CN106320342B - 地下工程3d打印装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地下工程3D打印装置与方法，通过模块化三轴驱动导向自适应扩展装置，与其连接的实体建筑3D打印装置和掘进排土机用驱动导向装置，以及与掘进排土机用驱动导向装置连接的CNC掘进排土机，解决现有的3D打印装置和方法不能实现地下工程土体开挖和结构施工等问题，以实现地下工程土体高效安全的自动开挖施工，地下结构高精度的自动建造，及解决传统建筑施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题，竖向爬升必须依附已建的建筑物外表面，本发明的打印装置和掘进装置采用模块化导轨，可三轴自适应扩展且可移动，适用于大范围地下大量异形复杂建筑物建造施工。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种地下工程3D打印装置与方法。
背景技术
我国相继出台一系列包括《国家高技术研究发展计划(863计划)》、《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》和《中国制造2025》等纲领性文件，均将3D打印技术作为优先发展的国家战略。目前，建筑业的自动化水平与其他行业相比尚显落后，其发展迫切需要转型升级。建筑工程3D打印技术具有自动化程度高、一次成型、建筑耗材和工艺损耗少等特点，是实现传统建筑业转型升级的一种重要手段，是解决建筑高效、安全、数字化、自动化、智能化建造的有效途径。
然而，现有的3D打印装置仅适用于地上建(构)筑物施工，当前尚无地下工程3D打印装置。较地上建(构)筑物，由于地下工程施工涉及土体开挖和支护的问题，其施工风险更大。因此，研究一种应用于地下工程的3D打印装置及方法是本领域迫切需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地下工程3D打印装置与方法，能够解决采用现有的3D打印装置和方法不能实现地下工程土体开挖和结构施工的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种地下工程3D打印装置，包括：
包括模块化三轴驱动导向自适应扩展装置以及与其连接的实体建筑3D打印装置，其中，
所述模块化三轴驱动导向自适应扩展装置，包括：
可扩展的模块化地面导轨110；
设置于所述模块化地面导轨110上的XY方向驱动车轮120；
设置于所述XY方向驱动车轮120上的X、Y、Z方向模块化稳定导轨130，每个X、Y、Z方向模块化稳定导轨130的两端对应设置有X、Y、Z方向稳定导轨扩展连接件160；
设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的下部的转动顶升驱动140，所述转动顶升驱动140与所述XY方向驱动车轮120连接；
设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的上部的Z方向顶升制动驱动150，X、Y方向模块化稳定导轨130上对应设置有X、Y方向驱动制动170；
所述实体建筑3D打印装置，包括：
设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的打印头导轨横梁210；
设置于所述打印头导轨横梁210上的Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230，打印头导轨横梁210一端与建筑材料300输送管连接，另一端设置所述打印头导轨横梁扩展连接件240；
设置于所述打印头导轨横梁210上的竖向打印头250和X方向打印头驱动制动260，所述X方向打印头驱动制动260与所述竖向打印头250连接；
所述掘进排土机用驱动导向装置，包括：
设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的掘进排土机导轨横梁510；
设置于所述掘进排土机导轨横梁510上的掘进排土机Y方向导轨驱动520和掘进排土机横梁制动530，所述掘进排土机导轨横梁510一端内的排土管为土及碎石出口600，另一端设置掘进排土机导轨横梁扩展连接件540；
设置于所述掘进排土机导轨横梁510上的竖向CNC掘进排土机400和掘进排土机X方向驱动制动550，所述掘进排土机X方向驱动制动550与所述竖向CNC掘进排土机400连接。
进一步的，在上述装置中，所述CNC掘进排土机400包括：
防护支撑装置450；
设置于所述防护支撑装置450外的铣削掘进刀盘410；
设置于所述防护支撑装置450内的铣削旋转动力系统420和土及碎石仓430、吸力螺旋排土装置440，其中，所述铣削掘进刀盘410与铣削旋转动力系统420连接，所述土及碎石仓430一端与所述铣削掘进刀盘410连通，另一端与所述吸力螺旋排土装置440连通。
进一步的，在上述装置中，所述防护支撑装置450，包括：
与掘进排土机导轨横梁510连接顶部支撑壳455；
设置于所述顶部支撑壳455内部的多道顶部支撑454；
与所述顶部支撑壳455的底部刚接的中部支撑板453；
与所述中部支撑板453边缘与外部刚接的防护支撑壳452；
与所述防护支撑壳452竖向内部的中部刚接的底部支撑板451。
