大型零件多机器人协同电弧增材制造层内沉积路径的分配与调度

时间:2024-01-18 09:20 来源:WAAM电弧增材作者:admin 点击:次

增材制造（AM）目前应用广泛，其中大型金属零件的增材制造已被确定为一个有前景的研究方向。电弧增材制造（WAAM）由于具有成本低和效率高的优点，更适合用于制造具有大尺寸几何形状和结构较为复杂的零件。此外，WAAM可以很容易地集成到工业机器人中，这有利于提高制造的自由度，并减小了制造零件的尺寸限制。

       然而，通过单个增材制造系统，制造米尺度下的零件仍然需要数周甚至更长时间。长期沉积工艺需要高水平的系统稳定性，以确保生产零件无缺陷。为了提高制造效率，多机器人协作WAAM（MRC-）已经被推广，这需要多个机器人AM系统协同工作。
      在此基础上，东南大学李永哲副教授及其团队在知名期刊 Virtual and Physical Prototyping（IF=10.6）上发表题目为 “Allocation and scheduling of deposition paths in a layer for multi-robot coordinated wire and arc additive manufacturing of large-scale parts”的研究论文。基本步骤是在执行实际沉积工艺之前，为每层分配和调度机器人沉积路径。为机器人分配沉积路径并且在考虑最短总工作时间、工作量和安全的情况下调度沉积过程。其难点来自算法的高时间复杂度。在这些难点的驱动下，此研究提到的方法旨在开发一种算法解决方案，以促进MRC-WAAM过程规划。

研究目的
本研究旨在解决多机器人协同电弧增材制造（MRC-WAAM）系统中的关键问题：如何有效地分配和调度每层的沉积路径。这一挑战源于优化机器人工作时间、任务量和沉积顺序时面临的高时间复杂性。研究团队创新开发了一种的“top k%”方法，通过迭代方式将k%长度的路径从任务库分配给当前工作任务量最少的机器人，直到所有路径被分配完毕。这一方法能够使各机器人的任务量均等，同时提高分配结果中路径的相邻性，从而提高MRC-WAAM的成形质量。

研究方法
本研究提出的“top k%”方法在数学上通过一个执行成本矩阵来定义。该方法通过计算工作时间和路径距离来分配任务，并以最小化所有机器人的总工作时间为目标。研究中还考虑了路径的邻接性和机器人间的安全距离，以确保沉积过程中不会发生机器人之间的碰撞。

  为了验证算法的有效性，研究团队构建了一个包含三个YASKAWA AR1730工业6轴机器人和MEGMEET Artsen Plus 500Q焊接电源的测试平台。使用了特定的材料和参数，通过MATLAB R2021b实现了分配和调度算法。实验分为两个阶段：一是在四个不同长度和路径数量的大型零件模型上验证算法的可行性，二是选取一个模型进行实际的沉积验证。结果表明，该方法在减少转折点次数和起弧点方面优于现有解决方案，验证了其在实际应用中的有效性。

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