CN114167808A - 一种面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，属于机械加工领域，该运行方法针对待打印产品进行机器人站位分析，然后进行逐层切片处理，利用聚合算法与多目标优化算法对打印区域进行规划，生成理论NC加工文本，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴协同工作完成打印需求，有效提高多机器人工作的灵活性，扩大多机器人的加工范围，克服产品一体化制造的难题。

Description

一种面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法。

背景技术

随着高新技术的发展和需求的推动，航天器研制任务成倍增加，制造高效性、灵活性、短流程、批量化的制造特点对加工技术和装备提出了新的挑战。整体增材制造是随着对增材制造研究的深入，针对电子产品结构功能一体化成型的增材制造技术，实现在打印产品结构的同时，将功能性PCB、传感器、控制器、天线、电池等电子元器件嵌入到打印的预留连接支架中，并同步直接成形连接电路，实现电子产品的“结构-电路-组件”的一体化制造。相较于传统电子产品的制造方式，整体增材制造具备许多独特的优势及显著特点：消除了装配过程、结构设计自由度高、产品环境适应性强。

目前国内外有多家机构对整体增材制造技术进行了重大攻关，其中以光固化成型技术、熔融沉积成型技术为代表，对于FDM整体增材制造的暂无太多研究。但是FDM增材制造有利于零件嵌入，且结构部分具备绝缘性，有利于航天器零件的制造。但目前暂无针对FDM整体增材制造的设备。为了解决针对FDM整体增材制造的问题，急需一种柔性化设备。机器人具备高柔性的特点，可用作增材制造，但是单个机器人作业效率低，无法满足多功能的制造任务，因此多机器人协同加工是未来整体增材制造加工的发展趋势。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，能够对待打印产品的基体、导线进行打印，同时合理嵌入零件。该运行方法针对待打印产品进行机器人站位分析，然后进行逐层切片处理，利用聚合算法与多目标优化算法对打印区域进行规划，生成理论NC加工文本，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴协同工作完成打印需求，有效提高多机器人工作的灵活性，扩大多机器人的加工范围，克服产品一体化制造的难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，所述多机器人柔性生产线包括：倒挂于二自由度龙门立柱上的基体打印机器人和导线打印机器人，设置于嵌入立柱上的嵌入机器人以及用于放置打印产品的载物台，具体包括以下步骤：

步骤一，将待打印产品导入仿真软件中，获取嵌入机器人的加工路径，并分析基体打印机器人和导线打印机器人的站位、待打印产品的加工方法，将待打印产品导入切片软件，将待打印产品的每一层切片按照工艺需求离散成一条条相互平行的直线，通过聚合算法以最小区域数量为目标，形成打印区域；

步骤二，通过多目标优化算法将步骤一形成的打印区域进行优化组合，得到使基体打印机器人和导线打印机器人协同工作的最优路径组合；

步骤三，根据步骤二得到的最优路径组合，添加打印材料的挤出量工艺信息以及嵌入机器人的加工路径，生成理论NC加工文本；

步骤四，将理论NC加工文本导入仿真软件中，对待打印产品进行碰撞仿真检测，如碰撞仿真检测合格，执行步骤五；如碰撞仿真检测不合格，对理论NC加工文本进行优化，重复执行步骤四；

步骤五，对多机器人柔性生产线的各功能模块进行自检操作，自检合格后，将经碰撞仿真检测合格的理论NC加工文本进行后置换处理导入工控机中，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴协同工作完成打印需求，将基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴均回到安全位置。

进一步地，步骤一中待打印产品的加工方法由待打印产品的最长边尺寸决定，当待打印产品的最长边尺寸小于150mm时，待打印产品采用基体打印完成再打印导线的顺序加工；当待打印产品的最长边尺寸在150mm~530mm之间时，采样基体打印机器人和导线打印机器人固定站位、载物台可变站位协同加工；当待打印产品的最长边尺寸在530mm~1000mm之间时，采用基体打印机器人和导线打印机器人可变站位与载物台可变站位协同加工。

