Summary
Een Collaboratief samengesteld productiesysteem is ontwikkeld voor robotachtige lay-up van composiet laminaten met behulp van de harsen tape. Het voorgestelde systeem maakt de productie mogelijk van samengestelde laminaten met een hoge mate van geometrische complexiteit. De problemen in de planning van de paden, de coördinatie van de robots en de controle worden in de voorgestelde methode aangepakt.
Abstract
De geautomatiseerde tape plaatsing en de geautomatiseerde Fiber Placement (AFP) machines zorgen voor een veiligere werkomgeving en verminderen de arbeidsintensiteit van werknemers dan de traditionele plaatsing van de handmatige vezel. Zo zijn de productie nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid en efficiëntie van de samengestelde productie aanzienlijk verbeterd. De huidige AFP-systemen kunnen echter alleen de samengestelde componenten produceren met grote open oppervlakken of eenvoudige revolutie onderdelen, die niet kunnen voldoen aan de groeiende interesse in kleine complexe of gesloten constructies uit de industrie.
In dit onderzoek, door het gebruik van een 1-graad van vrijheid (DOF) rotatie stage, een 6-RSS parallelle robot, en een 6-DOF seriële robot, de behendigheid van het AFP-systeem kan aanzienlijk worden verbeterd voor het vervaardigen van complexe samengestelde onderdelen. De rotatie stage gemonteerd op de parallelle robot wordt gebruikt om de doorn vast te houden en de seriële robot draagt de plaatsings kop om twee menselijke handen te imiteren die genoeg beweeglijkheid hebben om de vezels te leggen aan de doorn met complexe contour.
Hoewel het CCM-systeem de flexibiliteit van samengestelde productie verhoogt, is het vrij tijdrovend of zelfs onmogelijk om het haalbare off-line pad te genereren, wat zorgt voor een uniforme lay-up van volgende vezels, gezien de beperkingen zoals singulariteiten, botsingen tussen de vezel plaatsings kop en de Mandrel, soepele vezelrichting veranderen en het houden van de vezel plaatsing hoofd langs de norm van het oppervlak van het deel, enz. Bovendien, als gevolg van de bestaande positionerings fout van de robots, is de on-line Path correctie nodig. Daarom wordt het on-line pose Correction-algoritme voorgesteld om de paden van zowel parallelle als seriële robots te corrigeren en om het relatieve pad tussen de twee robots ongewijzigd te houden door de visuele feedback wanneer de beperking of singulariteit problemen in de off-line Path planning plaatsvinden. De experimentele resultaten laten zien dat het ontworpen CCM-systeem kan voldoen aan de beweging die nodig is voor het vervaardigen van een samengestelde structuur met Y-vorm.
Introduction
Onlangs heeft de toenemende behoefte aan hoogwaardige samengestelde structuren in verschillende industrieën de ontwikkeling van de composiet fabricagetechnologieën1,2aanzienlijkgestimuleerd. De traditionele handmatige productie kan niet voldoen aan de hoge efficiëntie, nauwkeurigheid en kwaliteitseisen van de opkomende industrie. Dit aspect heeft de ontwikkeling van nieuwe productie technologieën, zoals AFP-systemen, aangemoedigd. De AFP-technologie automatiseert de productie van composietmateriaal structuren met behulp van prepregs, die aanwezig zijn in de vorm van strips bestaande uit geïmpregneerde Fiber tapes (glas, koolstof, enz.) van semi-gepolymeriseerde hars. In het AFP-systeem is een afdekkop met het vermogen van het verwarmen en comprimeren van de hars prepregs gemonteerd op een vezel plaatsingsmachine of een industriële robot. De vezel plaatsingsmachine of robot die de afdekkast draagt, legt de prepregs die het oppervlak van de gereedschaps Mandrels doorkruisen. In het proces van productie, de tooling Doorn wordt gebruikt als een mal om te worden gewikkeld rond door de prepregs een bepaalde structuur van samengestelde deel vormen. De doorn wordt verwijderd nadat het deel is genezen. De huidige AFP-systemen kunnen de efficiëntie en kwaliteit van de productie van composietmaterialen3,4,5aanzienlijk verbeteren. Ze zijn echter beperkt tot de productie van de open oppervlakken die een vlakke of gecontourde oppervlakte vertonen, of eenvoudige revolutie onderdelen zoals cilinders of kegels als gevolg van de ontoereikende DoF van het systeem en de moeilijkheden bij het genereren van trajecten. Vooral de lucht-en ruimtevaartindustrie en de productie-industrie van sportartikelen zijn nu geïnteresseerd in deze techniek voor de productie van constructies met complexere geometrieën, zoals "Y"-buizen of de structuren die gesloten lussen vormen, zoals fietsframes.
