Summary
מערכת ייצור שיתופית מורכבת מפותחת עבור משכב רובוטית של ציפויים מרוכבים באמצעות קלטת prepreg. המערכת המוצעת מאפשרת ייצור ציפויים מרוכבים עם רמות גבוהות של סיבוכיות גיאומטריות. הבעיות בתכנון הנתיב, התאום של הרובוטים והשליטה מטופלות בשיטה המוצעת.
Abstract
המיקום האוטומטי של הקלטת ואת המיקום סיבים אוטומטיים (AFP) מכונות לספק סביבת עבודה בטוחה יותר ולהפחית את עוצמת העבודה של עובדים מאשר המיקום סיבים מסורתיים הידני עושה. לפיכך, דיוק הייצור, החזרה והיעילות של הייצור המשולב משופרים באופן משמעותי. עם זאת, מערכות AFP הנוכחיות יכולות לייצר רק את הרכיבים המורכבים עם משטח פתוח גדול או חלקי מהפכה פשוטים, שאינם יכולים לעמוד בעניין הגובר במבנים קטנים או סגורים מהתעשייה.
במחקר זה, על ידי העסקת 1 מידה של חופש (השלב) הרוטציה, רובוט מקביל של 6-RSS, ו רובוט סדרתי 6-דוף, את המיומנות של מערכת AFP ניתן לשפר באופן משמעותי לייצור חלקים מורכבים מורכב. השלב הסיבוב רכוב על הרובוט המקביל מנוצל כדי להחזיק את מוט ואת הרובוט הסדרתי נושאת את ראש המיקום כדי לחקות שתי ידיים אנושיות כי יש מספיק מיומנות כדי להניח את הסיבים כדי מוט עם מתאר מורכב.
למרות שמערכת ה-CCM מגדילה את הגמישות של ייצור מורכב, היא די גוזלת זמן או אפילו בלתי אפשרית כדי ליצור את הנתיב הבלתי-מקוון האפשרי, המבטיח שכבה אחידה של הסיבים הבאים בהתחשב באילוצים כמו שינויי קצוות, התנגשויות בין ראש מיקום סיבים לבין mandrel, שינוי כיוון סיבים חלקה ושמירה על ראש מיקום סיבים לאורך הנורמה של החלק של השטח, וכו '. בנוסף, עקב שגיאת המיקום הקיימת של הרובוטים, יש צורך בתיקון הנתיב המקוון. לכן, אלגוריתם התיקון המקוון מוצע כדי לתקן את הנתיבים של רובוטים מקבילים וסדרתיים, ולשמור על הנתיב היחסי בין שני הרובוטים ללא שינוי באמצעות המשוב החזותי כאשר בעיות האילוץ או הסינגולריות ב מתרחשים תכנון נתיב לא מקוון. התוצאות הנסיוניות מציגות את מערכת ה-CCM המיועדת לקיים את התנועה הדרושה לייצור מבנה מורכב עם צורת Y.
Introduction
לאחרונה, הצורך הגובר למבנים מורכבים בעלי ביצועים גבוהים בתעשיות שונות הניע מאוד את פיתוח טכנולוגיות הייצור המורכב1,2. ההפקה הידנית המסורתית אינה יכולה לעמוד ביעילות גבוהה, בדיוק ובדרישות האיכות של התעשייה המתעוררים. היבט זה עודד פיתוח טכנולוגיות ייצור חדשות כגון מערכות AFP. טכנולוגיית AFP ממכן את הייצור של מבני חומרים מרוכבים באמצעות prepregs, אשר נמצאים בצורה של רצועות המורכב של קלטות סיבים ספוג (זכוכית, פחמן, וכו ') של שרף למחצה פלגניים. במערכת AFP, ראש התצהיר עם היכולת של חימום ודחיסת prepregs שרף הוא רכוב על מכונת השמה סיבים או רובוט תעשייתי. מכונת המיקום סיבים או רובוט נושאת את ראש התצהיר מניח את הprepregs לעבור את פני השטח של המנדלס הנוסע. בתהליך הייצור, משמש הרכב כתבנית להיות הפצע סביב ידי prepregs ליצור מבנה מסוים של חלק מורכב. . האדם יוסר אחרי שהחלק יירפא מערכות ה-afp הנוכחיות יכולות לשפר באופן משמעותי את היעילות והאיכות של ייצור חומרים מרוכבים3,4,5. עם זאת, הם מוגבלים לייצור המשטחים הפתוחים המציגים משטח שטוח או מתאר, או חלקי מהפכה פשוטים כגון צילינדרים או איצטרובלים בשל הקושי המוגבל של המערכת והקשיים ביצירת מסלולים. במיוחד, תעשיית התעופה ותעשיות הייצור של ציוד ספורט מעוניינים כעת בטכניקה זו לייצור מבנים עם גיאומטריות מורכבות יותר, כמו צינורות "Y" או מבנים היוצרים לולאות סגורות כגון מסגרות אופניים.
