CN109500978A - 一种水泥基材料移动式3d打印车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥基材料移动式3D打印车，包括车体、机械臂、挤料系统、定位系统、供料系统和控制系统；机械臂、定位系统、供料系统和控制系统均固定于车体上，挤料系统固定于机械臂端部。通过车体与机械臂联合作用能够实现挤料系统的空间移动。挤料系统由步进电机联动搅龙实现精确挤料过程，在打印的过程中可以根据实际打印情况，灵活地控制步进电机的开关，实现建筑3D打印的精细化控制。定位系统可实时采集复杂现场数据并与控制系统中导入的数字信息进行分析，自动计算调整复杂现场环境下三维数字模型的位置信息，实现对各个电机的精确控制，实现打印喷头精确、稳定地空间移动，实现打印过程的精细化控制，保证打印的稳定性。

Description

一种水泥基材料移动式3D打印车

技术领域

本发明属于3D打印车械装备技术领域，具体是一种水泥基材料移动式3D打印车。

背景技术

近几年，以3D打印为代表的先进建造方法逐渐成为未来建筑业主要营造趋势，而3D打印设备作为实现建筑级3D打印的主要工具也在不断发展更新。试验室级和工业级的打印设备屡见不鲜，但当前3D打印设备受自身尺寸、空间移动方式等限制，在构件尺寸、灵活打印、现场环境识别和精确定位等方面存在诸多不足。复杂现场环境下的环境智能识别与3D打印技术是先进建造技术的主要研究发展方向之一，其关键在于精确识别现场复杂建筑环境并实现3D打印建造过程。由于3D打印设备应用主要局限于试验室、厂房之内，当前尚无室内室外均适用的移动式建筑级3D打印设备。

3D打印作为智能建造技术之一，包括诸多方面前沿科学技术知识，是具有高科技含量的制造技术，已经在生物医疗、航天航空、模具制造、电子信息制造、汽车制造等领域获得广泛应用。用于复杂环境实施建造作业的3D打印设备是实现现场灵活、快速建造的重要工具与前提，同时也是用于机械智能识别建筑损伤、缺陷进行修补的主要手段。

随着当前建筑级3D技术及其相应设备的快速发展与研发，复杂现场环境下的环境智能识别与3D打印技术对设备尺寸性、移动方式、移动范围、环境识别和灵活建造等方面具有非常严格的要求，如何科学严谨地实现3D打印技术应用于复杂建造环境成为建筑级3D打印技术在应用领域的瓶颈之一。为此，研发一种适用于复杂建造环境实施3D打印技术的移动式3D打印车迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种水泥基材料移动式3D打印车。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种水泥基材料移动式3D打印车，其特征在于该打印车包括车体、机械臂、挤料系统、定位系统、供料系统和控制系统；所述机械臂、定位系统、供料系统和控制系统均固定于车体上，挤料系统固定于机械臂端部；

所述挤料系统包括打印喷头、搅龙缸、供料管接口、密封块、传动带、齿轮、减速机、步进电机和搅龙；所述密封块固定在机械臂上；所述步进电机与减速机连接并固定于密封块上，其输出端与位于密封块内部的齿轮连接；所述搅龙缸固定于密封块上，搅龙位于其内部；搅龙缸与供料管接口密封连接；所述打印喷头与搅龙缸密封连接；所述搅龙的一端通过传动带与齿轮连接，另一端与打印喷头对应配合；

所述定位系统包括移动高清摄像头、激光定位器和打印高清摄像头；所述移动高清摄像头固定于车体的车壳一端部，实现复杂场地环境的3D扫描、分析和处理；所述激光定位器固定于车体的车壳另一端部，实现复杂场地环境位置的精准识别与定位；所述打印高清摄像头固定于机械臂上，实现打印作业面复杂环境的3D扫描、分析、处理和打印质量的数字化分析；

所述控制系统的控制箱分别与车体的电机和电池、机械臂的所有伺服电机、挤料系统的步进电机、定位系统的移动高清摄像头、激光定位器和打印高清摄像头以及供料系统的供料仓连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)通过车体与机械臂联合作用能够实现打印喷头的空间移动，可实现3D打印建筑物。

