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使用响应面法分析和优化机器人光纤放置过程
Tauseef Aized amp; Bijan Shirinzadeh
摘要 与传统材料不同，完全设计的材料需要适合特定应用。复合结构的常规制造方法已经被证明是劳动密集型和耗时的。机器人光纤放置是一种复合制造技术，增加了纤维放置过程的灵活性，可以制造更复杂的结构。 这个研究旨在分析优化机器人纤维放置过程参数。 许多实验已经对气体温度，铺设纤维头速度和纤维压实力进行了分析，过程是使用响应面法优化。
关键词 机器人纤维放置 过程参数 优化
1动机
复合材料在产品中越来越受欢迎，需要轻量级但是又需要强度达到足以承受苛刻装载条件。 纤维增强复合材料提供许多优点由于其吸引力的重量和刚度-重量比，这些被制造材料非常适合航空航天和汽车应用。生产增强纤维的传统方法复合材料包括手工手工铺叠，胶带铺设和纤维缠绕技术; 但所有这些方法都是耗时，劳动密集，产生大量废料，而目前的工业要求需求更快，更具成本效益过程的机器人光纤放置是一种解决这些问题的工艺方法，不仅提供灵活性和高生产率，也拥有较少的废料生产过程。 但是，由于各种各样使用的材料和生产的组件，过程机制没有彻底调查和过程参数与质量和生产的关系速率必须建立，用来方便整体改善性能的过程。
1.1相关工作
光纤放置方法已经经过了很长的早期发展。从不同公司的几个实验室机器到不同飞机上的机身生产，该技术正被用于各种应用中，具有一系列材料选择。 材料，设备和应用的概述介绍。目前正在使用加工方法飞机复合结构，通过提供自动化的一般审查并且描述了自动带层工艺和纤维放置处理。 本文强调需要更多样化复合材料自动化和更实惠的机器的航天复合材料工业。有限的自动化的多样性和设备的成本倾向于限制自动化在整个航空航天复合材料工业中的传播。在使用工业机器人臂进行运动控制时，报告了低成本纤维铺放机的开发。这种纤维铺放机用于使用显式曲线纤维构建复合面板建筑。引入一种新方法以将任务放置在工作空间中并且定义产品的尺寸特性。Shirinzadeh 等人 提出了建立机器人纤维铺设设施的总体战略，并描述了开发过程规划和编程与仿真的方法。此外，用于开放和闭合表面的自动光纤路径生成的算法也被讨论。Alici et al. 开发了由Motoman SK-120机器人，力/扭矩传感器，气动致动器和硬工件夹持器组成的机器人纤维放置系统的集总参数模型。这项研究实验验证了预测和表征纤维放置系统的动态行为的目的。Shirinzadeh 等人提出了一种用于开放轮廓结构的新型路径规划算法，标题为用于机器人光纤放置的表面曲线算法。该算法旨在进行和呈现产生复合层板的均匀叠层，在随后的丝束之间没有间隙和重叠，并且对算法的特性进行数值研究。Schlimbach和Mitschang介绍了生产成本估算的方法作为基于热塑性带放置的过程物理学的稳定函数。
Tierney和Gillespie提出了一个模型，用于预测贯穿厚度传热和基于层接触处的紧密接触和愈合的结合强度发展。进行实验以验证这些结果对于各种各样的过程条件，并且他们表明基于模型的预测控制可以用作过程优化的方法。数值结果表明，结合强度的发展受到工艺设定点（例如，头速度，热输入和辊压）的显着影响，并且所得到的强度可以在基于设定点的部分内显着变化。Harper 等人在使用无规不连续碳纤维的定向纤维预成型工艺中检查了诱导丝束成丝对预成型坯膨胀，预成型体压实和层压体拉伸性能的影响。Polini和Sorrentino研究了全绕组复合材料制造过程中主绕组参数对张力的影响。工作的重点是确定表征卷绕轨迹和卷绕速度的几何参数，其允许保持卷绕张力接近已计划具有良好复合部件的标称值。所得出的结论有助于了解绕组类型学的张力平均值的变化。 James和Black开发了用于长丝缠绕的过程窗口，并且使用热降解数据和扩散模型来确定过程参数的上限和下限。Pitchumani等人认为热降解，空隙含量和尺寸变化作为产品质量标准用来开发用于带放置的工艺窗口。Sonmez和Hahn使用层间结合强度，通过热降解的重量损失和结晶度的质量标准来找到可行的工艺参数集。该方法提出了建模以预测作为过程设定点的函数的材料质量，该过程设定点通过使吞吐量最大化并保持期望的最低质量来计算。Sonmez和Akbulut开发了用于磁带放置的过程优化方案。该研究的目的是首先开发过程优化方案以确定将导致具有最小峰值残余拉伸应力的层压体的一组过程参数，并且研究的第二目的是应用优化方案以实现最高 可能的下降速度。数值结果表明，通过优化可以实现显着的改进，并且可以原位生产具有可接受质量的层压材料。
