CN110076637A - 一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机及其使用方法，属于机械工程技术领域，能够解决混凝土孔内侧壁无法凿毛的问题。本发明包括结构部分、自动控制部分和人机交互界面部分，结构部分和自动控制部分通过3台伺服电机，每台伺服电机控制1个自由度，实现底部磨片在极坐标下的三维自由移动。人机交互界面与自动控制部分共同实现了凿毛结果的反馈。采用电机在连接杆上部和磨片在连接杆下部的方式，将磨片伸入孔内工作，解决传统的凿毛机无法伸入孔内进行工作的问题。本发明可伸入混凝土孔内，实现孔内侧壁全自动凿毛功能，保证混凝土与砂浆等粘结材料的整体性，提高粘结强度。

Description

一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机及其使用方法

技术领域

本发明为一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机及其使用方法，属于机械工程技术领域。

背景技术

凿毛机作为土木工程中常用的机械设备，是一种把两个施工阶段的施工面进行粗糙处理从而提高两个施工面粘结强度的工具，通常应用在现浇混凝土结构中。凿毛机按工作方式大致分为：手持式、手推式、手扶式、机载式，可用于桥面、高速铁路表面防水处理、去除地面涂层、各种交通标线、重新获得摩擦系数很高的粗糙表面等。

现有的凿毛机大多只能处理裸露的表面，对于混凝土钻孔后的孔内侧壁，无法对其凿毛，尤其在抗浮锚杆的施工时，常常有二次灌浆的要求，若无法对孔内侧壁进行凿毛，则很难保证灌浆后结构的整体性，增加了工程的安全隐患。

由于存在上述问题，现有的工程技术无法保证灌浆后孔内粘结完好，这说明发明一种可在孔内进行凿毛工作的机械设备是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种在混凝土孔内侧壁可以自由移动、凿毛的机器设备，同时通过自动控制，实现完全自动化凿毛操作，不仅能解决传统凿毛机无法解决的孔内侧壁凿毛的问题，还可根据不同的需求，凿毛出各种形状，以满足设计、施工的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机，包括结构部分、自动控制部分、人机交互界面，共三部分。

所述的结构部分包括螺纹杆1、钢架3、固定器4、水平导轨8、连接杆11、磨片12、锁紧螺丝13。所述的固定器4架设在井口平坦位置处，固定器4通过三角架与螺纹杆1连接，三角架上部设有带通孔的钢架3，通孔用于通过螺纹杆1；钢架3上方固定1号伺服电机，1号伺服电机通过减速齿轮与螺纹杆1连接。所述的螺纹杆1上刻有螺纹，用于与减速齿轮卡齐，1号伺服电机与减速齿轮通过减速齿轮与螺纹杆1的咬合作用控制螺纹杆1的上下移动与固定。所述的螺纹杆1底部通过法兰盘6与2号伺服电机7固接，2号伺服电机7下方通过另一个法兰盘6与水平导轨8上部分固接。2号伺服电机自转时，通过其下方的法兰盘6带动下部结构旋转。所述的水平导轨8分为上下导轨两部分，水平导轨8下导轨在水平方向上通过连接器与3号伺服电机9相连，3号伺服电机9通过连接器控制水平导轨8的上下导轨相互分离；水平导轨8下导轨在竖直方向上下方与4号伺服电机10通过法兰盘固接。所述的4号伺服电机10下方安装连接杆11，连接杆11底部安装磨片12，磨片12通过底部锁紧螺丝13固定在连接杆11上，4号伺服电机10只控制磨片12的旋转。所述的整个结构通过1号伺服电机2、2号伺服电机7、3号伺服电机9实现底部磨片12的三维自由运动，并通过4号伺服电机10控制磨片12的旋转。