进一步地，步骤二的具体过程为：将步骤一中形成的打印区域进行区域编号、标记打印区域的包络区、计算每个打印区域的打印消耗的时间，并设置每一层切片的回退安全点、回退速度、回退加速度，将区域编号、打印区域的矩形包络区顶点坐标、每个打印区域的打印消耗的时间、回退安全点、回退速度、回退加速度作为多目标优化算法的输入，以基体打印机器人、导线打印机器人协同加工耗时最短、载物台的转动次数最小为目标，输出打印区域的打印顺序、基体打印机器人和导线打印机器人与其外部轴的移动顺序。

进一步地，步骤三中所述理论NC加工文本包括：第一理论NC加工文本、第二理论NC加工文本、第三理论NC加工文本，所述第一理论NC加工文本为基体打印机器人的路径，所述第二理论NC加工文本为导线打印机器人的路径，所述第三理论NC加工文本为嵌入机器人以及基体打印机器人外部轴、导线打印机器人外部轴、嵌入机器人外部轴、载物台外部轴、龙门立柱上下移动轴的路径。

进一步地，步骤四的具体过程为：将理论NC加工文本导入仿真软件中，将理论NC加工文本解析为供基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人、基体打印机器人外部轴、导线打印机器人外部轴、嵌入机器人外部轴、载物台外部轴、龙门立柱上下移动轴的运动指令，按顺序依次执行运动指令，并对每项运动指令进行碰撞仿真检测，如碰撞仿真检测合格，执行下一项指令，直至执行完所有的指令；如碰撞仿真检测不合格，手动调整基体打印机器人的末端姿态至合适的位置，重复执行步骤四。

进一步地，所述运动指令具体为：通过理论NC加工文本中的检测标记位，触发基体打印机器人、导线打印机器人的启动信号，启动基体打印机器人、导线打印机器人中的一个或两个。

进一步地，步骤五中多机器人柔性生产线的各功能模块的自检操作包括：基体打印机器人、导线打印机器人的外部轴是否恢复初始状态，恒温台的温度是否达到要求，气源、气阀开关是否打开，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人的通信状态是否连通，双目视觉通信状态是否连通。

进一步地，所述基体打印机器人的工作任务包括：基体打印机器人打印喷头的散热风扇启动、送丝电机开启送丝功能、打印结束后气动剪刀将丝材剪断、打印结束后将丝材回抽指定长度。

进一步地，所述导线打印机器人的工作任务包括：导线打印机器人的打印喷头的散热风扇启动、导电银浆挤出、激光固化器的启动晚于银浆挤出且停止时间晚于银浆挤出的停止时间。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明中根据待打印产品的最长边尺寸来规划加工方法，针对性强，加工精度更高；

（2）本发明中通过生成统一格式的理论NC加工文本，实现基体机器人和导线机器人的协同打印，有效节约打印时间；

（3）本发明中通过生成的理论NC加工文本来控制基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴协同工作完成打印需求可以清晰的显示每台机器人的当前加工状态，了解设备的执行情况。

附图说明

图1为本发明面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法的流程图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步介绍。

本发明面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法中所采用的多机器人柔性生产线包括：倒挂于二自由度龙门立柱上的基体打印机器人和导线打印机器人，设置于嵌入立柱上的嵌入机器人以及用于放置打印产品的载物台，其中具体的结构连接关系参考公开号为：CN112936230A的发明申请。本发明面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法能够实现待打印产品的基体打印、导线打印以及零件的嵌入，如图1，该运行方法具体包括如下步骤：

步骤一，利用激光跟踪仪建立现场坐标系，对基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人以及外部移动与转动轴进行标定，本发明中现场坐标系包括世界坐标系、机器人基座标系、工具坐标系、移动轴与转动轴的零点坐标系、产品坐标系；