进一步的，在上述装置中，所述铣削旋转动力系统420，包括：
设置于部支撑板451中心的可转动的刀盘中心主轴421；
铣削旋转动力传递元件423连接；
铣削动力液压马达422，所述刀盘中心主轴421上顶端与所述铣削动力液压马达422之间通过所述铣削旋转动力传递元件423连接。
进一步的，在上述装置中，所述铣削掘进刀盘410，包括：
与所述刀盘中心主轴421下顶端连接的刀盘翼板415；
主铣削刀盘412，所述刀盘翼板415底部边缘与主铣削刀盘412一端相连并斜交；
设置于主铣削刀盘412中心部的一系列中心刀盘411；
设置于所述主铣削刀盘412中心与边缘之间的一系列正铣刀盘413；
所述防护支撑壳452底部环向设置有一系列外周铣削刀盘414，所述外周铣削刀盘414的轴心垂直于刀盘翼板415。
进一步的，在上述装置中，所述土及碎石仓430由所述刀盘翼板415、底部支撑板451和防护支撑壳452围成。
进一步的，在上述装置中，所述吸力螺旋排土装置440，包括：
离心吸渣离心泵442；
设置于所述离心吸渣离心泵442下部的吸渣入口441，所述吸渣入口441的外表面嵌入于所述底部支撑板451内部，与所述土及碎石仓430连通；
设置于所述离心吸渣离心泵442上部轴心的螺旋输送轴445；
设置于所述螺旋输送轴445外部的排土密封筒体446；
螺旋动力传递元件444；
螺旋推进动力液压马达443，所述离心吸渣离心泵442与螺旋推进动力液压马达443之间通过所述螺旋动力传递元件444连接。
进一步的，在上述装置中，所述模块化地面导轨110包括：4条两两平行与地面接触的模块化地面导轨110，其中两条为X方向地面导轨111，另外两条为Y方向地面导轨112，所述X、Y方向地面导轨111、112两端对应设置实现扩展地面导轨长度X、Y方向的地面导轨扩展连接件113、114。
进一步的，在上述装置中，所述XY方向驱动车轮120包括与其中两条平行轨道X方向或Y方向地面导轨111、112接触的4个XY方向驱动车轮120。
进一步的，在上述装置中，所述X、Y、Z方向模块化稳定导轨130包括4根垂直于地面的Z方向稳定导轨133、连接于所述4根Z方向稳定导轨133的上部的2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132，连接于所述4根Z方向稳定导轨133的下部的2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132，2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132连接构成上层矩形，2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132连接构成下层矩形，其中，
每根Z方向稳定导轨133的一端分别通过所述转动顶升驱动140与4个XY驱动车轮120固结，每根Z方向稳定导轨133另一端各连接有2个Z方向顶升制动驱动150，每根上层X方向稳定导轨131和上层Y方向稳定导轨132设置于所述2个Z方向顶升制动驱动150之间；
每根Z方向稳定导轨133顶部均设置有实现扩展Z方向稳定导轨133长度的Z方向稳定导轨扩展连接件163；
每根X方向稳定导轨131的每端设置有2个X方向驱动制动171和实现扩展X方向稳定导轨131长度的X方向稳定导轨扩展连接件161；
每根Y方向稳定导轨132的每端设置有2个Y方向驱动制动172和实现扩展Y方向稳定导轨132长度的Y方向稳定导轨扩展连接件162。
进一步的，在上述装置中，所述打印头导轨横梁210设置于所述平行的2根上层Y方向稳定导轨132上；
所述Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230的数量分别为2个，Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230分别设置于所述打印头导轨横梁210与2根上层Y方向稳定导轨132的连接端；
所述竖向打印头250设置于2个打印头横梁制动230之间的打印头导轨横梁210上，所述竖向打印头250通过所述X方向打印头驱动制动260设置于打印头导轨横梁210上。
根据本发明的另一面，提供一种采用上述地下工程3D打印装置的打印方法，包括：
通过CNC(数控设备)动力控制系统(图中未画出)向掘进排土机用驱动导向装置和CNC掘进排土机400发送控制指令，启动Z方向顶升制动驱动150实现掘进排土机导轨横梁510在Z方向的移动，通过掘进排土机Y方向导轨驱动520和掘进排土机横梁制动530控制掘进排土机导轨横梁510实现Y方向的移动，通过掘进排土机X方向驱动制动550控制CNC掘进排土机400实现X方向的移动，通过控制CNC掘进排土机400在XY平面内逐层铣削掘进开挖土体并通过土及碎石出口600排出土体，并实现地下工程土体自上向下逐层沿Z方向的开挖；
直至地下工程土体开挖完毕，通过动力控制系统(图中未画出)向实体建筑3D打印装置发送控制指令，启动Z方向顶升制动驱动150实现打印头导轨横梁210在Z方向的移动，通过Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230控制打印头导轨横梁210实现Y方向的移动，通过X方向打印头驱动制动260控制打印头250实现X方向的移动，通过控制打印头250在XY平面内喷射建筑材料300实现地下工程结构各建筑截面层打印施工，并实现地下工程结构自下向上逐层沿Z方向打印
