Name: operation of the collaborative composite manufacturing (ccm) system
Uploaded: 2019-10-01T13:00:00
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该项目由加拿大自动化复合材料制造工业研究主席自然科学和工程研究理事会（NSERC）和魁北克省与纳特鲁技术基金会（FRQNT）资助。

1. CCM 系统的帧定义
注：光学CMM是一个双摄像头传感器，它可以使用一组刚性反射器实时跟踪物体。这些目标的放置原则是目标停留在非对称位置，它们之间有一定距离。目标需要固定在机器人或放置头上，并保留在光学 CMM 的视野 （FOV） 中。光学 CMM 应始终观察每个定义帧至少四个目标。并行机器人的基框架、并行机器人的末端效应器框架和串行机器人的工具框架分别表示为...

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	<li>Groppe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robots+Improve+the+Quality+and+Cost-effectiveness+of+Composite+Structures.">Robots Improve the Quality and Cost-effectiveness of Composite Structures.</a> Industrial Robot: An International Journal. 27 (2), 96-102 (2000).</li><li>Ahrens, M., Mallick, V., Parfrey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robotic+Based+Thermoplastic+Fibre+Placement+Process.">Robotic Based Thermoplastic Fibre Placement Process.</a> Industrial Robot: An International Journal. 25 (5), 326-330 (1998).</li><li>hirinzadeh, B., Cassidy, G., Oetomo, D., Alici, G., Ang, M. 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实验结果表明，所设计的CCM系统具有90°板放置角度的制造工艺。本文提出的方法可用于在带有 Y 形和其他形状的芯子上设置 0° 和 45° 层位置角度的纤维。串行机器人的内置控制器能够提供奇异性避免功能17，但仅支持末端效应器的线性运动。当末端执行器执行圆移动的任务时，要素不起作用，因此无法确保生成的所需线下路径。此外，通过内置控制器功能，也无法解决关节约?...

近年来，各行业对高性能复合材料结构的需求日益增长，极大地推动了复合材料制造技术的发展。传统的手工生产不能满足新兴产业的高效率、高精度和质量要求。这一方面鼓励了新的生产技术，如AFP系统。AFP 技术使用预处理物自动生产复合材料结构，预处理物以半聚合树脂的浸渍纤维胶带（玻璃、碳等）组成的条状形式存在。在 AFP 系统中，一个能够加热和压实树脂预塞的沉积头安装在纤维放置机或工业机器人上。携带沉积头的纤维放置机或机器人将前置物铺在工具芯的表面。在制造过程中，将模具芯勒用作由预处理物缠绕的模具，形成一定的复合部件结构。部分固化后，将拆下芯轴。目前的AFP系统可以显著提高复合材料3、4、5的生产效率和质量。然而，由于系统 DoF 不足和产生轨迹的困难，它们仅限于生产呈现平坦或轮廓表面的开阔表面，或简单的旋转部件（如圆柱体或锥体）。特别是，航空航天工业和运动器材生产行业现在对这项技术感兴趣，用于生产具有更复杂的几何结构的结构，如"Y"管或形成闭环的结构，如自行车车架。
为了能够制造具有复杂几何形状的结构，应提高 AFP 系统的灵活性。例如，通过在 6 DoF 工业机器人中添加线性轨道和在 mandrel 保持平台中添加旋转阶段，提出了 8 DoF AFP 系统6。然而，该系统仍然不适合制造上述具有复杂几何形状的部件。由两个机器人组成的协作机器人系统是提高灵巧性的希望解决方案，它采用一个机器人将纤维放置头在末端效应器上，另一个机器人握住芯轴。双串行机器人协作系统可能无法解决光纤放置问题，因为考虑到悬臂结构，考虑到悬臂的重重和压实力7，串行机器人容易变形，精度下降。与串行机器人相比，在飞行模拟器和医疗工具中应用的6个DoF并行机器人具有较好的刚度和精度8。因此，除了安装在并行机器人平台上的旋转级外，还构建了一个并行串行协作机器人系统，用于处理复杂的结构制造。
然而，构建的协作机器人系统在设计每个机器人的控制器时遇到了困难，无法满足光纤放置的高精度要求。终端效应器的精确位置测量可以通过激光跟踪系统实现，激光跟踪系统通常用于指导工业机器人在各种航空航天钻井应用中应用9、10。虽然激光跟踪系统可以提供高精度的位置测量，但主要缺点是系统成本和遮挡问题。激光跟踪系统价格昂贵，例如，商业激光跟踪仪及其配件的造价高达 90，000 美元，激光束在机器人移动过程中很容易被遮挡。另一个有前途的解决方案是视觉测量系统，该系统能够以较低的成本提供具有相当精度的末端效应器的 6D 姿势测量。姿势称为末端效应器的 3D 位置和 3D 方向与机器人基本框架的组合。光学CMM（见材料表）是一种基于双摄像头的视觉传感器。通过观察两个机器人末端效应器上的多个反射器目标，可以实时测量机器人之间的相对姿势。光学CMM已成功应用于机器人校准11和动态路径跟踪12，从而在研究中为拟建CCM系统的闭环控制系统提供反馈测量。
最终复合材料产品的质量很大程度上取决于原始光纤路径如何为AFP13、14生成。路径生成过程通常使用线下编程软件执行。生成的路径由芯轴上的一系列标记点组成，这些标记点指示光纤放置头的姿势。与其他轨迹规划应用（如喷漆、抛光或加工）不同，在可能采用不同类型的覆盖路径时，对于 AFP 而言，选择有限，因为光纤是连续的，并且不可能执行突然方向（尖角）的变化，不损坏它，放置头应保持在零件表面的规范中。AFP 的轨迹生成技术首次开发集中在制造大型平板5，然后再转向制造 3D 形状的对象，如开放曲面或圆锥体 5， 14.但是，尚未开发用于为具有复杂几何形状（如 Y 形或其他形状）的零件生成线路径的实用方法。因此，在以前的研究中，为具有复杂轮廓表面的零件设计了一个有效的路径规划算法，以确保后续纤维均匀地铺设，没有间隙或重叠。考虑到路径生成算法的实用性和有效性，仅将6-DoF串行机器人作为定位轴支架的放置头和1-DoF旋转级机器人作为目标系统，以找到最佳轨迹规划。具有最小时间条件的联合空间。由于重运动学计算和考虑各种约束，如奇点、碰撞、平滑方向变化和使放置头保持在零件表面的规范中，等等。
建议的线下轨迹规划可分别为6DoF串行机器人和旋转级生成伺服参考，具有精确的时序。即使进行这种线下轨迹规划，在某些几何零件的所有约束下也不可能生成可行的路径。此外，机器人的定位误差可能导致机器人与工作环境中的芯器或其他设备碰撞。基于光学 CMM 的视觉反馈实现在线路径修改。因此，提出了在线姿势校正算法，以校正并行机器人的路径，并通过视觉反馈同时调整串行机器人路径上的相应偏移。当检测到碰撞和其他约束时，两个机器人之间的相对姿势也会保持不变，同时遵循线下生成的路径。通过在线路径的修正，CCM 系统可以平稳地避开这些点，而不会终止任何端接。由于并行机器人的灵活性，可以针对不同的约束生成 6D 校正偏移量。本手稿介绍了使用在线姿势校正算法的 CCM 系统的详细操作过程。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>AeroBasic</td>
			<td>Aerotech</td>
			<td></td>
			<td>Motion control software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collaborative Composite Manufacturing (CCM) System</td>
			<td>Concordia University</td>
			<td></td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-track</td>
			<td>Creaform Inc.</td>
			<td></td>
			<td>An eye-to-hand optical CMM sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fanuc M-20iA</td>
			<td>Fanuc Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Serial robot</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>A multi-paradigm numerical computing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quanser</td>
			<td>Quanser Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Providing the engineering lab equipments for teaching and research.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VB</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td></td>
			<td>Visual Basic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vxelements</td>
			<td>Creaform Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Software for C-track</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

