Summary
Se ha desarrollado un sistema de fabricación de compuestos colaborativos para la colocación robótica de laminados compuestos utilizando la cinta prepreg. El sistema propuesto permite la producción de laminados compuestos con altos niveles de complejidad geométrica. Los problemas en la planificación del camino, la coordinación de los robots y el control se abordan en el método propuesto.
Abstract
La colocación automatizada de cintas y las máquinas de colocación automatizada de fibra (AFP) proporcionan un entorno de trabajo más seguro y reducen la intensidad de mano de obra de los trabajadores que la colocación manual tradicional de fibra. Por lo tanto, la precisión de la producción, la repetibilidad y la eficiencia de la fabricación de compuestos se mejoran significativamente. Sin embargo, los sistemas AFP actuales sólo pueden producir los componentes compuestos con grandes superficies abiertas o piezas simples de revolución, que no pueden satisfacer el creciente interés en pequeñas estructuras complejas o cerradas de la industria.
En esta investigación, mediante el empleo de una etapa de rotación de 1 grado de libertad (DoF), un robot paralelo 6-RSS y un robot serie 6-DoF, la destreza del sistema AFP se puede mejorar significativamente para la fabricación de piezas compuestas complejas. La etapa de rotación montada en el robot paralelo se utiliza para sostener el mandril y el robot serie lleva el cabezal de colocación para imitar dos manos humanas que tienen suficiente destreza para poner la fibra al mandril con contorno complejo.
Aunque el sistema MCP aumenta la flexibilidad de la fabricación de compuestos, es bastante lento o incluso imposible generar el camino fuera de línea factible, lo que garantiza una unión uniforme de las fibras posteriores teniendo en cuenta las restricciones como singularidades, colisiones entre el cabezal de colocación de fibra y el mandril, cambio de dirección de fibra lisa y mantener el cabezal de colocación de fibra a lo largo de la norma de la superficie de la pieza, etc. Además, debido al error de posicionamiento existente de los robots, se necesita la corrección de la trayectoria en línea. Por lo tanto, se propone el algoritmo de corrección de pose en línea para corregir las rutas de los robots paralelos y seriales, y para mantener la ruta relativa entre los dos robots sin cambios a través de la retroalimentación visual cuando la restricción o problemas de singularidad en el se produce la planificación de rutas fuera de línea. Los resultados experimentales demuestran que el sistema MCP diseñado puede cumplir con el movimiento necesario para la fabricación de una estructura compuesta con forma Y.
Introduction
Recientemente, la creciente necesidad de estructuras compuestas de alto rendimiento en diversas industrias ha impulsado en gran medida el desarrollo de las tecnologías de fabricación compuesta1,2. La producción manual tradicional no puede cumplir con los requisitos de alta eficiencia, precisión y calidad de la industria emergente. Este aspecto ha fomentado el desarrollo de nuevas tecnologías de producción, como los sistemas AFP. La tecnología AFP automatiza la producción de estructuras de materiales compuestos utilizando prepregs, que están presentes en forma de tiras compuestas de cintas de fibra impregnadas (vidrio, carbono, etc.) de resina semipolimerizada. En el sistema AFP, un cabezal de deposición con la capacidad de calentar y compactar los prepregs de resina se monta en una máquina de colocación de fibra o un robot industrial. La máquina de colocación de fibra o el robot que lleva el cabezal de deposición levanta los prepregs que atraviesan la superficie de los mandriles de herramientas. En el proceso de fabricación, el mandril de herramientas se utiliza como un molde para ser enrollado alrededor por los prepregs para formar una cierta estructura de la parte compuesta. El mandril se retirará después de que la pieza esté curada. Los actuales sistemas AFP pueden mejorar significativamente la eficiencia y la calidad de la producción de materiales compuestos3,4,5. Sin embargo, se limitan a la producción de las superficies abiertas que presentan una superficie plana o contorneada, o piezas simples de revolución como cilindros o conos debido a la insuficiente DoF del sistema y las dificultades para generar trayectorias. Especialmente, la industria aeroespacial y las industrias de producción de equipos deportivos están ahora interesados en esta técnica para la producción de estructuras con geometrías más complejas, como tubos "Y" o las estructuras que forman bucles cerrados como marcos de bicicletas.
