CN104164971B - 一种建筑用3d打印装置的轨道横梁系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，包括水平设置的圆形轨道梁、打印头横梁以及用于设置打印头的打印头杆，所述打印头横梁的中心与所述圆形轨道梁的圆心重合，所述打印头横梁的两端分别与所述圆形轨道梁滑动连接，所述打印头横梁能够绕所述圆形轨道梁的圆心在所述圆形轨道梁所在平面内转动，所述打印头杆竖向设置，所述打印头杆的上端与打印头横梁滑动连接，所述打印头杆能够相对所述打印头横梁做直线运动，通过打印头横梁的旋转运动及打印头杆沿打印头横梁的直线运动能够实现打印头在圆形轨道梁投影面积内的全方位定位，故可实现以极坐标系形式对打印头进行定位，与基于直角坐标系的结构相比具有更高的打印精度和效率。

Description

一种建筑用3D打印装置的轨道横梁系统

技术领域

本发明属于建筑施工领域，特别涉及一种建筑用3D打印装置的轨道横梁系统。

背景技术

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有粉末状金属或塑料等可粘合材料，与电脑连接后，通过一层又一层的多层打印方式，最终把计算机上的蓝图变成实物。

随着3D打印技术的发展并逐渐成熟，3D打印技术给制造业带来技术革新。在劳动力密集型的建筑行业，如能引入3D打印技术进行工程施工生产，在施工效率，生产成本，工程工期，机械化自动化水平提高等方面均能有很大程度的提高。

现有的适用于建筑施工用的3D打印设备主要是基于直角坐标系定位的轨道横梁系统，打印头的定位精度和打印效率比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，可以实现极坐标定位，定位精度和打印效率高。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，包括水平设置的圆形轨道梁、打印头横梁以及用于设置打印头的打印头杆，所述打印头横梁的中心与所述圆形轨道梁的圆心重合，所述打印头横梁的两端分别与所述圆形轨道梁滑动连接，所述打印头横梁能够绕所述圆形轨道梁的圆心在所述圆形轨道梁所在平面内转动，所述打印头杆竖向设置，所述打印头杆的上端与打印头横梁滑动连接，所述打印头杆能够相对所述打印头横梁做直线运动。

优选的，所述打印头横梁与所述圆形轨道梁通过横梁滑块连接，所述圆形轨道梁为C型空腔梁，所述横梁滑块为与所述圆形轨道梁的C型空腔相匹配的弧形滑块，所述打印头横梁的两端分别与嵌设于所述圆形轨道梁的C型空腔内的对应的横梁滑块刚性连接。

优选的，在上述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统中，还包括横梁驱动机构，所述横梁驱动机构设置于所述横梁滑块上，所述横梁驱动机构包括第一驱动电机、第一传动机构以及第一滚轮对,所述横梁滑块嵌设于所述圆形轨道梁的C型空腔内，所述第一滚轮对与所述圆形轨道梁的C型空腔的内壁相接触，所述第一驱动电机经所述第一传动机构带动所述第一滚轮对转动，使得所述横梁滑块沿着所述圆形轨道梁移动。

优选的，在上述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统中，还包括横梁驱动机构，所述横梁驱动机构包括第三驱动电机以及第一支架，所述第一支架固定设置于所述圆形轨道梁的上方，所述第三驱动电机设置于所述第一支架上与所述圆形轨道梁的圆心相对应的位置，所述第三驱动电机的输出部与所述打印头横梁的中心部连接，通过所述第三驱动电机的旋转运动带动所述打印头横梁绕所述圆形轨道梁的圆心在所述圆形轨道梁所在平面内转动。

优选的，所述打印头杆与所述打印头横梁通过打印杆滑块连接，所述打印头横梁为工字型梁，且所述打印头横梁的底板设有C型开口腔，C型开口腔的开口方向朝向远离圆形轨道梁的方向，所述打印杆滑块为与所述打印头横梁的C型开口腔相匹配的方形滑块，所述打印头杆上远离打印头的一端与所述打印杆滑块刚性连接。

优选的，在上述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统中，还包括打印头杆驱动机构，所述打印头杆驱动机构包括第二驱动电机、第二传动机构以及第二滚轮对，所述打印头杆驱动机构设置于所述打印杆滑块上，所述打印杆滑块嵌设于所述打印头横梁的C型开口腔内，所述第二滚轮对与所述打印头横梁的C型开口腔的内壁相接触，所述第二驱动电机经所述第二传动机构带动所述第二滚轮对转动，使得所述打印杆滑块沿着所述打印头横梁移动。

