Summary
prepreg 테이프를 사용하여 복합 라미네이트의 로봇 레이업을 위해 협업 복합 제조 시스템이 개발되었습니다. 제안 된 시스템은 기하학적 복잡성의 높은 수준의 복합 라미네이트의 생산을 할 수 있습니다. 경로 계획, 로봇 조정 및 제어의 문제는 제안 된 방법으로 해결됩니다.
Abstract
자동 테이프 배치와 자동 섬유 배치(AFP) 기계는 기존의 수동 섬유 배치보다 더 안전한 작업 환경을 제공하고 작업자의 노동 강도를 줄입니다. 따라서 복합 소재 제조의 생산 정확도, 반복성 및 효율성이 크게 향상됩니다. 그러나 현재의 AFP 시스템은 큰 개방표면 또는 단순한 회전 부품이 있는 복합 부품만 생산할 수 있으며, 이는 산업에서 발생하는 소규모 복합 또는 폐쇄 구조에 대한 증가하는 관심을 충족시킬 수 없습니다.
이 연구에서는 1도(DoF) 회전 스테이지, 6-RSS 병렬 로봇 및 6-DoF 직렬 로봇을 채택하여 복잡한 복합 부품을 제조할 때 AFP 시스템의 손재도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 병렬 로봇에 장착된 회전 스테이지는 맨드렐을 고정하는 데 활용되며 직렬 로봇은 복잡한 윤곽을 가진 맨드렐에 섬유를 배치하기에 충분한 손재주가 있는 두 사람의 손을 모방하기 위해 배치 헤드를 운반합니다.
CCM 시스템은 복합 재료 제조의 유연성을 증가시킵니다, 그것은 매우 시간이 많이 걸리거나 같은 제약을 고려하여 후속 섬유의 균일 한 레이업을 보장 가능한 오프라인 경로를 생성하는 것은 불가능 특이점, 섬유 배치 헤드와 맨드렐 사이의 충돌, 매끄러운 섬유 방향 변경 및 부품 표면의 규범을 따라 섬유 배치 헤드 유지 등 또한, 로봇의 기존 위치 오류로 인해 온라인 경로 보정이 필요합니다. 따라서, 온라인 포즈 보정 알고리즘은 병렬 및 직렬 로봇의 경로를 보정하고, 두 로봇 사이의 상대 경로를 시각적 피드백을 통해 변경되지 않고 유지하도록 제안되어 제약 조건 또는 특이성 문제가 발생할 때 오프라인 경로 계획이 수행됩니다. 실험 결과는 설계된CCM 시스템이 Y-shape를 이어 복합 구조를 제조하는 데 필요한 이동을 충족시킬 수 있음을 입증한다.
Introduction
최근, 다양한 산업에서 고성능 복합구조에 대한 필요성이 증가함에 따라 복합제조기술의 발전을 크게 주도하고 있다1,2. 기존의 수동 생산은 신흥 산업의 높은 효율성, 정확성 및 품질 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 이러한 측면은 AFP 시스템과 같은 새로운 생산 기술의 개발을 장려했다. AFP 기술은 반 중합 수지의 함침 섬유 테이프 (유리, 탄소 등)로 구성된 스트립 형태로 존재하는 prepregs를 사용하여 복합 재료 구조의 생산을 자동화합니다. AFP 시스템에서는 수지 프리프레그(prepregs)를 가열하고 압축하는 기능을 갖춘 증착 헤드가 섬유 배치 기계 또는 산업용 로봇에 장착됩니다. 증착 헤드를 운반하는 섬유 배치 기계 또는 로봇은 툴링 맨드렐의 표면을 통과하는 프레프리그(prepregs)를 낳습니다. 제조 과정에서, 툴링 맨드렐은 복합 부품의 특정 구조를 형성하기 위해 프레그저에 의해 감겨질 금형으로 사용됩니다. 맨드렐은 부품이 경화된 후 제거됩니다. 현재 AFP 시스템은 크게 복합 재료 의 생산의 효율성과 품질을 향상시킬 수있습니다 3,4,5. 그러나, 이들은 시스템의 DoF 부족 및 궤적 생성의 어려움으로 인해 평평하거나 윤곽이 있는 표면, 또는 실린더 나 원콘과 같은 단순한 회전 부품을 제시하는 개방 표면의 생산에 제한된다. 특히, 항공 우주 산업과 스포츠 장비의 생산 산업은 이제 "Y"튜브 또는 자전거 프레임과 같은 폐쇄 루프를 형성하는 구조와 같은 보다 복잡한 기하학을 가진 구조물의 생산을위한이 기술에 관심이 있습니다.
