CN108058175A - 用于制造的系统和方法、及其控制方法 - Google Patents

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利维·J·米切尔
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Abstract

披露了用于执行制造工艺的实施例。在一个实施例中，系统包括在制造工艺中用于工件上的工具。所述系统包括具有臂的机器人。所述臂具有附接点、并且被配置成用于使得所述工具在所述制造工艺过程中被附接至所述附接点上时以多个自由度移动。所述机器人的机器人控制器基于运动参数来控制所述臂的移动，以经由所述工具来执行所述制造工艺。所述系统包括电源，所述电源具有功率电子器件，以用于基于电输入参数来在所述制造工艺过程中产生被提供给所述工具的输出电力。所述电源的电源控制器被配置成用于与所述机器人控制器通信，从而允许路径规划器部件产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。

Description

用于制造的系统和方法、及其控制方法
优先权
本申请是要求于2016年11月7日提交的美国临时专利申请号62/418,732的优先权的美国非临时专利申请，该临时专利申请通过援引以其全部内容并入本文。
技术领域
符合本发明实施例的装置、系统、以及方法涉及制造(例如，焊接、增材、切割)、并且更具体地涉及用于对制造方案进行控制和代码导入的离线工具。
背景技术
使用机器人系统和半机器人系统来制造、焊接、以及切割工件是众所周知的，并且应用和使用在持续增长。这样的系统(例如，增材制造)的改进发生在硬件和软件两方面。典型地，在此类应用中，工件或零件的3D模型被导入软件应用中，所述软件应用将所述模型转换成机器可读代码(即，g代码)。接着机器人系统使用这种g代码来构建、切割、和/或焊接所述工件。然而，这种g代码是针对仅具有三(3)个自由度轴线的机器人和/或系统而设计的，并且此类系统对于使用多于三(3)个自由度轴线的更复杂的机器人、多达和超过六(6)个自由度轴线的系统的进展极少或没有进展。因此，在当前系统中对更多轴线的系统进行3D g代码模型转换是困难的。
通过将常规的、传统的和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。
发明内容
本发明的示例性实施例包括允许将3D计算机模型或零件以及工件用于具有四(4)个或更多个自由度的更多轴线的系统上的系统和方法。
在一个实施例中，所提供的系统包括被配置成在制造工艺中用于工件上的工具。所述制造工艺可以是例如焊接工艺、增材制造工艺、或等离子切割工艺。所述系统包括机器人，所述机器人具有带有附接点的臂。所述臂被配置成用于使得所述工具在所述制造工艺过程中被附接至所述附接点上时以多个自由度移动。所述机器人还包括机器人控制器，所述机器人控制器被配置成用于基于运动参数来控制所述臂的移动，以经由所述工具来执行所述制造工艺。所述系统包括具有功率电子器件的电源。所述功率电子器件被配置成用于基于电输入参数来产生输出电力，在所述制造工艺过程中，所述输出电力被提供给所述工具。所述电源还包括电源控制器，所述电源控制器被配置成用于从所述机器人控制器接收所述运动参数并且基于所述运动参数来调整所述电输入参数，以允许经由所述功率电子器件来产生经调整的输出电力。在一个实施例中，所述电源控制器被配置成用于至少所述电输入参数来调整所述运动参数从而产生经调整的运动参数、并且将所述经调整的运动参数提供给所述机器人控制器。在一个实施例中，所述电源控制器被配置成用于基于所述运动参数来调整送丝速率，以使在所述制造工艺过程中产生所述工具使用的可消耗型焊条的经调整的送丝速率。在一个实施例中，所述机器人控制器包括处理器和存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质。所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述处理器执行时致使所述机器人控制器产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。在另一个实施例中，所述电源控制器包括所述路径规划器部件。所述路径规划器部件包括够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据。所述路径规划器部件还包括碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突。使用者可以借助于所述碰撞避免评估器来修改所述机器人路径和/或所述制造工艺以避免所述机器人碰撞冲突。
