CN105599108A - 机器人打印建筑物的成型方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种采用机器人技术和三维打印技术实现建筑物快速建造的成型方法及其装置。本过程是：根据预打印的建筑物建立其三维CAD实体模型，再根据设计和功能要求获取该建筑物的实体结构信息、材料输送、运动轨迹等加工信息；输出成型材料的打印头安装在具有多个自由度的机械臂上，机械臂沿着一定的轨迹实现成型运动及加工；加工工具安装在具有多个自由度的机械臂上，在成型过程中,对需要表面修整的部位进行铣削、打磨、平整等处理;两个或多个机械臂相互配合实现具有一定复杂形状结构的建筑物的三维打印。本发明方法使得加工的建筑模型的内外表面质量更好，建筑质量更高，免除了大量的后处理工作，能够实现建筑物的快速、高效、高质量的打印成型。

Description

机器人打印建筑物的成型方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种机器人打印建筑物的成型方法及其装置，属于3D打印技术领域。

背景技术

现在的建筑行业正在趋向于标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理为主要特征的住宅产业化生产方式，并在设计、生产、施工、开发等环节形成完整的产业链，实现房屋建造全过程的工业化、集约化和社会化。建筑打印（也称建筑三维打印、建筑3D打印等）是未来建筑行业的发展方向之一，它是采用三维打印技术制作建筑物此类大型物体（也包括城市雕塑、景观建筑、功能建筑、家居家具、假山等）的一种以3D数字化模型驱动的自动化成型方法。它集成了三维打印、文化创意、环保建材等新技术与新观念为一体，代表了快速、高效、自动化、机械化、环保化的新型建筑模式，极大程度上实现了节约、绿色、低劳动强度、文明施工的现代生产方式，是传统建筑技术、传统建筑模式的机遇和挑战。

建筑打印不仅是一种全新的建筑方式，更是一种颠覆传统的产业革命和思维模式，其创造的艺术性、功能性、生态性建筑更加坚固耐用和低耗节能，不仅解放人力，还能大大降低建造成本，造出普通百姓都能住得起的房子。

建筑打印可以直接建造房屋或复杂结构，可以在现场打印整座建筑，也可以在现场之外打印一系列建筑模块再在现场组装，同时其它方法加固。建筑三维打印目前较常用于建造建筑物的复杂构件而非整座建筑。

当前的建筑打印一般采用类似于熔丝沉积制造工艺（FDM），利用螺杆泵等挤出机构输送混凝土、石膏等建筑材料而层层叠加成型；执行该工艺的3D打印建筑的设备主要采用龙门架结构，由一个龙门架完成X方向行走，横梁实现Y方向运动，打印头安装于横梁的立柱上实现Z方向运动，由打印头在X\Y\Z方向的运动配合建筑材料的挤出动作实现建筑物的层层打印与堆积，从而制作出不同的建筑结构。这种成型方法的成型速度慢、成型精度低，且存在由于材料固化速度较慢材料流动性大而导致的内外表面较为粗糙等诸多缺点，从而使得打印的建筑物在实用性和质量等方面存在不足。

巴萨罗那的加泰罗尼亚先进建筑研究所（IAAC）研究团队通过使用三个移动机器人进行建筑模型的3D打印，这三个小机器人在打印过程中分别执行不同的功能，在整体运作中互相协调，但又独立完成各自功能；但其打印的实物是建筑模型，而非功能性建筑。

本发明提出采用机器人技术和三维打印技术相结合的方式将能实现建筑物的高质量高效率打印成型。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种采用机器人技术和三维打印技术相结合的工艺制作建筑物的成型方法。

本发明是运用如下技术方案来实现发明目的：

1)建立模型：针对预三维打印的建筑物，根据该建筑物的功能和设计要求等要素，利用三维建模软件或数字化扫描技术以及数据处理技术，建立其三维CAD实体模型；

2)模型切片分层处理：之后对该CAD实体模型进行离散化切片分层处理，切片厚度根据建筑物的成型精度、成型效率等要素而定，从而获得一系列切片，再通过数据处理获取每层的实体结构信息、材料分布信息、运动轨迹等加工信息；