כדי להיות מסוגל לייצר את המבנים בעלי גיאומטריות מורכבות, יש לשפר את הגמישות של מערכת AFP. לדוגמה, מערכת של 8 מערכות AFP המוצעת6 על-ידי הוספת מסלול לינארי לרובוט תעשייתי 6, ולשלב הסיבוב לפלטפורמת ההחזקה של המנדל. עם זאת, המערכת עדיין לא מתאימה ליצור את החלקים הנ ל עם גיאומטריות מורכבות. מערכת רובוטית שיתופית המורכב של שני רובוטים הוא פתרון מבטיח כדי להגדיל את המיומנות על ידי שימוש ברובוט אחד להחזיק את הראש מיקום סיבים בסוף-אפקטור ורובוט אחר להחזיק את mandrel. מערכת דו-טורית רובוט שיתופי לא יכול לפתור את הבעיה מיקום סיבים, מאז רובוטים סדרתיים נוטים עוות ולאבד את הדיוק בשל מבנה הזיז שלה, בהתחשב במשקל של מוט ואת כוח דחיסה7. בהשוואה לרובוטים הסדרתיים, 6 הרובוטים המקבילים, שנוצלו בסימולטור הטיסה ובכלים הרפואיים, נהנים מנוקשות ודיוקשמונה. לכן, מערכת רובוטית שיתופית מקבילה, בנוסף לשלב הרוטציה הרכוב על פלטפורמת הרובוט המקביל, בנויה לטיפול בייצור מבנים מורכבים בנייר זה.
עם זאת, המערכת הבנויה רובוטית שיתופית תשואות קשיים בעיצוב בקר עבור כל רובוט לפגוש את הדרישה דיוק גבוהה של מיקום סיבים. את המדידה מיקום מדויק של סוף-אפקטור יכול להיות מושגת על ידי שימוש במערכת מעקב לייזר, אשר משמש בדרך כלל כדי להנחות את הרובוט התעשייתי ביישומים שונים קידוח החלל9,10. למרות מערכת מעקב לייזר יכול לספק מדידה מיקום מדויק גבוה, החסרונות העיקריים לשכב בעלות של המערכת ואת הבעיה סגר. מערכת מעקב לייזר הוא יקר, למשל, גשש לייזר מסחרי ואביזרים שלה עולה עד US $90000, ואת קרן הלייזר בקלות לחסימה במהלך התנועה של הרובוטים. פתרון מבטיח נוסף הוא מערכת מדידה החזון, אשר יכול לספק 6D להציב את המדידה של הקצה-אפקטור עם דיוק ניכר בעלות נמוכה. התנוחה מכונה שילוב של מיקום 3D וכיוון 3D של הקצה-אפקטור ביחס למסגרת הבסיסית של הרובוט. CMM אופטי (ראה טבלת חומרים) הוא חיישן חזותי מבוסס מצלמה כפול. על ידי התבוננות מטרות המחזיר מספר מחובר על הקצה-העריקים של שני הרובוטים, היחסי מהווה בין הרובוטים ניתן למדוד בזמן אמת. CMM אופטי הוחל בהצלחה על כיול רובוטית11 ו הנתיב הדינמי מעקב12 ולכן הוא הציג כדי לספק את מדידת משוב מערכות בקרת לולאה סגורה של מערכת cmm המוצעת במחקר זה.