1.2贡献
只有有限数量的论文可用于解决自动热塑性放置系统的分析和优化。Heider等人报道的工作 旨在最大化吞吐量，同时保持基于人工神经网络的最小质量; 但在实际环境中，质量也必须随生产率一起最大化。此外，Heider等人只考虑头部速度和主焰炬的距离作为工艺参数，并且没有考虑焊炬温度，这也是重要的工艺参数。 Sonmez和Akbulut开发了一种优化方案，以实现最高可能的铺设速度; 因此，在优化过程中不考虑产品的质量而仅强调生产率。这个研究旨在分析和优化机器人纤维铺放过程的工艺参数。分析和优化三个重要的工艺参数，即气体焰炬温度，纤维铺放头速度和纤维压实力，并且使用响应面法使产品的生产率和产品质量最大化的目的进行优化。该方法的优点是，可以根据任何特定要求将进一步的过程参数和响应添加到分析和优化方案。
2机器人纤维放置实验设置
与传统的制造技术相比，机器人纤维放置提供了许多优点，包括纤维束的切割和重新启动，材料的原位减薄和固结，纤维放置角度的精确控制和高重复性。此外，机器人操纵器的使用增加了纤维放置过程的灵活性，并允许制造更复杂的结构。图1取自[16]，显示了实验机器人光纤放置系统设置，其具有安装有纱架系统的六自由度机器人操纵器。 它是一种垂直连接臂型Motoman SK 120工业机器人，最小可达896 mm，最大可达2,573 mm空间。没有用于放置纤维的所有设备的重量为1,500kg，其最大允许有效载荷为120kg。
该系统具有粗纱架，在该粗纱架中存储预浸料丝束，其在进入纤维加工头之前移动通过一系列张紧器和辊，使得每个预浸料遵循适当且对齐的路径，以避免丝束的缠结。预浸渍丝束用受控量的热塑性树脂纤维浸渍，然后部分固化以得到粘性质量。纤维加工头附接到机器人的末端执行器。在制造过程中的压实力的测量通过施加安装在端部执行器和纤维加工头之间的力/扭矩传感器来进行，该力/扭矩传感器也用作用于在波状表面上放置纤维的反馈装置。在纤维加工头处，通过涡流冷却管冷却丝束，以降低丝束的粘性，使得这些丝束在铺叠过程中不会粘附到导向滑槽。然后，在加热之前，通过辊引导丝束，并将丝束压紧到基板表面上。通过热气焰炬将热施加到丝束，以便增加粘性，使得丝束可以结合在一起。 热气焊炬使用氮气加热丝束以防止在焊接过程中的氧化降解。为了除去捕集的空气和丝束与基底材料之间的空隙，压实辊施加直接力，因此基质树脂的粘度降低，并且材料通过在处理期间粘合和减少材料而粘结在一起。可以通过适当的压实来防止残余应力，空隙和翘曲。 机器人的末端执行器应在制造过程中定向，使得压实辊压力总是保持垂直于基板表面。图2取自[16]，示出了纤维放置组件的示意图。 重复该过程，直到获得期望厚度的复合材料，然后将部件真空装袋，并且必须在高压釜处理炉中固化，以向部件施加热和压力以用于加工完成。
3实验结果与讨论
已经进行了许多实验以制造平板，目的是获得对工艺参数关于板的质量的关系的理解，并随后优化工艺。作业程序用C 编译，并上传到在播放模式下操作的机器人。 这些实验用在基材料碳PPS带上以0°，45°，-45°和90°角放置的四层热塑性材料进行。该平板，如图1所示。 3在由于丝束变得太热而短暂停止之后成功构建。平板预成型件具有高质量，在丝束之间具有最小的间隙。
在对工件的任何工具或表面的放置过程中，丝束被加热并压紧在基板表面上。热气焊炬用于向丝束施加足够的热量以增加它们的粘性，使得它们可以更容易地结合在一起。热气焊炬使用氮气加热丝束以防止在焊接过程中的氧化降解。这很重要，因为如果预浸料丝束不被加热，它们将不会适当地粘结到基底和/或其它层/丝束。此外，在放置过程期间，压实辊将施加直接力以移除捕获的空气或丝束与基底材料之间的空间间隙（空隙）。以这种方式，基体树脂的粘度降低并且材料结合在一起，通过在工艺期间粘结和散开材料。因此，需要适当的联系以防止残余应力，空隙和翘曲。此外，在纤维放置过程中，机器人的末端执行器必须定向成使得压实辊压力总是保持垂直于基板表面。在纤维放置过程中的机器人速度也是重要的，因为这不仅确定系统的生产量，而且影响成品复合材料部件的纤维铺放质量。在纤维放置过程中，当机器人移动时，其通过拉力，张紧器和引导件牵引纤维，同时跟随工具表面轮廓，其可以是复杂的轮廓表面。