CN113021562B - 一种基于水泥基3d打印的压电骨料自动化埋设装置 - Google Patents

Abstract

一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置，属于土木工程领域，包括外壳、埋设仓和打印仓。外壳连接于机器臂；埋设仓和打印仓设置于外壳内，埋设仓内一端设置挤压块、另一端设置单向隔板，单向隔板上放置待埋设的压电骨料，挤压块能够挤压待埋设的压电骨料，以使待埋设的压电骨料落入待埋设位置；打印仓上设置泥浆注入口，打印仓的出料口能够在任意一待埋设的压电骨料落入待埋设位置后，出料进行3D打印，完成对压电骨料的埋设。本发明利用机器臂带动整机移动，实现了压电骨料埋设过程的自动化、智能化和精准化，利用3D打印技术在模型中埋设压电骨料，可同时完成混凝土3D打印以及压电骨料埋设的工作，并提高压电骨料的埋设质量。

Description

一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种压电骨料自动埋设技术，特别是涉及一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置。

背景技术

混凝土3D打印：传统建筑行业的机械化与自动化程度较低，随着3D打印技术的发展并逐渐成熟，该技术将给劳动力密集型的建筑业带来技术革新。建筑3D打印技术具有机械化自动化程度高、一次成型、建筑耗材和工艺损耗少等特点，是实现建筑业转型升级的一种重要手段，是解决建筑高效、安全、数字化、自动化、智能化建造的有效途径，其研究已成为建筑业的发展趋势。

压电骨料：压电材料以特有的传感和作动功能成为近年来在土木工程界广泛研究和应用的智能材料之一。压电陶瓷传感器具有频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗少、成本低等优点，由其构成的结构健康监测系统能够灵敏地感应监测到结构损伤的存在和强度的变化情况。埋入式传感器是专为模型结构内部损伤检测而设计的器件，可分为感知元件、封装结构和信号传输线缆三部分。以压电骨料为例，感知元件是压电陶瓷片，本身较为脆弱，容易在埋设过程中受损，也无法适应混凝土内部环境，因此需要通过包裹封装的方法进行固定、保护。在模型结构健康主动监测过程中，制成压电骨料埋入模型中作为传感器和驱动器，在一定程度上削弱了外界环境变化对压电陶瓷片的影响，可以延长压电陶瓷片的使用寿命，保证结构健康监测的有效性和长期性。

对于传统模型内部监测构件，埋设方法主要有直埋法和钻孔灌浆(水泥砂浆或硅胶)法两种。直埋法适用于少量传感器简单形式埋设，对于单层布设多个传感器、埋设方式复杂的情况，具有人工定位速度缓慢、精度差等缺点，并且由于上层混凝土的浇筑和振捣使得传感器产生一定的位移。钻孔灌浆法具有影响结构整体性和强度、减弱模型内部监测构件的监测精度等缺陷，且对于模型内部监测构件的选择上普遍达不到频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗少、成本低的目的。

利用3D打印增减材技术在模型中埋设压电骨料，可实现对压电传感器埋入的精准定位，同时，压电骨料具有频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗少、成本低等优点，由其构成的结构健康监测系统能够灵敏的感应监测到结构损伤的存在和强度的变化情况。但是，目前利用3D打印增减材技术在模型中埋设压电骨料无法做到过程全自动化，并且在水泥基材料与压电骨料的交界面容易产生空隙，严重影响传感器的监测效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置，以解决目前利用3D打印增减材技术在模型中埋设压电骨料无法做到过程全自动化的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置，主要包括：

外壳，所述外壳用于连接在机器臂末端，所述机器臂能够带动整机移动；

埋设仓，所述埋设仓设置于所述外壳内，所述埋设仓内一端设置挤压块、另一端设置带有切口的单向隔板，所述单向隔板上用于放置待埋设的压电骨料，所述挤压块能够挤压所述待埋设的压电骨料，以使所述待埋设的压电骨料穿过所述切口，并落入待埋设位置；

打印仓，所述打印仓设置于所述外壳内，并与所述埋设仓隔离；所述打印仓上设置有泥浆注入口，所述打印仓的出料口能够在任意一所述待埋设的压电骨料落入所述待埋设位置后出料，以完成3D打印并将所述待埋设的压电骨料埋设。

优选的，还包括与所述埋设仓连接的设备仓，所述设备仓内放置多个所述待埋设的压电骨料；所述设备仓内还设置有推动器，所述推动器用于在当前所述待埋设的压电骨料脱离所述单向隔板后，自动将下一个所述待埋设的压电骨料推送至所述单向隔板进行补位。

