[发明专利]一种机器人GMA-AM过程电弧填丝3D打印控制系统及控制方法

说明书

本发明属于金属增材制造领域，具体是一种机器人GMA‑AM过程电弧填丝3D打印控制系统，包括：模型预处理模块，切片模块，路径规划模块，焊接控制模块。模型预处理模块包括：数据提取筛选模块，拓扑关系构建模块。焊接控制模块包括：运动指令生成模块，实时数据传输模块。解决了现有的增材制造系统存在适用的三维模型体积小，不能用于不方便减材的大型金属构件的生产；各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同；内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点；增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法的技术问题。

技术领域

本发明属于金属增材制造领域，具体是一种机器人GMA-AM过程电弧填丝 3D打印控制系统及控制方法。

背景技术

机器人电弧填丝3D打印因其成形效率高、成本低、力学性能好、制造周期短、系统开放不受零件结构尺寸和材料限制等优点，在金属3D打印领域具有广阔的应用前景。金属的高性能3D打印技术被业内普遍看作是最具难度和前景的前沿发展方向，也是最直接的可服务于装备制造业的成形技术。其中熔化极气体保护电弧增材制造(Gas Metal Arc-Additive Manufacturing， GMA-AM)因其成形效率高、成本低、力学性能好、制造周期短、系统开放不受零件结构尺寸和材料限制等优点，尤其是具有其它增材制造技术不可比拟的效率与成本优势，几乎可以用于所有金属的快速制造和自由制造，在金属3D 打印领域具有广阔的应用前景。在机器人电弧填丝3D打印中，其打印路径规划及打印过程中的机器人控制方法是关键。

目前，已开源的经典增材制造软件如slic3r、cura等，均为用于高分子材料增材制造的软件，适用的三维模型体积小，轮廓细节的尺寸相对总体积来说更小且复杂。而焊缝作为电弧增材的基本单位，其本身的尺寸(熔宽和熔高)与高分子增材的粉末原料完全不在一个量级上，无法达到高分子材料所能达到的精细度，按照原有的处理模式无法进行电弧增材制造。电弧增材使用的领域多为航空航天业，用于不方便减材的大型金属构件的生产，使用场景也与高分子材料增材制造完全不同。此外，各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同，例如FANUC机器人不使用通用的GCODE作为运动指令。并且增材对于焊接机器人来说属于非常复杂的多层多道焊，所走过的路径点远远多于普通的焊接作业，内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点。

根据文献检索，国内已申请的电弧增材方面的专利大多数与工艺相关，如利用激光、铣削等各种工艺流程优化电弧增材过程与结果。在电弧增材系统的解决方案与路径规划算法方面申请号为CN201710565906.1的“一种金属零件的增材制造方法”的专利，其增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法。

综上所述，现有的电弧增材制造存在适用的三维模型体积小，不能用于不方便减材的巨大工件的生产；各家焊接机器人的运动指令体系、格式有所不同；内置的PR寄存器远不足以储存全部路径点；增材系统仅完成简单的层层堆叠，并未针对模型的几何特征设计更适合的路径填充规划方法的缺点。

发明内容

鉴于以上问题，本发明侧重以下三点：1、构建为电弧增材定制的增材制造系统，在处理模型数据的过程中以焊缝为基本单位进行考量；2、设计优化适用于电弧增材的切片算法和多种路径规划方法；3、在FANUC机器人平台上定制信息传输方式与控制方式，实现非GCODE运动控制。

本发明针对现有通用增材制造系统的不足，基于机器人GMA-AM过程提出了一种机器人电弧填丝3D打印控制系统的实现方法，重点是其中的路径规划方法，并在FANUC焊接机器人上实现了这一方法。主要包括：三维模型预处理、三维模型切片算法、骨骼偏置路径规划算法、之字形填充路径规划算法、机器人运动指令文件格式适配及机器人实时控制等。具有适用巨大工件的生产，实现非GCODE运动控制，可根据焊接进度实时传输路径点坐标，设计了优化适用于电弧增材路径规划的方法的优点。

本发明是通过以下方法来实现的：