CN111571047A - 用于增材制造的路径规划系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于规划用于使用增材制造系统形成零件的路径的系统和方法。该增材制造系统可以包括一个或多个增材制造工具。这些增材制造工具可以包括弧焊工具和非弧焊工具。该系统还可以基于所规划的路径来制造该零件。

Description

用于增材制造的路径规划系统和方法
背景技术
增材制造是以分层方式来沉积材料以将零件构建为特定几何形状的过程。增材制造系统可以包括各种特征，例如，运动系统和可以执行一个或多个增材制造过程的一个或多个增材制造工具。要使用增材制造来制造的零件的各种特征可以要求使用某种增材制造过程或者可以使用某个增材制造过程最高效地进行制造。因此，需要可以基于要制造的零件以及增材制造系统的各种特征和能力来规划增材制造系统制造零件的路径的系统和方法。
发明内容
本公开总体上涉及增材制造系统，并且更具体地涉及用于规划使用增材制造系统制造零件的路径的系统和方法，基本上如结合至少一个附图所展示和描述的、如在权利要求中更完整地阐述的。
附图说明
图1展示了根据本公开各方面的采用弧焊过程来形成零件的增材制造系统。
图2展示了根据本公开各方面的增材制造系统的框图。
图3是根据本公开各方面的图1和图2中所示出类型的增材制造系统的示例控制电路部件的图形表示。
图4展示了根据本公开各方面的规划用于使用采用多个增材制造工具的增材制造系统来形成零件的工序的方法。
图5展示了用于规划形成要使用增材制造系统制造的零件的特征的路径的方法。
附图不一定按比例。在适当情况下，相似或相同的附图标记用于指相似或相同的部件。
具体实施方式
本公开描述了用于规划通过增材制造技术形成零件的路径以及控制增材制造系统来形成零件的系统和方法。增材制造系统可以采用结合一个或多个焊接型过程的传感器数据和三维模型来构建零件。
增材制造是在计算机控制下使材料结合或固化以形成三维对象的各个过程中的任一个过程，其中，材料是以分层的方式添加在一起的。增材制造系统可以采用各种焊接型过程，这些焊接型过程包括：弧焊过程，包括气体保护金属弧焊(“GMAW”)(包括往复送丝GMAW(“RWF-GMAW”)、交流电气体保护金属弧焊和脉冲GMAW(“P-GMAW”))、利用丝的钨极气体保护弧焊(“GTAW”)、利用丝的等离子弧焊、利用粉末的等离子弧焊以及利用丝电极或带状电极的埋弧焊；以及非弧焊型过程，诸如利用丝的激光焊、利用粉末的激光焊和激光熔覆。一些增材制造系统可以采用激光系统来生成聚焦在焊接熔池上的激光束，并且采用弧焊过程来提供材料以构建零件。增材制造过程还可以利用各种材料形式，例如各种几何形状和组成成分的丝和粉末。
增材制造通常通过逐层连续地添加材料(例如，电极丝或粉末)根据计算机辅助设计(CAD)模型或增材制造文件格式(AMF)文件来构建三维对象。
采用多个技术来形成增材制造零件的常规系统可能要求操作者确定用于制造零件的路径。可能要求操作者确定将哪个增材制造过程和相关联参数用于要被制造的零件的各种特征。因此，期望一种系统，其可以接收要制造的零件的三维模型并基于该三维模型、可用的增材制造工具和过程以及增材制造系统的运动能力来规划用于形成零件的路径。
所公开的增材制造系统包括：多个增材制造工具，该多个增材制造工具被配置用于执行多个增材制造过程；处理电路；以及机器可读存储设备，该机器可读存储设备包括机器可读指令，这些机器可读指令当被执行时使该处理电路执行以下操作：接收要制造的零件的模型；接收指示该多个增材制造过程的信息；基于该零件的模型和该多个增材制造过程来确定用于制造该零件的工序；并且控制该多个增材制造工具以根据该工序制造该零件。
在一些示例增材制造系统中，该工序包括经由该多个增材制造过程之一制造该要制造的零件的多个特征中的每个特征。
在一些示例增材制造系统中，该多个增材制造过程包括气体保护金属弧焊、脉冲气体保护金属弧焊、往复式气体保护金属弧焊、钨极气体保护弧焊、埋弧焊、等离子弧焊和激光焊中的至少两者。
在一些示例增材制造系统中，这些指令使该处理电路确定该要制造的零件的多个特征中的每个特征的材料形式和沉积速率，并且该工序是基于所确定的经由该工序所要形成的该多个特征中的每个特征的材料形式和沉积速率而确定的。
在一些示例增材制造系统中，该工序包括使该处理电路执行以下操作：控制第一工具以执行第一过程从而制造该要制造的零件的第一特征；并且控制第二工具以执行第二过程从而制造该要制造的零件的第二特征。
在一些示例增材制造系统中，该工序包括使该处理电路：控制第一工具以执行第一过程从而使用第一材料形式制造该要制造的零件的第一特征；并且控制第二工具以执行第二过程从而使用第二材料形式制造该要制造的零件的第二特征。
一些示例增材制造系统进一步包括运动系统，该运动系统被配置用于：使该要制造的第一零件中的至少一个相对于该多个增材制造工具而移动；或使该多个增材制造工具相对于该要制造的第一零件而移动。
在一些示例增材制造系统中，这些指令进一步使该处理电路接收指示该运动系统的能力的信息，并且该工序是部分地基于该运动系统的能力而确定的。
在一些示例增材制造系统中，该运动系统被配置用于调整该要制造的零件的位置或取向。
在一些示例增材制造系统中，该工序包括使该处理电路执行以下操作：控制第一工具以执行第一过程从而制造该要制造的零件的多个特征中的第一特征；在制造该第一特征之后控制该运动系统以调整该要制造的零件的位置或取向中的至少一者；并且控制第二工具以执行第二过程从而制造该要制造的零件的多个特征中的第二特征。
在一些示例增材制造系统中，该要制造的零件被制造在现有零件上。