进一步的，所述的结构部分还可以包括井内支架5，架设在螺纹杆1中部，井内支架与水管连接，用于减小凿毛时结构的整体振动，从而保证凿毛质量。

所述的自动控制部分包括1号伺服电机2、2号伺服电机7、3号伺服电机9、4号伺服电机10、电位开关传感器14、角度测量传感器15、位移传感器16、电子陀螺仪17。所述的1号伺服电机2控制螺纹杆1上升、下降距离，电位开关传感器14固定在钢架3上方，另一侧与螺纹杆1搭接，用于记录并反馈螺纹杆1上下移动的距离。所述的2号伺服电机7用于控制连接杆11并以螺纹杆1中心线为轴旋转，角度测量传感器15一端固定在水平导轨8上端，另一端搭接在2号伺服电机7转盘处，用于记录并反馈2号伺服电机7旋转的角度。所述的3号伺服电机9控制水平导轨8下方导轨移动的水平距离，位移传感器16用于记录和反馈水平导轨的移动距离。所述的电子陀螺仪17固定在水平导轨上导轨上方，用于记录并反馈水平导轨8旋转的角度。所述的连接杆11上固接超声波探距器18和红外摄像头19，超声波探距器18用于记录并反馈凿毛深度，红外摄像头19用于反馈孔内实时凿毛情况，超声波探距器18和红外摄像头19在磨片12上方。

所述人机交互界面包括出厂设置界面和初始化界面，在出厂设置界面中可以分别设置4台伺服电机的正反转、转速、标定系数，用于控制4台电机的旋转方向、转速、转动1周时对应移动的距离。初始化界面可以看到之前的出厂设置界面以及控制结构移动的粗调控制界面和精细控制界面。所述人机交互界面还包括工作前输入界面和工作时反馈界面。工作前输入界面包括槽位标号，用于输入凿毛顺序；Z轴间距，用于输入相邻两道槽的间距；每层进深，用于输入该层凿毛深度；还设有形状选择、单步多步控制、特殊编程、来自文件，用于方便使用者提前设定凿毛形状，并可通过X轴、Z轴旋钮来修改凿毛前磨片12的初始位置。另外，还设有开始、喷水、暂停、复位、急停操作开关。所述的工作时反馈界面包括槽位标号，用于记录已完成凿毛部分的顺序；Z轴，用于记录已完成凿毛部分的间距；深度，用于记录已完成凿毛部分的深度；还设有实时视频和孔内图像，用于记录已完成凿毛部分的形状并可观看凿毛实时视频。另外，还设有开始、喷水、暂停、复位、急停操作开关。

所述的磨片12的运动轨迹即为最终在井内侧壁上凿毛出的形状，当磨片12在人机交互界面下设置好参数，通过自动控制部分传达至结构，再由结构执行并反馈结果的情况下，可完成预设轨迹的凿毛工作。

一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机的使用方法，包括以下步骤：

第一步，将凿毛机通过三脚架放置在钻好孔的井口上方，并通过简单测量，量测出螺纹杆1偏离井口中心的位置，通过人机交互界面的初始化界面中的粗调对中，使螺纹杆1中心尽量与井口中心重合，并在合适的位置展开井内支架。

第二步，在“人机交互界面”中的“出厂设置界面”里分别设置4台电机的正反转、转速、标定系数，其中标定系数是固定的，取决于结构出厂时的测试参数，2、4号电机由于只是自转，可不设置标定系数。

