基于工业机器人多用途3d空间晶格打印系统及方法
阅读说明：本技术 基于工业机器人多用途3d空间晶格打印系统及方法 (Industrial robot-based multi-purpose 3D space lattice printing system and method ) 是由 石新羽 毕康 周海宁 徐恺 万达 于 2021-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于3D打印技术领域,公开了一种基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统及方法,所述基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统中打印本体通过框架结构与机械臂第六轴法兰盘固定,机械臂第六轴法兰盘固定在机械臂的端部；机械臂上固定有自动上料和挤出结构,自动上料挤出结构通过聚四氟乙烯上料管与加热结构连接,加热结构上安装有温控结构；机械臂后方有气泵,气泵通过导气管与散热结构连接；挤出头结构位于散热结构下端,机械臂与集成控制模块独立放置。本发明保证在打印过程中工具头能以多种复杂的位姿进行作业,集成控制模块通过编程实现自动化作业,散热系统可以在保证加热核心散热的同时对打印模型进行降温速凝。(The invention belongs to the technical field of 3D printing, and discloses a multipurpose 3D space lattice printing system and method based on an industrial robot, wherein a printing body in the multipurpose 3D space lattice printing system based on the industrial robot is fixed with a sixth shaft flange of a mechanical arm through a frame structure, and the sixth shaft flange of the mechanical arm is fixed at the end part of the mechanical arm; an automatic feeding and extruding structure is fixed on the mechanical arm, the automatic feeding and extruding structure is connected with a heating structure through a polytetrafluoroethylene feeding pipe, and a temperature control structure is mounted on the heating structure; an air pump is arranged behind the mechanical arm and connected with the heat dissipation structure through an air duct; the extrusion head structure is positioned at the lower end of the heat dissipation structure, and the mechanical arm and the integrated control module are independently placed. The invention ensures that the tool head can operate at various complex poses in the printing process, the integrated control module realizes automatic operation through programming, and the heat dissipation system can cool and quickly solidify the printing model while ensuring the heat dissipation of the heating core.)
技术领域
本发明属于3D打印
技术领域
，尤其涉及一种基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统及方法。背景技术