在一个实施例中，所提供的系统包括被配置成在制造工艺中用于工件上的工具。所述制造工艺可以是例如焊接工艺、增材制造工艺、或等离子切割工艺。所述系统包括机器人，所述机器人具有带有附接点的臂。所述臂被配置成用于使得所述工具在所述制造工艺过程中被附接至所述附接点上时以多个自由度移动。所述机器人还包括机器人控制器，所述机器人控制器被配置成用于基于运动参数来控制所述臂的移动，以经由所述工具来执行所述制造工艺。所述系统包括具有功率电子器件的电源。所述功率电子器件被配置成用于基于电输入参数来产生输出电力，在所述制造工艺过程中，所述输出电力被提供给所述工具。所述电源还包括电源控制器，所述电源控制器被配置成用于从所述机器人控制器接收所述运动参数、并且基于所述电输入参数来调整所述运动参数从而产生经调整的运动参数、并且将所述经调整的运动参数提供给所述机器人控制器。在一个实施例中，所述电源控制器被配置成用于基于所述运动参数来调整所述电输入参数，以允许经由所述功率电子器件来产生经调整的输出电力。在一个实施例中，所述电源控制器被配置成用于基于所述运动参数来调整送丝速率，以使在所述制造工艺过程中产生所述工具使用的可消耗型焊条的经调整的送丝速率。在一个实施例中，所述机器人控制器包括处理器和存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质。所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述处理器执行时致使所述机器人控制器产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。在另一个实施例中，所述电源控制器包括所述路径规划器部件。所述路径规划器部件包括够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据。所述路径规划器部件还包括碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突。使用者可以借助于所述碰撞避免评估器来修改所述机器人路径和/或所述制造工艺以避免所述机器人碰撞冲突。
在一个实施例中，所提供的系统包括被配置成在制造工艺中用于工件上的工具。所述制造工艺可以是例如焊接工艺、增材制造工艺、或等离子切割工艺。所述系统包括机器人，所述机器人具有带有附接点的臂。所述臂被配置成用于使得所述工具在所述制造工艺过程中被附接至所述附接点上时以多个自由度移动。所述机器人还包括机器人控制器，所述机器人控制器被配置成用于基于运动参数来控制所述臂的移动，以经由所述工具来执行所述制造工艺。所述系统包括具有功率电子器件的电源。所述功率电子器件被配置成用于基于电输入参数来产生输出电力，在所述制造工艺过程中，所述输出电力被提供给所述工具。所述电源还包括电源控制器。所述电源控制器和所述机器人控制器被配置成在彼此之间传递信息。所述机器人控制器或所述电源控制器中的至少一者包括处理器和存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质。所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述处理器执行时致使所述机器人控制器或所述电源控制器中的至少一者产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。所述路径规划器部件包括够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据。所述路径规划器部件还包括碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突。使用者可以借助于所述碰撞避免评估器来修改所述机器人路径和/或所述制造工艺以避免所述机器人碰撞冲突。在所述机器人控制器与所述电源控制器之间所传递的所述信息可以包括，例如，机器人运动信息、物理焊接尺寸/特征、材料类型、工具角度/取向、工具速度误差、空隙条件、目标工具速度、运动/交织行进轨迹、以及直接电弧跟踪校正。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，上述和/或其他方面将会更加明显，在附图中：
图1是可以与本发明实施例一起使用的多自由度机器人系统的图解表示；
图2是本发明的示例性实施例的系统构造和工艺流程的图解表示；
图3是根据本发明实施例的一部分模型的视觉表示的图解表示；
图4是根据本发明实施例的一部分模型的另一视觉表示的图解表示；
图5是根据本发明实施例的一部分模型的另外的视觉表示的图解表示；
图6A和6B是本发明实施例的层构造的图解表示；
图7是根据本发明实施例的一部分模型的进一步视觉表示的图解表示；
图8是本发明的示例性实施例的另外的系统构造和工艺流程的图解表示；并且
图9是本发明系统的进一步示例性实施例的图解表示。
具体实施方式
现在将详细参照多个不同的和可替代的示例性实施例并参照附图，其中相似的数字代表基本上相同的结构元件。每个实例是通过说明的方式而不是作为限制来提供的。事实上，本领域技术人员将清楚的是可以作出修改和变体而不脱离本披露内容和权利要求的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分所图示说明或描述的特征可以被使用在另一个实施例上，以产生更进一步的实施例。因此，旨在的是本披露内容包括在所附权利要求及其等效物范围内的修改和变体。
本披露总体上涉及容易地允许容易地使用更多自由度的制造系统和机器人来制造复杂部件、并且允许更多自由度的系统将3D计算机模型有效转化成g代码的系统和方法。