将待打印产品导入仿真软件中，获取嵌入机器人的加工路径，并分析基体打印机器人和导线打印机器人的站位、待打印产品的加工方法，将待打印产品导入切片软件，将待打印产品的每一层切片按照工艺需求离散成一条条相互平行的直线，通过聚合算法以最小区域数量为目标，形成打印区域；通过上述方法生成的区域数量少，可以有效减少打印区域的跳转次数，进而提升打印质量。

本发明中待打印产品的加工方法由待打印产品的最长边尺寸决定，当待打印产品的最长边尺寸小于150mm时，待打印产品采用基体打印完成再打印导线的顺序加工，当待打印产品的最长尺寸小于150mm时，若基体打印机器人与导线打印机器人协同工作，两者的末端会发生碰撞，采用基体打印机器人和导线机器人按顺序打印的方式执行，可避免发生碰撞；当待打印产品的最长边尺寸在150mm~530mm之间时，采样基体打印机器人和导线打印机器人固定站位、载物台可变站位协同加工，待打印产品的最长尺寸在150mm~530mm之间时，属于基体打印机器人与导线打印机器人的直接可达范围，此时基体打印机器人与导线打印机器人的底座不需要移动，当分属基体打印机器人与导线打印机器人的任务时，两个机器人的最短距离大于150mm，但是基体打印机器人的任务距离导线打印机器人更近，导线打印机器人的任务距离基体打印机器人更近，此时需要通过载物台的转动，来调转打印区域，实现协同打印；当待打印产品的最长边尺寸在530mm~1000mm之间时，采用基体打印机器人和导线打印机器人可变站位与载物台可变站位协同加工，1000mm是该多机器人柔性生产线的最大可加工距离，此时零件尺寸已经超出了机器人的可达范围。当一台机器人正在打印时，另一台机器人任务超出可达范围，必须通过移动机器人底座来使打印任务位于可达范围。

步骤二，通过多目标优化算法将步骤一形成的打印区域进行优化组合，得到使基 体打印机器人和导线打印机器人协同工作的最优路径组合，从而缩短打印时间。具体过程 为：将步骤一中形成的打印区域进行区域编号、标记打印区域的包络区、计算每个打印区域 的打印消耗的时间，并设置每一片切片的回退安全点、回退速度、回退加速度，本发明中每 个打印区域的打印消耗的时间

，其中，n表示打印区域的分区数量，

表示第i区打 印消耗的时间，打印区域每一条直线长度L至少包括加速阶段长度

和减速阶段长度

，

为基体打印机器人和导线打印机器人运行的最大速度，

为运行的最大加速 度，如果打印区域长度L大于加速度长度L1和减速阶段长度L2的总和，T=t1+t2+t3，t1为加 速消耗的时间，

，

，

；如果打印区域长度L小于或等于加速度长度 L1和减速阶段长度L2的总和，T=t1+t3，t1为加速段消耗的时间，

，t3为减速阶段消 耗的时间，

。

将区域编号、打印区域的包络区、每个打印区域的打印消耗的时间、回退安全点、回退速度、回退加速度作为多目标优化算法的输入，以基体打印机器人、导线打印机器人协同加工耗时最短、载物台的转动次数最小为目标，输出打印区域的打印顺序、基体打印机器人和导线打印机器人与其外部轴的移动顺序。通过协调基体打印机器人、导线打印机器人打印不同的区域，实现基体打印机器人、导线打印机器人的协同打印，相比于基体打印机器人、导线打印机器人的顺序打印，可以有效缩短打印时间。

步骤三，根据步骤二得到的最优路径组合，添加打印材料的挤出量工艺信息以及嵌入机器人的加工路径，生成理论NC加工文本；本发明中理论NC加工文本包括：第一理论NC加工文本、第二理论NC加工文本、第三理论NC加工文本，第一理论NC加工文本为基体打印机器人的路径，第二理论NC加工文本为导线打印机器人的路径，第三理论NC加工文本为嵌入机器人以及基体打印机器人外部轴、导线打印机器人外部轴、嵌入机器人外部轴、载物台外部轴、龙门立柱上下移动轴的路径。通过考虑多台机器人的运动，并且其中打印机器人的每个区域路径信息较多，要求每个机器人的路径都可以清晰定位在显示界面，因此生成三个理论NC加工文本，并且因为嵌入机器人的路径信息较少，故将外部轴的路径信息放置第三理论NC加工文本，作为主文本执行。