第三步，根据预设轨迹，在“人机交互界面”中的“工作前输入界面”里输入凿毛轨迹。

第四步，点击“人机交互界面”中“工作前输入界面”里的“喷水键后”，点击“开始键”。

第五步，凿毛机会根据第三步输入的凿毛轨迹开始工作，同时“人机交互界面”会自动跳转为“工作时反馈界面”。

第六步，观察“工作时反馈界面”中的记录情况，并通过实时视频和孔内图像判断凿毛工作进展情况。

第七步，待“工作时反馈界面”全部记录结束，凿毛工作随即完成。

本发明的原理分为凿毛原理和全自动原理。其中，全自动原理为：先通过电脑，即人机交互界面向运动控制卡传输凿毛轨迹指令，该指令由C#语言编写；运动控制卡接收指令后，向结构装置中的自动控制部分，即4台伺服电机传输运行指令；之后，自动控制部分中的位移传感器、角度传感器等结果反馈给运动控制卡；最后，由运动控制卡将反馈的结果再反馈给电脑，从而再次得到电脑上传来的新指令。凿毛原理为：先在全自动混凝土孔内侧壁凿毛机的结构部分设置3台伺服电机，并合理安排结构，使得每个电机控制1个自由度，分别为水平方向、竖直方向和旋转，实现机器在极坐标下的3维自由移动；再通过螺纹杆和连接杆将机器下部和磨片顺利地伸入孔内，并通过井内支架固定机器减少振动；最后通过第4台电机来单独控制磨片的旋转，从而实现磨片在混凝土孔内任意位置的凿毛。采用上述方式而做成的全自动混凝土孔内侧壁凿毛机，实现了将磨片伸入孔内，从而实现磨片在孔内的自由工作，并可通过更改磨片的移动轨迹凿毛出任意形状的刻痕。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明可伸入混凝土孔内，解决了传统凿毛机无法在孔内凿毛的难题，实现孔内侧壁凿毛功能，保证混凝土与砂浆等粘结材料的整体性，提高粘结强度，保证工程质量；另外，以全自动控制的方式可节约人力，提高效率。本发明亦可适用于一些坚固的土层、岩石及混凝土，从而提高粘结材料与上述基体的粘结强度。

附图说明

图1为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机的结构示意图。

图2为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机自动控制部分电位开关的位置。

图3为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机自动控制部分角度测量传感器的位置。

图4为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机自动控制部分位移传感器和电子陀螺仪的位置。

图5为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机自动控制部分超声波探距器和红外摄像头的位置。

图6为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机的全自动原理。

图7为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机人机交互界面部分的初始化界面和出厂设置界面示意图。

图8为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机人机交互界面部分的工作前输入界面示意图。

图9为全自动混凝土孔内侧壁凿毛机人机交互界面部分的工作时反馈界面示意图。

图中：1螺纹杆；2 1号伺服电机；3钢架；4固定器；5井内支架；6法兰盘；7 2号伺服电机；8水平导轨；9 3号伺服电机；10 4号伺服电机；11连接杆；12磨片；13锁紧螺丝；14电位开关传感器；15角度测量传感器；16位移传感器；17电子陀螺仪；18超声波探距器；19红外摄像头。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机，包括结构部分、自动控制部分、人机交互界面部分，共三部分。

所述的结构部分包括螺纹杆1、1号伺服电机2、钢架3、固定器4、井内支架5、2号伺服电机7、水平导轨8、3号伺服电机9、4号伺服电机10、连接杆11、磨片12、锁紧螺丝13。所述的固定器4架设在井口平坦位置处，固定器4通过三角架与螺纹杆1连接，三角架上部设有带通孔的钢架3，通孔用于通过螺纹杆1；钢架3上方固定1号伺服电机，1号伺服电机通过减速齿轮与螺纹杆1连接。所述的螺纹杆1上刻有螺纹，用于与减速齿轮卡齐，1号伺服电机与减速齿轮通过减速齿轮与螺纹杆1的咬合作用控制螺纹杆1的上下移动与固定。所述的螺纹杆1中部架设井内支架5及水管，用于减小凿毛时结构的整体振动，从而保证凿毛质量。所述的螺纹杆1底部通过法兰盘6与2号伺服电机7固接，2号伺服电机7下方通过另一个法兰盘6与水平导轨8上部分固接，2号伺服电机自转时，通过其下方的法兰盘6带动下部结构旋转。所述的水平导轨8分为上下导轨两部分，水平导轨8下导轨在水平方向上通过连接器与3号伺服电机9相连，3号伺服电机9通过连接器控制水平导轨8的上下导轨相互分离；水平导轨8下导轨在竖直方向上下方与4号伺服电机10通过法兰盘固接。所述的4号伺服电机10下方安装连接杆11，连接杆11底部安装磨片12，磨片12通过底部锁紧螺丝13固定在连接杆11上，4号伺服电机10只控制磨片12的旋转。所述的整个结构通过1号伺服电机2、2号伺服电机7、3号伺服电机9实现底部磨片12的三维自由运动，并通过4号伺服电机10控制磨片12的旋转。

