CN113021887B - 适用于工业机器人手臂的3d打印喷头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

适用于工业机器人手臂的3D打印喷头及其使用方法，属于3D打印技术领域。包括法兰盘、控制盒、料筒、针头，所述法兰盘用于与工业机器人手臂相连；所述料筒的两端分别连通控制盒、针头，所述料筒内设有活塞；所述控制盒的两端铰接于法兰盘，且所述控制盒侧壁设有进气口，由进气口进气，驱动活塞挤压物料，经针头挤出物料。本发明是一款可以与6轴或者7轴工业机器人手臂进行连接的3D打印喷头，以适应打印基体是斜面甚至复杂曲面时的3D打印任务，在医疗、生物支架的3D打印上有着良好的应用前景。

Description

适用于工业机器人手臂的3D打印喷头及其使用方法

技术领域

本发明涉及适用于工业机器人手臂的3D打印喷头及其使用方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

作为增材制造技术的一种，3D打印技术可以实现从模型到实体的快速制造，在生物医疗、智能制造等行业都具有很好地应用前景。目前国内外的3D打印设备都是基于3坐标伺服平台，即通过三个独立的伺服电机控制喷头在X、Y、Z三个方向的移动。

3坐标伺服系统具有反应快，准确度高的优点，打印时首先需要对打印平台进行找平，然后将模型按照Z轴方向进行分层，再进行逐层打印，对打印环境具有较高的要求，如打印基体是斜面甚至复杂曲面时，3坐标伺服系统即很难完成打印任务。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于工业机器人手臂的3D打印喷头及其使用方法，以完成多种形状的打印基体(包括斜面、甚至复杂曲面)的打印任务。

本发明的技术方案如下：

适用于工业机器人手臂的3D打印喷头，其特征是，包括法兰盘、控制盒、料筒、针头，所述法兰盘用于与工业机器人手臂相连；所述料筒的两端分别连通控制盒、针头，所述料筒内设有活塞；所述控制盒的两端铰接于法兰盘，且所述控制盒侧壁设有进气口，由进气口进气，驱动活塞挤压物料，经针头挤出物料。

进一步的，所述法兰盘端面设有两个外凸的安装座，所述控制盒的相对两侧壁分别设有连接轴，两个安装座分别设有与连接轴配合的安装孔，所述控制盒置于两个安装座之间，两个连接轴分别安装于两个安装孔内，以便控制盒相对于法兰盘转动。

进一步的，其中一个连接轴为中空结构，该连接轴的中心孔作为进气口，并与控制盒内腔连通。

进一步的，所述控制盒侧壁设有角度刻度线，所述角度刻度线沿连接轴周向布置，所述安装座设有读取角度刻度线的可视窗口。

进一步的，所述控制盒的前端面设有料筒安装圆孔，所述料筒安装圆孔的相对两侧设有外凸的导向槽，所述料筒外壁的相对位置设有与导向槽匹配的限位块；通过转动料筒，使限位块与导向槽对应与否，以取出或固定料筒。

进一步的，所述料筒与控制盒连接处设有密封毛毡，所述密封毛毡在与导向槽对应位置设有与之匹配的密封毛毡块体。

进一步的，所述控制盒在料筒安装圆孔外沿设有锁紧旋钮，该锁紧旋钮通过转轴与控制盒外壁转动连接，且该锁紧旋钮的外轮廓具有一大端、一小端，通过旋转锁紧旋钮，使大端或小端位于密封毛毡上方，以实现对密封毛毡的锁紧或释放。

进一步的，所述控制盒在靠近法兰盘的端面为圆弧面，以便控制盒实现转动。

上述适用于工业机器人手臂的3D打印喷头的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1)安装：

将工业机器人手臂置于初始位置，第六轴上的法兰盘垂直向前，将3D打印喷头的法兰盘与第六轴上的法兰盘进行刚性连接，旋转控制盒，使法兰盘的可视窗口与控制盒上角度刻度线的0°位置对应；