进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：
若地下工程结构超过XY平面内打印装置的X方向的掘进或打印范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置发送控制指令，通过XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨111行驶，同时调节X方向驱动制动171扩展X方向掘进或打印范围，待超出X方向稳定导轨131的长度，通过X方向地面导轨扩展连接件113加长连接新的X方向地面导轨标准段，并通过X方向稳定导轨扩展连接件161加长连接新的X方向稳定导轨标准段，调节XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨标准段行驶，同时调节X方向驱动制动171实现X方向掘进或打印区域进一步扩大，若X方向掘进或打印范围超过掘进排土机导轨横梁510或打印头导轨横梁210范围，通过掘进排土机导轨横梁扩展连接件540和打印头横梁扩展连接件240分别加上连接新的掘进排土机导轨横梁或打印头导轨横梁。
进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：
若地下工程结构超过XY平面内打印装置的Y方向的掘进或打印范围，通过所述动力控制系统向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向制动172扩展Y方向掘进或打印范围，待超出Y方向稳定导轨132长度，通过Y方向地面导轨扩展连接件114加长连接新的Y方向地面导轨标准段，并通过Y方向稳定导轨扩展连接件162加长连接新的Y方向稳定导轨标准段，调节XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨标准段行驶，同时调节Y方向驱动制动172实现Y方向掘进或打印区域进一步扩大。
与现有技术相比，本发明通过模块化三轴驱动导向自适应扩展装置，与其连接的实体建筑3D打印装置和掘进排土机用驱动导向装置，以及与所述掘进排土机用驱动导向装置连接的CNC掘进排土机400，解决现有的3D打印装置和方法不能实现地下工程土体开挖和结构施工等问题，以实现地下工程土体高效安全的自动开挖施工，地下结构高精度的自动建造，及解决传统建筑施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题，竖向爬升必须依附已建的建(构)筑物外表面，本发明的打印装置和掘进装置采用模块化导轨，可三轴自适应扩展且可移动，适用于大范围地下大量异形复杂建(构)筑物建造施工。
附图说明
图1是本发明一实施例的地下工程3D打印装置的结构图；
图2是本发明一实施例的CNC掘进排土机示意图；
图3是本发明一实施例的地块700土方开挖示意图；
图4是本发明一实施例的地块800土方开挖示意图；
模块化三轴驱动导向自适应扩展装置：
110-模块化地面导轨，111-X方向地面导轨，112-Y方向地面导轨，113-X方向地面导轨扩展连接件，114-Y方向地面导轨扩展连接件；120-XY方向驱动车轮，130-XYZ方向模块化稳定导轨，131-X方向稳定导轨，132-Y方向稳定导轨，133-Z方向稳定导轨；140-转动顶升驱动；150-Z方向顶升制动驱动；160-XYZ方向稳定导轨扩展连接件，161-X方向稳定导轨扩展连接件，162-Y方向稳定导轨扩展连接件，163-Z方向稳定导轨扩展连接件；170-XY方向驱动制动，171-X方向驱动制动，172-Y方向驱动制动；
实体建筑3D打印装置：
210-打印头导轨横梁；220-Y方向打印头导轨驱动；230-打印头横梁制动；240-打印头导轨横梁扩展连接件；250-打印头；260-X方向打印头驱动制动；
300-建筑材料。
掘进排土机用驱动导向装置：
510-掘进排土机导轨横梁；520-掘进排土机Y方向导轨驱动；530-掘进排土机横梁制动；540-掘进排土机导轨横梁扩展连接件；550-掘进排土机X方向驱动制动；
600-土及碎石出口；
400-CNC掘进排土机：
410-铣削掘进刀盘，411-中心刀盘，412-主铣削刀盘，413-正铣刀盘，414-外周铣削刀盘，415-刀盘翼板；
420-铣削旋转动力系统：
421-刀盘中心主轴，422-铣削动力液压马达，423-铣削旋转动力传递元件；
430-土及碎石仓；
440-吸力螺旋排土装置：
441-吸渣入口，442-离心吸渣离心泵，443-螺旋推进动力液压马达，444-螺旋动力传递元件，445-螺旋输送轴，446-排土密封筒体；
450-防护支撑装置：
451-底部支撑板，452-防护支撑壳，453-中部支撑板，454-顶部支撑壳，455-顶部支撑。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和2所示，本发明提供一种地下工程3D打印装置，包括模块化三轴驱动导向自适应扩展装置，与其连接的实体建筑3D打印装置和掘进排土机用驱动导向装置，以及与所述掘进排土机用驱动导向装置连接的CNC掘进排土机400，其中，
所述模块化三轴驱动导向自适应扩展装置，包括：
可扩展的模块化地面导轨110；
