CN110774576A - 大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人辅助三维打印技术领域，公开了一种大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统及方法，包括：滑动导轨模块，用于固定待打印作业区域；三维打印模块，用于实现导电材料打印，当该部分待打印区域完成打印时，移动到下一待打印区域，至所有待打印区域均完成打印任务。本发明采用六自由度机械臂，在三维空间中，该六自由度机械臂可满足姿态调整的需求，以任意位置和姿态达到可达打印范围内任意位置。本发明采用单自由度直线导轨，显著扩大了机械臂的三维打印工作空间。本发明采用三组阵列喷头，不同于传统曲面三维打印中的单喷头单喷孔，该阵列喷头组极大提高了打印效率，且该阵列喷头组均独立工作，互不影响。

Description

大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统及方法

技术领域

本发明属于机器人辅助三维打印技术领域，尤其涉及一种大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统及方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：三维打印技术是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(或溶液)状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层(或分片)打印的方式来构造物体的技术。该技术在航空航天、汽车船舶、生物医疗、可穿戴设备、微纳传感、柔性电子等领域都有较为广泛的应用。目前的三维打印技术，由于受打印设备工作空间限制，不能一次性打印出大尺寸、形状复杂等成型物件。因此，设计一种大尺寸复杂曲面共形天线多材料一体化三维打印技术具有非常重要的意义。

工业机械臂可代替人力生产，利用运动控制实现关节空间的变化，相比于常规三维打印机在笛卡尔坐标系下实现运动控制，其灵活性和柔性更高。以六自由度机械臂作为主要机械载体，与三维打印喷头结合实现了模型的机械臂式三维打印，突破了常规三维打印尺寸的限制，但对于多材料形成的复杂构件，该打印方式效率低，而且一台机械臂难以进行多种不同材料的混合三维打印。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有的共形天线打印多基于龙门式数控运动平台，受平台行程范围所限，无法实现大尺寸复杂结构打印成形。

(2)现有的共形天线打印多采用单喷头单喷孔，使得打印速度慢且打印材料单一。

解决上述技术问题的难度：如何在原有共形天线三维打印的基础上，扩大打印范围且提高打印效率。如何用同一台机械臂完成多种不同材料的一体化混合打印。

解决上述技术问题的意义：能够保证在扩大三维打印范围及提高三维打印效率的前提下，实现导电材料、介电材料和支撑材料等的一体化混合打印成形。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统及方法。

本发明是这样实现的，一种大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统，所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统包括：

滑动导轨模块，用于固定待打印作业区域；

三维打印模块，用于实现导电材料打印，当该部分待打印区域完成打印时，移动到下一待打印区域，至所有待打印区域均完成打印任务。

进一步，所述滑动导轨模块包括：直线滑动导轨、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺帽支架、丝杠支座组件、直线滑动导轨、伺服电机、联轴器、机械臂滑座；

直线滑动导轨通过螺栓固定于导轨底座凸台上，螺栓固定于导轨底座凸台上；所述伺服电机固定在工作台上；所述联轴器连接所述伺服电机中的主动轴与所述丝杠支座组件中的从动轴。

进一步，所述三维打印模块包括：六自由度机械臂、工作台、三组阵列喷头、喷头安装组件；

六自由度机械臂通过螺栓连接在机械臂滑座凸台上，机械臂滑座通过螺栓将四个可移动的滑块设于所述两直线导轨上，通过止动螺丝将直线导轨上四个可移动滑块的基准侧与直线滑动导轨底座凸台侧面基准面接触；机械臂滑座带动机械臂沿直线导轨往复运动；三组阵列喷头中每组阵列喷头含有两排平行的喷孔，各喷孔的打印状态可独立控制，且三组阵列喷头分别打印导电材料、介电材料和支撑材料。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印方法，所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印方法包括：

第一步，六自由度机械臂在打印过程中，将直线滑动导轨底座固定于待打印作业区域前端；

第二步，打印时，六自由度机械臂依据共形天线所体现的曲面特征轨迹进行打印，根据打印物体不同位置材料的不同，选择喷不同材料的阵列喷头，每组阵列喷头可分别打印导电材料、介电材料和支撑材料，实现多种材料一体化混合打印的功能；

第三步，当进行导电材料打印时，打印导电材料阵列喷头组的喷孔打开，打印介电材料阵列喷涂组的喷孔和打印支撑材料阵列喷头组的喷孔关闭；

第四步，当该部分打印区域完成作业打印后，伺服电机通过滚珠丝杠带动机械臂滑座上的六自由度机械臂，沿直线滑动导轨往复运动，直至移动至下一待打印区域，重复第一步-第三步至所有待打印区域均完成打印任务。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统的三维打印控制系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用六自由度机械臂，在三维空间中，该六自由度机械臂可满足姿态调整的需求，以任意位置和姿态达到可达打印范围内任意位置。本发明采用单自由度直线导轨，显著扩大了机械臂的三维打印工作空间，相较于无滑轨打印，该装置约能够提高3倍的打印面积。