האיכות של המוצר בקצה המורכב תלויה במידה רבה באופן בו הנתיב המקורי של סיבים נוצר עבור afp13,14. תהליך יצירת הנתיב מבוצע בדרך כלל באמצעות תוכנת תיכנות לא מקוונת. הנתיב שנוצר מורכב מסדרה של נקודות תג על mandrel, אשר מצביעים על פוזה של ראש מיקום סיבים. בניגוד ליישומים אחרים בתכנון מסלול כגון התצהיר לצייר, ליטוש או עיבוד שבבי, כאשר סוגים שונים של נתיבי כיסוי אפשריים, הבחירה מוגבלת במקרה של AFP, מאז סיבים רציפה ולא ניתן לבצע בפתאומיות שינויים בכיוון (פינות חדות) מבלי לפגוע בו, ויש לשמור על ראש המיקום בנורמה של החלקים. הפיתוח הראשון של טכניקת הדור מסלול עבור AFP התמקדה בייצור פאנלים שטוחים גדולים5 לפני הזזת לכיוון הייצור אובייקטים של צורות 3d כגון משטחים מעוקל פתוח או קונוסים5, 14. אך לא פותחה מתודולוגיה מעשית ליצירת נתיב לא מקוון עבור חלקים עם גיאומטריות מורכבות כגון צורת Y או צורות אחרות. לפיכך, אלגוריתם תכנון נתיב אפקטיבי עבור החלקים עם משטחי מתאר מורכבים נועד להבטיח שכבה אחידה של הסיבים הבאים ללא פערים או חופף במחקר הקודם שלנו15. בהתחשב במעשיות ובאפקטיביות של אלגוריתם הנתיב היוצר, רק את 6-הרובוט הסדרתי עם ראש המיקום והשלב 1-הסיבוב הראשון כמו מחזיק מוט נחשבים מערכת היעד כדי למצוא את התכנון מסלול אופטימלי ב שטח משותף עם קריטריוני זמן מינימליים. זה יכול להיות מסובך מדי ולגזול זמן כדי ליצור את מסלול מחוץ לקו עבור כל 13 המערכת מערכת ccm בשל החישוב kinאמאם הכבד ואת השיקול של אילוצים שונים כמו בקטבים, התנגשויות, הכיוון חלקה שינוי ו שמירה על ראש המיקום בנורמה של משטח החלקים וכו '.
תכנון המסלול המוצע מחוץ לשורה יכול ליצור את הפניית הסרוו עבור 6 הרובוט הסדרתי והשלב הסיבוב בהתאמה עם התזמון המדויק. אפילו עם תכנון מסלול לא מקוון זה, זה יכול להיות בלתי אפשרי ליצור נתיב אפשרי תחת כל האילוצים עבור חלקי הגיאומטריה מסוימים. יתר על כן, שגיאות המיקום של הרובוטים עלולים לגרום לרובוטים להתנגש עם מוט או התקן אחר בסביבת העבודה. שינוי הנתיב המקוון מיושם בהתבסס על המשוב החזותי מתוך CMM האופטי. לפיכך, אלגוריתם התיקון המקוון מוצע כדי לתקן את הנתיב של הרובוט המקביל ולכוונן היסט מתאים בנתיב של הרובוט הסדרתי בו באמצעות המשוב החזותי. כאשר מזוהים ההתנגשות ואילוצים אחרים, היחס היחסי בין שני הרובוטים נשמר גם הוא ללא שינוי בזמן שהוא ממשיך בנתיב שנוצר מחוץ לקו. באמצעות תיקון הנתיב המקוון, מערכת ה-CCM יכולה להימנע מנקודות אלה בצורה חלקה ללא כל סיום. בשל הגמישות של הרובוט המקביל, ניתן ליצור הסטת תיקון 6D ביחס לאילוצים שונים. כתב יד זה מציג נוהל פעולה מפורט של מערכת ה-CCM באמצעות אלגוריתם תיקון מקוון.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הגדרות מסגרת של מערכת CCM
הערה: CMM אופטי הוא חיישן מצלמה כפולה, אשר יכול לעקוב אחר האובייקט עם קבוצה נוקשה של מחזירי אור כמו מטרות בזמן אמת. עקרון ההשמה של מטרות אלה הוא שהמטרות תקועות במיקומים האסימטריים במרחק מסוים ביניהם. המטרות צריך להיות קבוע על רובוטים או ראש המיקום ולהישאר בשדה הראייה (FOV) של CMM אופטי. לפחות ארבע מטרות יש לצפות עבור כל מסגרת מוגדרת על ידי ה-CMM האופטי כל הזמן. מסגרת הבסיס של הרובוט המקבילי, מסגרת הקצה-אפקטור של הרובוט המקביל, ומסגרת הכלי של הרובוט הסדרתי מסומנים כ-Fb, ftPו-ft, בהתאמה. ההגדרות של מסגרות אלה מוצגות באיור 1. מכיוון שמסגרות הבסיס של הרובוט המקביל והרובוט הטורי קבועות, ניתן לגזור את מטריצת השינוי בין שתי מסגרות הבסיס באמצעות כיול.