(2)挤料系统由步进电机联动搅龙实现精确挤料过程，在打印的过程中可以根据实际打印情况，灵活地控制步进电机的开关，实现建筑3D打印的精细化控制。

(3)挤料系统与供料系统联动控制，可实现自动化连续供料。

(4)在控制面板输入三维实体数字模型并形成数字信号通过线缆传入控制箱，控制箱控制电信号的输出完成对各个系统的精确控制。

(5)定位系统可实时采集复杂现场数据并与控制系统中导入的数字信息进行分析，自动计算调整复杂现场环境下三维数字模型的位置信息，实现对各个电机的精确控制，实现打印喷头精确、稳定地空间移动，实现打印过程的精细化控制，保证打印的稳定性。

(6)本打印车可联合其他打印车共同快速实现设计模型的建造成型。

(7)本打印车可以顺利实现水泥基材料3D打印，且精度高、速度快，具有较强的实验性、实用性和可操作性，在复杂环境实施建造作业和智能识别建筑损伤、缺陷进行修补和保养等方面具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构轴测示意图；

图2为本发明一种实施例的整体结构主视示意图；

图3为本发明一种实施例的整体结构后视示意图；

图4为本发明一种实施例的整体结构轴测剖面示意图；

图5为本发明一种实施例的车体轴测示意图；

图6为本发明一种实施例的车体的轴测剖面示意图；

图7为本发明一种实施例的机械臂轴测示意图；

图8为本发明一种实施例的挤料系统轴测示意图；

图9为本发明一种实施例的挤料系统的轴测局部剖面示意图；

图中：1.车体，2.机械臂，3.挤料系统，4.定位系统，5.供料系统，6.控制系统；

101.车壳，102.行走机构罩，103.行走机构，104.电机，105.控制柜支架，106.电池，107.机械臂支座，108.逆变器，109.车体框架；

201.机械臂台座，202.曲杆一，203.曲杆二，204.曲杆三，205.旋转轴；

301.打印喷头，302.搅龙缸，303.供料管接口，304.密封块，305.传动带，306.齿轮，307.减速机，308.步进电机，309.搅龙；

401.移动高清摄像头，402.激光定位器，403.打印高清摄像头；

501.供料管，502.供料仓；

601.电量显示屏，602.电源开关，603.线缆，604.控制面板，605.充电位，606.控制箱。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种水泥基材料移动式3D打印车(简称打印车，参见图1-9)，其特征在于该打印车包括车体1、机械臂2、挤料系统3、定位系统4、供料系统5和控制系统6；所述车体1为支撑结构并可实现大范围全方位移动；所述机械臂2、定位系统4、供料系统5和控制系统6均固定于车体1上，挤料系统3固定于机械臂2端部；

所述车体1包括车壳101、行走机构罩102、行走机构103、电机104、控制箱支架105、电池106、机械臂支座107、逆变器108和车体框架109；所述车壳101固定于车体框架109外部，与车体框架109组成车体1的骨架和外壳，实现对内部结构的防护；行走机构103对称安装于车壳101两侧，行走机构罩102对称固定于车壳101两侧，位于各自的行走机构103上部，用于保护行走机构103；所述车体框架109由方形管组成，分为上、中、下三层；所述电机104和电池106均固定于车体框架109下层前端，电机104的输出端与行走机构103连接，为其提供动力，实现车体1的行进；电池106与电机104连接，为其供电；所述逆变器108固定于车体框架109下层后端，与行走机构103连接，实现车体1的行进方向的变化；所述控制箱支架105设置于车体框架109中层，位于电池106上部，用于固定控制箱606；所述机械臂支座107固定于车体框架109上层中部，用于固定机械臂2；行走机构103在电机104与逆变器108联合作用下实现空间位置的任意移动；

