CN104763151A - 建筑工程施工用3d打印系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑工程施工用3D打印系统及其定位方法，包括多关节机械手、3D打印机打印挤出头装置、ECU控制单元和至少三根设置于建筑工地四周不在一条直线上的定位杆，多关节机械手的手持端安装3D打印机打印挤出头装置，3D打印机打印挤出头装置上设有信号收发器，定位杆上均设有至少三个定位源，信号接收器与定位源通讯连接，定位杆的信号收发端连接ECU控制单元的收发端，ECU控制单元的驱动端连接多关节机械手的受控端，具有高灵活性，可以在各种复杂布局的建筑物进行打印作业，同时，该系统的机构简单、占地面积小，便于组装使用。

Description

建筑工程施工用3D打印系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印系统及其定位方法，尤其涉及一种适用于建筑工程施工3D打印系统及其定位方法，属于建筑工程施工技术领域。

背景技术

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

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技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

据申请人了解，建筑用3D打印机是通过设有X/Y/Z三轴的立体控制支架实现定位，3D打印机喷头在三轴的导轨上移动进行打印操作，例如申请号为201410176698.2，授权公告号为103967276A的中国发明专利（名称：基于 3D 打印技术的建筑工程施工装置及应用方法）。

然而，申请人经研究发现，由于建筑工程占地面积较大，立体控制支架的尺寸规格也相应的很大，在施工时组装复杂，且会受到地形条件的影响，3D打印机喷头随着支架的轨道移动，容易受到位置限制，难以在结构较为复杂的建筑布局中进行添加打印。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种建筑工程施工用3D打印系统及其定位方法，具有高灵活性，可以在各种复杂布局的建筑物进行打印作业，同时，该系统的机构简单、占地面积小，便于组装使用。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种建筑工程施工用3D打印系统，包括多关节机械手、3D打印机打印挤出头装置、ECU控制单元和至少三根设置于建筑工地四周不在一条直线上的定位杆，多关节机械手的手持端安装3D打印机打印挤出头装置，3D打印机打印挤出头装置上设有信号收发器，定位杆上均设有至少三个定位源，信号接收器与定位源通讯连接，定位杆的信号收发端连接ECU控制单元的收发端，ECU控制单元的驱动端连接多关节机械手的受控端，ECU控制单元含有：

建标装置，用于在建筑屋内任意取一点作为基准点，并构建以此点为原点的X-Y-Z轴三维坐标系。

采集装置，用于接收定位杆发送的定位杆位置数据和实时3D打印机打印挤出头装置位置数据，并将数据保存在存储模块中。

标识装置，用于将采集装置采集的定位杆位置数据在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并得出各个定位杆相对于基准点的坐标值；再根据各个定位杆发送的实时3D打印机打印挤出头装置与各个定位杆之间距离的数据，将3D打印机打印挤出头装置的位置在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并获取其在X-Y-Z轴三维坐标系中相对于基准点的实时的坐标值。

定点装置，用于获取ECU控制单元设定的3D打印机打印挤出头装置坐标值与各个定位杆坐标值之间的距离数值，再将距离数值通过定位杆的定位源发送至3D打印机打印挤出头装置的信号收发器上。

驱动装置，用于通过驱动端控制多关节机械手将3D打印机打印挤出头装置移动至设定的坐标位置。

本发明进一步限定的技术方案是：定位杆为伸缩杆，伸缩杆的基础滑竿竖直固定于地面，基础滑竿内套接有至少一根分支滑竿，基础滑竿与各分支滑竿的上管口处均设有锁紧装置，第一滑竿与各分支滑竿的管体上均安装有定位源。

进一步的，3D打印机打印挤出头装置包括机筒，机筒的上端设有进料口，其内部沿轴向设有螺旋输送辊，螺旋输送辊的一端固定于机筒的喷口内侧，其另一端沿轴向延伸至机筒外通过调速装置与伺服电机的传动轴连接，机筒的喷口外侧安装模头和信号收发器。

进一步的，多关节机械手包括机架、第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，机架安装于设备车上并通过旋转传动机构与第一机械臂的一端连接，第一机械臂的另一端铰接第二机械臂的铰接端，第三机械臂的连接端铰接第二机械臂远离铰接端的一端、其固定端安装3D打印机打印挤出头装置。