איור 1. הגדרת מערכת בייצור שיתופי (CCM). החומרה של מערכת ה-CCM מורכבת מרובוט מקבילי בגודל 6-RSS, שלב אחד של הסיבוב הראשון, רובוט סדרתי בגובה 6, ראש מיקום, ו-CCM אופטי. האדם מהודק על הבמה הסיבובית, והשלב הרוטציה מותקן על הרובוט המקביל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- הגדרת מסגרת הבסיס של הרובוט המקביל
- טען את קובץ הגדרת המסגרת באמצעות התוכנה של CMM האופטי (עיין בטבלת החומרים).
- לחץ על מיקום ≫ אתר יעדים. בחר את המטרות המצורפות למנועים של הרובוט המקביל. לחץ על קבל כדי לקחת מטרות אלה כהפניית המיקום של המערכת כולה.
- ברשימה יישויות , לחץ על מסגרת בסיס ובחר באפשרות הפוך מסגרת הפניה זו למקור.
הערה: המטרה של Step 1.1 היא לקחת Fb כמסגרת ההתייחסות של המערכת כולה. ניתן לקבל את קובץ הגדרת המסגרת בקישור הבא: < https://users.encs.concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/P3. שדרתי >.
- הגדרת מודל המעקב של מסגרת פלטפורמת end-הקטור
- בחר מודלים למעקב באזור הניווט. לחץ על ' זיהוי מודל' ולאחר מכן בחר את המטרות הקבועות בפלטפורמת הסיום של הרובוט המקביל. לחץ על קבל.
- לחץ על מודל הזיהוי שנוצר. בחר Up_Frame ברשימה הנפתחת של היסט המקור. לאחר מכן לחץ על החל.
הערה: שלב זה הוא להגדיר את קשרי הגומלין הקבועים בין מסגרת הפלטפורמה end--, FtP לבין היעדים המחוברים בפלטפורמת end-אפקטור. - לחץ על מודל מעקב אחר ייצוא קבציםוהזן שם קובץ כדי לשמור את מודל המעקב.
- הגדרת מודל המעקב של מסגרת הכלי
- בחר מודלים למעקב. לחץ על זיהוי מודלולאחר מכן בחר את המטרות הקבועות במסגרת הכלי של הרובוט הסדרתי. לחץ על קבל.
- לחץ על מודל הזיהוי שנוצר. בחר Sertoolframe ברשימה הנפתחת של היסט המקור. לחץ על החל ושמור את מודל המעקב המוגדר.
2. הכנת המערכת
הערה: פריסת מערכת הבקרה של מערכת ה-CCM מוצגת באיור 2.
איור 2. פריסת מערכת. שני מחשבים (A & B) משמשים לשליטה במערכת ה-CCM. התקשורת ביניהם היא באמצעות RS232. מחשב א שולט על המצב הסיבוב, הפוטוגרמטריה והרובוט הסדרתי. מחשב ב' שולט ברובוט המקביל, במנועים ובשסתומים וכו ' אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- הכנת השלב הרוטציה
- טען את תכנות ממשק הבקרה המשולב בשפת תכנות מבוססת-אירועים במחשב A.
הערה: ממשק הבקרה מוצג באיור 3. ניתן לקבל את תוכנית הממשק בקישור הבא: < https://users.encs.concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/pcdk-ctrack. rar >. - לחץ על התחבר כדי לחבר את הבקר של השלב הסיבוב. לחץ על אפשר לחבר את המנוע של השלב הרוטציה. לאחר מכן לחץ על הבית כדי להעביר את השלב הסיבוב למיקום הבית.
- טען את תכנות ממשק הבקרה המשולב בשפת תכנות מבוססת-אירועים במחשב A.
איור 3. ממשק בקרה. תוכנת הבקרה המתוכנתת באמצעות שפת תכנות מונחית-אירועים. הממשק מורכב 6 סעיפים: רובוט סדרתי, רובוט מקביל, שלב סיבוב, ייבוא נתיב, CMM אופטי ושליטה משתפת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- הכנת הרובוט הסדרתי
- כוח על הבקר של הרובוט הסדרתי (עיין בטבלת החומרים).
- לחץ על התחבר בממשק הבקרה המשולב כדי לחבר את שרת הרובוט.
- הכנת ה-CMM האופטי
- הכוח על הבקר של CMM אופטי ולחכות עד המסך של הבקר מראה מוכן.
- לחץ על התחבר בממשק הבקרה המשולב כדי לחבר את ה-cmm האופטי באמצעות ממשק תיכנות יישומים (API).
- יבא את הדגמים שנבנו בסעיף 1, הכולל את דגם Base, דגם הפלטפורמה העליונה והדגם End-אפקטור של הרובוט הסדרתי.