所述机械臂2包括机械臂台座201、曲杆一202、曲杆二203、曲杆三204和旋转轴205；所述机械臂台座201穿过车壳101并固定于车体1的机械臂支座107上，用于机械臂2的连接和承重；所述曲杆一202通过万向轴或球面副安装在机械臂台座201上，在伺服电机驱动下可实现在水平面的旋转，本实施例是伺服电机的输出端安装的齿轮与曲杆一202轴上安装的齿轮啮合，实现传动；所述曲杆二203通过转动副与曲杆一202连接，在伺服电机驱动下可实现在竖直面的旋转；曲杆三204通过转动副与曲杆二203连接，在伺服电机驱动下可实现在竖直面的旋转，并在伺服电机驱动下实现自身旋转；旋转轴205通过转动副与曲杆三204连接，在伺服电机驱动下可实现在竖直面的旋转，并在伺服电机驱动下实现自身旋转；此机械臂2在小于臂展半径的球体内以实际需要工况状态实施打印作业，能够实现空间的全方位移动；

所述挤料系统3包括打印喷头301、搅龙缸302、供料管接口303、密封块304、传动带305、齿轮306、减速机307、步进电机308和搅龙309；所述密封块304固定在机械臂2的旋转轴205末端的法兰上，机械臂2带动挤料系统3实现空间全方位移动；所述步进电机308与减速机307连接并固定于密封块304上，其输出端与位于密封块304内部的齿轮306连接；所述搅龙缸302固定于密封块304上，搅龙309位于其内部；搅龙缸302与供料管接口303密封连接，实现水泥基材料的供应；所述打印喷头301与搅龙缸302密封连接，实现水泥基材料的挤出；所述搅龙309的一端通过传动带305与齿轮306连接，实现搅龙309的转动，另一端与打印喷头301对应配合；

所述定位系统4包括移动高清摄像头401、激光定位器402和打印高清摄像头403；所述移动高清摄像头401固定于车体1的车壳101后部，实现复杂场地环境的3D扫描、分析和处理；所述激光定位器402固定于车体1的车壳101前部，实现复杂场地环境位置的精准识别与定位；所述打印高清摄像头403固定于机械臂2的曲杆三204上，实现打印作业面复杂环境的3D扫描、分析、处理和打印质量的数字化分析；

所述供料系统5包括供料管501和供料仓502；所述供料仓502固定于车体1的车体框架109中层后端，通过供料管501与供料管接口303连接，实现水泥基材料连续搅拌和与打印系统3的同步供料；

所述控制系统6包括电量显示屏601、电源开关602、线缆603、控制面板604、充电位605和控制箱606；所述控制箱606固定于车体1的控制箱支架105上，用于存放电气控制元件；所述电量显示屏601和电源开关602均固定于车体1的车壳101前端，与控制箱606连接，电量显示屏601位于电源开关602的一侧；所述存电位605固定于车体1的车壳101后端，实现动能补存；所述控制面板604通过线缆603与控制箱606连接，实现对运行状态的控制；控制面板604用于输入将要打印的三维模型的数字信号和人工控制控制箱606进而控制打印车运行状态和打印状态。电量显示屏601用于显示电池106电量剩余；电源开关602用于控制电池106与控制箱606之间的连接，电池106为控制箱606供电。

所述控制系统6的控制箱606分别与车体1的电机104和电池106、机械臂2的所有伺服电机、挤料系统3的步进电机308、定位系统4的移动高清摄像头401、激光定位器402和打印高清摄像头403以及供料系统5的供料仓502连接。

所述行走机构103可采用履带式或者轮胎式结构。

本发明的工作原理和工作过程是：移动高清摄像头401、激光定位器402和打印高清摄像头403采集环境信息，传输至控制箱606，完成环境的数字化建模以及运动路径规划。控制箱606控制电机104转动，带动行走机构103沿规划路径移动；当遇到障碍时，通过逆变器108调整打印车的运动方向，并通过控制箱606重新规划路径继续运动。到达指定打印位置后，将拌合好的水泥基材料传送入供料仓502中，在供料仓502完成材料加水混合后通过压力将水泥基材料经供料管501输送至打印喷头301。机械臂2的运动带动挤料系统3空间移动，经步进电机308通过传动带305带动搅龙309转动，实现水泥基材料从打印喷头301的挤出，控制面板604输入将要打印的三维模型的数字信号，以进行逐层打印。在打印过程中，移动高清摄像头401、激光定位器402和打印高清摄像头403会持续采集环境信息，并同步传输数据到控制箱606，与控制系统6中导入的数字信息进行分析校核，并转换为电信号实现对各个电机的精确控制，实现打印过程的精细化控制。当打印车途经一般性高低不平区域时，控制箱606会通过由移动高清摄像头401、激光定位器402和打印高清摄像头403采集到的环境信息调整机械臂2的各部位置以调整补偿保证打印喷头301的打印稳定性。

