CN112814387A - 一种新型龙门式双轨道3d建筑打印设备 - Google Patents

一种新型龙门式双轨道3d建筑打印设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，包括主体框架、材料运输系统和控制系统；其中，主体框架包括安装有单个打印喷头的X轴横梁，打印喷头连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴横梁左右移动以及出料打印，打印喷头安装有检测器且检测器能对打印建筑的宽度进行检测，X轴横梁的两端安装在Z轴横梁且可沿Z轴横梁上下移动，Z轴横梁的底端安装在底盘且可前后移动；还包括高空横梁，高空横梁安装有高空横梁管道支架且高空横梁管道支架可沿管道横梁左右移动，高空横梁管道支架内的材料运输管道通过材料接收管与打印喷头连接。本发明具有可实现以混凝土为材料的建筑构件的高精度、高速度打印的优点。

Description

一种新型龙门式双轨道3D建筑打印设备
技术领域
本发明涉及一种新型龙门式双轨道3D建筑打印设备, 属于水泥制品3D打印技术领域。
背景技术
3D打印技术起源于20 世纪80年代末，也称为增材制造或快速原型技术，21世纪以来，随着 3D打印技术的引入，数字建造成为了建筑领域数字化发展的趋势。本发明以打印水利建筑构件为主，通过打印可构件在经过组装，可实现远离施工现场，建立无人工操作流水线，其可24小时生产、生产速度快、生产产量高、生产过程无危险、生产基地环境号。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种新型龙门式双轨道3D建筑打印设备。本发明技术方案如下：
一种新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，包括主体框架、材料运输系统和控制系统；
所述主体框架包括安装有单个打印喷头的X轴横梁，X轴横梁上设有X轴轨道，所述打印喷头连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴轨道左右移动以及出料打印，所述动力装置包括舵机、X轴伺服电机C以及旋转伺服电机H，用以控制打印喷头的打印工作；所述打印喷头底部安装有距离检测器，所述舵机与检测器连接且可控制检测器与打印喷头齿轮咬合旋转，所述打印喷头上部安装有材料接收管；
所述X轴横梁的两端分别安装在Z轴横梁上，且可沿Z轴横梁上下移动，所述Z轴横梁的底端安装在底盘上，所述Z轴横梁顶端分别连接高空横梁；
所述高空横梁上设有高空横梁管道支架和驱动高空横梁管道支架的伺服电机G，所述高空横梁上的两端分别设有配重和管道升降机，管道升降机上设有伺服电机F；
所述材料运输系统包括搅拌机，所述搅拌机的上方设有水箱，搅拌机的出口设有泵送机，所述泵送机的出口连接有材料运输管道且所述材料运输管道位于管道支架内，所述材料运输管道经管道升降机和高空横梁管道支架与材料接收管连接；
所述控制系统与X轴伺服电机C，伺服电机F、伺服电机G、旋转伺服电机H及舵机分别连接。
进一步的，所述高空横梁的两端分别设有Z轴伺服电机D和Z轴伺服电机E，Z轴伺服电机D和Z轴伺服电机E驱动Z轴螺旋升降杆，进而使得X轴横梁沿Z轴横梁上下移动；所述控制系统与Z轴伺服电机D，Z轴伺服电机E分别连接。
进一步的，所述底盘安装有双轨道滑轮和侧轮，且在底盘上位于Z轴横梁上安装有三脚架对其进行加固，另外，在两个底盘上分别连接有Y轴伺服电机A和Y轴伺服电机B，两个Y轴伺服电机控制双轨道滑轮和侧轮在轨道上移动，进而带动底盘以及安装在底盘上的Z轴横梁前后移动；所述控制系统与Y轴伺服电机A、Y轴伺服电机B分别连接。优选的，由于设备重量较大，容易出现丢步、偏沉等问题，在底盘增加设计编码器，以实时监控实际距离，并与控制系统计算的距离相比较，且可在程序中选择打印设定次数的线段之后自动修正，以此来提高3D建筑打印的精确度。
进一步的，所述X轴横梁、Z轴横梁、高空横梁以及底盘中的至少一个安装有限位开关、回零开关和编码器开关中的一个或两个以上。
