模塊化3D牆體印表機器人的製作方法
2023-09-17 22:15:50
本實用新型涉及建築領域，具體說是一種模塊化3D牆體印表機器人。
背景技術：
房屋在人們的生活中起著必不可少的作用。而目前建築行業多採用人工箍筋，機械澆灌混凝土，需要耗費大量人力、物力。隨著3D列印技術的發展，這種3D增材技術逐漸應用到建築施工行業，用新型粘和材料的逐層列印取代大量混凝土的澆灌。隨著3D列印技術在建築行業的應用，建築印表機器人模塊化逐漸成為研究的重點，但現有建築印表機器人往往受到成本高、體積大、地理位置氣候等條件限制。
如申請公開號為CN105715052A的發明專利申請公開了「施工現場列印混凝土的3D房屋印表機及列印方法及房屋」，該系統包括桁車、驅動機構、行走機構、混凝土卸料組件、提升機構及自動控制機構。但存在以下問題：（1）僅僅借用了龍門桁車的結構，只能完成小於桁車本體的房屋列印，因此列印局限性很大；（2）整體體積過大，不便於運輸、移動，當列印不同房屋需更改桁車的大小，因此通用性差；（3）整體自由度少，只能完成簡單的牆體列印。
如申請公開號為CN105171892A的發明專利申請公開了「一種基於配重系統的房屋列印裝置」，該裝置包括基座、導軌、移動底座、移動底座伺服電機、移動梁、滑輪驅動電機、移動小車、配重系統支撐架、錐齒輪換向器、配重塊等。但存在以下問題：（1）簡單借鑑龍門結構，強度低；（2）通用性差，該裝置只能列印在軌道範圍內的房屋且房屋大小受裝置大小局限。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供一種可根據列印牆體大小模塊化組裝的模塊化3D牆體印表機器人，從根本上解決了上述問題，其具有適用廣泛、通用性強、自動化程度高、運營成本低、工作效率高等優點。
為實現上述目的，本實用新型提供了如下技術方案：該模塊化3D牆體印表機器人包括支撐立柱模塊、限位在支撐立柱模塊上的橫梁模塊、設置在橫梁模塊上的列印頭模塊，其技術要點是：所述支撐立柱模塊為兩個以上，橫梁模塊數量與支撐立柱模塊數量相同，列印頭模塊為一個以上。
所述支撐立柱模塊包括位於水平面上的小車組件以及可伸縮的立柱組件。
所述小車組件包括底座、設置在底座上的可調腳輪、設置在底座上的升降電機。
所述立柱組件包括垂直固定在小車組件上的基柱以及與基柱相配合的可在基柱內同步滑動的伸縮柱。
所述橫梁模塊包括沿基柱或伸縮柱滑動的橫梁支架、固定在橫梁支架上的橫梁單元，相鄰支撐立柱模塊的橫梁單元之間通過橫梁連接件相互銜接。
所述列印頭模塊包括限位在橫梁上的可沿橫梁滑動的列印頭支架、驅動列印頭支架沿橫梁單元運動的橫向驅動組件、限位在列印頭支架上的列印頭以及驅動列印頭沿橫梁垂直方向運動的縱向驅動組件；橫向驅動組件包括橫向驅動裝置、設置在橫向驅動裝置輸出端的主帶輪、設置在列印頭支架上的與橫梁單元相嚙合的同軸設置在第一傳動軸上的一對第一齒輪、設置在列印頭支架上的與橫梁單元相嚙合的同軸設置在第二傳動軸上的一對第二齒輪，第一傳動軸、第二傳動軸分別通過第一同步帶輪、第二同步帶輪與主帶輪銜接；縱向驅動組件包括縱向驅動裝置、設置在縱向驅動裝置輸出端的縱向絲槓以及設置在縱向絲槓上的列印頭。