设置于所述模块化地面导轨110上的XY方向驱动车轮120；
设置于所述XY方向驱动车轮120上的X、Y、Z方向模块化稳定导轨130，每个X、Y、Z方向模块化稳定导轨130的两端对应设置有X、Y、Z方向稳定导轨扩展连接件160；
设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的下部的转动顶升驱动140，所述转动顶升驱动140与所述XY方向驱动车轮120连接；
设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的上部的Z方向顶升制动驱动150，X、Y方向模块化稳定导轨130上对应设置有X、Y方向驱动制动170；
所述实体建筑3D打印装置，包括：
设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的打印头导轨横梁210；
设置于所述打印头导轨横梁210上的Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230，打印头导轨横梁210一端与建筑材料300输送管连接，另一端设置所述打印头导轨横梁扩展连接件240；
设置于所述打印头导轨横梁210上的竖向打印头250和X方向打印头驱动制动260，所述X方向打印头驱动制动260与所述竖向打印头250连接；
所述掘进排土机用驱动导向装置，包括：
设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的掘进排土机导轨横梁510；
设置于所述掘进排土机导轨横梁510上的掘进排土机Y方向导轨驱动520和掘进排土机横梁制动530，所述掘进排土机导轨横梁510一端内的排土管为土及碎石出口600，另一端设置掘进排土机导轨横梁扩展连接件540；
设置于所述掘进排土机导轨横梁510上的竖向CNC掘进排土机400和掘进排土机X方向驱动制动550，所述掘进排土机X方向驱动制动550与所述竖向CNC掘进排土机400连接。具体的，与模块化三轴驱动导向自适应扩展装置连接的掘进排土机用驱动导向装置包括：在顶层两平行Y方向稳定导轨132上侧设置与其连接的掘进排土机导轨横梁510以及2个掘进排土机Y方向导轨驱动520和2个掘进排土机横梁制动530，掘进排土机导轨横梁510一端内的排土管为土及碎石出口600，另一端设置掘进排土机导轨横梁扩展连接件540，2个掘进排土机横梁制动530之间设置垂直于掘进排土机导轨横梁510且与其连接的竖向CNC掘进排土机400，CNC掘进排土机400与掘进排土机导轨横梁510之间设置掘进排土机X方向驱动制动550。
优选的，如图2所示，所述CNC掘进排土机400包括：
防护支撑装置450；
设置于所述防护支撑装置450外的铣削掘进刀盘410；
设置于所述防护支撑装置450内的铣削旋转动力系统420和土及碎石仓430、吸力螺旋排土装置440，其中，所述铣削掘进刀盘410与铣削旋转动力系统420连接，所述土及碎石仓430一端与所述铣削掘进刀盘410连通，另一端与所述吸力螺旋排土装置440连通。
优选的，如图2所示，所述防护支撑装置450，包括：
与掘进排土机导轨横梁510连接顶部支撑壳455；
设置于所述顶部支撑壳455内部的多道顶部支撑454；
与所述顶部支撑壳455的底部刚接的中部支撑板453；
与所述中部支撑板453边缘与外部刚接的防护支撑壳452；
与所述防护支撑壳452竖向内部的中部刚接的底部支撑板451。
优选的，如图2所示，所述铣削旋转动力系统420，包括：
设置于部支撑板451中心的可转动的刀盘中心主轴421；
铣削旋转动力传递元件423连接；
铣削动力液压马达422，所述刀盘中心主轴421上顶端与所述铣削动力液压马达422之间通过所述铣削旋转动力传递元件423连接。
优选的，如图2所示，所述铣削掘进刀盘410，包括：
与所述刀盘中心主轴421下顶端连接的刀盘翼板415；
主铣削刀盘412，所述刀盘翼板415底部边缘与主铣削刀盘412一端相连并斜交；
设置于主铣削刀盘412中心部的一系列中心刀盘411；
设置于所述主铣削刀盘412中心与边缘之间的一系列正铣刀盘413；
所述防护支撑壳452底部环向设置有一系列外周铣削刀盘414，所述外周铣削刀盘414的轴心垂直于刀盘翼板415。
优选的，如图2所示，所述土及碎石仓430由所述刀盘翼板415、底部支撑板451和防护支撑壳452围成。
优选的，如图2所示，所述吸力螺旋排土装置440，包括：
离心吸渣离心泵442；
设置于所述离心吸渣离心泵442下部的吸渣入口441，所述吸渣入口441的外表面嵌入于所述底部支撑板451内部，与所述土及碎石仓430连通；
设置于所述离心吸渣离心泵442上部轴心的螺旋输送轴445；
设置于所述螺旋输送轴445外部的排土密封筒体446；
螺旋动力传递元件444；
螺旋推进动力液压马达443，所述离心吸渣离心泵442与螺旋推进动力液压马达443之间通过所述螺旋动力传递元件444连接。
