CN111391062A - 桌面式混凝土3d打印机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种桌面式混凝土3D打印机，包括：供料机构；可移动平台，包括：平台本体；固定支撑结构，包括：N个固定撑脚，其中N≥4；以及移动支撑结构，包括：M个移动撑脚，每一移动撑脚包括：液压缸，以及由液压缸驱动伸缩的脚轮，其中M≥4；三维运动平台，固定于可移动平台上；以及打印喷头，固定于三维运动平台上，通过软性管道与供料机构连接；其中，可移动平台可在工作状态和移动状态之间切换，在工作状态下，M个脚轮处于收缩状态，由N个固定撑脚支撑起平台本体；在移动状态下，M个脚轮在液压缸的驱动下伸出，由其支撑起平台本体。本公开实现了建筑3D打印机的固定可靠性以及移动灵活性。

Description

桌面式混凝土3D打印机

技术领域

本公开涉及机电设备及建筑3D打印技术领域，尤其涉及一种桌面式混凝土3D打印机。

背景技术

3D打印技术(3D Printing，简称3DP)出现于20世纪90年代中期，其工作原理是通过电脑控制将“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图转变成实物产品。

建筑3D打印技术是在熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，简称FDM)基础上发展出来的新型应用，其原理是通过三维切片软件对建筑构件的三维模型进行切片分层生成打印机运动代码，然后由打印机的三坐标移动平台驱动挤出机逐层挤出水泥砂浆，多次堆叠成型具有实用功能的建筑构件。

在实现本公开的过程中，申请人发现目前的建筑3D打印机存在整体结构不合理、安全性差、灵活性差等缺陷。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种桌面式混凝土3D打印机，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种桌面式混凝土3D打印机，包括：供料机构；可移动平台，包括：平台本体；固定支撑结构，包括：N个固定撑脚，其中N≥4；以及移动支撑结构，包括：M个移动撑脚，每一移动撑脚包括：液压缸，以及由液压缸驱动伸缩的脚轮，其中M≥4；三维运动平台，固定于可移动平台上；以及打印喷头，固定于三维运动平台上，通过软性管道与供料机构连接；其中，可移动平台可在工作状态和移动状态之间切换，在工作状态下，M个脚轮处于收缩状态，由N个固定撑脚支撑起平台本体；在移动状态下，M个脚轮在液压缸的驱动下伸出，由其支撑起平台本体。

在本公开的一些实施例中，可移动平台中，移动撑脚还包括：滑道立柱，该滑道立柱包括：外管，固定于平台本体下方；以及内管，套设于外管内，并可沿外管上下滑动；其中，脚轮的安装支架固定在内管上，液压缸的缸体固定于外管的底部，其活塞杆向下伸出，与内管固定；无论活塞杆处于收缩状态还是伸出状态，内管至少有一半的长度部分位于外管内。

在本公开的一些实施例中，滑道立柱中：在滑道立柱中，外管的内侧开设有固定滑道；在相对应的内管的外侧，加工有与固定滑道匹配的移动滑道，固定滑道和移动滑道相互配合，使得内管在外管内可滑动。

在本公开的一些实施例中，供料机构包括：框架，其内部形成容置空间；电气箱，固定于容置空间的后下部；供料电机，固定于容置空间的前上部，其电机轴向上延伸至框架结构的上台面的外侧；供料泵，固定于供料电机和电气箱之间；以及料斗，其上端与框架的上台面平齐，其下端连接至供料泵的进料口，其内部设置供料绞龙；其中，供料绞龙的轴的下端连接至供料泵的泵轴，其轴的上端通过传动轴延伸至框架的上台面外侧；供料电机的电机轴与传动轴传动连接，由供料电机带动供料绞龙和供料泵的泵轴转动。

在本公开的一些实施例中，供料电机的电机轴与传动轴通过齿轮传动，供料机构还包括：控制面板，设置于框架结构前端的上方，斜向上朝向操作人员；第一安全护罩，其向下罩住供料电机的电机轴、传动轴和两者之间的齿轮传动部件；第二安全护罩，设置于供料电机的前方，控制面板的下方，其至少向下延伸至与供料泵和连接管的连接处平齐；其中，料斗整体上位于容置空间内，其下端呈圆筒形状；其上端呈不对称的锥筒形状，斜度较大的部分靠近供料电机设置，斜度较小的部分延伸至向后延伸至电气箱的上方。

在本公开的一些实施例中，供料机构还包括：供料传感***；以及控制模块，用于利用供料传感***中各传感器获取的数据控制供料电机和打印喷头中的打印电机；其中，供料传感***包括：第一料位传感器，设置于供料***的料斗内，用于感测表征该料斗内物料量的第一料位L₁；第二料位传感器，设置于打印喷头的料斗内，用于感测表征该料斗内物料量的第二料位L₂；该打印喷头通过管道与供料泵连接；控制模块执行以下控制逻辑：

