CN105823647A - 混凝土三维定位钻孔取样机及三维定位取样方法 - Google Patents

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Abstract

一种混凝土三维定位钻孔取样机及三维定位取样方法，该取样机的竖向定位系统安装在机架上部，钻机安装在竖向定位系统的钻机支架上，水平定位系统安装在机架底部，竖向定位系统、钻机、水平定位系统和机架整体置于隔音罩内部，PLC控制器置于隔音罩外部，PLC控制器通过电缆与竖向定位系统和水平定位系统相连接。三维定位取样方法包括以下步骤：(1)试件处理；(2)取样机定位参数设置；(3)试件安装；(4)定位钻头；(5)逐层钻取标记点的各层样本；(6)逐一钻取其余标记点的各层样本。采用本发明能够进行三维定位和钻孔取样，并能有效避免钻取过程中不同样本之间的干扰。

Description

混凝土三维定位钻孔取样机及三维定位取样方法
技术领域
本发明涉及混凝土耐久性研究领域，具体为一种混凝土三维定位钻孔取样机及三维定位取样方法。
背景技术
混凝土结构在腐蚀环境中服役时，环境中的腐蚀性物质可沿不同方向进入混凝土中，并以不同维数发生迁移，导致腐蚀性物质在混凝土结构内部的浓度分布存在差异。对混凝土试件内部开展精确定位取样是准确分析腐蚀性物质在混凝土内部分布规律的关键。中国专利200910305129.2公开了一种混凝土切削取样机，对试件进行逐层切削，切削后的粉末通过具有斜坡特征的粉末收集装置进行收集。金伟良发表了“预估混凝土氯离子分布的新方法”一文(《浙江大学学报》(工学版)2004年，第38卷第2期，195-199页)，利用混凝土钻孔取芯机获取试件芯样后，采用锉刀人工锉取不同深度的粉末。牛荻涛发表了“混凝土碳化与氯离子侵蚀共同作用研究”一文(《硅酸盐学报》2013年，第41卷第8期，1094-1099页)，利用混凝土打磨机沿着渗透面逐层磨粉。这些取样装置及取样方法只能沿试件一维方向进行取样。郭飞发表了“粉煤灰混凝土氯离子二维、三维扩散特性的研究”一文(《国外建材科技》2007年，第28卷第4期，29-32页)，利用台式钻床在试件两个相邻平面或三个正交平面的对角线上逐层钻取粉末，并据此分析混凝土材料的二维、三维扩散性能。但是，该取样装置及取样方法不能对混凝土试件开展二维、三维定位取样。中国专利200920164855.2公开了混凝土二维定位取样装置，实现了二维定位取样，但仍然没有解决三维定位取样的问题。迄今为止，关于混凝土三维定位取样装置及三维定位取样方法还未见报道。
发明内容
本发明提供一种混凝土三维定位钻孔取样机及三维定位取样方法，它通过运用PLC自动控制技术对伺服电机进行控制，从而实现三维定位和钻孔取样。
本发明的技术方案如下：一种混凝土三维定位钻孔取样机，包括竖向定位系统、钻机、水平定位系统、机架、隔音罩以及PLC控制器。具体结构和连接关系为：竖向定位系统安装在机架上部，钻机安装在竖向定位系统的钻机支架上，水平定位系统安装在机架底部，竖向定位系统、钻机、水平定位系统和机架整体置于隔音罩内部，PLC控制器置于隔音罩外部，PLC控制器通过电缆与竖向定位系统和水平定位系统相连接。
所述竖向定位系统由竖向伺服电机、竖向导轨、钻机支架以及联轴器构成，所述竖向导轨由竖向丝杠导轨和竖向直线导轨构成，分别安装在机架的左、右两侧，钻机支架的左端安装在竖向丝杠导轨上，钻机支架的右端安装在竖向直线导轨上，竖向伺服电机通过联轴器与竖向丝杠导轨连接。