복잡한 형상으로 구조물을 제조하려면 AFP 시스템의 유연성이 향상되어야 합니다. 예를 들어, 8DoF AFP 시스템은 6DoF 산업용 로봇에 선형 트랙을 추가하고 맨드렐 홀딩 플랫폼에 회전 스테이지를 추가하여6을 제안했습니다. 그러나 시스템은 여전히 복잡한 형상으로 위에서 언급 한 부품을 제조하기에 적합하지 않습니다. 두 대의 로봇으로 구성된 협업 로봇 시스템은 엔드 이펙터에 섬유 배치 헤드를 고정하는 로봇 1대와 맨드렐을 고정하는 또 다른 로봇을 사용하여 손재주를 높이는 유망한 솔루션입니다. 이 2-직렬 로봇 협업 시스템은 맨드릴의 무게와 다짐력7을고려하여 직렬 로봇이 캔틸레버 구조로 인해 변형되고 정확도를 잃는 경향이 있기 때문에 섬유 배치 문제를 해결하지 못할 수 있습니다. 직렬 로봇과 비교하여 비행 시뮬레이터 및 의료 도구에 활용된 6 개의 DoF 병렬 로봇은 더 나은 강성과 정확도를 즐길수 있습니다 8. 따라서, 병렬 로봇의 플랫폼에 장착된 회전 스테이지에 추가로 병렬 직렬 협업 로봇 시스템은 이 백서에서 제조되는 복잡한 구조물을 처리하기 위해 제작된다.
그러나, 내장 된 협업 로봇 시스템은 섬유 배치의 높은 정확도 요구 사항을 충족하기 위해 각 로봇에 대한 컨트롤러를 설계하는 데 어려움을 산출합니다. 엔드 이펙터의 정확한 위치 측정은 일반적으로 다양한 항공 우주 드릴링 응용 분야에서 산업 용 로봇을 안내하는 데 사용되는 레이저 추적 시스템을 사용하여 달성 할 수있다9,10. 레이저 추적 시스템은 높은 정확한 위치 측정을 제공할 수 있지만, 주요 단점은 시스템 비용과 폐색 문제에 있습니다. 레이저 추적 시스템은 상업용 레이저 트래커와 액세서리비용이 최대 미화 90,000달러에 들며, 로봇의 이동 중에 레이저 빔이 쉽게 가려지게 됩니다. 또 다른 유망한 솔루션은 저렴한 비용으로 상당한 정확도로 최종 이펙터의 6D 포즈 측정을 제공할 수 있는 비전 측정 시스템입니다. 포즈는 로봇의 기본 프레임에 대하여 최종 이펙터의 3D 위치 및 3D 방향의 조합이라고 한다. 광학 CMM(재료 표참조)은 듀얼 카메라 기반 시각적 센서입니다. 두 로봇의 최종 이펙터에 부착된 여러 반사판 표적을 관찰함으로써 로봇 간의 상대적인 포즈를 실시간으로 측정할 수 있습니다. 광학 CMM은 로봇교정(11) 및 동적 경로추적(12)에 성공적으로 적용되었으며, 이에 따라 본 연구에서 제안된 CCM 시스템의 폐쇄 루프 제어 시스템에 피드백 측정을 제공하기 위해 도입되었다.
