CN107313928A - 一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置及方法 - Google Patents

一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置及方法，其包括人机交互单元、混凝土泵送量实时检测单元、速凝剂输送量实时检测单元、控制单元及输出信号单元；用户根据隧道施工工艺要求，通过设定的速凝剂相对于混凝土的添加配比参数，在启动自动喷射后，实时检测混凝土泵送系统中活塞位置及其运动速度，以此得出混凝土的实时泵送量和速凝剂的需求量，通过检测速凝剂的实际流速，对速凝剂泵用量控制参数进行实时修正，并在速凝剂的流量出现异常时，对自动喷射功能进行主动干预。通过对速凝剂添加量进行动态调节，保证了实际混合喷射物的品质，同时为设备的安全运行提供保障，降低操作手的劳动强度。

Description

一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置及 方法
技术领域
本发明涉及移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置及方法，具体涉及一种根据混凝土实时泵送量、速凝剂实际输送量，实时调节速凝剂泵运行参数的装置及方法，在速凝剂输送量出现异常时，还可对自动喷射动作进行主动干预。实现对各喷射物含量的实时动态调节，以达到保证实际混合喷射物的品质的效果，同时为设备的的安全运行提供保障，降低操作者的劳动强度。
背景技术
移动式混凝土喷射机械手在进行喷射作业时，需要根据不同隧道施工工艺，对喷射混合物的组成进行配比调节，喷射混合物的配比调节可简要理解为根据混凝土泵送量，按照设定的配比系数，输送相应比例的速凝剂，混凝土则由混凝土泵送系统进行输送，速凝剂则一般由速凝剂输送系统的速凝剂泵进行输送。
现有的技术一般通过在人机交互系统中按照实际施工工艺需求，调节好泵送混凝土量与速凝剂量的配比关系，在喷射施工过程中，根据理论的泵送方量，输出速凝剂泵的控制参数。
现有技术中理论的单位时间内泵送方量一般采用基于油缸的换向信号结合混凝土输送砼缸的体积，得出单位时间内的泵送量理论值。假定砼缸的截面积为S（单位：平方），砼缸的行程长度为L（单位：米），统计时长定义为T（单位：秒），在T时间段内换向的次数定义为N（单位：次），则由此推算的理论单位时间泵送方量（定义为A，单位：方/秒）为：A=S×L×N/T。
但是，在实际的泵送过程中，油缸及活塞的移动速度均在变化，每个泵送运动过程中，活塞的总体运行行程也有所不同，这种理论的泵送量计算值在实时泵送量以及泵送总量方面均存在较大偏差，该偏差势必会导致速凝剂的输出量与实际需求量存在偏差。
为此需要开发设计一种可检测混凝土实时泵送量、速凝剂输送流量，并以此进行速凝剂泵动态调节的装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术中缺乏准确有效的速凝剂输送量调节参考依据的问题，提供一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置，其包括人机交互单元、混凝土泵送量实时检测单元、速凝剂输送量实时检测单元、控制单元及输出信号单元；其中：
人机交互单元，与控制单元连接，用于接收操作者的喷射操控指令，用于设定速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数，还用于显示每次自动喷射过程的相关状态信息；同时将该喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数发送至控制单元；
混凝土泵送量实时检测单元，与该控制单元连接，包括位移传感器，该位移传感器设于混凝土泵送系统的泵送油缸内以实时检测该泵送油缸活塞的位置及其运动速度，混凝土泵送量实时检测单元则将位移传感器采集到的泵送油缸活塞的位置及运动速度输送至控制单元；
速凝剂输送量实时检测单元，与该控制单元连接，包括流量传感器，该流量传感器设于速凝剂输送系统速凝剂泵的速凝剂输送管道中以检测速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速，该速凝剂输送量实时检测单元则将流量传感器采集到的速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速输送至控制单元；
控制单元，用于接收人机交互单元发送的操作者的喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数，并接收混凝土泵送量实时检测单元发送的泵送油缸活塞的位置和运动速度、以及速凝剂输送量实时检测单元发送的速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速，进行运算处理后输出速凝剂用量控制参数信号至输出信号单元；同时该控制单元将该速凝剂用量控制参数信号信息发送至人机交互单元进行显示；
