CN111814363A - 与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法,包括如下步骤:步骤一、建立混凝土布料机布料作业时的数学模型;步骤二、计算布料点布料方量;步骤三、布料机计算机控制系统以布料作业总时间最小为最优解指标,将最佳布料施工方案转化为布料机智能施工布料控制参数;步骤四、将步骤三中的最佳布料施工方案的布料控制参数输出给布料机机械控制系统,控制混凝土布料机进行布料。该混凝土布料机智能布料方法,根据建立的数学模型,以布料作业总时间最小为最优解指标,并以此控制混凝土布料机进行布料,使布料机臂架能够越过钢柱等障碍结构、全程自动化智能精准布料,具有布料路径更为科学合理、智能化程度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法,属于建筑施工中混凝土布料机智能控制技术领域。
背景技术
混凝土布料机是建筑结构施工中基本的机械布料设备,传统的布料机为竖折臂布料臂架机构,采用调整各臂架机构的角度的方法调整布料位置,且布料方案是通过人为操控各臂节机构达到移动布料位置的目的。这种方法提高了人工成本,且布料路径优劣完全依赖操作人员的能力、经验,布料机工业化水平较低。
国内相关专利“一种混凝土布料机、顶升式混凝土布料装置及其使用方法”,申请号为201811336791.X,实现了混凝土布料机与钢平台模架的集成功能,其布料施工量化计算方法并未涉及,仍是传统工艺,有待进一步优化。如何使与钢平台一体化的混凝土布料机实现智能布料,是一项亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中高层、超高层建筑施工中,混凝土布料存在工业化水平低的问题,本发明提供了一种与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法。
为解决以上技术问题,本发明包括如下技术方案:
一种与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法,包括如下步骤:
步骤一、建立混凝土布料机布料作业时的数学模型;包括:
导入建筑结构的平面布置图,形成三维立体模型,并建立全局的三维柱坐标系,布料机的中心为坐标系原点,坐标系的ρ轴、z轴分别为布料机施工作业时机械臂所在立面的水平线、竖直线,θ角以ρ轴为起点逆时针为正方向;
输入劲性钢柱的位置坐标,以劲性钢柱最高点表示劲性钢柱的空间位置,形成三维柱坐标系下劲性钢柱的点集合{P sci (θ sci ,ρ sci ,z sci ),i=1,…, M};输入各钢平台爬升导轨钢柱位置坐标,以钢平台爬升导轨钢柱最高点表示钢平台爬升导轨钢柱空间位置,形成三维柱坐标系下钢平台爬升导轨钢柱的点集合{P srj (θ sr ,ρ sr ,z sr ), j=1,…, L};输入各布料点位置坐标,确定布料点高度z spk ,形成三维柱坐标系下布料点的点集合{P spk (θ spk ,ρ spk ,z spk ), k=1,…, N};
对布料机臂架各臂节长度赋值,初始化布料机状态函数F(β 1,β 2,…,β K ;R 1,R 2,…,R K ),见公式(1),
其中,K为布料机臂架的臂节个数,R 1、R 2、…、R K 分别为相应臂节对应的长度;α i 为向量相对于ρ轴正向的转角;β 1为向量相对于ρ轴正向的转角,β i (i≥2)为向量相对于
向量的转角;
步骤二、布料机计算机控制系统根据布料点位置和建筑结构平面图划分布料区域,由布料区域面积和结构施工层高计算布料点布料方量;
步骤三、布料机在布料点P spk (θ spk ,ρ spk ,z spk )进行布料作业时,布料机的第K臂节的布料端的端点坐标(θ K ,ρ K ,z K )应满足公式(2),
在满足公式(2)的前提下,布料机计算机控制系统以布料作业总时间最小为最优解指标,将最佳布料施工方案转化为布料机智能施工布料控制参数;
其中,布料机布料作业总时间最小的判定指标为布料机臂架调整时间最小,布料机臂架调整时间计算方法为:
(1)布料机从第i布料位置到第i+1布料位置,布料机臂节运动路径中不存在钢平台爬升导轨钢柱和劲性钢柱,则布料机臂架调整时间计算见公式(3):
式中,K表示布料机臂架的臂节个数,N表示布料位置个数,η j 为第j节臂架的转动效率,β j,i+1-β j,i 表示第j节臂架由第i布料位置到第i+1布料位置的夹角;
(2)布料机从第i布料位置到第i+1布料位置,布料机臂架运动路径中存在钢平台爬升导轨钢柱或劲性钢柱,导致布料机臂节无法直接越过,布料机的臂节需先调整至中间状态,在越过障碍物后再次调整布料机状态;将第j臂节的中间状态的角度记为β j,ii+1,则布料机臂架调整时间计算见公式(4):
式中,K表示布料机臂节个数,N表示布料位置个数,η j 为第j节臂架的转动效率;β j,ii+1-β j,i 表示第j节臂架由第i布料位置到中间状态的夹角, β j,i+1-β j,ii+1表示第j节臂架由中间状态到第i+1布料位置的夹角;
步骤四、将步骤三中的最佳布料施工方案的布料控制参数输出给布料机机械控制系统,控制混凝土布料机进行布料。
进一步,步骤三中,布料机臂架运动路径中存在钢平台爬升导轨钢柱或劲性钢柱时,布料机需经过的劲性钢柱P sci (θ sci ,ρ sci ,z sci )、导轨钢柱P srj (θ sr ,ρ sr ,z sr ),布料机的臂架状态函数F(β 1,β 2,…,β K ;R 1,R 2,…,R K )应满足公式(5):
式中,z(ρ sci )、z(ρ srj )分别表示布料机臂架在ρ sci 、ρ srj 处的高度;δ为高度余量。
进一步,在步骤三中,在满足布料机臂架可越过钢平台爬升导轨钢柱或劲性钢柱时,在满足布料作业总时间最小的情形下,以布料机倾覆弯矩最小的解作为最优方案;
其中,对布料机弯矩M进行简化计算,见公式(6):
其中,m i 为布料机第i节臂架的质量,g为布料机应用工程所在地地表重力加速度,L i 为布料机第i节臂架的重心到布料机回转重心的力臂,其中,
进一步,在布料机臂架的臂节连接处设置臂节转角监测仪,用以实时监测臂节转角,并将监测结果反馈给计算机控制系统。
进一步,布料机上设置有混凝土浇筑方量监测仪,用以监测混凝土的浇筑方量,并以步骤二中计算的布料点计算布料方量为基准对浇筑方量进行控制;
在第K臂节的端部设置图像采集仪,用以采集布料点混泥土的浇筑情况,判定混凝土的浇筑情况,并作为对布料点实际布料方量进行调整的依据。
本发明由于采用以上技术方案,使之与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:该混凝土布料机智能布料方法,将建筑结构及布料位置、劲性钢柱位置、钢平台爬升导轨钢柱位置、混凝土布料机相关参数建立成数学模型,以布料作业总时间最小为最优解指标,并以此控制混凝土布料机进行布料,使布料机臂架能够越过钢柱等障碍结构、全程自动化智能精准布料,实现混凝土布料机的信息化、智能化,提高建筑施工混凝土布料机的工业化水平。相对于传统的人工操作进行的布料方法,节约了人工成本,可避开障碍物,布料位置和方量精准,布料路径、方法更为科学合理,工业化水平更高。
附图说明
图1为本发明与钢平台一体化的混凝土布料机布料作业平面示意图;
图2为本发明简化的与钢平台一体化的混凝土布料机布料作业数学模型图;
图3为本发明与钢平台一体化的混凝土布料机布料作业立面数学模型;
图4为本发明布料点布料方量计算原理示意图;
图5为本发明布料机倾覆弯矩力学模型图。
图中标号如下:
1-核心筒墙体;2-劲性钢柱;3-钢平台;4-钢平台爬升导轨钢柱;5-布料机;6-布料点。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法作进一步详细说明。结合下面说明,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1和图2所示,高层、超高层建筑核心筒通常包括多个筒体,且核心筒墙体1通常设置有多个缺口,作为后期的门洞或通道。核心筒墙体1的施工时,先设置若干劲性钢柱2,然后通过浇筑混凝土包裹劲性钢柱2,形成核心筒墙体1。而核心筒上设置有自爬升钢平台3,通过设置于核心筒上的钢平台爬升导轨钢柱4实现钢平台3的爬升。混凝土布料机5与钢平台3实现一体化设置,布料机5的臂架包括多个臂节,第一个臂节可以沿布料机中心在水平面内进行360的旋转,并可在竖直面进行转动,其余臂节可在竖直面内进行转动,并通过调整布料机臂架,使布料口位于需要的浇筑点6,然后浇筑核心筒墙体1的混凝土。