Om de structuren met complexe geometrieën te kunnen vervaardigen, moet de flexibiliteit van het AFP-systeem worden verbeterd. Bijvoorbeeld, een 8 DOF AFP-systeem is voorgesteld6 door het toevoegen van een lineaire track aan een 6 DOF industriële robot en een rotatie fase naar de doorn Holding platform. Het systeem is echter nog steeds niet geschikt voor het vervaardigen van de bovengenoemde onderdelen met complexe geometrieën. Het collaboratieve robotsysteem bestaande uit twee robots is een veelbelovende oplossing om de beweeglijkheid te verhogen door gebruik te maken van één robot om de vezel plaatsings hoofd aan de eind Effector te houden en een andere robot om de Mandrel vast te houden. Het twee-seriële-robot collaboratieve systeem kan het vezel plaatsings probleem niet oplossen, omdat de seriële robots de neiging hebben om te vervormen en de nauwkeurigheid te verliezen als gevolg van de vrijdragende structuur, gezien het gewicht van de Doorn en de verdichting kracht7. Vergeleken met de seriële robots, 6 DoF parallelle robots, die zijn gebruikt in de Flight Simulator en medische hulpmiddelen, genieten van betere stijfheid en nauwkeurigheid8. Daarom is een parallel-Serial Collaboratief robotsysteem, aanvullend op een rotatie podium gemonteerd op het platform van de parallelle robot, gebouwd voor het hanteren van de complexe constructies die in dit papier worden gefabriceerd.
Het gebouwde, collaboratieve robotsysteem levert echter moeilijkheden bij het ontwerpen van de controller voor elke robot om te voldoen aan de hoge nauwkeurigheidsvereisten van vezel plaatsing. De nauwkeurige positiemeting van de eind Effector kan worden bereikt door het Laser volgsysteem te gebruiken, dat vaak wordt gebruikt om de industriële robot te begeleiden in verschillende ruimtevaarttoepassingen9,10. Hoewel het Laser volgsysteem een hoge nauwkeurige positiemeting kan bieden, liggen de belangrijkste nadelen in de kosten van het systeem en de occlusie kwestie. De laser tracking systeem is duur, bijvoorbeeld, een commerciële Laser Tracker en de accessoires kosten tot US $90000, en de laserstraal is gemakkelijk verstopt tijdens de beweging van de robots. Een andere veelbelovende oplossing is het Vision-meetsysteem, dat 6D-pose meting van de eind Effector met een aanzienlijke nauwkeurigheid tegen lage kosten kan bieden. De pose wordt aangeduid als de combinatie van de 3D-positie en 3D-oriëntatie van de eind Effector met betrekking tot het basisframe van de robot. De optische CMM (Zie tabel van de materialen) is een dual camera-gebaseerde visuele sensor. Door het observeren van verschillende reflector doelen bevestigd op de eind Effectors van de twee robots, de relatieve poses tussen de robots kunnen worden gemeten in real time. De optische CMM is met succes toegepast op de Robotic Calibration11 en Dynamic Path tracking12 en is zo geïntroduceerd om de feedback meting te leveren aan de closed-loop besturingssystemen van het voorgestelde CCM-systeem in deze studie.