- לחץ על הוסף רצף. הוסף את הרצף היחסי בין המודלים אם יש צורך בכך. לאחר מכן לחץ על התחל מעקב כדי לעקוב אחר הפוזה של המודלים.
- הכנת הרובוט המקביל
- כוח על הבקר של הרובוט המקביל.
- טען את התוכנית SerialPort_Receive ובחר במצב רגיל .
הערה: לתוכנית SerialPort_Receive אין אפשרות לשלוט ישירות ברובוט המקביל. משמש לקבלת הנתונים המרוחקים מהמחשב A באמצעות יציאת תקשורת טורית. ניתן לקבל את התוכנית SerialPort_Receive בקישור הבא: < https://users.encs.concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/SerialPort_Receive. mdl >. - טען את התוכנית Pararemotecontrol ובחר במצב חיצוני . לאחר מכן לחץ על בנייה מצטברים כדי להתחבר ליעד.
הערה: התוכנית Pararemotecontrol משמשת לקבלת התנוחה הרצויה מתוכנית SerialPort_Receive ולשלוט על הרובוט המקביל. ניתן לקבל את התוכנית Pararemotecontrol בקישור הבא: < https://users.encs.concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/ParaRemoteControl. mdl >. - לחץ על התחל הדמיה של שתי התוכניות כדי לאתחל את הבקר של הרובוט המקביל.
3. יצירת נתיב לא מקוון
- טען את ממשק תכנון הנתיב באמצעות תוכנת המחשוב הנומרית (עיין בטבלת החומרים).
הערה: הממשק מוצג באיור 4. ממשק התכנון של הנתיב הוא התוכנה מחוץ לרשת כדי ליצור את הנתיב עבור המערכת וניתן להשיגה בקישור הבא: < https://users.encs.concordia.ca/~ wfxie/Jove_program/AFP_PathPlanning_Pcode. zip >.
איור 4. ממשק תכנון נתיב. תוכנת תכנון הנתיב מורכבת מ -3 מקטעים: אזור חזותי, אזור פיקוד ותיבת מידע. המקטע ' אזור צפייה ' מאפשר להציג את התלת-ממד של החלקים שיעובדו. הסעיף ' אזור הפיקוד ' הוא לבצע את הפעולות המרכזיות ליצירת הנתיב מחוץ לקו. הסעיף "תיבת מידע" מציג את המידע אודות מצב התוכנית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- לחץ על יבא STL ובחר את קובץ החלק. לאחר מכן לחץ על פילוח.
הערה: החלק מחולק לאזורים מופרדים (גלילים וצמתים של חלק מצורת Y). האזורים השונים מוצגים בצבעים שונים. - לחץ על הוסף אזור עבודה ובחר את האזור בחילוץ הצילינדרים.
- התאימו את המחוון ל-100% ולחצו על ' חלץ צילינדרים'.
- לחץ על הוסף אזור עבודה כדי לבחור את הענף ההתחלתי של הנתיב.
- לחץ על צור נתיב. בחר באפשרות השלישית: זווית מיקום קבוע (CPA) בחלון הדו המוקפץ.
- בחר את זווית המיקום הרצויה 90 ° בחלון הדו המוקפץ. ואז לבחור את הנקודה האדומה.
- להצגת הנתיב שנוצר, לחצו על ' בחר תפריט נפתח של נתיב '. לאחר מכן, בחר את הנתיב.
- כדי לשמור נתיב זה, לחץ על קובץ ≫ שמור והזן שם קובץ.
4. פירוק פרטני של המסלול לרובוטים הסדרתיים ולשלב הרוטציה
- הפעל את הפונקציה Methode_Jacobian בתוכנת המחשוב המספרי (ראה טבלת חומרים).
הערה: הפונקציה Methode_Jacobian משמשת לפרק את הנתיב שנוצר בשלב 3 לשני מסלולים בודדים עבור הרובוט הסדרתי והשלב הסיבוב. - בחר את קובץ הנתיב הרצוי (שנוצר על-ידי ממשק תכנון נתיב) ולחץ על ' פתח'.
- הזינו את מספר הנתיב הרצוי.
- הנקודה הראשונה של המסלול מחושבת לאחר מכן. בחר את התצורה הרצויה עבור מניפולטור כדי להגיע פוזה זו.
הערה: כאשר Step 4.4 מושלם, מוצג גרף המציג את האבולוציה של ערכים משותפים. קובץ המכיל את המסלול עבור הרובוט הסדרתי והשלב הסיבוב נוצר.