进一步的，所述Z轴横梁上设有配电箱，所述配电箱装配伺服电机等的控制器及系统控制卡接线排。
进一步的,所述打印喷头内设有检测装置，用来检测打印喷头中的混凝土材料是否充足。当混凝土材料下降到一定的程度时，启动材料提供系统向打印喷头内运输混凝土材料，且为防止检测装置出错，在控制系统设计第二道保险，预先计算出一定时间内混凝土的需求量，打印期间控制系统根据该预先计算值控制材料提供系统的泵送机自动泵送混凝土材料，以避免混凝土材料不足空转，以及避免混凝土材料过多凝固影响3D建筑打印的顺利进行。
工作时，X轴伺服电机C控制打印喷头在X轴横梁的X轴轨道上左右移动，同时，旋转伺服电机H控制打印喷头内部螺旋旋转来控制出料，在控制系统的控制下，判断当前所行走路线是否为所需打印线段，若是，则由控制系统经旋转伺服电机H分别控制打印喷头内部螺旋柱旋转，控制打印喷头出料；若不是，则打印喷头内部螺旋柱不旋转，此线段空走不下料。
此外，考虑到混凝土材料的不确定性，在打印喷头处装有高速视觉检测器，通过控制系统进行识别与计算当前图形及其前进方向，通过舵机控制高速视觉检测器经齿轮与打印喷头咬合旋转，使其与打印的建筑外侧平行运动，然后按照设定一定的时间间隔来对所打印的构件进行拍照，在将照片传回控制系统，进而检测打印建筑的宽度。若打印建筑宽度过宽，由高速视觉检测器传回的照片分析出其宽度，然后通过控制系统控制旋转H伺服电机控制打印喷头内部旋转速度下降，减少材料在打印喷头的喷出量，并控制下次储水箱的出水量；若打印建筑宽度过窄，由高速视觉检测器传回的照片分析出其宽度，然后通过控制系统控制旋转伺服电机H控制打印喷头内部旋转速度上升，加大材料在打印喷头的喷出量，并控制下次水箱的出水量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明设计双轨道运行3D建筑打印以增加稳定性，以及在打印喷头设计检测器，通过检测打印建筑的宽度来对打印的建筑构件质量进行调整，通过控制系统和材料运输系统的配合可实现以混凝土为材料的建筑高精度、高速度的打印。同时，通过3D打印的建筑构件经过组装，可实现远离施工现场，具有建立无人工操作流水线，生产速度快、生产产量高、生产过程无危险、生产基地环境好的优点。
附图说明
图1为3D建筑打印机主体框架结构示意图；
图2为材料运输系统示意图；
图3为控制系统。
图中标号：1.X轴横梁，2.Z轴横梁，3.高空横梁，4.底盘，5.打印喷头，6.配电箱，7.检测器，8.舵机，9.高空横梁管道支架，10.Z轴螺旋升降杆，11.双轨道滑轮，12.侧轮，13.Y轴伺服电机A,14.Y轴伺服电机B，15.X轴伺服电机C，16.Z轴伺服电机D，17.Z轴伺服电机E，18.管道升降机，19.伺服电机F，20.伺服电机G，21.三脚架，22.X轴轨道，23.材料接收管，24.配重，25.材料运输管道，26.管道支架，27.搅拌机，28.泵送机，29.控制系统，30.旋转伺服电机H，31.水箱。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
在本文中，“上、下、左、右、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，本发明实施例中，“以上”、“以下”等，包括本数。
实施例 一种新型龙门式双轨道3D建筑打印设备
如图1-3所示，3D建筑打印设备包括主体框架、材料运输系统和控制系统29；
所述主体框架包括安装有单个打印喷头5的X轴横梁1，X轴横梁1上设有X轴轨道22，所述打印喷头5连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴轨道22左右移动以及出料打印，所述动力装置包括舵机8、X轴伺服电机C 15以及旋转伺服电机H 30，用以控制打印喷头5的打印工作；所述打印喷头5底部安装有距离检测器7，所述舵机8与检测器7连接且可控制检测器7与打印喷头5齿轮咬合旋转，所述打印喷头5上部安装有材料接收管23；
所述X轴横梁1的两端分别安装在Z轴横梁2上，且可沿Z轴横梁2上下移动，所述Z轴横梁2的底端安装在底盘4上，所述Z轴横梁2顶端分别连接高空横梁3；
