CN106351451A - 模块化3d墙体打印机器人 - Google Patents

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Abstract

一种模块化3D墙体打印机器人，包括支撑立柱模块、限位在支撑立柱模块上的横梁模块、设置在横梁模块上的打印头模块，其技术要点是：所述支撑立柱模块为两个以上，横梁模块数量与支撑立柱模块数量相同，打印头模块为一个以上。其具有适用广泛、通用性强、自动化程度高、运营成本低、工作效率高等优点。

Description

模块化3D墙体打印机器人
技术领域
本发明涉及建筑领域，具体说是一种模块化3D墙体打印机器人。
背景技术
房屋在人们的生活中起着必不可少的作用。而目前建筑行业多采用人工箍筋，机械浇灌混凝土，需要耗费大量人力、物力。随着3D打印技术的发展，这种3D增材技术逐渐应用到建筑施工行业，用新型粘和材料的逐层打印取代大量混凝土的浇灌。随着3D打印技术在建筑行业的应用，建筑打印机器人模块化逐渐成为研究的重点，但现有建筑打印机器人往往受到成本高、体积大、地理位置气候等条件限制。
如申请公开号为CN105715052A的发明专利申请公开了“施工现场打印混凝土的3D房屋打印机及打印方法及房屋”，该***包括桁车、驱动机构、行走机构、混凝土卸料组件、提升机构及自动控制机构。但存在以下问题：（1）仅仅借用了龙门桁车的结构，只能完成小于桁车本体的房屋打印，因此打印局限性很大；（2）整体体积过大，不便于运输、移动，当打印不同房屋需更改桁车的大小，因此通用性差；（3）整体自由度少，只能完成简单的墙体打印。
如申请公开号为CN105171892A的发明专利申请公开了“一种基于配重***的房屋打印装置”，该装置包括基座、导轨、移动底座、移动底座伺服电机、移动梁、滑轮驱动电机、移动小车、配重***支撑架、锥齿轮换向器、配重块等。但存在以下问题：（1）简单借鉴龙门结构，强度低；（2）通用性差，该装置只能打印在轨道范围内的房屋且房屋大小受装置大小局限。
发明内容
本发明的目的是提供一种可根据打印墙体大小模块化组装的模块化3D墙体打印机器人，从根本上解决了上述问题，其具有适用广泛、通用性强、自动化程度高、运营成本低、工作效率高等优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该模块化3D墙体打印机器人包括支撑立柱模块、限位在支撑立柱模块上的横梁模块、设置在横梁模块上的打印头模块，其技术要点是：所述支撑立柱模块为两个以上，横梁模块数量与支撑立柱模块数量相同，打印头模块为一个以上。
所述支撑立柱模块包括位于水平面上的小车组件以及可伸缩的立柱组件。
所述小车组件包括底座、设置在底座上的可调脚轮、设置在底座上的升降电机。
所述立柱组件包括垂直固定在小车组件上的基柱以及与基柱相配合的可在基柱内同步滑动的伸缩柱。
所述横梁模块包括沿基柱或伸缩柱滑动的横梁支架、固定在横梁支架上的横梁单元，相邻支撑立柱模块的横梁单元之间通过横梁连接件相互衔接。
所述打印头模块包括限位在横梁上的可沿横梁滑动的打印头支架、驱动打印头支架沿横梁单元运动的横向驱动组件、限位在打印头支架上的打印头以及驱动打印头沿横梁垂直方向运动的纵向驱动组件；横向驱动组件包括横向驱动装置、设置在横向驱动装置输出端的主带轮、设置在打印头支架上的与横梁单元相啮合的同轴设置在第一传动轴上的一对第一齿轮、设置在打印头支架上的与横梁单元相啮合的同轴设置在第二传动轴上的一对第二齿轮，第一传动轴、第二传动轴分别通过第一同步带轮、第二同步带轮与主带轮衔接；纵向驱动组件包括纵向驱动装置、设置在纵向驱动装置输出端的纵向丝杠以及设置在纵向丝杠上的打印头。
本发明的有益效果为：***整体采用由相同模块结构的支撑立柱模块、横梁模块以及打印头模块三大模块构成的墙体打印***。模块数量可根据实际需要自由增减，但为保证工程高效稳定的实施，应至少包括两个支撑立柱模块、两个横梁模块以及一个打印头模块。最精简的打印***中，两个支撑立柱模块可构成龙门结构，支撑立柱由双导轨可调支撑组成，既能够适应墙体高度，又能够支撑横梁同步运动。通过横梁模块将支撑立柱模块衔接，从而保证打印头可在由横梁模块构成的X向、由支撑立柱模块构成的Z向以及由打印头模块自身构成的Y向之间构成的三维空间内自由活动作业，实现了两条可调整导轨间的无障碍运动，实现了全幅面打印。
由于受到材质强度的制约，通常无法在X向采用无限长度的横梁模块。为提高X向作业范围，而设置多个支撑立柱模块，通过作为支撑柱基座的小车进行定位，并通过横梁连接件衔接相邻的横梁单元。
而在X向跨度较大时，单个的打印头模块难以保证作业效率，而需采用多个打印头模块在不同的X向区间内作业。由于打印头支架上采用了成对设置的第一齿轮和第二齿轮，使打印头支架不受横梁单元长度的制约，即使在横梁单元的衔接处也可通过变换啮合齿轮（例如，由左侧的第一、第二齿轮变换为右侧的第一、第二齿轮）的方式***，有效提高了打印头模块的作业范围。此外，位于左右外端的横梁单元并不局限在两个支撑立柱之间的打印区域，而是在不增加立柱数量的前提下向外延伸，使打印头可以打印到两端的墙边。一方面可使作业更方便，无需针对墙边位置重新作业，另一方面，在单位面积的作业区间内，可通过设置更少的支撑立柱完成作业，从而节约作业成本。Y向的长度，即所需打印的墙体厚度。在通常情况下，Y向长度较短，采用固定在打印头支架上的单个的纵梁即可满足实际需要。而对于Z向，由于采用了双立柱的结构设计，通常情况下无需设置多个交替设置的伸缩立柱，其强度即可满足日常作业的需要。基柱通过支撑肋板安装在小车的底座上，保证了支撑立柱模块的稳定性。伸缩柱顶端设有锥台形的顶柱，可保证与伸缩柱牢靠的支撑在房屋顶棚上，从而增加整个装置的稳定性。