接收第一料位传感器获取的第一料位L₁和第二料位传感器获取的第二料位L₂；

当L₁＜L₀₁时，停止供料电机；

当L₁＜L₀₂时，提高供料电机的转速；

当L₁＞L₀₃时，降低供料电机的转速；

当L₂＜L₀₄时，启动供料电机，停止打印电机；

当L₂＞L₀₅时，停止供料电机；

其中，L₀₁为设定的供料***料斗内的耗尽料位；L₀₂为设定的供料***料斗内的料位下限；L₀₃为设定的供料***料斗内的料位上限；L₀₄为设定的打印喷头料斗内的料位下限；L₀₅为设定的打印喷头料斗内的料位上限。

在本公开的一些实施例中，供料传感***还包括：第一压力传感器，设置于供料***的料斗内，用于感测表征该料斗内物料压力的第一压力P₁；第二压力传感器，设置于打印喷头的料斗内，用于感测表征该料斗内物料压力的第二压力P₂；控制模块还执行以下控制逻辑：

接收第一压力传感器获取的第一压力P₁和第二压力传感器获取的第二压力P₂；

当P₁＜P₁₀或P₂＜P₂₀时，停止供料电机和打印电机；

其中，P₁₀为预设的供料***料斗内的物料压力范围下限；P₂₀为预设的打印喷头料斗内的物料压力范围下限。

在本公开的一些实施例中，还包括：除气***，该除气***包括：送料除气机构，设置于供料机构；传送轴为中空轴，送料除气机构包括：振捣电机；设置于传动轴中空部的振捣棒；以及将振捣电机的振动传导至振捣棒的传动管；喷头除气机构，设置于打印喷头；喷头除气机构包括：超声振动源，设置于打印喷头的料斗内，用于以超声频率振动料斗内的物料。

在本公开的一些实施例中，还包括：中继泵送机构，用于将供料机构提供的物料提供加强的泵送力，而将其泵送至打印喷头；中继泵送机构包括：料仓本体，其内部形成封闭的中继空间；除气***还包括：中继除气机构，设置于中继泵送机构；中继除气机构包括：振动源，用于振动中继空间内的物料；气压调节装置，用于维持中继空间内为低于大气压的负压状态。

在本公开的一些实施例中，还包括：控制模块；气压调节装置包括：真空泵，通过排气口处的排气电磁阀连接至中继空间；真空计，用于测量中继空间内的真空度；称重传感器，设置于中继空间内，用于测量中继空间内物料的量；控制模块，用于根据中继空间内物料量的数据、真空度数据，控制排气电磁阀的开闭和/或真空泵的开闭，以维持中继空间内的气压处于预设负压范围。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开桌面式混凝土3D打印机至少具有以下有益效果其中之一：

(1)在平台底部设置有固定撑脚，同时在平台底部设置液压缸，液压缸的活塞杆朝下并安装脚轮。在工作状态下，由固定撑脚支撑平台；在需要移动时，液压缸驱动活塞杆伸出，将脚轮向前推出使固定撑脚离地，而由脚轮支撑并移动平台，从而实现了建筑3D打印机的固定可靠性以及移动灵活性。

(2)移动撑脚包括：滑道立柱。滑道立柱包括：外管，固定于平台本体下方；以及内管，套设于外管内，并可沿外管上下滑动；其中，脚轮的安装支架固定在内管上，液压缸的缸体固定于外管的底部，其活塞杆向下伸出，与内管固定。无论活塞杆处于收缩状态还是伸出状态，内管至少有一半的长度部分位于外管内。如此设置，由内管和外管承担了脚轮的径向力，避免了活塞杆直接受力，延长了液压缸的使用寿命。

(3)外管的内侧开设有固定滑道；在相对应的内管的外侧，加工有与所述固定滑道匹配的移动滑道，所述固定滑道和移动滑道相互配合，使得内管在外管内的滑动。如此设置，使得内方管在外方管内的滑动更加顺滑，同时避免整机移动时前后晃动。

(4)液压缸的缸体的顶部与滑动立柱的上底面之间具有减震垫块。从而缓解移动过程中的振动对平台上端设备的影响。

(5)在平台底部布设铜管来传输液压液，可以降低对液压液的污染，延长使用寿命，降低维护成本。

(6)采用手动液压泵加压，同时手动液压泵和管路采用快插方式连接，在需要时，将手动液压泵与液压缸的管道相连通而加压，成本低、轻巧耐用、维修保养方便。(1)整合了供料机构的各个部件，将电气箱设置于框架结构的后下部，将电动机设置于框架结构的前上部，如此设置，空间利用效率大大提高，同时平衡了框架结构的前后配重，增强了稳定性。

(7)料斗呈前后不对称的锥桶形状，料斗后部斜度较小的部分向后延伸至电气箱的上方。控制面板设置于框架结构上，呈45°朝向操作人员。如此设置，一方面保证了进料的便利性，另一方面隔离了进料区域和操作区域，保证安全同时确保了操作区域的卫生。

