CN106163771B - 用于机器人3d打印的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种机器人3D打印系统，具有保持平台的六自由度(DOF)机器人，在该平台上3D部件被构建。该系统使用6DOF机器人的灵巧度来相对于3D打印头移动及旋转平台，该3D打印头将材料沉积在平台上。该系统允许利用简单的打印头直接构建3D部件并且沿着重力方向沉积材料。3D打印头可以相对于机器人基底被固定，或者以2DOF或3DOF在X‑Y平面中移动，或者由另外的机器人或多个机器人保持。该机器人移动可以被校准以改进用于高精度3D部件打印的准确度和效率。

Description

用于机器人3D打印的方法及系统
技术领域
本发明涉及使用机器人来执行3D打印。
背景技术
现在，机器人被用来执行3D打印。
发明内容
一种用于在平台上打印3D部件的系统，具有：
第一机器人，用于保持及移动平台；以及
至少一个第二机器人，3D打印头被附接到至少一个第二机器人，该3D打印头由第二机器人定位及可移动以在第一机器人相对于打印头移动平台时在平台上打印3D部件。
一种用于在平台上打印3D部件的系统，具有：
第一机器人，用于保持及移动平台；
至少一个第二机器人，3D打印头被附接到至少一个第二机器人，该3D打印头由第二机器人定位及可移动以在第一机器人相对于打印头移动平台时在平台上打印3D部件；以及
计算设备，被连接到第一机器人和至少一个第二机器人以用于控制在平台上的3D部件的打印，该计算设备在其中具有待被打印的3D部件的3D CAD模型，该计算设备具有在其中被配置为分析待被打印的3D部件的3D CAD模型的计算机程序代码以计划用于使用第一机器人和至少一个第二机器人来打印3D部件的过程。
附图说明
图1示出了用于机器人3D打印系统的第一实施例。
图2示出了用于机器人3D打印系统的第二实施例。
图3示出了用于机器人3D打印系统的第三实施例。
图4示出了用于机器人3D打印系统的第四实施例。
图5示出了用来打印在图1至图4中所示的实施例中的3D部件的过程的流程图，其中另一机器人保持固定的打印头。
图6示出了用来在机器人3D打印系统中打印3D部件的过程的流程图，其中具有两个或三个自由度(DOF)的运动系统，打印头可以在X-Y平面中移动。
图7示出了基于平台以及平台相对于正在保持该平台的机器人的位置和定向而检查机器人移动的流程的流程图。
图8示出了针对高精度3D部件打印使用视觉系统的平台移动校准的流程的流程图。
图9示出了用来在3D部件正在被构建时改进机器人运动(速度等)的过程的流程图。
图10在框图形式示出了已经在其中嵌入用来移动在部件的3D打印中使用的机器人的功能性。
具体实施方式
现在参照图1，其示出了本系统的第一实施例10。该实施例具有两个机器人12和14以在3D打印平台16上准确地沉积3D的材料。机器人12保持平台16，在该平台16上3D打印的部件15被构建，并且机器人12相对于由机器人14保持的3D打印头18移动平台16。3D打印头18在平台16上沉积材料以构建打印的部件15。
机器人12可以在机器人14的工作空间内定位平台16。在3D打印过程中，机器人12和机器人14由机器人控制器控制，该机器人控制器诸如为在图10的系统100中以框图形式所示的控制器104，其已在其中嵌入用来移动机器人12和14的功能。机器人由框102表示。控制器104例如可以是来自ABB可用的IRC5控制器并且机器人移动功能可以是ABB的MultiMove功能。
两个机器人12和14可以执行协调同步移动。在这些移动中，机器人12移动平台16并且机器人14移动3D打印头18以在平台16上沉积材料以构建部件15。
该两个机器人12和14还可以执行独立移动。在这些移动中，机器人12在具有特定位置和定向的地点定位平台16。当机器人12不在移动时，机器人14开始移动3D打印头18并且在平台16上沉积材料以构建部件15。
该两个机器人12和14还可以执行半协调移动，其在如上所述的协调同步移动与独立移动之间切换。