所述水平定位系统由平面导轨、试件固定台、纵向伺服电机、横向伺服电机以及联轴器构成，所述平面导轨由纵向丝杠导轨、纵向直线导轨和横向丝杠导轨构成，纵向丝杠导轨和纵向直线导轨相互平行安装在机架底部，横向丝杠导轨的左、右两端分别安装在纵向直线导轨和纵向丝杠导轨上，试件固定台安装在横向丝杠导轨上，纵向伺服电机通过联轴器与纵向丝杠导轨连接，横向伺服电机通过联轴器与横向丝杠导轨连接。
所述PLC控制器上有“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”六个按键，其中，“上”和“下”键通过电缆与竖向伺服电机相连，且能够分别驱动钻头向上或向下移动，“左”和“右”键通过电缆与横向伺服电机相连，且能够分别驱动试件固定台向左或向右移动，“前”和“后”键通过电缆与纵向伺服电机相连，且能够分别驱动试件固定台向前或向后移动。
适用于所述混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，包括以下步骤：
(1)试件处理：利用磨平机将试件的取样面磨平，根据水平取样间距的要求，在试件水平取样面上设计并标记钻孔点位置，然后根据竖向取样间距的要求，确定单层竖向取样深度，每一层的中点为取样点；
(2)取样机定位参数设置：设置试件固定台的横向移动量和纵向移动量都等于水平取样间距，设置钻机的竖向移动量等于竖向取样间距；
(3)试件安装：将试件取样面朝上安装在试件固定台上，在试件与试件固定台的缝隙处采用密封纸密封；
(4)定位钻头：将标准钻孔钻头安装至钻机，轻按或按下PLC控制器上的“左”或“右”、“前”或“后”键，驱动试件固定台沿水平横向或纵向移动，使试件取样面的标记点中心位置对准钻头；进而轻按PLC控制器上的“下”键，驱动钻机从竖向初始位置向下移动，使钻头端部恰好接触标记点中心位置；
(5)逐层钻取标记点的各层样本：i)钻孔操作，即按下“下”键，驱动钻机沿试件标记点向下钻孔，钻孔深度等于步骤(2)中设置的竖向移动量时自动停止，并弹起“下”键；ii)起钻操作，即按下“上”键，驱动钻机沿取样孔向上移动至竖向初始位置，并弹起“上”键；iii)取样操作：即利用取样刷收集试件表面、钻取孔内和钻头表面残留的该标记点第一层样本；iv)扩孔操作，即将钻孔钻头更换为扩孔钻头，向下扩孔至原钻孔深度，再进行起钻操作，然后清除试件表面、钻孔内和钻头表面残留的粉末；v)逐层钻取各层样本：重新将扩孔钻头更换为钻孔钻头，重复上述钻孔、起钻、取样和扩孔操作，然后钻取更下一层样本，直至完成该标记点所有各层的钻取样本操作；
(6)逐一钻取其余标记点的各层样本：重复第(4)步操作，将钻头定位在下一个标记点上；然后重复第(5)步操作，逐层钻取该标记点的所有各层的样本，重复以上过程，直至完成所有标记点的钻孔取样操作。
所述试件为混凝土或砂浆试件。
所述钻孔取样钻头的直径为4～8mm，扩孔钻头直径比钻孔取样钻头大2～4mm。
所述标记点沿横向和纵向均匀分布，即水平取样间距相同，且标记点下面各层取样点沿竖向均匀分布，即竖向取样间距都相同。
所述水平取样间距为10～20mm，竖向取样间距为6～10mm。
所述轻按PLC控制器上的按键，是用手指轻微按下PLC控制器上的按键，驱动钻头或试件固定台移动，一旦抬起手指，按键随即弹起，钻头或试件固定台立即停止移动；所述按下PLC控制器上的按键，是指用力按下PLC控制器上的按键，并自动锁定不能弹起，驱动钻头或试件固定台按照第(2)步中预先设置的预定行程移动一段距离，然后按键自动解锁并弹起按键。当按下“上”键时，钻头向上移动到竖向初始位置；当按下其余按键时，钻头或试件固定台根据步骤(2)中预先设置的移动量移动相应距离。
本发明的有益效果是：
1.采用PLC控制横向、纵向和竖向伺服电机，实现了取样机在横向、纵向和竖向的定位钻取，即实现了三维定位钻取样本。
