3D Printing with a 6-axis Robot: Trajectory Generation and Printer Head Command Using ROS

Abstract

Pysyäkseen digitalisaation perässä pienet ja keskisuuret yritykset tarvitsevat edullisia, moniprosessisia robottiratkaisuja kappaleiden valmistukseen uudelleenkonfiguroitavissa työtiloissa. Tämän projektin pitkän aikavälin tavoitteena on kehittää mobiili teollisuusrobotti, joka pystyisi työstämään kappaleita käyttäen kolmiulotteista tulostusta tai lastuavia työstömenetelmiä. Opinnäytetyö on tehty HEIG-VD yliopistolle.

Opinnäytetyö oli jatko-osa David Rüeggin opinnäytetyölle ja on askel kohti suurempaa projektitavoitetta. Se perustui ROS:iin, avoimen lähdekoodin robottioperaatiojärjestelmään. Työssä käytettiin 6-akselista käsivarsirobottia, johon oli asennettu mukautettu työkalu kolmiulotteista tulostusta varten.

Opinnäytetyössä jatkettiin käsivarsirobotin konfigurointia, tutkittiin osien tulostamiseen liittyvää työkalua sekä luotiin sille ohjelma, jotta tulostin voisi vastaanottaa komentoja ROS-ympäristössä, sekä toimia käsivarsirobotin kanssa yhtäaikaisesti. Opinnäytetyössä käsiteltiin myös G-kooditiedoston luomista CAD-mallista, joka sisältää komentoja käsivarsirobotille ja kolmiulotteiselle tulostimelle. Lisäksi mukautettiin ohjelmistoa, jotta robotin liikeradat voidaan suorittaa oikein ja määrätyssä paikassa.

Opinnäytetyön tuloksena saatiin jatkokehitettyä tarvittavia työkaluja kolmiulotteista tulostusta varten, kerättiin lisää tietoa tulevaan kehitykseen sekä otettiin askel lähemmäs projektin lopputavoitetta. Valmis opinnäytetyö tarjoaa myös mahdollisuuden projektin tulevalle kehitykselle, jonka suunniteltu valmistumisaika on syyskuussa 2021.

To follow digitalization, small and medium sized enterprises are in need for affordable, multiprocess robotic solutions for manufacturing in reconfigurable workshop spaces. This project’s long term goal is developing a mobile, self-referencing industrial robotic platform for additive/subtractive manufacturing of composites structures.

This project is an extension of a David Rüegg’s bachelor thesis work and is a step with respect to the global project goal. It is based on ROS, an open-source Robot Operating System middleware. The robot used in this project is a Stäubli TX40, a 6 Degree Of Freedom (6-DOF) robotic arm. The attached tool is a custom made thermoplastic extractor. This thesis work has been made for Haute Ecole d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD).

The goal of this thesis project was to develop forward what has been previously done, with the aim to make physical object printing possible using 6-DOF robotic arm. Foundation has been laid for making communication possible with the robot, using ROS middleware, and to be able to send few coordinate points to the robot for execution. Topic related to printing parts was not studied.

This thesis project dealt with researching a wide array of variables. Generating a G-code file which included commands for the robot and the custom printer from the CAD model. Creating and adjusting tools for the robot so it could execute trajectories properly in a defined place. Integrating previously unknown custom printer tools. Creating a program capable of communication via ROS-middleware, which commands the printer in synchronization with the robot.

The completed thesis work provides an opportunity for the future development, which is planned to be finished in September 2021.