优选的，在上述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统中，还包括打印头杆驱动机构，所述打印头杆驱动机构包括：由丝杠与螺母组成丝杠螺母副、第四驱动电机、以及第二支架，所述螺母与所述打印头杆刚性连接，所述丝杠通过所述第二支架设置于所述打印头横梁的斜上方且所述丝杠与所述打印头横梁相平行，所述第四驱动电机驱动所述丝杠转动，所述丝杠经所述螺母带动所述打印头杆沿着所述打印头横梁移动。

优选的，所述打印头设置于所述打印头杆的下端，所述打印头杆上设有能够带动所述打印头上下移动的伸缩机构。

本发明提供的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，包括水平设置的圆形轨道梁、打印头横梁以及用于设置打印头的打印头杆，所述打印头横梁的中心与所述圆形轨道梁的圆心重合，所述打印头横梁的两端分别与所述圆形轨道梁滑动连接，所述打印头横梁能够绕所述圆形轨道梁的圆心在所述圆形轨道梁所在平面内转动，所述打印头杆竖向设置，所述打印头杆的上端与打印头横梁滑动连接，通过打印头横梁的旋转运动及打印头杆沿打印头横梁的直线运动能够实现打印头在圆形轨道梁投影面积内的全方位定位,因此，采用本发明轨道横梁系统的建筑用3D打印装置可以实现基于极坐标系形式对打印头进行定位，与基于直角坐标系建筑用3D打印装置和方法相比，具有以下优点：

1.打印头运动轨迹可以是真实的圆，而不再是近似的多边形，因此定位精度和定位效果更加高。

2.加工时，建筑物截面轮廓可以一次完成，从而缩短加工周期，提升打印效率。

3.打印头运动轨迹的计算更加方便，除了打印头离开圆形轨道梁所在平面的距离外，只需计算打印头与圆形轨道梁的垂直中轴线的距离以及旋转的角度即可，该打印头与圆形轨道梁的垂直中轴线的距离小于圆形轨道梁的半径，因而计算控制较为简单，降低了生产成本，具有显著的经济效果。

附图说明

图1为应用本发明实施例1的轨道横梁系统的建筑用3D打印装置的主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例1中的轨道横梁系统的结构示意图；

图4为图3的a-a剖视示意图；

图5为图4的b-b剖视示意图；

图6为图4的c-c剖视示意图；

图7为本发明实施例1中横梁滑块、圆形轨道梁以及横梁驱动机构的装配示意图；

图8为本发明实施例1中横梁滑块上与圆形轨道梁相对的一面的结构示意图；

图9为本发明实施例2中横梁驱动机构的结构示意图；

图10为本发明实施例3中打印头杆驱动机构的俯视结构示意图；

图11为本发明实施例3中打印头杆驱动机构的侧视结构示意图。

图中，1-圆形轨道梁、2-打印头横梁、3-打印头杆、4-打印头、5-支撑、6-底座、7-建筑物、8-横梁滑块、9-第一驱动电机、10-第一滚轮对、11-打印头杆滑块、12-第二滚轮对、13-第三驱动电机、14-第一支架、15-丝杠、16-螺母、17-第四驱动电机、18-第二支架、19-连接件。

具体实施方式

本发明的中心思想在于，本建筑用3D打印装置的轨道横梁系统通过打印头横梁的旋转运动及打印头杆沿打印头横梁的直线运动能够实现打印头在圆形轨道梁投影面积内的全方位定位，因此，可以实现以极坐标系形式对打印头进行定位，具有较高的打印精度和效率。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

