CN109238803B - 一种制备可控空间变异性土样的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种制备可控空间变异性土样的方法。该方法采用3D打印原理，用户在软件端输入空间变异性土体参数，程序生成对应的空间变异性土样三维模型，切片模块对三维模型进行切片，并通过填充算法生成Gcode文件。将Gcode文件通过串口传输给STM32控制芯片，芯片根据文件信息控制硬件端的土样进料、土样搅拌、土样出料和土样打印功能，同时实时反馈模型打印的进度等信息。该方法实现自动制备空间变异性土样，方便相关科研人员对土体性质研究，同时极大节省人力、物力和财力。

Description

一种制备可控空间变异性土样的方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种制备可控空间变异性土样的方法。

背景技术

目前岩土工程中制备试验土样的方法为已经沿用100多年的手工制备。此方法不仅耗时，费力，而且最大缺点是只能制备均质土样。而自然状态的土体的性质多变，一个位置土体的强度与另外一个位置土体的强度并不一样，这被称作土体的空间变异性。自然状态的空间变异性土体性质与目前实验室制备的均质土体性质相差较大。而目前的实验室土样制备技术还不能制备与自然状态土体更加一致的符合空间变异特性的土样。

土体由三部分组成：土颗粒、水和空气。土体性质随这三种组成成分含量的变化而变化。因此在实验室内制备土样前，首先要确定这三种组成成分的比例。由于直接确定土颗粒、水和空气的比例实用性不强，往往通过采用间接参数控制三者之间的比例，例如：含水量、压实度等。当确定土样的目标含水量和压实度后，根据土样的初始状态的性质，比如初始含水量、干密度等，参照《土工试验方法标准》GB/T50123-1999，计算制备目标含水量土体所需要的水量。首先将定量初始土样放入拌土器中，然后将定量的水量逐渐加进土样中，通过不断的搅拌，使土样与水充分混合均匀，直至将所需水分全部加入土样中，使土样达到目标含水量。然后通过指定的目标压实度，将具有目标含水量的土样，按照一定的质量逐层均匀的压入土样模具中，每一层土样都需要通过击实，才能达到目标压实度，为增强土样的整体性，每层土样之间需要进行刮毛处理，完成所有土层的压实。

现有技术的问题及缺陷:

1.传统人工制备土样方法制备的土样为均质土样，不能制备空间变异性土体，同时制备的土样不能反映自然界中土体的空间变异性质。

2.传统人工制备土样方法采用的仪器为：拌土器、搅拌装置、模型箱、击实器，使得手工制备土样过程繁琐，耗时长，花费的人工费、材料费和仪器使用费过高。

3.依照传统人工制样方法制备的土样质量极大地依赖于操作人的经验和水平，土样的质量和重复性没有保障。

另外，例如CN105931559A公开了一种3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法，包括模型槽、模型隧道打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备，利用3D打印技术实现隧道模型试验的精准施工和试验用土的精确控制填筑。但该方法不适合于可控空间变异性土样的制备。

CN107035149A公开了一种无模3D打印浇筑混凝土工艺及应用，属于建筑工程3D打印技术领域。工艺流程包括，S1)绑扎钢筋笼；S2)配比并搅拌混凝土；S3)利用混凝土3D打印机进行钢筋笼外侧的主体外层打印，同时加入速凝外加剂；S4)对于打印混凝土体积直径超过400mm的墙体或柱体，主体外层打印的同时，应同步进行主体内部空间的灌注，并于2分钟内完成厚度100mm以上的灌注量；S5)在灌注于主体内部的混凝土初凝前完成振捣。但该方法不适合于可控空间变异性土样的制备。

发明内容

本发明提出一种制备可控空间变异性土样的方法，该方法采用3D打印原理，用户在软件端输入空间变异性土体参数，程序生成对应的空间变异性土样三维模型，切片模块对三维模型进行切片，并通过填充算法生成Gcode文件。将Gcode文件通过串口传输给STM32控制芯片，芯片根据文件信息控制硬件端的土样进料、土样搅拌、土样出料和土样打印功能，同时实时反馈模型打印的进度等信息。该方法实现自动制备空间变异性土样，方便相关科研人员对土体性质研究，同时极大节省人力、物力和财力。

本发明基于3D打印原理，实现三维空间变异性土样的制备功能。

具体地，所述一种制备可控空间变异性土样的方法通过以下技术方案来实现，该方法主要包括以下步骤：

(1)土样的三维坐标控制。在土体的三维坐标控制上，采用STM32芯片、42步进电机和丝杆方式进行三维坐标的运动控制。

土样打印机的三维控制框架外壳采用铝合金工字型支撑。其中，竖向滑台模块控制打印装置的竖向运动；水平滑台模块控制打印装置的水平运动；在竖向滑台和水平滑台交接处采用电动分度盘模块，功能是对水平滑台进行旋转，从而控制打印喷口的旋转运动。