现在转向图1，所述图中示出了示例性6自由度机器人系统100。此类系统是总体已知的，并且因此不必在此描述其详细操作和构造。另外，本发明的示例性实施例不受所使用的特定系统类型或构型的限制。系统100包括控制所述系统的总体操作的计算机控制器110。控制器110可以包括存储器、用户界面、显示器、CPU、以及控制所述系统100并且控制所述机器人臂组件的运动所需的其他部件。在一些系统中，使用液压单元120来控制用于驱动机器人臂组件130的液压压力。机器人臂组件130可以由多个不同的部件构成，所述机器人臂组件允许工具附接点137以6个自由度来移动。例如，组件130可以具有立柱131、用于使臂摆动的枢转部件132、肩台133、肘形件134、臂135、3轴工具接头136(其允许工具进行偏摆、俯仰、以及翻转)、以及工具附接点137，任何希望的工具都可以固定至所述工具附接点上。当然，图1所示的机器人组件130的实施例是示例性的，并且本发明的其他实施例可以使用任何不同的构型或构造，只要所述机器人系统使附接至工具附接点137上的工具的运动具有四个(4)个或更多个自由度即可。所述工具可以是等离子切割器、焊接装置、机加工工具、增材制造工具等。
应注意，虽然本发明的实施例在许多不同的制造工艺中具有其应用，但是出于效率的目的，以下讨论将集中在增材制造工艺上。如上文所指示的，增材制造仅是一个示例性实施例，并且因此本讨论不旨在进行限制。如上文所描述的，当使用例如图1所示的系统100时，使用3-D构造程序、例如CAD等来设计有待制造的部件的3-D模型。一旦完成这个过程，必须将所述3-D计算机模型转换成可用于使机器人系统制造所述部件/零件等的语言(例如，计算机代码)。当使用3轴线或更少轴线的系统时，这种转换是相对简单的，例如针对CNC机床的转化等。然而，当使用具有四(4)个至六(6)个自由度轴线的系统来构造/制造部件时，所述3-D计算机模型就不能被便利地转换或利用。利用多于六(6)轴线的系统存在甚至更大的挑战。因此，可能要进行大量的编码和工作来为这些更多自由度的系统产生机器可读代码(例如，g代码)。本发明的实施例解决这个问题是通过使用g代码模型来针对更多自由度轴线的机器和系统将3-D图像文件转化成机器可读g代码。这在以下进行更全面的描述。
现在转向图2，描绘了本发明的代表性示例性实施例的流程图。所描绘的流程200表示出了实施本发明的实施例、方法、和系统的示例性工艺流程、但不旨在进行限制。示例性过程从使用已知的3-D建模程序、例如CAD来创建3-D模型210开始。接着这个3-D模型可以被提供给增材制造(或所使用的任何工艺)切片软件工具，所述切片软件工具用于产生3轴线机器人系统的g代码。所述软件工具是普遍已知的并且在此不需要进行详细描述。然而，如之前所描述的，这些切片工具不能产生用于具有四个(4)或更多个自由度的系统的g代码。因此，在本发明的示例性实施例中，3轴线切片工具220的输出被提供给增材型g代码应用230，所述应用采用3轴线g代码并且将其转化成有待与含有三个(3)或更多个轴线的机器人系统一起使用的g代码。g代码应用230可以是任何已知的g代码应用。这个应用230可以在系统控制器110(参见图1)或任何PC、控制器、或能够执行本文所描述的功能和任务的其他计算装置上运行。在一些示例性实施例中，可以使用减材制造软件工具250来给g代码应用230提供输入。可以使用减材制造工具250来在制造部件之后提供机加工指令。通过使用所提供的信息，g代码应用230产生g代码并且将其输出，所述g代码被提供给所使用的机器人系统的控制程序201。在控制程序201内或与其联接的是从应用230接收g代码的工艺控制工具箱231。应注意，虽然使用了术语“g代码”，但本发明的实施例不局限于使用g代码，因为可以使用其他替代性代码语言而不背离本发明的精神或范围。
在工具箱231中，g代码被解释器232解释并被提供给打印可视化部件233，所述打印可视化部件允许有待制作的零件的原始3D图像经由用户屏幕(未示出)以2D形式被观看/建模。所述部件可以以多种不同方式被建模/示出。在图3至图5所示的示例性实施例中，有待制作的零件300被示为分层的格式，所述格式在视觉上包括多个层或独立模块。这些层或模块表示被用于制作零件300的机器人310的构造轮次或块。在一些示例性实施例中，这些层是跨有待制作的零件300的整个截面构造的，但是在其他实施例中，所述有待制作的零件的层或区段仅是所述有待制作的零件在基底上方任何给定高度处的截面的仅一部分。这在图6A中简单地描绘出。在示例性实施例中，模型300的构造可以是按照希望以任何数量和构型的子部件(例如，层)进行的。使用模型300的这种可视化，使用者可以经由层编辑器234来编辑制造工艺(例如，根据需要创建层/部件的顺序)。
如图3至图5所示，打印可视化部件233可以用多种格式来描绘2D模型，例如使用颜色差异来示出模型300的不同方面。例如，在示例性实施例中，可以用第一颜色300(例如，蓝色)来描绘部件/模型300，所述颜色示出了整个完整的部件300、或部件300的至少某些部件/部分。例如，可以将部件300描绘成线框模型。
层编辑器234可以从所述打印可视化部件接收信息，这可以允许使用者明确观看到和/或改变所述模型的构造顺序以适应加工需要。这将在以下进一步讨论。
工具箱231还具有机器人与外部轴线够伸配置器235，所述机器人与外部轴够伸配置器含有与有待用于制造有待构建的部件的机器人310的物理和运动属性以及限制因素有关的信息。此信息被工具箱231使用来确定机器人300是否可以构建所述部件/零件而不发生干涉或不超出其物理/移动能力。即，此信息与同有待构建的部件相关的信息相组合，以确定机器人300是否可以无工具/机器人干涉地制造所述零件。这种分析的输出被提供给打印模拟器236，所述打印模拟器使用与模型300相关的并且来自机器人与外部轴线够伸配置器235的信息来模拟零件/部件300的制造。在示例性实施例中，打印模拟器236可以在视觉上描绘出模型/部件300的构造-示出机器人310在其完成整个模型300时进行的移动。在其他实施例中，控制器110的用户界面(或其他用户界面)允许使用者选择模型300的特定部件或层来专注于这些层/区段的被建模的构造/创建。在选择了模型300的特定部分之后，打印模拟器236将对所选层/区段的构造进行建模/将其示出。在一些示例性实施例中，将描绘机器人310的实际移动，而在其他实施例中，未示出所述机器人和/或工具的移动。