5. הפעלת נתיב לא מקוון ללא אלגוריתם שינוי נתיב
- לחץ על בחירה בתליון הלימוד ובחר את שם הקובץ המיובא. הקש Enter כדי לטעון את קובץ הנתיב.
- הפוך את הבורר של בקר הרובוט למצב אוטומטי . הפעל את מפסק הלימוד הפעלה/כיבוי.
- הקש על התחלת מחזור של הבקר של הרובוט הסדרתי כדי להפעיל את הנתיב.
- לחץ על מעבר שיתופי הממוקם בלוח הבקרה השיתופית .
הערה: המערכת תבצע את הנתיב הלא מקוון ללא האלגוריתם לשינוי נתיב מקוון. אם המפרק מגיע לייחודיות או למצב אילוץ, המערכת תפסיק.
6. הפעלת נתיב לא מקוון עם אלגוריתם שינוי נתיב
- חזור על שלבים 5.1 – 5.3. לאחר מכן לחץ על Dpm Connect הממוקם בלוח הבקרה השיתופי באיור 3 כדי להוסיף את יכולת שינוי הנתיב המקוון עבור המערכת.
- לחץ על מעבר שיתופי הממוקם בלוח הבקרה השיתופית .
הערה: המערכת תבצע את הנתיב הלא מקוון עם האלגוריתם לשינוי נתיב מקוון. במהלך ההוצאה להורג, האילוצים והמפרקים מנוטרים על ידי מדידת המקודד של הרובוט הסדרתי. המערכת יכולה להעביר בצורה חלקה את הייחודיות או נקודות הגבלת האילוץ ללא סיום.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הניסוי מטרתו להפגין את התהליך של המימוש התנועה של הנחת הסיבים על הצורה Y בצורת מערכת ה-CCM המוצעת. התהליך מבוצע בשלושה שלבים: דור הנתיב; פירוק מסלול; ואת ההסינגולריות וההימנעות מאילוץ.
דור נתיב
בדרך כלל, את האוריינטציה הסטנדרטית משמש בתעשייה כדי להגדיר את נילון שונים של למינציה. בנייר זה, יש להתאים את הגדרת האוריינטציה לגוף הצורה. על ידי לקיחת הציר המרכזי של מוט כהפניה, כלומר 0 °, שלושה הכיוונים שונים של הרובד, 0 °, 45 °, ו 90 ° נלמדים עבור היישום התעשייתי המורכב המשולב. יצירת הנתיב עבור כיוון שכבה 90 ° מוצגת כדוגמה. הרובד 90 ° מתקבל כקורס של עקומת סליל, שהזריקה שלו היא הרוחב של קלטות מרוכבות. לכן, הזווית בפועל בין הקורס לבין ההפניה היא קרובה 90 °. 90 מעלות רובד שנוצר יכול לכסות שני ענפים ללא כל הפרעה, ואת החפיפה ואת הפערים בין הקלטות ניתן למזער. כפי שמוצג באיור 5, שלושת הענפים של החלק מתויגים כ- A, Bו- C. המסלול הראשון מופק כדי לכסות סניפים A ו- B אך להשאיר את הסניף C נחשף. כדי לכסות את הענף c, סניפים B ו- C נחשבים ליצירת המסלול השני. לבסוף, עוד 90 מעלות רובד נוסף מופק כדי לכסות את הענפים A ו- C. לאחר ביצוע ההליכים הנ ל, נוצרים שתי שכבות עבור כל ענף.
איור 5. המסלול הראשון שנוצר של 90 ° רובדי. הנתיב הראשון מופק כדי לכסות ענפים A ו- B עם קורס רציף תוך מזעור הפערים חופפים. באופן דומה, הנתיב השני נוצר כדי לכסות סניפים B ו- c והשלישי הוא לכסות את הענפים A ו- c כדי להשיג את הכיסוי האחיד של mandrel. המסלול מופק באופן איטראלי על-ידי ביצוע ההליך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
פירוק מסלול
פירוק מסלול מגדיר את המסלול של כל רובוט באופן עצמאי כדי למנוע התנגשות אחד עם השני. הלחץ של מיקום הדחיסה של הראש רולר סיבים חייב להיות נורמלי על פני השטח של מוט ואת הציר של רולר הדחיסה צריך תמיד להישמר בניצב לנתיב מסלול במהלך תהליכי הייצור. המנדל מותקן על הבמה המסתובבת הקבועה על המשטח העליון של הרובוט המקביל. מערכת היחסים הקימטית בין שני הרובוטים מתוכננת מראש וידועה.
