一种实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统及应用技术方案

本发明专利技术属于增材制造相关技术领域，其公开了一种实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统及应用，系统包括：工业机器人，工业机器人包括机械臂、变位机、成形基板以及熔融沉积头，熔融沉积头设于机械臂的端部；变位机设于成形基板的下部，用于调整成形基板的位姿；沉积头控制系统，用于控制和监测熔融沉积头的作动；工业机器人控制系统，用于控制和监测机械臂和变位机的作动；上位机控制系统与沉积头控制系统和工业机器人控制系统通信连接，沉积头控制系统和工业机器人控制系统通信连接。本申请实现了沉积头与机器人的同步控制，解决了打印速度与挤料速度的耦合和匹配问题。印速度与挤料速度的耦合和匹配问题。印速度与挤料速度的耦合和匹配问题。

【技术实现步骤摘要】
一种实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统及应用


[0001]本专利技术属于增材制造技术相关
，更具体地，涉及一种实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统及应用。

技术介绍

[0002]增材制造是一种数字化成形技术，通过熔融材料的分层堆积，快速成形得到实体零件，增材制造技术具有材料利用率高、可成形复杂结构、自动化程度高一级成形效率高的特点，在快速制模、医学、生物工程、教育、建筑、工业设计等众多领域都有广泛的应用，常见的聚合物增材制造技术包括光敏树脂立体光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)以及熔融沉积或熔丝制造(FDM/FFF)。
[0003]熔融沉积(FDM)成形耗材是如丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)等聚合物丝材，FDM成形技术的完整过程为：(1)首先建立目标零件的三维模型；(2)然后对零件三维模型进行离散化，即分层切片及路径规划，获得零件成形的程序代码G
‑
code；(3)将程序写入FDM打印设备，设备读取程序，将聚合物丝材送至挤出喷头，喷头加热熔融丝材聚合物；(4)喷头按一定速度挤出熔融聚合物，同时运动机构驱动喷头按照规划好的路径运动；(5)熔融聚合物快速固化，逐层沉积打印得到最终实体。
[0004]目前，FDM成形设备有多样形式，均是运动机构上集成沉积头模块的方式，主要有三轴式、Delta并联机构式、串联拟人臂多轴机器人式等，三轴式和Delta并联机构式成形设备目前相对已经很成熟，串联式拟人臂多轴机器人成形设备目前研究和应用较少，目前仍存在如下不足与问题：(1)串联式多轴机器人的运动和控制方式与机械数控不同，传统的路径程序G代码不再适用机器人控制系统，目前大部分主流机器人控制系统都有各自的编程语言，G代码路径程序不再适用，对路径的分层规划的提出了新的要求，路径规划的程序必须适应机器人系统并且能够方便传输至机器人；(2)成形过程中打印速度与挤料速度需要进行耦合与匹配，必须建立合理的数值匹配关系，机器人系统是对外封装的，内部系统不可更改、扩展，只提供对外接口进行通信，FDM打印头模块单独集成在机器人机构末端，打印头控制系统与机器人控制系统相互独立，打印速度与挤料速度之间没有关联，如果进行独立的控制，易出现程序的不同步以及行程冲突的问题，控制难度大，并且严重影响成形质量；(3)两个相对独立的系统进行同时的控制，同步挤料控制是一个十分关键的问题，也就是机器人运动与挤料速度不匹配，挤料量不精确，从而影响精度，并且误差会随着时间累积，这将严重影响到整个零件的成形质量与精度。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统及应用，实现沉积头与机器人的同步控制，解决了打印速度与挤料速度的耦合和匹配问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种实时同步沉积的工业机器
人熔融沉积制造系统，所述系统包括：工业机器人，所述工业机器人包括机械臂、变位机、成形基板以及熔融沉积头，其中，所述熔融沉积头设于所述机械臂的端部；所述变位机设于所述成形基板的下部，用于调整所述成形基板的位姿；所述成形基板用于承载所述熔融沉积头的沉积浆料；沉积头控制系统，用于控制和监测熔融沉积头的作动；工业机器人控制系统，用于控制和监测所述机械臂和变位机的作动；上位机控制系统与所述沉积头控制系统和工业机器人控制系统通信连接，所述沉积头控制系统和工业机器人控制系统通信连接。
[0007]优选地，所述沉积头控制系统控制熔融沉积头的控制模型为：
[0008][0009]0.25d≤h≤d
[0010](d+h)≤w≤(d
w
+h)
[0011]其中，v
m
为熔融沉积头的送料电机的转速，w为沉积宽度，h为沉积层高，v2为机器人末端带动熔融沉积头运动的速度，D为被熔融沉积头中送入丝材的直径，d为熔融沉积头的喷嘴内径，d