目前，已有的进行3D打印热塑性材料的装置，大部分通过使用4自由度框架，在打印头通过对材料加热加压，将物料融化，实现层叠打印。这种打印有两个弊端，第一是打印头的直径比较小，无法满足大型件以及特定方式打印的打印要求；另外一点就是受打印机自由度以及材料坍塌的影响，无法进行复杂的空间打印。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的打印系统打印头的直径比较小，无法满足大型件以及特定方式打印的打印要求；同时现有技术中受打印机自由度以及材料坍塌的影响，无法进行复杂的空间打印。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)目前常见的打印系统及相关产品、论文等基本以框架式、4自由度固定打印机为主，缺乏解决上述问题时所需的参考以及技术指导。
(2)KUKA机械臂与本产品作为两个独立的产品，其中的协调、兼容性问题需要大量调试以及实验来解决，而两个设备的协同工作是实现上述目标的关键技术。
(3)进行空间打印时，打印温度、打印速度、挤出速度以及散热系统开启程度对所打印空间物件是否垮塌、变形具有很大程度的影响，而精确的调控上述参数需要在反复实验中所积累的大量实验数据，其实验、调试过程需要大量的时间以及人力物力来完成。
解决以上问题及缺陷的意义为：
(1)在目前本领域缺乏相关技术指导的情况下，本产品的设计具有一定程度的的开创性，并填补了目前相关技术的空白。
(2)KUKA机械臂作为一款高性能、高精度的工业设备，其应用前景非常广阔，解决与KUKA机械臂之间的兼容性与协调问题不仅对本产品具有重要意义，这种配合模式在未来还可以应用于其他不同的，存在与KUKA机械臂有配合需求的设备中。
(3)空间打印与传统层叠打印方法相比，具有节约材料，内部可填充，结构轻便稳固的优点，其应用方向包含但不限于建筑、室内设计、景观设计、教育、土木工程等，而相关技术在国内仍不成熟，开发一套完整的空间打印方法对于本行业具有一定程度的指导意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统及控制方法。本发明基于KUKA工业机器人一种实现3D空间晶格打印的多用途3D打印设备，适配与六轴工业机械臂，保证在打印过程中工具头能以多种复杂的位姿进行作业，通过集成控制模块可以通过编程实现自动化作业，专门设计的散热系统可以在保证加热核心散热的同时对打印模型进行降温速凝处理。
本发明是这样实现的，一种基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统的基于工业机器人多用途3D空间晶格打印方法，所述基于工业机器人多用途3D空间晶格打印方法，包括：
线装物料通过步进电机挤出，经过聚四氟乙烯上料管输送至铝合金加热块中；
通过24V单头加热棒加热熔融后从挤出头挤出再固化为所需的形态，期间温控系统保持打印温度的稳定性；
散热系统保障设备的安全性和打印模型的质量，可调速的自动上料/挤出结构确保挤出的均匀性；
集成控制模块实现本设备可人机交互，使打印过程顺利进行。
本发明的另一目的在于提供基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统，所述基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统设置有打印本体；
打印本体通过框架结构与机械臂第六轴法兰盘固定，机械臂第六轴法兰盘固定在机械臂的端部；
机械臂上固定有自动上料和挤出结构，自动上料挤出结构通过聚四氟乙烯上料管与加热结构连接，加热结构上安装有温控结构；
机械臂上安装有气泵，气泵通过导气管与散热结构连接；挤出头结构位于散热结构下端，机械臂与集成控制模块独立放置。
进一步，所述自动上料挤出结构包括：步进电机、聚四氟乙烯上料管以及气动接口；
自动上料挤出结构设置有步进电机，步进电机通过聚四氟乙烯上料管与加热结构连接；
步进电机固定在机械臂第三轴顶部，步进电机上端安装有电机固定盒；
聚四氟乙烯上料管连接电机出料口与散热器顶部气动接口连接，步进电机通过导线与电位器连接。
进一步，所述加热结构包括：铝合金加热块以及24V单头加热棒；
铝合金加热块通过空心螺纹杆固定于散热器底部，24V单头电热棒固定于铝合金加热块预留的插孔中，铝合金加热块、24V单头加热棒与散热器相互为螺纹紧固连接。
进一步，所述温控结构包括：PT100铂电阻传感器、温控器、继电器；PT100铂电阻传感器插入铝合金加热块预留的插孔中；
PT100铂电阻传感器通过数据线与温控器连接，温控器通过数据线与继电器连接。
进一步，所述框架结构包括：顶部连接板、4个支撑杆、电机固定盒底部固定板以及底部连接板，框架结构由顶部连接板与机器人第六轴法兰盘连接。
进一步，所述散热结构包括：气动接口、导气管、4个12V直流风扇、散热基座、金属散热器以及4个弯管不锈钢喷头；
散热结构设置有散热基座，散热基座上4个预留风道入口处安装有4个12V直流风扇，散热基座底部4个预留螺孔处安装有弯管不锈钢喷头，散热基座底侧中间位置设置有金属散热器，金属散热器通过底部固定板与底部连接板固定。
进一步，所述散热基座顶部与框架底部连接板连接，导气管连接机器人内部气路与散热基座顶部气动接口，散热结构中散热基座风道为收口型。
