橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室：協(xié)同多機(jī)器人系統(tǒng)的增材制造及其過程控制

來(lái)源：WAAM電弧增材

傳統(tǒng)的機(jī)器人電弧增材制造技術(shù)能夠使用低成本的焊絲原料和機(jī)器人焊接系統(tǒng)快速生產(chǎn)中等尺寸的部件。迄今為止，主要集中在單個(gè)機(jī)器人解決方案上。針對(duì)這一問題，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在Additive Manufacturing Letters發(fā)表了論文Strategies for a scalable multi-robot large scale wire arc additive manufacturing system，指出通過協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)器人和多自由度定位器，可以進(jìn)行新的配置，使多個(gè)機(jī)器人沉積頭可以在一個(gè)平臺(tái)上協(xié)同工作。

該論文討論了在金屬電弧增材制造（WAAM）中使用多個(gè)機(jī)器人以提高沉積速率和生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了一個(gè)多機(jī)器人智能沉積系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)單機(jī)器人大規(guī)模增材制造系統(tǒng)的生產(chǎn)力和可靠性限制。通過開發(fā)一個(gè)可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)打印路徑分配策略，將工具路徑數(shù)據(jù)庫(kù)加載到珠子邏輯模塊中，并使用珠子評(píng)分系統(tǒng)分配原子沉積任務(wù)，使多個(gè)機(jī)器人能夠在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上協(xié)同制造單個(gè)零部件，并強(qiáng)調(diào)了這種方法的優(yōu)勢(shì)，包括增加的沉積速率和生產(chǎn)效率，還討論了實(shí)施多機(jī)器人系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和考慮因素，如任務(wù)劃分、調(diào)度、碰撞避免和運(yùn)動(dòng)控制。

這些概念已在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制造示范設(shè)施的三機(jī)器人系統(tǒng)MedUSA上進(jìn)行了演示，成功地展示了三個(gè)機(jī)器人臂和一個(gè)自由度工件定位器的異步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。通過模擬和實(shí)驗(yàn)分析了多機(jī)器人系統(tǒng)在大規(guī)模增材制造中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)表面，第一次模擬中，與單個(gè)機(jī)器人相比，多機(jī)器人配置的打印正常時(shí)間增加了6％，生產(chǎn)時(shí)間減少了58％。第二次模擬中，通過交替使用機(jī)器人，生產(chǎn)時(shí)間和正常運(yùn)行時(shí)間分別提高了19％和17％。此外，通過對(duì)制造組件進(jìn)行3D掃描，證明了制造的組件與CAD模型之間的平均誤差為0.46毫米，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.38毫米。

圖1. MedUSA - 多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)沉積系統(tǒng)。

圖2.顯示了MedUSA系統(tǒng)的工作空間，其中彩色形狀代表機(jī)器人的工作空間，邊界框代表圍欄單元。

        圖3. 系統(tǒng)架構(gòu)和進(jìn)程間通信。

圖4. 在珠子邏輯模塊中實(shí)現(xiàn)的離線工具路徑生成和實(shí)時(shí)分配算法。

圖5. 離線生成的工具路徑的單層，顯示了全局（綠色）和局部（紅色）珠子幾何形狀。

   圖6. 在打印路徑的不同點(diǎn)上進(jìn)行的閉環(huán)TAST控制Z高度調(diào)整。

圖7. 自適應(yīng)高度控制速度調(diào)整以保持所需的構(gòu)建高度。

  圖8. 第一次構(gòu)建。

關(guān)鍵結(jié)論
在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)的多機(jī)器人智能沉積系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)分配打印路徑和異步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，克服了傳統(tǒng)單機(jī)器人增材制造系統(tǒng)的生產(chǎn)力和可靠性限制，圍繞大規(guī)模金屬增材制造的技術(shù)難題，提出了一種基于多機(jī)器人的解決方案。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多機(jī)器人配置可以顯著提高生產(chǎn)效率和正常運(yùn)行時(shí)間。這項(xiàng)研究為大規(guī)模增材制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的參考和指導(dǎo)。該論文通過對(duì)幾個(gè)示范構(gòu)建的單機(jī)器人和多機(jī)器人配置進(jìn)行比較，得出結(jié)論。主要結(jié)論如下：

（1）傳統(tǒng)的機(jī)器人電弧增材制造技術(shù)專注于單機(jī)器人解決方案。該論文通過對(duì)幾個(gè)示范構(gòu)建的單機(jī)器人和多機(jī)器人配置進(jìn)行了比較，此系統(tǒng)能夠在單個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人的協(xié)同工作，多機(jī)器人協(xié)作可以提高沉積速率和生產(chǎn)效率。例如：在動(dòng)態(tài)任務(wù)分配上，研究開發(fā)了一種實(shí)時(shí)打印路徑分配策略，通過一個(gè)珠子邏輯模塊加載工具路徑數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用珠子評(píng)分系統(tǒng)分配原子沉積任務(wù)。如果一個(gè)機(jī)器人暫時(shí)停止服務(wù)，珠子邏輯就會(huì)重新分配指定的打印路徑到剩余的機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)不間斷的沉積和生產(chǎn)力的提升。

（2）實(shí)施多機(jī)器人系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)包括任務(wù)劃分、調(diào)度、碰撞避免和運(yùn)動(dòng)控制。MedUSA系統(tǒng)是一個(gè)用于大規(guī)模金屬增材制造的三機(jī)器人系統(tǒng)的示范。而系統(tǒng)架構(gòu)包括多個(gè)機(jī)器人、定位器、焊接設(shè)備和控制軟件。

（3）打印工作流程涉及CAD模型導(dǎo)出、路徑生成和對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，通過弧縫跟蹤和自適應(yīng)高度控制模塊能夠調(diào)整處理中的干擾。

（4）對(duì)于異步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，論文成功展示了三個(gè)機(jī)器人手臂和一個(gè)自由度工件定位器的異步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。通過利用外部引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)（EGM）提供的接口，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)異步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

論文引用
Alex Arbogast a b, Andrzej Nycz a, Mark W. Noakes a, Peter Wang a, Christopher Masuo a, Joshua Vaughan a, Lonnie Love a, Randall Lind a, William Carter a, Luke Meyer a, Derek Vaughan a, Alex Walters a, Steven Patrick a c, Jonathan Paul d, Jason Flamm d

Strategies for a scalable multi-robot large scale wire arc additive manufacturing system

https://doi.org/10.1016/j.addlet.2023.100183