3)切片信息转化：将各二维切片的结构信息转化成相应的机器人运动的加工轨迹，使得各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的喷头相对应，以控制喷头的开与关；具有铣削、打磨、平整等功能的加工工具的运动与控制信息，与上述机器人加工轨迹和成型材料信息等融合而形成统一的加工文件，用来实现每个切片的精确堆积；

4）层层打印堆积：输出成型材料的打印头安装在具有多个自由度的机械臂上，机械臂沿着一定的轨迹实现成型运动及加工；加工工具安装在具有多个自由度的机械臂上，在成型过程中,对需要表面修整的部位进行铣削、打磨、平整等处理;两个或多个机械臂相互配合实现具有一定复杂形状结构的建筑物的三维打印。

对于所述的机器人打印建筑物的成型方法和运动轨迹，其方法是：根据预打印的建筑物设计的三维CAD实体模型，之后对其进行切片分层，获得每层的结构信息、材料输送、机械臂的平面运动轨迹等加工信息，计算机控制打印头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料；或者根据预打印的建筑物设计的三维CAD实体模型，获得该建筑物的结构信息、材料输送和机械臂的空间运动轨迹等加工信息，计算机控制机械臂和打印头做设定的空间运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料。

机器人打印建筑物的成型装置，包括有：数据处理系统，材料输送装置，还包括：加工工具4，打印头机械臂2，打印头3，悬吊线缆8，移动滑块9，外立柱11，第一移动导轨1、第二移动导轨6、第三移动导轨10,加工工具机械臂5，所述打印头3安装在机械臂2前段，材料输送装置安装在机械臂2后端，机械臂2安装在第一移动导轨1上，加工工具机械臂5安装在第二移动导轨6上，机械臂5上安装各类加工工具4；另一种则是将第三移动导轨10安装于外立柱11上，将悬吊线缆8安装于第一移动导轨1上的移动滑块9上，打印头3安装于悬吊线缆8上。

输出成型材料的打印头3为一个或者多个，将打印头3安装在一个或多个具有多个自由度的打印头机械臂2前段；与打印头3配合的材料输送装置安装在打印头机械臂2后端，打印头机械臂2安装在龙门式框架上借助齿轮齿条传动，或者滚珠丝杆传动，或者蜗轮蜗杆传动等方式来移动，也可以自带履带移动，或者在铺设的空间轨道上移动。

加工工具4为铣刀、刮刀或其它有铣削、打磨、平整等作用的工具，可以为一个单一工具或者组合型工具，或者多个具有不同功能的工具；加工工具4与打印头3一起安装在加工工具机械臂2上。加工工具4及带动其运动的机械臂5，与打印头及带动其运动的机械臂2，两者可以分别独立运动，也可以实现顺序运动。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：①在建筑CAD模型设计与数据处理阶段，根据设计和功能要求获取该建筑物的实体结构信息、材料输送、运动轨迹等加工信息，该加工信息可以是按照三维打印技术的每层均做平面运动完成每层加工再层层叠加的模式输出和控制，也可以按照机器人技术的空间运动轨迹进行加工的模式输出和控制，该种方法比起现有技术具有更为灵活高效的控制和加工效果。②打印头安装在机械臂上进行多自由度的运动使得复杂形状的加工更容易实现。③机械臂上安装加工工具使得加工的建筑模型的内外表面质量更好，建筑质量更高，免除了大量的后处理工作。

有益效果

本发明方法采用机器人技术结合三维打印技术，实现建筑物的快速、高效、高质量的打印成型。本发明方法尤其适用于复杂结构的建筑物的打印成型，在景观雕塑、小型建筑、假山等此类的建筑物成型领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1所示的是机器人打印建筑物成型方法示意图；

图2所示的是利用外立柱悬吊打印头的机器人打印成型方法示意图。

其中：1为第一移动导轨，2为打印头机械臂，3为打印头，4为加工工具，5为加工工具机械臂，6为第二移动导轨，7为打印的建筑物，8为悬吊线缆，9为移动滑块，10为第三移动导轨，11为外立柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

