CN105698757B - 一种基于三维扫描和3d打印的地下空洞窥视装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置及方法，可解决传统窥视装置不能全方位获取空洞信息的技术问题；包括三维探头和连接杆，还包括3D数据采集仪、3D打印装备及支撑架，所述三维探头设置在旋转结构一上，所述旋转结构一固定在连接杆的一端，连接杆的另一端通过旋转结构二与支撑架固定连接，所述三维探头通过数据线与3D数据采集仪电连接，3D数据采集仪与3D打印装备电连接；本发明结构简单、方便拆卸和组装、操作方便，可以全方位探测地下空洞的位置、围岩破碎情况，并可将实际空洞的分布范围、空间形态特点通过三维打印快速重现，其对现阶段地下工程合理确定地下空洞治理方法有重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及地下空洞窥视技术领域，具体涉及一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置及方法。
背景技术
随着我国经济建设的快速发展，地下资源开采和地下空间开发利用的重要性日益凸显，人为岩土活动或者天然地质运动在地表下面产生了一系列的空洞，地下空洞的存在使得地下资源的安全开采、地下空间的开发利用面临着严重的安全问题。随着地下岩土工程向深部进行，地下空洞在强大的地压下，容易发生地表坍塌、顶板冒落、岩层移动、冲击矿压等重大事故，地下空洞已经成为制约地下工程发展的一个重要难题。
现阶段，我国对于地下空洞治理采取全部垮落法、充填法、支撑法等。由于地下空洞隐伏性强、分布范围随机性强、空间形态特征难以预测等特点，对地下空洞的量化评判，一直是困扰地下工程技术人员采取合理确定地下空洞治理方法的关键问题，而要想做到对地下空洞的量化评判，则需要准确地获得空洞的全方位信息，比如其存在范围、空间形态特点等。目前对空洞信息的获得，主要是通过钻孔进行窥视，通过杆体将光电控头直接伸入钻孔中，这种窥视技术不能全方位地获得空洞信息。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置及方法，可解决传统窥视装置不能全方位获取空洞信息的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，包括三维探头和连接杆，还包括3D数据采集仪、3D打印装备及支撑架，所述三维探头设置在旋转结构一上，所述旋转结构一固定在连接杆的一端，连接杆的另一端通过旋转结构二与支撑架固定连接，所述三维探头通过数据线与3D数据采集仪电连接，3D数据采集仪与3D打印装备电连接。
进一步的，所述旋转结构二包括带有齿条的横梁、两根立柱、电机推杆及安装平台，所述立柱上设有横向贯穿立柱的竖槽，横梁的两端分别穿过两个竖槽延伸到两根立柱的外侧，横梁的两端与两个竖向设置的电机推杆的杆头固定连接，横梁上设有调移结构，所述调移结构的外部设置有电动旋转平台，所述连接杆与三维探头相反的一端与电动旋转平台的台面固定连接，两根立柱的下端和两根电机推杆的基座均固定设置在安装平台上，所述安装平台固定在支撑架的上方。
进一步的，所述调移结构包括外筒，外筒的一端部设有与其滑动配合的内筒，内筒套装在横梁外部且与其在横向上滑动配合，内筒中部对应横梁上的齿条的位置设置有与齿条啮合的卡齿，所述卡齿可由电机驱动，外筒另一端部内侧设有内齿圈，内筒设有与内齿圈啮合的齿轮，所述齿轮可由电机驱动，外筒通过固定设置在其外部的电动旋转平台与连接杆固定连接。
进一步的，所述三维探头为三维白光探头，所述旋转结构一为陀螺仪，所述陀螺仪由单片机控制实现旋转。
进一步的，所述连接杆与三维探头相反的一端还设有位移传感器。
进一步的，所述3D数据采集仪和3D打印装备设置在防爆箱中。
进一步的，所述连接杆包括多根杆体，杆体之间通过快速接头固定连接。
进一步的，还包括与三维探头电连接的扫描影像显示及储存装置。
进一步的，所述连接杆在靠近三维探头的位置设置保护结构，所述保护结构为环状结构，由三块相同的呈弧形的高强度磁铁构成。
由上可知，本发明能实现三维全方位地对地下空洞的位置、围岩破碎情况进行探测，且可将实际空洞的分布范围、空间形态特点等通过3D打印技术快速重现，可为空洞的有效治理提供保障；本发明结构简单、方便拆卸和组装、操作方便，可以三维全方位探测地下空洞的位置、围岩破碎情况，并可将实际空洞的分布范围、空间形态特点通过三维打印快速重现，其对现阶段地下工程合理确定地下空洞治理方法有重要的实用价值；旋转结构一可保证三维探头在空洞内灵活转动，旋转结构二可以保证连接杆在三维空间内实现灵活调节，进而可以保证该装置具有较强的通用性。
一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视方法，包括以下步骤，
步骤一：用地质雷达探测地下空洞的大概位置；
步骤二：用钻机钻至相应位置；
步骤三：在三维探头安装上镜头保护装置、在连接杆上安装好孔洞位置调节装置，将三维探头与旋转结构一、连接杆、旋转装置、支撑架依次连接，将三维探头送至地下空洞的位置，通过位移传感器直接读出地下空洞与参照物的距离，从而确定地下空洞的具体位置。
步骤四：控制旋转结构一实现三维探头在三维全空间360度的扫描，扫描的影像通过扫描影像显示及储存装置来实现扫描影像的展示和储存；