De kwaliteit van het eind samengestelde product is grotendeels afhankelijk van hoe het originele Fiber pad wordt gegenereerd voor de AFP13,14. Het proces voor het genereren van paden wordt normaalgesproken uitgevoerd met behulp van off-line programmeersoftware. Het gegenereerde pad bestaat uit een reeks tagpunten op de Mandrel, die de pose van de vezel plaatsings hoofd aangeven. In tegenstelling tot andere trajecten voor plannings toepassingen zoals verf depositie, polijsten of verspanen, waarbij verschillende soorten dekkings paden mogelijk zijn, is de keuze beperkt in het geval van AFP, omdat de vezel continu is en het niet mogelijk is om abrupt te presteren veranderingen in de richting (scherpe hoeken) zonder het te beschadigen en de plaatsings kop moet worden gehouden in de norm van het oppervlak van de delen. De eerste ontwikkeling van de traject techniek voor AFP is geconcentreerd op het vervaardigen van grote platte panelen5 voordat ze naar de productie van de objecten van 3D-vormen, zoals open gebogen oppervlakken of kegels5, 14. er is echter geen praktische methodologie ontwikkeld voor het genereren van off-line paden voor de onderdelen met complexe geometrieën zoals Y-vorm of de andere vormen. Daarom is een effectief pad plannings algoritme voor de onderdelen met complexe contour oppervlakken ontworpen om te zorgen voor een uniforme lay-up van volgende vezels zonder gaten of overlappingen in ons vorige onderzoek15. Gezien de bruikbaarheid en de effectiviteit van het pad genererend algoritme, worden alleen de 6-DOF seriële robot met de plaatsings kop en 1-DOF rotatie fase als de doorn-houder beschouwd als het doelsysteem om de optimale traject planning te vinden in gemeenschappelijke ruimte met minimale tijdcriteria. Het zou te ingewikkeld en tijdrovend zijn om het off-line traject voor het hele 13 DoF CCM-systeem te genereren vanwege de zware kinematica-berekening en de afweging van verschillende beperkingen zoals singulariteiten, botsingen, vloeiende richting verandering en houden van de plaatsing hoofd in de norm van het oppervlak van de onderdelen, enz.
De voorgestelde off-line traject planning kan het genereren van de servo referentie voor de 6 DoF seriële robot en de rotatie fase respectievelijk met exacte timing. Zelfs met deze off-line traject planning, kan het onmogelijk zijn om een haalbaar pad te genereren onder alle beperkingen voor bepaalde geometrie onderdelen. Bovendien kunnen de positionerings fouten van de robots ertoe leiden dat de robots in botsing komen met de doorn of een ander apparaat in de werkomgeving. De on-line Path modificatie wordt uitgevoerd op basis van de visuele feedback van de optische CMM. Daarom wordt het on-line pose Correction algoritme voorgesteld om het pad van de parallelle robot te corrigeren en tegelijkertijd een corresponderende offset op het pad van de seriële robot af te stemmen via de visuele feedback. Wanneer de botsing en andere beperkingen worden gedetecteerd, wordt de relatieve pose tussen de twee robots ook ongewijzigd gehouden tijdens het volgen van het off-line gegenereerde pad. Door de correctie van het on-line pad kan het CCM-systeem deze punten probleemloos zonder beëindiging voorkomen. Door de flexibiliteit van de parallelle robot kunnen de 6D correctie verschuivingen worden gegenereerd met betrekking tot verschillende beperkingen. Dit manuscript presenteert een gedetailleerde operatie procedure van het CCM-systeem met behulp van het on-line pose Correction-algoritme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. frame definities van het CCM-systeem
Opmerking: de optische CMM is een dubbele camerasensor, die het object met een stijve set reflectoren als de doelstellingen in real-time kan volgen. Het plaatsings principe van deze doelstellingen is dat de doelstellingen vast zitten op de asymmetrische locaties met bepaalde afstand tussen hen. De doelstellingen moeten worden vastgesteld op de robots of de plaatsings kop en blijven in het gezichtsveld (FOV) van de optische CMM. Voor elk gedefinieerd frame moeten ten minste vier streefdoelen worden nageleefd door de optische CMM. Het basisframe van de parallelle robot, het eindeffectorframe van de parallelle robot, en het gereedschaps frame van de seriële robot worden aangeduid als respectievelijk Fb, ftPen ftS. De definities van die frames worden weergegeven in Figuur 1. Omdat de basis frames van de parallelle robot en de seriële robot zijn bevestigd, kan de transformatie matrix tussen de twee basis frames worden afgeleid door kalibratie.