输出信号单元，用于接收控制单元输出的速凝剂用量控制参数信号，并将该信号发送至速凝剂输送系统以对喷射过程中速凝剂的添加量进行调节。
上述提及的自动喷射过程的相关状态信息包括喷射操控指令、速凝剂的添加配比参数、以及速凝剂用量控制参数、混凝土实时泵送量和速凝剂实际输送量。
本发明同时提供一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制方法，该方法步骤如下：
A.于混凝土泵送系统的泵送油缸内设置位移传感器，以实时检测该泵送油缸活塞的位置和运动速度；同时，于速凝剂输送系统的速凝剂输送管道中设置流量传感器，以检测速凝剂泵运行时速凝剂的实际流速；
B.人机交互单元获取操作者的喷射操控指令并发送至控制单元，并将其设定的速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数发送至控制单元；同时该人机交互单元显示该喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数信息；
C.控制单元接收操作者的喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数，同时接收位移传感器传送的泵送油缸活塞的位置和运动速度以及流量传感器传送的速凝剂泵运行时速凝剂的流速，经信号处理和逻辑运算后输出速凝剂用量控制参数信号，由输出信号单元发送至速凝剂输送系统以对喷射过程中速凝剂的添加量进行调节；同时该控制单元将该速凝剂用量控制参数信号信息反馈至人机交互单元进行显示；
其中，上述提及的信号处理和逻辑运算过程如下：
1）混凝土实时泵送量的获取：设定位移传感器检测或采集到的泵送油缸活塞的实时运动速度为V米/秒，砼缸的截面面积为S平方米，则单位时间内的混凝土实时泵送量A=V×S。
速凝剂实际输送量的获取：设定流量传感器检测或采集到的速凝泵运行时速凝剂的实时流速为U米/秒，流量传感器安装位置所处的速凝剂输送管道截面积为M平方米，则单位时间内的速凝剂实际输送量F实际=U×M。
2）设定人机交互单元设定的速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数为K，则根据当前的混凝土实时泵送量，对应的速凝剂需求量F需求= A×K；
设定速凝剂用量调节死区为△，速凝剂的用量调节分为以下几种情况：
a、当F需求＞（F实际＋△）时，则提高速凝剂用量控制参数，使至满足c的情况；
b、当F需求＜（F实际－△）时，则降低速凝剂用量控制参数，使至满足c的情况；
c、当（F实际－△）＜F需求＜（F实际＋△）时，则保持设定的速凝剂配比参数K；
d、当F实际＝0时，即流量传感器检测到速凝剂输送管道中无流量时，控制速凝剂输送系统的速凝剂泵停止自动喷射动作即停止泵送速凝剂动作，速凝剂泵停止运转。
上述提及的速凝剂用量控制参数信号信息包括速凝剂用量控制参数、混凝土实时泵送量和速凝剂实际输送量。
本发明通过在混凝土泵送系统的泵送油缸中加装位移传感器，获取活塞运动的速度，进而经过换算得出混凝土实时泵送量，在速凝剂输送管道中加装流量传感器，进而经过换算得出速凝剂实际输送量；并以混凝土实时泵送量为参考，结合速凝剂实际输送量，进而经过换算得出当前的速凝剂用量控制参数，实现速凝剂调加量的准确、自动匹配控制，并能在速凝剂流量出现异常时，主动干预自动喷射动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：在操控进行自动喷射动作过程中，通过获取砼缸中活塞的实时运动速度，得出单位时间内混凝土的准确输送量，进而得出速凝剂的理论需求量，结合实时采集的速凝剂输送量，得出速凝剂泵控制系统参数值，为速凝剂输出量的控制提供一种可靠的、准确的参考源，实现了速凝剂用量的自动匹配，避免了喷射物达不到施工工艺要求而需要返工，避免了该些现象直接带来的经济损失或者给隧道施工带来的一定质量安全隐患。保证了实际混合喷射物的品质，同时为系统的安全运行提供保障，降低操作手的劳动强度。
附图说明
图1是本发明控制装置的组成框图。
具体实施方式
本发明为一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置及方法，是一种根据混凝土实时泵送量、速凝剂实际输送量，实时调节速凝剂泵运行参数的装置及方法，在速凝剂输送量出现异常时，还可对自动喷射动作进行主动干预。通过对速凝剂添加量进行动态调节，能保证实际混合喷射物的品质，同时为设备的安全运行提供保障，降低了操作者的劳动强度。
如图1所示，本装置包括：人机交互单元、混凝土泵送量实时检测单元、速凝剂输送量实时检测单元、控制单元及输出信号单元。其中：