优选的，所述推动器包括弹簧和推块，所述弹簧的一端固定于所述设备仓的仓壁，另一端连接所述推块；所述推块可设置于所述单向隔板的一侧，比如所述单向隔板的左侧。

优选的，还包括与所述推块相对设置的调节螺丝，所述调节螺丝螺纹连接于所述埋设仓的仓壁；所述调节螺丝的内端固定连接有推板，旋进所述调节螺丝使所述推板顶推所述单向隔板上的所述待埋设的压电骨料，以调整所述待埋设的压电骨料在所述单向隔板上的位置。所述推板可设置于所述单向隔板的与所述推块相对的一侧，比如所述单向隔板的右侧。

优选的，所述驱动装置为设置在所述埋设仓顶端的电动气缸，所述挤压块连接于所述电动气缸的活塞杆端部，所述电动气缸能够控制所述挤压块升降。

优选的，所述打印仓内设置有阀门，以控制所述打印仓的出料。

优选的，所述阀门为球阀，所述球阀通过联动组件连接于所述电动气缸，并由所述电动气缸控制所述球阀的开闭。

优选的，所述联动组件包括：

阀杆，所述阀杆的一端固定连接于所述球阀；

阀杆齿轮，所述阀杆齿轮固定连接于所述阀杆的另一端；

传动齿条，所述传动齿条固定安装于所述电动气缸的活塞杆，且所述阀杆齿轮与所述传动齿条啮合；当所述电动气缸的活塞杆外伸时，所述传动齿条下降，使所述阀杆齿轮联动，并通过所述阀杆连带所述球阀转动，以使所述球阀关闭；当所述电动气缸的活塞杆回缩时，所述传动齿条上升，使所述阀杆齿轮反向联动，并通过所述阀杆连带所述球阀反向转动，以使所述球阀开启。

优选的，所述球阀为“O”型球阀。

优选的，所述机器臂为3D打印双臂机器人的机器臂。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置，结构设计合理，通过将装置外壳连接在机器臂末端，利用机器臂带动整机移动，实现了压电骨料埋设过程的自动化和智能化，同时有利于实现对压电骨料埋入的精准定位。由于3D打印本身是一个自动化和机械化的工艺，利用3D打印增减材技术在模型中埋设压电骨料，既能够同时完成混凝土3D打印以及压电骨料埋设的工作，解决人力劳动的问题；又能够避免在水泥基材料与压电骨料的交界面容易产生空隙，提高压电骨料的埋设质量。同时，压电骨料具有频响范围宽、响应速度快、结构简单、功耗少、成本低等优点，由其构成的结构健康监测系统能够灵敏地监测到结构损伤的存在和感应强度的变化情况，基于上述3D打印技术埋设压电骨料，更有利于提高压电传感器的监测效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的压电骨料自动化埋设装置中埋设仓的结构示意图；

其中，附图标记为：001、基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置；1、外壳；2、打印仓；3、球阀；4、泥浆注入口；5、阀杆；6、阀杆齿轮；7、传动齿条；8、电动气缸；9、挤压块；10、调节螺丝；101、推板；11、单向隔板；12、埋设仓；13、设备仓；14、顶盖；15、推动器；151、弹簧；152、推块；16、固定螺丝孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的之一是提供一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置，以解决目前利用3D打印增减材技术在模型中埋设压电骨料无法做到过程全自动化的问题。

本发明的另一目的还在于提供一种自动化、精细化、智能化的压电骨料埋设装置，该装置可配合3D打印双臂机器人，能够同时完成混凝土3D打印以及压电骨料埋设的工作。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-2所示，本实施例提供一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置001，包括外壳1以及设置于外壳1内部的打印仓2、埋设仓12和设备仓13。其中：

外壳1顶部设有可与机器臂连接的固定螺丝孔16，外壳1通过螺栓穿过固定螺丝孔16与机器臂的末端固定连接。

打印仓2外侧壁设有泥浆注入口4，打印仓2内部设有可以控制出料通道开启和闭合的球阀3。

埋设仓12竖直设置，其内顶部固定连接有电动气缸8，电动气缸8的活塞杆底端连接挤压块9；埋设仓12内底部设置有带有切口的单向隔板11，待埋设的压电骨料置于单向隔板11上部，压电骨料需挤压块9挤压才可通过单向隔板11。