在3D打印系统10中的两个机器人配置具有相对于传统3D打印系统的优点。由于在3D打印头18与平台16之间更大范围的相对位置，系统10可以打印更大的部件；由于在打印头18与平台16之间的相对移动的灵巧度，可以打印更复杂的部件；并且通过摆脱支撑材料可以打印更柔性的3D部件打印配置，因为在独立移动模式中机器人12可以将平台/3D打印头定位在固定位置并且机器人14可以移动3D打印头/平台以产生相对移动以用于在平台16上沉积材料从而创建部件15。
在独立移动模式中机器人12相对于机器人14的固定位置是由诸如在图10中以框图形式所示的2D或3D视觉系统108之类的传感器系统准确地预校准或定位的。图10还示出了在视觉系统108与控制器104之间的计算设备106。虽然控制器104也是计算设备，其可能不能够处理来自视觉系统108的图像并且这也是为什么系统100可能需要如图10中所示的单独的计算设备106。计算设备106还可以被需要以将待被印刷的部件的CAD模型切片(slice)并且生成为3D打印路径，如以下参照图5描述的。因而，移动机器人14利用工业机器人能力的可重复性来在小空间中准确地沉积材料。
3D打印系统的第二实施例可以具有两个或更多机器人，每个机器人保持两个或更多3D打印头中关联的一个3D打印头，并且还具有保持3D打印平台的单个机器人。第二实施例的一个示例在图2中示出，其中系统20具有两个机器人24a和24b，每个机器人保持3D打印工具头28a和28b中关联的一个3D打印工具头，并且还具有单个6DOF机器人22，其保持在其上构建3D部件25的3D打印平台26。
在机器人3D打印系统20中的机器人配置具有相对于传统3D打印系统的优点。系统20可以打印更大的部件；并且比传统的系统更快且更有效率地打印部件。在图2中的两个打印头28a和28b可以在部件25的不同区域上工作，或在部件25的不同分辨率区域上工作，或两个头之一首先打印粗糙的部件并且两个头中的另一个在该粗糙的部件上打印精细特征等。
现在参照图3，示出了用于本3D打印系统的另一实施例30。在该实施例中(如在图2中所示的实施例20中)单个6DOF机器人32保持3D打印平台36，并且两个机器人34a和34b中的每个均保持两个3D打印头38a和38b中关联的一个3D打印头。正如图2中所示的实施例20，在图3中仅示出两个打印机器人34a和34b。实施例30还具有一个或多个其他机器人(为了便于说明，在图3中仅示出一个这样的机器人33)，其保持关联的预加工部件37以用于插入(组装)到3D打印的部件35中。例如，部件37可以是电气元件，诸如当部件35是3D打印的电路板时待被插入3D打印的部件35中的二极管或电阻器，或者其可以是制作的部件，诸如待被插入在平台36上粗糙打印的3D打印的部件35中的轴承或精确3D打印的部件。
应当领会的是，诸如保持用于插入到3D打印的部件35中的预加工的部件的机器人33之类的机器人还可以使用在图1中所示的实施例10中。
在机器人3D打印系统30中的机器人配置具有相对于传统3D打印系统的优点。在系统30中，3D打印的部件35和组装部件37在一个过程中形成最终组装的部件；并且更加复杂的3D部件35以更少时间被打印，因为预加工的部件有助于形成最终部件并且因而节省打印时间。
现在参照图4，示出了用于本3D打印系统的另一实施例40。在该实施例中(如在图2和图3中所示的实施例中)单个6DOF机器人42保持在其上构建3D部件45的3D打印平台46，并且两个机器人44a和34b中的每个机器人均保持两个3D打印头48a和48b中关联的一个3D打印头。为了便于说明，在图4中仅示出两个打印机器人44a和44b。该实施例还具有一个或多个其他机器人(为了易于说明，在图4中仅示出一个这样的机器人49)以保持用来在3D打印的部件45上执行工作的诸如涂枪(painting gun)、焊枪(welding gun)之类的工具。机器人49可以将其保持的工具变更为不同的工具。
应当领会的是，诸如保持用来在3D打印的部件45上执行工作的工具47的机器人49之类的机器人还可以使用在图1中所示的实施例10中。
在机器人3D打印系统40中的机器人配置具有相对于传统3D打印系统的优点。在系统40中，3D部件45等的打印、涂绘、清洁等全部发生在一个过程中。