(8)电动机、传动部分、料斗和胶套螺杆泵连接处是比较危险的部位，也是最容易出现故障的部位，第一安全护罩靠近料斗前部斜度较大的部分，罩住电动机轴及传动轴的传动部分，在电动机的前方，控制面板的下方设置第二安全护罩，上方的第一安全护罩，前方的第二安全护罩，以及后方的电气箱对上述部分形成全方位的保护，即使出现故障，发生物料崩出，也不会对操作人员或者加料人员造成伤害，最大程度的保证了操作人员和加料人员的安全。

(9)在供料机构和打印喷头的料仓内均安装料位及压力传感器，控制模块根据传感器所获得的信号，调整供料机构和打印喷头中电机的转速，进而实现打印喷头的稳定、连续输出，避免喷料和供料不足情况的发生。

(10)将除气功能至少部分地分散到中继泵送机构和/或供料机构，通过多级泵送的隔离，既减轻了打印喷头处的除气压力，又在保留振捣除气的同时消除了振动对打印的影响。

(11)在中继泵送结构中，采用振捣结合负压的除气方式，提高了除气效果。

(12)根据各级泵送的特点，分配适当的除气力度，供料机构采用强度较大的振捣除气；中继泵送机构采用强度适中的振捣结合负压除气；在打印喷头位置仅是采用小幅度，高频率的超声振动的方式进行除气，三级泵送各有分工、相互配合，能够在不影响打印精度的前提下保证除气效果。

附图说明

图1为本公开第一实施例桌面式混凝土3D打印机中物料输送的示意图。

图2A和图2B分别为图1所示桌面式混凝土3D打印机中供料机构的立体图和剖面图。

图3为图1所示桌面式混凝土3D打印机中可移动平台的立体图。

图3A为图3中移动撑脚部分的放大图。

图4为图3所示可移动平台沿A-A方向的剖视图。

图4A为图4中移动撑脚部分的放大图。

图5为图1所示桌面式混凝土3D打印机中打印喷头的剖面图。

图6为图1所示桌面式混凝土3D打印机中控制模块的控制逻辑图。

图7为本公开第二实施例桌面式混凝土3D打印机中物料输送的结构示意图。

图8为图7所示桌面式混凝土3D打印机中中继泵送机构及中继除气机构的立体图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-供料机构；

110-框架；

120-电气箱；

130-供料电机； 131-电机轴；

140-胶套螺杆泵； 141-轴承座；142-传动轴；

150-料斗；

151-料斗上端斜度较大的部分； 152-料斗上端斜度较小的部分；

153-料斗的下端； 154-供料绞龙；

161-控制面板；

171-振捣电机； 172-传动管；

200-中继泵送机构；

210-料仓本体；

211-排气口； 212-物料进口； 213-物料出口；

221-振动源； 222-振动源固定座；

300-打印喷头；

311-料斗上部的圆筒状结构； 312-料斗下部的锥筒状结构；

321-绞龙； 322-定子泵； 323-打印电机； 324-联轴器；

330-喷嘴；

340-超声振动源；

400-可移动平台；

410-平台本体；

421-固定撑脚；

430-移动撑脚； 431-脚轮；

441-第一横梁； 442-U形框架； 443-第二横梁；

451-外方管； 452-内方管； 453-液压缸的缸体； 454-液压缸的活塞杆；

461-液压接头； 462-液压管路。

具体实施方式

本公开提供了一种结构设计合理、稳定性好、安全性高、灵活性高、打印作品质量高的桌面式混凝土3D打印机。

在下文中，本公开某些实施例将参照附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

一、第一实施例

在本公开的一个实施例中，提供了一种桌面式混凝土3D打印机。本实施例中，桌面式混凝土3D打印机包括：供料机构100、打印喷头300、可移动平台400、三维运动平台500、供料传感***、除气***和控制模块(图中未示出)。

图1为本公开实施例桌面式混凝土3D打印机中物料输送的示意图。如图1所示，供料机构通过软管连接至打印喷头，用于将物料级次泵送至打印喷头，由打印喷头挤出成为打印作品。

本实施例中，打印喷头安装于三维运动平台上，在控制模块的控制下，打印喷头由三维运动平台带动转移至预设位置。三维运动平台安装于可移动平台上，可移动平台可以在工作状态和移动状态之间切换，实现稳定性和可移动性的结合。

本实施例中，在供料结构和打印喷头中设置传感器，感知物料的料位和压力信息。控制模块根据传感器感知的信息，对供料结构和打印喷头的电机进行控制，实现同步供料和自动供料。

本实施例中，在供料结构、打印喷头处均设立除气机构，避免了传统技术中将除气机构设置于一个位置，从而分散了除气功能、强化了除气效果，且在保留振动除气的同时避免了除气振动对打印作品质量的影响。