设备仓13包括水平设置的仓身和顶盖14，顶盖14铰接于仓身的顶部开口，打开顶盖14，可用于向仓身内放置压电骨料；仓身的一端与埋设仓12的底部连通，另一端封闭；设备仓13内部设有推动器15，推动器15由一个弹簧151和推块152组成，弹簧151的一端固定连接于仓身的封闭一端，另一端连接推块152，多个待埋设的压电骨料水平依次排布在推块152前端(如图1所示的左端)，并向后压缩弹簧151；多个待埋设的压电骨料中最前端(如图1所示的左端)的一个位于单向隔板11上待挤压的位置，即位于单向隔板11的切口的正上方，当挤压块9在电动气缸8的驱动下向下挤压，并将待埋设的压电骨料挤压穿过单向隔板11的切口后，后续待埋设的压电骨料依序在弹簧151的回复力作用下自动向前补位，以确保单向隔板11上持续放置有压电骨料，有利于确保压电骨料埋设工作的连续性。埋设仓12的外侧壁设有调节螺丝10，调节螺丝10螺纹连接于埋设仓12的仓壁，调节螺丝10的内端固定连接有推板101，旋进所述调节螺丝10使推板101顶推单向隔板11上的待埋设的压电骨料，以调整待埋设的压电骨料在单向隔板11上的位置。推板101可设置于单向隔板11的与推块152相对的一侧，比如推板101和推块152分别位于单向隔板11的左侧和右侧。通过调节螺丝10调节压电骨料在单向隔板11上的位置，可确保待埋设的压电骨料位于单向隔板11的中间切口处；同时，调节螺丝10的位置固定后，推板101还起到对压电骨料列提供反向推力的作用，该反向推力与弹簧151施加于压电骨料列的回复力方向相反，可使由多个压电骨料紧密排列而成的压电骨料列在调节螺丝10的反向推力和弹簧151的回复力的共同作用下保持位置稳定，并确保挤压块9落下后，正好将最贴近推板101的压电骨料推出，挤压块9、推动器15和调节螺丝10三者协调作业，能够提高压电骨料埋设的工作效率以及定位精准度。

埋设仓12与打印仓2之间还连接有联动组件，联动组件包括、阀杆齿轮6和传动齿条7。阀杆5的一端与球阀3连接，阀杆5的另一端部设有阀杆齿轮6，电动气缸8的活塞杆上固定连接有传动齿条7。如图2所示，当电动气缸8活塞杆向下移动时，挤压块9向下推出压电骨料，同时，由于传动齿条7上的轮齿与阀杆齿轮6相啮合，阀杆齿轮6在传动齿条7的联动作用下逆时针旋转，从而带动阀杆5及球阀3发生同步旋转，球阀3由开启状态切换至关闭状态，此时打印仓2不出料；当电动气缸8活塞杆向上复位时，挤压块9上升，同时，推动器15向单向隔板11补料，且由于传动齿条7上的轮齿与阀杆齿轮6相啮合，阀杆齿轮6在传动齿条7的联动作用下顺时针旋转，从而带动阀杆5及球阀3发生同步旋转，球阀3由关闭状态切换至开启状态，此时打印仓2出料进行3D打印，以埋设之前推出的压电骨料。

本实施例中，球阀3优选为“O”型球阀，如图1所示，打印仓2内出料通道开启状态下，“O”型球阀的阀腔沿出料通道的轴向设置；“O”型球阀旋转90°后，“O”型球阀的阀腔垂直于出料通道的轴向设置，打印仓2内出料通道进入关闭状态。“O”型球阀为一种现有球阀结构，其具体结构和工作原理在此不再赘述。

本实施例中，传动齿条7上设置的轮齿优选为平齿。平齿的传动性能更加稳定，有利于提高其对球阀3启闭的控制稳定性。

本实施例中，推动器15的弹簧151自然状态如图1所示，根据压电骨料的大小，可通过调节螺丝10以调整压电骨料在单向隔板11上的位置，以方便压电骨料压出。

本实施例中，单向隔板11采用弹性材料，比如橡胶，可以保证压电骨料通过后单向隔板11自动恢复原状。其中，单向隔板11的切口可以是“一”字通孔，也可以是环形孔，比如圆形孔或椭圆形孔等。根据压电骨料的材质不同或尺寸规格不同，可以更换不同规格的单向隔板11与其适应，此处单向隔板11的规格的不同主要体现在其上切口的形状或孔径的不同。具体可根据实际操作来进行适应性调整。