Figuur 1. Systeem Setup voor collaboratieve composiet productie (CCM). De hardware van het CCM systeem bestaat uit een 6-RSS parallelle robot, een 1-DoF rotatie stage, een 6-DoF seriële robot, een plaatsings kop en de optische CMM. De doorn wordt geklemd op de rotatie fase, en de rotatie fase is gemonteerd op de parallelle robot. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
- Definitie van het basisframe van de parallelle robot
- Laad het frame definitiebestand via de software van de optische CMM (Zie de tabel met materialen).
- Klik op positionering > doelen te detecteren. Selecteer de doelen die op de motoren van de parallelle robot zijn bevestigd. Klik op accepteren om deze doelen als de positionerings referentie van het hele systeem te nemen.
- Klik in de lijst entiteiten op basis frame en selecteer Maak dit referentieframe de oorsprong.
Opmerking: het doel van stap 1,1 is het nemen van Fb als referentiekader van het hele systeem. Het frame definitiebestand kan worden verkregen via de volgende koppeling: < https://users.ENCS.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/P3. csf >.
- Definitie van het tracking model van het end-Effector platform frame
- Selecteer tracking modellen in het navigatiegebied. Klik op model detecterenen selecteer vervolgens de doelen die zijn vastgesteld op het end-Effector-platform van de parallelle robot. Klik op accepteren.
- Klik op het gegenereerde detectie model. Selecteer Up_Frame in de vervolgkeuzelijst van de verschuiving van oorsprong. Klik vervolgens op toepassen.
Opmerking: deze stap is het instellen van de vaste relaties tussen de end-Effector platform frame FtP en de doelstellingen die zijn gekoppeld aan de end-Effector platform. - Klik op bestand-export-tracking modelen voer een bestandsnaam in om het tracerings model op te slaan.
- Definitie van het tracerings model van het gereedschaps frame
- Selecteer traceer modellen. Klik op model detecterenen selecteer vervolgens de doelen die zijn vastgesteld op het gereedschaps frame van de seriële robot. Klik op accepteren.
- Klik op het gegenereerde detectie model. Selecteer Sertoolframe in de vervolgkeuzelijst van de verschuiving van oorsprong. Klik op toepassen en sla het gedefinieerde tracerings model op.
2. voorbereiding van het systeem
Opmerking: de indeling van het besturingssysteem van het CCM-systeem wordt weergegeven in Figuur 2.
Figuur 2. Systeem indeling. Twee computers (A & B) worden gebruikt voor het aansturen van het CCM-systeem. De communicatie tussen hen is via RS232. Computer A regelt de rotatie toestand, fotogrammetrie Senor en seriële robot. Computer B regelt de parallelle robot, motoren en kleppen etc. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
- Voorbereiding van de rotatie fase
- Laad de geïntegreerde besturingsinterface die wordt geprogrammeerd door een gebeurtenisgestuurde programmeertaal op computer A.
Opmerking: de bedieningsinterface wordt weergegeven in afbeelding 3. Het interface programma kan worden verkregen via de volgende link: < https://users.ENCS.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/pcdk-ctrack. rar >. - Klik op verbinden om de controller van de rotatie fase aan te sluiten. Klik op inschakelen om de motor van de rotatie fase aan te sluiten. Klik vervolgens op Home om de rotatie fase naar de startpositie te verplaatsen.
- Laad de geïntegreerde besturingsinterface die wordt geprogrammeerd door een gebeurtenisgestuurde programmeertaal op computer A.
Figuur 3. Bedienings interface. De besturingssoftware die is geprogrammeerd door een gebeurtenisgestuurde programmeertaal. De interface bestaat uit 6 secties: seriële robot, parallelle robot, rotatie stage, pad import, optische CMM en coöperatieve controle. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
- Voorbereiding van de seriële robot
- Schakel de controller van de seriële robot in (Zie de tabel met materialen).
- Klik op verbinden op de geïntegreerde bedieningsinterface om de robot server aan te sluiten.
