一种在轨3D打印机的制作方法

本发明涉及打印机技术领域，尤其涉及一种在轨3d打印机。

背景技术：

桁架结构是大型空间装备——如国际空间站主结构、双星干涉sar连接结构和大口径卫星天线等的基础构型，更有可能是未来在轨大型设施的基础结构，其设计与制造是预研的重点内容之一。

目前，国际上大口径的桁架结构采用的制造方案一般是“地面制造、收拢发射、在轨展开组装”，但是此种制造方案受限于运载火箭的尺寸，难以实现超大型桁架的发射。在太空中桁架受力很小，结构强度可以较弱，但是为了承受住火箭发射过程中的大过载条件，折叠的桁架必须有很大的强度，导致结构重量的增加，大大增加了发射成本。桁架由于需要大展开比，结构往往非常复杂，展开时经常出现故障，带来很大的损失。

另外，目前市场上存在的增材制造设备对制造的工件的三维尺寸都有限制，不适用于桁架中超长杆件的制造。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题之一，本发明的目的是提供一种能实现在轨打印桁架结构的在轨3d打印机。

本发明实施例提供了一种在轨3d打印机，包括：

框架，所述框架具有在横向方向上相对的第一支架和第二支架；

喷涂装置，所述喷涂装置设置在所述第一支架上，所述喷涂装置包括打印头、第一竖向电机和纵向电机，所述第一竖向电机用于驱动所述打印头竖向移动，所述纵向电机用于驱动所述打印头纵向移动，所述打印头包括送丝电机；

夹持装置，所述夹持装置可横向移动地设置在所述框架上且位于所述第一支架和所述第二支架之间；

第一处理器，所述第一竖向电机、所述纵向电机均与所述第一处理器相连；

第二处理器，所述送丝电机与所述第二处理器相连，其中，所述第一处理器和所述第二处理器相连。

进一步，所述喷涂装置包括两组竖向导向组件和一组纵向导向组件，所述纵向导向组件可竖向移动地设置在所述两组竖向导向组件之间，所述打印头可纵向移动地设置在所述纵向导向组件上，每组所述竖向导向组件均包括所述第一竖向电机，所述纵向导向组件包括所述纵向电机。

进一步，所述竖向导向组件包括：

第一竖向丝杠，所述第一竖向丝杠与所述第一竖向电机相连且可转动地安装在所述第一支架上；

第一竖向导向块，所述第一竖向导向块螺纹配合在所述丝杠上；

竖向滑轨，所述竖向滑轨设置在所述第一支架上，所述第一竖向导向块可滑动地设置在所述竖向滑轨上；

第一安装片，所述第一安装片安装在所述竖向滑轨的两端，所述第一竖向丝杠安装在所述第一安装片上。

进一步，所述纵向导向组件包括：

纵向杆，所述纵向杆设置在所述第一竖向导向块上；

纵向丝杠，所述纵向丝杠可转动地安装在所述纵向杆上，所述打印头螺纹配合在所述纵向丝杠上；

纵向滑轨，所述纵向滑轨设置在所述纵向杆上，所述打印头可滑动地设置在所述纵向滑轨上；

第二安装片，所述第二安装片安装在所述纵向杆的两端，所述纵向丝杠安装在所述第二安装片上。

进一步，每个所述夹持装置均包括底板、固定挡板、活动挡板、第二竖向电机和横向电机，所述横向电机用于驱动所述底板相对所述框架横向移动，所述固定挡板固定在所述底板上，所述活动挡板与所述固定挡板竖向相对设置，所述第二竖向电机用于驱动所述活动挡板竖向移动，所述第二竖向电机和横向电机均与所述第一处理器相连。

进一步，每个所述夹持装置的所述第二竖向电机和所述横向电机均与所述第一处理器相连。

进一步，每个所述夹持装置均包括多个所述横向电机，多个所述横向电机分布在所述底板的不同端部，多个所述横向电机均与所述第一处理器相连。

进一步，所述活动挡板的两端均设置有所述第二竖向电机和所述第二竖向丝杠，两个所述第二竖向电机均与所述第一处理器相连。

进一步，所述第一处理器和所述第二处理器均设置有串口且通过串口线相连。

进一步，所述第一处理器连接有光电隔离电路，所述光电隔离电路连接有移动电机驱动器，所述第二处理器连接有送丝电机驱动器。

本发明的有益效果是：

本发明一种在轨3d打印机通过第一处理器和第二处理器的协调配合，可以实现打印头的有效打印，而且能够得到较好的打印件表面质量，并且能有效保证了在轨3d打印机在太空中的使用寿命，从而可以更易实现超长杆件的打印工作。另外，本发明在轨3d打印机结构简单，易于制造，可以有效降低运输成本。

