CN110171053A - 一种用于建筑3d打印的喷头装置和控制方法 - Google Patents

一种用于建筑3d打印的喷头装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于建筑3D打印的喷头装置和控制方法，装置包括方形口模块和转向模块，转向模块包括电机固定架、转向电机、联轴器、传动轴、主动齿轮和从动齿轮。转向电机、联轴器、传动轴和主动齿轮依次连接，转向电机安装在电机固定架上，主动齿轮和从动齿轮互相啮合；方形口模块包括方形喷头、内套环、外套环和套筒，方形喷头安装在内套环的下端，外套环嵌套在内套环的上端，并且连接套筒；电机固定架固定在套筒上，从动齿轮嵌套在内套环上。与现有技术相比，本发明精确控制方形口模块的自由转向，能够让方形喷头的角度与打印路径始终保持相切，更好地解决了采用圆形口喷头打印带来的墙体外表面的弧形分层的问题，提高墙体的整体表面质量。

Description

一种用于建筑3D打印的喷头装置和控制方法
技术领域
本发明涉及建筑3D打印领域，尤其是涉及一种用于建筑3D打印的喷头装置和控制方法。
背景技术
建筑3D打印是一种以数字模型为基础，通过挤出混凝土材料逐层打印方式建造房屋的技术。由于3D打印技术的优越性，其在建筑领域具有极大的应用潜力。目前，用于建筑3D打印的喷头按照其截面形状可分为圆形口喷头和方形口模块。目前大多数所采用的圆形口喷头进行建筑打印时，建筑材料通过圆形口喷头挤出，会在建筑墙体的外表面形成明显的弧度样式的分层，一定程度上影响了建筑墙体的表面质量。采用方形口模块时，需要保证在打印过程中方形口模块的角度与打印路径相一致，可以一定程度解决圆形口所带来的外表面弧形分层的质量差问题。
如CN107042632A公开了一种用于建筑打印的变径喷头及挤出装置，采用将方形口模块连接在一个旋转拨盘上实现喷头的角度变化。但是这种结构存在以下问题：1、用于建筑的3D打印喷头不同于普通的桌面级3D打印，其体积较大，采用复杂结构具有很大的实施难度，采用拨盘的形式无法有效控制喷头旋转；2、旋转拨盘即时能够简单带动喷头口转动，但是其对于转动角度的难以控制，无法实现精细化的旋转控制，让喷头完全贴合打印路径。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于建筑3D打印的喷头装置和控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于建筑3D打印的喷头装置，包括方形口模块和转向模块，所述转向模块包括电机固定架、转向电机、联轴器、传动轴、主动齿轮和从动齿轮，所述转向电机、联轴器、传动轴和主动齿轮依次连接，转向电机安装在电机固定架上，所述主动齿轮和从动齿轮互相啮合；所述的方形口模块包括方形喷头、内套环、外套环和套筒，所述方形喷头安装在内套环的下端，所述外套环嵌套在内套环的上端，并且连接套筒；所述电机固定架固定在套筒上，所述从动齿轮嵌套在内套环上。
进一步地，所述的主动齿轮的直径小于从动齿轮。
进一步地，所述的主动齿轮和从动齿轮的齿轮比为10：23。
进一步地，所述的内套环底端设有多个凸块，所述的方形喷头上设有和凸块对应的多个卡槽，每个卡槽为“凹”字型，该“凹”字型的两个上端中，一个端部开口，另一个端部封闭，所述方形喷头和内套环安装时，凸块从卡槽的开口端向下进入，然后旋转方形喷头，使凸块沿着“凹”字型的底部水平滑动，最后向上进入卡槽的封闭端，完成安装固定。
进一步地，所述方形口模块还包括轴承和弹簧卡环，所述轴承安装在内套环和外套环之间，所述弹簧卡环用于固定轴承。
进一步地，还包括加料搅拌模块，所述的加料搅拌模块包括料仓、漏斗、挤压电机、齿轮箱、连接杆和螺旋杆，所述料仓通过漏斗安装在套筒上端，料仓的一侧设置有加料口，连接杆竖直安装在料仓内，连接杆的顶端伸出料仓通过齿轮箱连接挤压电机，连接杆的底端安装螺旋杆，挤压电机带动连接杆转动。
