同济大学机械与能源工程学院 上海 201804
摘 要：目前，建筑3D 打印作为这项新兴技术的一个分支备受社会关注，故提出了一种建筑3D 打印机机械系统与控制系统方案。采用龙门式的结构以及链传动的传动方式设计了一种建筑用3D 打印机机械结构，并利用有限元分析论证了机械方案的可行性。选用固高公司的运动控制卡对打印机控制系统进行设计，阐述了控制思路与打印流程。结论表明，3D 打印技术应用于建筑行业切实可行，对于解决传统建筑行业结构单一、材料利用率低等问题具有重要意义。
关键词：建筑3D 打印；有限元分析；运动控制卡；设计
中图分类号：TH351 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）21-0040-05
0 引言
建筑3D 打印技术作为新型数字建造技术，它集成了计算机技术、数控技术、材料成型技术等，由计算机获取三维建筑模型的形状、尺寸及其他相关信息，然后对其进行一定的处理，利用材料分层叠加的基本原理，按某一方向( 通常为Z 向) 将模型分解成具有一定厚度的层片文件，然后对层片文件进行检验或修正，最后由数控系统控制机械装置按照指定路径运动实现建筑物或构筑物的自动建造，这项技术也被称为增材建造[1-3]。本文基于建筑用3D 打印机与普通桌面级打印机的区别，对建筑用3D 打印机进行机械结构设计，并进行有限元分析，检验了结构方案的可行性。并选用固高公司的运动控制卡作为主控板，介绍了控制系统构成以及详细的打印流程。
1 机械结构设计
建筑用3D 打印机的机械结构主要由喷头系统、支撑框架和三维运动机构组成，其结构示意如图1 所示。不同与普通桌面级3D 打印机，建筑用3D 打印机由于其尺寸巨大，工作环境恶劣，因此对于整体机构具有更高的强度、刚度以及稳定性要求。本文设计的建筑3D打印机采用以工字钢作为基础构件的龙门式结构进行设计，各个方向运动相互独立，控制容易，操作简单，具有精度高、速度快的特点。考虑到建筑用3D 打印机运动跨度较大，因此不宜使用蜗杆传动以及齿轮传动方式，而工作时运动相对缓慢，且需要较为准确的传动比，因此不宜使用摩擦轮及带传动方式，故选用链传动为传动方式，对X、Y、Z 三个方向的运动部件进行传动。实物图如图2 所示。
图1 建筑3D 打印机模型
图2 建筑3D 打印机实物
1.1 运动简图
打印机X 向运动简图如图3 所示，考虑到为提高打印质量，喷头需尽量受力平衡，故采用两组链轮带动喷头在X 向运动。打印时，电动机通过联轴器以及减速器，将动力传输至主动轴上，主动轴继而带动传动轴转动，从而驱动两组链轮做正反转运动，喷头与链轮之间的链条进行连接，进而完成来回往复运动。
图3 X 向运动简图
电动机通过联轴器及减速器将动力传输至驱动轴，如图4 所示，进而带动两组链轮同时做同向运动，从而完成X 向传动机构在Y 向的往复运动。考虑到整体结构跨度较大，若使用单根驱动轴，会产生刚度不够的问题，故采用增加轴承数量的方式，以解决刚度不够的问题。或采用中段使用空心圆管的方式，通过联轴器将两端连接，本次设计采用增加轴承数量的方式解决刚度问题。
图4 Y 向运动简图
Z 向运动主要由链轮组1、2、3、4 拖动整个X、Y平台完成，如图5 所示，电机通过联轴器与减速器将动力传输至驱动轴，驱动轴通过链轮组5 将动力传至链轮组2、3 所在轴上，使得链轮组1、2、3、4 能够同时同方向进行运动，以完成X、Y 平面在Z 向的往复运动。
图5 Z 向运动简图
1.2 有限元分析
打印机框架承载着工作平面，工作平面又承载在X向导轨，X 向导轨又承载着喷头，喷头的位置直接影响着打印精度，因此需要分别对打印机框架、XY 工作平面进行静力学分析，分析其强度刚度是否符合要求。本次分析使用Ansys Workbench 13.0，分析前将模型进行网格化，最小单位为0.01 m，并添加重力方向以及相关约束或者载荷[4]。
确定分析类型后，将模型导入，然后定义材料属性，本次分析主要为结构分析，故材料均定为钢。进行网格划分，网格划分影响分析精度，网格划分越细，结构越准确，可在整体网格划分之后，对局部进行细化，本次分析最小单位为0.01 m。施加载荷以及约束，确定边界条件，包括力、力矩、固定平面约束等。进行求解，得到总体变形，等效应力等。
