大型零件多機器人協(xié)同電弧增材制造層內(nèi)沉積路徑的分配與調(diào)度

來源：WAAM電弧增材

增材制造（AM）目前應(yīng)用廣泛，其中大型金屬零件的增材制造已被確定為一個有前景的研究方向。電弧增材制造（WAAM）由于具有成本低和效率高的優(yōu)點，更適合用于制造具有大尺寸幾何形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件。此外，WAAM可以很容易地集成到工業(yè)機器人中，這有利于提高制造的自由度，并減小了制造零件的尺寸限制。

然而，通過單個增材制造系統(tǒng)，制造米尺度下的零件仍然需要數(shù)周甚至更長時間。長期沉積工藝需要高水平的系統(tǒng)穩(wěn)定性，以確保生產(chǎn)零件無缺陷。為了提高制造效率，多機器人協(xié)作WAAM（MRC-）已經(jīng)被推廣，這需要多個機器人AM系統(tǒng)協(xié)同工作。

在此基礎(chǔ)上，東南大學(xué)李永哲副教授及其團隊在知名期刊 Virtual and Physical Prototyping（IF=10.6）上發(fā)表題目為 “Allocation and scheduling of deposition paths in a layer for multi-robot coordinated wire and arc additive manufacturing of large-scale parts”的研究論文。基本步驟是在執(zhí)行實際沉積工藝之前，為每層分配和調(diào)度機器人沉積路徑。為機器人分配沉積路徑并且在考慮最短總工作時間、工作量和安全的情況下調(diào)度沉積過程。其難點來自算法的高時間復(fù)雜度。在這些難點的驅(qū)動下，此研究提到的方法旨在開發(fā)一種算法解決方案，以促進MRC-WAAM過程規(guī)劃。

研究目的
本研究旨在解決多機器人協(xié)同電弧增材制造（MRC-WAAM）系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題：如何有效地分配和調(diào)度每層的沉積路徑。這一挑戰(zhàn)源于優(yōu)化機器人工作時間、任務(wù)量和沉積順序時面臨的高時間復(fù)雜性。研究團隊創(chuàng)新開發(fā)了一種的“top k%”方法，通過迭代方式將k%長度的路徑從任務(wù)庫分配給當(dāng)前工作任務(wù)量最少的機器人，直到所有路徑被分配完畢。這一方法能夠使各機器人的任務(wù)量均等，同時提高分配結(jié)果中路徑的相鄰性，從而提高MRC-WAAM的成形質(zhì)量。

研究方法
本研究提出的“top k%”方法在數(shù)學(xué)上通過一個執(zhí)行成本矩陣來定義。該方法通過計算工作時間和路徑距離來分配任務(wù)，并以最小化所有機器人的總工作時間為目標(biāo)。研究中還考慮了路徑的鄰接性和機器人間的安全距離，以確保沉積過程中不會發(fā)生機器人之間的碰撞。

  為了驗證算法的有效性，研究團隊構(gòu)建了一個包含三個YASKAWA AR1730工業(yè)6軸機器人和MEGMEET Artsen Plus 500Q焊接電源的測試平臺。使用了特定的材料和參數(shù)，通過MATLAB R2021b實現(xiàn)了分配和調(diào)度算法。實驗分為兩個階段：一是在四個不同長度和路徑數(shù)量的大型零件模型上驗證算法的可行性，二是選取一個模型進行實際的沉積驗證。結(jié)果表明，該方法在減少轉(zhuǎn)折點次數(shù)和起弧點方面優(yōu)于現(xiàn)有解決方案，驗證了其在實際應(yīng)用中的有效性。

論文圖片

圖1.直接將切片分割成子區(qū)域來進行MRC-AM的路徑規(guī)劃示意

圖2.為MRC-WAAM分配沉積路徑的總體工作流程

圖3.使用“top k%”方法進行多機器人沉積路徑分配算法流程

圖4. 沉積任務(wù)生成算法流程

圖5.定義沉積計劃的工作階段（WPs）

圖6.檢查WP內(nèi)機器人掃過區(qū)域是否發(fā)生干涉

圖7. MRC-WAAM系統(tǒng)調(diào)度生成沉積任務(wù)順序的算法流程

圖8. 實驗驗證平臺

圖9.機器人與零件中心之間的空間位置關(guān)系

圖10.用于驗證的增材制造切片模型

圖11.k取值對算法性能的影響

圖12. 使用“top k%”方法得到的路徑分配結(jié)果

圖13. 按道分配得到的路徑分配的結(jié)果

圖14：沉積過程的甘特圖

圖15：沉積任務(wù)生成和調(diào)度的結(jié)果

圖16. 每個工作階段各機器人掃過面積之間的距離

圖17. 沉積切片的外觀

圖18.使用Bhatt等人[31]提出的策略生成的分沉積路徑配結(jié)果

圖19.采用Shen等人[33]提出的策略生成的沉積路徑分配結(jié)果

關(guān)鍵結(jié)論
本文介紹了一種“top-k%”方法，該方法有助于大型金屬零件的多機器人協(xié)調(diào)電弧增材制造（MRC-WAAM）的路徑分配和調(diào)度。結(jié)論如下：

(i)經(jīng)研究證實，每次分配的最接近的k%的路徑量自然地彼此相鄰，這增強了分配給每個機器人的路徑的鄰接性。

（ii）在所進行的案例研究中，沉積計劃的進度效率度量達到了92.1%，這證實了所提出的方法可以保持機器人任務(wù)的均等性。

（iii）實驗結(jié)果表明，top k%方法在減少轉(zhuǎn)折點數(shù)量和起始弧點方面優(yōu)于直接分割方法，提高了MRC-WAAM的成形質(zhì)量。

（iv）從計算的角度來看，“topk%”方法降低了分配和調(diào)度問題的計算復(fù)雜度。它有可能解決可能需要多機器人協(xié)作的運行時自適應(yīng)的動態(tài)場景中的相關(guān)問題。
第一作者

李永哲，副教授，博士生導(dǎo)師。2019年獲荷蘭代爾夫特理工大學(xué)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)雙博士學(xué)位。東南大學(xué)至善青年學(xué)者（A層次），江蘇省科協(xié)青年托舉人才，江蘇省雙創(chuàng)博士。長期圍繞金屬增材制造智能系統(tǒng)理論與應(yīng)用開展研究工作，包括機器視覺與多源融合傳感、多機器人群體協(xié)同控制、機器學(xué)習(xí)與軟體驅(qū)動金屬增材、極地現(xiàn)場增材修復(fù)裝備等。主持國家自然科學(xué)基金、江蘇省重大科技基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)研項目課題、江蘇省自然科學(xué)基金等項目10余項，發(fā)表SCI/EI論文20余篇，授權(quán)/受理發(fā)明專利10余項，主編省重點規(guī)劃教材1部，出版英文學(xué)術(shù)專著1部。



論文引用



Yongzhe Li, Lingyi Meng, Minglang Li, Yijun Zhou, Xiaochao Liu, Xinlei Li &Guangjun Zhang (2024) Allocation and scheduling of deposition paths in a layer for multi-robot coordinated wire and arc additive manufacturing of large-scale parts, Virtual and Physical Prototyping, 19:1, DOI: 10.1080/17452759.2023.2300680