איור 6 ממחיש את תהליך הריקבון של גלישת ברציפות שני ענפים של מוט בצורה קבועה 90 ° זווית המיקום. זה יכול להיות מפורקת למסלול של רובוט סדרתי תנועה רוטרי של השלב הרוטציה. מסלולים מפורקת יכול להבטיח את הרולר יהיה נורמלי לפני השטח מוט. כפי שהוזכר לעיל, לאחר סיום הגלישה מענף A לענף b, שכבה נוספת עטופה מהסתעפות b לסניף C. לאחר מכן, שכבה חדשה מתחילה מענף a אל ענף C ומחזור הגלישה שומרת על איטרטיביות.
איור 6. הפירוק עבור מסלול בצורת Y. מסלול שנוצר מפורקת לתוך מסלולים של רובוט סדרתי תנועה רוטרי של השלב הרוטציה. תהליך הריקבון מכוון ברציפות לעטוף שני ענפים של מעבד Yבצורה מתמדת עם זווית 90 ° מיקום קבוע. זווית α היא הכיוון של הרובוט הסדרתי סוף הסיפור. וקטור e2 הוא וקטור יחידת רגיל אשר מבטיח רולר יהיה נורמלי למשטח העובש. בחלק הסליל של המסלול עבור הרובוט הסדרתי, המגרש שווה לרוחב של הקלטות. הסטת הרולר לאורך הכיוון של וקטור e3. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
הימנעות סינגולריות ואילוצים
המסלול שנוצר מחוץ למערכת של מערכת ה-CCM מורכב באופן בלתי נמנע מנקודות ואילוצים ייחודיים במקרים מסוימים. למשל, הסינגולריות של פרק כף היד של הרובוט הסדרתי מתרחשת כאשר הצירים של משותף 4 ו-ג'וינט 6 הם האירוע כתוצאה מהעובדה כי זווית הסיבוב של מפרק 5, θ5, שווה או קרוב 0 °. אלגוריתם הימנעות מפותח יכול במקביל להעביר את פלטפורמת 6-RSS ואת הרובוט הסדרתי כדי להטיל את הסיבים בעקבות מסלולים מחוץ לשורה שנוצר. בבקר מובנה של הרובוט הסדרתי, זווית סף בטוח עבור מפרק 5 הוא 3.5 °, כלומר הרובוט יפסיק באופן אוטומטי כאשר θ5 ≤ 3.5. בהתחשב ביכולת הנגישות של הרובוט הסדרתי והרגישות של גילוי הסינגולריות, 4.0 ° מסומנת כהסף האופטימלי (Δθ5min) לסוג זה של הימנעות סינגולריות באמצעות כמות גדולה של ניסוי. מצב ההדק של המנגנון למניעת סינגולריות הוא │ θ5(k) │ < Δθ5min. ב-line להציב אלגוריתם תיקון המוצג באיור 7, המקודד של מפרק 5 של הרובוט הסדרתי הוא מפוקח. אם מפרק 5 פוגש את מצב ההדק הסינגולריות, התוכנה ממשק בקרה משולבת יפיק את ההיסט ΔPpo עבור הרובוט המקביל ולהוסיף את התיקון לנתיב מחוץ לקו של הרובוט הסדרתי בהתאם. כאשר מפרק 5 עובר את הסף מוגדר מראש, הרובוט המקביל חוזר לתנוחה הראשונית שלו ותיקון הנתיב על הקו של הרובוט הסדרתי עצירות.
בניסוי, נוצר נתיב תכנון מחוץ לתחום לייצור החלק המורכב של צורת Y, בו מתרחשת סינגולריות של פרק כף היד המשותפת. תוצאות הניסוי מראות שהשיטה המוצעת יכולה ליצור את תיקון התנוחה עבור הרובוט המקביל ולכוונן את הנתיב האינו מקוון של הרובוט הסדרתי בהתבסס על משוב האופטי CMM. בדרך זו, המערכת יכולה לעבור בצורה חלקה את הסינגולריות ולהניח את הסיבים לאורך השביל ללא סיום כפי שמוצג באיור 8] לכן מערכת ה-ccm המוצעת יכולה לבצע את תהליך הייצור של המבנה עם צורת Y בהצלחה.
