一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手技术方案

本实用新型专利技术涉及一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手，包括肩部、大臂、肘部、小臂和腕部，肩部、大臂、肘部、小臂和腕部依次连接构成机械手臂；其特征在于该机器手还包括裂隙切割装置，机械手臂为裂隙切割装置的承载体，机械手臂具有六个自由度；所述裂隙切割装置安装在腕部上，包括粉末储存单元、细砂储存单元、喷发泵、喷发管道、U型空心刀头、运动传感器和连接法兰，所述裂隙切割装置后部通过连接法兰固定连接于腕部上，裂隙切割装置前部安装有U型空心刀头；裂隙切割装置内以中心轴为中心靠近连接法兰处，设置有粉末储存单元和细砂储存单元，粉末储存单元和细砂储存单元均为密封腔体。

A sowing and cracking intelligent manipulator assembled in the 3D printing system of cement based materials

The utility model relates to an assembly in the cement based material 3D printing system sowing powder split intelligent machine hand, including shoulder, arm, elbow, arm and wrist, shoulder, arm, elbow, arm and wrist are connected to form a mechanical arm; it is characterized in that the machine also includes a hand fracture cutting device the bearing body, the mechanical arm for fracture cutting device, the mechanical arm has six degrees of freedom; the crack cutting device is arranged on the wrist, including powder fine sand storage unit, storage unit, pump, pipeline, U eruption eruption type hollow knife head, motion sensor and the flange, the rear slit cutting device the connecting flange is fixedly connected to the wrist, fracture cutting device installed in the front part of U type hollow knife head; fracture cutting device at the center axis near the connecting flange is provided with a powder storage The storage unit and the fine sand storage unit, the powder storage unit and the fine sand storage unit are all sealed cavities.