将针头安装于料筒，将物料装在料筒中，在料筒内装入活塞；将料筒对准控制盒的料筒安装圆孔，使限位块与导向槽对应，料筒插入料筒安装圆孔，旋转料筒，使限位块位于控制盒内并与导向槽错开，以锁紧料筒；

在料筒与料筒安装圆孔处安装密封毛毡，并将密封毛毡的两个密封毛毡块体置于两个导向槽内；旋转锁紧旋钮，使锁紧旋钮的大端位于密封毛毡上方，以实现对密封毛毡的限位和锁紧；

此时，保证针头垂直向下，将进气口通过气管连接工业机器人的气源；

2)调试：

控制第六轴转动到适当位置，并记录第六轴角度α，转动控制盒至合适角度，记录此时转角读数β，控制机器人使针头触碰打印基体上的打印原地，记录触碰时的坐标p₀，此时打印喷头末端的方位坐标系：

3)模型处理：

将需要打印的三维模型进行处理，以打印原地为坐标原地，将打印物体上每个点P_n的坐标按照以下公式(3)进行转置处理，并将所得点按照Z_nT的大小进行分层，按照正交或S形分形算法将同层的点进行分形处理，得到针头的移动轨迹：

P_z＝[P_z1 P_z2 ··· P_zn] (2)；

P_nT＝[x_nT y_nT z_nT]＝P_nR_T＝[x_n y_n z_n]R_T (3)；

4)机器人程序生成：

按照针头的移动轨迹，按照以下公式(4)计算机器人针头的移动轨迹：

P_R1＝[x_R1 y_R1 z_R1]＝P_z1·invR_T＝[x_z1 y_z1 z_z1]·invR_T (4)，

通过线性运动指令，MOVEL指令，实现机器人点位直接的运动，生成机器人控制程序；

5)打印：

根据材料的粘性，设置控制盒中的气压，并通过控制程序控制机器人进行移动，同时通过增加控制盒内气压的方式挤压活塞，挤出物料，完成3D打印工作。

本发明是一款可以与6轴或者7轴工业机器人手臂进行连接的3D打印喷头，以适应打印基体是斜面甚至复杂曲面时的3D打印任务，在医疗、生物支架的3D打印上有着良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明3D打印喷头的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的右视图；

图4为本发明法兰盘的结构示意图；

图5为本发明料筒的结构示意图；

图6为本发明密封毛毡的结构示意图；

图7为本发明控制盒的结构示意图；

图8为图7的左视图；

图9为图7的右视图；

图10为图7的正视图；

图中：法兰盘1、控制盒2、料筒3、针头4、进气口5、安装座6、连接轴7、角度刻度线8、可视窗口9、料筒安装圆孔10、导向槽11、限位块12、密封毛毡13、密封毛毡块体14、锁紧旋钮15、锁紧旋钮的大端16、锁紧旋钮的小端17、圆弧面18。

具体实施方式

如图所示，适用于工业机器人手臂的3D打印喷头，包括法兰盘1、控制盒2、料筒3、针头4，所述法兰盘用于与工业机器人手臂相连；所述料筒的两端分别连通控制盒、针头，所述料筒内设有活塞；所述控制盒的两端铰接于法兰盘，且所述控制盒侧壁设有进气口5，由进气口进气，驱动活塞挤压物料，经针头挤出物料。

具体的：

1、所述法兰盘端面设有两个外凸的安装座6，所述控制盒的相对两侧壁分别设有连接轴7，两个安装座分别设有与连接轴配合的安装孔，所述控制盒置于两个安装座之间，两个连接轴分别安装于两个安装孔内。其中一个连接轴为中空结构，该连接轴的中心孔作为进气口，并与控制盒内腔连通。所述控制盒侧壁设有角度刻度线8，所述角度刻度线沿另一个连接轴周向布置，所述安装座设有读取角度刻度线的可视窗口9。