所述的自动控制部分包括1号伺服电机2、电位开关传感器14，1号伺服电机2通过给出的指令控制螺纹杆上升、下降的距离，电位开关传感器14固定在钢架3上方，另一侧与螺纹杆1搭接，用于记录并反馈螺纹杆1上下移动的距离。所述的井内支架及水管5中的水管通过电子设备可控制其是否加水及井内支架何时展开。所述的2号伺服电机7可通过给出的指令控制其是否旋转；所述的角度测量传感器15一端固定在水平导轨8上端，另一端搭接在2号伺服电机7转盘处，可以记录并反馈2号伺服电机7旋转的角度。所述的连接器与3号伺服电机9通过给出的指令控制水平导轨8下方导轨移动的水平距离；所述的位移传感器16用于记录和反馈水平导轨的移动距离；所述的电子陀螺仪17固定在水平导轨上导轨上方，用于记录并反馈水平导轨8旋转的角度。所述的连接杆11上固接有超声波探距器18和红外摄像头19，超声波探距器18用于记录并反馈凿毛深度，红外摄像头19用于反馈孔内实时凿毛情况，超声波探距器18和红外摄像头19在磨片12上方。所述的自动控制部分内的所有构件均由电线等连接至电脑和运动控制卡，用于发送指令和接收反馈。

所述人机交互界面包括出厂设置界面和初始化界面，在出厂设置界面中可以分别设置4台伺服电机的正反转、转速、标定系数，用于控制4台电机的旋转方向、转速、转动1周时对应移动的距离；初始化界面可以看到之前设置的出厂设置界面以及控制结构移动的粗调控制界面和精细控制界面。所述人机交互界面还包括工作前输入界面和工作时反馈界面，工作前输入界面包括槽位标号，用于输入凿毛顺序；Z轴间距，用于输入相邻两道槽的间距；每层进深，用于输入该层凿毛深度；还设有形状选择、单步多步控制、特殊编程、来自文件，用于方便使用者提前设定凿毛形状，并可通过X轴、Z轴旋钮来修改凿毛前磨片12的初始位置；另外，还设有开始、喷水、暂停、复位、急停操作开关。所述的工作时反馈界面包括槽位标号，用于记录已完成凿毛部分的顺序；Z轴，用于记录已完成凿毛部分的间距；深度，用于记录已完成凿毛部分的深度；还设有实时视频和孔内图像，用于记录已完成凿毛部分的形状并可观看凿毛实时视频；另外，还设有开始、喷水、暂停、复位、急停操作开关。

所述的磨片12的运动轨迹即为最终在井内侧壁上凿毛出的形状，当磨片12在人机交互界面下设置好参数，通过自动控制部分传达至结构，再由结构执行并反馈结果的情况下，可完成预设轨迹的凿毛工作。

一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机的使用方法，包括以下步骤：

第一步，将凿毛机通过三脚架放置在钻好孔的井口上方，并通过简单测量，量测出螺纹杆1偏离井口中心的位置，通过人机交互界面的初始化界面中的粗调对中，使螺纹杆1中心尽量与井口中心重合，并在合适的位置展开井内支架。

第二步，在“人机交互界面”中的“出厂设置界面”里分别设置4台电机的正反转、转速、标定系数，其中标定系数是固定的，取决于结构出厂时的测试参数，2、4号电机由于只是自转，可不设置标定系数。

第三步，根据预设轨迹，在“人机交互界面”中的“工作前输入界面”里输入凿毛轨迹。

第四步，点击“人机交互界面”中“工作前输入界面”里的“喷水键后”，点击“开始键”。

第五步，凿毛机会根据第三步输入的凿毛轨迹开始工作，同时“人机交互界面”会自动跳转为“工作时反馈界面”。

第六步，观察“工作时反馈界面”中的记录情况，并通过实时视频和孔内图像判断凿毛工作进展情况。

第七步，待“工作时反馈界面”全部记录结束，凿毛工作随即完成。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机，其特征在于，所述的全自动混凝土孔内侧壁凿毛机包括结构部分、自动控制部分、人机交互界面；