详细的，如图2所示，与掘进排土机用驱动导向装置连接的CNC掘进排土机400包括：与掘进排土机导轨横梁510连接的防护支撑装置450，其中的顶部支撑壳455与掘进排土机导轨横梁510连接，顶部支撑壳455内部设置多道顶部支撑454，顶部支撑壳455底部与中部支撑板453刚接，中部支撑板453边缘与外部的防护支撑壳452刚接，防护支撑壳452竖向内部的中部与底部支撑板451刚接；底部支撑板451中心设置可转动的铣削旋转动力系统420的刀盘中心主轴421，刀盘中心主轴421上顶端与铣削动力液压马达422之间通过设置相互接触的铣削旋转动力传递元件423连接；刀盘中心主轴421下顶端与铣削掘进刀盘410的刀盘翼板415连接，刀盘翼板415底部边缘与主铣削刀盘412一端相连并斜交，主铣削刀盘412中心部设置一系列中心刀盘411，主铣削刀盘412中心与边缘之间设置一系列正铣刀盘413，防护支撑壳452底部环向设置一系列外周铣削刀盘414且其轴心垂直于刀盘翼板415；底部支撑板451中心与环向边缘之间设置多个吸力螺旋排土装置440，离心吸渣离心泵442下部的吸渣入口441外表面嵌入于底部支撑板451内部，离心吸渣离心泵442上部轴心设置螺旋输送轴445，螺旋输送轴445外部设置排土密封筒体446；离心吸渣离心泵442与螺旋推进动力液压马达443之间通过设置相互接触的螺旋动力传递元件444连接；底部支撑板451、刀盘翼板415与防护支撑壳452所围形成土及碎石仓430。
优选的，所述模块化地面导轨110包括：4条两两平行与地面接触的模块化地面导轨110，其中两条为X方向地面导轨111，另外两条为Y方向地面导轨112，所述X、Y方向地面导轨111、112两端对应设置实现扩展地面导轨长度X、Y方向的地面导轨扩展连接件113、114。
优选的，所述XY方向驱动车轮120包括与其中两条平行轨道X方向或Y方向地面导轨111、112接触的4个XY方向驱动车轮120。
优选的，所述X、Y、Z方向模块化稳定导轨130包括4根垂直于地面的Z方向稳定导轨133、连接于所述4根Z方向稳定导轨133的上部的2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132，连接于所述4根Z方向稳定导轨133的下部的2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132，2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132连接构成上层矩形，2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132连接构成下层矩形，其中，
每根Z方向稳定导轨133的一端分别通过所述转动顶升驱动140与4个XY驱动车轮120固结，每根Z方向稳定导轨133另一端各连接有2个Z方向顶升制动驱动150，每根上层X方向稳定导轨131和上层Y方向稳定导轨132设置于所述2个Z方向顶升制动驱动150之间；
每根Z方向稳定导轨133顶部均设置有实现扩展Z方向稳定导轨133长度的Z方向稳定导轨扩展连接件163；
每根X方向稳定导轨131的每端设置有2个X方向驱动制动171和实现扩展X方向稳定导轨131长度的X方向稳定导轨扩展连接件161；
每根Y方向稳定导轨132的每端设置有2个Y方向驱动制动172和实现扩展Y方向稳定导轨132长度的Y方向稳定导轨扩展连接件162。
优选的，所述打印头导轨横梁210设置于所述平行的2根上层Y方向稳定导轨132上；
所述Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230的数量分别为2个，Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230分别设置于所述打印头导轨横梁210与2根上层Y方向稳定导轨132的连接端；
所述竖向打印头250设置于2个打印头横梁制动230之间的打印头导轨横梁210上，所述竖向打印头250通过所述X方向打印头驱动制动260设置于打印头导轨横梁210上。
如图1所示，根据本发明的另一面，还提供一种采用上述地下工程3D打印装置的打印方法，所述方法包括：
通过CNC(数控设备)动力控制系统(图中未画出)向掘进排土机用驱动导向装置和CNC掘进排土机400发送控制指令，启动Z方向顶升制动驱动150实现掘进排土机导轨横梁510在Z方向的移动，通过掘进排土机Y方向导轨驱动520和掘进排土机横梁制动530控制掘进排土机导轨横梁510实现Y方向的移动，通过掘进排土机X方向驱动制动550控制CNC掘进排土机400实现X方向的移动，通过控制CNC掘进排土机400在XY平面内逐层铣削掘进开挖土体并通过土及碎石出口600排出土体，并实现地下工程土体自上向下逐层沿Z方向的开挖；
直至地下工程土体开挖完毕，通过动力控制系统(图中未画出)向实体建筑3D打印装置发送控制指令，启动Z方向顶升制动驱动150实现打印头导轨横梁210在Z方向的移动，通过Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230控制打印头导轨横梁210实现Y方向的移动，通过X方向打印头驱动制动260控制打印头250实现X方向的移动，通过控制打印头250在XY平面内喷射建筑材料300实现地下工程结构各建筑截面层打印施工，并实现地下工程结构自下向上逐层沿Z方向打印。
优选的，所述方法还包括：