以图示1为例，采用两个机械臂：打印头机械臂2上安装有打印头3，另一个加工工具机械臂5上安装有加工工具4，机械臂2沿着第一移动导轨1直线移动，机械臂5沿着第二导轨6直线移动；在计算机的控制下，打印头3在机械臂2的驱动下同时挤出适量的混凝土等建筑材料逐渐堆积出建筑物7；与此同时，加工工具4在机械臂5的驱动下在建筑物7的表面进行打磨、光顺、平整等工作，以使得建筑物7具有较高的表面质量和成型质量；两个机械臂在计算机的控制下，直至完成建筑物的打印成型。

在打印成型过程中，机械臂2和机械臂5的结构和运动可根据具体情况进行灵活选择，可以选择履带式移动、轮式移动、齿轮齿条式移动、蜗轮蜗杆式移动或其他移动方式；图1中虽然以直线导轨为例，实际上在运行过程中，也可以将直线导轨更换为曲线导轨、龙门式导轨等能实现机械臂精确移动的方式。

实施例2：

当打印头及其材料输送装置较重时，会给机械臂造成很大的负载使其运行大受影响。对于此类情况，为减轻机械臂的运行负载，本发明采用外立柱悬吊打印头方式以提高机械臂的运行效能。如图2所示。

打印头3由安装在滑块9上的悬吊线缆8拖动，沿着立柱11的导轨10移动。此种方法适用于混凝土打印头、石膏打印头，或者其它由于打印头及其材料输送装置负载大而导致机械臂运行困难的场合。

在此例中，也可以用另一机械臂代替外立柱11及导轨10，该机械臂主要承担减轻打印头机械臂的负载任务，打印头机械臂主要承担打印成型任务，两者配合完成建筑物的打印过程。

以上仅是采用一个打印头机械臂和一个加工工具机械臂为例，阐述该发明的实施过程。如果采用两个及以上的打印头机械臂，及/或两个及以上的加工工具机械臂，及/或其它打印头悬吊方式制作建筑物时，实施过程与上述实施方法类似，可做适当变更。

Claims (8)

1.机器人打印建筑物成型方法，包括建立模型，模型切片分层处理，切片信息转化，其特征在于，根据预打印的建筑物设计的三维CAD实体模型，之后对其进行切片分层，获得每层的结构信息、材料输送、机械臂的平面运动轨迹等加工信息，计算机控制打印头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料；或者根据预打印的建筑物设计的三维CAD实体模型，获得该建筑物的结构信息、材料输送和机械臂的空间运动轨迹等加工信息，计算机控制机械臂和打印头做设定的空间运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料。

2.根据权利要求1所述方法的装置，包括数据处理系统，材料输送装置，其特征在于，还包括有：加工工具（4），打印头机械臂（2），打印头（3），悬吊线缆（8），移动滑块（9），外立柱（11），第一移动导轨（1）、第二移动导轨（6）、第三移动导轨(10)；打印头(3)安装打印头机械臂(2)前段，材料输送装置安装在打印头机械臂(2)后端，打印头机械臂（2）安装在第一移动导轨（1）上，加工工具机械臂（5)安装在第二移动导轨(6）上，加工工具机械臂(5)上安装各类加工工具(4)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还可以将第三移动导轨(10)安装于外立柱(11)上，将悬吊线缆(8)安装于第一移动导轨(1)上的移动滑块(9)上，打印头(3)安装于悬吊线缆(8)上。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，输出成型材料的打印头（3）为一个或者多个。

5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，打印头机械臂（2）安装在龙门式框架上借助齿轮齿条传动，或者滚珠丝杆传动，或者蜗轮蜗杆传动等方式来移动，也可以自带履带移动，或者在铺设的空间轨道上移动。

6.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，加工工具（4）为铣刀、刮刀或其它有铣削、打磨、平整等作用的工具，可以为单一工具或者组合型工具，或者多个具有不同功能的工具。

7.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，打印头机械臂（2）和加工工具机械臂(5)可以是一个或多个。

8.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，第一移动导轨（1）、第二移动导轨（6）、第三移动导轨（10）可以是直线导轨或曲线导轨。