本實用新型的有益效果為：系統整體採用由相同模塊結構的支撐立柱模塊、橫梁模塊以及列印頭模塊三大模塊構成的牆體列印系統。模塊數量可根據實際需要自由增減，但為保證工程高效穩定的實施，應至少包括兩個支撐立柱模塊、兩個橫梁模塊以及一個列印頭模塊。最精簡的列印系統中，兩個支撐立柱模塊可構成龍門結構，支撐立柱由雙導軌可調支撐組成，既能夠適應牆體高度，又能夠支撐橫梁同步運動。通過橫梁模塊將支撐立柱模塊銜接，從而保證列印頭可在由橫梁模塊構成的X向、由支撐立柱模塊構成的Z向以及由列印頭模塊自身構成的Y向之間構成的三維空間內自由活動作業，實現了兩條可調整導軌間的無障礙運動，實現了全幅面列印。
由於受到材質強度的制約，通常無法在X向採用無限長度的橫梁模塊。為提高X向作業範圍，而設置多個支撐立柱模塊，通過作為支撐柱基座的小車進行定位，並通過橫梁連接件銜接相鄰的橫梁單元。
而在X向跨度較大時，單個的列印頭模塊難以保證作業效率，而需採用多個列印頭模塊在不同的X向區間內作業。由於列印頭支架上採用了成對設置的第一齒輪和第二齒輪，使列印頭支架不受橫梁單元長度的制約，即使在橫梁單元的銜接處也可通過變換嚙合齒輪（例如，由左側的第一、第二齒輪變換為右側的第一、第二齒輪）的方式自由運動，有效提高了列印頭模塊的作業範圍。此外，位於左右外端的橫梁單元並不局限在兩個支撐立柱之間的列印區域，而是在不增加立柱數量的前提下向外延伸，使列印頭可以列印到兩端的牆邊。一方面可使作業更方便，無需針對牆邊位置重新作業，另一方面，在單位面積的作業區間內，可通過設置更少的支撐立柱完成作業，從而節約作業成本。Y向的長度，即所需列印的牆體厚度。在通常情況下，Y向長度較短，採用固定在列印頭支架上的單個的縱梁即可滿足實際需要。而對於Z向，由於採用了雙立柱的結構設計，通常情況下無需設置多個交替設置的伸縮立柱，其強度即可滿足日常作業的需要。基柱通過支撐肋板安裝在小車的底座上，保證了支撐立柱模塊的穩定性。伸縮柱頂端設有錐臺形的頂柱，可保證與伸縮柱牢靠的支撐在房屋頂棚上，從而增加整個裝置的穩定性。
橫向驅動組件中，橫向驅動裝置通過主帶輪帶動位於同一皮帶上的第一同步帶輪和第二同步帶輪，從而驅動第一傳動軸和第二傳動軸同向旋轉，通過第一傳動軸和第二傳動軸驅動第一齒輪對和第二齒輪對旋轉，從而驅動列印頭支架在橫梁單元上沿X向的運動。通過在同步帶輪傳動系統上設置張緊輪，可使驅動過程更加穩定可靠，由於張緊輪的設置屬於本領域為解決該技術問題的常規技術選擇，不再贅述。
綜上所述，本實用新型的實際作業面積可通過增減支撐立柱模塊、橫梁模塊、列印頭模塊的數量而調整，從而優化作業效率，同時採用了模塊化設計，可顯著降低研發與架設成本，並有利於工程預算的評估。橫梁可延伸至立柱兩側，因此可實現牆體的全尺寸列印，增加了印表機器人的通用性。
附圖說明
圖1為本實用新型使用狀態的結構示意圖；
圖2為圖1中D部分的局部放大結構示意圖；
圖3為圖1中E部分的局部放大結構示意圖；
圖4為圖1中F部分的局部放大結構示意圖；
圖5為圖1中G部分的局部放大結構示意圖；
圖6為支撐立柱模塊的結構示意圖；
圖7為列印頭模塊與橫梁單元的組合結構示意圖；
圖8為圖7中H部分的局部放大結構示意圖；
圖9為列印頭模塊的側視結構示意圖；
圖10為圖9沿I-I線的剖視結構示意圖；
圖11為本實用新型繞線導輪安裝位置的結構示意圖。