本发明采用三组阵列喷头，不同于传统曲面三维打印中的单喷头单喷孔，该阵列喷头组极大提高了打印效率，是现有打印速度的5倍，且该阵列喷头组均独立工作，互不影响，若其中某一喷头出现故障，其余喷头不受其干涉，亦可正常工作。

本发明的喷头选用三组阵列喷头，其中左侧阵列喷头组打印导电材料，中间阵列喷头组打印介电材料，右侧阵列喷头组打印支撑材料，可用同一台六自由度机械臂完成不同材料的打印，即一台六自由度机械臂可完成多个工位的工作，有效提高打印效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统的结构示意图；

图中：1、直线滑动导轨底座；2、伺服电机；3、联轴器；4、丝杠支座组件固定侧；5、滚珠丝杠；6、直线滑动导轨；7、六自由度机械臂滑座；8、滚珠丝杠螺帽支架；9、六自由度机械臂；10、喷头安装组件；11、阵列喷头组；12、丝杠支座组件支持侧；13、共形天线。

图2是本发明实施例提供的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印方法流程图。

图3是本发明实施例提供的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统的工作状态示意图；

图中：(a)工作状态一；(b)工作状态二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统包括：直线滑动导轨底座1、伺服电机2、联轴器3、丝杠支座组件固定侧4、滚珠丝杠5、直线滑动导轨6、六自由度机械臂滑座7、滚珠丝杠螺帽支架8、六自由度机械臂9、喷头安装组件10、阵列喷头组11、丝杠支座组件支持侧12、共形天线13。

伺服电机2、联轴器3、丝杠支座组件固定侧4、滚珠丝杠5、滚珠丝杠螺帽支架8采用同轴设置；直线滑动导轨底座1上设有凸台，用于放置两直线导轨6；六自由度机械臂滑座7设有凸台，用于带动六自由度机械臂9滑动；两直线导轨6通过螺栓固定在直线滑动导轨底座1的凸台上，且两直线导轨6通过滚珠丝杠5对称。

丝杠支座组件固定侧4将滚珠丝杠5固定在直线滑动导轨底座1两端，其中与伺服电机2相连一侧称为固定侧，另一侧称为支持侧；伺服电机2与直线滑动导轨底座1通过螺栓相连，且伺服电机2通过联轴器3与一端丝杠支座组件固定侧4连接；六自由度机械臂滑座7通过螺栓将四个可移动的滑块设于两直线滑动导轨6上；六自由度机械臂9通过螺栓连接在机械臂滑座7凸台上，该机械臂滑座7可带动机械臂9沿所述直线滑动导轨6水平移动；喷头安装组件10用于将阵列喷头组连接并固定于机械臂9的末端。

如图2所示，本发明实施例提供的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印方法包括以下步骤：

S201：将直线滑动导轨底座固定于待打印作业区域前端；

S202：若需进行导电材料打印，将打印导电材料阵列喷头组的喷孔打开，打印介电材料阵列喷头组及打印支撑材料阵列喷头组的喷孔关闭；若不需进行导电材料打印，将打印导电材料阵列喷头组的喷孔关闭，打印介电材料阵列喷头组及打印支撑材料阵列喷头组的喷孔开启；

S203：当该部分待打印区域完成打印任务时，六自由度机械臂可在机械臂滑座的带动下，沿直线导轨往复运动，直至移动到下一待打印区域，重复上述步骤至所有待打印区域均完成打印任务。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，伺服电机2、联轴器3、丝杠支座组件固定侧4、滚珠丝杠5、直线滑动导轨6、六自由度机械臂滑座7、滚珠丝杠螺帽支架8、丝杠支座组件支持侧12等构成滑动导轨模块，直线滑动导轨6通过螺栓固定于导轨底座凸台上，从而形成直线导轨的主要框架；六自由度机械臂9、喷头安装组件10、阵列喷头组11等构成三维打印模块。三维打印模块中，每组阵列喷头含有两排平行的喷孔，各喷孔的打印状态可独立控制，且三组阵列喷头可分别打印导电材料、介电材料和支撑材料，即可实现多种材料一体化混合打印的功能；三组阵列喷头的喷孔不可在同一时刻全部打开进行作业，即在同一时刻，仅有一组喷头工作而其他阵列喷头组的喷孔全部关闭，如当左侧打印导电材料的阵列喷头组工作时，中间打印介电材料的阵列喷头组及右侧打印支撑材料的阵列喷头组的喷孔关闭，暂时不进行作业，反之亦然。