2.采用直径比钻孔取样钻头大2～4mm的扩孔钻头，能够避免在钻取下一层样本时，因钻头与上一层孔壁接触磨损而产生的粉末对下一层样本造成干扰。
附图说明
图1为本发明所述的混凝土三维定位钻孔取样机的结构示意图。
图2为本发明所述的竖向定位系统的结构示意图。
图3为本发明所述的水平定位系统的结构示意图。
图4为图3的左视图。
图5为本发明所述PLC控制器的结构示意图。
图6为本发明所述试件的取样示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所述混凝土三维定位钻孔取样机，由竖向定位系统1、钻机2、水平定位系统3、机架4、隔音罩5以及PLC控制器6组成，竖向定位系统1安装在机架4上部，钻机2安装在竖向定位系统1的钻机支架1.3上，水平定位系统3安装在机架4底部，竖向定位系统1、钻机2、水平定位系统3和机架4整体置于隔音罩5内部，PLC控制器6置于隔音罩5外部，PLC控制器6通过电缆与竖向定位系统1和水平定位系统3相连接。
如图2所示，所述竖向定位系统1由竖向伺服电机1.1、竖向导轨1.2、钻机支架1.3以及联轴器1.4构成，所述竖向导轨1.2由竖向丝杠导轨1.2.1和竖向直线导轨1.2.2构成，分别安装在机架4的左、右两侧，钻机支架1.3的左端安装在竖向丝杠导轨1.2.1上，钻机支架1.3的右端安装在竖向直线导轨1.2.2上，竖向伺服电机1.1通过联轴器1.4与竖向丝杠导轨1.2.1连接。
如图3、图4所示，所述水平定位系统3由平面导轨3.1、试件固定台3.2、纵向伺服电机3.3、横向伺服电机3.4以及联轴器3.5构成，所述平面导轨3.1由纵向丝杠导轨3.1.1、纵向直线导轨3.1.2和横向丝杠导轨3.1.3构成，纵向丝杠导轨3.1.1和纵向直线导轨3.1.2相互平行安装在机架4底部，横向丝杠导轨3.1.3的左、右端分别安装在纵向直线导轨3.1.2和纵向丝杠导轨3.1.1上，试件固定台3.2安装在横向丝杠导轨3.1.3上，纵向伺服电机3.3通过联轴器3.5与纵向丝杠导轨3.1.1连接，横向伺服电机3.4通过联轴器3.5与横向丝杠导轨3.1.3连接。
如图5所示，所述PLC控制器6面板上有“上”6.1、“下”6.2、“左”6.3、“右”6.4、“前”6.5、“后”6.6六个按键。其中，“上”6.1和“下”6.2键通过电缆与竖向伺服电机1.3相连，且能够分别驱动钻头向上或向下移动；“左”6.3和“右”6.4键通过电缆与横向伺服电机3.4相连，且能够分别驱动试件固定台3.2向左或向右移动；“前”6.5和“后”6.6键通过电缆与纵向伺服电机3.3相连，且能够分别驱动试件固定台3.2向前或向后移动。
如图6所示，适用于所述混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，以钻取边长为100mm的砂浆立方体试件的内部300个样本为例，包括以下步骤：
(1)试件处理：利用磨平机将试件的取样面磨平，根据水平取样间距为10mm，在试件水平取样面上设计并标记钻孔点位置，根据竖向取样间距为6mm，确定单层竖向取样深度为6mm，每一层的中点为取样点，如图6所示。
(2)取样机定位参数设置：设置试件固定台3.2的横向移动量和纵向移动量都等于水平取样间距10mm，设置钻机2的竖向移动量等于竖向取样间距6mm；
(3)试件安装：将试件取样面朝上安装在试件固定台3.2上，在试件与试件固定台3.2的缝隙处采用密封纸密封；
(4)定位钻头：将直径为6mm标准钻孔钻头安装至钻机2，通过轻按PLC控制器上的“左”6.3或“右”6.4、“前”6.5或“后”6.6键，驱动试件固定台3.2沿水平横向或纵向移动，使试件取样面的第一个标记点中心位置(5,5,0)对准钻头；进而轻按PLC控制器上的“下”6.2键，驱动钻机2向下移动，使钻头端部恰好接触第一个标记点中心位置；
