CN114808637A - 沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3d打印机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人设计构想，提出了一种能广泛应用于沥青破损处修补养护的高自动化水平、高精度、可控性强的修补方案；克服了现有龙门式三轴3D打印机器人用于沥青路面早期裂缝和轻度坑槽原位修补养护工程中缺乏机动性、灵活性、受三轴尺寸限制的问题；较传统的熔融沥青而言，本装置采用的固态沥青颗粒对储存和运输的条件要求较低，即用即熔，减轻了沥青储存和运输过程中的老化现象，保证沥青材料质量；本装置通过主要由板式吸收塔和活性炭箱组成的废气净化组件对沥青加热产生的烟气进行处理，减轻了其对环境和施工人员生命健康的影响。

Description

沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人

技术领域

本发明涉及道路养护技术领域，尤其涉及一种沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人。

背景技术

沥青路面性能在车辆荷载和水温循环作用下会发生退化，形成裂缝、坑槽等路面病害，不仅严重影响道路的路用性能，如果不及时对受损部位进行养护修复，在荷载的作用下路面病害会快速发展，给养护工作带来更多的困难。伴随着公路交通的飞速发展和我国机动车保有量的增加，公路养护任务日益繁重。常见的沥青路面裂缝处治措施有贴缝、灌缝、带状挖补等，坑槽处治主要通过铣刨、清理、填料、压实的施工工序来完成。这些传统方式劳动密集的特征较为明显，需要施工人员在分散的养护地点进行长时间现场施工，不仅受到环境的制约，由于路面病害常出现在车辆来往密集处，施工人员承受较大的安全风险；传统路面病害养护措施易出现材料浪费和填灌不到位等现象，导致费用增加和修补不彻底等问题；考虑养护工程中人力、设备的投入性价比，实际工程中往往在沥青路面裂缝、坑槽发展到中后期才进行修补，难以实现“治早治小”的预防性养护。目前缺乏一种能广泛应用于沥青路面早期裂缝和轻度坑槽修补的高自动化水平、高精度、可控性强的修补方案。

3D打印技术是以建立数字空间模型为基础，采用呈流体、粉末、长丝、板体等状态的各种材料，通过逐层打印方式构建空间实体的快速成型技术，区别于减材制造对原材料进行剪切，刨凿，打磨等的加工过程，其重点在于材料沿成型方向的逐层叠加，根据ISO/ASTM 52900-2015，将常用的50多种不同的3D打印技术分为七类：粘合剂喷射、定向能量沉积、材料挤压、材料喷射、光固化、粉末床熔融和薄板层压。其中材料挤压技术是将塑性材料呈长丝状挤出至打印平台，逐层凝固成型构件的技术，成本低廉，可选材料种类多，除了常见的ABS、PLA、TPU等热塑性材料，该技术在水泥砂浆、液态金属、陶瓷、药物等的打印中也取得了良好的效果。沥青是一种粘弹塑性材料，其流变特性随着温度变化而变化。随着温度的升高，沥青逐渐由固态转化为粘流态，甚至呈牛顿流体状态；反之，其状态可逆。由于具备逐层挤出成型的能力，沥青可以作为3D打印材料。

将3D打印技术应用于沥青路面早期裂缝及轻度坑槽的修补，能够提高工程的自动化水平，减少对人工的依赖性、增加施工的安全性、降低环境的制约性；通过将3D打印头深入沥青路面破损处进行对自下而上的逐层填补，沥青得以填入路面全破损处，具有良好的修补效果和较高的材料利用率；能有效减少人力成本和传统设备的运输和使用，可广泛用于预防性养护工程，对沥青路面裂缝和轻度坑槽进行针对性修补，延缓道路损坏进程，保持或改进路面功能，延长道路使用寿命。因此基于沥青材料的3D打印技术在沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补养护工程中具有广阔的应用前景。

