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机械臂式建筑3D打印机控制工程系统开发

  • 发布日期:2018-09-19
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本文是一篇硕士工程论文,工程论文是指工程师论文,工程管理论文与工程论文发表的工程论文。工程论文涵盖集建筑、结构、电气、暖通空调、水利、园林、市政、路桥、给排水、装修、施工、造价、节能、监理、房地产、环保、规划、岩土、林业,工程师,软件工程,工程硕士,林业工程师,电力工程, 化工工程, 控制工程,工业工程, 系统工程, 电气工程, 水利工程,工程师职称,公路工程,软件工程, 建筑工程,土木工程,工程类杂志 咨询、考试、其他等共42个类别的专业。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士工程论文,供大家参考。
 
1 引言
 
3D 打印(3D Printer)(孟昭鹏,2017)是近几年来发展快速的一项新型科技,因其具有成型快速及制造自动化等优点而被广泛应用于教育、医疗、制造和航天等领域。3D打印是增材制造的一种技术,这个定义是针对于减材制造而言的,减材制造不能实现的异形结构及难实现的复杂结构,3D 打印凭借其优势均可实现,因此不可夸张的说 3D 打印是一场技术革命。
 
1.1 研究背景及意义
从上世纪 80 年代起 3D 打印技术(马小丽, et al., 2014)开始流行并且得到推广,美国的两家巨头公司 3D Systems 和 Stratasys 在前期推动了整个 3D 打印行业的发展。国内的 3D 打印发展到今天已经有 30 多年的历史了,最近几年发展态势越来越好,在金属、医疗等方面已经可以和国外相媲美,这得益于国家此项技术的重视。从高校的发展就可以看出,虽然各大高校还未开设相关专业,但是硕士博士会开展关于 3D 打印的项目、研究相关课题并且开设相关讲座,这明显反映了 3D 打印正在慢慢渗透高校。因为 3D 打印涉及信息、机械、材料和控制等相关专业,所以实施起来有一定难度,目前在高校适合课题研究及实验室建设。目前国内的工业也会推动 3D 的技术的发展,主要集中在金属 3D 打印上,金属 3D 打印采用激光烧结的方式成型(韩霞 , 2012),在未来的工业领域的应用当中,预计金属 3D 打印会获得较好的发展。塑料和树脂主要集中在个人消费领域,FDM(熔融沉积成型)、SLA(立体光固化成型)、DLP(数字光投)(王运赣 , 2014)几种成型方式机器多为桌面机,因此个人消费主要拉动塑料和树脂材料的发展。3D 打印过程是一个层层叠加的过程,打印头或者激光束按照事先设计好的路径进行移动,一边移动一边出料成型,打印完一层,z 周下降一层或者上升一层,不同的成型方式有所区别,第二层材料在第一层的基础上进行粘结打印,这样层层堆积,最终形成三维实体模型(DiniE, et al, 2010)。材料是 3D 打印的核心,也是限制 3D 打印技术发展的重要因素之一,因此研发不同形式的材料可以取得 3D 打印的重要突破。目前打印机都是针对一类材料进行设计的,比如 FDM(熔融沉积成型)只能对线材类进行打印,SLA(立体光固化成型)只能对光敏树脂类进行打印,材料的成型方式限制了打印机的机械结构,目前 3D 打印发展的难点之一还是多材料打印方式的实现(王灿才, 2012)。本文主要研究内容为建筑 3D 打印机控制系统(李金泉 , 2011),此技术利用工业机
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1.2 国内外研究现状
 
3D 打印技术在国内外发展的都比较快速,特别是金属 3D 打印,用于航天已解决关键问题。建筑 3D 打印国内外发展时间都不长,国外从 2013 年开始逐步发展,国内从 2014年起开始有显著发展。建筑 3D 打印属于工程应用,涉及的专业比较多,如材料、机械、控制、结构和建筑等专业,因其涉及的专业种类和专业知识面更广,所以发展稍慢于金属、医疗和教育等行业。要想实现建筑 3D 打印,需要打印控制系统、打印机、外围设备和打印材料等多方面的配合,下面章节就这些内容展开阐述。
 