进一步的，ECU控制单元的输出端连接LCD显示屏和运行指示设备。

一种建筑工程施工用3D打印的定位方法，在由多关节机械手、3D打印机打印挤出头装置、ECU控制单元和至少三根设置于建筑工地四周不在一条直线上的定位杆够成的建筑工程施工用3D打印系统中，所述多关节机械手的手持端安装所述3D打印机打印挤出头装置，所述3D打印机打印挤出头装置上设有信号收发器，所述定位杆上均设有至少三个定位源，所述信号接收器与所述定位源通讯连接，所述定位杆的信号收发端连接所述ECU控制单元的收发端，所述ECU控制单元的驱动端连接所述多关节机械手的受控端，其特征在于，所述ECU控制单元运行如下步骤：

建标步骤，在建筑屋内任意取一点作为基准点，并构建以此点为原点的X-Y-Z轴三维坐标系。

采集步骤，接收定位杆发送的定位杆位置数据和实时3D打印机打印挤出头装置位置数据，并将数据保存在存储模块中。

标识步骤，将采集步骤采集的定位杆位置数据在建标步骤建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并得出各个定位杆相对于基准点的坐标值；再根据各个定位杆发送的实时3D打印机打印挤出头装置与各个定位杆之间距离的数据，将3D打印机打印挤出头装置的位置在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并获取其在X-Y-Z轴三维坐标系中相对于基准点的实时的坐标值。

定点步骤，获取ECU控制单元设定的3D打印机打印挤出头装置坐标值与各个定位杆坐标值之间的距离数值，再将距离数值通过定位杆的定位源发送至3D打印机打印挤出头装置的信号收发器上。

驱动步骤，驱动端控制多关节机械手将3D打印机打印挤出头装置移动至设定的坐标位置。

本发明的有益效果是：通过三根定位柱定位打印挤出头装置的具体位置，在移动过程中去除了现有建筑施工打印机的轨道框架，采用多关节机械手移动，无需再使用庞大的框架设备并减少了施工时的占地面积，降低了使用成本；3D打印机打印挤出头装置可以伸入建筑中进行复杂结构的打印施工作业，移动更为灵活便捷。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

图2为本发明实施例的3D打印机打印挤出头装置的结构示意图。

图3为本发明实施例的定位杆结构示意图。

图4为本发明实施例的多关节机械手结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种建筑工程施工用3D打印系统，如图1所示，包括多关节机械手1、3D打印机打印挤出头装置2、ECU控制单元和至少三根设置于建筑工地四周不在一条直线上的定位杆3，多关节机械手1的手持端安装3D打印机打印挤出头装置2，3D打印机打印挤出头装置2上设有信号收发器2-5，定位杆3上均设有至少三个定位源，信号接收器与定位源通讯连接，定位杆的信号收发端连接ECU控制单元的收发端，ECU控制单元的驱动端连接多关节机械手1的受控端，ECU控制单元含有：

建标装置，用于在建筑屋内任意取一点作为基准点，并构建以此点为原点的X-Y-Z轴三维坐标系。

采集装置，用于接收定位杆发送的定位杆位置数据和实时3D打印机打印挤出头装置位置数据，并将数据保存在存储模块中。

标识装置，用于将采集装置采集的定位杆位置数据在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并得出各个定位杆相对于基准点的坐标值；再根据各个定位杆发送的实时3D打印机打印挤出头装置与各个定位杆之间距离的数据，将3D打印机打印挤出头装置的位置在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并获取其在X-Y-Z轴三维坐标系中相对于基准点的实时的坐标值。

定点装置，用于获取ECU控制单元设定的3D打印机打印挤出头装置坐标值与各个定位杆坐标值之间的距离数值，再将距离数值通过定位杆的定位源发送至3D打印机打印挤出头装置的信号收发器上。

驱动装置，用于通过驱动端控制多关节机械手将3D打印机打印挤出头装置移动至设定的坐标位置。

如图2所示，3D打印机打印挤出头装置2包括机筒2-1，机筒2-1的上端设有进料口2-2，其内部沿轴向设有螺旋输送辊2-3，螺旋输送辊2-3的一端固定于机筒2-1的喷口2-4内侧，其另一端沿轴向伸出机筒2-1外通过调速装置与伺服电机的传动轴连接，机筒的喷口外侧安装模头和信号收发器2-5。