进一步地，所述加料搅拌模块还包括搅拌电机、套管和搅拌桨，所述套管套在连接杆的外圈，所述搅拌桨安装在套管上，所述搅拌电机通过齿轮箱连接套管，并且带动套管和连接杆相反方向转动。
一种如上所述的用于建筑3D打印的喷头装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.获取3D打印的打印路径代码，得到组成路径的所有点坐标；
S2.计算所有相邻两点间方形喷头的转向角度，生成角度集合；
S3.将角度集合并入打印路径代码中，生成新的打印路径代码；
S4.运行新的打印路径代码控制喷头装置同时进行移动和旋转。
进一步地，相邻两点A和B之间方形喷头的转向角度计算表达式为：
其中，xa和ya是点A在直角坐标系中的横坐标和纵坐标，xb和yb是点B在直角坐标系中的横坐标和纵坐标，θ是向量AB和横坐标正方向的夹角。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过转向电机带动方形喷头旋转，在转向模块中，通过主动齿轮带动从动齿轮形成一级齿轮结构，能够通过齿轮齿数的转动精确地控制方形喷头的转动角度；进一步地，由于主动齿轮的直径小于从动齿轮，转向电机带动主动齿轮旋转的圈数和从动齿轮旋转的齿数相配合，有利用电机的正常工作和有效传动。
2、方形口模块和内套环通过凸块和卡槽互相连接，利用方形口模块自身的重力巧妙地实现固定，固定后能够使得方形口模块随着内套环同步转动；同时该结构容易拆卸和替换，便于清理和维修。
3、搅拌模块中的搅拌桨叶片设有一定的宽度和倾斜角度，转动会产生向下的压力，使得混凝土材料更容易向下流动到螺旋杆套筒中；螺旋杆设计中考虑了螺旋杆的螺距及螺旋杆叶片宽度，以最大程度上提升混凝土材料的挤出效率；同时，搅拌桨和螺旋杆的反向转动使得方形喷头的出料不易凝结、更加顺滑稳定。
4、本发明能够实现方形口模块的自由转向，配合本发明控制方法，能够让方形喷头的角度与打印路径始终保持相切，更好地解决了采用圆形口喷头打印带来的墙体外表面的弧形分层的问题，提高墙体的整体表面质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的内部示意图。
图3为方形口模块的爆炸示意图。
图4为打印路径坐标示意图。
附图标记：1、电机固定架，2、转向电机，3、联轴器，4、传动轴，5、主动齿轮，6、从动齿轮，7、方形喷头，8、内套环，9、外套环，10、套筒，11、凸块，12、卡槽，13、轴承，14、弹簧卡环，15、料仓，16、漏斗，17、加料口，18、搅拌电机，19、挤压电机，20、齿轮箱，21、连接杆，22、搅拌桨，23、螺旋杆，24、套管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1～3所示，本实施例提供了一种用于建筑3D打印的喷头装置，包括方形口模块和转向模块。
方形口模块包括方形喷头7、内套环8、外套环9、套筒10、轴承13和弹簧卡环14。方形喷头7安装在内套环8的下端，外套环9嵌套在内套环8的上端，并且连接套筒10。轴承13安装在内套环8和外套环9之间，弹簧卡环14安装在轴承13的下端，用于将轴承13固定在内套环8上。
在内套环8底端设有多个凸块11，本实施例为均布在内套环8外径的四个凸块11。在方形喷头7的内侧表面上设有和凸块11对应的四个卡槽12。每个卡槽12为“凹”字型，该“凹”字型具有的两个上端中，一个端部开口，另一个端部封闭。当方形喷头7和内套环8安装时，凸块11从卡槽12的开口端向下进入，然后旋转方形喷头7，使凸块11沿着“凹”字型的底部水平滑动，最后向上进入卡槽12的封闭端，完成安装固定。该结构利用方形口模块自身的重力巧妙地实现固定，固定后能够使得方形口模块随着内套环8同步转动，同时该结构也容易拆卸和替换，便于清理和维修。