Para poder fabricar las estructuras con geometrías complejas, se debe mejorar la flexibilidad del sistema AFP. Por ejemplo, se ha propuesto un sistema 8 DoF AFP6 añadiendo una pista lineal a un robot industrial de 6 DoF y una etapa de rotación a la plataforma de retención del mandril. Sin embargo, el sistema todavía no es adecuado para la fabricación de las piezas antes mencionadas con geometrías complejas. El sistema robótico colaborativo que consiste en dos robots es una solución prometedora para aumentar la destreza empleando un robot para sostener el cabezal de colocación de fibra en el efector final y otro robot para sostener el mandril. El sistema colaborativo de dos robots serie puede no resolver el problema de colocación de fibra, ya que los robots en serie tienden a deformarse y perder la precisión debido a su estructura en voladizo, teniendo en cuenta el peso del mandril y la fuerza de compactación7. En comparación con los robots serie, 6 robots paralelos DoF, que se han utilizado en el simulador de vuelo y herramientas médicas, disfrutan de una mejor rigidez y precisión8. Por lo tanto, un sistema de robot colaborativo en serie paralela, además de una etapa de rotación montada en la plataforma del robot paralelo, está construido para manejar las complejas estructuras de fabricación en este papel.
Sin embargo, el sistema robótico colaborativo construido produce dificultades en el diseño del controlador para cada robot para cumplir con el requisito de alta precisión de la colocación de fibra. La medición precisa de la posición del efector final podría lograrse mediante el uso del sistema de seguimiento láser, que se utiliza comúnmente para guiar al robot industrial en varias aplicaciones de perforación aeroespacial9,10. Aunque el sistema de seguimiento láser puede proporcionar una medición de posición de alta precisión, los principales inconvenientes residen en el costo del sistema y el problema de la oclusión. El sistema de seguimiento láser es caro, por ejemplo, un rastreador láser comercial y sus accesorios cuestan hasta US$90.000, y el rayo láser se ocluye fácilmente durante el movimiento de los robots. Otra solución prometedora es el sistema de medición de la visión, que puede proporcionar la medición de la pose 6D del efector final con una precisión considerable a un bajo costo. La pose se conoce como la combinación de la posición 3D y la orientación 3D del efector final con respecto al marco base del robot. La MMC óptica (ver Tabla de Materiales)es un sensor visual doble basado en cámara. Al observar varios objetivos reflectores unidos a los efectos finales de los dos robots, las posturas relativas entre los robots se pueden medir en tiempo real. La MMC óptica se ha aplicado con éxito a la calibración robótica11 y al seguimiento dinámico de trayecto12 y, por lo tanto, se introduce para proporcionar la medición de retroalimentación a los sistemas de control de bucle cerrado del sistema MCP propuesto en este estudio.
La calidad del producto compuesto final depende en gran medida de cómo se genere la ruta de fibra original para el AFP13,14. El proceso de generación de rutas se realiza normalmente mediante el uso de software de programación fuera de línea. La ruta generada consiste en una serie de puntos de etiqueta en el mandril, que indican la pose del cabezal de colocación de fibra. A diferencia de otras aplicaciones de planificación de trayectoria como la deposición de pintura, pulido o mecanizado, donde diferentes tipos de trayectorias de cobertura son posibles, la elección es limitada en el caso de AFP, ya que la fibra es continua y no es posible realizar abruptamente cambios de dirección (esquinas afiladas) sin dañarlo y el cabezal de colocación debe mantenerse en la norma de la superficie de las piezas. El primer desarrollo de la técnica de generación de trayectoria para AFP se ha concentrado en la fabricación de grandes paneles planos5 antes de desplazarse hacia la fabricación de los objetos de formas 3D como superficies curvas abiertas o conos5, 14. Pero, no se ha desarrollado ninguna metodología práctica para generar trayectoria sin conexión para las piezas con geometrías complejas como la forma Y u otras formas. Por lo tanto, un algoritmo de planificación de trayectos eficaz para las piezas con superficies de contorno complejo está diseñado para garantizar una construcción uniforme de las fibras posteriores sin huecos o solapamientos en nuestra investigación anterior15. Teniendo en cuenta la practicidad y la eficacia del algoritmo de generación de trayectoria, sólo el robot serie 6-DoF con el cabezal de colocación y la etapa de rotación 1-DoF como el soporte del mandril se consideran como el sistema de destino para encontrar la planificación de trayectoria óptima en espacio conjunto con criterios de tiempo mínimo. Podría ser demasiado complicado y lento generar la trayectoria fuera de línea para todo el sistema de 13 DOF CCM debido al fuerte cálculo cinemático y la consideración de varias restricciones como singularidades, colisiones, cambio de dirección suave y mantener el cabezal de colocación en la norma de la superficie de las piezas, etc.
