Coordinated motion control of a wire arc additive manufacturing robotic system for multi-directional building parts

1. Problema Investigado

O artigo aborda os desafios técnicos da Manufatura Aditiva com Arco Elétrico e Arame (WAAM) na produção de peças com geometrias complexas e não planares.

• Limitações Atuais: Em processos WAAM convencionais, a deposição é frequentemente realizada em posição plana para garantir a qualidade da camada e a estabilidade da poça de fusão. No entanto, para peças com superfícies curvas ou inclinações variáveis, essa estratégia fixa resulta em:
  • Sobressaltos sem suporte (Overhangs): O material fundido pode escorrer para áreas indesejadas devido à gravidade.
  • Efeito "Escada" (Staircase effect): A necessidade de depositar camadas em superfícies curvas sem ajustar a orientação do bico gera degraus na superfície, prejudicando o acabamento e a precisão volumétrica.
  • Direção de Construção Fixa: A maioria dos sistemas usa um único robô (6 DOF) onde a direção de construção não se alinha com a gravidade em todas as camadas, exigindo estruturas de suporte complexas que aumentam o desperdício e o tempo de pós-processamento.
• Objetivo: Desenvolver um sistema de controle coordenado que permita depositar camadas em qualquer direção, mantendo a direção de construção (e a normal da poça de fusão) sempre alinhada com a gravidade, independentemente da geometria da peça.

2. Metodologia Proposta

Os autores propõem uma solução baseada em um sistema robótico redundante coordenado, composto por dois robôs:

1. Um manipulador robótico (6 DOF) que segura a tocha de solda.
2. Uma mesa de posicionamento (2 DOF) que segura a peça de trabalho (substrato).

Juntos, eles formam uma cadeia cinemática redundante de 8 graus de liberdade (DOF). A metodologia central utiliza Aumento de Tarefa (Task Augmentation) aplicada a uma cadeia cinemática estendida.

Principais Componentes do Controle:

• Definição de Tarefas:
  • Tarefa Principal: Rastreamento da trajetória do Ponto Central da Ferramenta (TCP) em relação ao quadro de referência do substrato (peça).
  • Tarefa Secundária (Restrição): Alinhamento da orientação do eixo Z da tocha com um quadro inercial (ex: direção da gravidade).
• Matriz Jacobiana Aumentada ($J_A$): O problema é formulado como um único vetor de tarefa aumentado que combina a posição/orientação da tocha e a restrição de alinhamento com a gravidade. A cinemática diferencial é expressa como:
  $$\begin{bmatrix} v \\ \omega_s \end{bmatrix} = J_A(\theta) \dot{\theta}$$
  Onde $v$ é a velocidade da tarefa principal e $\omega_s$ é a velocidade da tarefa secundária.
• Lei de Controle: Utiliza-se a pseudoinversa da matriz Jacobiana aumentada. Para lidar com singularidades algorítmicas (quando os eixos Z dos quadros de referência se alinham, causando perda de posto na matriz), emprega-se o método dos Mínimos Quadrados com Amortecimento (Damped Least Squares - DLS) com filtragem numérica. Isso permite suavizar a tarefa secundária sem afetar o rastreamento da trajetória de deposição.
• Estabilidade: A estabilidade assintótica do sistema em malha fechada é provada teoricamente usando a teoria de Lyapunov, considerando dinâmicas não modeladas dos controladores internos dos robôs.

3. Contribuições Chave

• Algoritmo de Controle Coordenado em Tempo Real: Diferente de métodos de planejamento offline que não podem corrigir erros durante a deposição, esta abordagem permite controle em malha fechada, ajustando parâmetros e trajetórias dinamicamente.
• Eliminação de Estruturas de Suporte: Ao manter a poça de fusão sempre horizontal (alinhada com a gravidade), o método elimina a necessidade de suportes artificiais para sobressaltos, reduzindo desperdício de material e tempo de usinagem pós-processo.
• Abordagem Geral via Aumento de Tarefa: A proposta oferece uma alternativa mais geral ao método de "prioridade de tarefa" (task-priority), demonstrando que a tarefa de alinhamento com a gravidade reside no espaço nulo da tarefa principal quando o sistema é redundante.
• Validação Experimental com Geometrias Complexas: O método foi testado com sucesso em três cenários desafiadores:
  1. Parede fina inclinada ($45^\circ$).
  2. Parede fina curva (arco de $90^\circ$).
  3. Funil de admissão (combinando cilindro reto e seção em sino curva).

4. Resultados Experimentais

Os experimentos foram realizados em uma célula WAAM com um robô KUKA KR90 e uma mesa KP2, utilizando soldagem CMT (Cold Metal Transfer).

• Precisão de Rastreamento: Os erros de posição e orientação (representados por vetores de erro de quaternião) convergiram para zero ou permaneceram dentro de limites aceitáveis para todas as camadas testadas.
• Qualidade da Peça:
  • Parede Inclinada: Produzida com 20 camadas, mantendo o alinhamento com a gravidade, resultando em boa simetria e sem escorrimento de metal.
  • Parede Curva: Demonstrou a capacidade de variar a orientação da tocha em relação à peça enquanto a tocha apontava para a gravidade. O erro RMS de inclinação convergiu rapidamente para zero.
  • Funil de Admissão: Uma peça complexa com seção cilíndrica e seção em sino foi fabricada com sucesso. O escaneamento 3D da peça final confirmou boa simetria e aderência à geometria projetada.
• Robustez: O sistema conseguiu lidar com ajustes necessários (como evitar colisões com parafusos da base) alterando a orientação desejada em relação à gravidade, demonstrando a flexibilidade do controlador.

5. Significado e Impacto

Este trabalho representa um avanço significativo para a manufatura aditiva metálica de grandes estruturas complexas:

• Eficiência Operacional: Reduz drasticamente o tempo de produção ao eliminar a necessidade de projetar e remover estruturas de suporte.
• Qualidade Superficial: Minimiza o efeito "escada" e melhora o acabamento superficial, reduzindo a necessidade de usinagem de acabamento.
• Versatilidade: Permite a fabricação de peças com geometrias que eram anteriormente inviáveis ou de baixa qualidade com sistemas WAAM de robô único.
• Aplicabilidade Industrial: A metodologia é compatível com hardware industrial padrão (robôs de solda e mesas de posicionamento) e pode ser integrada em linhas de produção existentes, sendo particularmente relevante para setores como óleo e gás, mineração e aeroespacial, onde peças complexas e de grande porte são necessárias.

Em resumo, o artigo demonstra que o controle coordenado baseado em aumento de tarefa é uma solução robusta e eficaz para superar as limitações gravitacionais na WAAM, permitindo a fabricação de peças complexas com alta qualidade e eficiência.