本发明的目的是,使布料机机械臂能主动越过障碍结构,使布料机在最优的布料路径下实现全程自动化智能精准布料,实现混凝土布料机的信息化、智能化,提高建筑施工混凝土布料机的工业化水平。
本实施例提供的与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法,包括如下步骤:
步骤一、建立混凝土布料机布料作业时的数学模型;包括:
导入建筑结构的平面布置图,形成三维立体模型,并建立全局的三维柱坐标系,以布料机的中心为坐标系原点,坐标系的ρ轴、z轴分别为布料机施工作业时机械臂所在立面的水平线、竖直线,θ角以ρ轴为起点逆时针为正方向;
在全局三维直角坐标系下,输入劲性钢柱的位置坐标,初始化劲性钢柱位置点列{P sci ,i=1,…, M};以劲性钢柱最高点表示劲性钢柱的空间位置,形成三维柱坐标系下劲性钢柱的点集合{P sci (θ sci ,ρ sci ,z sci ),i=1,…, M};
在全局三维直角坐标系下,输入各钢平台爬升导轨钢柱位置坐标,初始化导轨钢柱位置点列{P srj , j=1,…,L};以钢平台爬升导轨钢柱最高点表示钢平台爬升导轨钢柱空间位置,形成三维柱坐标系下钢平台爬升导轨钢柱的点集合{P srj (θ sr ,ρ sr ,z sr ), j=1,…, L};
在全局三维直角坐标系下,确定施工层的层高,输入各布料点位置坐标,初始化布料位置点列{P spk , k=1,…, N};确定布料点高度z spk ,形成三维柱坐标系下布料点的点集合{P spk (θ spk ,ρ spk ,z spk ), k=1,…, N};其中,布料位置由施工方案确定,其高度位置z spk 应使布料机出料口的混凝土落差满足施工要求;
对布料机臂架各臂节长度赋值,初始化布料机状态函数F(β 1,β 2,…,β K ;R 1,R 2,…,R K ),见下式,
其中,K为布料机臂架的臂节个数,R 1、R 2、…、R K 分别为相应臂节对应的长度;α i 为向量相对于ρ轴正向的转角;β 1为向量相对于ρ轴正向的夹角,β i (i≥2)为向量相对
于向量的转角。这里转角以逆时针方向为正,并用弧度制表示。
图3提供了布料机布料作业立面数学模型,原点O为布料机中心,坐标系的ρ轴、z轴分别为布料机施工作业时布料机臂架所在立面的水平线、竖直线,θ i =θ 0 ,θ 0 为某一确定时刻的布料机臂架在水平面内的转角。其中布料机包括3个臂节,布料机构的状态函数为F(β 1,β 2,β 3 ;R 1,R 2,R 3)为
步骤二、布料机计算机控制系统根据布料点位置和建筑结构平面图划分布料区域,由布料区域面积和结构施工层高计算布料点布料方量。
根据钢平台爬升导轨钢柱、劲性钢柱的位置将建筑结构平面图划分为不同的浇筑区域,每个浇筑区域的面积S i 乘以结构层施工高度h即为其内该布料位置点的混凝土浇筑方量V i ,即V i =S i ×h。作为举例,如图4所示,浇筑点为P 1、P 2、P 3,对应的浇筑区域的面积分别为S 1、S 2、S 3,由结构层施工高度h可以很方便地计算出相应位置的混凝土浇筑方量。
步骤三、布料机在布料点P spk (θ spk ,ρ spk ,z spk )进行布料作业时,布料机的第K臂节的布料端的端点坐标(θ K ,ρ K ,z K )应满足下式:
在满足上式的前提下,布料机计算机控制系统以布料作业总时间最小为最优解指标,将最佳布料施工方案转化为布料机智能施工布料控制参数。