operation of the collaborative composite manufacturing (ccm) system

自动化胶带放置和自动光纤放置 （AFP） 机器提供了比传统手动光纤放置更安全的工作环境，并降低了工人的劳动强度。因此，复合材料制造的生产精度、可重复性和效率都得到了显著提高。然而，目前的AFP系统只能生产具有大开放表面或简单旋转部件的复合材料部件，不能满足工业界对小型复杂或封闭结构日益增长的兴趣。
在本研究中，通过采用 1 度自由 （DoF） 旋转级、6-RSS 并行机器人和 6-DoF 串行机器人，可以显著提高 AFP 系统的灵巧性，从而制造复杂的复合部件。安装在平行机器人上的旋转阶段用于握住芯轴，串行机器人携带放置头来模拟两只手，这双手有足够的灵巧性，将纤维放在具有复杂轮廓的芯轴上。
虽然 CCM 系统增加了复合材料制造的灵活性，但生成可行的线下路径非常耗时，甚至是不可能的，这可确保后续光纤均匀铺设，因为各种约束因素奇点、纤维放置头与芯器之间的碰撞、平滑的纤维方向变化以及保持纤维放置头沿零件表面的规范等。此外，由于机器人现有的定位误差，需要在线路径校正。因此，提出了在线姿势校正算法，以校正并行机器人和串行机器人的路径，并在当两个机器人的约束或奇点出现问题时，通过视觉反馈保持两个机器人之间的相对路径不变。进行线下路径规划。实验结果表明，所设计的CCM系统能够满足制造Y型复合结构所需的运动。

实验旨在演示在拟建CCM系统的Y形芯子上实现纤维铺设运动的过程。该过程分三个步骤进行：路径生成;轨迹分解;奇点和约束避免。
路径生成 通常，标准方向在工业中使用来定义层压板的不同层板。本文应调整方向定义，以适应-形状主体。以芯子的中轴为参考，即0°，研究了ply、0°、45°和90°的三种不同方向，?...

