni del controller integrato. Pertanto, in questo documento, viene proposto un metodo di correzione del percorso on-line per superare gli inconvenienti menzionati generando la posa di correzione ottimale per i robot seriali e paralleli, e per mantenere il percorso relativo tra i due robot per seguire il percorso off-line basato sul feedback ottico CMM. Le condizioni di attivazione per i limiti e le singolarità del giunto indicano il momento in cui il controller invia il segnale del comando di movimento per guidare il robot parallelo e, di conseguenza, modificare il percorso del robot seriale. Innescato dalle situazioni di vincolo e singolarità del robot seriale, la correzione ottimale del percorso del robot parallelo viene generata con l'obiettivo del minimo movimento parallelo del robot. Rispetto alle attuali macchine AFP, il sistema CCM ha il potenziale per produrre piccoli componenti compositi di geometria complessa.

I passaggi critici all'interno del protocollo sono la generazione di correzione della posa e l'input per entrambi i robot. La correzione della posa per la traiettoria del robot seriale viene eseguita da Dynamic Path Modification (DPM) fornito dal robot seriale. Il tempo di risposta è relativamente lungo, il che comporta l'errore delle pose relative dei due fotogrammi dello strumento.

I nostri piani futuri includono lo sviluppo di un controller avanzato basato su modelli per migliorare l'accuratezza del percorso per il sistema CCM, la progettazione di un filtro per rimuovere il rumore nella misurazione ottica della CMM e l'utilizzo del sistema CCM sviluppato per produrre l'effettivo strutture composite.

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