附图说明

图1是根据本发明实施例的一种在轨3d打印机的第一角度立体图；

图2是根据本发明实施例的一种在轨3d打印机的第二角度立体图；

图3是根据本发明实施例的一种在轨3d打印机的剖视图；

图4是根据本发明实施例的一种在轨3d打印机的信号连接示意图；

图5是根据本发明实施例的一种在轨3d打印机的控制方法的步骤示意图。

附图标记：

打印机100；

框架10；第一支架11；第二支架12；横向杆13；

喷涂装置20；打印头21；竖向导向组件22；第一竖向电机221；第一竖向丝杠222；第一竖向导向块223；竖向滑轨224；第一安装片225；

纵向导向组件23；纵向杆231；纵向电机232；纵向丝杠233；纵向滑轨234；第二安装片235；

夹持装置30；底板31；通过孔311；

固定挡板32；活动挡板33；夹持扣331；第二竖向电机34；第二竖向丝杠35；

横向导向组件36；横向电机361；横向丝杠362；横向导向块363；横向滑轨364；第三安装片365；

第一处理器40；第二处理器50；送丝电机60；

打印件200。

具体实施方式

下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的在轨3d打印机100，该在轨3d打印机100可以实现在轨打印桁架结构，其中，在轨指的是在太空环境中，其区别于地面。

如图1～图3所示，根据本发明实施例的在轨3d打印机100包括：框架10、喷涂装置20和两个夹持装置30，喷涂装置20和两个夹持装置30均设置在框架10上，框架10可以起到安装和保护的作用。两个夹持装置30可以相互配合，从而可以保证其对打印件200的夹持稳定性。

如图1和图2所示，框架10由多个杆连接构成，其中，框架10具有在横向方向上相对的第一支架11和第二支架12，第一支架11和第二支架12之间连接有横向杆13，第一支架11和第二支架12也是由杆构成，例如，纵向延伸的杆和竖向延伸的杆依次连接，形成一个矩形框，多个横向杆13将两个矩形框连接，从而构成框架10。框架10可以为铝型材件，铝型材型号为欧标2020，铝型材质量轻，结构强度高，方便制造，这样可以有效降低在轨3d打印机100的重量，以及可以降低在轨3d打印机100的制造难度。另外，采用此种框架10可以有效保证在轨3d打印机100的结构强度，能够有效适应太空环境。

如图1-图3所示，喷涂装置20包括打印头21，打印头21设置在第一支架11上，打印头21在竖向方向和纵向方向可移动，也就是说，第一支架11设置在框架10的横向一端，打印头21可以在第一支架11的竖向平面内移动，从而可以使得打印头21在一层平面内完成打印。其中，竖向方向和纵向方向可以由不同的驱动件来驱动，驱动件可以为电机。

需要说明的是，上述的“横向”、“纵向”和“竖向”为三个相互垂直的空间方向，仅是为了方便描述各个部件之间的位置关系，并不能够起决定性限制作用，而且，在太空环境中，使用人员根据已知技术可以改变在轨3d打印机100的使用方向，“横向”、“纵向”和“竖向”随之改变。

如图3所示，两个夹持装置30可以横向移动地设置在框架10上，具体地，两个夹持装置30在横向上间隔设置，而且两个夹持装置30位于第一支架11和第二支架12之间，两个夹持装置30可以横向移动地设置在框架10的横向杆13上，横向杆13沿横向方向延伸，这样可以保证夹持装置30有效地横向移动。

在3d打印机100打印预定长度的打印件200后，两个夹持装置30交替复位。可以理解的是，在3d打印机100打印预定长度的打印件200后，两个夹持装置30已经随之向远离打印头21的方向移动预定长度，然后两个夹持装置30再依次交替复位，交替复位的方式可以保证其中一个夹持装置30处于夹持打印件200的状态，从而可以保证打印过程的稳定性，而且两个夹持装置30均复位之后，可以再次打印预定长度的打印件200，从而可以实现无限打印，直至打印完成该打印件200。

由此，根据本发明实施例的在轨3d打印机100，通过合理设置打印头21和两个夹持装置30，可以实现在轨打印，而且可以实现无限打印，从而可以更易实现超长杆件的打印工作。另外，此种在轨3d打印机100结构简单，易于制造，而且可以降低运输成本。