本实施例中的车体1、机械臂2、挤料系统3、定位系统4和供料系统5均在控制系统6中相应的控制单元对其进行控制。而该控制单元采用的均是本领域常用的电控系统，属于现有技术。移动高清摄像头401、激光定位器402和打印高清摄像头403可采用市售商品。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种水泥基材料移动式3D打印车，其特征在于该打印车包括车体、机械臂、挤料系统、定位系统、供料系统和控制系统；所述机械臂、定位系统、供料系统和控制系统均固定于车体上，挤料系统固定于机械臂端部；

所述挤料系统包括打印喷头、搅龙缸、供料管接口、密封块、传动带、齿轮、减速机、步进电机和搅龙；所述密封块固定在机械臂上；所述步进电机与减速机连接并固定于密封块上，其输出端与位于密封块内部的齿轮连接；所述搅龙缸固定于密封块上，搅龙位于其内部；搅龙缸与供料管接口密封连接；所述打印喷头与搅龙缸密封连接；所述搅龙的一端通过传动带与齿轮连接，另一端与打印喷头对应配合；

所述定位系统包括移动高清摄像头、激光定位器和打印高清摄像头；所述移动高清摄像头固定于车体的车壳一端部，实现复杂场地环境的3D扫描、分析和处理；所述激光定位器固定于车体的车壳另一端部，实现复杂场地环境位置的精准识别与定位；所述打印高清摄像头固定于机械臂上，实现打印作业面复杂环境的3D扫描、分析、处理和打印质量的数字化分析；

所述控制系统的控制箱分别与车体的电机和电池、机械臂的所有伺服电机、挤料系统的步进电机、定位系统的移动高清摄像头、激光定位器和打印高清摄像头以及供料系统的供料仓连接。

2.根据权利要求1所述的水泥基材料移动式3D打印车，其特征在于所述车体包括车壳、行走机构罩、行走机构、电机、控制箱支架、电池、机械臂支座、逆变器和车体框架；所述车壳固定于车体框架外部；行走机构对称安装于车壳两侧，行走机构罩对称固定于车壳两侧，位于各自的行走机构上部；所述车体框架由方形管组成，分为上、中、下三层；所述电机和电池均固定于车体框架下层前端，电机的输出端与行走机构连接；电池与电机连接；所述逆变器固定于车体框架下层后端，与行走机构连接；所述控制箱支架设置于车体框架中层，位于电池上部；所述机械臂支座固定于车体框架上层中部。

3.根据权利要求1所述的水泥基材料移动式3D打印车，其特征在于所述机械臂包括机械臂台座、曲杆一、曲杆二、曲杆三和旋转轴；所述机械臂台座固定于车体的机械臂支座上；所述曲杆一通过万向轴或球面副安装在机械臂台座上，在伺服电机驱动下可实现在水平面的旋转；所述曲杆二通过转动副与曲杆一连接，在伺服电机驱动下可实现在竖直面的旋转；曲杆三通过转动副与曲杆二连接，在伺服电机驱动下可实现在竖直面的旋转，并在伺服电机驱动下实现自身旋转；旋转轴通过转动副与曲杆三连接，在伺服电机驱动下可实现在竖直面的旋转，并在伺服电机驱动下实现自身旋转；所述密封块固定在旋转轴末端的法兰上；所述打印高清摄像头固定于曲杆三上。

4.根据权利要求1所述的水泥基材料移动式3D打印车，其特征在于所述供料系统包括供料管和供料仓；所述供料仓固定于车体的车体框架中层后端，通过供料管与供料管接口连接。

5.根据权利要求1所述的水泥基材料移动式3D打印车，其特征在于所述控制系统包括电量显示屏、电源开关、线缆、控制面板、充电位和控制箱；所述控制箱固定于车体的控制箱支架上；所述电量显示屏和电源开关均固定于车体的车壳上，与控制箱连接，电量显示屏位于电源开关的一侧；所述存电位固定于车体的车壳上；所述控制面板通过线缆与控制箱连接。