请参阅图1至图8，本实施例公开了一种建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，包括水平设置的圆形轨道梁1、打印头横梁2以及用于设置打印头4的打印头杆3，所述打印头横梁2的中心与所述圆形轨道梁1的圆心重合，所述打印头横梁2的两端分别与所述圆形轨道梁1滑动连接，所述打印头横梁2能够绕所述圆形轨道梁1的圆心在所述圆形轨道梁1所在平面内转动，所述打印头杆3竖向设置，所述打印头杆3的上端与打印头横梁2滑动连接，通过打印头横梁2的旋转运动及打印头杆3沿打印头横梁2的直线运动能够实现打印头4在圆形轨道梁1竖向投影面积内的全方位定位。在采用本实施例的轨道横梁系统的建筑用3D打印装置中，所述圆形轨道梁1通过若干所述支撑5水平架空设置，且所述支撑5的下端统一安装在底座6上。所述打印头杆3与所述圆形轨道梁1相互垂直，并且所述打印头杆3的一端与所述打印头横梁2滑动连接，所述打印头杆3的另一端设置所述打印头4，所述打印头杆3能够伸缩，带动所述打印头4上下移动，所述打印头4能够跟随所述打印头杆3沿着所述打印头横梁2移动。采用该轨道横梁系统的建筑用3D打印装置，通过打印头横梁2的旋转运动及打印头杆3沿打印头横梁2的直线运动能够实现打印头4在圆形轨道梁1投影面积内的全方位定位，通过打印头杆3的伸缩能够实现打印头4的上下移动，因此采用该轨道横梁系统的建筑用3D打印装置，可以基于极坐标系形式对打印头4进行定位。

与基于直角坐标系建筑用3D打印装置和方法相比，一方面，打印头4运动轨迹可以是真实的圆，而不再是近似的多边形，因此定位精度和定位效果更加高。另一方面，加工时，建筑物7截面轮廓可以一次完成，从而缩短加工周期，提升打印效率。再一方面，打印头4运动轨迹的计算更加方便，除了打印头4离开圆形轨道梁1所在平面的距离外，只需计算打印头4与圆形轨道梁1的垂直中轴线的距离以及旋转的角度即可，该打印头4与圆形轨道梁1的垂直中轴线的距离小于圆形轨道梁1的半径，因而计算控制较为简单，降低了生产成本，具有显著的经济效果。

采用上述结构轨道横梁系统的建筑用3D打印装置，可以在所述圆形轨道梁1所在的平面建立二维极坐标系，圆形轨道梁1的圆心作为极坐标系的极点，在圆形轨道梁1所在平面内从极点引一条射线作为极轴，所述二维坐标系在竖直方向延伸形成三维圆柱坐标系，所述打印头4在所述三维圆柱坐标系内的圆柱坐标为(ρ，z)，其中，ρ表示打印头4在圆形轨道梁1所在平面的投影点到极点的距离，表示打印头4在圆形轨道梁1所在平面的投影点与极轴之间的夹角，z表示打印头4离开圆形轨道梁所在的平面的距离，通过打印头横梁2的旋转运动及打印头杆3沿打印头横梁2的直线运动能够实现打印头4在圆形轨道梁投影面积内的全方位定位，可以实现以极坐标系形式对打印头4进行定位，具有较高的打印精度和效率。

优选的，所述打印头横梁2与所述圆形轨道梁1通过横梁滑块8连接，所述圆形轨道梁1为C型空腔梁，所述横梁滑块8为与所述圆形轨道梁1的C型空腔相匹配的弧形滑块，所述打印头横梁2的两端分别与嵌设于所述圆形轨道梁1的C型空腔内的对应的横梁滑块8刚性连接。

优选的，请重点参阅图7和图8，并请结合参阅图1至图6，在上述的基于极坐标定位的建筑用3D打印装置中，还包括横梁驱动机构，所述横梁驱动机构设置于所述横梁滑块上，所述横梁驱动机构包括第一驱动电机9、第一传动机构(未图示)以及第一滚轮对10,所述横梁滑块8嵌设于所述圆形轨道梁1的C型空腔内，所述第一滚轮对10与所述圆形轨道梁1的C型空腔的内壁相接触，所述第一驱动电机9经所述第一传动机构带动所述第一滚轮对10转动，使得所述横梁滑块8沿着所述圆形轨道梁1移动。

优选的，所述打印头杆3与所述打印头横梁2通过打印头杆滑块11连接，所述打印头横梁2为工字型梁，该工字型梁包括底板、顶板以及中间板，所述底板和顶板平行设置，所述中间板垂直设置于所述底板和顶板的中部，所述打印头横梁2的底板设有C型开口腔，C型开口腔的开口方向朝向远离圆形轨道梁1的方向，所述打印头杆滑块11为与所述打印头横梁2的C型开口腔相匹配的方形滑块，所述打印头杆3上远离打印头4的一端与所述打印头杆滑块11刚性连接。