横向驱动组件中，横向驱动装置通过主带轮带动位于同一皮带上的第一同步带轮和第二同步带轮，从而驱动第一传动轴和第二传动轴同向旋转，通过第一传动轴和第二传动轴驱动第一齿轮对和第二齿轮对旋转，从而驱动打印头支架在横梁单元上沿X向的运动。通过在同步带轮传动***上设置张紧轮，可使驱动过程更加稳定可靠，由于张紧轮的设置属于本领域为解决该技术问题的常规技术选择，不再赘述。
综上所述，本发明的实际作业面积可通过增减支撑立柱模块、横梁模块、打印头模块的数量而调整，从而优化作业效率，同时采用了模块化设计，可显著降低研发与架设成本，并有利于工程预算的评估。横梁可延伸至立柱两侧，因此可实现墙体的全尺寸打印，增加了打印机器人的通用性。
附图说明
图1为本发明使用状态的结构示意图；
图2为图1中D部分的局部放大结构示意图；
图3为图1中E部分的局部放大结构示意图；
图4为图1中F部分的局部放大结构示意图；
图5为图1中G部分的局部放大结构示意图；
图6为支撑立柱模块的结构示意图；
图7为打印头模块与横梁单元的组合结构示意图；
图8为图7中H部分的局部放大结构示意图；
图9为打印头模块的侧视结构示意图；
图10为图9沿I-I线的剖视结构示意图；
图11为本发明绕线导轮安装位置的结构示意图。
附图标记说明：A支撑立柱模块、B打印头模块、C横梁模块、1伸缩柱、2顶柱、3第一绕线导轮、4立柱连接件、5第二绕线导轮、6导轮安装件、7横梁支架、8齿条、9支撑肋板、10基柱、11升降电机、12底座、13可调脚轮、14横梁支架导轨、15横梁单元、16第一传动轴、17第一同步带轮、18张紧轮、19第二传动轴、20第二同步带轮、21主带轮、22横向驱动装置、23纵梁、24打印头、25打印头支架、26纵向驱动装置、27横梁连接件、28第二齿轮、29第一齿轮。
具体实施方式
以下结合图1~11，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该模块化3D墙体打印机器人包括支撑立柱模块A、限位在支撑立柱模块上的横梁模块C、设置在横梁模块上的打印头模块B等部分。其中，支撑立柱模块为两个以上，横梁模块数量与支撑立柱模块数量相同，打印头模块为一个以上(本实施例以两个支撑立柱模块、两个横梁模块以及一个打印头模块为例)。
其中，支撑立柱模块A包括位于水平面上的小车组件以及可伸缩的立柱组件。小车组件包括底座12、设置在底座上的可调脚轮13（本实施例以四个可调脚轮为例，可根据实际需要而自由增减）、设置在底座12上的升降电机11。本实施例中的脚轮通过L形固定件分别安装在底座四角上，同时固定件上限位有一支撑件，主要用于在将小车牢固的定位设定位置上。立柱组件包括通过若干支撑肋板9垂直固定在小车组件的底座12上的基柱10以及与基柱10相配合的可在基柱内同步滑动的伸缩柱1。基柱与伸缩柱为相互配合的双立柱结构。伸缩柱顶部设有安装在固定件（图中未标号）上的顶柱2，固定件上还限位有第一绕线导轮3。伸缩柱中部偏下的位置上安装有导轮安装件6，通过导轮安装件6限位有第二绕线导轮5，第二绕线导轮与第一绕线导轮分别设置在伸缩柱两侧。同时，在伸缩柱的底部和基柱的顶部均设有立柱连接件4，伸缩柱和基柱的横梁支架7的安装侧设有横梁支架导轨14。
横梁模块C包括沿基柱或伸缩柱滑动的横梁支架7、固定在横梁支架7上的横梁单元15。横梁支架7固定在伸缩柱上，并随伸缩柱的升降（Z向）而运动。而伸缩柱的升降由底座上的升降电机驱动，钢缆由升降电机起始，经过第一绕线轮3，最终以第二绕线轮5为终端。当需要伸缩柱下降时，升降电机收紧钢缆，第二绕线轮由于立柱连接件的限位无法向下运动，则钢缆逐渐缩短时，则通过第一绕线轮向下驱动伸缩柱运动。相邻支撑立柱模块的横梁单元之间通过横梁连接件27相互衔接，各横梁单元的上表面均设有齿条8。
打印头模块B包括限位在横梁上的可沿横梁滑动的打印头支架25、驱动打印头支架沿横梁单元运动的横向驱动组件、限位在打印头支架上的打印头24以及驱动打印头沿横梁垂直方向运动的纵向驱动组件。横向驱动组件包括横向驱动装置22、设置在横向驱动装置输出端的主带轮21、设置在打印头支架25上的与横梁单元齿条相啮合的同轴设置在第一传动轴16上的一对第一齿轮29、设置在打印头支架25上的与横梁单元15的齿条8相啮合的同轴设置在第二传动轴19上的一对第二齿轮28，第一传动轴16、第二传动轴19分别通过第一同步带轮17、第二同步带轮20与主带轮21同步传动，为使同步带轮之间运行更为稳定可靠，还设置了张紧轮18。纵向驱动组件包括纵向驱动装置26、设置在纵向驱动装置26输出端方向的纵梁23、限位在纵梁内的纵向丝杠以及设置在纵向丝杠上的打印头24。同时，为使打印头支架沿横梁单元方向（X向）运行更稳定，在打印头之间与横梁单元底部之间的空隙处设置若干导轮。