XY 平面主要由四根工字钢组成，分析整体刚度问题，因此将喷头部分以及两端传动轴部分删去，在X 向导轨平面靠近极限位置处建两个1 mm 厚的平面，施加以力模拟喷头运动到极限位置时的情况，将XY 平面上连接链条连接器的平面设置为固定平面，并添加重力方向，如图6 所示。
图6 XY 平面约束
最大位移量为1.560 4×10-3 m，如图7 所示，位于加载处，最大应力为35.308 MPa，Y 向导轨以及支撑工字钢位移均小于1.5 mm，满足强度刚度条件。
图7 XY 平面位移
分析整体框架如图8 所示，将整体XY 工作平面作为力载荷，加载于上方链轮组上，并将底部支撑座平面以及横梁工字钢底面设置固定平面，并添加重力方向，完成对框架的约束。然后进行求解，由图9 可以看出，最大位移量为1.626 7×10-3 m，位于上部工字钢中心处，对喷头位置影响较小，最大应力为31.437 MPa，满足刚度条件。
图8 框架约束
图9 框架位移
2 控制方案设计
2.1 控制系统结构框图
控制系统结构框图如图10 所示，主控板选用固高公司的GTS-VB 四轴运动控制器，工作时插入PC 机的PCI 插槽，通过上位机软件进行控制。控制卡信号通过线缆连接至端子板上，轴接口1、2、3 分别负责控制3个方向机构的运动，轴接口4 控制供料的输送。三路行程及限位开关主要负责原点定位以及各向位置限定。保证运动过程的安全性与准确性。控制系统通过电源电路进行供电。考虑到步进电机扭矩力不够，选用SEW 公司CMP 系列同步伺服电机作为三向运动电机，配套变频器对电机进行控制[5，6]。
图10 控制系统结构框图
2.2 运动控制模式
为提高打印精度，系统采用闭环控制模式，通过模拟电压进行速度控制。系统工作时，由上位机指定规划位置及相应速度，通过控制卡将模拟电压发送至变频器，变频器接受指令后，输出相应转速控制电机转动，并接收到电机编码器反馈回来的位置信息，变频器再将位置信息反馈至端子板上，完成位置及速度的闭环控制。
变频器与端子板接线如图11 所示。端子板使能端口、编码器信息接收端口分别与变频器使能端口、编码器信息发送端口连接。端子板模拟量输出口与变频器模拟量输入口进行连接。对于电机转向的控制，可将变频器的工作模式设置为双极性模式，模拟量输入口接受来自端子板的差分信号。
图11 变频器与端子板接线图
3 3D 打印控制流程
建筑3D 打印与桌面级3D 打印流程如图12 所示，均是首先获取三维模型，并生成STL 文件，按照三维模型进行切片，然后逐层打印。将模型生成的STL 文件导入切片软件Cura 中，完成3D 模型的切片并适当调整模型位置，点击文件中“生成geode 格式文件”即可生成Gcode 文件，再将G 代码传送至运动控制卡进行处理。
准备工作就绪后，上位机程序首先判断喷头是否处于原点位置，如果不是，则进行回原点操作。回原点结束后，开始进行打印。上位机逐行读取处理过后的G 代码文件，并计算出相应地坐标位置以及速度信息，进而控制电机运动。
图12 3D 打印流程
4 结论与展望
基于建筑用3D 打印机与普通桌面级打印机的区别，对建筑用3D 打印机机械系统和控制系统进行了设计。结论为：1）所设计的机械结构满足刚度及强度要求。2）控制系统满足打印基本要求。
针对目前设计的建筑3D 打印机，之后可着重关注打印机控制精度，从机构运动与喷料控制的角度出发，进行研究与改进。
参考文献
[1] 丁烈云，徐捷，覃亚伟. 建筑3D 打印数字建造技术研究应用综述[J]. 土木工程与管理学报，2015，32(3)：1-10.
[2] 张大旺，王栋民.3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展[J]. 硅酸盐通报，2015，34(6)：1 583-1 588.
[3] 肖绪文，田伟，苗冬梅.3D 打印技术在建筑领域的应用[J].施工技术，2015，44(10)：79-83.
[4] 朱秀娟. 有限元分析网格划分的关键技巧[J]. 机械工程与自动化，2009(1)：185，186.
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[6] 周永欣，马文斌. 六自由工业机器人控制系统硬件设计[J]. 电子世界，2017(2)：154，155.