优选的，在上述的基于极坐标定位的建筑用3D打印装置中，还包括打印头杆驱动机构，所述打印头杆驱动机构作为打印头杆3的驱动结构，该结构形式与支撑5以及打印头横梁2的驱动结构形式相同。具体的，可参阅图7和图8，所述打印头杆驱动机构包括第二驱动电机(相当于图7-8中的第一驱动电机9)、第二传动机构以及第二滚轮对12(相当于图7-8中的第一滚轮对10)，所述打印头杆驱动机构设置于所述打印头杆滑块11(相当于图7-8中的横梁滑块8)上，所述打印头杆滑块11嵌设于所述打印头横梁2的C型开口腔内，所述第二滚轮对12与所述打印头横梁2的C型开口腔的内壁相接触，所述第二驱动电机经所述第二传动机构带动所述第二滚轮对12转动，使得所述打印头杆滑块11沿着所述打印头横梁2移动。

为了支撑5更加平稳地支撑圆形轨道梁1，所述支撑5均匀分布于所述圆形轨道梁1的四周，且所述支撑5斜向设置，所述支撑5上远离圆形轨道梁1的一端向外倾斜，所述支撑5与所述圆形轨道梁1的轴线的夹角为5-15度，即所述支撑5与竖向的夹角为5-15度。上述倾斜角度的支撑5，可以为圆形轨道梁1提供更加稳固的支撑5，避免因圆形轨道梁1发生倾斜而降低打印头4的定位精度，从而提高打印精度和效率。

优选的，在上述的基于极坐标定位的建筑用3D打印装置中,还包括水平设置的底座6，所述支撑5的下端与所述底座6刚性连接，所述支撑5的上端与所述圆形轨道梁1刚性连接。通过设置底座6，可以更加精确且方便地固定各个支撑5的下端，提高该建筑用3D打印装置的安装速度和安装精度。

优选的，所述底座6呈圆形，所述圆形轨道梁1与所述底座6的轴线同轴设置，即所述圆形轨道梁1的圆心与所述底座6的圆心的连线与所述圆形轨道梁1所在的平面相垂直。通过设置圆形轨道梁1和底座6之间半径的比值，以及圆形轨道梁1和底座6之间的距离，可以很方便的将支撑调整到所需的角度，以提高圆形轨道梁的稳定性，从而提升打印效果。当然，所述底座6也可以呈矩形或者其他规则或者不规则形状，所述圆形轨道梁1的圆心与所述底座6的中心的连线与所述圆形轨道梁1所在的平面相垂直。

优选的，所述支撑5的数量是三根以上，且均匀分布于所述圆形轨道梁1以及底座6的四周。本实施例中，所述支撑5的数量是三根，且均匀分布于所述圆形轨道梁1以及底座6的四周。根据三点确定一个平面的原理，采用三根支撑5架起所述圆形轨道梁1，可以使得圆形轨道梁1得到更加平稳的支撑5，避免出现因某个支撑5不受力致使圆形轨道梁1在打印头4打印时容易发生抖动的现象，进一步保证打印精度。

优选的，所述打印头4设置于所述打印头杆3的下端，所述打印头杆3上设有能够带动所述打印头4上下移动的伸缩机构。伸缩机构为本领域常规技术手段，故在此不再赘述。

实施例2

请参阅图9，本实施例与实施例1的区别在于，所述横梁驱动机构的结构不同。本实施例中，所述横梁驱动机构包括第三驱动电机13以及第一支架14，所述第一支架14固定设置于所述圆形轨道梁1的上方，所述第三驱动电机13设置于所述第一支架上14与所述圆形轨道梁1的圆心相对应的位置，所述第三驱动电机13的输出部与所述打印头横梁2的中心部连接，通过所述第三驱动电机13的旋转运动带动所述打印头横梁2绕所述圆形轨道梁1的圆心在所述圆形轨道梁1所在平面内转动。当然，所述横梁驱动机构还可以采用其他结构实现，此处不一一列举。