步骤四，将理论NC加工文本导入仿真软件中，对待打印产品进行碰撞仿真检测，如碰撞仿真检测合格，执行步骤五；如碰撞仿真检测不合格，对理论NC加工文本进行优化，重复执行步骤四；具体过程为：将理论NC加工文本导入仿真软件中，将理论NC加工文本解析为供基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人、基体打印机器人外部轴、导线打印机器人外部轴、嵌入机器人外部轴、载物台外部轴、龙门立柱上下移动轴的运动指令，按顺序依次执行运动指令，并对每项运动指令进行碰撞仿真检测，如碰撞仿真检测合格，执行下一项指令，直至执行完所有的指令；如碰撞仿真检测不合格，手动调整对应打印机器人的末端姿态至合适的位置，重复执行步骤四。通过碰撞仿真检测，检查生成的理论NC加工文本是否安全、可靠，若碰撞仿真检测不合格，进行调整。本发明中运动指令具体为：通过理论NC加工文本中的检测标记位，触发基体打印机器人、导线打印机器人的启动信号，启动基体打印机器人、导线打印机器人中的一个或两个，可以更好的协同机器人的打印任务，有效节省打印周期。

步骤五，对多机器人柔性生产线的各功能模块进行自检操作，本发明中多机器人柔性生产线的各功能模块的自检操作包括：基体打印机器人、导线打印机器人的外部轴是否恢复初始状态，恒温台的温度是否达到要求，气源、气阀开关是否打开，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人的通信状态是否连通，双目视觉通信状态是否连通。自检合格后，将经碰撞仿真检测合格的理论NC加工文本进行后置换处理导入工控机中，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴协同工作完成打印需求，具体地，基体打印机器人的工作任务包括：基体打印机器人打印喷头的散热风扇启动、送丝电机开启送丝功能、打印结束后气动剪刀将丝材剪断、打印结束后将丝材回抽指定长度；导线打印机器人的工作任务包括：导线打印机器人的打印喷头的散热风扇启动、导电银浆挤出、激光固化器的启动晚于银浆挤出且停止时间晚于银浆挤出的停止时间。将基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴均回到安全位置。

本发明面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，能够完成待打印产品的基体、导线的打印以及零件的嵌入。利用理论NC加工文本中的逻辑关系实现交互，二自由度的龙门立柱配合基体打印机器人、导线打印机器人、底部旋转的载物台，协同完成打印任务，可以有效缩短加工时间，通过嵌入机器人实现功能零件的嵌入。本发明的运行方法通过多机器人配合加工，有效提高机器人加工的灵活性，扩大了机器人的加工范围，克服了一体化制造的协同加工难题。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，所述多机器人柔性生产线包括：倒挂于二自由度龙门立柱上的基体打印机器人和导线打印机器人，设置于嵌入立柱上的嵌入机器人以及用于放置打印产品的载物台，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一，将待打印产品导入仿真软件中，获取嵌入机器人的加工路径，并分析基体打印机器人和导线打印机器人的站位、待打印产品的加工方法，将待打印产品导入切片软件，将待打印产品的每一层切片按照工艺需求离散成一条条相互平行的直线，通过聚合算法以最小区域数量为目标，形成打印区域；

步骤二，通过多目标优化算法将步骤一形成的打印区域进行优化组合，得到使基体打印机器人和导线打印机器人协同工作的最优路径组合；

步骤三，根据步骤二得到的最优路径组合，添加打印材料的挤出量工艺信息以及嵌入机器人的加工路径，生成理论NC加工文本；

步骤四，将理论NC加工文本导入仿真软件中，对待打印产品进行碰撞仿真检测，如碰撞仿真检测合格，执行步骤五；如碰撞仿真检测不合格，对理论NC加工文本进行优化，重复执行步骤四；

