一种基于Frenet坐标系的同平面多极轴3D打印设备及制造方法
技术领域
本发明涉及土木工程材料设备技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于Frenet坐标系的同平面多极轴3D打印设备及制造方法。
背景技术
数控施工技术是一项重大挑战，它可以提高生产率，同时减少建筑环境影响，扩大建筑可能性，提高土木工程结构质量。在数控施工技术中，基于增材打印的3D打印是最先进的技术。目前3D打印技术研究的主要关注点是打印材料的性能。打印材料，主要是水泥基材料，要能够与打印设备参数匹配。现有打印技术主要是基于直角坐标系或角坐标系，根据设计要求，控制单一打印喷口的空间移动。打印喷口主要固定在3维移动轴上，通过3维移动轴的运动来定位打印喷口移动位置。摆脱3维移动轴的约束，采用机械臂来控制打印喷口也是目前的研究应用方向。着力研发打印喷头6按设计路线自动运行，有利于提高打印精度，改善打印建筑整体性能，提高打印设备利用率，促进土木工程3D打印技术发展。
现有的土木工程材料3D打印设备通常采用直角坐标系，同时设置x,y,z共3根轴来控制单一打印口进行打印。同时，现有的打印设备同一打印平面内只有单一的打印口。在直角坐标系内，当超过3根控制轴时，控制轴会相互阻挡，导致无法在同一打印面设置多打印口。实际上对于实际工程，建筑物通常由多种材料组成，例如水泥混凝土、钢筋、胶结剂等。传统土木工程材料3D打印设备无法实现多种材料在同一打印平面内同时打印的功能。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于Frenet坐标系的同平面多极轴3D打印设备及制造方法，本发明所要解决的技术问题是：如何解决传统土木工程材料3D打印设备无法实现多种材料在同一打印平面内同时打印的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于Frenet坐标系的同平面多极轴D打印设备，包括高刚度圆柱体棱柱骨架，所述高刚度圆柱体棱柱骨架底端中心处固定设有驱动电机，所述高刚度圆柱体棱柱骨架内腔设有中心轴杆，所述驱动电机输出轴贯穿高刚度圆柱体棱柱骨架与中心轴杆固定连接，所述中心轴杆远离驱动电机一端外壁固定设有多根打印极轴，每根所述打印极轴上均固定设有供料箱，所述打印极轴一端底部设有打印喷头，所述打印喷头与打印极轴之间固定设有电动伸缩杆，所述供料箱底部固定设有抽料泵，所述抽料泵进料端与供料箱内腔相连，所述抽料泵输出端与打印喷头之间设有送料软管，所述高刚度圆柱体棱柱骨架外壁固定安装有控制器，所述驱动电机、电动伸缩杆和抽料泵均与控制器电性连接；
所述打印极轴包括轴杆和滚动珠，所述滚动珠滚动设置于轴杆一端，所述轴杆远离滚动珠一端与中心轴杆固定连接。
在一个优选地实施方式中，所述高刚度圆柱体棱柱骨架可根据打印目标尺寸在成型前进行大小调整。
在一个优选地实施方式中，所述打印极轴的使用量数量可以根据打印材料品种数量来选择。
在一个优选地实施方式中，所述打印喷头使用量可以根据打印材料品种由控制器进行设置。
在一个优选地实施方式中，所述控制器可对单个电动伸缩杆和抽料泵控制，也可同时协同控制多根打印极轴的电动伸缩杆和抽料泵。
一种基于Frenet坐标系的同平面多极轴3D打印设备的制造方法，制造方法具体包括：
S1：获取打印物体的平面内Frenet坐标模型；
S2：基于Frenet坐标系进行运动规划，输出单独的横纵向运动规划轨迹，而最终输出的打印喷头参考运动轨迹需要可直接被控制器所应用，因而需要把Frenet坐标系下的得到的运动规划结果首先对应输出在全局坐标系内，再对应输出在极坐标体系内；
S3：确定所述打印物体的打印参数，并通过下列公式进行打印：
S3.1：根据打印喷头运动规划，确定任意时刻t的路线为S(t)；
S3.2：打印喷头在Frenet坐标系内的坐标-P(S(t),d(t))，d(t)；
S3.3：根据多次多项式转化为全局坐标系-P(x,y)；
S3.4：转化为角坐标系，P(r,θ)，x＝r·cosθ,y＝r·sinθ；
S3.5：控制系统以极轴和角度为控制参数，进行同平面多极轴打印。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S3.2中P(S(t),d(t))，d(t)为任意时刻t打印喷头距离规划路线S(t)的距离。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S3.3中x，y为打印喷头在全局坐标系内的横坐标和纵坐标。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S3.4中,r为极轴，θ为角度。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明根据Frenet坐标系，通过控制多打印极轴协同工作，并分别控制单根打印极轴和打印喷头，实现在同一打印平面内多打印喷头组合打印，避免多个打印喷头之间的交叉碰撞，拓展了D打印建筑的材料选择和组合空间，以实现智能协同打印多种材料，有助于推进土木工程材料D打印设备提升，对提升土木工程数控施工技术具有重要意义；