以下对本实施例桌面式混凝土3D打印机的各个部分进行详细说明。

1、供料机构

图2A和图2B分别为图1所示桌面式混凝土3D打印机中供料机构的立体图和剖面图。如图2A和图2B所示，本实施例供料机构100包括：

框架110，其内部形成长方体形状的容置空间；

电气箱120，固定于容置空间的后下部；

供料电机130，固定于容置空间的前上部，其电机轴向上延伸至框架结构的上台面的外侧；

胶套螺杆泵140，固定于供料电机120和电气箱130之间；

料斗150，其上端与框架的上台面平齐，其下端连接至胶套螺杆泵的进料口，其内部设置供料绞龙154；

其中，供料绞龙154的轴的下端连接至胶套螺杆泵的泵轴，其轴上端通过传动轴延伸至框架架构的上台面外侧；供料电机的电机轴与传动轴的上端通过齿轮传动的方式连接，由供料电机带动供料绞龙和胶套螺杆泵的泵轴转动。

本实施例中，框架为整个供料机构的主体支撑结构，由金属管材或板材焊接而成，其内部形成容置空间。在实际使用时，在容置空间内安装了全部的设备后，框架的各个面都会安装相应的装饰板。本领域技术人员可以理解的是，该容置空间可以是长方形的，也可以是正方形的，或者是其他合适的形状。电机轴和传动轴之间的连接方式还可以是皮带传动或其他合适的连接方式，此处不再赘述。

其中，电气箱120、供料电机130、胶套螺杆泵140、料斗150等部件均固定于该容置空间内。电气箱120、供料电机130分别固定于容置空间的后下部和前上部。料斗150固定于供料电机和电气箱之间，开口朝上，其下端连接至胶套螺杆泵140。如此的结构配置，平衡了整个供料机构的前后配重，稳定性更佳，空间利用效率大大提高。

以下分别对供料机构的各个组成部分进行详细描述。

请参照图2A和图2B所示，控制面板161设置于框架结构的前端上方，呈45°角朝向操作人员。料斗150整体上位于容置空间内部，其上端呈不对称的锥桶形状，其斜度较大的部分151靠近供料电机设置，斜度较小的部分152延伸至电气箱的上方。如此设置，一方面保证了进料的便利性，另一方面隔离了进料区域和操作区域，保证安全同时确保了操作区域的卫生。

料斗的下端153呈圆筒形状，内部设置供料绞龙154。供料绞龙154的下端连接至胶套螺杆泵的泵轴。在框架结构的上台面固定有轴承座141，传动轴142竖直向上固定于该轴承座上，其下端连接至绞龙轴，上端伸出框架结构的上台面外。供料电机的电机轴131向上伸出框架结构的上台面外，通过齿轮传动的方式带动传动轴转动，进而带动绞龙和胶套螺杆泵的泵轴转动。如此设置，可以方便地对易出现故障的齿轮传动结构和传动轴进行保养和维修。

此外，可以理解的是，供料电机、传动部分、料斗和胶套螺杆泵连接处是3D打印机中比较危险的部位，也是最容易出现故障的部位。本实施例中，第一安全护罩向下罩住供料电机的电机轴、传动轴，以及两者之间的传动部分。在供料电机的前方，控制面板的下方设置第二安全护罩。该第二安全护罩至少向下延伸至与胶套螺杆泵和连接管的连接处平齐。上方的第一安全护罩，前方的进料电机机箱和第二安全护罩，以及后方的电气箱对这些危险部位形成全方位的保护，即使出现故障，料斗和胶套螺杆泵连接处，或者胶套螺杆泵和管道的连接处，的物料崩出，也不会对操作人员或者加料人员造成伤害，最大限度地保证了安全。

2、可移动平台

本实施例中，为了便于移动，三维运动平台安装于一可移动平台上。本部分侧重于对可移动平台进行详细说明。

图3为图1所示桌面式混凝土3D打印机中可移动平台的立体图。图4为图3所示可移动平台沿A-A方向的剖视图。请参照图3和图4，本实施例可移动平台400包括：

平台本体410；

固定支撑结构，包括：N个固定撑脚421，其中N≥4；以及，

移动支撑结构，包括：M个移动撑脚430，每一移动撑脚包括：液压缸，以及由液压缸驱动伸缩的脚轮431，其中M≥4；

其中，在工作状态下，所述M个脚轮处于收缩状态，由N个固定撑脚支撑起平台本体；在移动状态下，所述M个脚轮在液压缸的驱动下伸出，由其支撑起平台本体。M与N相等或不相等。

本实施例中，由固定支撑结构来支撑工作状态的平台本体，能够提供足够的稳定性，在移动状态下，移动支撑结构来支撑平台本体，依靠M个脚轮的移动来实现平台本体的移动，实现了稳定性和可移动性的结合。

需要说明的是，本实施例中固定撑脚和移动撑脚均为4个，本领域技术人员应当能够理解，可以根据需要设定固定撑脚和移动撑脚的个数，此处不再详细说明。

以下分别对本实施例应用于建筑3D打印设备的可移动平台的各个组成部分进行详细描述。

本实施例中，平台本体呈长方形，在靠近其四个边角处设置固定撑脚和移动撑脚。关于平台本体和固定撑脚，均为本领域内所通用的架构，此处不再详细说明。

图3A为图3中移动撑脚部分的放大图。请参照图3和图3A，本实施例中，移动支撑结构还包括：立柱框架。该立柱框架包括：第一横梁441，固定于平台本体长边的两固定撑脚之间；U形框架442，开口朝上固定于第一横梁的下方；第二横梁443，设置于第一横梁的下方，相邻的固定撑脚和U型框架之间。所述移动撑脚的固定部分安装于该第一横梁和第二横梁上。如此设置，可以进一步增加移动撑脚的稳定性，防止其前后晃动。