【技术实现步骤摘要】
一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手
本技术涉及一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手，属于3D打印机械装备领域。
技术介绍
近年来，随着我国重大基础设施和能源工程建设的快速发展，水电高边坡、公路和铁路隧道、地下洞室群、核电站基础、核废料储存、地下油气储存、矿产开发、页岩油气和地热开发等重大工程都涉及到带有断层和三维裂隙网络岩体的复杂地质结构。物理模型试验是岩土工程领域主要研究手段之一，其基础在于制备出能够精确表征复杂地质结构的物理模型。由于岩体中这些不连续面和体的存在，目前在国际上尚没有成熟的方法制作复杂地质结构物理试验的三维模型。3D打印技术是一种近年来兴起的，包括诸多方面前沿技术知识，具有高科技含量的制造技术，已经在生物医疗、航天航空、模具制造、电子信息制造、汽车制造等领域获得广泛应用。运用3D打印技术来制作大尺度的复杂地质结构模型是探索工程地质灾害机理的基础。3D打印技术的最大优点是可以实现模型的可控制性和可复制性，适合于重复性的实验研究。然而目前已有的水泥基3D打印成型方式以及打印精度的限制，无法在三维模型中制作节理、裂隙等不连续结构。公告号为CN203738788U的专利公开一种6自由度轻型模块化机器人，其主要特点为结构小巧、承载能力高。请参照图1，该设备整体由底座、一号手臂、二号手臂和关节组几部分组成，主要是针对工业生产而设计的，尚无法在水泥基材料模型制作过程中实现裂隙的制作。因此，在水泥基3D打印设备中，借鉴该机器人思想，设计具有6自由度的机械手臂，以该机械手臂为承载体装配空心刀片，用于播粉和制裂等操作，对含裂隙和节理的复杂地质结构模型的制作有着重大意义。
技术实现思路
鉴于水泥基材料3D打印系统中播粉制裂设备的缺失，本技术的目的在于提供一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手，适用于具有断层和三维裂隙网络岩体的物理模型的制备。为了实现上述目的，本技术的技术方案为：一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手，包括肩部、大臂、肘部、小臂和腕部，肩部、大臂、肘部、小臂和腕部依次连接构成机械手臂；其特征在于该机器手还包括裂隙切割装置，机械手臂为裂隙切割装置的承载体，机械手臂能带动裂隙切割装置进行相应的移动和旋转；所述裂隙切割装置安装在腕部上，包括粉末储存单元、细砂储存单元、喷发泵、喷发管道、U型空心刀头、运动传感器和连接法兰，所述裂隙切割装置后部通过连接法兰固定连接于腕部上，裂隙切割装置前部安装有U型空心刀头；裂隙切割装置内以中心轴为中心靠近连接法兰处，设置有粉末储存单元和细砂储存单元，粉末储存单元和细砂储存单元均为密封腔体；粉末储存单元和细砂储存单元外部均安装有喷发泵，喷发泵的出口正对粉末储存单元和细砂储存单元的空腔；在裂隙切割装置上还安装有用于监测U型空心刀头实际运动位置的运动传感器，运动传感器与外部控制系统连接；粉末储存单元和细砂储存单元的内侧通过相应的喷发管道与U型空心刀头连接，粉末和/或细砂能通过喷发管道直接喷射在U型空心刀头的空腔内；所述U型空心刀头整体呈U型，U型的底部平面为切割刀，U型两侧能插入到待切割对象的内部，来自粉末储存单元和/或细砂储存单元的物料置于U型的底部和U型两侧围成的空腔内。从上述技术方案可以看出，本技术装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手具有以下有益效果：本技术在相应伺服电机和离合器的驱动控制下可以实现机械构件(肩部，大臂，肘部，小臂，腕部)的自由旋转和移动，一方面可以用于调节切割刀头的空间位置和方向，另一方面可以用于进行裂隙的切割制作。在切割的过程中，向切割出的裂缝中喷撒细粉末，从而确保裂缝不闭合，实现裂隙、节理的制作。两个粉末存储单元存储两种粉末类、细砂类的干粉材料，通过控制喷发泵的开关，可以实现三种不同裂隙(粉质裂隙、砂质裂隙、粉砂质裂隙)的制作。本技术专门针对复杂地质结构模型(含有裂隙、节理的岩石体)制作设计，机械手臂上具有切割、播撒粉末以及实时定位的裂隙切割装置，机械手臂为切割系统的承载体，能实现刀头的三维空间定位、移动和转动，能够稳定可靠地实现水泥基材料3D打印中播粉致裂等操作，填补了复杂地质结构模型制作装置的空白，能够在打印过程中实现含有复杂裂隙、节理网络的物理模型的精细化制备；联合多台机器手共同使用，可完成多种水泥基材料3D打印，制作更为复杂的工程地质结构模型。附图说明图1为现有6自由度轻型模块化机器人的结构示意图；图2为本技术装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手一种实施例的总体结构示意图。图3为裂隙切割装置的纵向剖面图；图4为裂隙切割装置的三维立体图；图5为使用U型空心刀头播粉致裂过程示意图；图中各标号的含义如下：1-肩部；2-大臂；3-肘部；4-裂隙切割装置；5-腕部；6-小臂；41-粉末储存单元；42-细砂储存单元；43-喷发泵；44-喷发管道；45-U型空心刀头；46-运动传感器；47-连接法兰；11-第一伺服电机；21-第二伺服电机；31-第三伺服电机；61-第四伺服电机；51-第五伺服电机；48-第六伺服电机；12-第一离合器；22-第二离合器；32-第三离合器；62-第四离合器；52-第五离合器；49-第六离合器。具体实施方式下面结合实施例对本技术作进一步说明，但本技术并不限于以下实施例。本技术装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手(简称机器手，参见图2-4)包括肩部1、大臂2、肘部3、小臂6、腕部5和裂隙切割装置4；肩部1、大臂2、肘部3、小臂6和腕部5依次连接构成机械手臂，机械手臂为裂隙切割装置4的承载体，机械手臂能带动裂隙切割装置4进行相应的移动和旋转；所述裂隙切割装置4安装在腕部5上，包括粉末储存单元41、细砂储存单元42、喷发泵43、喷发管道44、U型空心刀头45、运动传感器46和连接法兰47，所述裂隙切割装置4后部通过连接法兰固定连接于腕部上，裂隙切割装置4前部安装有U型空心刀头45；裂隙切割装置内以中心轴为中心靠近连接法兰47处，设置有粉末储存单元41和细砂储存单元42，粉末储存单元41和细砂储存单元42均为密封腔体；粉末储存单元41和细砂储存单元42外部均安装有喷发泵43，喷发泵43的出口正对粉末储存单元41和细砂储存单元42的空腔；在裂隙切割装置4上还安装有用于监测U型空心刀头实际运动位置的运动传感器，运动传感器与外部控制系统连接；粉末储存单元41和细砂储存单元42的内侧通过相应的喷发管道与U型空心刀头45连接，粉末和/或细砂能通过喷发管道44直接喷射在U型空心刀头45的空腔内；所述U型空心刀头45整体呈U型，U型的底部平面为切割刀，U型两侧能插入到待切割对象的内部，来自粉末储存单元41和/或细砂储存单元42的物料置于U型的底部和U型两侧围成的空腔内。本技术机器手的进一步特征在于所述肩部1上端通过第一伺服电机和第一离合器与外部支撑固定连接，使得肩部能在第一平面内360°转动；肩部下端通过第二伺服电机和第二离合器与大臂2上端固定连接，使大臂能够在第二平面内360°转动；大臂下端通过第三伺服电机和第三离合器与肘部3固定连接，使得肘部能够在第三平面内360°转动；肘部同时通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手，包括肩部、大臂、肘部、小臂和腕部，肩部、大臂、肘部、小臂和腕部依次连接构成机械手臂；其特征在于该机器手还包括裂隙切割装置，机械手臂为裂隙切割装置的承载体，机械手臂具有六个自由度，能实现空间六自由度的运动及任意定位，进而带动裂隙切割装置进行三维空间定位、移动和转动；所述裂隙切割装置安装在腕部上，包括粉末储存单元、细砂储存单元、喷发泵、喷发管道、U型空心刀头、运动传感器和连接法兰，所述裂隙切割装置后部通过连接法兰固定连接于腕部上，裂隙切割装置前部安装有U型空心刀头；裂隙切割装置内以中心轴为中心靠近连接法兰处，设置有粉末储存单元和细砂储存单元，粉末储存单元和细砂储存单元均为密封腔体；粉末储存单元和细砂储存单元外部均安装有喷发泵，喷发泵的出口正对粉末储存单元和细砂储存单元的空腔；在裂隙切割装置上还安装有用于监测U型空心刀头实际运动位置的运动传感器，运动传感器与外部控制系统连接；粉末储存单元和细砂储存单元的内侧通过相应的喷发管道与U型空心刀头连接，粉末和/或细砂能通过喷发管道直接喷射在U型空心刀头的空腔内。