在一些示例增材制造系统中，这些指令进一步使该处理电路接收指示该多个增材制造过程中的每个增材制造过程的成本的信息，并且该工序是部分地基于该多个增材制造过程中的每个增材制造过程的成本而确定的。
所公开的制造零件的方法包括：接收要由增材制造系统制造的第一零件的三维模型，该增材制造系统包括多个增材制造工具，该多个增材制造工具被配置用于执行多个增材制造过程；接收指示该多个增材制造工具被配置用于执行的该多个增材制造过程的信息；基于该三维模型和该多个增材制造过程来确定用于制造该零件的工序；以及根据该工序制造该第一零件。
在制造零件的一些示例方法中，该工序包括经由这些可用增材制造过程之一制造该第一零件的多个特征中的每个特征。
制造零件的一些示例方法进一步包括：控制第一工具以执行第一过程从而制造该要制造的零件的多个特征中的第一特征；以及控制第二工具以执行第二过程从而制造该要制造的零件的多个特征中的第二特征。
在制造零件的一些示例方法中，该增材制造系统包括运动系统，该运动系统被配置用于调整该要制造的零件的位置或取向，并且该工序包括：控制第一工具以执行第一过程从而制造该要制造的零件的多个特征中的第一特征；在制造该第一特征之后，调整该要制造的零件的位置或取向中的至少一者；以及控制第二工具以执行第二过程从而制造该要制造的零件的多个特征中的第二特征。
在制造零件的一些示例方法中，该要制造的零件形成在现有零件上。
制造零件的一些示例方法进一步包括：接收指示该多个增材制造过程中的每个增材制造过程的成本的信息，并且该工序是部分地基于这些可用增材制造过程中的每个增材制造过程的成本而确定的。
所公开的用于规划要由增材制造系统执行的制造过程的系统包括：处理电路；以及机器可读存储设备，该机器可读存储设备包括机器可读指令，这些机器可读指令当被执行时使该处理电路执行以下操作：接收要由该增材制造系统制造的第一零件的三维模型；接收指示该增材制造系统的可用增材制造过程的选择的信息；接收指示该增材制造系统的运动系统的能力的信息；并且基于该零件的三维模型、该运动系统的能力以及这些可用增材制造过程来确定用于制造该第一零件的工序。
图1展示了用于执行焊接操作以通过增材制造技术形成对象的示例弧焊系统100。如图1的弧焊系统所示出的，供电器10和送丝器12经由导体或导管14耦接。在所展示的示例中，供电器10与送丝器12分离，从而使得送丝器可以位于焊接位置附近并与供电器相隔一定距离。然而，在一些示例中，送丝器可以与供电器10整合在一起。在此类情况下，导管14将处于系统内部。在送丝器12与供电器10分离的示例中，供电器和送丝器12上通常设置有端子以允许将导体或导管耦接到系统，从而允许从供电器10向送丝器12提供电力和气体并允许在这两个设备之间交换数据。
该系统被配置用于向增材制造工具或焊炬16提供丝、电力和保护气体。工具16可以有许多不同的类型，并且可以允许将焊丝42(例如，电极丝)和气体馈送到与基板或平台18相邻的位置，在基板或平台18上包括层82的零件78将通过沉积焊丝42来形成，在一些示例中该焊丝可以是金属熔滴80。第二导体延伸到焊接工件以便补全供电器与工件之间的电路。机器人系统84可以调整基板或平台18的位置或取向。
焊接系统被配置用于诸如经由供电器10上设置的操作者接口20由操作者和/或根据焊接工序来选择数据设定。操作者接口20将通常被纳入到供电器10的前面板中，并且可以允许选择诸如焊接过程、要使用的丝的类型、电压和电流设定等设定。特别地，该系统被配置用于允许利用各种钢、铝或被引导通过工具16的其他焊丝进行焊接。进一步地，该系统被配置用于采用具有各种截面几何形状(例如，圆形(包括实心和管状)的、基本上平坦的、三角形的等)的焊丝。这些焊接设定被传送到供电器内的控制电路22。该系统可以特别适于实施为某些电极类型配置的焊接方式。
作为附加或替代，增材制造的过程指令可以经由焊接工序程序来提供，该焊接工序程序诸如存储在与供电器10相关联的处理器/控制电路22可访问的存储器上。在这种情况下，定序器可以采用所存储的信息(例如，与期望的产品配置和/或过程相关联的信息(包括历史数据)、和/或可由用户定制的信息)。在一些示例中，如以下更详细解释的，焊接工序可以由系统100的控制电路系统基于系统100的能力和零件的三维模型来确定。所存储的信息可以用于诸如通过控制来自供电器10、送丝器电机48、54、机器人系统72、机器人系统84等的电力输出来控制系统100的操作以促进零件78的形成。
以下更详细描述的控制电路22操作以控制焊接电力输出的生成，该焊接电力输出被供应给焊丝42以用于执行所期望的增材制造操作。如所展示的，控制电路22可以适于调节脉冲金属惰性气体保护(“MIG”)焊接方式，该焊接方式促进熔融金属到基板18的短路转移以便构建零件78的多个层82，而不会向零件78或焊丝42添加过多的能量。在“短路”模式下，熔融材料的熔滴在焊弧加热的影响下形成在焊丝42上，并且这些熔滴通过焊丝42和熔滴80与层82之间的接触或短路而被周期性地转移到零件78。
以此方式，系统和/或控制电路22通过在增材制造过程期间调整系统的一个或多个操作特性来控制零件78的形成。这些操作特性可以包括但不限于送丝器速度、送丝器方向、行进速度、电力输出、过程模式、沉积路径、沉积工序、焊炬角度等。
另外，(多个)传感器70可以测量与系统的操作相关联的操作参数(例如，电流、电压、电感、相位、功率、电感、速度、加速度、取向、位置等)。可以将所感测的操作特性(例如，电压、电流、温度、形状、速度等)提供给控制电路22或其他控制器(例如，控制电路32、与机器人系统72相关联的控制器等)以进一步控制增材制造过程。
来自供电器的电力通常通过焊接线缆52施加到丝电极42。类似地，保护气体通过送丝器和焊接线缆52来进行馈送。在焊接操作期间，焊丝42穿过焊接线缆52的包层朝向工具16前进。在工具16内，第二送丝器电机53包括可以设置有相关联驱动辊的辊54，可以调节该辊以提供期望的送丝速度和/或送丝方向。