图4A为图4中移动撑脚部分的放大图。请参照图4和图4A，移动撑脚还包括：滑道立柱，开口朝下固定于立柱框架的第一横梁和第二横梁上。该滑道立柱包括：外方管451，固定于第一横梁的下方；以及内方管452，套设于外方管内，并可沿外方管上下滑动。脚轮的安装支架固定在该内方管上。其中，液压缸的缸体453固定于外方管的底部，其活塞杆454向下伸出，与内方管固定。当缸体驱动活塞杆向下运动时，活塞杆带动内方管向下运动，进而驱动脚轮向下运动。

需要说明的是，无论活塞杆处于收缩状态还是伸出状态，内方管至少有一半的长度部分位于外方管内。在这种情况下，在移动过程中，脚轮受到的径向力完全被内方管和外方管吸收，活塞杆本身并不受力，可以防止移动平台在运动过程中活塞杆受到径向力而损坏。

在外方管的内侧，开设有固定滑道，在相对应的内方管的外侧，加工有与该固定滑道匹配的移动滑道。固定滑道和移动滑道相互配合，使得内方管在外方管内的滑动更加顺滑，同时避免整机移动时前后晃动。

本实施例中，外方管采用60型钢，内方管采用40型钢。本领域技术人员应当能够理解，无论是采用方管还是圆管，或是异型管，无论是何种型号，只要能够内、外管的嵌套并且内管能够在外管内侧滑动，均可以实现本发明，而不限于本实施例所给出的具体形状和型号。

此外，为了缓解地面不平而对平台本体上设备的影响，在缸体与外方管底部固定的部位设置有减震垫块455。该减震垫片可以为泡沫材料或者橡胶材料，其厚度大于等于10mm。

请参照图3，移动支撑结构还包括：液压泵、液压接头461、液压管路462。该液压管路布设与平台本体的底面和/或立柱框架上，末端连接至各个移动撑脚的液压缸的缸体部分的液压流体入口。液压泵通过液压接头连接至液压管路，进而连接至液压缸。

本实施例中，在移动平台的侧面设置液压接头。其中，液压泵采用手动液压泵，并且手动液压泵与液压接头之间采用快插形式，方便拆卸及保管。采用手动液压泵加压，同时手动液压泵和液压结构采用快插方式连接，在需要时，将手动液压泵与液压缸的管道相连通而加压，成本低、轻巧耐用、维修保养方便。

本实施例中，液压管路采用外径6mm的铜管减少对油质的污染，从而延长使用寿命，降低维护成本；液压接头安置在铜管中部，保证两端至铜管末端的长度一致、进而保证铜管内液压油摩擦阻力在两端一致。

3、三维运动平台

请参照图3和图4，本实施例中，三维运动平台500固定在可移动平台400上，包括：X轴模组、Y轴模组和Z轴模组。其中，X轴模组的两条滑轨通过支撑座固定在框架上；Z轴模组的两条滑轨231竖直向上分别固定于X轴模组两条滑轨的滑块上。Y轴模组的滑轨221的两侧分别固定于Z轴模组的两条滑轨的滑块上。在沿Y轴模组的滑轨滑动的滑块上，固定有打印喷头。三个模组的滑块由相应的模组电机带动在相应的滑轨上移动。

4、打印喷头

打印喷头300固定于三维运动平台上，由三维运动平台带动实现位置的变换，并将由管道输运的物料挤出并成型于台板上。关于建筑3D打印领域的三维运动平台，属于本领域的公知技术，此处不再详细说明。

图5为图1所示桌面式混凝土3D打印机中打印喷头的剖面图。请参照图5，该打印喷头包括：料斗，其内部形成的物料空间通过管道与中继泵送机构的料仓本体的出料口；泵送装置，用于泵送料斗内的物料从打印喷嘴330挤出；

其中，料斗包括：上部的圆筒状结构311和下部的锥筒状结构312。泵送装置包括：绞龙321，设置于料筒的锥筒状结构内；定子泵322，其进口端连接至料斗的出口端，其出口端连接至喷嘴330；以及打印电机323，固定于料斗的上方，其电机轴通过联轴器324连接至绞龙轴和定子泵的泵轴，并带动绞龙和定子泵转动而泵送物料。