在示例性实施例中，打印模拟器236可以使用不同的视觉指示器(例如，颜色)来基于模型300的可构建性描绘其不同区域。例如，如上文所解释的，用第一颜色来描绘模型300以示出有待制作的零件的总体构造。使用第二颜色(例如，绿色)来示出模型300(或其一部分)的、可以通过机器人系统来构造的部分。即，所述第二颜色(第二视觉指示器)(经由监测器或用户界面)向使用者示出可以毫无问题地制作所指示的部分。这在图3至图5的每个图中被描绘为“区域2”。另外，由于用第二视觉指示器示出了可以制作的区域，因此工具箱231也使用第三视觉指示器在视觉上描绘了模型300的不能制作的区域。例如，所述系统可以用第三颜色(例如，红色)描绘模型300的不能通过机器人系统来制作的区域或部分。这在图5中被描绘为“区域3”。因此，使用者可以在执行实际制造工艺之前在视觉上确定所述零件的可制造性。对于被示为例如由于机器人、工具等的限制因素而不能制造的区域，层编辑器234允许使用者改变所述有待制造的部件的层或部分的顺序，以提供允许毫无问题地制作所述零件的顺序。即，在使用层编辑器234之后，可以改变制作零件的部分或层的顺序以提供允许机器人无干涉地完全制作所述零件的构造顺序。这总体上在图6A和6B中示出。
如图6A所示，零件300将使用机器人系统、例如使用增材制造来制作。通过使用3D模型数据，示出了零件300的视觉绘制，其中零件300的每个层具有四(4)个子部件、总共三十二(32)个子部件。图6A描绘了在所述初始打印可视化与打印模拟器之后，构造这些子部件的顺序。然而，由于打印模拟器236以指示所述子部件不能被机器人制作的方式绘制出(例如，将它们以红色示出)所述子部件中的一些子部件，因此使用者使用层编辑器234来调整所述子部件的创建顺序。图6B中示例性地反映出了这种调整。如这个图所示，所述构造顺序已经改变，使得步骤7至12的子部件已被改变。例如，初始地旨在于步骤6之后沉积的增材制造工艺(即，步骤7)现在已经移动成被添加至步骤5工艺的顶上、而不是步骤3工艺的顶上。类似地，初始步骤23至30已经被改变。清楚起见，这些改变不导致有待制作的零件300的物理特性和尺寸改变、而是改变所述零件的构造顺序，以确保它可以通过多轴线机器人系统制作。因此，工具箱231允许使用者在机器人系统上视觉地绘制零件的构造、并且修改所述零件的构造顺序以确保可以创建所述零件。使用者可以继续使用层编辑器234来根据需要改变顺序/工艺。
在完成所述过程之后，来自打印模拟器236的输出被提供给RG代码发生器237，所述代码发生器产生用于进行构造的多轴线机器人系统的g代码。当然，除了g代码之外还可以使用其他代码格式，并且这会取决于所使用的机器人系统。接着将最新开发的RG代码提供给机器人系统控制器240，在此它被解释241，并且所述工艺被实施242。
在本发明的其他示例性实施例中，使用者可以在所述工艺过程中根据需要插入或添加其他制造工艺步骤、例如材料去除步骤。例如，情况可能是，不改变零件构造的顺序或工艺缓解工具阻挡情形。因此，可能有必要在继续构造零件之前添加不同的处理步骤、例如材料去除。这可以经由层编辑器234来实现，其中使用者可以添加材料去除(或其他)处理步骤来来在继续所述制造工艺之前去除一些材料。
类似地，使用者可以使用层编辑器234来添加工具更换步骤。例如，可能希望的是针对零件制造的一部分使用第一工具，因为它具有高沉积速率。然而，这个第一工具可以具有防止它在制造过程中可用在某些点处的物理大小/限制。因此，层编辑器234允许使用者添加工具更换(例如，更换成较小的工具)以完成所述制造的某些部分。虽然第二工具可以具有较小的沉积速率(例如)，但它可以具有较小的尺寸，从而允许它不产生干涉或构造问题地使用。另外，在一些示例性实施例中，打印模拟器236可以使用视觉指示器来绘制视觉模型并且建议工具更换。例如，可以用第四颜色(例如橙色等)来绘制图像的一部分以指示可能需要更换工具来完成制造。在一些此类实施例中，使用者可以插入工具更换命令、或者相反地选择改变制造/构建顺序，以试图消除对工具更换的需要。
在另外的示例性实施例中，工具箱231具有(或可访问)针对可以与机器人系统一起使用的每一个工具的服务信息，包括与维护或工具清洁要求相关的信息。通过此信息，打印模拟器236可以构建模型并显示在制造过程中对工具清洁操作的需要或建议。例如，工具箱231可以确定，有待构建的零件需要500cm3的材料。然而，在沉积了300cm3材料之后，必须对所选的工具进行清洁/更换/检查。在这样的情况下，打印模拟器236可以提供需要对工具进行清洁/检查操作的视觉指示。这种视觉指示可以用任何数量的方式来提供，包括使用另一种颜色指示(例如，灰色、黑色等)或任何其他视觉地指示需要进行工具清洁/检查的方法。进一步，在示例性实施例中，工具箱231可以访问工具服务信息，使得整个系统保持跟踪可用于机器人系统的工具的总使用情况，即使工具清洁/检查之间的持续时间典型地比给定零件所需的更长也是如此，该持续时间可能会在构建任何一个零件的过程中达到。例如，如果给定的工具清洁/检查点是每沉积5,000cm3的材料并且所制造的零件仅为500cm3，那么由于对工具的先前使用，就可能会在任何给定零件的创建过程中需要进行工具检查。因此，在此时，使用者可以选择在开始制造工艺之前清洁/检查工具、并且因此清除所述指示使得在构建过程中部不再需要检查/清洁。