若地下工程结构超过XY平面内打印装置的X方向的掘进或打印范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置发送控制指令，通过XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨111行驶，同时调节X方向驱动制动171扩展X方向掘进或打印范围，待超出X方向稳定导轨131的长度，通过X方向地面导轨扩展连接件113加长连接新的X方向地面导轨标准段，并通过X方向稳定导轨扩展连接件161加长连接新的X方向稳定导轨标准段，调节XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨标准段行驶，同时调节X方向驱动制动171实现X方向掘进或打印区域进一步扩大，若X方向掘进或打印范围超过掘进排土机导轨横梁510或打印头导轨横梁210范围，通过掘进排土机导轨横梁扩展连接件540和打印头横梁扩展连接件240分别加上连接新的掘进排土机导轨横梁或打印头导轨横梁。
优选的，所述方法还包括：
若地下工程结构超过XY平面内打印装置的Y方向的掘进或打印范围，通过所述动力控制系统向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向制动172扩展Y方向掘进或打印范围，待超出Y方向稳定导轨132长度，通过Y方向地面导轨扩展连接件114加长连接新的Y方向地面导轨标准段，并通过Y方向稳定导轨扩展连接件162加长连接新的Y方向稳定导轨标准段，调节XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨标准段行驶，同时调节Y方向驱动制动172实现Y方向掘进或打印区域进一步扩大。如此可逐层自适应扩展打印装置在XY平面的掘进或打印范围以实现大范围大量地下工程的掘进或打印施工。
需要说明的是，模块化三轴驱动导向自适应扩展装置、实体建筑3D打印装置、模块化三轴驱动导向自适应扩展装置和掘进排土机用驱动导向装置均与动力控制系统(图中未画出)通信连接，且动力控制系统均可向XY方向驱动车轮120、转动顶升驱动140、Z方向顶升制动驱动150、X方向驱动制动171、Y方向驱动制动172、Y方向打印头导轨驱动220、X方向打印头驱动制动260、掘进排土机Y方向导轨驱动520、掘进排土机横梁制动530、掘进排土机X方向驱动制动550、铣削掘进刀盘410、铣削旋转动力系统420和吸力螺旋排土装置440发送控制指令，因动力控制系统不在本发明权利要求的保护范围内，故对其结构及连接关系不作具体阐述。
本发明的主要优势在于解决现有的3D打印装置和方法不能实现地下工程土体开挖和结构施工等问题，以实现地下工程土体高效安全的自动开挖施工，地下结构高精度的自动建造，及解决传统建筑施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题，竖向爬升必须依附已建的建(构)筑物外表面，本发明的打印装置和掘进装置采用模块化导轨，可三轴自适应扩展且可移动，适用于大范围地下大量异形复杂建(构)筑物建造施工。
一具体应用实施例中，某建筑地下结构施工，拟采用所开发的系统。其掘进打印建造流程同前述，如此循环逐层向下掘进，实现土体的开挖；然后逐层向上顶升打印，实现地下工程结构的建造。如图3所示是本发明一实施例的地块700土方开挖示意图；如图4所示是本发明一实施例的地块800土方开挖示意图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种地下工程3D打印装置，其特征在于，包括：
包括模块化三轴驱动导向自适应扩展装置，与其连接的实体建筑3D打印装置和掘进排土机用驱动导向装置，以及与所述掘进排土机用驱动导向装置连接的CNC掘进排土机(400)，其中，
所述模块化三轴驱动导向自适应扩展装置，包括：
可扩展的模块化地面导轨(110)；
设置于所述模块化地面导轨(110)上的XY方向驱动车轮(120)；
设置于所述XY方向驱动车轮(120)上的X、Y、Z方向模块化稳定导轨(130)，每个X、Y、Z方向模块化稳定导轨(130)的两端对应设置有X、Y、Z方向稳定导轨扩展连接件(160)；
设置于所述Z方向模块化稳定导轨(130)的下部的转动顶升驱动(140)，所述转动顶升驱动(140)与所述XY方向驱动车轮(120)连接；
设置于所述Z方向模块化稳定导轨(130)的上部的Z方向顶升制动驱动(150)，X、Y方向模块化稳定导轨(130)上对应设置有X、Y方向驱动制动(170)；
所述实体建筑3D打印装置，包括：
设置于所述Y方向模块化稳定导轨(130)上的打印头导轨横梁(210)；
设置于所述打印头导轨横梁(210)上的Y方向打印头导轨驱动(220)和打印头横梁制动(230)，打印头导轨横梁(210)一端与建筑材料(300)输送管连接，另一端设置所述打印头导轨横梁扩展连接件(240)；
设置于所述打印头导轨横梁(210)上的竖向打印头(250)和X方向打印头驱动制动(260)，所述X方向打印头驱动制动(260)与所述竖向打印头(250)连接；
所述掘进排土机用驱动导向装置，包括：
设置于所述Y方向模块化稳定导轨(130)上的掘进排土机导轨横梁(510)；
设置于所述掘进排土机导轨横梁(510)上的掘进排土机Y方向导轨驱动(520)和掘进排土机横梁制动(530)，所述掘进排土机导轨横梁(510)一端内的排土管为土及碎石出口(600)，另一端设置掘进排土机导轨横梁扩展连接件(540)；
设置于所述掘进排土机导轨横梁(510)上的竖向CNC掘进排土机(400)和掘进排土机X方向驱动制动(550)，所述掘进排土机X方向驱动制动(550)与所述竖向CNC掘进排土机(400)连接。