- Bereiding van de optische CMM
- Schakel de controller van de optische CMM in en wacht tot het scherm van de controller gereedis.
- Klik op verbinden op de geïntegreerde bedieningsinterface om de optische CMM te verbinden via de Application Programming Interface (API).
- Importeer de modellen die zijn ingebouwd in sectie 1, waaronder het basismodel, het bovenste platform model en het end-Effector model van de seriële robot.
- Klik op reeks toevoegen. Voeg de relatieve volgorde toe tussen de modellen als dat nodig is. Klik vervolgens op Start Tracking om de pose van de modellen bij te houden.
- Voorbereiding van de parallelle robot
- Schakel de controller van de parallelle robot in.
- Laad het programma SerialPort_Receive en selecteer de normale modus.
Opmerking: het programma SerialPort_Receive kan de parallelle robot niet rechtstreeks bedienen. Het wordt gebruikt om de externe gegevens te ontvangen van computer A via seriële communicatiepoort. Het SerialPort_Receive -programma kan worden verkregen via de volgende link: < https://users.ENCS.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/SerialPort_Receive. MDL >. - Laad het programma Pararemotecontrol en selecteer externe modus. Klik vervolgens op incrementele Build verbinding maken met doel.
Opmerking: het Pararemotecontrol -programma wordt gebruikt om de gewenste pose van SerialPort_Receive -programma te ontvangen en de parallelle robot te besturen. Het pararemotecontrol programma kan worden verkregen via de volgende link: < https://users.ENCS.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/pararemotecontrol. MDL >. - Klik op Start simulatie van de twee Programma's om de controller van de parallelle robot te initialiseren.
3. het off-line pad genereren
- Laad de padplanninginterface via de numerieke computer software (Zie de tabel met materialen).
Opmerking: de interface wordt weergegeven in afbeelding 4. De Path planning interface is de off-line software om het pad voor het systeem te genereren en kan worden verkregen via de volgende link: < https://users.ENCS.Concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/AFP_PathPlanning_Pcode. zip >.
Figuur 4. Interface voor padplanning. De Path planning software bestaat uit 3 secties: Visual Area, Command Area en Information box. In het gedeelte "weergavegebied" kan de 3D-weergave van de te verwerken onderdelen worden uitgevoerd. De sectie "Command Area" is om de belangrijkste acties voor het genereren van het off-line pad uit te voeren. In het gedeelte ' informatievak ' wordt de informatie over de status van het programma weergegeven. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
- Klik op import STL en kies het onderdeel bestand. Klik vervolgens op segmentatie.
Opmerking: het deel is onderverdeeld in afzonderlijke gebieden (cilinders en knooppunten van het Y-vorm gedeelte). De verschillende regio's worden in verschillende kleuren weergegeven. - Klik op werkgebied toevoegen en selecteer de regio op de extractie van cilinders.
- Stel de schuifregelaar in op 100% en klik op cilinders uitpakken.
- Klik op werkgebied toevoegen om de begin vertakking van het pad te selecteren.
- Klik op pad genereren. Kies de derde optie: de constante plaatsings hoek (CPA) in het pop-upvenster.
- Kies de gewenste plaatsings hoek 90 ° in het pop-up dialoogvenster. Kies vervolgens de rode stip.
- Klik op een vervolgkeuzemenu voor een pad selecteren om het gegenereerde pad weer te geven. Selecteer vervolgens het pad.
- Als u dit pad wilt opslaan, klikt u op bestand > Opslaan en voert u een bestandsnaam in.
4. individuele ontleding van het traject voor de seriële robot en de rotatie fase
- Voer de functie Methode_Jacobian uit in de numerieke computer software (Zie tabel met materialen).
Opmerking: Methode_Jacobian functie wordt gebruikt om het gegenereerde pad in stap 3 te ontbinden in twee individuele trajecten voor de seriële robot en de rotatie fase. - Selecteer het gewenste padbestand (gegenereerd door Path planning Interface) en klik op openen.
- Voer het gewenste padnummer in.
- Het eerste punt van het traject wordt vervolgens berekend. Kies de gewenste configuratie voor de manipulator om deze pose te bereiken.