步骤五，对多机器人柔性生产线的各功能模块进行自检操作，自检合格后，将经碰撞仿真检测合格的理论NC加工文本进行后置换处理导入工控机中，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴协同工作完成打印需求，将基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人及其外部轴均回到安全位置。

2.根据权利要求1所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，步骤一中待打印产品的加工方法由待打印产品的最长边尺寸决定，当待打印产品的最长边尺寸小于150mm时，待打印产品采用基体打印完成再打印导线的顺序加工；当待打印产品的最长边尺寸在150mm~530mm之间时，采样基体打印机器人和导线打印机器人固定站位、载物台可变站位协同加工；当待打印产品的最长边尺寸在530mm~1000mm之间时，采用基体打印机器人和导线打印机器人可变站位与载物台可变站位协同加工。

3.根据权利要求1所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，步骤二的具体过程为：将步骤一中形成的打印区域进行区域编号、标记打印区域的包络区、计算每个打印区域的打印消耗的时间，并设置每一层切片的回退安全点、回退速度、回退加速度，将区域编号、打印区域的矩形包络区顶点坐标、每个打印区域的打印消耗的时间、回退安全点、回退速度、回退加速度作为多目标优化算法的输入，以基体打印机器人、导线打印机器人协同加工耗时最短、载物台的转动次数最小为目标，输出打印区域的打印顺序、基体打印机器人和导线打印机器人与其外部轴的移动顺序。

4.根据权利要求1所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，步骤三中所述理论NC加工文本包括：第一理论NC加工文本、第二理论NC加工文本、第三理论NC加工文本，所述第一理论NC加工文本为基体打印机器人的路径，所述第二理论NC加工文本为导线打印机器人的路径，所述第三理论NC加工文本为嵌入机器人以及基体打印机器人外部轴、导线打印机器人外部轴、嵌入机器人外部轴、载物台外部轴、龙门立柱上下移动轴的路径。

5.根据权利要求1所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，步骤四的具体过程为：将理论NC加工文本导入仿真软件中，将理论NC加工文本解析为供基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人、基体打印机器人外部轴、导线打印机器人外部轴、嵌入机器人外部轴、载物台外部轴、龙门立柱上下移动轴的运动指令，按顺序依次执行运动指令，并对每项运动指令进行碰撞仿真检测，如碰撞仿真检测合格，执行下一项指令，直至执行完所有的指令；如碰撞仿真检测不合格，手动调整基体打印机器人的末端姿态至合适的位置，重复执行步骤四。

6.根据权利要求5所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，所述运动指令具体为：通过理论NC加工文本中的检测标记位，触发基体打印机器人、导线打印机器人的启动信号，启动基体打印机器人、导线打印机器人中的一个或两个。

7.根据权利要求1所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，步骤五中多机器人柔性生产线的各功能模块的自检操作包括：基体打印机器人、导线打印机器人的外部轴是否恢复初始状态，恒温台的温度是否达到要求，气源、气阀开关是否打开，基体打印机器人、导线打印机器人、嵌入机器人的通信状态是否连通，双目视觉通信状态是否连通。

8.根据权利要求1所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，所述基体打印机器人的工作任务包括：基体打印机器人打印喷头的散热风扇启动、送丝电机开启送丝功能、打印结束后气动剪刀将丝材剪断、打印结束后将丝材回抽指定长度。

9.根据权利要求1所述面向整体增材制造的多机器人柔性生产线的运行方法，其特征在于，所述导线打印机器人的工作任务包括：导线打印机器人的打印喷头的散热风扇启动、导电银浆挤出、激光固化器的启动晚于银浆挤出且停止时间晚于银浆挤出的停止时间。

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