其中，料斗、联轴器的轴承座、定子泵等均通过连接件固定至侧面的三维运动平台上。料斗与定子泵之间的连接螺杆用于加强料斗与定子泵的连接。

5、供料传感***

本实施例中，在供料机构和打印喷头两处都采用了胶套螺杆泵。同时，对于供料电机和打印电机，均采用高精度、恒扭矩的伺服电机***来控制转速。

本实施例中，在供料***的料斗和打印喷头的料斗内部设置有料位传感器和压力传感器，用于检测料仓内部料位及浆料压力，相关数据被输送至控制模组。控制模组可根据料位传感器和压力传感器的数据，通过调整变频电机的频率控制供料机构的供料电机和打印喷头中打印电机的转速，进而控制物料的输送量。

本实施例中，供料传感***，包括：

第一料位传感器，设置于供料***的料斗内，用于感测表征该料斗内物料量的的第一料位L₁；

第二料位传感器，设置于打印喷头的料斗内，用于感测表征该料斗内物料量的的第二料位L₂；该打印喷头通过管道与供料泵连接；

第一压力传感器，设置于供料***的料斗内，用于感测该料斗内物料的第一压力P₁；

第二压力传感器，设置于打印喷头的料斗内，用于感测该料斗内物料的第二压力P₂；

控制模组，用于根据第一料位L₁、第二料位L₂、第一压力P₁、第二压力P₂，控制供料电机和打印喷头中的打印电机。

以下对本公开中控制模组利用两个料位传感器和两个压力传感器控制供料电机和打印电机的转动速率，以实现稳定、连续供料的方式进行详细说明。

本实施例的控制思路在于：料位信息用于控制供料电机及打印电机启停及转速；压力信息用于反馈混凝土浆料质量，即压力信息低于预设压力范围最低值，表示浆料含气量大、质量不合格，需要暂停打印。

图6为图1所示桌面式混凝土3D打印机中控制模块的控制逻辑图。请参照图6，本实施例中控制模组执行的控制逻辑如下：

步骤S602，实时接收第一料位传感器感测的第一料位L₁、第二料位传感器感测的第二料位L₂；

步骤S604，实时接收第一压力传感器感测的第一压力P₁和第二压力传感器获取的第二压力P₂；

步骤S606，当第一料位L₁低于设定的耗尽料位L₀₁时，停止供料电机；

步骤S608，当第一料位L₁低于设定的填料料位下限L₀₂时，提高供料电机转速至当前转速的1.2倍，若60秒后料位仍低于填料料位下限L₀₂，发出报警信号，该报警信号可以为灯光信号或者声音信号，以提醒操作人员进行填料操作；

需要说明的是，转速提高倍率视当前转速而定，倍率可以为原转速的1.1～1.3倍，此外，报警前的等待时间可以介于30秒至60秒之间。

步骤S610，当第一料位L₁高于设定的填料料位上限L₀₃时，降低供料电机转速至当前转速的0.8倍，若60秒后料位仍高于填料料位上限L₀₃，停止供料电机；

需要说明的是，转速降低倍率视当前转速而定，可以减低供料电机的转速至原转速的0.9～0.8倍。同样，停止供料电机之前的等待时间介于30秒至60秒之间。

步骤S612，当第二料位L₂低于设定的打印喷头料斗内的填料料位下限L₀₄时，启动供料电机，停止打印电机；

步骤S614，当第二料位L₂高于设定的打印喷头的料斗内的填料料位的上限L₀₅时，停止供料电机；

步骤S616，当第一压力P₁或第二压力P₂低于预设的压力范围的下限P₂₀时，停止供料电机和打印电机。

至此，本实施例桌面式混凝土3D打印机中供料传感***介绍完毕。

6、除气***

(1)供料除气机构

请参照图2A和图2B，传动轴142为中空轴。供料除气机构包括：振捣电机171；设置于传动轴内部的振捣棒；以及将振捣电机的振动传导至振捣棒的传动管172。该振捣棒在中空的传导轴内振捣，进而带动供料绞龙和胶套螺杆泵的振动，一方面除去物料中的大气泡，另一方面振散大骨料便于其挤出，使材料更加密实。可以理解的是，该传动轴还可以是与绞龙轴为一体成型的，同样属于本公开的保护范围。

(2)喷头除气机构

请参照图5，除了在供料机构和打印喷头处设立除气机构之外，本实施例中，在打印喷头上也设置喷头除气机构。该喷头除气机构包括：超声振动源340，设置于料斗外，用于以超声频率振动料斗内的物料。

其中，超声振动源为超声振动马达，超声振动的频率范围是2×10⁴～5×10⁴Hz。由于大气泡已经在之前的供料机构和中继泵送机构中除去，故该超声频率的振动仅用于除去物料中的微小气泡，最重要的是该频率范围不会影响到打印精度。

至此，本公开第一实施例的桌面式混凝土3D打印机的七个组成部分介绍完毕。

二、第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种桌面式混凝土3D打印机。图7为本公开第二实施例桌面式混凝土3D打印机的结构示意图。对比图7和图1可知，本实施例桌面式混凝土3D打印机于第一实施例的区别在于，还包括：中继泵送机构200，用于将供料机构提供的物料提供加强的泵送力，而将其泵送至打印喷头。