La planificación de trayectoria fuera de línea propuesta puede generar la referencia de servo para el robot serie 6 DoF y la etapa de rotación respectivamente con la sincronización exacta. Incluso con esta planificación de trayectoria fuera de línea, podría ser imposible generar una trayectoria factible bajo todas las restricciones para ciertas piezas de geometría. Además, los errores de posicionamiento de los robots pueden hacer que los robots colisionen con el mandril u otro dispositivo en el entorno de trabajo. La modificación de la trayectoria en línea se implementa sobre la base de la retroalimentación visual de la MMC óptica. Por lo tanto, se propone el algoritmo de corrección de pose en línea para corregir la trayectoria del robot paralelo y ajustar un desplazamiento correspondiente en la trayectoria del robot serie simultáneamente a través de la retroalimentación visual. Cuando se detecta la colisión y otras restricciones, la pose relativa entre los dos robots también se mantiene sin cambios mientras sigue la ruta generada fuera de línea. A través de la corrección de la trayectoria en línea, el sistema CCM puede evitar estos puntos sin problemas sin ninguna terminación. Debido a la flexibilidad del robot paralelo, los desplazamientos de corrección 6D se pueden generar con respecto a diferentes restricciones. Este manuscrito presenta un procedimiento de operación detallado del sistema MCP utilizando un algoritmo de corrección de pose en línea.
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Protocol
1. Definiciones de marco del sistema MCP
NOTA: La MMC óptica es un sensor de cámara dual, que puede rastrear el objeto con un conjunto rígido de reflectores como los objetivos en tiempo real. El principio de colocación de estos objetivos es que los objetivos están atascados en las ubicaciones asimétricas con cierta distancia entre ellos. Los objetivos deben fijarse en los robots o en el cabezal de colocación y permanecer en el campo de visión (FOV) de la MMC óptica. La MMC óptica debe observar al menos cuatro objetivos para cada trama definida todo el tiempo. El marco base del robot paralelo, el marco del efector final del robot paralelo y el marco de herramienta del robot serie se indican como Fb, FtPy FtS, respectivamente. Las definiciones de esos marcos se muestran en la Figura 1. Debido a que los marcos base del robot paralelo y el robot serie son fijos, la matriz de transformación entre los dos marcos base se puede derivar por calibración.
Figura 1. Configuración del sistema de fabricación compuesta colaborativa (CCM). El hardware del sistema CCM consiste en un robot paralelo 6-RSS, una etapa de rotación 1-DoF, un robot serie 6-DoF, un cabezal de colocación y la MMC óptica. El mandril se sujeta en la etapa de rotación, y la etapa de rotación se monta en el robot paralelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Definición del marco base del robot paralelo
- Cargue el archivo de definición de trama a través del software de la MMC óptica (consulte la Tabla de materiales).
- Haga clic en Posicionamiento > Detectar destinos. Seleccione los objetivos que están unidos en los motores del robot paralelo. Haga clic en Aceptar para tomar esos objetivos como referencia de posicionamiento de todo el sistema.
- En la lista Entidades, haga clic en Marco base y seleccione Convertir este marco de referencia en el origen.
NOTA: El propósito del Paso 1.1 es tomar Fb como marco de referencia de todo el sistema. El archivo de definición de fotogramas se puede obtener en el siguiente enlace:
- Definición del modelo de seguimiento del marco de la plataforma del efector final
- Seleccione Modelos de seguimiento en el área de navegación. Haga clic en Detectar modeloy, a continuación, seleccione los objetivos fijos en la plataforma del efector final del robot paralelo. Haga clic en Aceptar.
- Haga clic en el modelo de detección generado. Seleccione Up_Frame en la lista desplegable del desfasede origen . A continuación, haga clic en Aplicar.
NOTA: Este paso consiste en configurar las relaciones fijas entre el marco de plataforma del efector final FtP y los objetivos conectados en la plataforma del efector final. - Haga clic en Modelo de exportación dearchivos e introduzca un nombre de archivo para guardar el modelo de seguimiento.