所述的结构部分包括螺纹杆(1)、钢架(3)、固定器(4)、水平导轨(8)、连接杆(11)、磨片(12)、锁紧螺丝(13)；所述的固定器(4)架设在井口平坦位置处，固定器(4)通过三角架与螺纹杆(1)连接，三角架上部设有带通孔的钢架(3)，通孔用于通过螺纹杆(1)；钢架(3)上方固定1号伺服电机，1号伺服电机通过减速齿轮与螺纹杆(1)连接；所述的螺纹杆(1)上刻有螺纹，用于与减速齿轮卡齐，通过减速齿轮与螺纹杆(1)的咬合作用控制螺纹杆(1)的上下移动与固定；所述的螺纹杆(1)底部通过2号伺服电机(7)与水平导轨(8)上导轨固接，2号伺服电机自转带动下部结构旋转；所述的水平导轨(8)分为上下导轨两部分，水平导轨(8)下导轨在水平方向上通过连接器与3号伺服电机(9)相连，3号伺服电机(9)通过连接器控制水平导轨(8)的上下导轨相互分离；水平导轨(8)下导轨在竖直方向上下方与4号伺服电机(10)固接；所述的4号伺服电机(10)下方安装连接杆(11)，磨片(12)通过底部锁紧螺丝(13)固定在连接杆(11)上，4号伺服电机(10)只控制磨片(12)的旋转；

所述的自动控制部分包括1号伺服电机2、2号伺服电机(7)、3号伺服电机(9)、4号伺服电机(10)、电位开关传感器(14)、角度测量传感器(15)、位移传感器(16)、电子陀螺仪(17)；所述的1号伺服电机2控制螺纹杆(1)上升、下降距离，电位开关传感器(14)固定在钢架(3)上方，另一侧与螺纹杆(1)搭接，用于记录并反馈螺纹杆(1)上下移动的距离；所述的2号伺服电机(7)用于控制连接杆(11)并以螺纹杆(1)中心线为轴旋转，角度测量传感器(15)一端固定在水平导轨(8)上端，另一端搭接在2号伺服电机(7)转盘处，用于记录并反馈2号伺服电机(7)旋转的角度；所述的3号伺服电机(9)控制水平导轨(8)下方导轨移动的水平距离，位移传感器(16)用于记录和反馈水平导轨的移动距离；所述的电子陀螺仪(17)固定在水平导轨上导轨上方，用于记录并反馈水平导轨(8)旋转的角度；所述的连接杆(11)上固接超声波探距器(18)和红外摄像头(19)，超声波探距器(18)用于记录并反馈凿毛深度，红外摄像头(19)用于反馈孔内实时凿毛情况，超声波探距器(18)和红外摄像头(19)在磨片(12)上方；

所述人机交互界面包括出厂设置界面和初始化界面，在出厂设置界面中设置4台伺服电机的正反转、转速、标定系数，控制电机的旋转方向、转速、转动1周时对应移动的距离；所述人机交互界面还包括工作前输入界面和工作时反馈界面；

整个结构通过1号伺服电机2、2号伺服电机(7)、3号伺服电机(9)实现底部磨片(12)的三维自由运动，并通过4号伺服电机(10)控制磨片(12)的旋转。

2.根据权利要求1所述的一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机，其特征在于，所述的结构部分还可以包括井内支架5，架设在螺纹杆(1)中部，井内支架与水管连接，用于减小凿毛时结构的整体振动，保证凿毛质量。

3.权利要求1或2所述的一种全自动混凝土孔内侧壁凿毛机的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将凿毛机通过三脚架放置在钻好孔的井口上方，并通过简单测量，量测出螺纹杆1偏离井口中心的位置，通过人机交互界面的初始化界面中的粗调对中，使螺纹杆1中心尽量与井口中心重合，并在合适的位置展开井内支架；

第二步，在“人机交互界面”中的“出厂设置界面”里分别设置4台电机的正反转、转速、标定系数，其中标定系数是固定的，取决于结构出厂时的测试参数，2、4号电机由于只是自转，可不设置标定系数；

第三步，根据预设轨迹，在“人机交互界面”中的“工作前输入界面”里输入凿毛轨迹；

第四步，点击“人机交互界面”中“工作前输入界面”里的“喷水键后”，点击“开始键”；

第五步，凿毛机会根据第三步输入的凿毛轨迹开始工作，同时“人机交互界面”会自动跳转为“工作时反馈界面”；

第六步，观察“工作时反馈界面”中的记录情况，并通过实时视频和孔内图像判断凿毛工作进展情况；

第七步，待“工作时反馈界面”全部记录结束，凿毛工作随即完成。