Claims (6)

1.一种模块化3D墙体打印机器人，包括支撑立柱模块、限位在支撑立柱模块上的横梁模块、设置在横梁模块上的打印头模块，其特征在于：所述支撑立柱模块为两个以上，横梁模块数量与支撑立柱模块数量相同，打印头模块为一个以上。
2.根据权利要求1所述的模块化3D墙体打印机器人，其特征在于：所述支撑立柱模块包括位于水平面上的小车组件以及可伸缩的立柱组件。
3.根据权利要求2所述的模块化3D墙体打印机器人，其特征在于：所述小车组件包括底座、设置在底座上的可调脚轮、设置在底座上的升降电机。
4.根据权利要求1或2或3所述的模块化3D墙体打印机器人，其特征在于：所述立柱组件包括垂直固定在小车组件上的基柱以及与基柱相配合的可在基柱内同步滑动的伸缩柱。
5.根据权利要求4所述的模块化3D墙体打印机器人，其特征在于：所述横梁模块包括沿基柱或伸缩柱滑动的横梁支架、固定在横梁支架上的横梁单元，相邻支撑立柱模块的横梁单元之间通过横梁连接件相互衔接。
6.根据权利要求5所述的模块化3D墙体打印机器人，其特征在于：所述打印头模块包括限位在横梁上的可沿横梁滑动的打印头支架、驱动打印头支架沿横梁单元运动的横向驱动组件、限位在打印头支架上的打印头以及驱动打印头沿横梁垂直方向运动的纵向驱动组件；横向驱动组件包括横向驱动装置、设置在横向驱动装置输出端的主带轮、设置在打印头支架上的与横梁单元相啮合的同轴设置在第一传动轴上的一对第一齿轮、设置在打印头支架上的与横梁单元相啮合的同轴设置在第二传动轴上的一对第二齿轮，第一传动轴、第二传动轴分别通过第一同步带轮、第二同步带轮与主带轮衔接；纵向驱动组件包括纵向驱动装置、设置在纵向驱动装置输出端的纵向丝杠以及设置在纵向丝杠上的打印头。
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