- Definición del modelo de seguimiento del marco de herramientas
- Seleccione Modelos de seguimiento. Haga clic en Detectar modeloy, a continuación, seleccione los objetivos fijos en el marco de herramientas del robot serie. Haga clic en Aceptar.
- Haga clic en el modelo de detección generado. Seleccione SerToolFrame en la lista desplegable del desplazamiento origen. Haga clic en Aplicar y guarde el modelo de seguimiento definido.
2. Preparación del sistema
NOTA: El diseño del sistema de control del sistema CCM se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Diseño del sistema. Dos computadoras (A y B) se utilizan para controlar el sistema CCM. La comunicación entre ellos es a través de RS232. Computadora A controla el estado de rotación, el señor de la fotogrametría y el robot serie. Computadora B controla el robot paralelo, motores y válvulas, etc. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Preparación de la etapa rotacional
- Cargue la interfaz de control integrada programada por el lenguaje de programación controlado por eventos en el ordenador A.
NOTA: La interfaz de control se muestra en la Figura 3. El programa de interfaz se puede obtener en el siguiente enlace: - Haga clic en Conectar para conectar el controlador de la fase de rotación. Haga clic en Activar para conectar el motor de la fase de rotación. A continuación, haga clic en Inicio para mover la etapa de rotación a la posición inicial.
- Cargue la interfaz de control integrada programada por el lenguaje de programación controlado por eventos en el ordenador A.
Figura 3. Interfaz de control. El software de control programado por lenguaje de programación basado en eventos. La interfaz se compone de 6 secciones: robot serie, robot paralelo, etapa de rotación, importación de ruta, MMC óptica y control cooperativo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Preparación del robot serie
- Encienda el controlador del robot serie (consulte la Tabla de materiales).
- Haga clic en Conectar en la interfaz de control integrada para conectar el servidor del robot.
- Preparación de la MMC óptica
- Encienda el controlador de la MMC óptica y espere hasta que la pantalla del controlador muestre Listo.
- Haga clic en Conectar en la interfaz de control integrada para conectar la MMC óptica a través de la interfaz de programación de aplicaciones (API).
- Importe los modelos integrados en la sección 1, que incluye el modelo Base, el modelo de plataforma superior y el modelo end-effector del robot serie.
- Haga clic en Agregar secuencia. Agregue la secuencia relativa entre los modelos si es necesario. A continuación, haga clic en Iniciar seguimiento para realizar un seguimiento de la pose de los modelos.
- Preparación del robot Paralelo
- Encienda el controlador del robot paralelo.
- Cargue el programa SerialPort_Receive y seleccione Modo normal.
NOTA: El programa SerialPort_Receive no puede controlar el robot paralelo directamente. Se utiliza para recibir los datos remotos del ordenador A a través del puerto de comunicación serie. El programa SerialPort_Receive se puede obtener en el siguiente enlace: - Cargue el programa ParaRemoteControl y seleccione Modo externo. A continuación, haga clic en Compilación incremental para conectarse al destino.
NOTA: El programa ParaRemoteControl se utiliza para recibir la pose deseada del programa SerialPort_Receive y controlar el robot paralelo. El programa ParaRemoteControl se puede obtener en el siguiente enlace: - Haga clic en Iniciar simulación de los dos programas para inicializar el controlador del robot paralelo.
3. Generación de la ruta fuera de línea
- Cargue la interfaz de planificación de rutas a través del software de cálculo numérico (consulte la Tabla de materiales).
NOTA: La interfaz se muestra en la Figura 4. La interfaz de planificación de rutas es el software fuera de línea para generar la ruta de acceso para el sistema y se puede obtener en el siguiente enlace:
Figura 4. Interfaz de planificación de rutas. El software de planificación de rutas se compone de 3 secciones: área visual, área de comando y cuadro de información. La sección "Área de visualización" permite procesar la visualización 3D de las piezas. La sección "Área de comando" es realizar las acciones principales para generar la ruta fuera de línea. La sección "Cuadro de información" muestra la información sobre el estado del programa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Haga clic en Importar STL y elija el archivo de pieza. A continuación, haga clic en Segmentación.
NOTA: La pieza se divide en regiones separadas (cilindros y uniones de la pieza en forma de Y). Las diferentes regiones se muestran en diferentes colores. - Haga clic en Agregar región de trabajo y seleccione la región en la extracción de cilindros.