实施例3

请参阅图10和图11，本实施例与实施例1以及实施例2的区别在于，所述打印头杆驱动机构的结构不同。本实施例中，由丝杠15与螺母16组成丝杠螺母副、第五驱动电机17、以及第二支架18，所述螺母16与所述打印头杆3通过连接件19刚性连接，所述丝杠15通过所述第二支架18设置于所述打印头横梁2的斜上方且所述丝杠15与所述打印头横梁2相平行，所述第五驱动电机17驱动所述丝杠15转动，所述丝杠15经所述螺母16带动所述打印头杆3沿着所述打印头横梁2移动。为了防止移动的螺母以及连接件19对实施例2中第三驱动电机13的运行干涉，所述丝杠15通过所述第二支架18设置于所述打印头横梁2的斜上方，而非正上方，此可以通过呈“L”的连接件实现。当然，所述打印头杆驱动机构还可以采用其他结构实现，此处不一一列举。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，包括水平设置的圆形轨道梁、打印头横梁以及用于设置打印头的打印头杆，所述打印头横梁的中心与所述圆形轨道梁的圆心重合，所述打印头横梁的两端分别与所述圆形轨道梁滑动连接，所述打印头横梁能够绕所述圆形轨道梁的圆心在所述圆形轨道梁所在平面内转动，所述打印头杆竖向设置，所述打印头杆的上端与打印头横梁滑动连接，所述打印头杆能够相对所述打印头横梁做直线运动。

2.如权利要求1所述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，所述打印头横梁与所述圆形轨道梁通过横梁滑块连接，所述圆形轨道梁为C型空腔梁，所述横梁滑块为与所述圆形轨道梁的C型空腔相匹配的弧形滑块，所述打印头横梁的两端分别与嵌设于所述圆形轨道梁的C型空腔内的对应的横梁滑块刚性连接。

3.如权利要求2所述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，还包括横梁驱动机构，所述横梁驱动机构设置于所述横梁滑块上，所述横梁驱动机构包括第一驱动电机、第一传动机构以及第一滚轮对,所述横梁滑块嵌设于所述圆形轨道梁的C型空腔内，所述第一滚轮对与所述圆形轨道梁的C型空腔的内壁相接触，所述第一驱动电机经所述第一传动机构带动所述第一滚轮对转动，使得所述横梁滑块沿着所述圆形轨道梁移动。

4.如权利要求2所述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，还包括横梁驱动机构，所述横梁驱动机构包括第三驱动电机以及第一支架，所述第一支架固定设置于所述圆形轨道梁的上方，所述第三驱动电机设置于所述第一支架上与所述圆形轨道梁的圆心相对应的位置，所述第三驱动电机的输出部与所述打印头横梁的中心部连接，通过所述第三驱动电机的旋转运动带动所述打印头横梁绕所述圆形轨道梁的圆心在所述圆形轨道梁所在平面内转动。

5.如权利要求1所述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，所述打印头杆与所述打印头横梁通过打印杆滑块连接，所述打印头横梁为工字型梁，且所述打印头横梁的底板设有C型开口腔，C型开口腔的开口方向朝向远离圆形轨道梁的方向，所述打印杆滑块为与所述打印头横梁的C型开口腔相匹配的方形滑块，所述打印头杆上远离打印头的一端与所述打印杆滑块刚性连接。

6.如权利要求5所述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，还包括打印头杆驱动机构，所述打印头杆驱动机构包括第二驱动电机、第二传动机构以及第二滚轮对，所述打印头杆驱动机构设置于所述打印杆滑块上，所述打印杆滑块嵌设于所述打印头横梁的C型开口腔内，所述第二滚轮对与所述打印头横梁的C型开口腔的内壁相接触，所述第二驱动电机经所述第二传动机构带动所述第二滚轮对转动，使得所述打印杆滑块沿着所述打印头横梁移动。

7.如权利要求5所述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，还包括打印头杆驱动机构，所述打印头杆驱动机构包括：由丝杠与螺母组成丝杠螺母副、第四驱动电机、以及第二支架，所述螺母与所述打印头杆刚性连接，所述丝杠通过所述第二支架设置于所述打印头横梁的斜上方且所述丝杠与所述打印头横梁相平行，所述第四驱动电机驱动所述丝杠转动，所述丝杠经所述螺母带动所述打印头杆沿着所述打印头横梁移动。

8.如权利要求1所述的建筑用3D打印装置的轨道横梁系统，其特征在于，所述打印头设置于所述打印头杆的下端，所述打印头杆上设有能够带动所述打印头上下移动的伸缩机构。