进一步，所述挤出头结构包括：第一三段式不锈钢喷嘴、第二三段式不锈钢喷嘴和第三三段式不锈钢喷嘴、外层保温结构；
第一三段式不锈钢喷嘴、第二三段式不锈钢喷嘴和第三三段式不锈钢喷嘴均为三段式螺纹紧固不锈钢喷嘴，外层保温结构由铝箔层与陶瓷纤维层组成。
进一步，所述集成控制模块包括：24V直流电源、温控器、若干继电器、24V数控升降压模块、电机驱动器、电机控制器、电位器、倍福模块；
集成控制模块独立于机械臂放置，通过倍福模块与机器人控制系统连接实现本设备的人机交互以及PC端编程对所述电机控制器、单头加热棒以及12V直流风扇通过所述继电器的自动化控制。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：打印本体通过框架结构与机械臂第六轴法兰盘固定，机械臂第六轴法兰盘固定在机械臂的端部，机械臂上固定有自动上料和挤出结构，自动上料挤出结构通过聚四氟乙烯上料管与加热结构连接，加热结构上安装有温控结构；机械臂上安装有气泵，气泵通过导气管与散热结构连接；挤出头结构位于散热结构下端，机械臂与集成控制模块独立放置。整套系统与KUKA机械臂稳定连接，保证了系统运行的稳定性。
步进电机作为供料/挤出系统的核心固定于机械臂三轴顶部进行远程供料，极大的减轻了机械臂六轴的负载，极大的减少了设备在工作时移动中产生的惯性。加热系统中的组件可以随时更换，可根据不同的打印材料随时选择合适功率的加热棒，采用铝合金加热块对打印材料进行间接加热可以保证其加热效果均匀。温控结构所采用的PT100温度传感器，其测量精度可达0.5℃，可完全胜任在打印工作中的测量任务，该传感器安放于加热块上，单头加热棒附近，可保证温度测量的实时性与准确性。散热系统分为核心散热与模型散热两套，可以分别进行独立控制，其散热基座为特别设计的3D打印构件，对整套散热系统性能有卓越的提升。
3段式的挤出头便于拆卸，有利于更换与清洁保养，外层附着的保温层可以在散热系统运行的过程中保证挤出头内部温度的稳定，避免了由于过度散热导致的堵料现象的发生。集成控制模块独立于机械臂，可以自行控制也可以利用倍福模块与机械臂系统进行联动，其中多种部件相互配合为打印系统提供了丰富的可调整参数。
经过反复的调试与实验，本系统完全可以胜任预设的目标，在层叠打印的实验与空间打印的实验中均表现出了稳定性强，精度高的特点。本发明中供料步进电机与工具头分离，远程供料减少机械臂载荷；散热结构中散热基座风道设计为收口型，弯管不锈钢喷头可根据需要更换不同尺寸，散热结构可同时对加热结构与打印模型同时进行散热/降温处理；集成控制模块独立于机械臂放置，通过倍福模块与机器人控制系统连接实现本设备的人机交互以及PC端编程对电机控制、单头加热棒以及12V直流风扇通过所述继电器的自动化控制。本发明系统适配与六轴工业机械臂，保证在打印过程中工具头能以多种复杂的位姿进行作业，通过集成控制模块可以通过编程实现自动化作业，专门设计的散热系统可以在保证加热核心散热的同时对打印模型进行降温速凝处理。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的打印系统安装结构示意图。
图3是本发明实施例提供的上料系统位置关系示意图。
图4是本发明实施例提供的集成控制模块透视图。
图5是本发明实施例提供的集成控制模块电路接线图。
图6是本发明实施例提供的散热系统剖面及工作方式示意图，
图中：101、步进电机；102、聚四氟乙烯上料管；103；气动接口；201、铝合金加热块；202、单头加热棒；301、电阻传感器；401、顶部连接板；402、支撑杆；403、底部连接板；404、底部固定板；405、电机固定盒；501、气动接口；502、导气管；503、直流风扇；504、散热基座；505、金属散热器；506、弯管不锈钢喷头；601、第一三段式不锈钢喷嘴；602、第二三段式不锈钢喷嘴；603、第三三段式不锈钢喷嘴；701、24V直流电源；702、温控器；703、继电器；704、24V数控升降压模块；705、电机驱动器；706、电机控制器；707、电位器；708、倍福模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于工业机器人多用途3D空间晶格打印系统仅仅是一个具体实施例而已。
自动上料/挤出结构包括：步进电机101、聚四氟乙烯上料管102以及气动接口103；本发明整体装置通过框架结构与机械臂第六轴法兰盘固定，机械臂第六轴法兰盘固定在机械臂的端部，机械臂上固定有自动上料/挤出结构，自动上料/挤出结构设置有步进电机101，步进电机101通过聚四氟乙烯上料管102与加热结构连接，步进电机101固定在机械臂第三轴顶部，步进电机101上端安装有电机固定盒405。聚四氟乙烯上料管102连接电机出料口与金属散热器505顶部气动接口103实现远程送料，通过调节电位器707控制步进电机101转速保证挤出物料的可调性，供料步进电机101与工具头分离，远程供料减少机械臂载荷，保证设备作业的精确性。