人机交互单元，与控制单元连接，用于接收操作者的喷射操控指令（包括自动喷射的启动和停止等），用于设定速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数，同时将该喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数发送至控制单元；还用于显示每次自动喷射过程的相关状态信息（包括喷射操控指令、速凝剂的添加配比参数、以及下面提及的速凝剂用量控制参数、混凝土实时泵送量和速凝剂实际输送量等信息）；
混凝土泵送量实时检测单元，与该控制单元连接，包括位移传感器，该位移传感器设于混凝土泵送系统的泵送油缸内以实时检测该泵送油缸活塞的位置以及运动速度。混凝土泵送量实时检测单元则将位移传感器采集到的泵送油缸活塞的位置及运动速度输送至控制单元；
速凝剂输送量实时检测单元，与该控制单元连接，包括流量传感器，该流量传感器设于速凝剂输送系统速凝剂泵的速凝剂输送管道中以检测速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速。该速凝剂输送量实时检测单元则将流量传感器采集到的速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速输送至控制单元；
控制单元，用于接收人机交互单元发送的操作者的喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数，并接收混凝土泵送量实时检测单元发送的泵送油缸活塞的位置和运动速度、以及速凝剂输送量实时检测单元发送的速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速，进行运算处理（信号处理及逻辑运算）后输出速凝剂用量控制参数信号至输出信号单元；同时该控制单元将该速凝剂用量控制参数信号信息发送至人机交互单元进行显示；
输出信号单元，用于接收控制单元输出的速凝剂用量控制参数信号，并将该信号发送至速凝剂输送系统以对喷射过程中速凝剂的添加量进行动态调节。
本发明利用上述装置进行移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制方法的具体步骤如下：
A.于混凝土泵送系统的泵送油缸内设置位移传感器，以实时检测该泵送油缸活塞的位置和运动速度；同时，于速凝剂输送系统的速凝剂输送管道中设置流量传感器，以检测速凝剂泵运行时速凝剂的实际流速；
B.人机交互单元获取操作者的喷射操控指令（包括自动喷射的启动和停止等）并发送至控制单元，并将其设定的速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数发送至控制单元；同时该人机交互单元显示该喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数信息；
C.控制单元接收操作者的喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数，同时接收位移传感器和流量传感器采集到的传感信号（即泵送油缸活塞的位置和运动速度以及速凝剂泵运行时速凝剂的流速），经运算处理后输出速凝剂用量控制参数信号，由输出信号单元发送至速凝剂输送系统以对喷射过程中速凝剂的添加量进行动态调节。同时控制单元将该速凝剂用量控制参数信号信息（包括速凝剂用量控制参数、混凝土实时泵送量及速凝剂实际输送量）反馈至人机交互单元进行显示；
其中，上述提及的信号处理和逻辑运算过程如下：
1）混凝土实时泵送量的获取：设定位移传感器检测或采集到的泵送油缸活塞的实时运动速度为V（单位:米/秒），砼缸的截面面积为S（单位:平方米），则单位时间内的混凝土实时泵送量A=V×S（方/秒）。
速凝剂实际输送量的获取：设定流量传感器检测或采集到的速凝泵运行时速凝剂的实时流速为U（单位：米/秒），流量传感器安装位置所处的速凝剂输送管道截面积为M（单位：平方米），则单位时间内的速凝剂实际输送量F实际=U×M(立方/秒）。
2）设定人机交互单元设定的速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数为K，则根据当前的混凝土实时泵送量，对应的速凝剂需求量F需求= A×K；
设定速凝剂用量调节死区为△，速凝剂的用量调节按分为以下几种情况：
a、当F需求＞（F实际＋△）时，则提高速凝剂用量控制参数，使至满足c的情况；
b、当F需求＜（F实际－△）时，则降低速凝剂用量控制参数，使至满足c的情况；
c、当（F实际－△）＜F需求＜（F实际＋△）时，则保持设定的速凝剂配比参数K；
d、当F实际＝0时，即流量传感器检测到速凝剂输送管道中无流量时，控制速凝剂输送系统的速凝剂泵停止自动喷射动作即停止泵送速凝剂动作，速凝剂泵停止运转。
关于上述提及的提高或降低速凝剂用量控制参数为现有技术，如采用液压马达驱动，通过调节液压比例阀控制速凝剂用量参数等。

Claims (4)