步骤五：将三维探头扫描完成后输出的STL数据通过3D数据采集仪采集，通过3D打印装备将探测的地下空洞的空间形状、围岩破碎情况按一定比例打印出来，将实际空洞通过三维打印快速重现。
本方法能准确地获取地下空洞的分布范围、空间形态等各项数据，能为合理地治理地下空洞提供准确的数据保障。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中旋转结构二的结构示意图；
图3是本发明中旋转结构二的局部放大图；
图4是本发明中调移结构一端部的剖视图；
图5是本发明中调移结构另一端部的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1至图5所示，一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，包括三维探头1，三维探头1采用白光面扫描技术，扫描精度在0.1mm以内，相比激光三维扫描仪，精度更高，细节特征更完整，扫描速度是同类产品的3-4倍，简单、快捷，可以灵活切换转台扫描和自由扫描模式，适应不同尺寸的三维扫描，通过数据拼接，可以实现大尺度三维扫描，白光扫描相比激光扫描，更加安全，不会对人眼造成意外伤害，轻巧便携，扫描完成后可直接输出STL数据，用于3D打印，无缝衔接；三维探头1设置在旋转结构一2上，所述旋转结构一2与连接杆3的一端连接，连接杆3的另一端通过旋转结构二4与支撑架5连接，所述三维探头1通过数据线与3D数据采集仪6电连接，3D数据采集仪6与3D打印装备7电连接；所述旋转结构一2为陀螺仪，三维探头1固定安装在陀螺仪的球面上，可以通过螺栓进行安装，所述陀螺仪由单片机控制在三维空间内实现旋转；所述旋转结构二4由带有齿条10的横梁8、两根立柱9组成，所述立柱9上设有横向贯穿立柱9的竖槽11，横梁8的两端分别穿过两个竖槽11延伸到两根立柱9的外侧，横梁8的两端与两个竖向设置的电机推杆12的杆头固定连接，横梁8上设有调移结构13，所述调移结构13包括外筒14，外筒14的左部设有与其滑动配合的内筒15，内筒15套装在横梁8外部且与其在横向上滑动配合，内筒15对应横梁8上的齿条10的位置设置有与齿条10啮合的由电机驱动的卡齿16，外筒14内侧设有内齿圈17，内筒15设有可由电机驱动的与内齿圈17啮合的齿轮18，外筒14通过固定设置在其外部的电动旋转平台19与连接杆3固定连接，两根立柱9的下端和两根电机推杆12的基座均固定设置在安装平台27上，所述外筒14上固定设置有电动旋转平台19；所述安装平台27通过设置在其下方的支撑架5进行支撑，所述连接杆3的远离三维探头1的一端与电动旋转平台19的台面固定连接。
为了便于直接读出地下空洞与参照物的距离，连接杆3在远离三维探头1的一端还设有位移传感器20。
为了增加该旋转装置的灵活性，使连接杆3的调节范围更大，所述连接杆3在电动旋转平台19上的角度可调。
为了适应井下特殊工作环境的应用，所述3D数据采集仪6和3D打印装备7装配在防爆箱21中。
为了提高该装置整体的通用性，所述连接杆3由多根杆体通过快速接头连接而成。
为了便于对窥探数据进行保存，所述三维探头1还与扫描影像显示及储存装置22电连接。
为了让连接杆3始终位于空洞24中间，保护三维探头1和旋转结构二4不落底，所述连接杆3在靠近三维探头1的位置设置保护结构26，所述保护结构26由三块形状和尺寸相同的呈弧形的高强度磁铁围成环状结构，连接杆3由可被磁铁吸附的材料制成，三块高强度磁铁吸附在连接杆3的周向上，将连接杆3围在中央，这样能方便装配且能保护三维探头1。
为了保护探头，所述三维探头1上设有镜头保护装置。
本实施例结构简单、方便拆卸和组装、操作方便，可以三维全方位探测地下空洞的位置、围岩破碎情况，并可将实际空洞的分布范围、空间形态特点等通过三维打印快速重现，其对现阶段地下工程合理确定地下空洞治理方法有重要的实用价值；旋转结构一2可保证三维探头在空洞内灵活转动，旋转结构二4可以保证连接杆3在三维空间内实现灵活调节，进而可以保证该装置具有较强的通用性。
连接杆3在纵向上升高或降低时，只需要通过同时同步地控制两个电动推杆12向外伸出或缩回，横梁8即可以在竖槽11内上升或下降，当横梁8在纵向上达到所需要高度时，同时使两个电动推杆12停止动作；调移结构13可以通过卡齿16与横梁8的齿条10相配合实现横向移动，带动连接杆3整体的横向移动，当连接杆3需要绕横梁8旋转时，通过齿轮18与外筒14上的内齿圈17配合即能实现；电动旋转平台19还可以通过台面的旋转带动连接杆3绕电动旋转平台19旋转。
一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视方法，包括以下步骤，
步骤一：用地质雷达探测地下岩体23内空洞24的大概位置；
步骤二：用钻机钻至相应位置；
步骤三：在三维探头1安装上镜头保护装置、在连接杆上安装好孔洞位置保护结构26，将三维探头1与旋转结构一2、连接杆3、旋转结构二4、支撑架5依次连接，将三维探头1送至地下空洞24的位置，通过位移传感器20直接读出地下空洞与参照物的距离，从而确定地下空洞的具体位置；
步骤四：控制旋转结构一2实现三维探头1在三维全空间360度的扫描，扫描的影像通过扫描影像显示及储存装置22来实现扫描影像的展示和储存；
步骤五：将三维探头1扫描完成后输出的STL数据通过3D数据采集仪6采集，通过3D打印装备7将探测的地下空洞的空间形状、围岩破碎情况按一定比例打印出来，将实际空洞通过三维打印快速重现；打印出来的空洞25如图1所示。