加热结构包括：铝合金加热块201以及24V单头加热棒202，铝合金加热块201使用空心螺纹杆固定于所述金属散热器505底部，24V单头电热棒202固定于铝合金加热块201预留的插孔中，铝合金加热块201、24V单头加热棒202与金属散热器505相互为螺纹紧固连接，便于拆卸维护，24V单头加热棒202通过加热铝合金加热块201融化物料，保证物料受热均匀。
温控结构包括：PT100铂电阻传感器301、温控器702、继电器703；温控结构安装在加热结构上，PT100铂电阻传感器301插入铝合金加热块201预留的插孔中，PT100铂电阻传感器301通过数据线与温控器702连接，温控器702通过数据线与继电器703连接，温控器根据PT100铂电阻传感器301回传的温度数据实时通过所述继电器控制所述单头加热棒202温度，温控器702以预设温度值与PT100铂电阻传感器301回传的温度数据实时对比，通过继电器703控制24V单头加热棒202的电路通断实现实时控制加热核心温度，保证设备稳定性与安全性，PT100铂电阻传感器301安装位置靠近24V单头加热棒202确保温度捕捉的精确性。
框架结构包括：顶部连接板401、4个支撑杆402、电机固定盒405底部固定板404以及底部连接板403，框架结构由顶部连接板401与机器人第六轴法兰盘连。
散热结构包括：气动接口501、导气管502、4个12V直流风扇503、散热基座504、金属散热器505以及4个弯管不锈钢喷头506构成；
机械臂上安装有气泵，气泵通过导气管502与散热结构连接，散热结构设置有散热基座504，散热基座504上4个预留风道入口处安装有4个12V直流风扇503，散热基座504底部4个预留螺孔处安装有弯管不锈钢喷头506，散热基座504底侧中间位置设置有金属散热器505，金属散热器505通过所述底部固定板404与底部连接板403固定。
散热基座504为专门设计的3D打印构件，顶部与框架底部连接板403连接，4个12V直流风扇503分别固定于所述散热基座504的4个预留风道入口处，所述4个弯管不锈钢喷头506分别固定与散热基座504底部4个预留螺孔处，金属散热器505通过所述底部固定板404与底部连接板403固定；导气管502连接机器人内部气路与所述散热基座504顶部气动接口501；散热结构中散热基座504风道设计为收口型，通过对空气压缩提高散热性能，散热风扇从四个不同方向同时对金属散热器输出压缩空气，可以快速带走加热结构产生的多余热量，使温度控制更加精确，向下逸散的热空气在本设备进行层叠打印作业时，可取代传统热床保证打印环境温度的稳定性，防止因为温度快速变化使模型热胀冷缩导致的脱模、变形、开裂等现象；所述弯管不锈钢喷头506可根据需要更换不同尺寸，通过顶部气动接口501连接外部高压气泵供气，在开启时可以实现打印模型的急速冷却，防止进行空间打印作业时，模型因冷却不及时造成的变形、坍塌，弯管不锈钢喷头506分布于四个不同方向，启动时所营造的风环境可以在使模型快速冷却的同时不会因为风力过大使模型变形，具体工作方式见图6，所述散热结构可同时对所述加热结构与打印模型同时进行散热/降温处理。
挤出头结构包括：第一三段式不锈钢喷嘴601、第二三段式不锈钢喷嘴602和第三三段式不锈钢喷嘴603、外层保温结构；挤出头结构位于散热结构下端，第一三段式不锈钢喷嘴601、第二三段式不锈钢喷嘴602和第三三段式不锈钢喷嘴603均为三段式螺纹紧固不锈钢喷嘴；外层保温结构由铝箔层与陶瓷纤维层组成，铝箔层改良了挤出头结构的热传递性，陶瓷纤维层确保了在所属散热结构工作时，所述挤出头中的材料不会提前凝固损坏设备。
集成控制模块包括：24V直流电源701、温控器702、若干继电器703*4(703为继电器，4个继电器作为控制系统的中介分别控制不同的模块。)、24V数控升降压模块704*2、电机驱动器705、电机控制器706、电位器707、倍福模块708。
集成控制模块独立于机械臂放置，通过倍福模块708与机器人控制系统连接实现本设备的人机交互以及PC端编程对所述电机控制器705、所述单头加热棒202以及12V直流风扇503通过所述继电器703的自动化控制。
本发明的工作原理为：线装物料通过步进电机挤出，经过聚四氟乙烯上料管输送至铝合金加热块中，通过24V单头加热棒加热熔融后从挤出头挤出再固化为所需的形态，期间温控系统保障打印温度的稳定性，散热系统保障设备的安全性和打印模型的质量，可调速的自动上料/挤出结构确保了挤出的均匀性，集成控制模块实现本设备可人机交互，保证打印过程顺利进行。
打印实验过程参数：单个风扇：1.4m/s；单个气管：4.4；电机转速：18.8r/min；上料速度：12.5mm/s；电机线速度：11.8mm/s；挤出头直径：2.74mm；挤出头长度：50mm；温度设定：225℃；散热全开浮动：-X℃；持续下跌；单开风扇：-6～+0℃；单开气泵：-4～+0℃；风冷风速最佳值确定为4.4m/s，最佳打印温度区间215～225℃。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种高效的FDM3D打印装置