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Operation of the Collaborative Composite Manufacturing CCM System

利用预置胶带为复合层压板的机器人铺设开发了一个协作复合制造系统。该系统允许生产具有高几何复杂性的复合层压板。在该方法中讨论了路径规划、机器人协调与控制中的问题。

协同复合制造 （CCM） 系统的操作

The automated tape placement and the automated fiber placement (AFP) machines provide a safer working environment and reduce the labor intensity of ...

目前的自动化纤维放置机只能生产大型的露天零件，不能满足工业界对小型复杂结构日益增长的兴趣。通过使用旋转级、并行机器人和串行机器人，纤维放置机的灵巧度可以显著提高，用于制造复杂的复合材料零件。演示这个程序的将是李鹏程，一个来自我实验室的博士生。首先通过光学 CMM 的软件加载帧定义文件。单击"定位"和"检测目标"，然后选择连接在平行机器人电机上的目标。单击"接受"以使用这些目标作为整个系统的定位参考，并在"实体"列表中单击"基本框架"，然后选择"使此参考帧成为原点"。要定义最终效应器平台框架的跟踪模型，请选择跟踪模型，单击"检测模型"，然后选择固定在并行机器人端效应器平台上的目标。单击"接受"，然后单击"跟踪模型"。在下拉列表中选择"上平台"，然后单击"向上框架"。然后单击"应用和文件、导出和跟踪模型"，然后输入文件名以保存跟踪模型。要定义刀具框架的跟踪模型，请选择跟踪模型和检测模型，然后选择串行机械手工具框架上固定的目标。单击"接受"，然后单击"跟踪模型"和"SerTool"。然后，在下拉列表中选择 SerToolFrame，单击"应用"，保存定义的跟踪模型。要准备旋转阶段，请加载计算机 A 上由事件驱动编程语言编程的集成控制接口，然后单击"连接"以连接旋转阶段的控制器。单击"启用"以连接旋转阶段的电机，然后单击"主页"将旋转阶段移动到主位置。要准备串行机器人，请打开串行机器人控制器电源，然后单击集成控制接口上的"连接"以连接机器人服务器。要准备光学 CMM，请打开光学 CMM 控制器的电源，然后等待控制器的屏幕显示"就绪"。单击集成控制接口连接，通过应用编程接口连接光学 CMM，导入第一节内置的模型，包括基础模型、上部平台模型和串行机器人的端效应器模型。单击"添加序列"，并根据需要在模型之间添加相对序列。然后单击"开始跟踪"以跟踪模型的姿势。要准备并行机器人，请打开并行机器人控制器的电源。加载SerialPort_Receive，然后选择"正常模式"。加载准远程控制程序，然后选择"外部模式"。然后单击增量生成以连接到目标，然后单击两个程序的"开始模拟"以初始化并行机器人的控制器。要生成脱机路径，请通过数字计算软件加载路径规划接口，然后单击"导入 STL"以选择零件文件。单击"分割"和"添加工作区域"，然后选择气缸提取区域。将滑块调整为 100%，然后单击"提取圆柱体"和"添加工作区域"以选择路径的起始分支。单击"生成路径"，并在弹出窗口中选择"恒定放置角度"。然后将所需的放置角度设置为 90 度，然后选择红点。若要显示生成的路径，请在"选择路径"下拉菜单中选择路径，然后保存文件。要启动轨迹分解，请运行数字计算软件中的 Methode Jacobienne 函数，然后打开所需的路径文件。输入所需的路径编号。将计算轨迹的第一个点。然后选择操作器感兴趣的配置以达到此姿势。配置完成后，将显示显示关节值演变的图形，并生成包含串行机器人轨迹和旋转级的文件。若要在没有路径修改算法的情况下运行脱机路径，请按教用吊坠上的"选择"，然后选择导入文件的名称。按 Enter 加载路径文件，然后将机器人控制器的开关切换到"自动"模式。将示教吊坠开/关开关打开/关闭开关打开，然后按串行机械手控制器上的"循环启动"来运行路径。然后在合作控制面板中单击"合作移动"。要使用路径修改算法运行脱机路径，请将串行机器人设置为运行路径，就像刚才演示的一样，然后单击协作控制面板中的 DPM Connect，为系统添加联机路径修改功能。然后在合作控制面板中单击"合作移动"。如所证明，生成的 90 度 ply 可以覆盖两个分支，而不会中断，并且磁带之间的重叠和间隙可以最小化。为了覆盖分支 C，分支 B 和 C 被视为生成第二个轨迹。然后将生成另一个90度ply以覆盖分支 A 和 C。曼德雷尔可以分解为串行机器人的轨迹和旋转阶段的旋转运动，如图所示，具有恒定的90度放置角度。在此实验中，为制造 Y 形复合零件生成离线规划路径，其中关节手腕奇点发生。实验结果表明，该方法可对并行机器人进行姿势校正，并基于光学坐标测量机反馈调整串行机器人的离线路径。这样，系统就可以顺利地通过奇点，在不终止的情况下沿路径铺设光纤，从而确认所提议的CCM系统能够顺利完成Y型结构的制造过程。要记住的最重要的事情是按正确的顺序操作子系统。这种协作系统具有通过六自由度、串行和并行机器人以及光学坐标测量机的配合，制造复杂几何的小复合元件的潜力。

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