如图3所示，定位杆3为伸缩杆，伸缩杆的基础滑竿3-1竖直固定于地面，基础滑竿3-1内套接有至少一根分支滑竿3-2，基础滑竿3-1与各分支滑竿3-2的上管口处均设有锁紧装置，第一滑竿3-1与各分支滑竿3-2的管体上均安装有定位源3-3。

如图4所示，多关节机械手1包括机架1-1、第一机械臂1-2、第二机械臂1-3和第三机械臂1-4，机架1-1安装于设备车上并通过旋转传动机构与第一机械臂1-2的一端连接，第一机械臂1-2的另一端铰接第二机械臂1-3的铰接端，第三机械臂1-4的连接端铰接第二机械臂1-3远离铰接端的一端、其固定端安装3D打印机打印挤出头装置2。

ECU控制单元的输出端连接LCD显示屏和运行指示设备。

一种建筑工程施工用3D打印的定位方法，在由多关节机械手1、3D打印机打印挤出头装置、2ECU控制单元和至少三根设置于建筑工地四周不在一条直线上的定位杆3够成的建筑工程施工用3D打印系统中，多关节机械手1的手持端安装3D打印机打印挤出头装置2，3D打印机打印挤出头装置2上设有信号收发器，定位杆3上均设有至少三个定位源，信号接收器与定位源通讯连接，定位杆3的信号收发端连接ECU控制单元的收发端，ECU控制单元的驱动端连接多关节机械手1的受控端，ECU控制单元运行如下步骤：

建标步骤，在建筑屋内任意取一点作为基准点，并构建以此点为原点的X-Y-Z轴三维坐标系。

采集步骤，接收定位杆发送的定位杆位置数据和实时3D打印机打印挤出头装置位置数据，并将数据保存在存储模块中。

标识步骤，将采集步骤采集的定位杆位置数据在建标步骤建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并得出各个定位杆相对于基准点的坐标值；再根据各个定位杆发送的实时3D打印机打印挤出头装置与各个定位杆之间距离的数据，将3D打印机打印挤出头装置的位置在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并获取其在X-Y-Z轴三维坐标系中相对于基准点的实时的坐标值。

定点步骤，获取ECU控制单元设定的3D打印机打印挤出头装置坐标值与各个定位杆坐标值之间的距离数值，再将距离数值通过定位杆的定位源发送至3D打印机打印挤出头装置的信号收发器上。

本实施例打印楼梯时，ECU控制单元在建筑屋内取一点作为基准点，并构建以此点为原点的X-Y-Z轴三维坐标系，标识出定位杆A的坐标为（6、0、0）、定位杆B的坐标为（0、3、0）、定位杆C的坐标为（0、-3、0），ECU控制单元接收到3D打印机打印挤出头装置与定位杆A的距离为6、与定位杆B的坐标距离为4、与定位杆C的距离为3，可标识出3D打印机打印挤出头装置的初始位置坐标为（0、0、0），操作人员输入打印楼梯的坐标为（4、0、0），计算出定位杆A与打印楼梯坐标距离为2、定位杆B与打印楼梯坐标距离为5、定位杆C与打印楼梯坐标距离5，然后驱动多关节机械手将3D打印机打印机出头装置移动至坐标（4、0、0）进行打印。

本实施例通过多根定位柱定位打印挤出头装置的具体位置，定位杆的数目越多定位的精度越高，在移动过程中去除了现有建筑施工打印机的轨道框架，采用多关节机械手移动，无需再使用庞大的框架设备并减少了施工时的占地面积，降低了使用成本；3D打印机打印挤出头可以伸入建筑中进行复杂结构的打印施工作业，移动更为灵活便捷。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种建筑工程施工用3D打印系统，其特征在于，包括多关节机械手、3D打印机打印挤出头装置、ECU控制单元和至少三根设置于建筑工地四周不在一条直线上的定位杆，所述多关节机械手的手持端安装所述3D打印机打印挤出头装置，所述3D打印机打印挤出头装置上设有信号收发器，所述定位杆上均设有至少三个定位源，所述信号接收器与所述定位源通讯连接，所述定位杆的信号收发端连接所述ECU控制单元的收发端，所述ECU控制单元的驱动端连接所述多关节机械手的受控端，所述ECU控制单元含有：