电动分度盘的旋转运动和竖向滑台的竖向运动、水平滑台的水平运动协调工作，共同打印目标土样。上位机在对目标土样进行切片后，获取每个打印单元的土样三维坐标值和含水率，并将其生成执行机构可识别的gcode文件格式。控制芯片根据gcode文件信息，以及步进电机的S型算法，输出相应的PWM控制信号，控制竖向滑台、水平滑台和电动分度盘的步进电机进行协调统一工作，打印目标坐标位置和含水率的单元土样。

采用切片算法可以对土样信息进行详细解剖，保证目标土样信息的完备性。Gcode文件是目前主流的执行机构可识别文件格式，便于控制芯片的读取。S型算法能保证步进电机启动、运行和停止的稳定性，进而保证电机的控制进度。PWM控制信号为步进电机的控制信号，也是目前主流的步进电机控制信号，有助于对步进电机的精准控制。

(2)土样的进料控制。采用STM32芯片、螺旋进料器和闭环步进电机进行土料和水料的进料量控制。

土样的进料控制采用STM32、螺旋进料器和闭环步进电机统一控制。其中，STM32控制芯片根据上位机设置的单元土样三维坐标和土样含水率进行输出相应目标土样的干土料和水料的配比信号。螺旋进料器的进给电机在收到信号后控制干土料的进料；霍尔传感器和电磁阀控制水料的进给。

(3)土样的搅拌控制。采用STM32芯片、闭环步进电机和搅拌器配置不同土水混合比的土样。

在干土料和水料按照预定目标进入搅拌装置后，闭环步进电机根据STM32芯片传输的控制信号，带动搅拌仓进行相关转速的旋转，使得搅拌仓内的干土料和水料进行混合，并满足目标含水率。含水率范围为0％到70％。

(4)土样的出料控制。采用STM32芯片、减速器和圆锥螺旋进料器控制土样的出料量。

当干土料和水料搅拌完毕后，在增气装置的带动下，进入出料前置仓，出料前置仓为土样出料前的临时储备装置。此时，减速器带动圆锥型变螺距螺旋进料器进行转动，并将出料前置仓的土样打印至目标三维坐标处。

圆锥型变螺距螺旋进料器的作用是保证土样的稳定匀速出料，提高土样的打印精度，比如：土样的三维坐标更加准确。

(5)土样的软件界面。采用MFC和Opengl实现土样模型的参数输入，进而自动生成三维空间变异性土样模型，并进行模型自动三维切片，生成可供控制芯片和电机读取的Gcode文件。

土样打印装置的软件界面主要包括：土样信息输入、土样生成、土样切片、土样Gcode文件生成以及土样显示窗口。

信息输入主要是用户根据自身的目标土样的参数性质，在软件中输入土样参数信息。土样的参数信息输入包括：土样的几何信息(长方体土样为：长、宽、高；圆主体土样为：直径和高)、土样的随机场参数(土样的含水率、水平波动范围、竖向波动范围、标准差、均值等)。

土样生成是根据土样的参数信息输入，生成对应的土样模型，并在土样显示窗口显示出来。生成的效果是三维土样模型，同时在模型表面为不同含水率对应的色磅，土样模型可透明显示，进而展示内部土样的含水率对应的色磅。

土样切片是根据打印土样的单元尺寸，采用等距切片算法对土样模型进行切片，获取每个切片面与土样模型重合面对应的土样的三维坐标、含水率信息，并整合到数据文件中。

土样Gcode文件生成主要是将土样切片得到的数据文件进行转换，变为可供执行机构识别的文件格式。

土样显示窗口主要是为了显示土样模型，给用户更直观形象的立体感觉。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

1.本发明提供的土样制备方法能根据自然状态下土体的空间变异特性生成相应的三维空间变异性土样特征，同时采用程序进行土样制备的自动控制，实现了机器自动制备空间变异性土样的功能，克服了传统手工制备土样方法中无法制备空间变异性土样的缺点。

2.本发明的土样制备流程实现了自动化控制，无需实验员进行大量复杂的工序和操作流程，极大节省了科研人员时间和费用。

3.本发明利用机器自动操作，制备的土样重复性较好。

附图说明

图1，本发明制备可控空间变异性土样的方法的各个模块流程图，包括控制端，软件端和硬件端。

图2，本发明制备可控空间变异性土样的方法的装置模型图。

图3，本发明制备可控空间变异性土样的方法的软件界面图。

图4，本发明制备可控空间变异性土样的方法的控制芯片界面。

图5，本发明土样打印效果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。

实施例1

参照图1、2、3和4所示，制备方法如下：

(1)土样的三维坐标控制；在土体的三维坐标控制上，采用STM32芯片、42步进电机和丝杆方式进行三维坐标的运动控制；

(2)土样的进料控制；采用STM32芯片、螺旋进料器和闭环步进电机进行土料和水料的进料量控制；

(3)土样的搅拌控制；采用STM32芯片、闭环步进电机和搅拌器配置不同土水混合比的土样；

(4)土样的出料控制；采用STM32芯片、减速器和圆锥螺旋进料器控制土样的出料量；

土样的软件界面；采用MFC和Opengl实现土样模型的参数输入，进而自动生成三维空间变异性土样模型，并进行模型自动三维切片，生成可供控制芯片和电机读取的Gcode文件；最终制备得到可控空间变异性土样