1.2.1 建筑 3D 打印发展现状
建筑 3D 打印发展时间不长,近几年才开始发展起来。最先开展此项工作的还是高校,如麻省理工大学、南加州大学、拉夫堡大学和荷兰埃因霍温大学都在建筑打印材料及打印机方面有所研究和突破。2013 年 1 月荷兰阿姆斯特丹建筑大学建筑设计师 Janjaap Ruijssenaars 设计出“LandscapeHouse”,这个建筑是全球第一座 3D 打印建筑(Dini E , 2010),造型优美;2013年 8 月美国加州奥克兰设计工作室打印了长款约为 3 米的构建,但是这个构建材料是聚乳酸的,整个构建也是通过小构建拼装而成的;2014 年阿姆斯特丹建筑师设计的“运河屋”也是塑料件,所以到 2014 年还没实现真正意义上的建筑 3D 打印,因为使用材料还不是类似于混凝土的。2016 年德国德雷斯顿工业大学用 10 小时打印出普通居民小屋(王荣, 2016);2017 年旧金山 Apis Cor 房屋建筑公司与俄罗斯建筑公司 PIK Group 合作用 1天时间修建了一座房屋,就是我们常见的异形类似于三棱形的房屋,可见下图。
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2 建筑 3D 打印概述
 
建筑 3D 打印机与 FDM(熔融沉积成型)打印机成型原理类似,以此类推建筑物 3D 打印技术可理解为将建筑或实体通过软件技术建模生成三维数字模型(张培, 2013),再将三维数字模型逐层分解相应的截面并生成 X Y Z 三坐标轴信息。3D 打印机通过读取切片文件中的横截面信息(张培, 2013),将建筑材料依据这些截面逐层地打印出来,再利用各层截面间的挤压作用及胶凝材料的胶凝作用将每层材料粘合起来从而制造出实体建筑。
 
2.1 建筑 3D 打印介绍
本文介绍的建筑 3D 打印机采用机械臂式结构(蔡自兴, 2013),这种结构抛弃了传统的框架式结构,其优势在于移动方便,可实现现场打印,除此之外如果结合导轨,可实现大范围打印,使得打印范围不再受机械臂臂长的限制。而且工业制造的最终形式都是机器人式的,所以本文所设计的机械臂式建筑 3D 打印机具有一定先进性,并对工程应用具有理论指导作用。建筑 3D 打印技术综合了工业自动化及柔性自动化控制、软件工程、机械工程、材料学、建筑力学等诸多学科,相比以往的工程机械设备具有结构灵活、控制精确、运行稳定、成型快速、高效环保等诸多优点。控制系统(李倩, 2011)大量采用工业自动化及数控产品,包括 PLC 可编程控制器、现场总线、CNC 数控系统,相比传统建筑行业自动化、智能化、信息化程度大大增强。此套控制系统的开发,会带动建筑行业自动化的发展。自动化控制系统还嵌入 WinCC、CAD、CAM 等控制软件,能实现精益控制、柔性制造,还能做到可视化。工艺调整灵活,容易实现模块化、批量化生产,具有工作过程不受人为因素影响,质量稳定可控的优势(谭秀腾, et al., 2014)。
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2.2 建筑 3D 打印机架构
建筑 3D 打印机架构组成见下图,主控系统控制打印喷头模块、智能机器人模块、材料输送模块和管路清洗模块四大模块。本文就是对主控系统进行开发设计,使得系统可以对上述四个模块进行合理控制,重点是在打印过程中各模块之间相互配合,在规定时间内完成合理化动作。机械臂式建筑 3D 打印装置自动化控制(崔万瑞, 2014)部分采用分布式控制结构,主控部分通过工业以太网 PROFINET 总线控制分布式工作站 CPU 联动自动运行。这种分布式布局方式相对安全,运行稳定可靠。控制器采用西门子 SIMATIC S7- 1500 PLC,该产品是西门子公司新一代控制器,是自动化领域的里程碑 SIMATIC S7-1500 带有PROFINET 接口,适用于现场级通信(Zhang J, et al., 2013)。通过 PROFINET 总线通讯,确保高度精准的设备性能。3D 建筑打印装置电气控制采用分布式控制结构,分为主控系统、输料控制系统、清洗控制系统。自动化控制部分采用分布式控制结构,主控部分通过工业以太网 PROFINET总线控制分布式工作站 CPU 联动自动运行。这种分布式布局方式相对安全,运行稳定可靠。主控系统采用可编程控制器西门子SIMATIC S7-1500 PLC配合人机界面通过工业以太网与从站 CPU 通讯,读取工作的站状态、传感位置、实时数据、故障信息等在触摸上显示。同时向工作站发出动作数据指令。触摸屏上设定不同的建筑图层画面(Ding L , etal., 2014),同时控制系统向机器人打印工作站发出相应的子程序调取指令。
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3 建筑 3D 打印机控制系统配置.....21
3.1 机械臂配置.....21
3.2 控制器概述.....22
3.3 人机界面.........23
3.4 软件系统.........25
3.5 驱动器...26
3.6 本章小结.........26
4 建筑 3D 打印机控制系统结构.....27
4.1 主控系统.........29
4.2 物料控制系统...........37
4.3 清洗控制系统...........43
4.4 本章小结.........48
5 工程应用—乔尔玛小镇(兵站)项目............49
5.1 项目概述.........49
5.2 3D 建筑单体....50
5.3 3D 打印建筑实现方式........51
5.4 本章小结.........52
 