所述高空横梁3上设有高空横梁管道支架9和驱动高空横梁管道支架9的伺服电机G 20，所述高空横梁3上的两端分别设有配重24和管道升降机18，管道升降机18上设有伺服电机F 19；
所述材料运输系统包括搅拌,27，所述搅拌机27的上方设有水箱31，搅拌机27的出口设有泵送机28，所述泵送机28的出口连接有材料运输管道25且所述材料运输管道25位于管道支架26内，所述材料运输管道25经管道升降机18和高空横梁管道支架9与材料接收管23连接；
作为优选方案，所述高空横梁3的两端分别设有Z轴伺服电机D 16和Z轴伺服电机E17，Z轴伺服电机D 16和Z轴伺服电机E 17驱动Z轴螺旋升降杆10，进而使得X轴横梁1沿Z轴横梁2上下移动；
所述底盘4安装有双轨道滑轮11和侧轮12，且在底盘4上位于Z轴横梁2上安装有三脚架21对其进行加固，另外，在两个底盘4上分别连接有Y轴伺服电机A 13和Y轴伺服电机B14，两个Y轴伺服电机控制双轨道滑轮11和侧轮12在轨道上移动，进而带动底盘4以及安装在底盘4上的Z轴横梁2前后移动；
所述控制系统29与Y轴伺服电机A 13、Y轴伺服电机B 14、X轴伺服电机C 15， Z轴伺服电机D 16，Z轴伺服电机E 17、伺服电机F 19、伺服电机G 20、旋转伺服电机H 30及舵机8分别连接。
由于设备重量较大，容易出现丢步、偏沉等问题，在底盘4增加设计编码器，以实时监控实际距离，并与控制系统9计算的距离相比较，且可在程序中选择打印设定次数的线段之后自动修正，以此来提高3D建筑打印的精确度。所述Z轴横梁2上设有配电箱6，所述配电箱6装配伺服电机等的控制器及系统控制卡接线排；所述打印喷头内设有检测装置；
所述X轴横梁1、Z轴横梁2、高空横梁3以及底盘4中的至少一个安装有限位开关、回零开关和编码器开关中的一个或两个以上。具体的，在打印机运行轨道的两端设有限位开关接触点，其中，起点处设有编码器归零开关接触点及回原点接触点，其他的接触点可根据需要自由设置其位置。以及，在X轴轨道1的两端也设有限位接触点，起点处设有回零点接触点，且起点可根据打印的建筑构件来自由确定，其他接触点也可自由更改其设置位置。另外，由于打印设备整体较为笨重，容易出现丢步，在打印设备的底盘4设有编码器，实时监控当前设备移动数据，与控制系统29预测数据比较，并根据设置自动调节打印机位置。
现有在材料运输管道25与打印设备接触时，由于拖拽原因，会造成材料运输管道25的磨损，耽误工期，并造成一定经济损失。为避免上述麻烦，本发明中，当高空横梁3上的材料运输管道25需要加长时，经过升降伺服电机F 19控制管道升降机18将材料运输管道25向高空横梁3上吊送，当高空横梁3上的材料运输管道25需要收缩时，经过管道升降机18将材料运输管道25往高空横梁3下吊送。以及，为避免材料运输管道25磨损，且考虑到打印时打印喷头5会不停移动，进而会拖拽材料运输管道25，在高空横梁3上安装高空横梁管道支架9，进行材料运输管道25的拖拽。正式打印时，由于打印喷头5会不停移动，需要材料运输管道25不停的拖拽，此时，通过控制系统29查询当前位置，以中心点为基点，通过计算位置与当前打印喷头5移动方向，利用控制系统29控制支架伺服电机G 20来控制高空横梁管道支架9的移动，达到材料运输管道25与打印喷头的5动态平衡。
利用两个Z轴伺服电机同步控制X轴横梁1通过Z轴螺旋升降杆10上下移动，每当完成一个图案，控制系统29会自动判断是否到达终点，并且判断插补运动是否完成，若完成则打印设备的X轴Y轴自动回原点，并且其Z轴提高一个高度，准备打印第二次。具体的，该高度可在控制系统29中自主设定，并且回零与升高次数也可根据需要打印的建筑构件来自由选择。
控制系统29由工控机及控制卡组成，可通过在控制系统29内编写程序来控制打印设备工作，具体可采用C#编写程序。考虑到设备较大，原点位置如人为确定将会出现误差，为避免误差出现，通过控制系统29启动打印机行驶一段距离然后执行回原点运动，且为增加每次回原点后的准确度，采取一次回零加找回模式进行控制。