Opmerking: wanneer stap 4,4 is voltooid, wordt een grafiek weergegeven met de evolutie van de gezamenlijke waarden. Een bestand met het traject voor de seriële robot en de rotatie fase wordt gegenereerd.
5. het off-line pad uitvoeren zonder het algoritme voor het wijzigen van paden
- Druk op Select op de Teach-hanger en kies de naam van het geïmporteerde bestand. Druk op Enter om het pad bestand te laden.
- Zet de schakelaar van de robot controller in de automatische modus. Zet de Teach-hanger aan/uit-schakelaar op uit.
- Druk op cyclus start van de controller van de seriële robot om het pad uit te voeren.
- Klik op coöperatieve verplaatsing in het coöperatieve configuratie scherm.
Opmerking: het systeem voert het offline pad uit zonder het algoritme voor het wijzigen van de online paden. Als het gewricht de singulariteit-of beperkings voorwaarde bereikt, zal het systeem stoppen.
6. het off-line pad uitvoeren met het algoritme voor het wijzigen van paden
- Herhaal stap 5.1 – 5.3. Klik vervolgens op DPM Connect bevindt zich op het coöperatieve configuratie scherm in afbeelding 3 om toe te voegen de on-line pad modificatie mogelijkheid voor het systeem.
- Klik op coöperatieve verplaatsing in het coöperatieve configuratie scherm.
Opmerking: het systeem zal het offline pad uitvoeren met het algoritme voor het wijzigen van de online paden. Tijdens de uitvoering worden de beperkingen van de singulariteiten en gewrichten bewaakt door de encoder meting van de seriële robot. Het systeem kan de singulariteit-of beperkings begrenzings punten probleemloos doorgeven zonder beëindiging.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het experiment is gericht op het aantonen van het proces van het realiseren van de beweging van de vezel op de Y-vormige Doorn van het voorgestelde CCM-systeem. Het proces wordt uitgevoerd in drie stappen: pad genereren; traject ontleding; en singulariteit en beperking vermijding.
Pad genereren
Normaalgesproken wordt de standaardoriëntatie in de industrie gebruikt om de verschillende lagen van het laminaat te definiëren. In dit document moet de oriëntatie definitie worden aangepast aan de behuizing van de vorm. Door de centrale as van de doorn als referentie te nemen, namelijk 0 °, worden drie verschillende oriëntaties van de lagen, 0 °, 45 ° en 90 ° bestudeerd voor de praktische samengestelde industriële toepassing. Het pad genereren voor 90 ° ply oriëntatie wordt weergegeven als een voorbeeld. De 90 °-laag wordt verkregen als een Helix curve cursus, waarvan de toonhoogte de breedte is van samengestelde tapes. Daarom is de werkelijke hoek tussen de baan en de verwijzing dicht bij 90 °. De gegenereerde 90 °-ply kan twee takken zonder onderbreking beslaan en de overlappingen en openingen tussen tapes kunnen worden geminimaliseerd. Zoals weergegeven in Figuur 5, worden de drie takken van het deel aangeduid als A, Ben C. Het eerste traject wordt gegenereerd om takken A en B te bedekken, maar laat tak C onbedekt. Om tak Cte bedekken, worden takken B en C geacht het tweede traject te genereren. Ten slotte wordt een andere 90 °-laag gegenereerd om takken A en Cte bedekken. Na het volgen van de bovenstaande procedures, worden twee lagen gegenereerd voor elke vertakking.
Figuur 5. Het eerste gegenereerde traject van 90 ° ply. Het eerste pad wordt gegenereerd om takken a en B te bedekken met een doorlopende koers, terwijl de gaten en overlappingen worden geminimaliseerd. Evenzo wordt het tweede pad gegenereerd om takken B en c te bedekken en de derde is om de takken A en c te bedekken om de uniforme dekking van Mandrel te verkrijgen. Het traject wordt iteratief gegenereerd door dezelfde procedure te volgen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Traject ontleding
De traject ontleding definieert de baan van elke robot onafhankelijk om botsing met elkaar te voorkomen. De druk van de compressierol Fiber placement Head moet normaal zijn voor het oppervlak van de Doorn en de as van de compressierol moet altijd loodrecht op het traject pad worden gehouden tijdens de productieprocessen. De Doorn is gemonteerd op de rotatie fase die is vastgesteld op het bovenste platform van parallelle robot. De kinematische relatie tussen de eind Effectors van twee robots is vooraf gepland en bekend.