可以根据控制电路22、32以及例如来自(多个)传感器70的信息采用机器人系统72来调节工具16的移动和位置。类似地，可以根据控制电路22、32以及来自(多个)传感器70的信息采用机器人系统84来调节平台18的移动和位置。在示例中，机器人系统72和机器人系统84可以经由一条或多条线缆75和77与供电器10、送丝器12和/或工具16通信。因此，可以经由线缆75提供和/或交换电力和/或信息以控制增材制造过程。特别地，机器人系统72可以采用具有一个或多个致动器76(例如，伺服电机、接头等)的一个或多个臂74。以此方式，机器人系统72可以在焊接操作期间以六个自由度命令对附接工具16进行精细控制(包括行进速度、工具位置、与零件78的距离等的控制)。机器人系统72可以包括用于感测操作特性的一个或多个传感器，可以利用控制电路22、32来传送这些操作特性以进一步促进零件78的形成。类似地，机器人系统84可以采用具有一个或多个致动器81(例如，伺服电机、接头等)的一个或多个臂79。以此方式，机器人系统84可以在增材制造过程期间以六个自由度命令对平台18进行精细控制。
在一些示例中，控制电路22、32可以向送丝器12、供电器10、机器人系统72和/或机器人系统84提供信号以使得能够根据特定零件设计来开始和停止增材制造过程。也就是说，一旦发起该过程，气体流动可以开始，丝可以前进，并且电力可以被施加到焊接线缆52上并通过工具16到达前进的焊丝42。工件线缆和夹具58允许从供电器开始通过焊炬、电极(丝)和零件78的电路闭合，以在操作期间维持焊弧。
本弧焊系统允许基于先前的电流测量值和持续时间测量值来控制之后的电压水平和/或电流水平和/或脉冲持续时间，从而控制焊丝电极与前进的焊接熔池之间的短路事件的推动、发生、持续和中断。特别地，基于一个或多个以上短路事件或短路事件的各方面(诸如其持续时间)来调节波形的电流峰值。
控制电路22耦接到电力转换电路24。此电力转换电路24适于产生输出电力，诸如在工具16处施加到焊丝42的脉冲波形。可以采用各种电力转换电路，包括斩波器、升压电路系统、降压电路系统、逆变器、转换器等。这种电路系统的配置可以是本领域内大体已知的和本身已知的类型。电力转换电路24耦接到如箭头26所指示的电力源。施加到电力转换电路24的电力可能源自电网，但是也可以使用其他电力源，诸如由发动机驱动的发电机、电池、燃料电池或其他替代源产生的电力。图1中所展示的供电器还可以包括接口电路28，该接口电路被配置用于允许控制电路22与送丝器12交换信号。
送丝器12包括耦接到接口电路28的互补接口电路30。在一些示例中，可以在两个部件上都设置多引脚接口，并且多导体线缆可以在接口电路之间延伸，以允许在供电器10、送丝器12、或这两者上设定诸如送丝速度、过程、所选择的电流、电压或功率电平等信息。
送丝器12还包括耦接到接口电路30的控制电路32。如下所述，控制电路32允许根据操作者的选择或所存储或确定的工序指令来控制送丝速度，并且准许将这些设定经由接口电路反馈到供电器。控制电路32耦接到送丝器上的操作者接口34，该操作者接口允许选择一个或多个焊接参数、特别是送丝速度。操作者接口还可以允许选择诸如过程、所利用的丝的类型、电流、电压或功率设定等焊接参数。控制电路32还可以耦接到气体控制阀36，该气体控制阀调节保护气体向焊炬的流动。通常，这种气体在焊接时提供，并且可以在焊接之前立刻接通并在焊接之后较短时间内接通。施加到气体控制阀36的气体可以以加压瓶的形式提供，如附图标记38所表示的。
送丝器12包括用于在控制电路32的控制下将丝馈送到焊接工具16并且从而馈送到焊接应用的部件。例如，焊丝的一个或多个线轴40容纳在送丝器中。焊丝42从这些线轴退绕并被逐渐馈送到工具16。线轴可以与离合器44相关联，当丝要被馈送到工具时，该离合器与线轴脱离接合。还可以调节离合器44以维持最小摩擦水平，从而避免线轴40的自由旋转。第一送丝器电机46可以设置在壳体48内，该第一送丝器电机46与送丝辊47接合以将来自送丝器12的丝朝向工具16推动。
在图1的示例中，可移动缓冲器60可以包括第一部分62和第二部分64，其中，该第一部分和第二部分中的至少一个部分被配置用于响应于第一送丝器电机46与第二送丝器电机53之间焊丝42的量的变化而相对于另一部分进行移动。传感器66(例如，一个或多个传感器)被配置用于感测第一部分与第二部分之间的相对移动或移位，并且向控制电路(例如，控制电路22、32)提供传感器数据以作为响应调整焊丝42的速度和/或方向。
实际上，辊47中的至少一个机械地耦接到电机并且通过电机转动以驱动来自送丝器的丝，而配合的辊朝向丝被偏压以维持这两个辊与丝之间的良好接触。一些系统可以包括多个此类型的辊。可以提供转速计50或其他传感器以用于检测第一送丝器电机46、辊47或任何其他相关联部件的速度从而提供实际送丝速度的指示。来自转速计的信号被反馈到控制电路32，诸如用于持续或周期性的监测、校准等。在一些示例中，该系统包括用于转动送丝设备的丝线轴电机，可以通过类似方式调整该丝线轴电机以增大或减小送丝器电机之间的丝量。
还可以实施其他系统布置和输入方案。例如，焊丝可以从大容量存储容器(例如，滚筒)或从送丝器外部的一个或多个线轴进行馈送。类似地，丝可以从“线轴枪”进行馈送，在该线轴枪中，线轴被安装在焊炬上或附近。如本文所指出的，送丝速度设定可以经由在送丝器、或供电器的操作者接口20、或这两者上的操作者输入34而被输入。在焊炬上具有送丝速度调整的系统中，这可以是用于设定的输入。