本发明进行空间变异性土样制备主要实施过程如下：

在软件端，用户点击工具栏中的“土样模型生成”按钮，在弹出的新窗口中输入相关土性参数(土样的长，宽，高，以及土样的水平波动范围，竖向波动范围，土样不排水抗剪强度均值，标准差等。)；

本发明以一个土体单元为例进行描述，单元土样的长为1cm，宽为1cm，高为5mm，土样的水平波动范围为1.5m，竖向波动范围为1.5m，土样的不排水抗剪强度均值为20kPa，标准差为1.5)。

点击“土样模型生成”按钮，得到待打印土样；点击“土样切片”按钮，对生成土样进行切片，获取土样的打印顺序信息(土样轮廓和内部填充)，并将切片文件转成GCode文件，传输给打印机。在控制端，控制芯片读取GCode文件，根据文件信息对电机进行控制，打印土样。土样打印效果如图5所示。

从上述结果可见，该土样制备方法能根据自然状态下土体的空间变异特性生成相应的三维空间变异性土样特征，同时采用程序进行土样制备的自动控制，实现了机器自动制备空间变异性土样的功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种制备可控空间变异性土样的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)土样的三维坐标控制；在土体的三维坐标控制上，采用STM32芯片、42步进电机和丝杆方式进行三维坐标的运动控制；

(2)土样的进料控制；采用STM32芯片、螺旋进料器和闭环步进电机进行土料和水料的进料量控制；

(3)土样的搅拌控制；采用STM32芯片、闭环步进电机和搅拌器配置不同土水混合比的土样；

(4)土样的出料控制；采用STM32芯片、减速器和圆锥螺旋进料器控制土样的出料量；

(5)土样的软件界面；采用MFC和Opengl实现土样模型的参数输入，进而自动生成三维空间变异性土样模型，并进行模型自动三维切片，生成可供控制芯片和电机读取的Gcode文件；最终制备得到可控空间变异性土样；

其中，步骤(1)中土样打印机的三维控制框架外壳采用铝合金工字型支撑；其中，竖向滑台模块控制打印装置的竖向运动；水平滑台模块控制打印装置的水平运动；在竖向滑台和水平滑台交接处采用电动分度盘模块，功能是对水平滑台进行旋转，从而控制打印喷口的旋转运动；

电动分度盘的旋转运动和竖向滑台的竖向运动、水平滑台的水平运动协调工作，共同打印目标土样；上位机在对目标土样进行切片后，获取每个打印单元的土样三维坐标值和含水率，并将其生成执行机构可识别的gcode文件格式；控制芯片根据gcode文件信息，以及步进电机的S型算法，输出相应的PWM控制信号，控制竖向滑台、水平滑台和电动分度盘的步进电机进行协调统一工作，打印目标坐标位置和含水率的单元土样；

步骤(2)土样的进料控制采用STM32、螺旋进料器和闭环步进电机统一控制；其中，STM32控制芯片根据上位机设置的单元土样三维坐标和土样含水率进行输出相应目标土样的干土料和水料的配比信号；螺旋进料器的进给电机在收到信号后控制干土料的进料；霍尔传感器和电磁阀控制水料的进给；

步骤(3)中在干土料和水料按照预定目标进入搅拌装置后，闭环步进电机根据STM32芯片传输的控制信号，带动搅拌仓进行相关转速的旋转，使得搅拌仓内的干土料和水料进行混合，并满足目标含水率；

步骤(4)中当干土料和水料搅拌完毕后，在增气装置的带动下，进入出料前置仓，出料前置仓为土样出料前的临时储备装置；此时，减速器带动圆锥型变螺距螺旋进料器进行转动，并将出料前置仓的土样打印至目标三维坐标处；

步骤(5)中土样打印装置的软件界面主要包括：土样信息输入、土样生成、土样切片、土样Gcode文件生成以及土样显示窗口；

其中，信息输入主要是用户根据自身的目标土样的参数性质，在软件中输入土样参数信息；土样的参数信息输入包括：土样的几何信息，选自长方体土样为：长、宽、高，或者圆柱体土样为：直径和高，土样的随机场参数，选自土样的含水率、水平波动范围、竖向波动范围、标准差、均值；

土样生成是根据土样的参数信息输入，生成对应的土样模型，并在土样显示窗口显示出来；生成的效果是三维土样模型，同时在模型表面为不同含水率对应的色磅，土样模型可透明显示，进而展示内部土样的含水率对应的色磅；

土样切片是根据打印土样的单元尺寸，采用等距切片算法对土样模型进行切片，获取每个切片面与土样模型重合面对应的土样的三维坐标、含水率信息，并整合到数据文件中；

土样Gcode文件生成主要是将土样切片得到的数据文件进行转换，变为可供执行机构识别的文件格式。

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