Figuur 6 illustreert het ontbindend proces van het continu verpakken van twee takken van de-vorm doorn met constante 90 ° plaatsings hoek. Het kan worden ontleed aan het traject van seriële robot en roterende beweging van de rotatie fase. De gedecomponeerde trajecten kunnen garanderen dat de roller normaal is voor het Doorn oppervlak. Zoals hierboven vermeld, wordt na het afronden van de verpakking van tak A naar tak b, een andere laag van tak b naar tak Cgewikkeld. Vervolgens wordt een nieuwe laag gestart vanuit tak a naar filiaal C en blijft de omloop cyclus iteratief.
Figuur 6. De ontleding voor het Y-vorm traject. Het gegenereerde traject is ontleed aan de trajecten van seriële robot en roterende beweging van de rotatie fase. Het ontbindend proces is gericht op het continu inwikkelen van twee takken van de Y-vorm doorn met constante 90 ° plaatsings hoek. De hoek α is de oriëntatie van de eind Effector van de seriële robot. Vector e2 is de normale eenheidsvector die garandeert dat de roller normaal is voor het schimmel oppervlak. In het Helix deel van het traject voor de seriële robot is de toonhoogte gelijk aan de breedte van de tapes. De rolcompenssets zijn langs de richting van de vector e3. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Singulariteit en beperkingen vermijden
Het traject dat off-line wordt gegenereerd voor het CCM-systeem bestaat onvermijdelijk uit enkelvoudige punten en beperkingen in sommige gevallen. Zo vindt de pols singulariteit van de seriële robot plaats wanneer de assen van joint 4 en joint 6 samenvallen zijn vanwege het feit dat de rotatiehoek van joint 5, θ5, gelijk is aan of dicht bij 0 °. Het ontwikkelde vermijdings algoritme kan tegelijkertijd het 6-RSS-platform en de seriële robot verplaatsen om de vezel te leggen na de gegenereerde off-line trajecten. In de ingebouwde controller van de seriële robot, een veilige drempel hoek voor joint 5 is 3,5 °, wat betekent dat de robot automatisch zal stoppen wanneer θ5 ≤ 3,5. Gezien de bereikbaarheid van de seriële robot en de gevoeligheid van de singulariteit detectie, wordt 4,0 ° geselecteerd als de optimale drempel (Δθ5min) voor dit soort singulariteit vermijding door middel van een grote hoeveelheid experiment. De triggervoorwaarde voor het singulariteit vermijdings mechanisme is │ θ5(k) │ ≪ Δθ5min. In de on-line pose Correction algoritme getoond in afbeelding 7, wordt de encoder van joint 5 van de seriële robot bewaakt. Als joint 5 voldoet aan de singulariteit-triggervoorwaarde, genereert de geïntegreerde besturingsinterface-software de offset Δppo voor de parallelle robot en voegt hij dienovereenkomstig de correctie toe aan het off-line pad van de seriële robot. Wanneer joint 5 de vooraf gedefinieerde drempel passeert, beweegt de parallelle robot terug naar zijn aanvankelijke pose en stopt de on-line Path correctie van de seriële robot.
In het experiment wordt een off-line planningspad gegenereerd voor het vervaardigen van het samengestelde Y-vorm gedeelte, waarin gezamenlijke pols singulariteit optreedt. De resultaten van het experiment tonen aan dat de voorgestelde methode de pose correctie voor de parallelle robot kan maken en het off-line pad van de seriële robot aanpast op basis van de optische CMM-feedback. Op deze manier kan het systeem soepel de singulariteit passeren en de vezel langs het pad leggen zonder beëindiging zoals weergegeven in Figuur 8] Daarom kan het voorgestelde CCM-systeem het fabricageproces van de structuur met Y-shape met succes uitvoeren.
