CN116519422B - 岩体模型变开度裂隙3d打印切割路径规划方法及成型装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为岩体模型变开度裂隙3D打印切割路径规划方法及成型装置，使用异型切割刀具，所述异型切割刀具配有异型切割针，所述异型切割针截面轮廓为对数螺线驱动的螺线型，异型切割针在机械臂第六轴关节Z轴转动控制作用下，实现变开度裂隙的制备。利用图像处理方式获得岩体模型中的变开度裂隙的几何形态，提取到裂隙特征参数，利用切割路径规划方法可得到切割针运行的坐标，异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度，异型切割针运行速度，由到时机械臂第六轴关节Z轴转动角度。采用具有螺线型截面轮廓的异型切割针代替常规的毛细圆管切割针，能在任意在指定开度区间内进行切割填充，每条裂隙的切割过程都可以实现变开度裂隙平滑制备。
Description
技术领域
本发明涉及隧道用岩体工程技术领域，特别是涉及一种岩体模型变开度裂隙3D打印切割路径规划方法及成型装置。
背景技术
工程岩体中赋存大量的层理、节理、裂纹、裂隙、层面以及断层等结构弱面，在扰动作用下，结构弱面的萌生、扩展、贯通以及开裂导致岩体失稳破坏，直接影响着工程岩体的稳定性能。在工程岩体力学行为研究中，常通过构建地质模型的方法还原岩体，再进行力学行为研究，为此，精细化、高精度的岩体地质模型制备，尤其是复杂裂隙的精准“刻画”，在模型力学行为响应研究中发挥着至关重要的作用。传统裂隙岩体模型制备中，常采用预制薄片移除法或软弱薄片内置法制备，如公开号为CN104833555A的断续充填裂隙岩石试样模型的制作方法和公开号为CN105424435A的一种制作三维节理裂隙圆柱型岩石试样的方法，该类方法裂隙形态单一，裂隙开度固定等特点，即预制的薄片形态就是裂隙形态，无法实现复杂的、变开度、大尺度岩体地质模型的制备。
针对上述实际存在的问题，本发明提供一种岩体模型变开度裂隙3D打印切割路径规划方法及成型装置进行变开度裂隙岩体模型水泥基3D打印，解决3D打印裂隙形态单一、裂隙开度固定、裂隙切割-充填繁琐、裂隙力学与水利传导性能难以调控的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种岩体模型变开度裂隙3D打印切割路径规划方法及成型装置，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，本发明提供一种岩体模型变开度裂隙3D打印切割路径规划方法，使用异型切割刀具，所述异型切割刀具配有异型切割针，所述异型切割针截面轮廓为对数螺线驱动的螺线型，异型切割针在机械臂第六轴关节Z轴转动控制作用下，实现变开度裂隙的制备；
获取变开度裂隙的几何形态，提取变开度裂隙的中轴曲线L，并将中轴曲线L进行离散化处理获得，n为离散化后曲线段的数量，产生n+1个离散点，离散点用表示，/>表示/>的下一个离散点，计算不同离散点处的裂隙轴线角/>和裂隙开度/>；
切割路径设置于裂隙的中轴曲线上，，/>，/>表示第i个离散点的切割信息；/>为异型切割针定位轴坐标；/>为异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度；/>为异型切割针运行速度；/>为机械臂第六轴关节Z轴转动角度；在已知/>点切割信息和/>点处裂隙轴线角/>和裂隙开度/>的情况下，通过递推公式/>获得/>点切割信息；
所述的递推公式为：
，
式中：i取值为0,…,n，为第i个离散点处的裂隙开度，/>为第i+1个离散点处的裂隙开度，/>为螺线初始极径，/>为螺线在第i个离散点时的切割极径，/>为螺线在第i+1个离散点时的切割极径，/>为最小裂隙开度处所对应的极角，/>为达到指定切割宽度/>所对应异型切割针Z轴旋转角度，/>为由/>到/>间裂隙轴线转角；
给定初始异型切割针定位轴坐标、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>、异型切割针运行速度/>及械臂第六轴关节Z轴初始角度/>、由/>到/>间裂隙轴线转角/>，带入所述的递推公式，得到切割路径上第二个离散点处异型切割针运行的坐标/>、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>、异型切割针运行速度/>、由/>到/>时机械臂第六轴关节Z轴转动角度/>，根据上一个离散点的切割信息获得下一个离散点的切割信息，以此类推，得到各个离散点切割信息/>，再组成切割信息集合，完成切割路径规划。