转向模块包括电机固定架1、转向电机2、联轴器3、传动轴4、主动齿轮5和从动齿轮6。转向电机2、联轴器3、传动轴4和主动齿轮5从上往下依次连接，转向电机2安装在电机固定架1上。电机固定架1固定在套筒10上。从动齿轮6嵌套在内套环8上，主动齿轮5和从动齿轮6互相啮合。当转向电机2工作时，通过联动器和传动轴4带动主动齿轮5转动，主动齿轮5带动从动齿轮6转动，从动齿轮6通过内套环8带动方形喷头7转动。主动齿轮5的直径小于从动齿轮6，在本实施例中，主动齿轮5和从动齿轮6的齿轮比为10：23。因此，转向电机2带动主动齿轮5旋转的圈数和从动齿轮6旋转的齿数相配合，小直径的主动齿轮5通过对转动圈数的控制，能够精确地控制方形喷头7的转动角度。
本装置还包括加料搅拌模块，所述的加料搅拌模块包括料仓15、漏斗16、挤压电机19、齿轮箱20、连接杆21、螺旋杆23、搅拌电机18、套管24和搅拌桨22。料仓15通过漏斗16安装在套筒10上端，料仓15的一侧设置有加料口17，连接杆21竖直安装在料仓15内。连接杆21的顶端伸出料仓15通过齿轮箱20连接挤压电机19，连接杆21的底端安装螺旋杆23，挤压电机19带动连接杆21转动。
套管24套在连接杆21的外圈，搅拌桨22安装在套管24上。搅拌电机18通过齿轮箱20连接套管24，并且带动套管24与连接杆21相反的方向转动。
因此，当搅拌电机18和挤压电机19工作时，搅拌桨22转动会产生一定的下压力，使得混凝土打印材料能够更容易向下流动到螺旋杆23和套筒10中，同时螺旋杆23方向转动使打印材料从方形喷头7中挤出。
此外，喷头装置连接外置独立的3D打印设备，该3D打印设备用于控制喷头装置整体沿着打印路径移动。
本实施例的控制方法包括以下步骤：
步骤S1.获取3D打印的打印路径代码，得到组成路径的所有点坐标；
步骤S2.计算所有相邻两点间方形喷头的转向角度，生成角度集合；
步骤S3.将角度集合并入打印路径代码中，生成新的打印路径代码；
步骤S4.运行新的打印路径代码控制喷头装置同时进行移动和旋转。
具体展开为：
首先，将需要打印的建筑模型的STL格式文件导入3D切片软件(如Simplify3D)，根据需要调整为适合材料打印的打印参数(喷头直径、挤出线宽、层高、打印速度等)，利用切片软件生成G代码，该G代码不含有喷头转向角度信息)。
其次，利用编写的程序读取上述的G代码信息，识别记录曲线打印路径上的前后两点在直角坐标系中的坐标。因喷头装置从前一点的坐标移动到后一点的坐标过程中需转过一定量的角度，因此可以通过两个点的坐标计算出喷头的转向角度，该转向角度为实际的绝对角度值。
如图4所示，A和B两点为曲线打印路径上的前后两个点，坐标为A(xa,ya)和B(xb,yb)，向量AB为(xb-xa，yb-ya)。则喷头装置需要旋转的角度为从x轴正方向旋转到向量AB的角度，其角度是向量AB和x轴正方向的夹角，即为向量AB(xb-xa，yb-ya)和x轴正方向的夹角θ。相邻两点A和B之间方形喷头的转向角度计算表达式为：
其中，xa和ya是点A在直角坐标系中的横坐标和纵坐标，xb和yb是点B在直角坐标系中的横坐标和纵坐标。
设定喷头装置的旋转角度逆时针为正，取值范围为0～360°，所以当打印路径为正方向，即yb-ya＞0时，θ为0～180°，而当打印路径为负方向，即yb-ya＜0时，θ的取值范围为180～360°，此时：
然后，在计算出打印路径上所有前后两点的转向角度的基础上，在原G代码中加入使喷头转向的代码信息指令。