附圖標記說明：A支撐立柱模塊、B列印頭模塊、C橫梁模塊、1伸縮柱、2頂柱、3第一繞線導輪、4立柱連接件、5第二繞線導輪、6導輪安裝件、7橫梁支架、8齒條、9支撐肋板、10基柱、11升降電機、12底座、13可調腳輪、14橫梁支架導軌、15橫梁單元、16第一傳動軸、17第一同步帶輪、18張緊輪、19第二傳動軸、20第二同步帶輪、21主帶輪、22橫向驅動裝置、23縱梁、24列印頭、25列印頭支架、26縱向驅動裝置、27橫梁連接件、28第二齒輪、29第一齒輪。
具體實施方式
以下結合圖1~11，通過具體實施例詳細說明本實用新型的內容。該模塊化3D牆體印表機器人包括支撐立柱模塊A、限位在支撐立柱模塊上的橫梁模塊C、設置在橫梁模塊上的列印頭模塊B等部分。其中，支撐立柱模塊為兩個以上，橫梁模塊數量與支撐立柱模塊數量相同，列印頭模塊為一個以上(本實施例以兩個支撐立柱模塊、兩個橫梁模塊以及一個列印頭模塊為例)。
其中，支撐立柱模塊A包括位於水平面上的小車組件以及可伸縮的立柱組件。小車組件包括底座12、設置在底座上的可調腳輪13（本實施例以四個可調腳輪為例，可根據實際需要而自由增減）、設置在底座12上的升降電機11。本實施例中的腳輪通過L形固定件分別安裝在底座四角上，同時固定件上限位有一支撐件，主要用於在將小車牢固的定位設定位置上。立柱組件包括通過若干支撐肋板9垂直固定在小車組件的底座12上的基柱10以及與基柱10相配合的可在基柱內同步滑動的伸縮柱1。基柱與伸縮柱為相互配合的雙立柱結構。伸縮柱頂部設有安裝在固定件（圖中未標號）上的頂柱2，固定件上還限位有第一繞線導輪3。伸縮柱中部偏下的位置上安裝有導輪安裝件6，通過導輪安裝件6限位有第二繞線導輪5，第二繞線導輪與第一繞線導輪分別設置在伸縮柱兩側。同時，在伸縮柱的底部和基柱的頂部均設有立柱連接件4，伸縮柱和基柱的橫梁支架7的安裝側設有橫梁支架導軌14。
橫梁模塊C包括沿基柱或伸縮柱滑動的橫梁支架7、固定在橫梁支架7上的橫梁單元15。橫梁支架7固定在伸縮柱上，並隨伸縮柱的升降（Z向）而運動。而伸縮柱的升降由底座上的升降電機驅動，鋼纜由升降電機起始，經過第一繞線輪3，最終以第二繞線輪5為終端。當需要伸縮柱下降時，升降電機收緊鋼纜，第二繞線輪由於立柱連接件的限位無法向下運動，則鋼纜逐漸縮短時，則通過第一繞線輪向下驅動伸縮柱運動。相鄰支撐立柱模塊的橫梁單元之間通過橫梁連接件27相互銜接，各橫梁單元的上表面均設有齒條8。
列印頭模塊B包括限位在橫梁上的可沿橫梁滑動的列印頭支架25、驅動列印頭支架沿橫梁單元運動的橫向驅動組件、限位在列印頭支架上的列印頭24以及驅動列印頭沿橫梁垂直方向運動的縱向驅動組件。橫向驅動組件包括橫向驅動裝置22、設置在橫向驅動裝置輸出端的主帶輪21、設置在列印頭支架25上的與橫梁單元齒條相嚙合的同軸設置在第一傳動軸16上的一對第一齒輪29、設置在列印頭支架25上的與橫梁單元15的齒條8相嚙合的同軸設置在第二傳動軸19上的一對第二齒輪28，第一傳動軸16、第二傳動軸19分別通過第一同步帶輪17、第二同步帶輪20與主帶輪21同步傳動，為使同步帶輪之間運行更為穩定可靠，還設置了張緊輪18。縱向驅動組件包括縱向驅動裝置26、設置在縱向驅動裝置26輸出端方向的縱梁23、限位在縱梁內的縱向絲槓以及設置在縱向絲槓上的列印頭24。同時，為使列印頭支架沿橫梁單元方向（X向）運行更穩定，在列印頭之間與橫梁單元底部之間的空隙處設置若干導輪。