伺服电机2、联轴器3、丝杠支座组件固定侧4、滚珠丝杠5、滚珠丝杠螺帽支架8采用同轴设置。

直线滑动导轨底座1上设有凸台，用于放置两直线导轨6；六自由度机械臂滑座7设有凸台，用于带动六自由度机械臂9滑动。

两直线导轨6通过螺栓固定在直线滑动导轨底座1的凸台上，且关于滚珠丝杠轴5对称，对称轴为滚珠丝杠5。

丝杠支座组件固定侧4将滚珠丝杠5固定在直线滑动导轨底座1两端，其中与伺服电机2相连一侧称为固定侧，另一侧称为支持侧；伺服电机2与直线滑动导轨底座1通过螺栓相连，且伺服电机2通过联轴器3与一端丝杠支座组件固定侧4连接。

六自由度机械臂滑座7通过螺栓将四个可移动的滑块设于两直线滑动导轨6上。

六自由度机械臂9通过螺栓连接在机械臂滑座7凸台上，该机械臂滑座7可带动机械臂9沿直线滑动导轨6水平移动。

喷头安装组件10用于将阵列喷头组连接并固定于机械臂9的末端。

伺服电机2采用交流伺服电机，该固定于工作台上的伺服电机2可有效解决因发热及振动带来的机械臂底座在直线滑动导轨6上定位精度低等问题，有效提高了抗过载能力，同时该伺服电机2加减速动态响应时间相对较短。

联轴器3用于将伺服电机2中的主动轴与丝杠支座组件中的从动轴连接起来，达到一同旋转的目的。

六自由度机械臂9设有六自由度机械臂滑座7，六自由度机械臂滑座7通过螺栓将四个可移动的滑块设于两直线滑动导轨6上，通过止动螺丝将直线滑动导轨6上四个可移动滑块的基准侧与直线滑动导轨底座1凸台侧面基准面接触。

六自由度机械臂9通过螺栓连接在六自由度机械臂滑座7凸台上，该六自由度机械臂滑座7可带动机械臂沿直线滑动导轨6往复运动。

本发明的大尺寸复杂曲面共形天线多材料一体化三维打印技术主要由滑动导轨模块和三维打印模块两部分构成。六自由度机械臂9在打印过程中，将直线滑动导轨底座1固定于待打印作业区域前端，若需进行导电材料打印，将打印导电材料阵列喷头组的喷孔打开，打印介电材料阵列喷头组及打印支撑材料阵列喷头组的喷孔关闭，反之亦然；当该部分待打印区域完成作业打印后，六自由度机械臂9可在机械臂滑座7的带动下，沿直线导轨往复运动，直至移动到下一待打印区域，重复上述步骤至所有待打印区域均完成打印任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统，其特征在于，所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统包括：

滑动导轨模块，用于固定待打印作业区域；

三维打印模块，用于实现导电材料打印，当该部分待打印区域完成打印时，移动到下一待打印区域，至所有待打印区域均完成打印任务。

2.如权利要求1所述的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统，其特征在于，所述滑动导轨模块包括：直线滑动导轨、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺帽支架、丝杠支座组件、直线滑动导轨、伺服电机、联轴器、机械臂滑座；

直线滑动导轨通过螺栓固定于导轨底座凸台上，螺栓固定于导轨底座凸台上；所述伺服电机固定在工作台上；所述联轴器连接所述伺服电机中的主动轴与所述丝杠支座组件中的从动轴。

3.如权利要求1所述的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统，其特征在于，所述三维打印模块包括：六自由度机械臂、工作台、三组阵列喷头、喷头安装组件；

六自由度机械臂通过螺栓连接在机械臂滑座凸台上，机械臂滑座通过螺栓将四个可移动的滑块设于所述两直线导轨上，通过止动螺丝将直线导轨上四个可移动滑块的基准侧与直线滑动导轨底座凸台侧面基准面接触；机械臂滑座带动机械臂沿直线导轨往复运动；三组阵列喷头中每组阵列喷头含有两排平行的喷孔，各喷孔的打印状态可独立控制，且三组阵列喷头分别打印导电材料、介电材料和支撑材料。

4.一种运行权利要求1所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统的大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印方法，其特征在于，所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印方法包括：

第一步，六自由度机械臂在打印过程中，将直线滑动导轨底座固定于待打印作业区域前端；

第二步，打印时，六自由度机械臂依据共形天线所体现的曲面特征轨迹进行打印，根据打印物体不同位置材料的不同，选择喷不同材料的阵列喷头，每组阵列喷头可分别打印导电材料、介电材料和支撑材料，实现多种材料一体化混合打印的功能；

第三步，当进行导电材料打印时，打印导电材料阵列喷头组的喷孔打开，打印介电材料阵列喷涂组的喷孔和打印支撑材料阵列喷头组的喷孔关闭；

第四步，当该部分打印区域完成作业打印后，伺服电机通过滚珠丝杠带动机械臂滑座上的六自由度机械臂，沿直线滑动导轨往复运动，直至移动至下一待打印区域，重复第一步-第三步至所有待打印区域均完成打印任务。

5.一种搭载权利要求1～3任意一项所述大尺寸复杂曲面共形天线的一体化三维打印系统的三维打印机。

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