橡树岭国家实验室：协同多机器人系统的增材制造及其过程控制

来源：WAAM电弧增材

传统的机器人电弧增材制造技术能够使用低成本的焊丝原料和机器人焊接系统快速生产中等尺寸的部件。迄今为止，主要集中在单个机器人解决方案上。针对这一问题，美国橡树岭国家实验室团队在Additive Manufacturing Letters发表了论文Strategies for a scalable multi-robot large scale wire arc additive manufacturing system，指出通过协调多个机器人和多自由度定位器，可以进行新的配置，使多个机器人沉积头可以在一个平台上协同工作。

该论文讨论了在金属电弧增材制造（WAAM）中使用多个机器人以提高沉积速率和生产效率，设计了一个多机器人智能沉积系统，旨在解决传统单机器人大规模增材制造系统的生产力和可靠性限制。通过开发一个可扩展的实时打印路径分配策略，将工具路径数据库加载到珠子逻辑模块中，并使用珠子评分系统分配原子沉积任务，使多个机器人能够在旋转平台上协同制造单个零部件，并强调了这种方法的优势，包括增加的沉积速率和生产效率，还讨论了实施多机器人系统的挑战和考虑因素，如任务划分、调度、碰撞避免和运动控制。

这些概念已在橡树岭国家实验室制造示范设施的三机器人系统MedUSA上进行了演示，成功地展示了三个机器人臂和一个自由度工件定位器的异步协调运动。通过模拟和实验分析了多机器人系统在大规模增材制造中的应用，数据表面，第一次模拟中，与单个机器人相比，多机器人配置的打印正常时间增加了6％，生产时间减少了58％。第二次模拟中，通过交替使用机器人，生产时间和正常运行时间分别提高了19％和17％。此外，通过对制造组件进行3D扫描，证明了制造的组件与CAD模型之间的平均误差为0.46毫米，标准偏差为1.38毫米。

图1. MedUSA - 多机器人协调运动沉积系统。

图2.显示了MedUSA系统的工作空间，其中彩色形状代表机器人的工作空间，边界框代表围栏单元。

        图3. 系统架构和进程间通信。

图4. 在珠子逻辑模块中实现的离线工具路径生成和实时分配算法。

图5. 离线生成的工具路径的单层，显示了全局（绿色）和局部（红色）珠子几何形状。

   图6. 在打印路径的不同点上进行的闭环TAST控制Z高度调整。

图7. 自适应高度控制速度调整以保持所需的构建高度。

  图8. 第一次构建。

关键结论
在这项研究中，设计的多机器人智能沉积系统通过动态分配打印路径和异步协调运动，克服了传统单机器人增材制造系统的生产力和可靠性限制，围绕大规模金属增材制造的技术难题，提出了一种基于多机器人的解决方案。模拟和实验结果表明，多机器人配置可以显著提高生产效率和正常运行时间。这项研究为大规模增材制造技术的进一步发展提供了重要的参考和指导。该论文通过对几个示范构建的单机器人和多机器人配置进行比较，得出结论。主要结论如下：

（1）传统的机器人电弧增材制造技术专注于单机器人解决方案。该论文通过对几个示范构建的单机器人和多机器人配置进行了比较，此系统能够在单个平台上实现多个机器人的协同工作，多机器人协作可以提高沉积速率和生产效率。例如：在动态任务分配上，研究开发了一种实时打印路径分配策略，通过一个珠子逻辑模块加载工具路径数据库，并利用珠子评分系统分配原子沉积任务。如果一个机器人暂时停止服务，珠子逻辑就会重新分配指定的打印路径到剩余的机器人，实现不间断的沉积和生产力的提升。

（2）实施多机器人系统面临的挑战包括任务划分、调度、碰撞避免和运动控制。MedUSA系统是一个用于大规模金属增材制造的三机器人系统的示范。而系统架构包括多个机器人、定位器、焊接设备和控制软件。

（3）打印工作流程涉及CAD模型导出、路径生成和对机器人的实时控制，通过弧缝跟踪和自适应高度控制模块能够调整处理中的干扰。

（4）对于异步协调运动，论文成功展示了三个机器人手臂和一个自由度工件定位器的异步协调运动。通过利用外部引导运动（EGM）提供的接口，实现了实时目标的运动控制，以实现异步协调运动。

论文引用
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