在另一配置(未示出)中，3D打印头可以利用2DOF或3DOF运动系统在X-Y平面中移动。保持3D打印平台的机器人可以随后相对于3D打印头而定位平台。3DOF运动系统可以被用在分别由图1至图4中所示的实施例10、20、30和40中，但仅针对保持打印头的机器人。
而且，平台可以由多个机器人保持以用于处理重型部件。
此外，多个平台可以由多个机器人保持。3D打印头可以同时在每个平台上沉积材料，并且随后在多个平台上组合材料以一起形成最终的部件。如可以领会的是，使用多个机器人增大了机器3D打印的效率。
现在参照图5，其示出了过程50的流程图，该过程50用来在由以上所述的机器人3D打印系统10、20、30和40中的机器人保持的平台上打印3D部件，其中另外的机器人保持打印头。在步骤51中，将待被打印的3D部件的CAD模型导入机器人控制器104或计算设备106。
在步骤52中，分析待被打印的3D部件的CAD模型并且计划用来打印该3D部件的机器人过程。在步骤53中，基于由在步骤52中执行的分析和创建的计划的结果，选择待在其上构建3D部件的平台的形状、大小等以及要保持该平台的机器人被或将被如何定向及定位。如可以领会的，步骤52和53可以在控制器104中或计算设备106中运行。
在步骤54中，基于所选平台而计划保持所选平台的机器人的移动，即要由机器人跟随的路径、机器人速度、平台的定向等，并且创建用于给机器人完成3D打印的程序。在步骤55中，相对于在3D部件的打印期间要在平台上沉积的材料的数量，计划机器人保持的3D打印头的诸如速度和开/关序列的移动。如可以领会的，步骤54和55可以在控制器104中或计算设备106中运行。
在步骤56中，要保持所选平台的机器人拾起该平台。在步骤57中，将保持平台的机器人的移动和3D打印头的动作同步，并且在它们被同步之后打印3D部件。在步骤58中，在完成3D部件的打印处，正在保持在其上具有打印的部件的平台的机器人将在其上具有该部件的平台放置在预定位置处。
现在参照图6，其示出了用来在机器人3D打印系统中打印3D部件的过程60的流程图，其中具有两个或三个自由度(DOF)的打印头可以在X-Y平面中移动。这允许正在保持平台的机器人相对于打印头定位平台。
过程60具有八个步骤61至68，其与在图5中所示的流程50中的步骤51至58相同，除了两处例外。这些例外是步骤65和67。在使用流程60的3D打印系统中，存在2DOF打印头，而在使用流程50的系统中，头由机器人14所保持。因此，在流程60中的材料沉积步骤65与在流程50中的材料沉积步骤55不同，并且同步及打印步骤67与步骤57不同，因为在步骤65和67中打印头可以具有两个或三个自由度而在X-Y平面中移动。
现在参照图7，其示出了基于平台以及所选平台相对于正在保持该平台的机器人的位置和定向而检查机器人移动的四步骤流程70的流程图。在流程70中的步骤72和74每个均与在流程50中的步骤53和54以及在流程60中的步骤63和64相同，因而并不必被进一步描述。
在确定76中，流程70确定正在保持所选平台的机器人是否可以到达计划的路径并且是否不存在置于该机器人路径上的奇点。流程70回到步骤72以选择另一平台，如果在确定76中的答案对于两个确定中的一者或两者为否。如果该答案对于两个确定均为是，那么流程继续到其中生成机器人程序的步骤78。
应当注意的是因为步骤72和74与流程50中的步骤53和54以及流程60中的步骤63和64相同，步骤76和78可以在步骤54被执行之后的流程50中以及在步骤64被执行的流程60中被使用。
现在参照图8，其示出了针对高精度3D部件打印使用来自诸如图10中所示的系统108之类的视觉系统的图像的平台移动校准的流程80的流程图。保持所选平台的机器人的移动的准确度可以通过使用视觉系统108而被改进。
流程80由步骤82开始，在其中机器人将所选平台保持在3D打印头之下以用于生成的机器人程序的演习。因而，因为流程80的平台移动校准在平台被选择并且机器人程序被生成之后才开始，流程80可以在这些事件已经发生之后在流程50、60或70中被使用。