최종 복합 제품의 품질은 AFP13,14에대해 원래 섬유 경로가 어떻게 생성되는지에 크게 의존한다. 경로 생성 프로세스는 일반적으로 오프라인 프로그래밍 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다. 생성된 경로는 맨드렐의 일련의 태그 점으로 구성되며, 이는 섬유 배치 헤드의 포즈를 나타냅니다. 페인트 증착, 연마 또는 가공과 같은 다른 궤도 계획 응용 프로그램과 달리 다양한 유형의 커버리지 경로가 가능한 경우, 섬유가 연속적이고 갑작스러운 수행이 불가능하기 때문에 AFP의 경우 선택이 제한됩니다. 방향(날카로운 모서리)을 손상시키지 않고 배치 헤드를 부품 표면의 규범에 유지해야 합니다. AFP에 대한 탄도 생성 기술의 첫 번째 개발은 오픈 곡면 또는 원엽5와같은 3D 모양의 객체를 제조하는 쪽으로 이동하기 전에 대형 평면 패널5 제조에 집중되어있다. 14. 그러나 Y 자형 이나 다른 모양과 같은 복잡한 형상을 가진 부품에 대한 오프라인 경로를 생성하기위한 실용적인 방법론이 개발되지 않았습니다. 따라서, 복잡한 윤곽 표면을 가진 부품에 대한 효과적인 경로 계획 알고리즘은 이전 연구15에서갭 또는 겹침 없이 후속 섬유의 균일한 레이업을 보장하도록 설계된다. 경로 생성 알고리즘의 실용성과 효율성을 고려하여, 맨드렐 홀더로서의 배치 헤드와 1-DoF 회전 스테이지가 있는 6-DoF 직렬 로봇만이 최적의 궤적 계획을 찾을 수 있는 타겟 시스템으로 간주됩니다. 최소 시간 기준을 가진 조인트 공간. 무거운 운동학 계산과 특이성, 충돌, 부드러운 방향 변경 및 같은 다양한 제약 조건의 고려로 인해 전체 13 DoF CCM 시스템에 대한 오프라인 궤적을 생성하는 것은 너무 복잡하고 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 배치 헤드를 부품 표면 의 규범 에 유지합니다.
제안된 오프라인 궤도 계획은 정확한 타이밍에 따라 6DoF 직렬 로봇과 회전 스테이지에 대한 서보 레퍼런스를 생성할 수 있습니다. 이러한 오프라인 궤적 계획이 있더라도 특정 형상 부품의 모든 구속조건 하에서 실행 가능한 경로를 생성하는 것은 불가능할 수 있습니다. 또한, 로봇의 위치 오류로 인해 로봇이 작업 환경에서 맨드렐 또는 다른 장치와 충돌할 수 있습니다. 온라인 경로 수정은 광학 CMM의 시각적 피드백에 따라 구현됩니다. 따라서 온라인 포즈 보정 알고리즘은 병렬 로봇의 경로를 보정하고 시각적 피드백을 통해 직렬 로봇의 경로에 대응하는 오프셋을 동시에 조정하는 것이 제안된다. 충돌 및 기타 제약 조건이 감지되면 오프라인에서 생성된 경로를 따르는 동안 두 로봇 간의 상대 포즈도 변경되지 않습니다. 온라인 경로의 보정을 통해 CCM 시스템은 종료 없이 이러한 점을 원활하게 방지할 수 있습니다. 병렬 로봇의 유연성으로 인해 다양한 제약 조건에 따라 6D 보정 오프셋을 생성할 수 있습니다. 이 원고는 온라인 포즈 보정 알고리즘을 사용하여 CCM 시스템의 자세한 작업 절차를 제공합니다.
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Protocol
1. CCM 시스템의 프레임 정의
참고: 광학 CMM은 이중 카메라 센서로, 경직된 반사판 세트를 대상으로 하여 물체를 실시간으로 추적할 수 있습니다. 이러한 대상의 배치 원칙은 대상이 비대칭 위치에 붙어 있다는 것입니다. 대상은 로봇 이나 배치 헤드에 고정 해야 하 고 광학 CMM의 시야 (FOV)에 남아. 광학 CMM에 의해 정의된 각 프레임에 대해 항상 적어도 4개의 타겟을 관찰해야 한다. 병렬 로봇의 기본 프레임, 병렬 로봇의 최종 이펙터 프레임 및 직렬 로봇의 도구 프레임은 각각 Fb,FtP및 FtS로표시됩니다. 이러한 프레임의 정의는 그림 1에나와 있습니다. 병렬 로봇과 직렬 로봇의 기본 프레임이 고정되어 있기 때문에 두 기본 프레임 간의 변환 매트릭스는 교정을 통해 파생될 수 있습니다.