本方法能准确地获取地下空洞的分布范围、空间形态等各项数据，能为合理地治理地下空洞提供准确的数据保障。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，包括三维探头(1)和连接杆(3)，其特征在于，还包括3D数据采集仪(6)、3D打印装备(7)及支撑架(5)，所述三维探头(1)设置在旋转结构一(2)上，所述旋转结构一(2)固定在连接杆(3)的一端，连接杆(3)的另一端通过旋转结构二(4)与支撑架(5)固定连接，所述三维探头(1)通过数据线与3D数据采集仪(6)电连接，3D数据采集仪(6)与3D打印装备(7)电连接；其特征在于：所述旋转结构二(4)包括带有齿条(10)的横梁(8)、两根立柱(9)、电机推杆(12)及安装平台(19)，所述立柱(9)上设有横向贯穿立柱(9)的竖槽(11)，横梁(8)的两端分别穿过两个竖槽(11)延伸到两根立柱(9)的外侧，横梁(8)的两端与两个竖向设置的电机推杆(12)的杆头固定连接，横梁(8)上设有调移结构(13)，所述调移结构(13)的外部设置有电动旋转平台(19)，所述连接杆(3)与三维探头(1)相反的一端与电动旋转平台(19)的台面固定连接，两根立柱(9)的下端和两根电机推杆(12)的基座均固定设置在安装平台(27)上，所述安装平台(27)固定在支撑架(5)的上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，其特征在于，所述调移结构(13)包括外筒(14)，外筒(14)的一端部设有与其滑动配合的内筒(15)，内筒(15)套装在横梁(8)外部且与其在横向上滑动配合，内筒(15)中部对应横梁(8)上的齿条(10)的位置设置有与齿条(10)啮合的卡齿(16)，外筒(14)另一端部内侧设有内齿圈(17)，内筒(15)设有与内齿圈(17)啮合的齿轮(18)，外筒(14)通过固定设置在其外部的电动旋转平台(19)与连接杆(3)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，其特征在于，所述三维探头(1)为三维白光探头，所述旋转结构一(2)为陀螺仪。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，其特征在于，所述连接杆(3)在与三维探头(1)相反的一端还设有位移传感器(20)。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，其特征在于，所述3D数据采集仪(6)和3D打印装备(7)设置在防爆箱(21)中。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，其特征在于，所述连接杆(3)包括多根杆体，杆体之间通过快速接头固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，其特征在于，还包括与三维探头(1)电连接的扫描影像显示及储存装置(22)。
8.根据权利要求7所述的一种基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置，其特征在于，所述连接杆(3)在靠近三维探头(1)的位置设置保护结构(26)，所述保护结构(26)为环状结构，由三块相同的呈弧形的高强度磁铁构成。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于三维扫描和3D打印的地下空洞窥视装置的窥视方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤一：用地质雷达探测地下空洞的大概位置；
步骤二：用钻机钻至相应位置；
步骤三：在三维探头(1)安装上镜头保护装置，将三维探头(1)与旋转结构一(2)、连接杆(3)、旋转结构二(4)、支撑架(5)依次连接好，将三维探头(1)送至地下空洞(24)的位置，读出地下空洞与参照物的距离，从而确定地下空洞的具体位置；
步骤四：控制旋转结构一(2)实现三维探头(1)在三维全空间360度的扫描，并把扫描的影像展示和储存；
步骤五：将三维探头(1)扫描完成后输出的STL数据通过3D数据采集仪(6)采集，通过3D打印装备(7)将探测的地下空洞(24)的空间形状、围岩破碎情况按一定比例打印出来。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Fei Inventor after: Ni Xiaoyan Inventor after: Ma Zhanguo Inventor after: Gong Peng Inventor after: Liu Faming Inventor after: Chen Zhengzheng Inventor after: Wang Fang Inventor before: Liu Fei Inventor before: Ma Zhanguo Inventor before: Gong Peng Inventor before: Liu Faming Inventor before: Chen Zhengzheng Inventor before: Wang Fang |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180126 |