本领域技术人员应当能够理解，本实施例适用于管路较长的场景，例如：①供料机构和打印喷头距离较远，或者②供料机构由于灰尘较大而被放置于封闭空间。

1、中继泵送机构

图8为图7所示桌面式混凝土3D打印机中中继泵送机构的立体图。请参照图8，该中继泵送机构200包括：料仓本体210，其内部形成封闭的中继空间，其上部设置排气口211，其物料进口212连接至供料机构，其物料出口213连接至打印喷头；泵送装置(图中未示出)，设置于料仓本体内，用于产生泵送压力，促使物料从料仓本体的物料进口进入并从物料出口排出。

本实施例中，料仓本体210包括：上部的圆筒状结构以及下部的锥筒状结构。圆筒状结构的顶部封闭，上部开设有排气口211。在该排气口处设置排气电磁阀。在锥筒状结构的侧面设置物料进口212，在锥筒状结构的底面设置物料出口213。

本实施例中，泵送装置包括：泵送电机；以及供料绞龙，设置于料仓本体的锥筒状结构内，由泵送电机驱动对料仓内的物料进行泵送。

至此，本实施例中的中继泵送机构介绍完毕。

2、中继除气机构

本实施例中，除了设置供料除气机构和喷头除气机构之外，还在中继泵送机构上设置了中继除气机构。

在中继泵送机构的料仓本体的锥筒状结构的内侧设置称重传感器，用于对进入料仓的物料的重量进行感测。

请参照图8，在中继泵送机构上，中继除气机构包括：振动源221，用于振动中继空间内的物料；气压调节装置(图中未示出)，通过排气电磁阀连接至中继空间上部的排气口211，用于维持中继空间内为预设的负压状态。

本实施例中，振动源221为振动马达，其通过固定座222固定于圆筒状结构的侧面，其前端抵触于圆筒状上部的侧壁。固定座222通过侧板与圆筒状上部固定连接。可以理解的是，虽然本实施例采用外置式，但同样可以采用其他的振动方式，例如***式-通过铆接板固定在料仓本体的内壁悬空处，或者内置式，同样可以实现振荡的效果。

本实施例中，气压调节装置包括：真空泵和真空计(图中未示出)。该真空泵连接至料仓本体上部的排气电磁阀。控制模块跟据称重传感器获取的中继空间内的物料重量数据、真空计获取的中继空间内的真空度数据，控制排气电磁阀的开闭和/或真空泵的开闭，以维持中继空间内的气压处于低于大气压的预设负压范围。其中，该预设负压范围的上限值取10^-2～10^-3Pa之间的数值。

依据以上对两个实施例的描述，本领域技术人员应当对本公开桌面式混凝土3D打印机有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)电气箱、供料电机、料斗、胶套螺杆泵等均为本领域内通用的设备，它们在框架中的固定方式可以为螺接或者焊接；

(2)3D打印机的打印物料可以为混凝土浆液或者水泥砂浆；

(3)在可移动平台中，平台升降还可以采用步进电机加载的形式，液压管路的铜管可以用塑料管来代替；

(4)在同步供料的控制模块中，传感器的位置可以根据需要进行调整，而控制模块的逻辑也可以根据需要进行调整。

综上所述，本公开桌面式混凝土3D打印机中，在供料机构的整体设计，可移动平台、同步供料、多级除气等方面进行了多处改进，极大了提升了混凝土3D打印机的便利性、灵活性以及打印作品的质量，为建筑3D打印在未来的大范围推广奠定了基础。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟***或者其它设备固有相关。各种通用***也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类***所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。

本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桌面式混凝土3D打印机，包括：

供料机构；

可移动平台，包括：

平台本体；

固定支撑结构，包括：N个固定撑脚，其中N≥4；以及

移动支撑结构，包括：M个移动撑脚，每一移动撑脚包括：液压缸，以及由液压缸驱动伸缩的脚轮，其中M≥4；

三维运动平台，固定于所述可移动平台上；以及

打印喷头，固定于所述三维运动平台上，通过软性管道与所述供料机构连接；

其中，所述可移动平台可在工作状态和移动状态之间切换，在工作状态下，所述M个脚轮处于收缩状态，由所述N个固定撑脚支撑起平台本体；在移动状态下，所述M个脚轮在液压缸的驱动下伸出，由其支撑起平台本体。

2.如权利要求1所述的桌面式混凝土3D打印机，其中，所述可移动平台中，所述移动撑脚还包括：滑道立柱，该滑道立柱包括：

外管，固定于平台本体下方；以及

内管，套设于外管内，并可沿所述外管上下滑动；

其中，所述脚轮的安装支架固定在所述内管上，所述液压缸的缸体固定于外管的底部，其活塞杆向下伸出，与所述内管固定；无论活塞杆处于收缩状态还是伸出状态，所述内管至少有一半的长度部分位于所述外管内。

3.如权利要求2所述的桌面式混凝土3D打印机，其中，所述滑道立柱中：在所述滑道立柱中，外管的内侧开设有固定滑道；在相对应的内管的外侧，加工有与所述固定滑道匹配的移动滑道，所述固定滑道和移动滑道相互配合，使得内管在外管内可滑动。