目前用于沥青材料3D打印的设备主要为实验室内使用的龙门式三轴机器人，此类设备机动性、灵活性较差，打印范围受到三轴尺寸限制，不适用于沥青路面早期裂缝和轻度坑槽的现场修补；其料仓中主要储存熔融态沥青，对储存条件要求较为苛刻，不仅加剧了沥青老化问题，影响沥青质量，而且加热和保温熔融态沥青还需消耗大量的能量；此外，由于缺乏沥青废气处理组件，现有设备无法对沥青加热过程中产生的有毒有害烟气进行处理，可能会对使用者健康和环境造成威胁。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出一种沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案为：

一种沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人，包括履带车底盘和机械臂；其特征在于，该机器人还包括路况检测组件、出料组件、废气净化组件和控制系统；履带车底盘用于搭载各组件硬件装置，并在沥青路面早期裂缝及轻度坑槽养护过程中灵活移动，路况检测组件用于采集沥青路面早期裂缝及轻度坑槽信息，为建立3D数字模型提供依据，出料组件用于加热储存的固态沥青颗粒并按照3D打印路径规划和所需用量精确挤出，废气净化组件用于净化沥青加热过程中产生的烟气，控制系统确保机器人各组件在沥青路面早期裂缝及轻度坑槽3D打印养护修补中的协同运行。

所述履带车底盘为锂电池履带车，用于搭载机械臂、路况检测组件、出料组件、废气净化组件、控制系统的硬件装置，机械臂一号电机位于履带车底盘顶部，控制机械臂底盘在水平方向进行180度范围的旋转，二号电机位于机械臂底盘上部，控制机械臂大臂在竖直方向进行90度范围的旋转，三号电机位于机械臂大臂末端，控制机械臂小臂在竖直方向进行180度范围的旋转；

所述路况检测组件包括三个位置不同的3D激光扫描仪，能进行不同角度的3D激光扫描并与控制系统相配合构建沥青路面早期裂缝及轻度坑槽处的3D数字模型；

所述出料组件包括料仓、固态泵、输料管、输料管伸缩段、料筒、四号电机、绞龙、加热片、开关阀、挤出口和温度传感器；料仓侧面的固态泵通过输料管与料筒上端的进料口连接，料筒通过直角钢板上长端上的支架固定在机械臂小臂末端，支架上的环扣为两个被螺栓连接固定的半圆环；四号电机安装在直角钢板上短端的顶部，四号电机的输出轴穿透料筒顶部并伸入料筒内，绞龙固定在四号电机输出轴的末端；加热片安装在料筒的内壁上；温度传感器位于挤出口末端；

所述废气净化组件包括净化连接管、排气管、排气管伸缩段、板式吸收塔和活性炭箱；料筒顶部的出气口与板式吸收塔下部的进气口通过排气管连接，板式吸收塔上部的出气口与活性炭箱的下部的输入端通过净化连接管连接；

所述控制系统在路况检测组件构建沥青路面破损处3D数字模型后，将其导入到3D打印切片软件中，根据切片和路径规划结果，控制机械臂运动，同时开启料筒内壁的加热片，控制固态泵将固态沥青颗粒泵入料筒中，打开开关阀，随着四号电机带动绞龙旋转，在挤出口挤出熔融沥青。

该机器人的挤出口为螺口形式，配套设置有不同规格的出料管，出料管的挤出头包括圆形头、方形头或扁平头。

所述输料管邻近料筒的一部分为输料管伸缩段，排气管邻近料筒的一部分为排气管伸缩段。

该机器人用电均来源于履带车上搭载的锂电池，履带车顶的料仓、板式吸收塔和活性炭箱上部均安装有太阳能板，可将太阳能转化为电能为锂电池充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人设计构想，提出了一种能广泛应用于沥青路面破损处修补养护的高自动化水平、高精度、可控性强的修补方案；克服了现有龙门式三轴3D打印机器人用于沥青路面早期裂缝和轻度坑槽原位修补养护工程中缺乏机动性、灵活性、受三轴尺寸限制的问题；较传统的熔融沥青而言，本装置采用的固态沥青颗粒对储存和运输的条件要求较低，即用即熔，减轻了沥青储存和运输过程中的老化现象，保证沥青材料质量；本装置通过主要由板式吸收塔和活性炭箱组成的废气净化组件对沥青加热产生的烟气进行处理，减轻了其对环境和施工人员生命健康的影响。