(5)逐层钻取标记点的各层样本：i)钻孔操作，即按下“下”6.2键，驱动钻机2沿试件标记点向下钻孔，钻孔深度等于步骤(2)中设置的竖向移动量6mm时自动停止，并弹起“下”6.2键；ii)起钻操作，即按下“上”6.1键，驱动钻机2沿取样孔向上移动至竖向初始位置，并弹起“上”6.1键；iii)取样操作：即利用取样刷收集试件表面、钻取孔内和钻头表面残留的该标记点第一层样本；iv)扩孔操作，即将钻孔钻头更换为直径为8mm扩孔钻头，在已钻取孔的上方覆盖一层超薄试纸，轻按PLC控制器上的“下”6.2键，驱动钻机2向下移动，使钻头端部恰好接触超薄试纸上对应的第一个标记点中心位置(5,5,0)，取下超薄试纸，按下“下”6.2键，驱动钻机2沿试件标记点向下钻孔，向下扩孔至原钻孔深度6mm后自动停止，并弹起“下”6.2键，按下“上”6.1键，驱动钻机2沿取样孔向上移动至竖向初始位置，并弹起“上”6.1键，然后清除试件表面、钻孔内和钻头表面残留的粉末；v)逐层钻取各层样本：重新将扩孔钻头更换为直径为6mm钻孔钻头，重复上述钻孔、起钻、取样和扩孔操作，然后钻取更下一层样本，直至完成该标记点所有各层的钻取样本操作；
(6)逐一钻取其余标记点的各层样本：按下“前”6.5键，驱动试件固定台3.2沿水平纵向移动10mm，直至钻头定位在下一个标记点(5,15,0)时自动停止，并弹起“前”6.5键；然后重复第(5)步操作，并逐层钻取该标记点所有各层的样本。重复以上过程，根据图6所示箭头方向逐个进行各标记点的各层样本的钻取和样本收集，直至完成所有标记点的钻孔取样操作。为了避免连续定位中出现误差积累、影响定位精度的现象，可轻按按键进行微调，确保钻头对准每个标记点的中心位置。操作完毕后，根据预定三维坐标定位钻取获得试件内部样本300个，完成预定三维定位取样要求。

Claims (7)

1.混凝土三维定位钻孔取样机，包括竖向定位系统、钻机、水平定位系统、机架、隔音罩以及PLC控制器，其特征在于，具体结构和连接关系为：竖向定位系统安装在机架上部，钻机安装在竖向定位系统的钻机支架上，水平定位系统安装在机架底部，竖向定位系统、钻机、水平定位系统和机架整体置于隔音罩内部，PLC控制器置于隔音罩外部，PLC控制器通过电缆与竖向定位系统和水平定位系统相连接，
所述竖向定位系统由竖向伺服电机、竖向导轨、钻机支架以及联轴器构成，所述竖向导轨由竖向丝杠导轨和竖向直线导轨构成，分别安装在机架的左、右两侧，钻机支架的左端安装在竖向丝杠导轨上，钻机支架的右端安装在竖向直线导轨上，竖向伺服电机通过联轴器与竖向丝杠导轨连接，
所述水平定位系统由平面导轨、试件固定台、纵向伺服电机、横向伺服电机以及联轴器构成，所述平面导轨由纵向丝杠导轨、纵向直线导轨和横向丝杠导轨构成，纵向丝杠导轨和纵向直线导轨相互平行安装在机架底部，横向丝杠导轨的左、右两端分别安装在纵向直线导轨和纵向丝杠导轨上，试件固定台安装在横向丝杠导轨上，纵向伺服电机通过联轴器与纵向丝杠导轨连接，横向伺服电机通过联轴器与横向丝杠导轨连接，
所述PLC控制器上有“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”六个按键，其中，“上”和“下”键通过电缆与竖向伺服电机相连，且能够分别驱动钻头向上或向下移动，“左”和“右”键通过电缆与横向伺服电机相连，且能够分别驱动试件固定台向左或向右移动，“前”和“后”键通过电缆与纵向伺服电机相连，且能够分别驱动试件固定台向前或向后移动。