应注意的是，虽然以上实例关注的是所沉积的材料的体积，但所述系统还可以使用其他参数，例如运行时间、能量使用、线性沉积距离等、或其任何组合。
在另外的示例性实施例中，层编辑器234可以允许使用者删除或去除有待制造的零件的层或一部分。例如，可能希望的是确认有待制作的零件的仅一部分的可制造性。因此，使用者可以检测有待构造的模型的一部分或层，使得可以仅制造部分零件。
在另外的示例性实施例中，层编辑器还允许使用者操纵或改变制造/工艺路径的位置和/或取向。这总体上在图7中示出，其中可以按需要将模型300移动和/或旋转，以选择有待制作的零件的位置和取向。也就是，在一些例子中，可能需要改变零件的取向/开始点，以利于零件构造。因此，使用者可以使用层编辑器234来改变零件的定位和/或定向，这可以消除任何零件制造报警指示器，而不必改变层构造顺序。
对上述过程的改变和编辑可以经由联接至所述系统控制器的任何已知的用户界面和GUI型系统(例如，计算机显示器与鼠标/键盘的组合)来完成。此外，以上过程可以在具有上文描述的工具箱的计算机系统上“离线”完成，所述工具箱接着创建RG代码文件，所述文件可以经由任何已知的方法被递送至机器人系统控制器。
因此，上文描述的实施例可以通过使用零件的物理属性、机器人系统的物理能力和限制因素、以及机器人上的工具的限制因素来确定所述零件或零件的一部分的可构造性，从而确定零件或其一部分的可制造性。这可以显著优化使用多自由度机器人系统的制造工艺。
在进一步的示例性实施例中，可以利用额外的机器人轴线并将其并入上文描述的实施例中，以允许在多个平面和/或方向上进行增材打印。例如，可以利用本发明的实施例并将其并入具有多于六个(6个)自由度的能力的机器人系统中。
进一步，在额外的实施例中，可以利用路径规划器来辅助使用者并使过程更高效。例如，所述路径规划器可以辅助最小化或消除使用者在机器人与外部轴线够伸配置器235方面的时间花费。图8中展示了对此的示例性实施例。图8描绘了与图2所示类似的实现方式，并且类似的物项和部件用相同的数字标号示出。然而，如这个实施例中所示，在层编辑器234下游为使用者在需要时可以使用的可选的路径规划器810。路径规划器810包括碰撞避免评估器801以及自动路径规划与机器人/外部轴线够伸配置部分803。在一个实施例中，路径规划器810利用这些部件中的每一者来将机器人与外部轴线够伸配置器235中的人为介入自动化并减少。在一个实施例中，路径规划器810利用这些部件中的每一者来允许使用者确定针对制造的预期机器人路径是否导致任何的机器人碰撞情形并，且允许使用者修改和/或调整路径或制造工艺以避免所识别的碰撞问题。进一步，通过配置部分803，系统200可以自动修改或建议修改，以避免在制造工艺过程中的任何识别出的碰撞或冲突点。这将帮助使用者减少时间或一同完全消除在例如层编辑器234和打印模拟器236中所花的时间。在使用规划器810之后，所述规划器的输出被传送至打印模拟器236，并且所述过程可以如上文描述的进行。
通过如上文描述的使用规划器810，可以容易地利用使用了多个机器人臂的机器人实现方式。例如，不同于单一机器人臂(如图1所示)，使用两个或更多机器人系统/臂来制造单一物件、或单一基底上的多个物件。在这样的应用中，如果需要复合构造，每个单独的机器人系统可以沉积不同的材料。在这样的系统中，碰撞避免可能变得极其复杂，并且因此在此描述的实施例使得这更容易实现。也就是，在这样的实施例中，规划器810可以配备有所涉及的所有机器人系统的所有物理的以及移动的信息/能力，并且使用者可以在规划器中利用此信息以确保在所述机器人系统之间没有碰撞冲突。此外，规划器810为使用者提供了用于容易地识别碰撞/冲突区域的工具、可以基于其存储的信息来提供建议的解决方案、并且允许使用者容易地修改机器人路径以及材料沉积顺序/定时，以优化机器人路径。事实上，本发明的实施例可以允许多个多轴线机器人在单一点上同时工作。
本发明的实施例将允许以最少的努力和潜在干涉冲突来实现显著更大的制造灵活性。例如，实施例可以利用多轴线系统来操纵打印/沉积角度以实现外悬伸等(而不需要在制造后作出材料去除的努力)、并且作为单一过程的一部分而不要求针对所述系统的第二轮次来重新定位所述零件。进一步，实施例可以为所述机器人系统提供使机器人交织运动的能力以在不同的点实现变化的材料沉积、或者改变零件上的不同位置处的珠缘轮廓。
此外，本发明的实施例可以在不同制造工艺的过程中监测和处理反馈控制，以在材料沉积速率、材料特性、成品零件的品质和几何形状准确性方面实现一致性。此外，系统200可以在给定的制造工艺的过程中利用此反馈信息来“学习”机器人系统的性能限制因素、或能力极限。例如，在制造第一零件或部件的过程中，所述系统可以监测沉积过程的反馈、并将反馈与机器人参数进行关联，所述参数是例如速度、取向、电流、电压、送丝速率、臂构型等。使用所述信息，所述系统可以确定，某些配置具有基于所用机器人系统的性能限制因素。例如，所述系统可以确定，在打印头上下颠倒时使用超过某个速率的运动的一种配置具有导致品质问题的性能限制。因此，当要使用具有类似参数的类似机器人轮次来制造第二零件时，所述系统可以警示使用者所提出的具有这些提出的特性的路径可能呈现品质问题。这将允许使用者修改在此描述的路径/过程，以避开牺牲品质的参数。此外，在一些实施例中，所述系统可以排除某些参数组合，以确保它们不出现，并且因此可以使用规划器810来规划这些配置。