附图说明

图1是本发明在机器人左侧视角下的整体结构示意图；

图2是本发明在机器人右侧视角下的整体结构示意图；

图3是本发明在机器人上方视角下的整体结构示意图；

图4是本发明料筒和材料挤出结构的示意图；

图5是本发明配套设置的不同型号的出料管的结构示意图；

图中，1 3D激光扫描仪；2料仓；3固态泵；4输料管；5输料管伸缩段；6料筒；7四号电机；8绞龙；9加热片；10开关阀；11挤出口；12温度传感器；13直角钢板；14支架；15螺栓；16净化连接管；17排气管；18排气管伸缩段；19板式吸收塔；20活性炭箱；21一号电机；22机械臂底盘；23二号电机；24机械臂大臂；25三号电机；26机械臂小臂；27出料管；28太阳能板；29履带车底盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述，并不用于限定本申请的保护范围。

本发明为一种沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人(简称机器人，参见图1-5)，包括履带车底盘29、机械臂、路况检测组件、出料组件、废气净化组件和控制系统；

所述履带车底盘29为锂电池履带车，用于搭载机械臂、路况检测组件、出料组件、废气净化组件、控制系统的硬件装置，机械臂一号电机21位于履带车底盘29顶部，控制机械臂底盘22在水平方向进行180度范围的旋转，二号电机23位于机械臂底盘22上部，控制机械臂大臂24在竖直方向进行90度范围的旋转，三号电机25位于机械臂大臂24末端，控制机械臂小臂26在竖直方向进行180度范围的旋转；

所述路况检测组件包括三个位置不同的3D激光扫描仪1，可进行不同角度的3D激光扫描，得到沥青路面早期裂缝和轻度坑槽处各点的高程信息，这些点共同代表了受损表面的形状，通过将这些点相互连接起来，产生数以万计的三角形表面，可以构建高度精确的3D数字模型，将模型传输到3D打印切片软件后，会自动进行切片和路径规划，机械臂在控制系统作用下依据路径规划结果进行运动；

出料组件包括料仓2、固态泵3、输料管4、输料管伸缩段5、料筒6、四号电机7、绞龙8、加热片9、开关阀10、挤出口11和温度传感器12；

所述料仓2安装在履带车底盘29顶部远离路况检测组件一侧，用于储存固态沥青颗粒，固态泵3的输入端与料仓2侧面的出口连接，固态泵3的输出端通过输料管4与料筒6上端的进料口连接，料筒6通过直角钢板13上长端上的支架14固定在机械臂小臂26末端，支架14的环扣为两个被螺栓15固定连接的半圆环，料筒6的挤出口11处安装有开关阀10，用于控制挤出口11的开闭，挤出口11设有外螺纹，方便出料管27的安装和拆卸；四号电机7安装在直角钢板13上短端的顶部，四号电机7的输出轴穿透料筒6顶部并伸入料筒6内，绞龙8固定在四号电机7输出轴的末端，用以搅拌、运输和挤出沥青，可通过控制四号电机7的转速改变沥青在挤出口11的挤出速度；加热片9安装在料筒6的内壁上，用于加热熔融沥青颗粒；温度传感器12位于挤出口11末端，用于对路表开裂面积较小而裂缝深处面积较大的裂缝进行沥青材料喷射3D打印修补养护时的液面检测；