在步骤84中，视觉系统108使用其中标记物在所选平台上的2D相机系统或使用3D传感器点云以向计算设备106提供所选平台的位置和定向的图像。计算设备106使用来自视觉系统108的图像以确定所选平台的位置和定向。
该流程继续到确定86，其中在所选平台的演习中的检测到的移动与该平台的计划的移动进行比较以检查实际移动是否在计划的移动的容差内。这是准确度检查。如果答案为否，那么该流程继续到步骤87，其中机器人路径基于在计划的移动与检测到的移动之间的差异而被调节以将移动带到容差内。如果对确定86的答案为是，那么在步骤88处，新的移动平台程序被生成并且平台移动校准过程被结束。在流程50和60中的相应的步骤57和67可以使用新的移动程序以具有更准确的所选平台，因而打印高精度的3D部件。
参照图9，其示出了用来在部件正在被构建时改进机器人运动(速度等)的过程90的流程图。正如流程80，流程90可以在平台移动被生成之后被使用以改进所选平台的移动的准确度。
在步骤92处，存在沉积在所选平台上的材料的估计，诸如重量、重心、矩轴。存在用来估计被沉积在该平台上的材料的重量的各种方法。一种方法是基于CAD模型和与该CAD模型关联的材料信息以计算被沉积在该平台上的材料的重量。另一方法是使用控制从3D打印头到平台的材料沉积速率的信号以估计多少材料被沉积在该平台上。又一方法是使用来自保持平台的机器人上的力传感器的信号，从而估计沉积的材料重量、重心等。
该流程继续到步骤94，其中在步骤92中的加载数据估计在机器人控制器104中被更新。估计计算可以在计算设备106中。然而，影响机器人实时移动准确度的加载数据(重量、重心、矩轴)的更新需要在机器人控制器104中被完成，因为机器人控制器104维持动态的机器人模型。该流程随后继续到步骤96，其中机器人的动态控制参数基于加载数据被调节以由此优化机器人运动。
保持3D打印头的机器人可以由程序(线下地生成、仿真及验证)控制并且也可以由操作员远程控制。由操作员的该远程控制被称为远程操作(teleoperation)。操作员可以操作3D机器人打印系统以本地及远程地修复3D部件而不使用CAD模型。在远端的该远程操作系统可以自动将由操作员命令的3D打印移动转换为在保持3D打印头的机器人与保持平台的机器人之间的相对移动。
要理解的是本发明的前述示例性实施例的描述仅旨在作为示意性的而不是穷举的。本领域技术人员将能够对所公开主题的实施例做出某些添加、删除和/或修改，而不脱离本发明的精神或其由所附权利要求书所限定的范围。

Claims (15)

1.一种用于在平台上打印3D部件的系统，包括：
第一机器人，用于保持及移动所述平台；
至少一个第二机器人，3D打印头被附接到所述至少一个第二机器人，所述3D打印头由所述至少一个第二机器人定位及可移动以在所述第一机器人相对于所述3D打印头移动所述平台时在所述平台上打印所述3D部件；以及
计算设备，被连接到所述第一机器人和所述至少一个第二机器人以用于控制在平台上的所述3D部件的打印，所述计算设备在其中具有计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置为分析待被打印的所述3D部件的3D CAD模型的计算机程序代码以计划用于使用所述第一机器人和所述至少一个第二机器人来打印所述3D部件的过程，所述计算机程序代码还被配置为：
选择所述平台以及所述第一机器人将如何保持所述平台；
计划所选择的平台(16、26、36、46)由所述第一机器人的移动，以及