因此，机器人速度影响预处理纤维进行多少加热，即 速度越高，则需要越高的热气体炬温度，以便确保预浸料纤维被加热到足以粘着以粘附到工具或先前的层。此外，必须注意，必须考虑压实过程，特别是在复杂的轮廓表面上。因此，在实验阶段研究了三个过程参数（输入因子）的影响。 这些参数包括热气焊炬温度，纤维加工头速度和压缩力。热气焊炬温度是热气焊炬在丝束（纤维）的出口处的温度，并且以摄氏度测量。机器人头部速度是以毫米每秒测量的丝束放置进给速率，而压实力是将丝束放置/压紧在基材上的力。研究这些参数的影响与根据三个特性定义的产品的质量水平有关。这些是热塑性材料的第一层与基底表面的粘附，丝束在随后的层和基底上的粘附保持完整。第一层粘合是指其中层粘附到工具表面（基材）的工艺的能力。对后续层的粘附是指粘附到已经放置的层的后续层。保持完好的衬底指的是保持粘附到工具表面的第一层; 这很重要，如果第一层不保留在工具表面上，则后续层和后续层不能放置在第一层的顶部上。由于质量特性本质上是定性的，因此这些质量特性在从1至9变化的质量标度上编码，以便分析过程参数和质量水平之间的关系。此外，有利的是，将质量特性改变为编码的定量形式，以通过响应面法随后优化过程。以下五点质量标度用于编码质量特性：
1 3 5 7 9
不能接收 合理 好的 非常好 优秀
每个实验重复三次，对于特定实验，产生的产物由实验人员根据上面给出的等级编码。此外，对于每个实验，所有三个产品由三个人编码，这三个人独立地编码质量特征以确保统计上无偏差的数据。实验结果示于下表（表1）。
其中qIJ是指由第J个实验人员编码的第I个质量特性，q1，q2，q3和Q是平均值，使得：
过程参数的值根据实验装置中可用的规定而改变，并且采用五个级别的过程参数变化，因为这样的设置适合于通过随后提出的响应面法的过程优化 。图4显示了气体焰炬温度和质量之间的关系。产品的质量随着温度的增加而提高，因为通过提高温度，第一层越来越多地粘附到基底材料上，并且类似地，随后的纤维层很好地粘附在一起。当温度升高时，基底也保持完整。 但是，由于温度升高，观察到质量的提高达到一定的温度极限，超过该温度极限，温度的进一步升高导致由过高的温度引起的热降解，因此质量劣化。图5显示了机器人头部速度和质量关系。
随着机器人头部速度的增加，质量恶化，因为纤维放置过程需要一定量的时间来完成，并且更大的头速度意味着更少的处理时间是可用的。另一方面，为了提高生产率，机器人纤维头的高速度是必要的。当过程优化时，将进一步讨论此问题。质量也随着纤维压实力的增加而改善，如图1所示。 但质量的提高只有显着到一定水平以上，没有观察到显着的影响。此外，与气体焊炬温度相比，压实力对于质量水平的变化不那么明显。
机器人光纤放置的前述分析基于一因素一次方法，因为一次只改变一个过程参数，而两个参数的其余部分固定在它们各自的中间水平。然而，在任何实验过程中一次可以改变多于一个因素，并且在实际环境中通常是需要的。这需要搜索能够以最快的生产速率生产最高质量产品的工艺参数的组合; 一个称为过程优化的策略，可以通过实验设计进行，这是一个确定因果关系的计划方法，是一个在单个实验中研究多个过程参数的技术家族。Derringer和Suich描述了多响应方法，其使用称为期望性函数的目标函数，其对于实验的单个响应和多个响应都很好。一般方法是首先将每个响应yi转换为在范围0le;dile;1上变化的个体期望函数di，其中如果响应在目标或目标处，则di = 1，并且如果响应 在可接受区域之外，则di = 0。同时目标函数是所有变换响应的几何平均值，由下式给出：
=
其中n是响应的数量。 如果任何响应落在其允许范围之外，则整个函数变为零。对于同时优化，每个过程参数和响应必须具有分配给每个目标的低值（lv）和高值（hv），从而对于最大目标：
以及对于最低目标
在期望函数中，每个过程参数（输入因子）和响应也可以被分配相对于其他过程参数和响应的重要性。重要性（ri）从最不重要到最重要。 通过对不同的响应指定不同的重要性，目标函数由下式给出：
期望函数的形状也随着权重函数的增加而改变，权重函数用于强调上限或下限。 在本研究中使用Design Expert 7.0.2工具进行了RSM建模和分析。通过使用中心复合设计进行响应面研究，所使用的特定设计是面心为中心的中心复合设计，用于二次多项式模型的拟合。下表（表2）示出了用于优化机器人
纤维放置过程的响
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