그림 1. 협업 복합 제조(CCM) 시스템 설정. CCM 시스템의 하드웨어는 6-RSS 병렬 로봇, 1-DoF 회전 스테이지, 6-DoF 직렬 로봇, 배치 헤드 및 광학 CMM으로 구성됩니다. 맨드렐은 회전 스테이지에 고정되고 회전 단계는 병렬 로봇에 장착됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 병렬 로봇의 기본 프레임 정의
- 광학 CMM의 소프트웨어를 통해 프레임 정의 파일을 로드합니다(재료 표참조).
- 위치 지정 및 대상 감지를 클릭합니다. 병렬 로봇의 모터에 부착된 대상을 선택합니다. 수락을 클릭하여 이러한 대상을 전체 시스템의 위치 지정 참조로 간주합니다.
- 엔터티 목록에서 기본 프레임을 클릭하고 이 참조 프레임을 원점으로 만들기를선택합니다.
참고: 1.1단계의 목적은 Fb를 전체 시스템의 참조 프레임으로 취하는 것입니다. 프레임 정의 파일은 다음 링크에서 얻을 수 있습니다:
- 최종 이펙터 플랫폼 프레임의 추적 모델 정의
- 탐색 영역에서 모델 추적을 선택합니다. 모델 감지를클릭한 다음 병렬 로봇의 최종 이펙터 플랫폼에 고정된 대상을 선택합니다. 수락을 클릭합니다.
- 생성된 검색 모델을 클릭합니다. 원점이 간격띄우기의드롭다운 목록에서 Up_Frame을 선택합니다. 그런 다음 적용을클릭합니다.
참고: 이 단계는 최종 이펙터 플랫폼 프레임 Ft P와 최종 이펙터 플랫폼에 부착된 대상 간의 고정 관계를 설정하는 것입니다. - 파일 내보내기 추적 모델을클릭하고 파일 이름을 입력하여 추적 모델을 저장합니다.
- 공구 프레임의 추적 모델 정의
- 추적 모델 선택. 모델 감지를클릭한 다음 직렬 로봇의 도구 프레임에 고정된 대상을 선택합니다. 수락을 클릭합니다.
- 생성된 검색 모델을 클릭합니다. 원점이 오프셋의드롭다운 목록에서 SerToolFrame을 선택합니다. 정의된 추적 모델 적용을 클릭하고 저장합니다.
2. 시스템 준비
참고: CCM 시스템의 제어 시스템 레이아웃은 그림 2에나와 있습니다.
그림 2. 시스템 레이아웃. 두 대의 컴퓨터(A & B)가 CCM 시스템을 제어하는 데 사용됩니다. 그들 사이의 통신은 RS232를 통해입니다. 컴퓨터 A는 회전 상태, 사진 측정 감각 및 직렬 로봇을 제어합니다. 컴퓨터 B는 병렬 로봇, 모터 및 밸브 등을 제어합니다.
- 회전 단계의 준비
- 컴퓨터 A에서 이벤트 기반 프로그래밍 언어로 프로그래밍된 통합 제어 인터페이스를 로드합니다.
참고: 제어 인터페이스는 그림 3에표시됩니다. 인터페이스 프로그램은 다음 링크에서 얻을 수 있습니다: - 연결을 클릭하여 회전 단계의 컨트롤러를 연결합니다. 회전 단계의 모터를 연결하려면 활성화를 클릭합니다. 그런 다음 홈을 클릭하여 회전 스테이지를 홈 위치로 이동합니다.
- 컴퓨터 A에서 이벤트 기반 프로그래밍 언어로 프로그래밍된 통합 제어 인터페이스를 로드합니다.
그림 3. 제어 인터페이스. 이벤트 기반 프로그래밍 언어로 프로그래밍된 제어 소프트웨어입니다. 인터페이스는 직렬 로봇, 병렬 로봇, 회전 단계, 경로 가져오기, 광학 CMM 및 협동 제어의 6 개 섹션으로 구성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 직렬 로봇의 준비
- 직렬 로봇의 컨트롤러전원을 켜고(재료 표참조).
- 통합 제어 인터페이스에서 연결을 클릭하여 로봇 서버를 연결합니다.
- 광학 CMM의 준비
- 광학 CMM의 컨트롤러에 전원을 켜고 컨트롤러의 화면에 Ready가표시될 때까지 기다립니다.
