供稿人：馬浩宇 李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-03-27
大幅面增材制造是3D打印技術(shù)的自然延伸，以往增材制造受到3D打印機(jī)的腔室體積限制，無法成型較大尺寸的零件，而按比例擴(kuò)大打印機(jī)尺寸既昂貴又耗時(shí)，且無法同時(shí)優(yōu)化打印精度及打印效率，因此，采用具有一組多噴頭的協(xié)同3D打印技術(shù)有很大的發(fā)展空間。
在多噴頭協(xié)同打印領(lǐng)域，浙江大學(xué)沈洪垚團(tuán)隊(duì)已初步實(shí)現(xiàn)通用化較強(qiáng)、兼具打印精度及打印效率的協(xié)同3D打印技術(shù)。設(shè)計(jì)了多機(jī)器人協(xié)同打印系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建、整個(gè)系統(tǒng)的打印處理及機(jī)器人的放置位置研究；提出了一種基于效率最優(yōu)化的區(qū)域分割算法，合理地分配了各噴頭的打印區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了打印效率均分；對(duì)于多噴頭的打印順序，合理分配了各噴頭的打印任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了無碰撞打印，成功避免了機(jī)器人間的相互干擾；進(jìn)行了多機(jī)器人的3D打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，論證了此方案的高效率優(yōu)勢(shì)。
如圖1所示，通過幾何輪廓識(shí)別及分割，結(jié)合模擬退火算法，尋找最優(yōu)分割點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了打印區(qū)域的最優(yōu)分割，與之前研究提出的路徑調(diào)度算法相比，基于模擬退火算法的分割算法更簡(jiǎn)單通用，在路徑分割及調(diào)度過程中不涉及避免干擾的問題。
進(jìn)一步將打印區(qū)域進(jìn)一步劃分為安全區(qū)及干涉區(qū)，并保證同一時(shí)間僅有一個(gè)機(jī)械手在干涉區(qū)內(nèi)進(jìn)行打印，如圖2所示，為打印頭的打印順序規(guī)劃，不斷切換機(jī)械手在兩類區(qū)域的打印，直到完成所有打印任務(wù)，成功消除了打印頭碰撞的可能性，并充分利用了打印頭的效率。
圖1 打印區(qū)域兩次劃分
圖2 打印順序規(guī)劃
針對(duì)以上算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過比較協(xié)作打印和獨(dú)立打印之間的打印時(shí)間差異，可以發(fā)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)以幾乎四倍的效率實(shí)現(xiàn)了相同的打印任務(wù)。結(jié)果表明，分配打印作業(yè)時(shí)，每個(gè)機(jī)器人的工作量幾乎可以保持一致。主要影響因素是分割區(qū)域和分割線上輔助路徑的偏差。