Figuur 7. Stroomdiagram van het on-line pose Correction-algoritme. Stroomdiagram waarin de procedures worden beschreven voor het uitvoeren van on-line pose Correction-algoritmen. Het bestaat uit de procedure van de pols singulariteit vermijding en de procedure van de gezamenlijke beperkingen te vermijden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8. Traject vergelijking met en zonder pols singulariteit vermijding, a) de 3D-werkruimte cursus, b) het hoek traject van joint 5, en c) het oriënterend traject van de parallelle robot. a) de eigenlijke werkgebiedkoers van de band met en zonder pols singulariteit vermijding wordt gegeven. De zwarte lijn laat zien dat wanneer joint 5 het bereik bereikt-3,5 ° ≤ J5 ≤ 3,5 °, het systeem stopt vanwege de veilige drempel hoekinstelling in de robot controller. De blauwe streepjeslijn toont aan dat de robot soepel de gezamenlijke grenzen kan passeren en de rest koers moet afronden met behulp van het vermijdings algoritme om de correctie paden voor zowel de parallelle als seriële robots te genereren. b) het traject van joint 5 eindigt rond 24 s zonder het voorgestelde vermijdings algoritme wanneer de seriële robot zich in de buurt van zijn singulariteit punt beweegt (d.w.z. 4,0 °). c) de werkelijke trajecten van de parallelle robot, met inbegrip van de Y-richting van de Euler-hoek van de end-Effector pose, worden gegeven. De blauwe lijn toont het oorspronkelijke pad van de robot zonder enige on-line correctie en de rode lijn illustreert dat het correctiepad wordt toegevoegd aan de robot wanneer joint 5 dicht bij 4,0 ° ligt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De experimentele resultaten tonen het fabricageproces van 90 ° ply plaatsings hoeken van het ontworpen CCM systeem. De methoden die in dit document worden voorgesteld, kunnen worden gebruikt om de vezel met een plaatsings hoek van 0 ° en 45 ° te leggen op de doorn met Y-vorm en andere vormen. Terwijl de ingebouwde controller van de seriële robot in staat is om de singulariteit vermijdings functie17te bieden, wordt alleen de lineaire beweging van de eind Effector ondersteund. Wanneer de eind Effector de taak van de cirkelbeweging uitvoert, werkt de functie niet en dus kan het gegenereerde gewenste off-line pad niet worden gegarandeerd. Bovendien kan het probleem van de gezamenlijke beperking niet worden opgelost via de ingebouwde controller functies. Daarom wordt in dit document een on-line Path correctiemethode voorgesteld om de genoemde nadelen te overwinnen door het genereren van de optimale correctie pose voor de seriële en parallelle robots, en om het relatieve pad tussen de twee robots te houden om het off-line pad te volgen op basis van de optische CMM-feedback. De activeringsvoorwaarden voor gezamenlijke grenzen en singulariteiten geven het moment aan waarop de controller het bewegings commando signaal stuurt om de parallelle robot te rijden en dienovereenkomstig het seriële robotpad te wijzigen. Geactiveerd door de beperkingen en singulariteit situaties van de seriële robot, wordt de optimale pad correctie van de parallelle robot gegenereerd met de doelstelling van minimale parallelle robot beweging. In vergelijking met de huidige AFP-machines heeft het CCM-systeem de potentie om kleine samengestelde componenten van complexe geometrie te vervaardigen.
De kritische stappen binnen het protocol zijn het genereren van pose correctie en input voor beide robots. De pose correctie voor het traject van de seriële robot wordt uitgevoerd door Dynamic Path modificatie (DPM) geleverd door de seriële robot. De responstijd is relatief lang, wat resulteert in de fout van de relatieve poses van de twee gereedschaps frames.
Onze toekomstige plannen omvatten het ontwikkelen van een geavanceerde modelgestuurde controller voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van het bijhouden van paden voor het CCM-systeem, het ontwerpen van een filter om het geluid in de optische CMM-meting te verwijderen en het ontwikkelde CCM-systeem te gebruiken voor de productie van de werkelijke samengestelde structuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit project werd gefinancierd door de Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) van de Canadese industriële Onderzoeksstoel in de geautomatiseerde composieten productie en het 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).