使所述第一机器人在所述3D部件待被打印时拾起所选择的平台。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个第二机器人进一步包括位于与所述至少一个第二机器人相邻的至少一个或多个其他机器人，一个或多个3D打印头中的关联的一个3D打印头被附接到所述一个或多个其他机器人，所述关联的一个3D打印头由所述一个或多个其他机器人中的每一个其他机器人定位及可移动，以在所述第一机器人相对于所述至少一个第二机器人和被附接到所述一个或多个其他机器人的所述3D打印头中的所述关联的一个打印头移动所述平台时在所述平台上打印所述3D部件。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于与所述第一机器人相邻以用于在所述3D部件上的预定位置保持及插入一个或多个预加工部件中的关联的一个预加工部件的至少一个或多个其他机器人。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于与所述第一机器人相邻以用于保持用来在所述3D部件上执行工作的一个或多个工具中的关联的一个工具的至少一个或多个其他机器人。
5.一种用于在平台上打印3D部件的系统，包括：
第一机器人，用于保持及移动所述平台；
至少一个第二机器人，3D打印头被附接到所述至少一个第二机器人，所述3D打印头由所述至少一个第二机器人定位及可移动以在所述第一机器人相对于所述3D打印头移动所述平台时在所述平台上打印所述3D部件；以及
计算设备，被连接到所述第一机器人和所述至少一个第二机器人以用于控制在平台上的所述3D部件的打印，所述计算设备在其中具有待被打印的所述3D部件的3D CAD模型，所述计算设备在其中具有被配置为分析待被打印的所述3D部件的所述3D CAD模型的计算机程序代码以计划用于使用所述第一机器人和所述至少一个第二机器人来打印所述3D部件的过程，所述计算机程序代码还被配置为：
选择所述平台以及所述第一机器人将如何保持所述平台；
计划所选择的平台(16、26、36、46)由所述第一机器人的移动，以及
使所述第一机器人在所述3D部件待被打印时拾起所选择的平台。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述计算机程序代码还被配置为生成用于控制所述第一机器人和所述至少一个第二机器人以在所选择的平台上打印所述3D部件的计算机程序。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述计算机程序代码还被配置为在所述3D打印头被用来打印所述3D部件时计划所述3D打印头的操作。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述3D打印头的操作的所述计划用来在所述3D部件被打印时在所选择的平台上做出材料的固定沉积。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述3D打印头移动的操作的所述计划在所述部件被3D打印时针对在所选择的平台上的材料沉积具有两个或三个自由度。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述计算机程序代码还被配置为在所述3D部件正在被打印时将所述第一机器人的移动和所述3D打印头的动作同步。
11.根据权利要求10所述的系统，其中在所述3D部件正在被打印时所述3D打印头的所述移动具有两个或三个自由度并且所述计算机程序产品代码还被配置为将所述3D打印头移动的所述两个或三个自由度与所述第一机器人的所述移动和所述3D打印头的所述动作同步。
12.根据权利要求6所述的系统，其中所述计算机程序产品代码还被配置为确定所述第一机器人在保持所选择的平台时是否能够达到所选择的平台的所计划的移动。
13.根据权利要求7所述的系统，其中所述计算机程序产品代码还被配置为执行所选择的平台在所述3D打印头之下的演习。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括视觉系统以用于在所选择的平台的所述演习期间向所述计算设备提供图像，所述图像表示所选择的平台的位置和定向，所述计算设备使用所述图像来确定所选择的平台在所述演习期间的所述演习位置和定向是否在针对所选择的平台的所计划的移动的容差内。
15.根据权利要求7所述的系统，其中所述计算机程序产品代码还被配置为估计所述3D打印头在所述3D部件的所述打印期间在所选择的平台上已经沉积了多少材料。
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