2.如权利要求1所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述CNC掘进排土机(400)包括：
防护支撑装置(450)；
设置于所述防护支撑装置(450)外的铣削掘进刀盘(410)；
设置于所述防护支撑装置(450)内的铣削旋转动力系统(420)和土及碎石仓(430)、吸力螺旋排土装置(440)，其中，所述铣削掘进刀盘(410)与铣削旋转动力系统(420)连接，所述土及碎石仓(430)一端与所述铣削掘进刀盘(410)连通，另一端与所述吸力螺旋排土装置(440)连通。
3.如权利要求2所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述防护支撑装置(450)，包括：
与掘进排土机导轨横梁(510)连接顶部支撑壳(455)；
设置于所述顶部支撑壳(455)内部的多道顶部支撑(454)；
与所述顶部支撑壳(455)的底部刚接的中部支撑板(453)；
与所述中部支撑板(453)边缘与外部刚接的防护支撑壳(452)；
与所述防护支撑壳(452)竖向内部的中部刚接的底部支撑板(451)。
4.如权利要求3所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述铣削旋转动力系统(420)，包括：
设置于底部支撑板(451)中心的可转动的刀盘中心主轴(421)；
铣削旋转动力传递元件(423)连接；
铣削动力液压马达(422)，所述刀盘中心主轴(421)上顶端与所述铣削动力液压马达(422)之间通过所述铣削旋转动力传递元件(423)连接。
5.如权利要求4所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述铣削掘进刀盘(410)，包括：
与所述刀盘中心主轴(421)下顶端连接的刀盘翼板(415)；
主铣削刀盘(412)，所述刀盘翼板(415)底部边缘与主铣削刀盘(412)一端相连并斜交；
设置于主铣削刀盘(412)中心部的一系列中心刀盘(411)；
设置于所述主铣削刀盘(412)中心与边缘之间的一系列正铣刀盘(413)；
所述防护支撑壳(452)底部环向设置有一系列外周铣削刀盘(414)，所述外周铣削刀盘(414)的轴心垂直于刀盘翼板(415)。
6.如权利要求5所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述土及碎石仓(430)由所述刀盘翼板(415)、底部支撑板(451)和防护支撑壳(452)围成。
7.如权利要求6所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述吸力螺旋排土装置(440)，包括：
离心吸渣离心泵(442)；
设置于所述离心吸渣离心泵(442)下部的吸渣入口(441)，所述吸渣入口(441)的外表面嵌入于所述底部支撑板(451)内部，与所述土及碎石仓(430)连通；
设置于所述离心吸渣离心泵(442)上部轴心的螺旋输送轴(445)；
设置于所述螺旋输送轴(445)外部的排土密封筒体(446)；
螺旋动力传递元件(444)；
螺旋推进动力液压马达(443)，所述离心吸渣离心泵(442)与螺旋推进动力液压马达(443)之间通过所述螺旋动力传递元件(444)连接。
8.如权利要求1所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述模块化地面导轨(110)包括：
4条两两平行与地面接触的模块化地面导轨(110)，其中两条为X方向地面导轨(111)，另外两条为Y方向地面导轨(112)，所述X、Y方向地面导轨(111)、(112)两端对应设置实现扩展地面导轨长度X、Y方向的地面导轨扩展连接件(113)、(114)。
9.如权利要求8所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述XY方向驱动车轮(120)包括与其中两条平行轨道X方向或Y方向地面导轨(111)、(112)接触的4个XY方向驱动车轮(120)。
10.如权利要求9所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述X、Y、Z方向模块化稳定导轨130包括4根垂直于地面的Z方向稳定导轨(133)、连接于所述4根Z方向稳定导轨(133)的上部的2根上层X方向稳定导轨(131)和2根上层Y方向稳定导轨(132)，连接于所述4根Z方向稳定导轨(133)的下部的2根下层X方向稳定导轨(131)和2根下层Y方向稳定导轨(132)，2根上层X方向稳定导轨(131)和2根上层Y方向稳定导轨(132)连接构成上层矩形，2根下层X方向稳定导轨(131)和2根下层Y方向稳定导轨(132)连接构成下层矩形，其中，
每根Z方向稳定导轨(133)的一端分别通过所述转动顶升驱动(140)与4个XY驱动车轮(120)固结，每根Z方向稳定导轨(133)另一端各连接有2个Z方向顶升制动驱动(150)，每根上层X方向稳定导轨(131)和上层Y方向稳定导轨(132)设置于所述2个Z方向顶升制动驱动(150)之间；
每根Z方向稳定导轨(133)顶部均设置有实现扩展Z方向稳定导轨(133)长度的Z方向稳定导轨扩展连接件(163)；
