一种大型建筑模型3D打印系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种大型建筑模型3D打印系统和方法；包括以下四个部分：建筑模型设计和分解模块、材料选择和预处理模块、部分打印和自动组装模块、监控和维护模块；所述的建筑模型设计和分解模块用于将建筑模型进行智能分解，生成各个部分模型数据，以及所有部分模型数据之间的组装关系；本发明专利技术有益效果：效率高：采用了数字化、智能化的建筑模型制作过程，从而提高了建筑模型构建效率，比传统手工手法更快，完成时间更短，可以将建筑模型的制作时间缩短到数小时以内。精度高：通过该系统生成出数量精度和质量更高的建筑模型，并且能够根据需要进行调整，以满足不同场景下建筑模型的需求。以满足不同场景下建筑模型的需求。以满足不同场景下建筑模型的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种大型建筑模型3D打印系统和方法


[0001]本专利技术涉及一种建筑模型的3D打印，具体的说是一种大型建筑模型3D打印系统和方法。

技术介绍

[0002]在现有建筑模型的3D打印技术中，设计师需要针对整个建筑模型进行3D打印，这有时会受到打印机尺寸的限制，而且打印时间一般较为漫长，且当模型整体打印失败时可能需要全部重印，使得整个过程异常耗时。因此本专利技术旨在提供一种更为智能的3D打印技术，可以将大型建筑模型进行智能分解，按照一定的精准算法逐个打印零散部件，再根据布局结构进行组装，以实现更为高效，精准，快速的建筑模型3D打印。另外，传统的建筑模型制作方法也不够数字化、智能化，无法在建筑模型制作的各个环节自动化。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提出了一种大型建筑模型3D打印系统和方法。
[0004]本专利技术解决其上述的技术问题所采用以下的技术方案：包括以下四个部分：建筑模型设计和分解模块、材料选择和预处理模块、部分打印和自动组装模块、监控和维护模块；所述的建筑模型设计和分解模块用于将建筑模型进行智能分解，生成各个部分模型数据，以及所有部分模型数据之间的组装关系；所述的材料选择和预处理模块用于选择适合不同部位的打印材料，并通过预处理方式进行物理或化学处理；所述的部分打印和自动组装模块将大型建筑模型进行智能分解打印成多个小块构，并将所述的小块构根据组装关系进行自动化组装或者通过人工拼接的方式进行组装；所述的监控和维护模块用于监控3D打印系统运行状态，实时检测打印过程中的问题。
[0005]进一步地，所述的建筑模型设计和分解模块的构成包括以下几部分：（1）、建筑模型设计软件，包括CAD设计软件、建筑信息模型软件；（2）、建筑模型分解软件，负责将建筑模型进行分解，划分成若干个不同的部分，并根据设计参数生成每个部分的尺寸和位置信息；（3）、3D打印软件；将智能化分解后的部件放置于3D打印平台上，并调整每个部分的打印参数；（4）、几何建模函数，用于检验建筑模型的形状是否正确，并用于生成3D打印时需要的数据；（5）、材料属性数据库，包含各种可用于3D打印的材料的物理、力学和化学属性；（6）、模型分解函数；将建筑模型进行智能化分解，以及为每个分解后的部分建立坐标系和确定位置参数；通过上述模块，建筑模型被智能化分解，每个部位的打印参数通过3D打印软件设
置；（7）、组装算法，用于确定每个3D打印部分的位置和相互之间的连接方式；所述的建筑模型设计和分解模块需要通过多种工具和技术来实现建筑模型的智能化分解和打印。
[0006]进一步地，所述的建筑模型分解软件的智能化分解方法是：（1）、将CAD图纸转换为3D模型并进行三角化处理；（2）、进行体素化处理，得到3D体素网格数据；（3）、对3D体素网格进行分割；（4）、对分割后的不同部位采用图像语义分割算法，将不同部分进行分割，得到更为精细的部位；（5）、对于分割后的每个部位进行索引，利用函数计算式进行识别和分析。