所述废气净化组件安装在履带车底盘29顶部靠近路况检测组件一侧，包括净化连接管16、排气管17、排气管伸缩段18、板式吸收塔19和活性炭箱20；板式吸收塔19下部的进气口通过排气管17与料筒6顶部的出气口连接，板式吸收塔19上部的出气口通过净化连接管16与活性炭箱20下部的输入端连接；沥青颗粒受热熔化产生的沥青烟气对皮肤粘膜具有刺激性，有光毒作用，甚至是致癌作用，因此需要对沥青烟气进行净化处理，沥青烟气处理的主要任务是减少其中焦油细雾粒的排放，常用方法有洗涤法、吸附法、过滤法、燃烧法、冷凝法、机械分离法等，通常采用几种方法复合处理。本申请中产生的沥青烟气量有限，考虑成本与便携问题，采取洗涤法和吸附法相结合的处理方式，适应少量烟气的处理，具有成本低廉，结构简单，净化效果好等优点。板式吸收塔19内装有水，沥青烟气从排气管17进入板式吸收塔19中，沥青烟气中的焦油细雾粒被水吸收后浮于表面，废液从板式吸收塔19下部的排液口排出，经过板式吸收塔19的气体再进入活性炭箱20进行二次吸附，最后从活性炭箱20的排气口中排放至大气中，能起到去毒除臭的作用，所述板式吸收塔19属于现有技术，大小可以根据实际需求进行定制，板式吸收塔19的长、宽均为0.5m，高为0.3m。

所述控制系统在路况检测组件构建3D数字模型后，将其导入到3D打印切片软件中，根据切片和路径规划结果，控制机械臂运动，同时开启料筒6内壁的加热片9，打开开关阀10，控制固态泵3将固态沥青颗粒泵入料筒6中，随着四号电机7带动绞龙8旋转，在挤出口11挤出熔融沥青，对沥青路面早期裂缝及轻度坑槽进行精确填充。

该机器人配套设置有不同规格的出料管27，出料管27的挤出头的形状不同，有圆形头、方形头和扁平头，适用于不同的裂缝和坑槽。

所述输料管4邻近料筒6的一部分为输料管伸缩段5，输料管伸缩段5具有伸缩功能，保证料筒6运动至距离履带车较远的区域，输料管4也能满足使用需求。同理，排气管17上设有排气管伸缩段18。

该机器人用电均来源于履带车上搭载的锂电池，履带车底盘29顶部的料仓2、板式吸收塔19和活性炭箱20上部均安装有太阳能板28，用于将太阳能转化为电能为锂电池充电。

该机器人对沥青路面早期裂缝及轻度坑槽主要进行的是材料挤出式3D打印原位修补，对于坑槽和开放式的裂缝，即在路表面积最大的裂缝类型，按照3D数字模型切片和路径规划结果进行层层挤出修补，实现最大程度的高精度养护和全破损填充；对于路表开裂面积较小而裂缝深处面积较大的裂缝，可采取沥青材料喷射3D打印技术进行修补，材料喷射3D打印是一种逐层喷射和沉积打印材料来成型构件的技术，首先控制加热片9提升料筒6温度以增大沥青材料的流动性，由针状出料管27深入裂缝，挤出液态沥青并进行竖直方向上的高度提升，使沥青在裂缝深处逐层进行自流平，实现更加精确充分的补缝操作，通过温度传感器12可检测熔融沥青填充路面破损处时的液面信息，以便及时关闭开关阀10完成补缝。