2、本发明通过设置控制器实时采集多打印喷头的参数，协调控制多打印喷头，大大提高自动化与智能化；设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的打印极轴结构示意图。
图3为本发明的供料箱结构示意图。
附图标记为：1高刚度圆柱体棱柱骨架、2驱动电机、3中心轴杆、4打印极轴、41轴杆、42滚动珠、5供料箱、6打印喷头、7电动伸缩杆、8抽料泵、9送料软管、10控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于Frenet坐标系的同平面多极轴3D打印设备，包括高刚度圆柱体棱柱骨架1，所述高刚度圆柱体棱柱骨架1底端中心处固定设有驱动电机2，所述高刚度圆柱体棱柱骨架1内腔设有中心轴杆3，所述驱动电机2输出轴贯穿高刚度圆柱体棱柱骨架1与中心轴杆3固定连接，所述中心轴杆3远离驱动电机2一端外壁固定设有多根打印极轴4，每根所述打印极轴4上均固定设有供料箱5，所述打印极轴4一端底部设有打印喷头6，所述打印喷头6与打印极轴4之间固定设有电动伸缩杆7，所述供料箱5底部固定设有抽料泵8，所述抽料泵8进料端与供料箱5内腔相连，所述抽料泵8输出端与打印喷头6之间设有送料软管9，所述高刚度圆柱体棱柱骨架1外壁固定安装有控制器10，所述驱动电机2、电动伸缩杆7和抽料泵8均与控制器10电性连接；
所述打印极轴4包括轴杆41和滚动珠42，所述滚动珠42滚动设置于轴杆41一端，所述轴杆41远离滚动珠42一端与中心轴杆3固定连接。
所述高刚度圆柱体棱柱骨架1可根据打印目标尺寸在成型前进行大小调整，所述打印极轴4的使用量数量可以根据打印材料品种数量来选择，所述打印喷头6使用量可以根据打印材料品种由控制器10进行设置，所述控制器10可对单个电动伸缩杆7和抽料泵8控制，也可同时协同控制多根打印极轴4的电动伸缩杆7和抽料泵8。
一种基于Frenet坐标系的同平面多极轴3D打印设备的制造方法，制造方法具体包括：
S1：获取打印物体的平面内Frenet坐标模型；
S2：基于Frenet坐标系进行运动规划，输出单独的横纵向运动规划轨迹，而最终输出的打印喷头6参考运动轨迹需要可直接被控制器10所应用，因而需要把Frenet坐标系下的得到的运动规划结果首先对应输出在全局坐标系内，再对应输出在极坐标体系内；
S3：确定所述打印物体的打印参数，并通过下列公式进行打印：
S3.1：根据打印喷头6运动规划，确定任意时刻t的路线为S(t)；
S3.2：打印喷头6在Frenet坐标系内的坐标-P(S(t),d(t))，d(t)，P(S(t),d(t))，d(t)为任意时刻t打印喷头6距离规划路线S(t)的距离；
S3.3：根据多次多项式转化为全局坐标系-P(x,y)，x，y为打印喷头6在全局坐标系内的横坐标和纵坐标；
S3.4：转化为角坐标系，P(r,θ)，x＝r·cosθ,y＝r·sinθ,r为极轴，θ为角度；
S3.5：控制系统以极轴和角度为控制参数，进行同平面多极轴打印。
如图1-3所示的，实施方式具体为：将待打印物体放置于高刚度圆柱体棱柱骨架1内腔，由控制器10构建高刚度圆柱体棱柱骨架1内的平面内Frenet坐标模型，基于Frenet坐标系进行运动规划，输出单独的横纵向运动规划轨迹，确定打印物体的打印参数，把Frenet坐标系下的得到的运动规划结果首先对应输出在全局坐标系内，再对应输出在极坐标体系内，根据打印喷头6运动规划由驱动电机2带动中心轴杆3转动，从而带动打印极轴4在高刚度圆柱体棱柱骨架1内腔中的角度转动，期间滚动珠42可降低轴杆41与高刚度圆柱体棱柱骨架1内壁间的摩擦力，保证角度转动过程中的流畅性，根据转化为角坐标系，P(r,θ)，x＝r·cosθ,y＝r·sinθ进行打印极轴4角度的转动，从而改变打印喷头6的打印角度，此外可根据需求由控制器10控制对应数量的打印极轴4上对应的电动伸缩杆7长度伸展，从而带动打印喷头6在纵向位置的改变，打印喷头6在Frenet坐标系内的坐标-P(S(t),d(t))，d(t)，P(S(t),d(t))，d(t)为任意时刻t打印喷头6距离规划路线S(t)的距离。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