所述控制盒在靠近法兰盘的端面为圆弧面18，以便控制盒相对于法兰盘实现转动(可以通过手动方式旋转控制盒，或者增设动力源，驱动未作为进气口的连接轴而带动控制盒旋转)。

2、所述控制盒的前端面设有料筒安装圆孔10，所述料筒安装圆孔的相对两侧设有外凸的导向槽11，所述料筒外壁的相对位置设有与导向槽匹配的限位块12；通过转动料筒，使限位块与导向槽对应与否，以取出或固定料筒。所述料筒与控制盒连接处设有密封毛毡13，所述密封毛毡在与导向槽对应位置设有与之匹配的密封毛毡块体14。所述控制盒在料筒安装圆孔外沿设有锁紧旋钮15，该锁紧旋钮通过转轴与控制盒外壁转动连接，且该锁紧旋钮的外轮廓具有一大端16、一小端17，通过旋转锁紧旋钮，使大端或小端位于密封毛毡上方，以实现对密封毛毡的锁紧或释放。

3、适用于工业机器人手臂的3D打印喷头的使用方法，包括以下步骤：

1)安装：

将工业机器人手臂置于初始位置，第六轴上的法兰盘垂直向前，将3D打印喷头的法兰盘与第六轴上的法兰盘进行刚性连接，旋转控制盒，使法兰盘的可视窗口与控制盒上角度刻度线的0°位置对应；

将针头安装于料筒，将物料装在料筒中，在料筒内装入活塞；将料筒对准控制盒的料筒安装圆孔，使限位块与导向槽对应，料筒插入料筒安装圆孔，旋转料筒，使限位块位于控制盒内并与导向槽错开，以锁紧料筒；

在料筒与料筒安装圆孔处安装密封毛毡，并将密封毛毡的两个密封毛毡块体置于两个导向槽内；旋转锁紧旋钮，使锁紧旋钮的大端位于密封毛毡上方，以实现对密封毛毡的限位和锁紧；

此时，保证针头垂直向下，将进气口通过气管连接工业机器人的气源；

2)调试：

控制第六轴转动到适当位置，并记录第六轴角度α，转动控制盒至合适角度，记录此时转角读数β，控制机器人使针头触碰打印基体上的打印原地，记录触碰时的坐标p₀，此时打印喷头末端的方位坐标系：

3)模型处理：

将需要打印的三维模型进行处理，以打印原地为坐标原地，将打印物体上每个点P_n的坐标按照以下公式(3)进行转置处理，并将所得点按照Z_nT的大小进行分层，按照正交或S形分形算法将同层的点进行分形处理，得到针头的移动轨迹：

P_z＝[P_z1 P_z2 ··· P_zn] (2)；

P_nT＝[x_nT y_nT z_nT]＝P_nR_T＝[x_n y_n z_n]R_T (3)；

4)机器人程序生成：

按照针头的移动轨迹，按照以下公式(4)计算机器人针头的移动轨迹：

P_R1＝[x_R1 y_R1 z_R1]＝P_z1·invR_T＝[x_z1 y_z1 z_z1]·invR_T (4)，

通过线性运动指令，MOVEL指令，实现机器人点位直接的运动，生成机器人控制程序；

5)打印：

根据材料的粘性，设置控制盒中的气压，并通过控制程序控制机器人进行移动，同时通过增加控制盒内气压的方式挤压活塞，挤出物料，完成3D打印工作。

Claims (2)

1.适用于工业机器人手臂的3D打印喷头，其特征是，包括法兰盘(1)、控制盒(2)、料筒(3)、针头(4)，所述法兰盘用于与工业机器人手臂相连；所述料筒的两端分别连通控制盒、针头，所述料筒内设有活塞；所述控制盒的两端铰接于法兰盘，且所述控制盒侧壁设有进气口(5)，由进气口进气，驱动活塞挤压物料，经针头挤出物料；