[0007]进一步地，所述的对于分割后的每个部位进行索引，提取其在三维模型中的特征信息，具体步骤如下：（1）、提取部位的位置信息：通常采用部位中心或者球外接体积中心方式进行计算；（2）、提取部位的大小信息：计算部位的长、宽、高或者体积信息；（3）、提取部位的形状信息：借助形态学分析方法；（4）、提取部位的颜色和纹理信息；（5）、保存部位的特征信息。
[0008]进一步地，所述的材料选择和预处理模块的工作原理步骤：S1.特征提取；材料选择和预处理模块首先需要从输入的建筑3D模型中提取特征；S2.材料选择；根据提取的模型特征，以及预设的材料数据库，材料选择和预处理模块；S3.物理化学预处理；对需要加固的模型部位，使用树脂进行填充处理；S4.加工处理；在进行打印之前，材料选择和预处理模块必须进行数值模拟和优化。
[0009]进一步地，所述的部分打印和自动组装模块的工作流程如下：S1.智能分解；部分打印和自动组装模块根据输入的3D建筑模型，将其自动或人工分解成合适大小的部件；S2.自动化组装或人工拼接，部分打印和自动组装模块自动识别部件之间的组装关系和连接方式；其中，部分打印和自动组装模块中包括以下计算函数：S2.1.反汇编函数；将大型建筑模型分解成多个小块构；S2.2.组装函数；根据3D模型的构件和组装关系自动组装或人工拼接构件；S3.匹配函数；用于识别大小、形状不一的构件之间的适配关系，并生成组装方案；S4.定位和固定函数；定位和固定函数用于识别构件在组装过程中的方向和姿态，并进行位置和角度调整。
[0010]进一步地，所述的自动化组装采用方法步骤是：S1.构件位置的检测；部分打印和自动组装模块使用计算机视觉技术对打印的实
物构件进行识别和位置检测；S2.自动化组装。
[0011]进一步地，所述的自动化组装的流程由机械臂进行实施完成，并且采用实施步骤如下：S1.构件位置检测和识别；使用相机或传感器装置对构件进行检测和识别，获取构件的位置；S2.轨迹规划和路径优化；构件之间的连接方式和组装顺序，确定机械臂的运动规划和路径优化；所述的轨迹规划和路径优化的以下处理方式：S2.1.空间限制条件的处理；检查机械臂运动轨迹是否符合3D建模空间的限制条件；S2.2.优化算法的选择；选择适合自动化组装的优化算法，并根据投影几何学或代数展开技术来解决3D模型的刚体位移；所述的优化算法采用：遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、差分进化算法；S2.3.构件组合方案的优化；S2.4.多机器人协同；S3.机械臂控制；根据预设规划的轨迹和路径进行运动，并利用夹具、吸盘装置抓取构件，完成精准的组装和连接；S4.检查和测量；完成自动化组装后，部分打印和自动组装模块将进行检查和测量；所述的机械臂的运动控制和构件抓取使用机器人操作系统来实现，而所述的机器人操作系统采用的是MoveIt和Gazebo。
[0012]进一步地，所述的将建筑模型进行智能分解，生成各个部分的模型数据以及所有部分之间的组装关系中用到的方法：（1）、建筑模型数据的获取与预处理；（2）、智能分解算法；使用深度学习或其他机器学习算法进行智能分解；深度学习通过学习宏观层面的建筑模型，建立起微观层面的建筑部件；（3）、组装及优化算法；组装及优化算法利用机器学习和计算机视觉算法，通过检测部件加工后的表面、形状参数，识别每个部件之间的组装关系，并确定部件的拼接和连接方式；（4）、自动化部分打印和组装技术；利用3D打印技术快速打印出所有部件；一旦所有部件已经打印，再利用机械臂自动将零件组装到一起，并利用自动化工具进行邻域检测和表面检测。