- Ajuste el control deslizante al 100% y haga clic en Extraer cilindros.
- Haga clic en Agregar región de trabajo para seleccionar la rama inicial de la ruta de acceso.
- Haga clic en Generar ruta. Elija la tercera opción: Ángulo de colocación constante (CPA) en la ventana de diálogo emergente.
- Elija el ángulo de colocación deseado 90o en la ventana emergente de diálogo. A continuación, elija el punto rojo.
- Para mostrar la ruta generada, haga clic en el menú desplegable Seleccionar una ruta. A continuación, seleccione la ruta.
- Para guardar esta ruta, haga clic en Archivo > Guardar e introduzca un nombre de archivo.
4. Descomposición individual de la trayectoria del robot serie y etapa de rotación
- Ejecute la función Methode_Jacobian en el software de cálculo numérico (consulte Tabla de materiales).
NOTA: La función Methode_Jacobian se utiliza para descomponer la ruta generada en el paso 3 en dos trayectorias individuales para el robot serie y la etapa de rotación. - Seleccione el archivo de ruta deseado (generado por la interfaz de planificación de rutas) y haga clic en Abrir.
- Introduzca el número de ruta deseado.
- A continuación, se calcula el primer punto de la trayectoria. Elija la configuración deseada para que el manipulador alcance esta pose.
NOTA: Cuando se completa el paso 4.4, se muestra un gráfico que muestra la evolución de los valores de las articulaciones. Se genera un archivo que contiene la trayectoria del robot serie y la etapa de rotación.
5. Ejecutar la ruta fuera de línea sin el algoritmo de modificación de la ruta
- Pulse Seleccionar en el colgante de enseñanza y elija el nombre del archivo importado. Pulse Intro para cargar el archivo de ruta.
- Gire el interruptor del controlador del robot al modo Automático. Gire el interruptor de encendido/apagado del colgante de enseñanza a Desactivado.
- Pulse Ciclo Inicio del controlador del robot serie para ejecutar la ruta.
- Haga clic en Movimiento cooperativo ubicado en el panel Control cooperativo.
NOTA: El sistema ejecutará la ruta sin conexión sin el algoritmo de modificación de ruta en línea. Si la unión llega a la condición de singularidad o restricción, el sistema se detendrá.
6. Ejecutar la ruta fuera de línea con el algoritmo de modificación de la ruta
- Repita los pasos 5.1–5.3. A continuación, haga clic en Conectar DPM ubicado en el panel Control cooperativo de la Figura 3 para agregar la capacidad de modificación de ruta en línea para el sistema.
- Haga clic en Movimiento cooperativo ubicado en el panel Control cooperativo.
NOTA: El sistema ejecutará la ruta sin conexión con el algoritmo de modificación de ruta en línea. Durante la ejecución, las singularidades y las restricciones de las articulaciones se supervisan a través de la medición del codificador del robot serie. El sistema puede pasar sin problemas los puntos de limitación de singularidad o restricción sin terminación.
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Representative Results
El experimento tiene como objetivo demostrar el proceso de realización del movimiento de la colocación de la fibra en el mandril en forma de Y del sistema MCP propuesto. El proceso se lleva a cabo en tres pasos: generación de trayectos; descomposición de la trayectoria; y la singularidad y la evitación de restricciones.
Generación de rutas
Normalmente, la orientación estándar se utiliza en la industria para definir los diferentes pliegues del laminado. En este documento, la definición de orientación debe adaptarse al cuerpo de la forma. Tomando como referencia el eje central del mandril, a saber, 0o, se estudian tres orientaciones diferentes de la capa, 0o, 45o y 90o para la aplicación industrial práctica de material escompuesto. La generación de la ruta de acceso para la orientación del pliegue de 90o se muestra como un ejemplo. El pliegue de 90o se obtiene como un recorrido de curva de hélice, cuyo tono es el ancho de las cintas compuestas. Por lo tanto, el ángulo real entre el curso y la referencia es cercano a 90o. El ply generado de 90o puede cubrir dos ramas sin ninguna interrupción, y las superposiciones y separaciones entre cintas se pueden minimizar. Como se muestra en la Figura 5, las tres ramas de la pieza se etiquetan como A, By C. La primera trayectoria se genera para cubrir las ramas A y B, pero dejar la rama C al descubierto. Para cubrir la rama C, se consideran las ramas B y C para generar la segunda trayectoria. Por último, se genera otro ply de 90o para cubrir las ramas A y C. Después de seguir los procedimientos anteriores, se generan dos capas para cada rama.