如图1所展示的，在一些示例中，系统100可以采用激光器来添加热量以促进焊接熔池中材料(例如，电极丝42)的熔化，以构建如关于本文提供的系统和方法所公开的分层零件。如所示出的，提供了激光系统61，该激光系统连接到供电器10以便从电力转换电路24供应电力并且向控制电路22发送信息并从该控制电路接收信息。激光系统61控制激光发生器63生成激光束65以施加到零件78的一个或多个层82。激光系统61被配置用于与焊接工具16配合并且控制系统72以确保(例如，在使用钛丝的GMAW过程中的)电弧中存在期望的稳定性。激光系统61可以经由接口电路28与控制电路22通信。
虽然关于弧焊型系统进行了描述，但是所公开的系统可以结合各种技术来实施以执行增材制造过程。在一个示例中，增材制造可以在不使用焊弧的情况下利用激光器来熔化材料，以便以与本文公开的系统和方法类似的方式来构建分层零件。
虽然关于创形成零件进行了描述，但是在一些示例中，系统100可以将零件制造到已有的零件上。例如，可以经由系统100将螺旋桨的桨叶制造到已有的螺旋桨桨毂上。
图2展示了包括多个增材制造工具的示例增材制造系统200的框图。例如，增材制造工具之一是图1的弧焊系统100。增材制造系统200还包括第二弧焊系统210，该第二弧焊系统包括供电器212、送丝器214、机器人系统216和焊接型工具218。如所展示的，第一增材制造系统100的焊接型工具16可以是GMAW型焊接工具，并且第二增材制造系统的焊接型工具218可以是第二GMAW型焊接工具。第一GMAW型焊接工具16可以被配置用于执行RWF-GMAW型过程，并且第二GMAW型焊接工具218可以被配置用于执行P-GMAW型焊接过程。虽然关于图1和图2被描述为GMAW型焊接工具，但是焊接工具16和218可以是用于执行任何类型的焊接型过程的任何类型的焊接型工具。
增材制造系统200包括第三焊接型系统220。第三焊接型系统220包括供电器222、送丝器和/或送粉器224、机器人系统226和焊接型工具228。焊接型工具228可以是激光焊接型工具。增材制造系统200还包括用于保持要制造的零件的平台18和用于调整平台18的位置和/或取向并因此调整制造中的零件的位置和/或取向的机器人系统84。
虽然被展示为独立的供电器10、212和222，但是在一些示例中，焊接型系统100、210和220可以共享单个供电器。同样，在一些示例中，焊接型系统100、210和/或220中的两个可以共享单个供电器。虽然被展示为三个焊接型系统100、210和220，但是在一些示例中，增材制造系统可以包括更多或更少的增材制造型系统和/或工具。在一些示例中，增材制造系统还可以包括塑料沉积工具。一些增材制造系统可以包括各种类型的其他弧焊型工具和/或非弧焊型工具。
虽然被展示为独立的机器人系统72、216、226和84，但是给定的机器人系统72、216、226或84可以与一个或多个过程和/或工具(16，218，228，18)共享。例如，机器人系统(72，216，226或84)可以实施工具更换方案，其中一个机器人系统可以与多个工具16、218和/或228一起使用。在一些示例中，两个或更多个机器人系统72、216、226或84共享硬件。
控制电路202规划并控制增材制造系统200的操作。控制电路202可以是控制电路22、32中的一者或两者，该控制电路被配置用于在图1所展示类型的系统中起作用。控制电路202还可以是或包括供电器212、222或送丝器214或224的控制电路。控制电路202还可以位于外部计算设备处，例如，控制电路202可以是外部计算设备(或云计算设备)上的应用。控制电路202与增材制造系统200的焊接型系统100、210和220中的每一个以及机器人系统84都有数据连接。
如以下更详细解释的，控制电路202可以接收关于增材制造系统200的焊接系统100、210和220中的每个焊接系统的制造能力的信息、关于机器人系统84的能力的信息、以及关于要制造的零件的三维模型的信息。三维模型可以包括关于形成每个特征的条件(例如，构成每个特征所应采用的材料)的信息。关于焊接系统100、210和220中的每个焊接系统的制造能力的信息可以包括沉积速率、所使用的材料形式、使用系统的成本和/或精度水平。基于来自三维模型的信息，即要制造的零件的每个特征的几何形状和材料以及增材制造系统的能力，控制电路202然后规划使用增材制造系统200的焊接型系统100、210、220来制造零件的动作工序。控制电路202然后可以命令增材制造系统200经由所规划的动作工序来制造零件。
图3展示了图2的示例控制电路202，诸如图1的控制电路22或32中的一者或两者。控制电路202被配置用于在图2中所展示类型的增材制造系统200中起作用。整体电路系统可以包括操作者接口20和34和/或接口电路28和30。例如，各种接口可以提供对操作参数的传送，这些操作参数包括用户输入和经由网络接口83的联网信息、以及来自下游部件(诸如送丝器、焊炬/焊接工具以及各种传感器和/或致动器)的信息。
控制电路202包括处理电路85，该处理电路本身可以包括一个或多个专用或通用处理器。处理电路85可以进一步被配置用于执行诸如与特定增材制造零件的形成相对应的焊接工序。处理电路85可以从存储在存储器电路86中的数据库88接收关于零件的信息(例如，零件的三维模型)，和/或从联网计算机和/或用户输入接收该信息。基于该信息，处理电路85可以通过对增材制造过程的实施进行计算来规划、控制和/或协调系统部件的动作。
可以基于增材制造过程的数个变量将各种模型与输入相关联。例如，三维模型的几何特征可以对应于与过程和/或零件相关联的时间点和/或空间点。例如，与稍后施加的层相比，零件的第一层或基层可以对应更早的时间。焊接工序还可以与模型同步以确保焊接操作的调整与模型的要求对应。