1.一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置，其特征在于，其包括人机交互单元、混凝土泵送量实时检测单元、速凝剂输送量实时检测单元、控制单元及输出信号单元；其中：
人机交互单元，与控制单元连接，用于接收操作者的喷射操控指令，用于设定速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数，还用于显示每次自动喷射过程的相关状态信息；同时将该喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数发送至控制单元；
混凝土泵送量实时检测单元，与该控制单元连接，包括位移传感器，该位移传感器设于混凝土泵送系统的泵送油缸内以实时检测该泵送油缸活塞的位置以及运动速度，混凝土泵送量实时检测单元则将位移传感器采集到的泵送油缸活塞的位置及运动速度输送至控制单元；
速凝剂输送量实时检测单元，与该控制单元连接，包括流量传感器，该流量传感器设于速凝剂输送系统速凝剂泵的速凝剂输送管道中以检测速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速，该速凝剂输送量实时检测单元则将流量传感器采集到的速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速输送至控制单元；
控制单元，用于接收人机交互单元发送的操作者的喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数，并接收混凝土泵送量实时检测单元发送的泵送油缸活塞的位置和运动速度、以及速凝剂输送量实时检测单元发送的速凝剂泵运行时速凝剂的实时流速，进行运算处理后输出速凝剂用量控制参数信号至输出信号单元；同时该控制单元将该速凝剂用量控制参数信号信息发送至人机交互单元进行显示；
输出信号单元，用于接收控制单元输出的速凝剂用量控制参数信号，并将该信号发送至速凝剂输送系统以对喷射过程中速凝剂的添加量进行调节。
2.如权利要求1所述的一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制装置，其特征在于，所述自动喷射过程的相关状态信息包括喷射操控指令、速凝剂的添加配比参数、以及速凝剂用量控制参数、混凝土实时泵送量和速凝剂实际输送量。
3.一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制方法，其特征在于，该方法步骤如下：
A.于混凝土泵送系统的泵送油缸内设置位移传感器，以实时检测该泵送油缸活塞的位置和运动速度；同时，于速凝剂输送系统的速凝剂输送管道中设置流量传感器，以检测速凝剂泵运行时速凝剂的实际流速；
B.人机交互单元获取操作者的喷射操控指令并发送至控制单元，并将其设定的速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数发送至控制单元；同时该人机交互单元显示该喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数信息；
C.控制单元接收操作者的喷射操控指令及速凝剂的添加配比参数，同时接收位移传感器传送的泵送油缸活塞的位置和运动速度以及流量传感器传送的速凝剂泵运行时速凝剂的流速，经信号处理和逻辑运算后输出速凝剂用量控制参数信号，由输出信号单元发送至速凝剂输送系统以对喷射过程中速凝剂的添加量进行调节；同时该控制单元将该速凝剂用量控制参数信号信息反馈至人机交互单元进行显示；
其中，上述提及的信号处理和逻辑运算过程如下：
1）混凝土实时泵送量的获取：设定位移传感器检测或采集到的泵送油缸活塞的实时运动速度为V米/秒，砼缸的截面面积为S平方米，则单位时间内的混凝土实时泵送量A=V×S；
速凝剂实际输送量的获取：设定流量传感器检测或采集到的速凝泵运行时速凝剂的实时流速为U米/秒，流量传感器安装位置所处的速凝剂输送管道截面积为M平方米，则单位时间内的速凝剂实际输送量F实际=U×M；
2）设定人机交互单元设定的速凝剂相对于混凝土用量的添加配比参数为K，则根据当前的混凝土实时泵送量，对应的速凝剂需求量F需求= A×K；
设定速凝剂用量调节死区为△，速凝剂的用量调节分为以下几种情况：
a、当F需求＞（F实际＋△）时，则提高速凝剂用量控制参数，使至满足c的情况；
b、当F需求＜（F实际－△）时，则降低速凝剂用量控制参数，使至满足c的情况；
c、当（F实际－△）＜F需求＜（F实际＋△）时，则保持设定的速凝剂配比参数K；
d、当F实际＝0时，即流量传感器检测到速凝剂输送管道中无流量时，控制速凝剂输送系统的速凝剂泵停止自动喷射动作即停止泵送速凝剂动作，速凝剂泵停止运转。
4.如权利要求1所述的一种移动式混凝土喷射机械手速凝剂自动匹配控制方法，其特征在于，所述速凝剂用量控制参数信号信息包括速凝剂用量控制参数、混凝土实时泵送量和速凝剂实际输送量。
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