Figura 5. La primera trayectoria generada de 90o Ply. La primera ruta se genera para cubrir las ramas A y B con un curso continuo mientras se minimizan los huecos y solapamientos. Del mismo modo, se genera el segundo camino para cubrir las ramas B y C y el tercero es cubrir las ramas A y C para obtener la cobertura uniforme del mandril. La trayectoria se genera de forma iterativa siguiendo el mismo procedimiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Descomposición de la trayectoria
La descomposición de la trayectoria define la trayectoria de cada robot de forma independiente para evitar la colisión entre sí. La presión del rodillo de compresión del cabezal de colocación de fibra debe ser normal a la superficie del mandril y el eje del rodillo de compresión siempre debe mantenerse perpendicular a la trayectoria durante los procesos de fabricación. El mandril está montado en la etapa de rotación que se fija en la plataforma superior del robot paralelo. La relación cinemática entre los efectos finales de dos robots está pre-planificada y conocida.
La Figura 6 ilustra el proceso de descomposición de envolver continuamente dos ramas del mandril de forma con un ángulo de colocación constante de 90o. Se puede descomponer a la trayectoria del robot serie y el movimiento rotatorio de la etapa rotacional. Las trayectorias descompuestas pueden garantizar que el rodillo sería normal a la superficie del mandril. Como se mencionó anteriormente, después de terminar el envoltorio de la rama A a la rama B,otra capa se envuelve de la rama B a la rama C. A continuación, se inicia una nueva capa desde la rama A a la rama C y el ciclo de envoltura mantiene iterativo.
Figura 6. La descomposición de la trayectoria en forma de Y. La trayectoria generada se descompone a las trayectorias del robot serie y el movimiento rotatorio de la etapa de rotación. El proceso de descomposición tiene como objetivo envolver continuamente dos ramas del mandril en forma de Ycon un ángulo de colocación constante de 90o. El ángulo es la orientación del efector final del robot en serie. Vector e2 es el vector de unidad normal que garantiza que el rodillo sería normal a la superficie del molde. En la parte de hélice de la trayectoria del robot serie, el paso es igual a la anchura de las cintas. Los desplazamientos del rodillo están a lo largo de la dirección del vector e3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Singularidad y evitación de restricciones
La trayectoria generada fuera de línea para el sistema MCP consiste inevitablemente en puntos singulares y restricciones en algunos casos. Por ejemplo, la singularidad de la muñeca del robot en serie se produce cuando los ejes de La Junta 4 y Junta 6 coinciden debido al hecho de que el ángulo de rotación de la Junta 5, 5, es igual o cercano a 0o. El algoritmo de evitación desarrollado puede mover simultáneamente la plataforma 6-RSS y el robot serie con el fin de colocar la fibra siguiendo las trayectorias fuera de línea generadas. En el controlador incorporado del robot en serie, un ángulo de umbral seguro para la junta 5 es de 3,5o, lo que significa que el robot se detendrá automáticamente cuando el valorde 5 a 3,5. Teniendo en cuenta la accesibilidad del robot en serie y la sensibilidad de la detección de singularidad, se selecciona 4,0o como el umbral óptimo (5min)para este tipo de evitación de singularidad a través de una gran cantidad de experimentos. La condición de activación para el mecanismo de evitación de singularidad es de5(k)-< á5min. En el algoritmo de corrección de pose en línea que se muestra en la Figura 7,se supervisa el codificador de la junta 5 del robot serie. Si Joint 5 cumple con la condición de disparo de singularidad, el software de interfaz de control integrado generará el desplazamiento p o para el robot paralelo y agregará la corrección a la trayectoria fuera de línea del robot serie en consecuencia. Cuando Joint 5 pasa el umbral predefinido, el robot paralelo vuelve a su postura inicial y la corrección de la trayectoria en línea del robot serie se detiene.