所述法兰盘端面设有两个外凸的安装座(6)，所述控制盒的相对两侧壁分别设有连接轴(7)，两个安装座分别设有与连接轴配合的安装孔，所述控制盒置于两个安装座之间，两个连接轴分别安装于两个安装孔内，以便控制盒相对于法兰盘转动；

其中一个连接轴为中空结构，该连接轴的中心孔作为进气口，并与控制盒内腔连通；

所述控制盒侧壁设有角度刻度线(8)，所述角度刻度线沿连接轴周向布置，所述安装座设有读取角度刻度线的可视窗口(9)；

所述控制盒的前端面设有料筒安装圆孔(10)，所述料筒安装圆孔的相对两侧设有外凸的导向槽(11)，所述料筒外壁的相对位置设有与导向槽匹配的限位块(12)；通过转动料筒，使限位块与导向槽对应与否，以取出或固定料筒；

所述料筒与控制盒连接处设有密封毛毡(13)，所述密封毛毡在与导向槽对应位置设有与之匹配的密封毛毡块体(14)；

所述控制盒在料筒安装圆孔外沿设有锁紧旋钮(15)，该锁紧旋钮通过转轴与控制盒外壁转动连接，且该锁紧旋钮的外轮廓具有一大端(16)、一小端(17)，通过旋转锁紧旋钮，使大端或小端位于密封毛毡上方，以实现对密封毛毡的锁紧或释放；

使用时，包括以下步骤：

1)安装：

将工业机器人手臂置于初始位置，第六轴上的法兰盘垂直向前，将3D打印喷头的法兰盘与第六轴上的法兰盘进行刚性连接，旋转控制盒，使法兰盘的可视窗口与控制盒上角度刻度线的0°位置对应；

将针头安装于料筒，将物料装在料筒中，在料筒内装入活塞；将料筒对准控制盒的料筒安装圆孔，使限位块与导向槽对应，料筒插入料筒安装圆孔，旋转料筒，使限位块位于控制盒内并与导向槽错开，以锁紧料筒；

在料筒与料筒安装圆孔处安装密封毛毡，并将密封毛毡的两个密封毛毡块体置于两个导向槽内；旋转锁紧旋钮，使锁紧旋钮的大端位于密封毛毡上方，以实现对密封毛毡的限位和锁紧；

此时，保证针头垂直向下，将进气口通过气管连接工业机器人的气源；

2)调试：

控制第六轴转动到适当位置，并记录第六轴角度α，转动控制盒至合适角度，记录此时转角读数β，控制机器人使针头触碰打印基体上的打印原地，记录触碰时的坐标p₀，此时打印喷头末端的方位坐标系：

3)模型处理：

将需要打印的三维模型进行处理，以打印原地为坐标原地，将打印物体上每个点P_n的坐标按照以下公式(三)进行转置处理，并将所得点按照Z_nT的大小进行分层，按照正交或S形分形算法将同层的点进行分形处理，得到针头的移动轨迹：

P_z＝[P_z1 P_z2 … P_zn] (二)；

P_nT＝[x_nT y_nT z_nT]＝P_nR_T＝[x_n y_n z_n]R_T (三)；

4)机器人程序生成：

按照针头的移动轨迹，按照以下公式(四)计算机器人针头的移动轨迹：

P_R1＝[x_R1 y_R1 z_R1]＝P_z1·invR_T＝[x_z1 y_z1 z_z1]·invR_T (四)，

通过线性运动指令，MOVEL指令，实现机器人点位直接的运动，生成机器人控制程序；

5)打印：

根据材料的粘性，设置控制盒中的气压，并通过控制程序控制机器人进行移动，同时通过增加控制盒内气压的方式挤压活塞，挤出物料，完成3D打印工作。

2.根据权利要求1所述的适用于工业机器人手臂的3D打印喷头，其特征是，所述控制盒在靠近法兰盘的端面为圆弧面(18)，以便控制盒实现转动。

Images