GMA增材制造技术是一种以电弧作为热源将金属丝材熔化的增材制造方法。GMA增材制造成本低,对现场装配要求简单,可用于成形复杂程度中等、尺寸较大的金属零件。采用GMA增材制造方式加工的零件可分为多层单道(单墙壁)零件和多层多道零件两种。近些年,针对单墙壁零件的相关技术已经处于成熟阶段。本文以多层多道熔敷为研究对象,以提高成形精度为目标,深入研究了具有不同结构的堆敷路径排布准则,并在此基础上开展了多层多道熔敷成形特性和尺寸控制的研究。首先,建立了机器人GMA增材制造加工软硬件系统平台,实现了待加工零件的模型建立、分层切片、路径规划、参数规划和实际堆积成形等功能。开展了不同参数条件下单熔敷道成形实验,并开发了熔敷道成形尺寸和加工参数的正反向预测算法。为消除起弧、弧端成形不良的现象,采用混合路径成形闭合熔敷层,建立了熔敷道平行搭接模型和T字搭接模型。发现了熔敷道平行搭接过程中出现的道中心偏移现象。获取了不同加工参数条件下熔敷道的偏移距离,建立模型对偏移距离进行预测。验证实验结果表明,所建立的熔敷道平行、T字搭接模型可成形搭接良好、表面平整的闭合熔敷层。研究了多熔敷层叠加成形不同块状结构的过程模型。分别针对平板成形直立结构、倾斜结构以及支撑轮廓内堆积的过程进行了深入剖析。发现了熔敷层叠加后层边缘处的材料缺失区域,提出了采用修改层边缘熔敷道堆积速度的方法解决了材料缺失区域带来的成形缺陷问题。在开环条件下进行了不同结构的多层多道熔敷成形实验,并研究了层内堆积顺序对成形形貌的影响。此外,为满足零件表面缺陷修复应用的基本需求,研究了支撑轮廓几何参数与填充熔敷道尺寸的关系。为保证支撑轮廓侧面与填充熔敷道充分熔合,研究了轮廓侧壁的倾斜角度的工艺区间。验证实验结果表明,所提出的层叠加模型可应用于破损模拟件的自动化修复。修复区域主体部分加工误差小于0.30mm,材料利用率达到97.3%。设计了基于线结构光传感器的多层多道熔敷成形尺寸检测算法,可自动获取单熔敷道的净成形轮廓与高度信息。采用开发的检测算法进行了熔敷道的成形规律研究。分别研究了块状结构内各位置熔敷道沿高度方向、沿堆敷方向高度变化规律,探索了负斜面(悬空斜面)塌陷程度的影响因素。开发了多层多道熔敷成形过程仿真软件,对直立结构、倾斜结构以及变参数条件下成形件的横截面形貌进行模拟。通过对比模拟结果和实际成形零件横截面,对模拟过程的准确性和所总结规律的正确性进行了验证。为保证GMA增材制造条件下零件各熔敷层成形高度与预设高度一致,提出了基于“层间检测+参数调整”思想的层间控制策略。根据零件实际成形高度与预设高度的偏差及变化,调整下一层相应位置熔敷道的堆积速度,对产生的成形偏差进行弥补。针对多层多道熔敷的特殊要求,提出了控制过程中,被控变量数目改变条件下的控制器参数的处理方法。基于所开发的多层多道熔敷过程仿真软件,优化了模糊推理机参数。进行了不同初始条件下多层多道熔敷成形控制验证实验。结果表明,所提出的控制策略和设计的控制器达到预期调控目的,成形验证件中各熔敷层表面均匀平整,直立结构成形偏差小于0.20mm,倾斜结构成形高度偏差小于0.26mm。最后,结合了本论文提出的关键技术,进行了典型复杂模拟件的实际成形验证实验。所设计的零件具备厚壁、悬空倾斜以及多构件组成等几何特征。进行了相应的分层切片、过程规划、参数规划等步骤。在实际的堆敷过程中,采取层间调控策略,通过调节堆积速度的方式减少零件成形高度偏差。零件成形表面高度偏差最大值为+0.79mm,最小值为-0.59mm,误差均值为0.03mm。零件中所有位置的层宽均大于预设数值。加工过程稳定,零件成形精度高,各熔敷层平整度好,达到预设加工目的。