如图1和图2所示，根据本发明的一个可选实施例，喷涂装置20还包括：竖向导向组件22和纵向导向组件23，竖向导向组件22设置在第一支架11上，纵向导向组件23可以竖向移动地设置在竖向导向组件22上，打印头21可以纵向移动地设置在纵向导向组件23上。

由此，竖向导向组件22可以使得纵向导向组件23和打印头21一起竖向移动，而打印头21可以在纵向导向组件23上纵向移动，从而可以实现打印头21在竖直平面上任意位置移动，进而可以有利于打印头21的打印工作。另外，竖向导向组件22和纵向导向组件23均可以起到驱动和导向的作用，从而可以保证打印头21的打印稳定性。

其中，通过将打印件200在横向方向上打印，可以使得打印件200横截面更大，适用性更强。

具体地，结合图2和图3所示，竖向导向组件22包括：第一竖向电机221、第一竖向丝杠222、第一竖向导向块223、竖向滑轨224和第一安装片225，第一竖向电机221安装在第一支架11上，第一竖向丝杠222与第一竖向电机221相连，而且第一竖向丝杠222可以转动地安装在第一支架11上，第一竖向导向块223螺纹配合在第一竖向丝杠222上，竖向滑轨224设置在第一支架11上，第一竖向导向块223可滑动地设置在竖向滑轨224上，第一安装片225安装在竖向滑轨224的两端，第一竖向丝杠222安装在第一安装片225上。其中，第一竖向丝杠222和竖向滑轨224在纵向间隔设置，第一安装片225可以起到安装作用。第一竖向电机221可以驱动第一竖向丝杠222转动，第一竖向导向块223可以在第一竖向丝杠222的影响下竖向移动，第一竖向导向块223可以带动纵向导向组件23一起移动。具体地，第一竖向导向块223可以设置有螺母。

由此，竖向导向组件22可以实现驱动打印头21竖向移动的功能，以及可以有效引导打印头21竖向移动。其中，第一竖向电机221和第一竖向丝杠222之间连接有联轴器。

需要说明的是，上述的第一竖向电机221的驱动方向为竖向方向，第一竖向丝杠222和竖向滑轨224的延伸方向为竖向方向。

如图1和图2所示，纵向导向组件23包括：纵向杆231、纵向电机232、纵向丝杠233、纵向滑轨234和第二安装片235，纵向杆231设置在第一竖向导向块223上，纵向电机232设置在纵向杆231上，纵向丝杠233可转动地安装在纵向杆231上，打印头21螺纹配合在纵向丝杠233上，纵向滑轨234设置在纵向杆231上，打印头21可滑动地设置在纵向滑轨234上，第二安装片235安装在纵向杆231的两端，纵向丝杠233安装在第二安装片235上。由此，纵向电机232可以驱动纵向丝杠233转动，打印头21可以在纵向丝杠233的影响下纵向移动。具体地，打印头21可以设置有螺母。

由此，纵向导向组件23可以实现驱动打印头21纵向移动的功能，以及可以有效引导打印头21纵向移动。其中，纵向电机232和纵向丝杠233之间连接有联轴器。

需要说明的是，纵向电机232的驱动方向为纵向方向，纵向杆231、纵向丝杠233和纵向滑轨234的延伸方向为纵向方向。

如图1所示，竖向导向组件22为两组，而且两组竖向导向组件22分别位于纵向导向组件23的两端。通过设置两组竖向导向组件22，可以保证纵向导向组件23和打印头21的移动稳定性，可以有效防止打印头21的打印位置出现偏差。其中，第一支架11、两个竖向导向组件22和一个纵向导向组件23的组合可以为一个龙门结构。

由此，通过竖向导向组件22和纵向导向组件23的组合，可以使得打印头21能够移动至竖直平面的任意位置，也就是说，可以使得打印头21能够打印到平面的任意点，从而可以保证喷涂装置20的打印有效性。

根据本发明的一个具体实施例，每个夹持装置30包括：底板31、固定挡板32、活动挡板33、第二竖向电机34和第二竖向丝杠35，底板31竖向设置，底板31的中心设置有通过孔311，通过孔311供打印件200横向通过，底板31可移动地设置在第一支架11和第二支架12之间，具体地，底板31可以横向移动地设置在横向杆13上。另外，通过孔311的长和宽均小于等于200mm，这样通过孔311、固定挡板32和活动挡板33可以共用限制打印件200的横截面积，可以保证在轨3d打印机的打印稳定性。

底板31由至少两个板状结构对接形成。采用对接的方式可以使得底板31结构简单且稳定，底板31可以为金属板，金属板结构强度高，这样可以更好地安装固定挡板32和活动挡板33。

通过孔311为矩形，通过孔311总共有两个竖向侧壁、纵向顶壁和纵向底壁，两个竖向侧壁分别与两个第二竖向丝杠35相对应，两个第二竖向电机34均固定在通过孔311的纵向底壁上。

如图3所示，固定挡板32固定在底板31上，活动挡板33与固定挡板32在竖向上相对设置，活动挡板33相对固定挡板32可以竖向移动。活动挡板33通过竖向移动，改变其相对固定挡板32的竖向位置，从而切换夹持和松开的状态，这样也可以便于两个夹持装置30实现交替复位，从而可以有利于实现在轨3d打印机100的无限打印。

如图2所示，第二竖向电机34安装在底板31上，例如，底板31上固定有电机支架，第二竖向电机34安装在电机支架上，采用电机支架的安装方式可以提高第二竖向电机34的安装稳定性。第二竖向丝杠35与第二竖向电机34相连，活动挡板33螺纹配合在第二竖向丝杠35上。其中，活动挡板33可以设置有与第二竖向丝杠35配合的螺母。第二竖向电机34可以驱动第二竖向丝杠35转动，活动挡板33在第二竖向丝杠35的影响下竖向移动，从而切换夹持和松开的状态。

其中，活动挡板33的两端均设置有第二竖向电机34和第二竖向丝杠35。通过两组第二竖向电机34和第二竖向丝杠35的配合，活动挡板33可以在竖直方向上平移更加稳定，也可以保证其夹持打印件200的稳定性。

活动挡板33朝向固定挡板32的端面设置有夹持扣331。夹持扣331可以夹持住桁架结构的外边杆部，这样可以有利于提升活动挡板33的夹持能力。

第二竖向丝杠35的远离竖向电机的自由端设置有轴承座，轴承座起到支承作用，这样可以保证第二竖向丝杠35的正常转动。

具体地，如图1-图3所示，夹持装置30还包括：横向导向组件36，横向导向组件36设置在框架10的横向杆13上，而且横向导向组件36位于第一支架11和第二支架12之间，底板31可以横向移动地设置在横向导向组件36。横向导向组件36可以起到驱动底板31的作用，以及可以引导底板31横向移动。

如图2所示，横向导向组件36包括：横向电机361、横向丝杠362、横向导向块363、横向滑轨364和第三安装片365，横向电机361安装在横向杆13上，横向丝杠362与横向电机361相连，而且横向丝杠362可以转动地安装在横向杆13上，横向导向块363螺纹配合在横向丝杠362上，底板31设置在横向导向块363，横向滑轨364设置在横向杆13上，横向导向块363可滑动地设置在横向滑轨364上，第三安装片365安装在横向滑轨364的两端，横向丝杠362安装在第三安装片365上。横向电机361驱动横向丝杠362转动，横向导向块363在横向丝杠362的影响下横向移动，横向导向块363带动底板31一起横向移动。横向导向块363可以设置有螺母。

底板31的端部处设置有安装横向导向块363的安装片。安装片起到安装和固定的作用，从而可以保证夹持装置30的整体可靠性。

需要说明的是，横向电机361的驱动方向为横向方向，横向丝杠362和横向滑轨364的延伸方向为横向方向。

如图4所示，在轨3d打印机100还包括第一处理器40和第二处理器50，第一竖向电机221、纵向电机232均与第一处理器40相连，送丝电机60与第二处理器50相连，其中，第一处理器40和第二处理器50相连。也就是说，第一处理器40可以控制第一竖向电机221，第一处理器40也可以控制纵向电机232，由此，第一处理器40可以通过第一竖向电机221和纵向电机232实现打印头21的平面运动，第二处理器50可以控制送丝电机60工作，这样打印头21可以进行打印工作。其中，第一处理器40可以向第二处理器50发送信号，第二处理器50可以进行相应的控制工作，通过第一处理器40和第二处理器50的协调配合，可以实现打印头21的有效打印，而且能够得到较好的打印件200表面质量。

其中，第二竖向电机34和横向电机361均与第一处理器40相连。也就是说，第一处理器40可以通过控制多个电机来控制在轨3d打印机100的移动部件，从而可以保证每个移动部件精准移动，而第二处理器50仅控制送丝电机60的送丝效率，这样第一处理器40和第二处理器50分工明确，配合协调，从而可以进一步地提升在轨3d打印机100的性能。第一处理器40和第二处理器50均设置有串口且通过串口线相连。采用此种线束连接方式，可以保证第一处理器40和第二处理器50连接稳定，信号传输稳定，而且连接简单。第一处理器40连接有光电隔离电路，光电隔离电路连接有移动电机驱动器，第二处理器50连接有送丝电机驱动器。也就是说，第一处理器40和第二处理器50分别通过对应的电机驱动器驱动对应的电机，从而可以使得在轨3d打印机100整体系统完善，功能完备。

每个夹持装置30的第二竖向电机34和横向电机361均与第一处理器40相连。这样可以便于第一处理器40的统一控制，可以实现协调动作。

还有，每个夹持装置30均包括多个横向电机361，多个横向电机361分布在底板31的不同端部，多个横向电机361均与第一处理器40相连。通过设置多个横向电机361，可以保证底板31的横向移动稳定性。

活动挡板33的两端均设置有第二竖向电机34和第二竖向丝杠35，两个第二竖向电机34均与第一处理器40相连。由此，第一处理器40可以同时控制两个第二竖向电机34工作，从而可以保证活动挡板33的动作协调一致。

下面详细描述一下根据本发明实施例的在轨3d打印机100的控制方法。

如图5所示，根据本发明实施例的在轨3d打印机100的控制方法包括：

s1、夹持装置30夹持住已制作好的打印件200基体，基体为打印件200的基础部分。夹持装置30夹持住该基体后，可以方便后续的打印处理。具体地，夹持扣331扣入打印件200基体的杆中，这样可以保证夹持稳定性。

夹持装置30包括夹紧力检测件，夹紧力检测件设置在固定挡板32上。在该步骤中，夹紧力检测件检测到夹紧力达到预定力时，判定夹持装置30夹持住已制作好的打印件200。

s2、校准打印平面，校准零点，打印头21预热到材料熔化温度。也就是说，以打印件200的表面的作为打印平面，然后校准，而打印头21通过预热准备打印。此步骤为后续打印做好了基础。

s3、打印件200打印预定长度的单位杆件。通过打印件200和夹持装置30的协调配合，可以打印出预定长度的单位杆件。其中，单位杆件的预定长度小于横向杆13的长度。这样通过合理设置横向杆13的长度，可以保证在轨3d打印机100的整体打印可靠性。

其中，该步骤包括：s31、喷涂装置20扫面一遍已制作好的打印件200基体的端面，即打印平面，打印头21以预定速度在端面上喷涂材料，s32、完成一层喷涂之后，夹持装置30向远离喷涂装置20的方向移动一层的距离；s33、重复s31和s32，直至打印出预定长度的单位杆件。由此，打印头21采用一层一层打印的方式，可以打印出预定长度的单位杆件，从而可以保证打印的精准性。其中，打印头21在竖直面喷涂材料，夹持装置30横向移动，这样在打印头21完成一层打印之后，还可以通过夹持装置30的移动，来进行下一层的打印。

3d打印机100还包括：第二处理器50，打印头21包括送丝电机60，第二处理器50和送丝电机60相连，喷涂装置20包括：第一竖向电机221和纵向电机232，第一竖向电机221用于驱动打印头21竖向移动，纵向电机232用于驱动打印头21纵向移动；

在该步骤中，第一处理器40通过光电隔离电路控制第一竖向电机221和纵向电机232工作。第一竖向电机221和纵向电机232协同配合，可以改变打印头21的位置，从而完成打印头21的一层打印。

还有，第一处理器40通过光电隔离电路控制横向电机361工作。第一处理器40控制横向电机361工作，从而可以调节夹持装置30的位置，不断一层一层地打印，直至打印出预定长度。

第一处理器40向第二处理器50发送信号，第二处理器50控制送丝电机60工作。也就是说，第二处理器50在接收到第一处理器40的信号后，可以控制送丝电机60工作，从而与第一处理器40的控制动作相配合，进而可以实现持续的打印工作。

s4、两个夹持装置30在框架10内依次执行松开、移动复位和夹持的整个过程。也就是说，两个夹持装置30交替复位，这样可以将预定长度的单位杆件向后移动预定长度，然后方便继续打印。

具体地，两个夹持装置30共用一个第一处理器40，第一处理器40控制一个夹持装置30夹持时，控制另一个夹持装置30执行松开、移动复位和夹持的整个过程。通过共用一个第一处理器40，可以使得两个夹持装置30协调控制更加合理，而且在轨3d打印机100控制逻辑更加简单，结构更加简单。

s5、重复步骤s3和s4，直至打印件200符合设定长度。通过重复上述两个步骤，在轨3d打印机100可以实现无限打印。

s6、夹持装置30松开，放开打印完成的打印件200，打印件200可以直接使用，打印头21冷却，以等待打印下一个部件。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。