建标装置，用于在建筑屋内任意取一点作为基准点，并构建以此点为原点的X-Y-Z轴三维坐标系；

采集装置，用于接收定位杆发送的定位杆位置数据和实时3D打印机打印挤出头装置位置数据，并将数据保存在存储模块中；

标识装置，用于将采集装置采集的定位杆位置数据在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并得出各个定位杆相对于基准点的坐标值；再根据各个定位杆发送的实时3D打印机打印挤出头装置与各个定位杆之间距离的数据，将3D打印机打印挤出头装置的位置在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并获取其在X-Y-Z轴三维坐标系中相对于基准点的实时的坐标值；

定点装置，用于获取ECU控制单元设定的3D打印机打印挤出头装置坐标值与各个定位杆坐标值之间的距离数值，再将距离数值通过定位杆的定位源发送至3D打印机打印挤出头装置的信号收发器上；

驱动装置，用于通过驱动端控制多关节机械手将3D打印机打印挤出头装置移动至设定的坐标位置。

2.根据权利要求1所述的一种建筑工程施工用3D打印系统，其特征在于，所述定位杆为伸缩杆，所述伸缩杆的基础滑竿竖直固定于地面，所述基础滑竿内套接有至少一根分支滑竿，所述基础滑竿与各所述分支滑竿的上管口处均设有锁紧装置，所述第一滑竿与各所述分支滑竿的管体上均安装有定位源。

3.根据权利要求1所述的一种建筑工程施工用3D打印系统，其特征在于，所述3D打印机打印挤出头装置包括机筒，所述机筒的上端设有进料口，其内部沿轴向设有螺旋输送辊，所述螺旋输送辊的一端固定于机筒的喷口内侧，其另一端沿轴向延伸至机筒外通过调速装置与伺服电机的传动轴连接，所述机筒的喷口外侧安装模头和信号收发器。

4.根据权利要求1所述的一种建筑工程施工用3D打印系统，其特征在于，所述多关节机械手包括机架、第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，所述机架安装于设备车上并通过旋转传动机构与所述第一机械臂的一端连接，所述第一机械臂的另一端铰接所述第二机械臂的铰接端，所述第三机械臂的连接端铰接所述第二机械臂远离铰接端的一端、其固定端安装3D打印机打印挤出头装置。

5.根据权利要求1所述的一种建筑工程施工用3D打印系统，其特征在于，所述ECU控制单元的输出端连接LCD显示屏和运行指示设备。

6.一种建筑工程施工用3D打印的定位方法，在由多关节机械手、3D打印机打印挤出头装置、ECU控制单元和至少三根设置于建筑工地四周不在一条直线上的定位杆够成的建筑工程施工用3D打印系统中，所述多关节机械手的手持端安装所述3D打印机打印挤出头装置，所述3D打印机打印挤出头装置上设有信号收发器，所述定位杆上均设有至少三个定位源，所述信号接收器与所述定位源通讯连接，所述定位杆的信号收发端连接所述ECU控制单元的收发端，所述ECU控制单元的驱动端连接所述多关节机械手的受控端，其特征在于，所述ECU控制单元运行如下步骤：

建标步骤，在建筑屋内任意取一点作为基准点，并构建以此点为原点的X-Y-Z轴三维坐标系；

采集步骤，接收定位杆发送的定位杆位置数据和实时3D打印机打印挤出头装置位置数据，并将数据保存在存储模块中；

标识步骤，将采集步骤采集的定位杆位置数据在建标步骤建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并得出各个定位杆相对于基准点的坐标值；再根据各个定位杆发送的实时3D打印机打印挤出头装置与各个定位杆之间距离的数据，将3D打印机打印挤出头装置的位置在建标装置建立的X-Y-Z轴三维坐标系上标识出来，并获取其在X-Y-Z轴三维坐标系中相对于基准点的实时的坐标值；

定点步骤，获取ECU控制单元设定的3D打印机打印挤出头装置坐标值与各个定位杆坐标值之间的距离数值，再将距离数值通过定位杆的定位源发送至3D打印机打印挤出头装置的信号收发器上；

驱动步骤，驱动端控制多关节机械手将3D打印机打印挤出头装置移动至设定的坐标位置。