最后，即可生成新的含有喷头转向角度信息的G代码，导入CNC控制系统中运行，可以实现打印过程中方形口喷头与打印路径角度相一致。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于建筑3D打印的喷头装置，包括方形口模块和转向模块，其特征在于，所述转向模块包括电机固定架(1)、转向电机(2)、联轴器(3)、传动轴(4)、主动齿轮(5)和从动齿轮(6)，所述转向电机(2)、联轴器(3)、传动轴(4)和主动齿轮(5)依次连接，转向电机(2)安装在电机固定架(1)上，所述主动齿轮(5)和从动齿轮(6)互相啮合；所述的方形口模块包括方形喷头(7)、内套环(8)、外套环(9)和套筒(10)，所述方形喷头(7)安装在内套环(8)的下端，所述外套环(9)嵌套在内套环(8)的上端，并且连接套筒(10)；所述电机固定架(1)固定在套筒(10)上，所述从动齿轮(6)嵌套在内套环(8)上。
2.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的喷头装置，其特征在于，所述的主动齿轮(5)的直径小于从动齿轮(6)。
3.根据权利要求2所述的用于建筑3D打印的喷头装置，其特征在于，所述的主动齿轮和从动齿轮的齿轮比为10：23。
4.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的喷头装置，其特征在于，所述的内套环(8)底端设有多个凸块(11)，所述的方形喷头(7)上设有和凸块(11)对应的多个卡槽(12)，每个卡槽(12)为“凹”字型，该“凹”字型的两个上端中，一个端部开口，另一个端部封闭，所述方形喷头(7)和内套环(8)安装时，凸块(11)从卡槽(12)的开口端向下进入，然后旋转方形喷头(7)，使凸块(11)沿着“凹”字型的底部水平滑动，最后向上进入卡槽(12)的封闭端，完成安装固定。
5.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的喷头装置，其特征在于，所述方形口模块还包括轴承(13)和弹簧卡环(14)，所述轴承(13)安装在内套环(8)和外套环(9)之间，所述弹簧卡环(14)用于固定轴承(13)。
6.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的喷头装置，其特征在于，还包括加料搅拌模块，所述的加料搅拌模块包括料仓(15)、漏斗(16)、挤压电机(19)、齿轮箱(20)、连接杆(21)和螺旋杆(23)，所述料仓(15)通过漏斗(16)安装在套筒(10)上端，料仓(15)的一侧设置有加料口(17)，连接杆(21)竖直安装在料仓(15)内，连接杆(21)的顶端伸出料仓(15)通过齿轮箱(20)连接挤压电机(19)，连接杆(21)的底端安装螺旋杆(23)，挤压电机(19)带动连接杆(21)转动。
7.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的喷头装置，其特征在于，所述加料搅拌模块还包括搅拌电机(18)、套管(24)和搅拌桨(22)，所述套管(24)套在连接杆(21)的外圈，所述搅拌桨(22)安装在套管(24)上，所述搅拌电机(18)通过齿轮箱(20)连接套管(24)，并且带动套管(24)和连接杆(21)相反方向转动。
8.一种如权利要求1～7任一所述的用于建筑3D打印的喷头装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.获取3D打印的打印路径代码，得到组成路径的所有点坐标；
S2.计算所有相邻两点间方形喷头(7)的转向角度，生成角度集合；
S3.将角度集合并入打印路径代码中，生成新的打印路径代码；
S4.运行新的打印路径代码控制喷头装置同时进行移动和旋转。
9.根据权利要求8所述的用于建筑3D打印的喷头装置的控制方法，其特征在于，相邻两点A和B之间方形喷头(7)的转向角度计算表达式为：
其中，xa和ya是点A在直角坐标系中的横坐标和纵坐标，xb和yb是点B在直角坐标系中的横坐标和纵坐标，θ是向量AB和横坐标正方向的夹角。
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