还可以利用本发明的实施例来在单一工作区使多个打印轮次在打印层之间等待冷却时交织以便优化效率。普遍已知的是，在某些沉积技术中，可能需要冷却来避免使正在制造的零件受损。本文披露的系统可以基于制造和工艺数据输入来确定在工艺的过程中何时需要冷却期。也就是，在确定如何制造(如本文描述的)零件方面，所述系统还可以确定在某个区域中何时需要冷却。所述系统接着可以指导所述工艺在同一部件的不同面积/区域处进行沉积，以在另一个区域冷却时继续制造工艺。例如，本文描述的系统可以使用工艺信息(例如，电流、速度、功率、零件几何形状等)来评估输入到特定沉积区域中的热量、并且在使用工具箱231的过程中标识那些区域，以允许使用者调整所述过程以避免过热情形。此外，在一些实施例中，一旦所述系统确定进入零件区域中的总热量输入超过可接受阈值，所述系统就自动地识别出所述零件的第二区域来在第一区域达到可接受的温度以返回和继续沉积的同时进行制造。也就是，所述系统可以自动规划出在制造过程中考虑了热量输入和所希望温度控制过程的制造路径/顺序。当然，在不存在第二安全温度区域(例如如果零件太小)的那些情形下，所述系统将自动等待确定的时间段，之后过程再次开始。也就是，所述系统可以基于进入体积/区域中的总热量输入来确定在所述区域内可以再次发生沉积之前所希望的冷却时间段。
图9描绘了本发明的另一个示例性实施例。普遍已知的是，在现有系统中，焊接/沉积过程是通过指明传统焊接参数/变量例如电压、电流、功率、模式和/或时间表、以及其他参数来控制的。然而，在复杂的增材制造应用中，这些变量代表应加以考虑来实现具有某些物理尺寸、特征和品质的焊接/沉积的所有变量中的小部分。要考虑的、或可以影响最终产品的其他参数包括机器人运动轨迹、直接电弧跟踪(thru-the-arc tracking)/反馈配置、以及客户零件规格(例如材料类型、空隙条件、焊炬角度等)。
在现有系统中，编程者/开发者通常在这些因素相互作用的多种方式的方面具有大量经验和丰富的知识，以生成实现所希望结果的机器人程序。这是非常低效的并且有很大的产生缺陷和误差的机会。在图9所示的实施例中，所述系统采用电力供应(又称电源)910，所述电力供应被配置和构造成类似于已知的焊接电力供应(例如，被配置成用于基于电输入参数产生输出电力的功率电子器件919)。然而，系统900中的电力供应910还接受超出传统已知的输入(电流等)之外的额外输入参数、并且使用此额外信息来帮助控制其输出以实现所希望的成品产品。
例如，在本发明的一个实施例中，电力供应910接受关于焊接几何形状(或更普遍地，制造几何形状)本身的信息，包括材料特性、在制造过程中有待在不同点处使用的焊炬角度、焊接几何形状和焊接物理特征。电力供应910的控制系统917(可以是能够如本文描述的进行工作的任何已知的控制器/计算机类型)将识别、解释并利用此额外信息来向机器人运动平台920提供运动信息(运动参数)。这不是按传统方式完成的，因为已知的系统不从电力供应接收运动信息。
此外，电力供应将接受、解释并使用来自机器人运动平台920的运动信息、并且使用所述信息来控制其输出，以实现零件的所希望物理特性。来自机器人的此信息，例如机器人移动/位置，将被所述电力供应用来在运动正发生时适配其输出(输出电力)。例如，所述机器人将运动数据发送至电力供应以反映沉积角度/取向(例如，沉积可以上下颠倒)，所述电力供应利用来自机器人的所述运动数据、将所述数据与它所已经接收到的关于有待制造的零件的参数相关联、并且在运动正发生时适配(调整)其输出以实现所希望的结果。
例如，所述电力供应可以确定，为了在其中机器人从向下打印取向移动至向上打印取向(例如，为了避免碰撞)的制造过程中维持零件的一部分的恒定厚度，所述电力供应会在机器人进行打印取向过渡时自动改变其功率输出、送丝速率、峰值电流水平、以及甚至输出电流波形(作为实例)，以维持恒定的珠缘厚度等。因此，不同于使用者必须针对所述工艺的每个方面输入参数变化，所述电力供应(通过使用查找表、沉积算法等、以及其输入数据和来自机器人的数据)可以自动改变其输出，以便在沉积中实现所希望的物理结果。
这是由于以下完成的，即，电力供应910具有关于零件的最终结果的信息，例如所希望的焊接几何形状等。电力供应910将基于其编程对上文讨论的许多变量中的所有或至少一部分变量的复杂关系进行建模，以确保实现所希望的物理结果。所述电力供应可以包括反馈系统/电路915，例如电弧跟踪电路，以用于在沉积过程中跟踪参数。进一步，电源910可以接收来自机器人运动平台920的反馈，所述反馈可以包括物理焊接尺寸/特征、材料类型、焊炬角度/取向、焊炬速度误差、空隙条件等。
因此，在示例性实施例中，来自使用者(或上文描述的机器人编程者实施例)的关于电力供应的唯一需要信息会是物理焊接尺寸/特征(例如，大小、类型等)、材料特性、以及机器人运动路径。通过此信息，电源会输出与机器人运动平台相关的信息(运动参数)，包括目标焊炬速度、交织轨迹、以及其他机器人特定参数，而同时控制其自身焊接输出电流波形、送丝速率等，以实现所希望的沉积。直接电弧跟踪校正可以是基于从所述过程检测到的反馈进行机器人运动控制所需要的校正。例如，所述系统可以监测穿过电弧的电压、电流、功率等，并且确定机器人需要进行的运动、速度和路径校正，此外还监测电力供应的输出中的可能变化，以实现所希望的构造。