[0013]一种大型建筑模型3D打印系统的方法，其基本流程如下：S1.建筑模型的设计和切割：在建筑模型的设计和分解模块中，通过软件自动对建筑模型进行切割并将其分解成小块构件；S2.构件3D打印预处理：在材料选择和预处理模块中，针对不同的建筑材料，对其进行各自独立的预处理工作；S3.构件3D打印：在部分打印和自动组装模块中，利用3D打印设备，对上述小块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型建筑模型3D打印系统，包括以下四个部分：建筑模型设计和分解模块、材料选择和预处理模块、部分打印和自动组装模块、监控和维护模块；其特征在于：所述的建筑模型设计和分解模块用于将建筑模型进行智能分解，生成各个部分模型数据，以及所有部分模型数据之间的组装关系；所述的材料选择和预处理模块用于选择适合不同部位的打印材料，并通过预处理方式进行物理或化学处理；所述的部分打印和自动组装模块将大型建筑模型进行智能分解打印成多个小块构，并将所述的小块构根据组装关系进行自动化组装或者通过人工拼接的方式进行组装；所述的监控和维护模块用于监控3D打印系统运行状态，实时检测打印过程中的问题。2.根据权利要求1所述的一种大型建筑模型3D打印系统，其特征在于所述的建筑模型设计和分解模块的构成包括以下几部分：（1）、建筑模型设计软件，包括CAD设计软件、建筑信息模型软件；（2）、建筑模型分解软件，负责将建筑模型进行分解，划分成若干个不同的部分，并根据设计参数生成每个部分的尺寸和位置信息；（3）、3D打印软件；将智能化分解后的部件放置于3D打印平台上，并调整每个部分的打印参数；（4）、几何建模函数，用于检验建筑模型的形状是否正确，并用于生成3D打印时需要的数据；（5）、材料属性数据库，包含各种可用于3D打印的材料的物理、力学和化学属性；（6）、模型分解函数；将建筑模型进行智能化分解，以及为每个分解后的部分建立坐标系和确定位置参数通过上述模块，建筑模型被智能化分解，每个部位的打印参数通过3D打印软件设置；（7）、组装算法，用于确定每个3D打印部分的位置和相互之间的连接方式；所述的建筑模型设计和分解模块需要通过多种工具和技术来实现建筑模型的智能化分解和打印。3.根据权利要求2所述的一种大型建筑模型3D打印系统，其特征在于所述的建筑模型分解软件的智能化分解方法是：（1）、将CAD图纸转换为3D模型并进行三角化处理；（2）、进行体素化处理，得到3D体素网格数据；（3）、对3D体素网格进行分割；（4）、对分割后的不同部位采用图像语义分割算法，将不同部分进行分割，得到更为精细的部位；（5）、对于分割后的每个部位进行索引，利用函数计算式进行识别和分析。4.根据权利要求3所述的一种大型建筑模型3D打印系统，其特征在于所述的对于分割后的每个部位进行索引，提取其在三维模型中的特征信息，具体步骤如下：（1）、提取部位的位置信息：通常采用部位中心或者球外接体积中心方式进行计算；（2）、提取部位的大小信息：计算部位的长、宽、高或者体积信息；（3）、提取部位的形状信息：借助形态学分析方法；（4）、提取部位的颜色和纹理信息；（5）、保存部位的特征信息。
5.根据权利要求1所述的一种大型建筑模型3D打印系统，其特征在于所述的材料选择和预处理模块的工作原理步骤：S1.特征提取；材料选择和预处理模块首先需要从输入的建筑3D模型中提取特征；S2.材料选择；根据提取的模型特征，以及预设的材料数据库，材料选择和预处理模块；S3.物理化学预处理；对需要加固的模型部位，使用树脂进行填充处理；S4.加工处理；在进行打印之前，材料选择和预处理模块必须进行数值模拟和优化。6.根据权利要求1所述的一种大型建筑模型3D打印系统，其特征在于所述的部分打印和自动组装模块的工作流程如下：S1.智能分解；部分打印和自动组装模块根据输入的3D建筑模型，将其自动或人工分解成合适大小的部件；S2.自动化组装或人工拼接，部分打印和自动组装模块自...

【专利技术属性】
技术研发人员：马溪茵，李建，
申请(专利权)人：上海电子信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：