第二方面，本发明提供一种岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，包括机械臂，所述的机械臂的一端安装有裂隙切割-填充机构，裂隙切割-填充机构包括与机械臂第六轴关节连接的切割刀具，切割刀具下设有待切割-填充的变开度裂隙岩体模型，所述装置还包括电驱供料机构，所述的切割刀具为异型切割刀具，所述的异型切割刀具安装有异型切割针，所述异型切割针具有螺线状段，在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔，异型切割针内置有中空输料通道；所述异型切割针底部封口，所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧；
所述电驱供料机构包括连通异型切割针中空输料通道的输料软管、用于存储填充材料的储料桶、活塞和伺服电缸。
所述异型切割针还具有粗圆柱段，粗圆柱段与异型切割刀具通过连接件螺纹连接。
所述排料槽孔沿高度方向的长度为15.0~20.0mm，螺线状段的长度为30.0~50.0mm。
所述异型切割针3-1由不锈钢车制，异型切割针螺线状段的截面轮廓3-7呈螺线状，螺线的初始极径为1.8mm，螺线的最长极径为4.3mm，有效切割长度为50.0mm；异型切割针3-1内置中空输料通道3-2为椭圆形，长轴半径为4.0mm，短轴半径为1.6mm；异型切割针3-1侧壁的排料槽孔3-3宽为1.0mm，长为15.0mm。
所述装置所能打印的裂隙开度范围为：，其中/>为螺线在极坐标下的长轴半径，为螺线的初始极径，/>为螺线的初始极径与最长极径夹角，/>为最小切割裂隙开度时螺线的极径，/>为最小裂隙开度时所对应的极角。
所述装置还包括自动控制模块，所述自动控制模块包括液晶显示器、PLC模块、电控开关，自动控制模块与伺服电缸电性连接。
所述装置的使用方法包括以下步骤：
a. 建立3D打印岩体模型的数值模型，并获得岩体挤出式打印路径；
b. 根据所述的切割路径规划方法确定切割路径，得到异型切割针定位轴坐标，异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>，异型切割针运行速度/>，由到/>时机械臂第六轴关节Z轴转动角度/>；
c. 根据异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度、裂隙开度/>、以及异型切割针运行速度/>，按照/>换算填充材料的挤出速度/>，
在获得填充材料的挤出速度后，再根据活塞直径计算伺服电缸的推进速度，
其中，伺服电缸的推进速度的计算公式为：
，
式中：D为活塞直径；
最后，根据各时间节点伺服电缸的推进速度编制材料填充自动控制程序，并载入自动控制模块；
d. 按照性能需求配制填充材料，高速搅拌后装入储料桶，并排除多余空气；
e. 设定3D打印岩体模型的指定高度，将岩体模型制备按指定高度分成若干段，根据步骤a中的岩体挤出式打印路径进行增材打印，根据所述切割路径和材料填充自动控制程序，进行裂隙切割填充，挤出增材打印一段，切割减材一段，直至打印到指定高度为止，完成变开度裂隙岩体模型打印；
h. 对获得的变开度裂隙岩体模型送入标准养护室养护，或利用保鲜膜裹缚，定期洒水保持稳定湿度养护；
所述指定高度为30.0~50.0mm。
裂隙切割过程中，裂隙填充材料经中空输料通道，并由排料槽孔处挤入裂隙。
所述的异型切割刀具经输料软管与储料桶相连，储料桶内的活塞由伺服电缸提供驱动力，并采用自动控制模块进行填充材料的挤出控制；活塞位于储料桶的桶体上部，出料口位于储料桶的桶体下部，并与输料软管相连；
所述的填充材料包括滑石粉、硅灰、重晶石粉、水泥、淀粉胶和水，能模拟不同岩体裂隙力学特性的模型。
本发明还提供一种异型切割刀具，所述的异型切割刀具3安装有异型切割针3-1，所述异型切割针3-1底部封口，具有粗圆柱段和螺线状段，且异型切割针内置有中空输料通道3-2，并在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔3-3，所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、 本发明采用具有螺线型截面轮廓的异型切割针代替常规的毛细圆管切割针，能在任意在指定开度区间内进行切割填充，每条裂隙的切割过程都可以实现变开度裂隙平滑制备。
2、 本发明装置通过设置机械臂和机械臂第六轴关节处安装的有异型切割刀具，实现岩体裂隙切割的精准控制，以伺服电缸驱动活塞，将填充材料注入切割的裂隙中，避免气力驱动过程中由于气体可压缩性而带来的精度低问题。
3、 本发明中3D打印岩体模型打印与裂隙切割协同进行，摒弃了原有技术中3D打印岩体模型制备硬化后，再进行裂隙切割制备的两步骤技术方案，本发明实现变开度裂隙的一次性制备。