5 工程应用—乔尔玛小镇(兵站)项目
 
本文设计的建筑 3D 打印系统应用在乔尔玛小镇(兵站)项目中,控制系统配套机械臂式打印机完成旅游小镇中特色标间的构建。3D 打印建筑体的完成,在整个小镇中都是亮点,对整个小镇的形象有了质的提升。下面就项目本身、构建单体和实现方式做出介绍。
 
5.1 项目概述
项目地位于新疆伊犁州尼勒克县乔尔玛,是 315 省道和 217 国道的交汇处,是南北疆的必经之路,也是独库公路上的重要节点。独库公路北起独山子,南到库车,全长 562.25公里,当时修建这条路时,168 名解放军战士因雪崩、泥石流等原因而长眠于此,这是一条英雄之路,它的贯通使南北疆路程由原来的 1000 多公里缩短了将近一半,堪称是中国公路建筑史上的一座丰碑。乔尔玛是中国最险峻壮美的英雄之路上的旗帜,是最具有使命感的红色爱国教育基地。乔尔玛小镇项目地共 300 亩,建筑面积将近 100 亩,小镇建设的过程中会尽量减少污染的排放,小镇规划设计中,左上角部分为 3D 打印区域,主要以打印的小型标间为主,整个小镇中还会有 3D 打印小品和市政等元素。以下为整个项目的三维鸟瞰图,3D打印建筑施工过程无粉尘、几乎不产生建筑垃圾,所以 3D 打印和整个乔尔玛的环境是吻合的。
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总结
 
3D 打印具有成型快速、操作简单和精度良好等优点,应用于建筑行业可充分发挥其优势。采用 3D 打印技术构建工业用房及民用住宅,不仅智能环保安全快捷,而且成本低廉,可实现就地取材,具有的广阔发展前景。但是现存形式打印机具有体量大移动不便不适合现场打印等缺点,并且控制系统没有对泵送、清洗和打印机同时进行监控,因此具有效率低下和打印物料状态前后不一致等缺点,极大限制了建筑 3D 打印技术的发展。本文针对建筑 3D 打印机及控制系统现存缺点,采用机械臂式建筑 3D 打印机形式及控制系统完成整套智能建筑系统。本系统包括主控系统、物料控制系统和清洗控制系统,主控系统控制机械臂的运动以及材料的泵送和整套设备的清洗,物料系统控制泵送实现对机械臂的供料,清洗系统控制清洗部分完成打印后的清洗工作。三系统采用分布式布局,通过 PROFINET 总线控制实现相互通信。本系统具有高效快捷并且可完全自动化,适合现场打印施工等优点,并且应用于乔尔玛小镇(兵站)项目中。基于以上的研究思路,本文的研究成果可归纳为以下几点:
1、建筑 3D 打印技术是一种可行的、合理的建筑方式,本文采用分布式的方式对整个机械臂式 3D 打印机的机械结构进行研究,包括主控系统、打印喷头模块、智能机器人模块、材料输送模块和管路清洗模块五大模块。本文研究的机械臂式的建筑 3D 打印机优于传统的框架式 3D 打印,具有效率更高,适合现场打印,移动方便,可就地取材等优点。
2、本文还对机械臂式建筑 3D 打印机控制系统进行开发,整套系统包括主控系统、物料控制系统和清洗控制系统,主控部分通过工业以太网 PROFINET 总线控制分布式工作站 CPU 联动自动运行。三大系统还对 PLC 控制板、人机界面和驱动设备进行选型,对 PLC 板输入输出 IO 设计,整套控制采用 STL 语言编程实现。
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