这在图9中总体上示出，其中材料类型、焊炬角度/路径以及焊接特征这些制造要求(即，零件要求)被提供给电力供应910。在一些实施例中，此信息的至少一部分也被提供给机器人系统920。使用此信息，电力供应910提供焊炬速度目标、运动/交织行进轨迹、以及对机器人系统920的任何直接电弧跟踪校正，而且还针对所述过程修改其自身的输出/焊丝速度。在所述过程中，机器人系统920还至少提供空隙条件/反馈(例如由空隙传感器925检测到)、任何焊炬速度误差/反馈、以及去到电力供应910的其他机器人特异性参数，所述电力供应再次使用此信息来控制机器人并修改其输出。
在示例性实施例中，电力供应910可以容纳/包括上文描述的工具箱231、和/或上文描述的系统/过程200整体。当然，电力供应910包括允许实现上文描述的实施例的计算机/控制器以及用户输入部件。所述计算机/控制器可以使用存储的数据、查找表、性能算法等来确定适当的控制和输出，以实现所希望的零件制作。
根据一个实施例，机器人控制器(例如，110或240)以及电源控制器(例如，917)在彼此之间传送信息以协商出针对机器人的机器人运动参数与针对电源的电输入参数(被用于产生输出电力)的可接受组合，所述组合实现碰撞避免以及高品质的焊接、沉积、或切割。例如，可以协商出在焊接的一部分上牺牲某些焊接品质(而仍提供可接受的焊接品质)以避免碰撞的机器人运动参数和电源电输入参数。作为另一个实例，可以协商出机器人运动参数和电源电输入参数来提供用于机器人的替代性路径(其仍避免碰撞但可能给焊接过程增加时间)以便维持最高水平的焊接品质。在一个实施例中，开发了允许协商出可接受的组合的多种不同表和算法，并且将这些表和算法编程到机器人控制器和电源控制器中。
虽然已参照某些实施例描述了本申请要求保护的主题，但是本领域技术人员将理解，可以进行多种不同改变并且可以替换等效形式而不脱离所要求保护的主题的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适合所要求保护主题的教导，而不脱离其范围。因此，所旨在的是，所要求保护的主题内容不受限于所公开的特定实施例，而是所要求保护的主题内容将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
工具，所述工件被配置成用于在制造工艺中用在工件上；
机器人，所述机器人包括：
具有附接点的臂，所述臂被配置成用于使得所述工具在所述制造工艺过程中被附接至所述附接点上时以多个自由度移动，以及
机器人控制器，所述机器人控制器被配置成用于基于运动参数来控制所述臂的移动，以经由所述工具来执行所述制造工艺；以及
电源，所述电源包括：
功率电子器件，所述功率电子器件被配置成用于基于电输入参数来产生输出电力，其中在所述制造工艺过程中，所述输出电力被提供给所述工具，以及
电源控制器，所述电源控制器被配置成用于从所述机器人控制器接收所述运动参数并且至少基于所述运动参数来至少调整所述电输入参数，以允许经由所述功率电子器件来产生经调整的输出电力。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述制造工艺包括以下各项中的至少一项：焊接工艺、增材制造工艺、或切割工艺。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述电源控制器被配置成用于至少基于所述电输入参数来至少调整所述运动参数从而产生经调整的运动参数、并且将所述经调整的运动参数提供给所述机器人控制器。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述电源控制器被配置成用于至少基于所述运动参数来调整送丝速率，以使在所述制造工艺过程中产生所述工具使用的可消耗型焊条的经调整的送丝速率。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述机器人控制器包括至少一个处理器以及存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质，所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述至少一个处理器执行时致使所述机器人控制器产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述路径规划器部件包括：
够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据；以及
碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突、并且允许使用者修改所述机器人路径或所述制造工艺中的至少一者来避免所述机器人碰撞冲突。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述电源控制器包括至少一个处理器以及存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质，所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述至少一个处理器执行时致使所述电源控制器产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述路径规划器部件包括：
够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据；以及
碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突、并且允许使用者修改所述机器人路径或所述制造工艺中的至少一者来避免所述机器人碰撞冲突。
9.一种系统，包括：
工具，所述工件被配置成用于在制造工艺中用在工件上；
机器人，所述机器人包括：
具有附接点的臂，所述臂被配置成用于使得所述工具在所述制造工艺过程中被附接至所述附接点上时以多个自由度移动，以及
机器人控制器，所述机器人控制器被配置成用于基于运动参数来控制所述臂的移动，以经由所述工具来执行所述制造工艺；以及
电源，所述电源包括：
功率电子器件，所述功率电子器件被配置成用于基于电输入参数来产生输出电力，其中在所述制造工艺过程中，所述输出电力被提供给所述工具，以及
电源控制器，所述电源控制器被配置成用于从所述机器人控制器接收所述运动参数、并且至少基于所述电输入参数来至少调整所述运动参数从而产生经调整的运动参数、并且将所述经调整的运动参数提供给所述机器人控制器。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述制造工艺包括以下各项中的至少一项：焊接工艺、增材制造工艺、或切割工艺。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述电源控制器被配置成用于至少基于所述运动参数来至少调整所述电输入参数，以允许经由所述功率电子器件来产生经调整的输出电力。
12.如权利要求9所述的系统，其中，所述电源控制器被配置成用于至少基于所述运动参数来调整送丝速率，以使在所述制造工艺过程中产生所述工具使用的可消耗型焊条的经调整的送丝速率。
13.如权利要求9所述的系统，其中，所述机器人控制器包括至少一个处理器以及存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质，所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述至少一个处理器执行时致使所述机器人控制器产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述路径规划器部件包括：
够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据；以及
碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突、并且允许使用者修改所述机器人路径或所述制造工艺中的至少一者来避免所述机器人碰撞冲突。
15.如权利要求9所述的系统，其中，所述电源控制器包括至少一个处理器以及存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质，所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述至少一个处理器执行时致使所述电源控制器产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述路径规划器部件包括：
够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据；以及
碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突、并且允许使用者修改所述机器人路径或所述制造工艺中的至少一者来避免所述机器人碰撞冲突。
17.一种系统，包括：
工具，所述工件被配置成用于在制造工艺中用在工件上；
机器人，所述机器人包括：
具有附接点的臂，所述臂被配置成用于使得所述工具在所述制造工艺过程中被附接至所述附接点上时以多个自由度移动，以及
机器人控制器，所述机器人控制器被配置成用于基于运动参数来控制所述臂的移动，以经由所述工具来执行所述制造工艺；以及
电源，所述电源包括：
功率电子器件，所述功率电子器件被配置成用于基于电输入参数来产生输出电力，其中在所述制造工艺过程中，所述输出电力被提供给所述工具，以及
电源控制器，其中所述电源控制器和所述机器人控制器被配置成在彼此之间传递信息，
其中所述机器人控制器或所述电源控制器中的至少一者包括至少一个处理器以及存储了路径规划器部件的非瞬态计算机可读介质，所述路径规划器部件包括以下指令：所述指令在被所述至少一个处理器执行时致使所述机器人控制器或所述电源控制器中的至少一者产生用于在避免机器人碰撞冲突的同时执行所述制造工艺的所述运动参数。
18.如权利要求17所述的系统，其中，所述制造工艺包括以下各项中的至少一项：焊接工艺、增材制造工艺、或切割工艺。
19.如权利要求17所述的系统，其中，所述路径规划器部件包括：
够伸配置部件，所述够伸配置部件包括与所述机器人的物理属性、运动属性、运动学特性、和限制因素相关的数据；以及
碰撞避免评估器，所述碰撞避免评估器被配置成用于使用所述够伸配置部件来确定预期机器人路径是否导致任何机器人碰撞冲突、并且允许使用者修改所述机器人路径或所述制造工艺中的至少一者来避免所述机器人碰撞冲突。
20.如权利要求17所述的系统，其中，在所述机器人控制器与所述电源控制器之间所传递的所述信息包括以下各项中的至少一项：机器人运动信息、物理焊接尺寸/特征、材料类型、工具角度/取向、工具速度误差、空隙条件、目标工具速度、运动/交织行进轨迹、以及直接电弧跟踪校正。
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