- 통합 제어 인터페이스에서 연결을 클릭하여 API(응용 프로그램 프로그래밍 인터페이스)를 통해 광학 CMM을 연결합니다.
- 기본 모델, 상위 플랫폼 모델 및 직렬 로봇의 최종 이펙터 모델을 포함하는 섹션 1에 내장된 모델을 가져옵니다.
- 시퀀스 추가를 클릭합니다. 필요한 경우 모델 간에 상대 시퀀스를 추가합니다. 그런 다음 추적 시작을 클릭하여 모델의 포즈를 추적합니다.
- 병렬 로봇의 준비
- 병렬 로봇의 컨트롤러에 전원을 공급합니다.
- SerialPort_Receive 프로그램을 로드하고 일반 모드를 선택합니다.
참고: SerialPort_Receive 프로그램은 병렬 로봇을 직접 제어할 수 없습니다. 직렬 통신 포트를 통해 컴퓨터 A로부터 원격 데이터를 수신하는 데 사용됩니다. SerialPort_Receive 프로그램은 다음 링크에서 얻을 수 있습니다. - ParaRemoteControl 프로그램을 로드하고 외부 모드를 선택합니다. 그런 다음 증분 빌드를 클릭하여 대상에 연결합니다.
참고: ParaRemoteControl 프로그램은 SerialPort_Receive 프로그램에서 원하는 포즈를 수신하고 병렬 로봇을 제어하는 데 사용됩니다. 파라리모폴컨트롤 프로그램은 다음 링크에서 얻을 수 있습니다. - 두 프로그램의 시뮬레이션 시작을 클릭하여 병렬 로봇의 컨트롤러를 초기화합니다.
3. 오프라인 경로 생성
- 숫자 컴퓨팅 소프트웨어를 통해 경로 계획 인터페이스를 로드합니다(재료 표참조).
참고: 인터페이스는 그림 4에표시됩니다. 경로 계획 인터페이스는 시스템의 경로를 생성하는 오프라인 소프트웨어이며 다음 링크에서 얻을 수 있습니다:
그림 4. 경로 계획 인터페이스. 경로 계획 소프트웨어는 시각적 영역, 명령 영역 및 정보 상자의 3개 섹션으로 구성됩니다. "보기 영역" 섹션을 사용하면 부품의 3D 표시를 처리할 수 있습니다. "명령 영역" 섹션은 오프라인 경로를 생성하기 위한 주요 작업을 수행하는 것입니다. "정보 상자" 섹션에는 프로그램의 상태에 대한 정보가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- STL 가져오기를 클릭하고 부품 파일을 선택합니다. 그런 다음 분할을 클릭합니다.
주: 부품은 분리된 영역(Y자형 부품의 원통 및 접합부)으로 나뉩니다. 다른 영역은 서로 다른 색상으로 표시됩니다. - 작업 영역 추가를 클릭하고 원통 추출시 영역을 선택합니다.
- 슬라이더를 100%로 조정하고 원더 추출을 클릭합니다.
- 작업 영역 추가를 클릭하여 경로의 시작 분기를 선택합니다.
- 경로 생성을 클릭합니다. 세 번째 옵션: 팝업 대화 상자 창에서 일정 배치 각도(CPA)를 선택합니다.
- 팝업 대화 창에서 원하는 배치 각도90°를 선택합니다. 그런 다음 빨간색 점을 선택합니다.
- 생성된 경로를 표시하려면 경로 드롭다운 메뉴 선택을 클릭합니다. 그런 다음 경로를 선택합니다.
- 이 경로를 저장하려면 파일 > 저장을 클릭하고 파일 이름을 입력합니다.
4. 직렬 로봇 및 회전 단계의 궤적 개별 분해
- 수치 컴퓨팅 소프트웨어에서 Methode_Jacobian 함수를 실행합니다(재질 표참조).
참고: Methode_Jacobian 함수는 3단계에서 생성된 경로를 직렬 로봇과 회전 스테이지에 대한 두 개의 개별 궤적으로 분해하는 데 사용됩니다. - 경로 계획 인터페이스에서 생성되는 원하는 경로 파일을 선택하고 열기를 클릭합니다.
- 원하는 경로 번호를 입력합니다.
- 그런 다음 궤적의 첫 번째 점이 계산됩니다. 조작자가 이 포즈에 도달할 수 있도록 원하는 구성을 선택합니다.