本实施例中，机器臂优选为3D打印双臂机器人的机器臂。

下面对本实施例中基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置001的工作过程及原理作具体说明：

通过固定螺丝孔16将装置的外壳1固定在3D打印双臂机器人的机器臂末端，机器臂带动装置进行水泥基3D打印与压电骨料埋设工作。准备埋设的压电骨料放置于设备仓13内，调节螺丝10调节压电骨料的位置以方便压出。进一步运用泵车向泥浆注入口4注入水泥基材料，开始打印工作。当打印至指定埋设位置时，启动电动气缸8，让电动气缸8的活塞杆向下移动，电动气缸8活塞杆带动传动齿条7向下移动。传动齿条7与阀杆齿轮6相啮合，后者连同球阀3转动，使得打印仓2的出料通道转为闭合状态；同时电动气缸8活塞杆带动挤压块9向下推动压电骨料通过单向隔板11。前一个压电骨料脱离装置后，推动器15自动推动下一个压电骨料到单向隔板11中间位置进行补位。埋设结束后电动气缸8活塞杆向上移动，传动齿条7与阀杆齿轮6相啮合，后者连同球阀3反向转动，使得打印仓2出料通道转为开启状态。机械臂带动装置移动继续增材工作，直至完成打印。

本实施例的基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置利用压电骨料自动化埋设装置与3D打印双臂机器人协同工作，在以水泥砂浆为主体的水泥基材料地质模型内部埋设压电骨料，可同时完成水泥基(比如混凝土)3D打印以及压电骨料自动化埋设工作，具体具有如下优点：

(1)满足传感器埋设需求：该装置能够同时完成压电骨料的埋设以及交界面空隙填补的工作，确保传感器的监测效果；

(2)协同工作：该装置能与3D打印双臂机器人协同工作，适配性能良好；

(3)不使用人力：可借助3D打印双臂机器人带动该装置完成传感器埋设工作，高度的自动化、机械化，不需要人工；

(4)定位准确：3D打印双臂机器人带动该装置移动，可以保证传感器埋入位置精确；

(5)适用性广：该装置也同时适用于多种埋入式传感器的埋设工作，如压电骨料、应力块、光纤传感器等。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置，其特征在于，包括：

外壳，所述外壳用于连接在机器臂末端；

埋设仓，所述埋设仓设置于所述外壳内，所述埋设仓内一端设置有通过驱动装置驱动的挤压块、另一端设置带有切口的单向隔板，所述单向隔板上用于放置待埋设的压电骨料，所述挤压块能够挤压所述待埋设的压电骨料，以使所述待埋设的压电骨料穿过所述切口，并落入待埋设位置；

打印仓，所述打印仓设置于所述外壳内，并与所述埋设仓隔离；所述打印仓上设置有泥浆注入口，所述打印仓的出料口能够在任意一所述待埋设的压电骨料落入所述待埋设位置后出料，以完成对所述待埋设的压电骨料的埋设；

其中，所述驱动装置为设置在所述埋设仓顶端的电动气缸，所述挤压块连接于所述电动气缸的活塞杆端部；所述打印仓内设置有阀门，以控制所述打印仓的出料；所述阀门为球阀，所述球阀通过联动组件连接于所述电动气缸，以使所述电动气缸控制所述球阀的开闭；所述联动组件包括：

阀杆，所述阀杆的一端固定连接于所述球阀；

阀杆齿轮，所述阀杆齿轮固定连接于所述阀杆的另一端；

传动齿条，所述传动齿条固定安装于所述电动气缸的活塞杆，且所述阀杆齿轮与所述传动齿条啮合；当所述电动气缸的活塞杆外伸时，所述球阀关闭；当所述电动气缸的活塞杆回缩时，所述球阀开启；

所述基于水泥基3D打印的压电骨料自动化埋设装置还包括与所述埋设仓连接的设备仓，所述设备仓内用于放置多个所述待埋设的压电骨料；

所述设备仓内设置有推动器，所述推动器包括弹簧和推块，所述弹簧的一端固定于所述设备仓的仓壁，另一端连接所述推块；所述推块用于在当前所述待埋设的压电骨料脱离所述单向隔板后，自动将下一个所述待埋设的压电骨料推送至所述单向隔板进行补位。

2.根据权利要求1所述的压电骨料自动化埋设装置，其特征在于，还包括与所述推块相对设置的调节螺丝，所述调节螺丝螺纹连接于所述埋设仓的仓壁；所述调节螺丝的内端固定连接有推板，旋进所述调节螺丝使所述推板顶推所述单向隔板上的所述待埋设的压电骨料，以调整所述待埋设的压电骨料在所述单向隔板上的位置。

3.根据权利要求1所述的压电骨料自动化埋设装置，其特征在于，所述球阀为“O”型球阀。

4.根据权利要求1所述的压电骨料自动化埋设装置，其特征在于，所述机器臂为3D打印双臂机器人的机器臂。

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