在示例中，处理电路85可以基于零件的三维模型确定用于制造零件的某个特征或区域的参数。基于来自与该区域相关联的零件的三维模型的信息，处理电路85可以确定要使用增材制造工具100、210或220中的哪一个，并且可以基于该信息来调整系统的一个或多个部件(例如，供电器10、212、222；送丝器12、214、224；机器人系统72、216、226、84等)的操作特性。以此方式，系统控制零件的每个特征的形成和施加，包括控制焊接型系统(100，210，220)和施加工具(16，218，228)、特征的位置、与施加相关联的电力和/或热的量、施加工具(16，218，228)的速度和方向、送丝速度和/或方向、以及保持零件的平台18的位置和/或取向。
在一些示例中，传感器70包括激光传感器101，该激光传感器被配置用于在增材制造过程期间周期性地或连续地扫描零件。此扫描可以被反馈到处理电路85以与三维模型进行比较，从而确保正在形成的零件符合三维模型、和/或识别出变化。基于该比较，处理电路85可以调整增材制造系统200的一个或多个操作特性以促进零件的形成。
作为附加或替代，传感器70可以包括红外传感器102、超声传感器104、机械传感器106或热传感器108、光学传感器110，仅举几个示例。类似地，来自各种传感器的传感器数据可以被反馈到处理电路85以对操作特性进行分析和控制。通过协调对各种系统的控制，零件可以包括更精细的细节，而与常规金属沉积技术相关联的负面影响更少。
控制电路202控制增材制造系统200的各种机器人系统72、216、226、84。控制电路202可以包括机器人系统控件90和/或机器人接口电路92，其可以与电路系统的一个或多个部件(诸如控制电路22、32)整合在一起。机器人系统控件90或机器人接口电路与机器人系统72、216、226、84和处理电路85以及存储器电路86通信。在一些示例中，两个或更多个焊接型工具和/或过程共享单个机器人系统(72，216，226或84)并且因此可以例如经由工具更换方案来共享机器人电机臂(76，217，227，79)。机器人系统控件90被配置用于控制机器人臂电机76、217、227、79的操作。以此方式，将工具16、218、228的位置和/或取向以及平台18的位置和/或取向与传感器、模型、输入等提供的数据协调地进行控制。因此，通过控制有助于零件形成的多个变量来形成零件的几何特征。
作为附加或替代，一个或多个接口(例如，接口电路28、30；操作者接口20、34)可以提供与系统的操作参数相对应的信息。在此示例中，可以由一个或多个送丝器电机来提供操作参数信息(诸如电流汲取、电压、功率、电感、送丝速度、送丝加速度、送丝器电机角度、扭矩、位置等)，该参数信息可以由处理电路85来分析以便间接确定一个或多个操作特性。可以结合传感器70和/或66或者不结合传感器70和/或66来实施此过程以取得类似的结果。
在一些示例中，处理电路85包括计时器、速度传感器、或可以提供关于(多个)增材制造过程的信息(诸如所消耗的丝量、对制造过程的预期进度的估计等)的其他传感器。作为附加或替代，控制电路202可以被配置用于监测和/或调整与供电器10、212、222相关联的电力输出特性(例如，电流、电压、功率、相位等)。
处理电路85进一步被配置用于控制激光系统61和激光发生器63。处理电路85向激光系统61提供控制信号，以响应于与这两个送丝器电机之间的丝的量相对应的信息而进行调整。特别地，传感器70可以监测激光系统、弧焊工具16、供电器输出和/或零件78的一个或多个特性(例如，焊接熔池尺寸、形状、温度、电极丝的位置和/或焊接熔池上的阴极光点等)并且向处理电路85提供数据以进行分析和确定。
处理电路85还将与存储器电路系统86相关联，该存储器电路系统可以由一种或多种类型的永久数据存储装置和临时数据存储装置组成，诸如用于提供所实施的焊接工序、存储三维模型、存储操作特性、存储焊接设定、存储错误日志等。可以参考来自之前的增材制造操作的历史数据或与该历史数据进行比较来进行操作特性的调整，该历史数据也可以存储在存储器电路86上。例如，可以基于对类似增材制造操作的历史分析、在所存储数据的基础上进行调整。历史数据可以对应于例如操作参数、其他传感器数据、用户输入、以及与趋势分析相关的数据、阈值、与特定操作模式相关联的简况等，并且可以存储在处理电路85可访问的比较表、列表、库等中。可以经由一种或多种机器学习技术和/或人工智能技术来执行这种分析，以通知和/或更新工序确定。
图4展示了方法400，该方法400对使用包括多个焊接型系统(例如，关于图1至图3所描述的系统)的增材制造系统来形成零件的工序进行规划。
在框402中，控制电路202接收要制造的零件的三维模型。该三维模型可以包括关于要制造的零件的整体几何形状的信息，该信息包括零件的各种特征的几何形状和材料。在框402处，控制电路202还可以接收关于增材制造系统的能力的信息，例如可用的焊接型系统和可用的焊接型过程。
在框404处，控制电路202基于三维模型来确定组成零件的特征的数量。在一些示例中，三维模型可能具有控制电路202可以使用以确定特征数量的已标记的特征或层。在一些示例中，控制电路202可以执行图像处理(例如，边缘检测)以确定要制造的零件的每个特征。在框406处，控制电路202确定每个特征的几何尺寸。几何尺寸可以对应于特征的体积或特征的长度、高度或宽度。在一些示例中，几何尺寸可以对应于特征的长度、宽度或高度中的最小值，以便确定制造零件的特征所需的精度水平。在框408处，控制电路202启动循环来确定每个特征的特性，从而确定用于制造每个特征的增材制造工具和/或材料形式。该循环包括框410至框426。