참고: 4.4단계가 완료되면 관절 값의 진화를 보여주는 그래프가 표시됩니다. 직렬 로봇과 회전 스테이지의 궤적을 포함하는 파일이 생성됩니다.
5. 경로 수정 알고리즘없이 오프라인 경로 실행
- 티치 펜던트에서 선택을 선택하고 가져온 파일의 이름을 선택합니다. Enter를 눌러 경로 파일을 로드합니다.
- 로봇 컨트롤러스위치를 자동 모드로 전환합니다. 티치 펜던트 켜기/끄기 스위치를 끕니다.
- 직렬 로봇의 컨트롤러의 사이클 시작을 눌러 경로를 실행합니다.
- 협동 제어판에 있는 협동 이동을 클릭합니다.
참고: 시스템은 온라인 경로 수정 알고리즘 없이 오프라인 경로를 실행합니다. 조인트가 특이점 또는 구속조건 조건에 도달하면 시스템이 중지됩니다.
6. 경로 수정 알고리즘으로 오프라인 경로 실행
- 5.1-5.3단계를 반복합니다. 그런 다음 그림 3의 협동 제어판에 있는 DPM 연결을 클릭하여 시스템에 대한 온라인 경로 수정 기능을 추가합니다.
- 협동 제어판에 있는 협동 이동을 클릭합니다.
참고: 시스템은 온라인 경로 수정 알고리즘을 사용 하 고 오프라인 경로를 실행 합니다. 실행 하는 동안 특이점 및 관절의 제약 조건직 로봇의 인코더 측정을 통해 모니터링 됩니다. 시스템은 종단 없이 특이점 또는 구속조건 제한점을 원활하게 통과할 수 있다.
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Representative Results
이 실험은 제안된 CCM 시스템의 Y자형 맨드렐에 섬유를 놓는 동작을 실현하는 과정을 입증하는 것을 목표로 합니다. 이 과정은 경로 생성의 세 단계로 수행됩니다. 궤적 분해; 특이점 및 제약 조건 회피.
경로 생성
일반적으로 표준 방향은 라미네이트의 상이한 플라이를 정의하기 위해 산업에서 사용됩니다. 이 백서에서는 방향 정의를 -shape 바디에 맞게 조정해야 합니다. 맨드렐의 중심 축을 참조로 사용함으로써, 즉 0°, 3개의 서로 다른 방향의 표고, 0°, 45°, 90°의 실용적인 복합 산업 응용 분야에 대해 연구됩니다. 90° 표고 방향에 대한 경로 생성이 예로 도시됩니다. 90 ° ply는 피치가 복합 테이프의 폭인 나선 곡선 코스로 얻어진다. 따라서 코스와 레퍼런스 사이의 실제 각도는 90°에 가깝습니다. 생성된 90° ply는 중단 없이 두 개의 분기를 커버할 수 있으며 테이프 간의 중첩과 간격을 최소화할 수 있습니다. 그림 5에표시된 것처럼 부품의 세 가지는 A, B및 C로레이블이 지정됩니다. 첫 번째 궤적은 분기 A와 B를 커버하기 위해 생성되지만 분기 C는 발견되지 않은 상태로 둡니다. 분기 C를커버하기 위해, 분기 B와 C는 두 번째 궤적을 생성하는 것으로 간주됩니다. 마지막으로, 다른 90° ply는 지점 A와 C를커버하기 위해 생성됩니다. 위의 절차를 따라 각 분기에 대해 두 개의 레이어가 생성됩니다.
그림 5. 90° Ply의 첫 번째 생성된 궤적. 첫 번째 경로는 간격과 겹침을 최소화하면서 연속 코스로 분기 A와 B를 커버하기 위해 생성됩니다. 유사하게, 제2 경로는 브랜치 B와 C를 커버하기 위해 생성되고, 세 번째 경로는 맨드렐의 균일한 커버리지를 얻기 위해 가지 A 및 C를 커버하는 것이다. 궤적은 동일한 절차에 따라 반복적으로 생성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
궤적 분해
궤적 분해는 서로 충돌을 피하기 위해 각 로봇의 궤적을 독립적으로 정의합니다. 섬유 배치 헤드의 압축 롤러의 압력은 맨드렐 의 표면에 정상이어야하며 압축 롤러의 축은 항상 제조 공정 중에 궤적 경로에 수직으로 유지되어야합니다. 맨드렐은 평행 로봇의 상부 플랫폼에 고정되는 회전 단계에 장착됩니다. 두 로봇의 최종 이펙터 사이의 운동학적 관계는 미리 계획되고 알려져 있습니다.