本发明的工作原理和工作流程是：

履带车运动到沥青路面早期裂缝及轻度坑槽所在位置，运用3D激光扫描仪1进行不同角度的扫描，得到路面裂缝和坑槽处各点的高程信息，所采集到的沥青路面破损处点云相互连接，产生数以万计的三角形表面，用以构建一个高度精确的3D数字模型，将数字传输到3D打印切片软件后，会自动进行切片和路径规划；机械臂运动将料筒6移动至裂缝或坑槽的上方，固态泵3将沥青颗粒泵送至料筒6内，加热片9对沥青颗粒进行加热，打开开关阀10，通过四号电机7带动绞龙8搅拌、运输和挤出沥青，同时机械臂带动料筒6按照规划路径运动，使沥青层层堆叠，完成裂缝或坑槽处的精确填充，进而修补沥青路面。对于路表开裂面积较小而裂缝深处面积较大的裂缝，则采取材料喷射3D打印修补方法，控制加热片9提升料筒6温度以增大沥青材料的流动性，由针状出料管27深入裂缝，挤出液态沥青并进行竖直方向上的提升，使沥青在裂缝深处逐层进行自流平，实现更加精确充分的补缝操作，通过温度传感器12检测熔融沥青填充路面破损处时的液面信息，及时关闭开关阀10完成补缝。加热片9加热沥青产生的沥青烟气进入板式吸收塔19，沥青烟气中的焦油细雾粒被水吸收后浮于表面，废液从板式吸收塔19下部的排液口排出，经过板式吸收塔19的气体再通过净化连接管16进入活性炭箱20进行二次吸附，最后从活性炭箱20的排气口中排放至大气中。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人，包括履带车底盘和机械臂；其特征在于，该机器人还包括路况检测组件、出料组件、废气净化组件和控制系统；履带车底盘用于搭载各组件硬件装置，并在沥青路面早期裂缝及轻度坑槽养护过程中灵活移动，路况检测组件用于采集沥青路面早期裂缝及轻度坑槽信息，为建立3D数字模型提供依据，出料组件用于加热储存的固态沥青颗粒并按照3D打印路径规划和所需用量精确挤出，废气净化组件用于净化沥青加热过程中产生的烟气，控制系统确保机器人各组件在沥青路面早期裂缝及轻度坑槽3D打印养护修补中的协同运行。

2.根据权利要求1所述的沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人，其特征在于，所述履带车底盘为锂电池履带车，用于搭载机械臂、路况检测组件、出料组件、废气净化组件、控制系统的硬件装置，机械臂一号电机位于履带车底盘顶部，控制机械臂底盘在水平方向进行180度范围的旋转，二号电机位于机械臂底盘上部，控制机械臂大臂在竖直方向进行90度范围的旋转，三号电机位于机械臂大臂末端，控制机械臂小臂在竖直方向进行180度范围的旋转；

所述路况检测组件包括三个位置不同的3D激光扫描仪，能进行不同角度的3D激光扫描并与控制系统相配合构建沥青路面早期裂缝及轻度坑槽处的3D数字模型；

所述出料组件包括料仓、固态泵、输料管、输料管伸缩段、料筒、四号电机、绞龙、加热片、开关阀、挤出口和温度传感器；料仓侧面的固态泵通过输料管与料筒上端的进料口连接，料筒通过直角钢板上长端上的支架固定在机械臂小臂末端，支架上的环扣为两个被螺栓连接固定的半圆环；四号电机安装在直角钢板上短端的顶部，四号电机的输出轴穿透料筒顶部并伸入料筒内，绞龙固定在四号电机输出轴的末端；加热片安装在料筒的内壁上；温度传感器位于挤出口末端；

所述废气净化组件包括净化连接管、排气管、排气管伸缩段、板式吸收塔和活性炭箱；料筒顶部的出气口与板式吸收塔下部的进气口通过排气管连接，板式吸收塔上部的出气口与活性炭箱的下部的输入端通过净化连接管连接；

所述控制系统在路况检测组件构建沥青路面破损处3D数字模型后，将其导入到3D打印切片软件中，根据切片和路径规划结果，控制机械臂运动，同时开启料筒内壁的加热片，控制固态泵将固态沥青颗粒泵入料筒中，打开开关阀，随着四号电机带动绞龙旋转，在挤出口挤出熔融沥青。

3.根据权利要求1或2所述的沥青路面早期裂缝及轻度坑槽修补挤出式3D打印机器人，其特征在于，该机器人的挤出口为螺口形式，配套设置有不同规格的出料管，出料管的挤出头包括圆形头、方形头或扁平头。

4.根据权利要求2所述的用于沥青路面裂缝修补的3D打印机器人，其特征在于，所述输料管邻近料筒的一部分为输料管伸缩段，排气管邻近料筒的一部分为排气管伸缩段。

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