在框410处，控制电路202将所确定的特征尺寸与第一阈值进行比较。例如，第一阈值可以是3毫米。如果特征的尺寸小于第一阈值(框410)，则在框412处，控制电路202确定该特征将使用利用粉末的激光焊来形成。控制电路202然后在框424处检查要制造的零件的每个特征是否已经分配有将用于形成该特征的增材制造工具和过程。如果每个特征尚未分配有将用于形成该特征的增材制造工具和过程(框424)，则控制电路202返回到框408。如果每个特征已经分配有将用于形成该特征的增材制造工具和过程(框424)，则控制电路202前进到框426。
在框410处，如果控制电路202确定特征的几何尺寸大于第一阈值，则在框414处，控制电路202将特征的几何尺寸与第二阈值进行比较。例如，第二阈值可以是6毫米。如果几何尺寸小于第二阈值(框414)，则在框416处，控制电路202确定该特征将使用利用丝的激光焊来形成。然后，控制电路202前进到框424。如果控制电路202确定特征的几何尺寸大于第二阈值(框414)，则在框418处，控制电路202将特征的几何尺寸与第三阈值进行比较。例如，第三阈值可以是10毫米。如果控制电路202确定特征的几何尺寸小于第三阈值(框418)，则在框420处，控制电路202确定该特征将使用RWF-GMAW来形成。然后，控制电路202前进到框424。如果控制电路202确定特征的几何尺寸不小于第三阈值，则在框422处，控制电路202确定该特征将使用P-GMAW来形成。然后，控制电路202前进到框424。
在框424处，如果每个特征尚未分配有将用于形成该特征的增材制造工具和过程，则控制电路202返回到框408。如果每个特征已经分配有将用于形成该特征的增材制造工具和过程(框424)，则控制电路202前进到框426。
在框426处，控制电路202基于零件上特征的几何位置、分配给每个特征的增材制造工具和过程、零件的整体几何形状、利用其来制造特征的期望沉积速率和材料形式、以及增材制造系统的机器人系统来确定用于制造零件的工序。控制电路202还可以选择用于使制造零件的时间和/或制造零件的成本最小化的工序。控制电路202选择用于制造特征的物理上可能的工序。例如，主构建轴上的特征可以在外围特征之前形成，从而使得外围特征由主构建轴物理地支撑。作为另一示例，零件的内部特征在包围内部的外部封闭之前形成。例如，圆柱体内的通道将在圆柱体封闭之前形成，并且之后不再可能形成通道。
在使用增材制造系统来确定用于制造零件的工序之后，控制电路202可以控制增材制造系统使用所确定的工序来制造零件。
图5展示了规划路径的方法500，其使用包括多个焊接型系统(例如，关于图1至图3所描述的系统)的增材制造系统来形成零件的特征。一旦控制电路202例如已经由图4的方法400确定将由哪种焊接型过程形成某一特征，控制电路202就可以使用图5的方法500来规划用于形成每个特征的路径。
在框502处，控制电路202接收关于增材制造系统是否可以操纵正在制造的零件的信息。例如，控制电路202判定增材制造系统200的运动系统是否包括能够操纵零件的位置和/或取向的机器人系统84。在框504处，控制电路202判定特征是否位于要制造的零件的主构建轴上。如果控制电路202确定特征在主构建轴上(框504)，则控制电路202前进到框506。如果控制电路202确定特征未在主构建轴上(框504)，则控制电路202前进到框514。
在框506处，控制电路202判定是否也可以通过操纵零件来使执行焊接型过程的焊接型工具的运动最小化。如果也可以通过操纵零件来使执行焊接型过程的焊接型工具的运动最小化(框506)，则控制电路202前进到框508。如果通过操纵零件也无法使执行焊接型过程的焊接型工具的运动最小化(框506)，则控制电路202前进到框510。
在框508处，控制电路202基于框502中接收的信息来判定增材制造系统是否能够操纵零件。如果制造系统不能够操纵零件(框508)，则控制电路202前进到框510。如果制造系统能够操纵零件(框508)，则在框512处，控制电路202通过操纵零件和执行焊接型过程的焊接型工具两者的位置和/或取向来确定用于形成特征的路径。在框510处，控制电路202通过操纵执行焊接型过程的焊接型工具的位置和/或取向来确定用于形成特征的路径。
在框514处(在框504处确定该特征未在主构建轴上之后)，控制电路202基于框502中接收的信息来判定增材制造系统是否能够操纵零件。如果制造系统不能够操纵零件(框514)，则控制电路202前进到框518。如果制造系统能够操纵零件(框514)，则在框516处，控制电路202通过操纵零件和执行焊接型过程的焊接型工具两者的位置和/或取向来确定用于形成特征的路径。例如，控制电路202确定当零件处于形成特征的适当角度时形成特征的路径。
在框518处(在框514处确定增材制造系统不能够操纵零件之后)，控制电路202判定当零件处于平坦取向或水平取向时是否可以形成特征。如果该特征可以从水平取向状态下形成(框518)，则在框520处，控制电路202通过操纵执行焊接型过程的焊接型工具的位置和/或取向来确定用于以水平取向形成特征的路径。
如果该特征无法在水平取向上形成(框518)，则在框522处，控制电路202确定增材制造系统200不能够形成该特征，并且可以向操作者发出警报。在一些示例中，操作者可以物理地操纵零件的取向和/或位置，以便响应于该警报而制造零件的特征。