步骤四、将步骤三中的最佳布料施工方案的布料控制参数输出给布料机机械控制系统,控制混凝土布料机进行布料。其中,布料控制参数主要是指布料机臂节转角参数。作为举例,采用动力液压油缸控制布料机臂架的臂节转角,则需要控制动力液压油缸的伸缩量。优选为,在布料机臂架的臂节连接处设置转角监测仪,用以实时监测臂节转角。进一步,布料机上设置有混凝土浇筑方量监测仪,比如采用流速仪或流量仪,用以监测混凝土的浇筑方量,并以步骤二中计算的布料点计算布料方量为基准对浇筑方量进行控制;在第K臂节的端部设置图像采集仪,用以采集布料点混泥土的浇筑情况,判定混凝土的浇筑情况,并作为对布料点实际布料方量进行调整的依据。
下面对步骤三中布料机计算机控制系统以布料作业总时间最小为最优解指标作进一步说明。
布料作业施工根据施工方案需求将混凝土浇筑到所有布料位置{P spk (θ spk ,ρ spk ,z spk ), k=1,…, N},布料作业总时间包括混凝土布料时间和布料机臂架调整时间两部分。由于建筑结构的混凝土布料方量是定值,在同样混凝土流量条件下,混凝土布料时间是定值记为T 0。布料机臂架调整时间是布料机从第i布料位置到第i+1布料位置的臂节调整时间,记为T。布料作业总时间的大小比较等效于布料机臂节调整时间的大小比较。布料机臂架调整时间计算分为两种情况,分析如下:
(1)布料机从第i布料位置到第i+1布料位置,布料机臂节运动路径中不存在钢平台爬升导轨钢柱和劲性钢柱,则布料机臂架调整时间计算式如下:
式中,K表示布料机臂架的臂节个数,N表示布料位置个数,η j 为第j节臂架的转动效率,β j,i+1-β j,i 表示第j节臂架由第i布料位置到第i+1布料位置的夹角。
(2)布料机从第i布料位置到第i+1布料位置,布料机臂架运动路径中存在钢平台爬升导轨钢柱或劲性钢柱,导致布料机臂节无法直接越过,布料机的臂节需先调整至中间状态,在越过障碍物后再次调整布料机状态;将第j臂节的中间状态的角度记为β j,ii+1,则布料机臂架调整时间计算式如下:
式中,K表示布料机臂节个数,N表示布料位置个数,η j 为第j节臂架的转动效率;β j,ii+1-β j,i 表示第j节臂架由第i布料位置到中间状态的夹角, β j,i+1-β j,ii+1表示第j节臂架由中间状态到第i+1布料位置的夹角。
优选的实施方式为,在满足布料机臂架可越过钢平台爬升导轨钢柱或劲性钢柱时,在满足布料作业总时间最小的情形下,以布料机倾覆弯矩最小的解作为最优方案。其中,布料机臂架弯矩M的简化计算公式为:
式中,m i 为布料机第i节臂架的质量,g为布料机应用工程所在地地表重力加速度,L i 为布料机第i节臂架的重心到布料机回转重心的力臂,其计算公式为:
图5中给出了3臂节的布料机倾覆弯矩力学模型图,根据图5,可以计算出布料机臂架的弯矩为:
另外需要说明的是,步骤一中,输入数据时采用三维直角坐标系统,而在计算时采用三维柱坐标系统,采用计算机程序将三维直角坐标系统中的点坐标(x 0,y 0,z 0)转换为三维柱坐标中的点坐标(θ,ρ,z),其原理如下:
另外需要说明的是,结合图3所示,以三节(K=3)臂架混凝土布料机为例,混凝土布料机越过劲性钢柱、钢平台爬升导轨钢柱等钢柱的求解如下:
可得:
将式变换得:
通过设置中间值:
解得:
可通过调整β 1即可得出布料机的解。
另外,需要说明的是,对于布料机臂架可越过劲性钢柱、导轨钢柱等既有结构时,布料机所需经过的劲性钢柱P sci (θ sci ,ρ sci ,z sci )、导轨钢柱P srj (θ sr ,ρ sr ,z sr ),则应调整β 1的值使布料机的臂架状态函数F(β 1,β 2,…,β K ;R 1,R 2,…,R K )满足:
式中,z(ρ sci )、z(ρ srj )分别表示布料机臂架在ρ sci 、ρ srj 处的高度;δ为高度余量。z(ρ sci )、z(ρ srj )可将参数ρ sci 、ρ srj 带入布料机的臂架状态函数F(β 1,β 2,…,β K ;R 1,R 2,…,R K )反求z坐标值。如图3中,第2臂节处于点(ρ sci ,z sci )上方,可得出臂架在ρ sci 处的高度z(ρ sci )为R 1sinβ 1+(ρ sci -R 1cosβ 1)tan(β 1+β 2)。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,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,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种与钢平台一体化的混凝土布料机智能布料方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、建立混凝土布料机布料作业时的数学模型;包括:
导入建筑结构的平面布置图,形成三维立体模型,并建立全局的三维柱坐标系,布料机的中心为坐标系原点,坐标系的ρ轴、z轴分别为布料机施工作业时机械臂所在立面的水平线、竖直线,θ角以ρ轴为起点逆时针为正方向;
输入劲性钢柱的位置坐标,以劲性钢柱最高点表示劲性钢柱的空间位置,形成三维柱坐标系下劲性钢柱的点集合{P sci (θ sci ,ρ sci ,z sci ),i=1,…, M};输入各钢平台爬升导轨钢柱位置坐标,以钢平台爬升导轨钢柱最高点表示钢平台爬升导轨钢柱空间位置,形成三维柱坐标系下钢平台爬升导轨钢柱的点集合{P srj (θ sr ,ρ sr ,z sr ), j=1,…, L};输入各布料点位置坐标,确定布料点高度z spk ,形成三维柱坐标系下布料点的点集合{P spk (θ spk ,ρ spk ,z spk ), k=1,…, N};
对布料机臂架各臂节长度赋值,初始化布料机状态函数F(β 1,β 2,…,β K ;R 1,R 2,…,R K ),见公式(1),
其中,K为布料机臂架的臂节个数,R 1、R 2、…、R K 分别为相应臂节对应的长度;α i 为向量相对于ρ轴正向的转角;β 1为向量相对于ρ轴正向的转角,β i (i≥2)为向量相对于向
量的转角;
步骤二、布料机计算机控制系统根据布料点位置和建筑结构平面图划分布料区域,由布料区域面积和结构施工层高计算布料点布料方量;
步骤三、布料机在布料点P spk (θ spk ,ρ spk ,z spk )进行布料作业时,布料机的第K臂节的布料端的端点坐标(θ K ,ρ K ,z K )应满足公式(2),
在满足公式(2)的前提下,布料机计算机控制系统以布料作业总时间最小为最优解指标,将最佳布料施工方案转化为布料机智能施工布料控制参数;
其中,布料机布料作业总时间最小的判定指标为布料机臂架调整时间最小,布料机臂架调整时间计算方法为:
(1)布料机从第i布料位置到第i+1布料位置,布料机臂节运动路径中不存在钢平台爬升导轨钢柱和劲性钢柱,则布料机臂架调整时间计算见公式(3):
式中,K表示布料机臂架的臂节个数,N表示布料位置个数,η j 为第j节臂架的转动效率,β j,i+1-β j,i 表示第j节臂架由第i布料位置到第i+1布料位置的夹角;
(2)布料机从第i布料位置到第i+1布料位置,布料机臂架运动路径中存在钢平台爬升导轨钢柱或劲性钢柱,导致布料机臂节无法直接越过,布料机的臂节需先调整至中间状态,在越过障碍物后再次调整布料机状态;将第j臂节的中间状态的角度记为β j,ii+1,则布料机臂架调整时间计算见公式(4):
式中,K表示布料机臂节个数,N表示布料位置个数,η j 为第j节臂架的转动效率;β j,ii+1-β j,i 表示第j节臂架由第i布料位置到中间状态的夹角, β j,i+1-β j,ii+1表示第j节臂架由中间状态到第i+1布料位置的夹角;
步骤四、将步骤三中的最佳布料施工方案的布料控制参数输出给布料机机械控制系统,控制混凝土布料机进行布料。
4.如权利要求1所述的混凝土布料机智能布料方法,其特征在于,
在布料机臂架的臂节连接处设置臂节转角监测仪,用以实时监测臂节转角,并将监测结果反馈给计算机控制系统。
5.如权利要求1所述的混凝土布料机智能布料方法,其特征在于,
布料机上设置有混凝土浇筑方量监测仪,用以监测混凝土的浇筑方量,并以步骤二中计算的布料点计算布料方量为基准对浇筑方量进行控制;
在第K臂节的端部设置图像采集仪,用以采集布料点混泥土的浇筑情况,判定混凝土的浇筑情况,并作为对布料点实际布料方量进行调整的依据。
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