打印前，通过控制系统29对DXF文件做读取分析，将其分为多个重要点，并对每个所要打印的线段按路径优化，以降低打印机空走的时间。且在控制系统29中设定各个伺服电机插补速度、旋转速度、打印层数、校正间隔等参数，且该设定的参数可在打印中进行修改调整。
工作时，当控制系统29确定打印原点后，通过控制系统29启动搅拌机27动作，并控制水箱31注入相应比例的水，之后由泵送机28经材料运输管道25运至打印设备的主体框架处。其间由于材料提供系统与主体框架之间存在一定距离，为避免材料运输管道25在运输混凝土材料时因移动造成磨损，设计了管道支架26，将材料运输管道25置于管道支架26内。
在各实施例不相矛盾的情形下，各实施例中的至少部分技术方案可重新组合形成本发明的实质技术方案，当然，各实施例间也可以相互引用或包含。并且，需要说明的是，本领域技术人员在重新组合各实施例记载的技术手段时所做出的适应性调整修改也将落入本发明的保护范围。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理，但需要说明的是，上述的这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，其特征在于，所述新型龙门式双轨道3D建筑打印设备包括主体框架、材料运输系统和控制系统；
所述主体框架包括安装有单个打印喷头的X轴横梁，X轴横梁上设有X轴轨道，所述打印喷头连接有动力装置且在动力装置的驱动下沿X轴轨道左右移动以及出料打印，所述动力装置包括舵机、X轴伺服电机C以及旋转伺服电机H；所述打印喷头底部安装有距离检测器，所述舵机与检测器连接且可控制检测器与打印喷头齿轮咬合旋转，所述打印喷头上部安装有材料接收管；
所述X轴横梁的两端分别安装在Z轴横梁上，且可沿Z轴横梁上下移动，所述Z轴横梁的底端安装在底盘上，所述Z轴横梁顶端分别连接高空横梁；
所述高空横梁上设有高空横梁管道支架和驱动高空横梁管道支架的伺服电机G，所述高空横梁上的两端分别设有配重和管道升降机，管道升降机上设有伺服电机F；
所述材料运输系统包括搅拌机，所述搅拌机的上方设有水箱，搅拌机的出口设有泵送机，所述泵送机的出口连接有材料运输管道且所述材料运输管道位于管道支架内，所述材料运输管道经管道升降机和高空横梁管道支架与材料接收管连接；
所述控制系统与X轴伺服电机C，伺服电机F、伺服电机G、旋转伺服电机H及舵机分别连接。
2.根据权利要求1所述新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，其特征在于，所述高空横梁的两端分别设有Z轴伺服电机D和Z轴伺服电机E，Z轴伺服电机D和Z轴伺服电机E驱动Z轴螺旋升降杆，进而使得X轴横梁沿Z轴横梁上下移动；所述控制系统与Z轴伺服电机D，Z轴伺服电机E分别连接。
3.根据权利要求1所述新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，其特征在于，所述底盘安装有双轨道滑轮和侧轮，且在底盘上位于Z轴横梁上安装有三脚架另外，在两个底盘上分别连接有Y轴伺服电机A和Y轴伺服电机B，所述控制系统与Y轴伺服电机A、Y轴伺服电机B分别连接。
4.根据权利要求3所述新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，其特征在于，在底盘增加设计编码器。
5.根据权利要求1所述新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，其特征在于，所述X轴横梁、Z轴横梁、高空横梁以及底盘中的至少一个安装有限位开关、回零开关和编码器开关中的一个或两个以上。
6.根据权利要求1所述新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，其特征在于，所述Z轴横梁上设有配电箱。
7.根据权利要求1所述新型龙门式双轨道3D建筑打印设备，其特征在于，所述打印喷头内设有检测装置。
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