如本文所利用的，术语“电路”和“电路系统”是指物理电子部件(即硬件)和可以配置硬件、可以由硬件执行和/或可以以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，特定的处理器和存储器在执行第一一行或多行代码时可以构成第一“电路”，并且在执行第二一行或多行代码时可以构成第二“电路”。如本文所利用的，“和/或”是指由“和/或”连接的列表中的任何一个或多个项。作为示例，“x和/或y”是指三元素集合{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换言之，“x和/或y”是指“x和y中的一者或两者”。作为另一示例，“x、y和/或z”是指七元素集合{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换言之，“x、y和/或z”是指“x、y和z中的一个或多个”。如本文所利用的，术语“示例性”是指用作非限制性示例、实例或例证。如本文所利用的，术语“例如(e.g.,)”和“比如(for example)”引出一个或多个非限制性示例、实例或例证的列表。如本文所利用的，只要电路系统包括用于执行某一功能的必要硬件和代码(如有必要)，该电路系统就“可操作”以执行该功能，而不管该功能的执行是否被禁用或未启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂调整等)。
如本文所使用的，术语“控制器”或“控制电路”包括位于一个或多个电路板上的、用于控制焊接型系统或设备(诸如供电器、电源、发动机或发电机)的全部或一部分的数字电路和/或模拟电路、分立电路或集成电路、微处理器、DSP、FPGA等、和/或软件、硬件和固件。
如本文所使用的，术语“周期性的(periodic)”和/或“循环性的(cyclical)”焊接过程和/或输出包括焊接输出，该焊接输出可以表征为一系列周期和/或循环，其中，每个循环可以相同、相似或不同。
如本文所使用的，术语“送丝器”包括驱动丝、丝的安装件的电机或机构，以及与其相关的控制件和相关联的硬件和软件。
如本文所使用的，焊接型系统包括能够供应适用于焊接、等离子切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊/预加热(包括激光焊和激光熔覆)的电力的任何设备，该设备包括逆变器、转换器、斩波器、谐振供电器、准谐振供电器等、以及与其相关联的控制电路系统和其他辅助电路系统。
如本文所使用的，术语“焊接型电力”是指适用于焊接、等离子切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊/预加热(包括激光焊和激光熔覆)的电力。如本文所使用的，术语“焊接型供电器”是指在向其施加电力时能够向焊接、等离子切割、感应加热、CAC-A和/或热丝焊/预加热(包括激光焊接和激光熔覆)供应电力的任何设备，该设备包括但不限于逆变器、转换器、谐振供电器、准谐振供电器等、以及与其相关联的控制电路和其他辅助电路。
如本文所使用的，术语“脉冲焊接”包括利用通常以可控频率在较大的峰值与较小的本底之间脉冲变化的输出电力进行的焊接，并且行脉冲焊在电弧状态下执。
如本文所使用的，术语“周期性的(periodic)”和/或“循环性的(cyclical)”焊接过程和/或输出包括焊接输出，该焊接输出可以表征为一系列周期和/或循环，其中，每个循环可以相同、相似或不同。如本文所使用的，术语“储能设备”是储存能量的任何设备，例如电池、超级电容器等。
如本文所使用的，术语“存储器”包括易失性存储器和非易失性存储器，并且可以是数组、数据库、列表等。
如本文所使用的，术语“焊炬”或“焊接型工具”可以包括手持式焊炬或机器人焊炬、焊枪、或用于产生焊弧的其他设备。
如本文所使用的，术语“焊接模式”或“焊接操作”是所使用的过程或输出的类型，诸如CC、CV、脉冲、MIG、TIG、喷涂、短路等。
如本文所使用的，术语“升压转换器(boost converter)”是在使电压升高的电路中使用的转换器。例如，升压转换器可以是一种逐步升压转换器(step-up converter)(诸如DC-DC功率转换器)，其可以在从其输入端(例如，从能量存储设备)至其输出端(例如负载和/或附接的电力总线)使电流逐步降低的同时使电压逐步升高。这是一种开关模式供电器。
如本文所使用的，术语“降压转换器(buck converter)”(例如，逐步降压转换器(step-down converter))是指从其输入端至其输出端(例如，在使电流逐步升高的同时)使电压逐步降低的功率转换器。
可以以硬件、软件、和/或硬件与软件的组合来实现本方法和系统。示例实施方式包括专用集成电路和/或可编程控制电路。
虽然已经参照某些实施方式描述了本方法和/或系统，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离本方法和/或系统的范围的情况下可以做出各种改变并且替换等效物。例如，所公开示例的框和/或部件可以进行组合、划分、重新排列和/或以其他方式进行修改。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应于本公开的传授内容。因此，本方法和/或系统不限于所公开的特定实施方式。相反，在字面上和在等同原则下，本方法和/或系统将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (20)

1.一种增材制造系统，包括：
多个增材制造工具，所述多个增材制造工具被配置用于执行多个增材制造过程；
处理电路；以及
机器可读存储设备，所述机器可读存储设备包括机器可读指令，所述机器可读指令当被执行时使所述处理电路：
接收要制造的零件的模型；
接收指示所述多个增材制造过程的信息；
基于所述零件的模型和所述多个增材制造过程来确定用于制造所述零件的工序；并且