도 6은 상수 90° 배치 각도로 -shape 맨드렐의 두 가지를 연속래핑하는 분해 과정을 도시한다. 직렬 로봇의 궤적과 회전 단계의 회전 운동으로 분해될 수 있다. 분해된 궤적들은 롤러가 맨드렐 표면에 정상이 될 것이라고 보장할 수 있다. 위에서 언급했듯이, 분기 A에서 분기 B로래핑을 마친 후, 다른 레이어는 분기 B에서 분기 C로래핑됩니다. 그런 다음 분기 A에서 분기 C로 새 레이어가 시작되고 래핑 주기가 반복됩니다.
그림 6. Y자형 궤적의 분해입니다. 생성된 궤적은 직렬 로봇의 궤적과 회전 스테이지의 회전 운동으로 분해된다. 분해 공정은 Y-shape맨드렐의 두 가지를 일정한 90° 배치 각도로 지속적으로 래핑하는 것을 목표로 합니다. 각도 α는 직렬 로봇의 엔드 이펙터의 방향입니다. 벡터 e2는 롤러가 금형 표면에 수직이 되도록 보장하는 법선 단위 벡터입니다. 직렬 로봇의 궤적 의 나선 부분에서 피치는 테이프의 너비와 같습니다. 롤러 오프셋은 벡터 e3의방향을 따라 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
특이점 및 제약 조건 회피
CCM 시스템의 오프라인에서 생성된 궤적은 필연적으로 단수 점과 구속조건으로 구성됩니다. 예를 들어, 직렬 로봇의 손목 특이성은 조인트 4와 조인트 6의 축이 조인트 5, θ5의회전 각도가 0°에 가깝거나 가깝기 때문에 일치할 때 발생합니다. 개발된 회피 알고리즘은 생성된 오프라인 궤적을 따라 섬유를 배치하기 위해 6-RSS 플랫폼과 직렬 로봇을 동시에 이동할 수 있습니다. 직렬 로봇의 내장 컨트롤러에서 조인트 5의 안전 임계값 각도는 3.5°이며, 이는5 ≤ 3.5를 θ일 때 로봇이 자동으로 정지한다는 것을 의미합니다. 직렬 로봇의 접근성과 특이점 검출의 민감성을 고려하여, 4.0°는 다량의 실험을 통해 이러한 종류의 특이점 회피에 대한 최적 임계값(Δθ5분)으로선택된다. 특이점 회피 메커니즘에 대한 트리거 조건은 │θ5(k);;lt; Δθ5분입니다. 그림 7에표시된 온라인 포즈 보정 알고리즘에서는 직렬 로봇의 조인트 5의 인코더가 모니터링됩니다. 조인트 5가 특이점 트리거 조건을 충족하는 경우, 통합 제어 인터페이스 소프트웨어는 병렬 로봇에 대한 오프셋 ΔPpo를 생성하고 그에 따라 직렬 로봇의 오프라인 경로에 보정을 추가합니다. 조인트 5가 미리 정의된 임계값을 통과하면 병렬 로봇이 초기 포즈로 다시 이동하고 직렬 로봇의 온라인 경로 보정이 중지됩니다.
이 실험에서는 관절 손목 특이점이 발생하는 Y자형 복합 부품을 제조하기 위한 오프라인 계획 경로가 생성됩니다. 실험 결과는 제안된 방법이 병렬 로봇에 대한 포즈 보정을 생성하고 광학 CMM 피드백에 기초하여 직렬 로봇의 오프라인 경로를 조정할 수 있음을 보여준다. 이러한 방식으로, 시스템은 도 8에도시된 바와 같이 특이성을 원활하게 통과하고 종단 없이 경로를 따라 섬유를 배치할 수 있다] 따라서 제안된 CCM 시스템은 Y-Shape를 통해 구조물의 제조 공정을 성공적으로 달성할 수 있다.