2.一种适用于权利要求1所述的混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)试件处理：利用磨平机将试件的取样面磨平，根据水平取样间距的要求，在试件水平取样面上设计并标记钻孔点位置，然后根据竖向取样间距的要求，确定单层竖向取样深度，每一层的中点为取样点；
(2)取样机定位参数设置：设置试件固定台的横向移动量和纵向移动量都等于水平取样间距，设置钻机的竖向移动量等于竖向取样间距；
(3)试件安装：将试件取样面朝上安装在试件固定台上，在试件与试件固定台的缝隙处采用密封纸密封；
(4)定位钻头：将标准钻孔钻头安装至钻机，轻按或按下PLC控制器上的“左”或“右”、“前”或“后”键，驱动试件固定台沿水平横向或纵向移动，使试件取样面的标记点中心位置对准钻头；进而轻按PLC控制器上的“下”键，驱动钻机从竖向初始位置向下移动，使钻头端部恰好接触标记点中心位置；
(5)逐层钻取标记点的各层样本：i)钻孔操作，即按下“下”键，驱动钻机沿试件标记点向下钻孔，钻孔深度等于步骤(2)中设置的竖向移动量时自动停止，并弹起“下”键；ii)起钻操作，即按下“上”键，驱动钻机沿取样孔向上移动至竖向初始位置，并弹起“上”键；iii)取样操作：即利用取样刷收集试件表面、钻取孔内和钻头表面残留的该标记点第一层样本；iv)扩孔操作，即将钻孔钻头更换为扩孔钻头，向下扩孔至原钻孔深度，再进行起钻操作，然后清除试件表面、钻孔内和钻头表面残留的粉末；v)逐层钻取各层样本：重新将扩孔钻头更换为钻孔钻头，重复上述钻孔、起钻、取样和扩孔操作，然后钻取更下一层样本，直至完成该标记点所有各层的钻取样本操作；
(6)逐一钻取其余标记点的各层样本：重复第(4)步操作，将钻头定位在下一个标记点上；然后重复第(5)步操作，逐层钻取该标记点的所有各层的样本，重复以上过程，直至完成所有标记点的钻孔取样操作。
3.根据权利要求2所述混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，其特征在于，所述试件为混凝土或砂浆试件。
4.根据权利要求2所述混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，其特征在于，所述钻孔取样钻头的直径为4～8mm，扩孔钻头直径比钻孔取样钻头大2～4mm。
5.根据权利要求2所述混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，其特征在于，所述标记点沿横向和纵向均匀分布，即水平取样间距相同，且标记点下面各层取样点沿竖向均匀分布，即竖向取样间距都相同。
6.根据权利要求2所述混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，其特征在于，所述水平取样间距为10～20mm，竖向取样间距为6～10mm。
7.根据权利要求2所述混凝土三维定位钻孔取样机的三维定位取样方法，其特征在于，所述轻按PLC控制器上的按键，是用手指轻微按下PLC控制器上的按键，驱动钻头或试件固定台移动，一旦抬起手指，按键随即弹起，钻头或试件固定台立即停止移动；所述按下PLC控制器上的按键，是指用力按下PLC控制器上的按键，并自动锁定不能弹起，驱动钻头或试件固定台按照第(2)步中预先设置的预定行程移动一段距离，然后按键自动解锁并弹起按键。当按下“上”键时，钻头向上移动到竖向初始位置；当按下其余按键时，钻头或试件固定台根据步骤(2)中预先设置的移动量移动相应距离。
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