4.如权利要求1所述的桌面式混凝土3D打印机，其中，所述供料机构包括：

框架，其内部形成容置空间；

电气箱，固定于所述容置空间的后下部；

供料电机，固定于所述容置空间的前上部，其电机轴向上延伸至所述框架结构的上台面的外侧；

供料泵，固定于所述供料电机和电气箱之间；以及

料斗，其上端与框架的上台面平齐，其下端连接至所述供料泵的进料口，其内部设置供料绞龙；

其中，所述供料绞龙的轴的下端连接至供料泵的泵轴，其轴的上端通过传动轴延伸至框架的上台面外侧；所述供料电机的电机轴与传动轴传动连接，由供料电机带动供料绞龙和供料泵的泵轴转动。

5.如权利要求4所述的桌面式混凝土3D打印机，其中，所述供料电机的电机轴与所述传动轴通过齿轮传动，所述供料机构还包括：

控制面板，设置于所述框架结构前端的上方，斜向上朝向操作人员；

第一安全护罩，其向下罩住供料电机的电机轴、传动轴和两者之间的齿轮传动部件；

第二安全护罩，设置于供料电机的前方，控制面板的下方，其至少向下延伸至与供料泵和连接管的连接处平齐；

其中，所述料斗整体上位于容置空间内，其下端呈圆筒形状；其上端呈不对称的锥筒形状，斜度较大的部分靠近所述供料电机设置，斜度较小的部分延伸至向后延伸至电气箱的上方。

6.如权利要求4所述的桌面式混凝土3D打印机，还包括：供料传感***；以及控制模块，用于利用供料传感***中各传感器获取的数据控制供料电机和打印喷头中的打印电机；

其中，所述供料传感***包括：

第一料位传感器，设置于供料***的料斗内，用于感测表征该料斗内物料量的第一料位L₁；

第二料位传感器，设置于打印喷头的料斗内，用于感测表征该料斗内物料量的第二料位L₂；该打印喷头通过管道与供料泵连接；

其中，所述控制模块执行以下控制逻辑：

接收第一料位传感器获取的第一料位L₁和第二料位传感器获取的第二料位L₂；

当L₁＜L₀₁时，停止供料电机；

当L₁＜L₀₂时，提高供料电机的转速；

当L₁＞L₀₃时，降低供料电机的转速；

当L₂＜L₀₄时，启动供料电机，停止打印电机；

当L₂＞L₀₅时，停止供料电机；

其中，L₀₁为设定的供料***料斗内的耗尽料位；L₀₂为设定的供料***料斗内的料位下限；L₀₃为设定的供料***料斗内的料位上限；L₀₄为设定的打印喷头料斗内的料位下限；L₀₅为设定的打印喷头料斗内的料位上限。

7.如权利要求6所述的桌面式混凝土3D打印机，其中：

所述供料传感***还包括：

第一压力传感器，设置于供料***的料斗内，用于感测表征该料斗内物料压力的第一压力P₁；

第二压力传感器，设置于打印喷头的料斗内，用于感测表征该料斗内物料压力的第二压力P₂；所述控制模块还执行以下控制逻辑：

接收第一压力传感器获取的第一压力P₁和第二压力传感器获取的第二压力P₂；

当P₁＜P₁₀或P₂＜P₂₀时，停止供料电机和打印电机；

其中，P₁₀为预设的供料***料斗内的物料压力范围下限；P₂₀为预设的打印喷头料斗内的物料压力范围下限。

8.如权利要求4所述的桌面式混凝土3D打印机，还包括：除气***，该除气***包括：

送料除气机构，设置于所述供料机构；所述传送轴为中空轴，所述送料除气机构包括：振捣电机；设置于传动轴中空部的振捣棒；以及将振捣电机的振动传导至振捣棒的传动管；

喷头除气机构，设置于所述打印喷头；所述喷头除气机构包括：超声振动源，设置于打印喷头的料斗内，用于以超声频率振动料斗内的物料。

9.如权利要求8所述的桌面式混凝土3D打印机，还包括：

中继泵送机构，用于将供料机构提供的物料提供加强的泵送力，而将其泵送至打印喷头；所述中继泵送机构包括：料仓本体，其内部形成封闭的中继空间；

所述除气***还包括：中继除气机构，设置于所述中继泵送机构；所述中继除气机构包括：振动源，用于振动中继空间内的物料；气压调节装置，用于维持中继空间内为低于大气压的负压状态。

10.如权利要求9所述的桌面式混凝土3D打印机，还包括：控制模块；

所述气压调节装置包括：真空泵，通过排气口处的排气电磁阀连接至所述中继空间；真空计，用于测量中继空间内的真空度；称重传感器，设置于所述中继空间内，用于测量中继空间内物料的量；

所述控制模块，用于根据中继空间内物料量的数据、真空度数据，控制排气电磁阀的开闭和/或真空泵的开闭，以维持中继空间内的气压处于预设负压范围。

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