איור 7. תרשים זרימה של אלגוריתם תיקון מקוון. תרשים זרימה מבצע חלוקה לרמות של ההליכים להפעלת אלגוריתם תיקון מקוון. זה מורכב ההליך של הימנעות סינגולריות שורש כף היד ואת ההליך של אילוצים משותפים הימנעות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8. מסלול השוואה עם ובלי הימנעות הסינגולריות מפרק כף היד, a) מסלול סביבת עבודה תלת-ממדית, b) המסלול הזוויתי של מפרק 5, ו-c) מסלול הכיוון האופקי של הרובוט המקביל. (א) מקבלים את מסלול סביבת העבודה בפועל של הקלטת עם ובלי הימנעות סינגולריות מפרק כף היד. הקו השחור מראה כי כאשר מפרק 5 מגיע לטווח-3.5 ° ≤ J5 ≤ 3.5 °, המערכת עוצרת עקב הגדרת זווית הסף בטוח בבקר הרובוט. קו מקף כחול מדגים את הרובוט יכול בצורה חלקה לעבור את המגבלות משותף ולהשלים את קורס השאר באמצעות אלגוריתם הימנעות כדי ליצור את נתיבי תיקון הן רובוטים מקבילים ו טורי. (ב) מסלול של מפרק 5 מסיים סביב 24 s ללא אלגוריתם הימנעות המוצע כאשר הרובוט הסדרתי נע ליד נקודת הסינגולריות שלו (כלומר, 4.0 °). (ג) את מסלולים בפועל של הרובוט המקביל, כולל את זווית הכיוון Y אוילר של תנוחת הקצה-אפקטור, ניתנו. הקו הכחול מציג את הנתיב המקורי של הרובוט ללא כל תיקון מקוון, והקו האדום ממחיש שנתיב התיקון נוסף לרובוט כאשר מפרק 5 קרוב ל 4.0 °. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
התוצאות הנסיוניות מציגות את תהליך הייצור של זוויות מיקום של 90 ° רובדי של מערכת ה-CCM המתוכננת. את המתודולוגיות המוצעות בנייר זה ניתן להשתמש כדי להניח את הסיבים עם 0 ° ו 45 ° מיקום רובדי זווית על מוט עם צורת Y וצורות אחרות. בעוד הבקר המובנה של הרובוט הסדרתי הוא מסוגל לספק את הימנעות סינגולריות תכונה17, רק תנועה לינארית של הקצה-אפקטור נתמך. כאשר הקצה-אפקטור מבצע את המשימה של תנועת המעגל, התכונה אינה פועלת ולכן לא ניתן להבטיח את הנתיב שנוצר מחוץ לקו הרצוי. יתרה מזאת, לא ניתן לפתור את בעיית האילוץ המשותף באמצעות תכונות הבקר המוכללות. לפיכך, במאמר זה, שיטת תיקון הנתיב המקוון מוצעת להתגבר על החסרונות המוזכרים על ידי יצירת התיקון האופטימלי עבור הרובוטים הסדרתיים והמקבילים, ולשמור על הנתיב היחסי בין שני הרובוטים ללכת בנתיב שאינו מקוון על בסיס משוב אופטי CMM. תנאי המפעיל של מגבלות משותפות וקוטביות מצביעים על הרגע שבו הבקר שולח את אות הפקודה של התנועה לכונן את הרובוט המקביל ובהתאמה כדי לשנות את נתיב הרובוט הסדרתי. מופעל על ידי האילוץ ומצבי הסינגולריות של הרובוט הסדרתי, תיקון הנתיב האופטימלי של הרובוט המקביל נוצר במטרה של תנועה מינימלית רובוט מקביל. בהשוואה למחשבי AFP הנוכחיים, למערכת ה-CCM יש פוטנציאל לייצור רכיבים מרוכבים קטנים של גאומטריה מורכבת.
הצעדים הקריטיים בפרוטוקול הם הדור של תיקון התנוחה והקלט לשני הרובוטים. תיקון פוזה עבור המסלול של הרובוט הסדרתי מבוצע על ידי שינוי נתיב דינמי (DPM) שסופקו על ידי הרובוט הסדרתי. זמן התגובה ארוך יחסית, והתוצאה היא השגיאה של היחס היחסי של שני מסגרות הכלים.
התוכניות העתידיות שלנו כוללות בפיתוח בקר מתקדם המבוסס על מודל לשיפור דיוק מעקב אחר הנתיב עבור מערכת ה-CCM, עיצוב מסנן כדי להסיר את הרעש במדידה CCM אופטית, ובאמצעות מערכת CCM מפותחת לייצור בפועל מבנים קומפוזיטוריים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
פרויקט זה מומן על ידי מדעי הטבע ומועצת המחקר ההנדסה (nserc) של קנדה כיסא המחקר התעשייתי בייצור מרוכבים אוטומטיים וכפות דה מחקר du קוויבק – natrue et טכנולוגיות (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).