w
为熔融沉积头的喷嘴外径，ratio为挤出倍率因子。
[0012]优选地，所述沉积头控制系统还包括反馈模块，所述反馈模块用于修正所述机器人末端带动熔融沉积头运动的速度，所述反馈模块为：
[0013][0014][0015]其中，为下一时刻机器人末端带动熔融沉积头运动修正后的速度；为下一时刻机器人末端带动熔融沉积头运动的实际速度；f
T
为上一时刻送丝电机控制脉冲频率；θ为每个脉冲下送丝电机轴转动的角度；k为修正因子，k＝0～1；ΔT为沉积头控制系统和工业机器人控制系统之间传输数据的周期；p为预设修正开启门限。
[0016]优选地，所述系统还包括以太网交换机，所述上位机控制系统通过所述以太网交换机与所述沉积头控制系统和工业机器人控制系统连接；所述沉积头控制系统和工业机器人控制系统之间通过I/O接口连接。
[0017]优选地，所述工业机器人控制系统还包括模拟量输出模块，所述模拟量输出模块用于将机械臂的速度映射为电压；所述沉积头控制系统还包括模拟量输入模块，所述模拟量输入模块用于将所述电压映射为速度。
[0018]优选地，所述上位控制系统包括服务器和显示器，所述上位控制系统用于对成形过程进行监测和控制。
[0019]优选地，所述熔融沉积头包括沉积头信号集成接口固定板、送丝电机单元，散热风扇、加热块、喷头以及用于与机械臂末端连接的法兰。
[0020]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统的应用，包括如下步骤：S1：采用所述上位机控制系统生成待制造零件的三维模型，并
规划成形路径和生成工序；S2：所述工业机器人控制系统接收所述成形路径和工序，并对应触发所述沉积头控制系统进行预热，待所述沉积头控制系统预热完成即向所述工业机器人控制系统发送执行信号，以使所述机械臂开始作动，逐层沉积，直至生成零件。
[0021]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统及应用具有如下有益效果：
[0022]1.上位机控制系统与工业机器人控制系统和沉积头控制系统连接通信，实现沉积头与机器人的同步控制，解决了打印速度与挤料速度的耦合和匹配问题。
[0023]2.通过建立机器人速度匹配挤料量模型，通过沉积头控制系统实时检测机器人运动速度，同时采用模拟量输出模块，将机械臂速度范围线形映射为连续的模拟量电压输出，快速跟随和响应机械臂速度，快速计算挤料速度，精准匹配控制挤料量，提高成形精度，实现工业机器人熔融沉积成形过程的高稳定性、快速响应性和零件的高精度和高质量。
[0024]3.上位机控制系统生成的规划路径和控制工序通过以太网直接与机器人系统实时传输，由离线的代码模式转变为实时的数据传输，解决路径规划、G代码程序不兼容不适用、数据如何有效传输的问题。
[0025]4.工业机器人控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实时同步沉积的工业机器人熔融沉积制造系统，其特征在于，所述系统包括：工业机器人(1)，所述工业机器人(1)包括机械臂(1
‑
1)、变位机(1
‑
3)、成形基板(1
‑
2)以及熔融沉积头(6)，其中，所述熔融沉积头(6)设于所述机械臂(1
‑
1)的端部；所述变位机(1
‑
3)设于所述成形基板(1
‑
2)的下部，用于调整所述成形基板(1
‑
2)的位姿；所述成形基板(1
‑
2)用于承载所述熔融沉积头(6)的沉积浆料；沉积头控制系统(5)，用于控制和监测熔融沉积头(6)的作动；工业机器人控制系统(4)，用于控制和监测所述机械臂(1
‑
1)和变位机(1
‑
3)的作动；上位机控制系统(2)与所述沉积头控制系统(5)和工业机器人控制系统(4)通信连接，所述沉积头控制系统(5)和工业机器人控制系统(4)通信连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沉积头控制系统(5)控制熔融沉积头(6)的控制模型为：0.25d≤h≤d(d+h)≤w≤(d
w
+h)其中，Vm为熔融沉积头(6)的送料电机的转速，w为沉积宽度，h为沉积层高，v2为机器人末端带动熔融沉积头(6)运动的速度，D为被熔融沉积头(6)中送入丝材的直径，d为熔融沉积头(6)的喷嘴内径，d
w
为熔融沉积头(6)的喷嘴外径，ratio为挤出倍率因子。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述沉积头控制系统(5)还包括反馈模块，所述反馈模块用于修正所述机器人末端带动熔融沉积头(6)运动的速度，所述反馈模块为：所述反馈模块用于修正所述机器人末端带动熔融沉积头(6)运动的速度，所述反馈模块为：其中，v
’
2(T+ΔT)
为下一时刻机器人末端带动熔融沉积头(6)运动修正后的速度；为下一时刻机器...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志高，周华民，杨飞，蒋威，周何乐子，张云，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：