【技术特征摘要】
1.一种装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制裂智能机器手，包括肩部、大臂、肘部、小臂和腕部，肩部、大臂、肘部、小臂和腕部依次连接构成机械手臂；其特征在于该机器手还包括裂隙切割装置，机械手臂为裂隙切割装置的承载体，机械手臂具有六个自由度，能实现空间六自由度的运动及任意定位，进而带动裂隙切割装置进行三维空间定位、移动和转动；所述裂隙切割装置安装在腕部上，包括粉末储存单元、细砂储存单元、喷发泵、喷发管道、U型空心刀头、运动传感器和连接法兰，所述裂隙切割装置后部通过连接法兰固定连接于腕部上，裂隙切割装置前部安装有U型空心刀头；裂隙切割装置内以中心轴为中心靠近连接法兰处，设置有粉末储存单元和细砂储存单元，粉末储存单元和细砂储存单元均为密封腔体；粉末储存单元和细砂储存单元外部均安装有喷发泵，喷发泵的出口正对粉末储存单元和细砂储存单元的空腔；在裂隙切割装置上还安装有用于监测U型空心刀头实际运动位置的运动传感器，运动传感器与外部控制系统连接；粉末储存单元和细砂储存单元的内侧通过相应的喷发管道与U型空心刀头连接，粉末和/或细砂能通过喷发管道直接喷射在U型空心刀头的空腔内。2.根据权利要求1所述的装配于水泥基材料3D打印系统的播粉制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王里，马国伟，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津,12