每根X方向稳定导轨(131)的每端设置有2个X方向驱动制动(171)和实现扩展X方向稳定导轨(131)长度的X方向稳定导轨扩展连接件(161)；
每根Y方向稳定导轨(132)的每端设置有2个Y方向驱动制动(172)和实现扩展Y方向稳定导轨(132)长度的Y方向稳定导轨扩展连接件(162)。
11.如权利要求10所述的地下工程3D打印装置，其特征在于，所述打印头导轨横梁(210)设置于所述平行的2根上层Y方向稳定导轨(132)上；
所述Y方向打印头导轨驱动(220)和打印头横梁制动(230)的数量分别为2个，Y方向打印头导轨驱动(220)和打印头横梁制动(230)分别设置于所述打印头导轨横梁(210)与2根上层Y方向稳定导轨(132)的连接端；
所述竖向打印头(250)设置于2个打印头横梁制动(230)之间的打印头导轨横梁(210)上，所述竖向打印头(250)通过所述X方向打印头驱动制动(260)设置于打印头导轨横梁(210)上。
12.一种采用如权利要求1至11任一项所述地下工程3D打印装置的打印方法，其特征在于，所述方法包括：
通过CNC动力控制系统向掘进排土机用驱动导向装置和CNC掘进排土机(400)发送控制指令，启动Z方向顶升制动驱动(150)实现掘进排土机导轨横梁(510)在Z方向的移动，通过掘进排土机Y方向导轨驱动(520)和掘进排土机横梁制动(530)控制掘进排土机导轨横梁510实现Y方向的移动，通过掘进排土机X方向驱动制动(550)控制CNC掘进排土机(400)实现X方向的移动，通过控制CNC掘进排土机(400)在XY平面内逐层铣削掘进开挖土体并通过土及碎石出口(600)排出土体，并实现地下工程土体自上向下逐层沿Z方向的开挖；
直至地下工程土体开挖完毕，通过所述动力控制系统向实体建筑3D打印装置发送控制指令，启动Z方向顶升制动驱动(150)实现打印头导轨横梁(210)在Z方向的移动，通过Y方向打印头导轨驱动(220)和打印头横梁制动(230)控制打印头导轨横梁(210)实现Y方向的移动，通过X方向打印头驱动制动(260)控制打印头(250)实现X方向的移动，通过控制打印头(250)在XY平面内喷射建筑材料(300)实现地下工程结构各建筑截面层打印施工，并实现地下工程结构自下向上逐层沿Z方向打印。
13.如权利要求12所述地下工程3D打印装置的打印方法，其特征在于，所述方法还包括：
若地下工程结构超过XY平面内打印装置的X方向的掘进或打印范围，通过所述动力控制系统向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置发送控制指令，通过XY方向驱动车轮(120)沿着X方向地面导轨(111)行驶，同时调节X方向驱动制动(171)扩展X方向掘进或打印范围，待超出X方向稳定导轨(131)的长度，通过X方向地面导轨扩展连接件(113)加长连接新的X方向地面导轨标准段，并通过X方向稳定导轨扩展连接件(161)加长连接新的X方向稳定导轨标准段，调节XY方向驱动车轮(120)沿着X方向地面导轨标准段行驶，同时调节X方向驱动制动(171)实现X方向掘进或打印区域进一步扩大，若X方向掘进或打印范围超过掘进排土机导轨横梁(510)或打印头导轨横梁(210)范围，通过掘进排土机导轨横梁扩展连接件(540)和打印头横梁扩展连接件(240)分别加上连接新的掘进排土机导轨横梁或打印头导轨横梁。
14.如权利要求12所述地下工程3D打印装置的打印方法，其特征在于，所述方法还包括：
若地下工程结构超过XY平面内打印装置的Y方向的掘进或打印范围，通过所述动力控制系统向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置发送控制指令，通过控制转动顶升驱动(140)实现驱动车轮(120)转向，通过XY方向驱动车轮(120)沿着Y方向地面导轨(112)行驶，同时调节Y方向制动(172)扩展Y方向掘进或打印范围，待超出Y方向稳定导轨(132)长度，通过Y方向地面导轨扩展连接件(114)加长连接新的Y方向地面导轨标准段，并通过Y方向稳定导轨扩展连接件(162)加长连接新的Y方向稳定导轨标准段，调节XY方向驱动车轮(120)沿着Y方向地面导轨标准段行驶，同时调节Y方向驱动制动(172)实现Y方向掘进或打印区域进一步扩大。
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| CN106320342A (zh) | 2017-01-11 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zuo Zibo Inventor after: Huang Yulin Inventor after: Wu Xiaojian Inventor after: Chen Fengjun Inventor after: Du Xiaoyan Inventor before: Zuo Zibo Inventor before: Huang Yulin Inventor before: Wu Xiaojian Inventor before: Chen Fengjun Inventor before: Du Xiaoyan |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |