适于超长尺度结构件空间在轨制造的增材制造打印装置的制作方法

本发明属于空间在轨增材制造加工，具体涉及一种适于超长尺度结构件空间在轨制造的增材制造打印装置。

背景技术：

1、空间在轨所需要的结构件尺度可能非常巨大，这些大型空间结构共同的特点都是体积巨大，结构复杂，其远远超出了火箭的运载能力及整流罩包络尺寸的限制，目前所有的运载工具都不能满足其以独立单元从地球一次发射入轨，因此就需要将其通过某些技术手段送入轨道。然而，如果选择直接从地面发射火箭将超长尺度结构件带入空间轨道，那么运输也会耗资不菲，且对于航天领域是难以承受这种经济成本的。

2、目前航空航天领域只能将超长尺度结构件在地面上进行多次折叠放入运输舱后，再通过火箭发射到预定轨道上。但是由于超长尺度结构件在空间轨道上需要打开，所以折叠的机构会非常复杂，而如果航天员对超长尺度结构件进行装配，也会对航天员自身带来不必要的危险。并且为了满足折叠的要求，超长尺度结构件的各组成部分都需要较为轻柔，由此带来的问题就是超长尺度结构件在展开后的强度和刚度较差，在空间复杂的环境中容易失稳或失效。

3、综上，未来的超大空间设施构建如果再采用传统的地面制造在轨展开或装配的模式已难以满足要求，而空间在轨制造技术已成为破解未来大型空间结构发展的重要技术途径。所谓空间在轨制造技术，主要是指在地球之外的太空环境中，使用携带材料或者利用地外资源进行目标产品原位制造的集合。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决上述空间在轨超长尺度结构件领域较为棘手的现状，填补增材制造打印机在空间在轨制造超长尺度结构件技术领域的部分空缺，本发明提供了一种适于超长尺度结构件空间在轨制造的增材制造打印装置，能够解决上述背景技术中所提到的问题。

2、本发明是通过下述技术方案实现的：

3、一种适于超长尺度结构件空间在轨制造的增材制造打印装置，包括：水平-竖直移动打印平台、打印头、打印件挤出平台、整体框架及打印件；

4、所述水平-竖直移动打印平台安装在整体框架上，打印头安装在水平-竖直移动打印平台上，水平-竖直移动打印平台用于在三维空间坐标系中带动打印头进行水平方向和竖直方向的平移移动；令打印头移动的水平方向为x轴方向、竖直方向为y轴方向，与xy平面垂直的方向为z轴方向；

5、所述打印件挤出平台安装在整体框架上，打印件支撑在打印件挤出平台上，打印件挤出平台用于沿y轴方向夹紧所述打印件，并对打印件进行x轴方向的限位；打印件能够在打印件挤出平台上沿z轴方向进行平移移动；打印件与打印头配合实现在轨增材制造。

6、进一步的，所述打印件挤出平台包括：打印件挤出平台框架、z轴主动滚动机构、限位滚动机构及被动夹持机构；

7、所述打印件挤出平台框架的沿z轴方向的两端开口；

8、所述z轴主动滚动机构安装在打印件挤出平台框架的底面上，z轴主动滚动机构包括一组以上主动滚动组件，且两组以上主动滚动组件沿z轴方向布置；每个主动滚动组件至少包括一个主动送出滚轮，主动送出滚轮的轴线沿x轴方向设置；打印件沿z轴支撑在主动送出滚轮上，主动送出滚轮用于推送打印件沿z轴平移移动；

9、所述限位滚动机构包括一组以上限位滚动组件；每组限位滚动组件分别安装在相邻的两个主动送出滚轮之间；两组以上限位滚动组件沿z轴方向布置；每组限位滚动组件均包括一个打印件固定夹持底板和至少两个滚轮组；打印件固定夹持底板的水平高度小于或等于主动送出滚轮的最高点；至少两个滚轮组分别安装在打印件固定夹持底板上表面的两侧，两侧滚轮组之间的距离等于打印件的宽度；打印件位于沿x轴设置的两侧滚轮组之间，两侧滚轮组用于对打印件进行x轴方向的限位；

10、所述被动夹持机构包括若干组被动夹持组件，若干组被动夹持组件沿z轴方向并列布置；每组被动夹持组件均通过被动夹持弹簧对打印件进行y轴方向的夹紧。

11、进一步的，每组被动夹持组件除了被动夹持弹簧，还包括：被动夹持机构安装板、直线轴承、直线导轨、被动夹持滚轮支架、被动夹持滚轮光轴及被动夹持滚轮；

12、被动夹持机构安装板固定在打印件挤出平台框架顶部上；每个被动夹持机构安装板上均安装有两个直线轴承；且直线轴承的顶部伸出于被动夹持机构安装板的上表面，直线轴承的底部伸出于打印件挤出平台框架顶部的下表面，直线轴承的轴线沿竖直方向设置；

13、直线导轨的顶部和底部均加工有螺纹、中部为光杆；直线导轨穿过直线轴承，且直线导轨的光杆与直线轴承滑动配合，直线轴承可沿竖直方向进行上下直线运动；直线导轨的两端均伸出于直线轴承，直线导轨的顶部螺纹拧紧有一个螺母，螺母作为直线导轨的上限位；

14、每个被动夹持机构安装板上的两个直线导轨的底部与倒置u形的被动夹持滚轮支架的底板螺纹连接；且每个直线导轨上均安装有一个被动夹持弹簧，被动夹持弹簧位于直线轴承底部与被动夹持滚轮支架的底板之间，且被动夹持弹簧处于压缩状态；每个被动夹持滚轮支架的两个侧板之间安装有一个被动夹持滚轮光轴，被动夹持滚轮光轴的轴线沿水平方向设置，被动夹持滚轮光轴可绕其自身轴线转动；被动夹持滚轮同轴锁定在被动夹持滚轮光轴上，且被动夹持滚轮可随被动夹持滚轮光轴同步转动；

15、打印件的顶部抵触在被动夹持机构的被动夹持滚轮上，被动夹持弹簧被压缩，通过被动夹持弹簧提供的弹力对打印件进行y轴方向的夹持。

16、进一步的，所述被动夹持机构还包括角度位移编码器；所述角度位移编码器通过编码器-被动夹持滚轮联轴器与任意一个被动夹持滚轮光轴的端部同轴连接，用于测量被动夹持滚轮光轴的转动角度，即被动夹持滚轮的转动角度。

17、进一步的，每个滚轮组均包括限位滚轮轴和限位滚轮；

18、所述打印件固定夹持底板上加工有长圆孔槽；限位滚轮轴的底部设有螺纹，限位滚轮轴的底部穿过打印件固定夹持底板的长圆孔槽后通过螺母紧固在打印件固定夹持底板上，并且限位滚轮轴可以在长圆孔槽中调节位置，限位滚轮轴的轴线沿竖直方向设置；限位滚轮轴的顶部为光杆，中部设有一轴肩，限位滚轮穿过限位滚轮轴的光杆后，通过轴承同轴套装在限位滚轮轴的中部，并通过轴肩实现轴向限位；限位滚轮可相对限位滚轮轴转动。

19、进一步的，所述主动滚动组件包括：一个z轴步进电机、一个z轴行星齿轮减速器、一个z轴步进电机支座、一个z轴联轴器、四个滚轮转动支座、两个滚轮中心轴、两个主动送出滚轮、两个z轴同步轮及一个z轴同步带；

20、两个所述滚轮中心轴的轴线沿水平方向并列布置，且每个滚轮中心轴分别通过两个滚轮转动支座安装在打印件挤出平台下底板上；且滚轮中心轴可转动，每个滚轮中心轴上分别同轴锁定有主动送出滚轮；

21、所述z轴步进电机的电机轴与z轴行星齿轮减速器的输入端同轴固连；且固连后的z轴步进电机和z轴行星齿轮减速器通过z轴步进电机支座固定在打印件挤出平台框架侧板上；z轴行星齿轮减速器的输出端通过z轴联轴器与任意一个滚轮中心轴的一端同轴连接；

22、每个滚轮中心轴上的另一端均同轴安装有一个z轴同步轮，两个z轴同步轮之间安装有一个与z轴同步轮轮齿规格适配的z轴同步带，通过z轴同步轮和z轴同步带实现两个主动送出滚轮的同步转动，实现一个电机对两个主动送出滚轮的同步驱动。

23、进一步的，所述打印件挤出平台框架包括：四块大型板件和打印件挤出平台加强板；

24、相邻的大型板件均通过螺栓紧固连接，组成矩形框架，且矩形框架的沿z轴方向的两端为开口；矩形框架的底面为打印件挤出平台下底板，矩形框架的顶面为打印件挤出平台上底板，矩形框架的两个侧面分别为打印件挤出平台左侧边板和打印件挤出平台右侧边板；打印件挤出平台下底板固定在整体框架的水平底板上；打印件挤出平台右侧边板、打印件挤出平台左侧边板及打印件挤出平台上底板侧面在y轴方向上打有多个尺寸通孔，使得打印件挤出平台上底板在y轴方向上可调节；打印件挤出平台加强板通过螺栓连接在相邻两个大型板件上。

25、进一步的，所述水平-竖直移动打印平台包括：水平方向移动机构和竖直方向移动机构；

26、水平方向移动机构包括：x轴步进电机、x轴联轴器及x轴丝杠滑台；x轴丝杠滑台安装在整体框架的竖直背板上，x轴丝杠滑台上的滑块可沿x轴方向进行直线运动；x轴步进电机通过x轴联轴器与x轴丝杠滑台连接，x轴步进电机用于驱动x轴丝杠滑台的滑块沿x轴方向运动；在x轴丝杠滑台的滑块运动的两个极限位置，即在滑块运动的x轴正向与负向最大位移处分别设有x轴正向限位传感器和x轴负向限位传感器；

27、竖直方向移动机构包括：y轴步进电机、y轴联轴器及y轴丝杠滑台；y轴丝杠滑台安装在x轴丝杠滑台的滑块上，y轴丝杠滑台上的滑块可沿y轴方向进行直线运动；y轴步进电机通过y轴联轴器与y轴丝杠滑台连接，y轴步进电机用于驱动y轴丝杠滑台的滑块沿y轴方向运动；在y轴丝杠滑台的滑块运动的两个极限位置，即在滑块运动的y轴正向与负向最大位移处分别设有y轴正向限位传感器和y轴负向限位传感器；所述打印头安装在y轴丝杠滑台的滑块上。

28、进一步的，所述打印头包括：送料步进电机、挤出机、挤出头、激光位移传感器及打印头-平台连接件；

29、打印头-平台连接件固定在水平-竖直移动打印平台上，送料步进电机和挤出机均安装在打印头-平台连接件上，且送料步进电机与挤出机连接用于驱动挤出机工作；挤出机的输出端安装有挤出头；激光位移传感器安装在打印头-平台连接件上，用于测量打印头与打印件之间的距离。

30、进一步的，所述整体框架包括：铝合金框架、水平底板、竖直背板及整体框架加强板；

31、铝合金框架通过铝合金角件、螺栓与船型螺母拼接固连而成；水平底板和竖直背板均通过螺栓与船型螺母固连在铝合金框架上；整体框架加强板通过螺栓与船型螺母固连在铝合金框架的两个侧面。

32、有益效果：

33、(1)本发明提供了一种适于超长尺度结构件空间在轨制造的增材制造打印装置，针对现有空间在轨超长尺度结构件难以直接运输入轨、需要地面折叠、在轨展开后强度刚度差等问题，该装置可在轨打印超长尺度结构件，该技术手段更加安全、经济、便携、稳定，并填补了增材制造打印机在空间在轨制造超长尺度结构件技术领域的部分空缺。

34、(2)本发明针对超长尺度打印件设计出的限位滚动机构和被动夹持机构；打印件侧面多个数量一字排开的限位滚轮能够限定打印件在z轴方向平移的位置约束，顶部的被动夹持滚轮使打印件在竖直方向上受到较大的夹持力。两种机构的组合能够限制打印件在空间中只沿着z轴方向平移，而完全约束住其余五个自由度，即沿着x轴与y轴两个方向的平移、沿三个轴方向的扭转，并且能够最大程度增加打印件与主动送出滚轮之间的摩擦力，使打印件沿z轴方向上的平移更加精准，从而提高在轨制造的打印精度与加工质量。

35、(3)本发明提出了水平向外推送出打印件的z轴主动滚动机构，该运动机构包含的主动送出滚轮能够随电机的驱动而转动，通过主动送出滚轮与打印件的摩擦力可以在打印过程中将打印件整体从装置中推送出来，在最小的空间范围内能够打印出超长尺度结构件，理论上能够打印无限长度的结构件，从而满足空间在轨制造超长打印件的需求。

36、(4)本发明打印件挤出平台右侧边板、打印件挤出平台左侧边板及打印件挤出平台上底板侧面在y轴方向上打有多个尺寸通孔，使得打印件挤出平台上底板在y轴方向上可调节，进而可调节被动夹持机构的高度，从而调节打印件的宽度与高度；另外，本发明适配多种超长尺度结构件的横截面形状，对空间在轨增材制造打印装置领域有较大的工程指导意义。

37、(5)本发明在x轴丝杠滑台的滑块运动的两个极限位置分别设有x轴正向限位传感器和x轴负向限位传感器；在y轴丝杠滑台的滑块运动的两个极限位置分别设有y轴正向限位传感器和y轴负向限位传感器；能够对打印头的运动进行实时到位监测及限位。

38、(6)本发明设置整体框架加强板，整体框架加强板通过螺栓与船型螺母固连在铝合金框架的两个侧面，能够使铝合金框架整体受力与结构更加稳定。