控制所述多个增材制造工具以根据所述工序制造该零件。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述工序包括经由所述多个增材制造过程之一制造所述要制造的零件的多个特征中的每个特征。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个增材制造过程包括气体保护金属弧焊、脉冲气体保护金属弧焊、往复式气体保护金属弧焊、钨极气体保护弧焊、埋弧焊、等离子弧焊和激光焊中的至少两者。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述指令使所述处理电路确定所述要制造的零件的多个特征中的每个特征的材料形式和沉积速率，并且其中，所述工序是基于所确定的经由所述工序要形成的该多个特征中的每个特征的材料形式和沉积速率而确定的。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述工序包括使所述处理电路：
控制第一工具以执行第一过程从而制造所述要制造的零件的第一特征；并且
控制第二工具以执行第二过程从而制造所述要制造的零件的第二特征。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述工序包括使所述处理电路：
控制第一工具以执行第一过程从而使用第一材料形式制造所述要制造的零件的第一特征；并且
控制第二工具以执行第二过程从而使用第二材料形式制造所述要制造的零件的第二特征。
7.如权利要求1所述的系统，进一步包括：运动系统，所述运动系统被配置用于：
使所述要制造的第一零件中的至少一个相对于所述多个增材制造工具而移动；或
使所述多个增材制造工具相对于所述要制造的第一零件而移动。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述指令进一步使所述处理电路接收指示所述运动系统的能力的信息，并且其中，所述工序是部分地基于所述运动系统的能力而确定的。
9.如权利要求7所述的系统，其中，所述运动系统被配置用于调整所述要制造的零件的位置或取向。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述工序包括使所述处理电路：
控制第一工具以执行第一过程从而制造所述要制造的零件的多个特征中的第一特征；
控制所述运动系统以在制造完所述第一特征之后调整所述要制造的零件的位置或取向中的至少一者；并且
控制第二工具以执行第二过程从而制造所述要制造的零件的多个特征中的第二特征。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述要制造的零件被制造在已有的零件上。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述指令进一步使该处理电路接收指示所述多个增材制造过程中的每个增材制造过程的成本的信息，并且其中，所述工序是部分地基于所述多个增材制造过程中的每个增材制造过程的成本而确定的。
13.一种制造零件的方法，所述方法包括：
接收要由增材制造系统制造的第一零件的三维模型，所述增材制造系统包括多个增材制造工具，所述多个增材制造工具被配置用于执行多个增材制造过程；
接收指示所述多个增材制造工具被配置用于执行的所述多个增材制造过程的信息：
基于所述三维模型和所述多个增材制造过程来确定用于制造所述零件的工序；以及
根据所述工序制造所述第一零件。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述序列包括经由可用的所述增材制造过程之一制造所述第一零件的多个特征中的每个特征。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括：确定所述第一零件的多个特征中的每个特征所需的材料形式和沉积速率，并且其中，所述工序是基于所确定的所述多个特征中的每个特征的材料形式和沉积速率而确定的。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述工序包括：
控制第一工具以执行第一过程从而制造所述要制造的零件的多个特征中的第一特征；以及
控制第二工具以执行第二过程从而制造所述要制造的零件的多个特征中的第二特征。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述增材制造系统包括运动系统，所述运动系统被配置用于调整所述要制造的零件的位置或取向，并且其中，所述工序包括：
控制第一工具以执行第一过程从而制造所述要制造的零件的多个特征中的第一特征；
在制造完所述第一特征之后，调整所述要制造的零件的位置或取向中的至少一者；以及
控制第二工具以执行第二过程从而制造所述要制造的零件的多个特征中的第二特征。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述要制造的零件形成在已有的零件上。
19.如权利要求13所述的方法，进一步包括：接收指示所述多个增材制造过程中的每个增材制造过程的成本的信息，并且其中，所述工序是部分地基于可用的所述增材制造过程中的每个增材制造过程的成本而确定的。
20.一种用于规划要由增材制造系统执行的制造过程的系统，所述用于规划所述制造过程的系统包括：
处理电路；以及
机器可读存储设备，所述机器可读存储设备包括机器可读指令，所述机器可读指令当被执行时使所述处理电路：
接收要由所述增材制造系统制造的第一零件的三维模型；
接收指示所述增材制造系统的可用的增材制造过程的选择的信息；
接收指示所述增材制造系统的运动系统的能力的信息；并且
基于所述零件的三维模型、所述运动系统的能力以及所述可用的增材制造过程来确定用于制造所述第一零件的工序。
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