그림 7. 온라인 포즈 보정 알고리즘의 흐름 차트. 온라인 포즈 보정 알고리즘을 실행하기 위한 절차를 요약한 플로우 차트입니다. 그것은 손목 특이점 회피의 절차와 관절 제약 회피의 절차로 구성되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8. 손목 특이점 회피, a) 3D 작업 공간 코스, b) 조인트 5의 각도 궤적 및 c) 병렬 로봇의 방향 궤적이 없는 궤적 비교. (a)손목 특이점 회피가 없는 테이프의 실제 작업 공간 과정이 제공됩니다. 검은색 선은 조인트 5가 -3.5° ≤ J5 ≤ 3.5°범위에 도달하면 로봇 컨트롤러의 안전 임계값 각도 설정으로 인해 시스템이 중지된다는 것을 보여줍니다. 파란색 대시 선은 로봇이 조인트 한계를 원활하게 통과하고 회피 알고리즘을 사용하여 병렬 및 직렬 로봇 모두에 대한 보정 경로를 생성하여 나머지 코스를 완료 할 수 있음을 보여줍니다. (b)직렬 로봇이 특이점(즉, 4.0°) 근처로 이동할 때 조인트 5의 궤적은 제안된 회피 알고리즘 없이 약 24s를 종료합니다. (c)최종 이펙터 포즈의 Y 방향 오일러 각도를 포함한 병렬 로봇의 실제 궤적이 주어진다. 파란색 선은 온라인 보정 없이 로봇의 원래 경로를 표시하고 빨간색 선은 조인트 5가 4.0°에 가까우면 보정 경로가 로봇에 추가된다는 것을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
실험 결과는 설계된 CCM 시스템의 90° ply 배치 각도의 제조 공정을 보여줍니다. 이 백서에 제시된 방법론은 Y-Shape 및 기타 모양의 맨드렐에 0° 및 45° 표고 배치 각도로 섬유를 배치하는 데 사용할 수 있습니다. 직렬 로봇의 내장 컨트롤러는 특이점 회피기능(17)을제공할 수 있지만, 최종 이펙터의 선형 이동만 지원된다. 최종 이펙터가 원 이동 작업을 실행하면 피쳐가 작동하지 않으므로 생성된 원하는 오프라인 경로를 보장할 수 없습니다. 또한 내장 된 컨트롤러 기능을 통해 조인트 제약 문제를 해결할 수 없습니다. 따라서 이 백서에서는 직렬 및 병렬 로봇에 대한 최적의 보정 포즈를 생성하여 언급된 단점을 극복하고 두 로봇 간의 상대 경로를 유지하여 오프라인 경로를 따라 가는 온라인 경로 보정 방법이 제안됩니다. 광학 CMM 피드백을 기반으로 합니다. 조인트 한계 및 특이성에 대한 트리거링 조건은 컨트롤러가 이동 명령 신호를 전송하여 병렬 로봇을 구동하고 그에 따라 직렬 로봇 경로를 수정하는 순간을 나타냅니다. 직렬 로봇의 제약 및 특이성 상황에 의해 트리거되는 병렬 로봇의 최적 경로 보정은 최소 병렬 로봇 이동을 목표로 생성됩니다. 현재 AFP 기계와 비교하여 CCM 시스템은 복잡한 형상의 작은 복합 부품을 제조할 수 있습니다.
프로토콜 내의 중요한 단계는 포즈 보정 및 두 로봇 모두에 대한 입력생성입니다. 직렬 로봇의 궤적에 대한 포즈 보정은 직렬 로봇에서 제공하는 동적 경로 수정(DPM)에 의해 수행됩니다. 응답 시간이 상대적으로 길어 두 도구 프레임의 상대 포즈에 오류가 발생합니다.
향후 계획에는 CCM 시스템의 경로 추적 정확도를 개선하기 위한 고급 모델 기반 컨트롤러 개발, 광학 CMM 측정의 노이즈를 제거하는 필터 설계, 개발된 CCM 시스템을 사용하여 실제 설계 복합 구조.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 프로젝트는 자연 과학 및 공학 연구 위원회에 의해 투자되었다 (NSERC) 자동화 된 복합 재료 제조에 캐나다 산업 연구 의자 및 Fonds 드 recherche 뒤 퀘벡 – Natrue 에 기술 (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
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