En el experimento, se genera una ruta de planificación fuera de línea para la fabricación de la pieza compuesta en forma de Y, en la que se produce la singularidad de la muñeca de la articulación. Los resultados del experimento muestran que el método propuesto puede crear la corrección de la pose para el robot paralelo y ajustar la trayectoria fuera de línea del robot serie basado en la retroalimentación óptica de la MMC. De esta manera, el sistema puede pasar suavemente la singularidad y poner la fibra a lo largo de la trayectoria sin terminación como se muestra en la Figura 8] Por lo tanto, el sistema CCM propuesto puede lograr el proceso de fabricación de la estructura con Y-Shape con éxito.
Figura 7. Gráfico de flujo del algoritmo de corrección de pose en línea. Diagrama de flujo que describe los procedimientos para ejecutar el algoritmo de corrección de pose en línea. Consiste en el procedimiento de evitación de singularidad de la muñeca y el procedimiento de prevención de restricciones articulares. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8. Comparación de trayectoria con y sin evitación de singularidad de muñeca, a) el curso del espacio de trabajo 3D, b) la trayectoria angular de La articulación 5 y c) La trayectoria orientacional del robot paralelo. (a) Se proporciona el curso real del espacio de trabajo de la cinta con y sin evitación de singularidad de muñeca. La línea negra muestra que cuando la Junta 5 alcanza el rango de -3,5o a J5 a 3,5o, el sistema se detiene debido a la configuración segura del ángulo de umbral en el controlador del robot. La línea de tablero azul demuestra que el robot puede pasar suavemente los límites de las articulaciones y completar el curso de descanso mediante el uso del algoritmo de evitación para generar las rutas de corrección para los robots paralelos y serie. (b) La trayectoria de Joint 5 termina alrededor de 24 s s sin el algoritmo de evitación propuesto cuando el robot en serie se mueve cerca de su punto de singularidad (es decir, 4.0o). (c) Se dan las trayectorias reales del robot paralelo, incluido el ángulo Euler de dirección Y de la postura del efector final. La línea azul muestra la trayectoria original del robot sin ninguna corrección en línea, y la línea roja ilustra que la ruta de corrección se agrega al robot cuando La articulación 5 está cerca de 4,0o. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Los resultados experimentales muestran el proceso de fabricación de ángulos de colocación de 90o de la posición del MCP diseñado. Las metodologías propuestas en este documento se pueden utilizar para colocar la fibra con ángulos de colocación de 0o y 45o en el mandril con forma Y y otras formas. Mientras que el controlador incorporado del robot serie es capaz de proporcionar la característica de evitación de singularidad17, sólo se admite el movimiento lineal del efector final. Cuando el efector final ejecuta la tarea del movimiento del círculo, la entidad no funciona y, por lo tanto, no se puede garantizar la ruta de acceso fuera de línea deseada generada. Además, el problema de restricción de unión no se puede resolver a través de las características del controlador integrado. Por lo tanto, en este documento, se propone un método de corrección de trayectoria en línea para superar los inconvenientes mencionados mediante la generación de la pose de corrección óptima para los robots serie y paralelos, y para mantener el camino relativo entre los dos robots para seguir el camino fuera de línea basado en la retroalimentación óptica de la MMC. Las condiciones de activación de los límites y singularidades de las articulaciones indican el momento en que el controlador envía la señal de comando de movimiento para conducir el robot paralelo y, en consecuencia, modificar la trayectoria del robot serie. Provocada por las situaciones de restricción y singularidad del robot serie, se genera la corrección óptima de la trayectoria del robot paralelo con el objetivo de un mínimo movimiento paralelo del robot. En comparación con las máquinas AFP actuales, el sistema CCM tiene el potencial de fabricar pequeños componentes compuestos de geometría compleja.
Los pasos críticos dentro del protocolo son la generación de corrección de pose y entrada para ambos robots. La corrección de la pose para la trayectoria del robot serie se lleva a cabo mediante la modificación dinámica de la ruta (DPM) proporcionada por el robot serie. El tiempo de respuesta es relativamente largo, lo que da como resultado el error de las posturas relativas de los dos marcos de herramientas.
Nuestros planes futuros incluyen el desarrollo de un controlador avanzado basado en modelos para mejorar la precisión de seguimiento de la trayectoria para el sistema CCM, diseñar un filtro para eliminar el ruido en la medición óptica de la MMC, y utilizar el sistema MCP desarrollado para fabricar el sistema CCM real estructuras compuestas.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este proyecto fue financiado por el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería (NSERC) de la Cátedra de Investigación Industrial de Canadá en Fabricación Automatizada de Compuestos y los 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).