4、 本发明方法中异型切割针的截面为螺线型轮廓，切割锋面位于切割剖面中心位置，保证切割过程中切割浆材均匀的向两侧分开，获得平整的切割裂隙面。异型切割针的截面为轮廓为螺线型，可用对数螺线函数驱动，该函数连续可导特性，可实现制定裂隙开度区间内任意裂隙开度的连续制备。针对异型切割针截面的螺线型轮廓，采用特定的变开度裂隙切割路径规划方法，通过该切割路径规划方法可得到切割针运行的坐标，异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>，异型切割针运行速度/>，由/>到/>时机械臂第六轴关节Z轴转动角度/>。与此同时，异型切割针内置中空输料通道，异型切割针侧壁设有排料槽孔，切割过程中填充材料可经此排料槽孔注入切割裂隙中，对裂隙壁面进行同步支撑。并配有电驱供料机构，包括与异型切割刀具连通的储料桶、伺服电缸和自动控制模块，整套装置自动化程度高，能够适应裂隙开度的持续改变供料，使得填充材料供应精准稳定。填充材料可根据力学性能和水力传导性能需求进行配制，可制备获得为不同研究目的特定力学与水力性能的岩体裂隙。
5、 本发明制备的变开度裂隙岩体模型裂隙壁面平滑、开度精准、填充密实、裂隙力学性能与水利传导性能稳定可控，可用于各类变开度裂隙岩体、复杂裂隙形态、大尺度相似地质模型的制备，可一次性制备变开度、填充型或非填充型岩体裂隙，克服现有3D裂隙岩体中裂隙成型流程繁琐，裂隙开度单一等技术难题，具有简单、使用方便、成型速度快、填充料控制精准、自动化程度高等优点。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有的技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些试试例，对于本领域普通技术人员来说，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为本发明中异型切割刀具的整体结构示意图。
图2为图1中A-A剖面10:1放大的结构示意图。
图3为图1中I部分的放大结构示意图。
图4为本发明岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置的结构示意图。
图5为变开度裂隙岩体模型中不同裂隙开度的示意图。
图6为本发明中的电驱供料机构的结构意图。
图7为本发明中的裂隙开度变换位置切割针路径转变过程示意图。
图8为实施例中分别为3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm四种开度裂隙所对应的切割姿态示意图。
其中：1、机械臂；2、机械臂第六轴关节；3、异型切割刀具；3-1、异型切割针；3-2、中空输料通道；3-3、排料槽孔；3-4、刀具连接架；3-5、中空螺纹接头；3-6、外六角螺纹接头；3-7、切割针截面轮廓；4、变开度裂隙岩体模型；4-1、1号3.0mm定开度裂隙；4-2、2号6.0mm定开度裂隙；4-3、3号3.0~6.0mm变开度裂隙；5、输料软管；6、储料桶；6-1、出料口；7、活塞；8、伺服电缸；9、自动控制模块；10填充材料。
具体实施方式
下面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，而不是全都的实施例。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。
为使发明的上述目的、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1：参照图4，本发明提供了一种岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，包括机械臂1，所述的机械臂1的一端安装有裂隙切割-填充机构，裂隙切割-填充机构包括与机械臂第六轴关节2连接的异型切割刀具3，所述的异型切割刀具3安装有异型切割针3-1，异型切割针3-1内置有中空输料通道3-2，并在侧壁设有排料槽孔3-3。所述异型切割针3-1底部封口，所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧。
异型切割刀具3下设有待切割-填充的变开度裂隙岩体模型4，机械臂的另一侧设有电驱供料机构，电驱供料机构（参见图6）由机械控制实现，包括连通异型切割刀具的输料软管5、钢制储料桶6、活塞7、伺服电缸8和自动控制模块9。
整套装置自动化程度高，填充材料供应精准稳定，对切割的裂隙同步填充支撑，使用效果极佳，制备的模型裂隙开度精准、材料填充密实、裂隙力学性能与水利传导性能稳定，可用于各类变开度裂隙岩体大尺度（边长2000mm~3000mm左右）相似模型的制备。利用机械臂第六轴关节转动功能，使得裂隙切割过程中，异型切割针按照指定角度移动，实现切割裂隙开度的自定义控制，所能打印的裂隙开度范围为：最小裂隙开度为，最大裂隙开度为/>，其中/>为螺线的初始极径，/>为螺线的最长极径，/>为螺线的最长极径与初始极径间夹角，/>为最小切割裂隙开度时螺线的极径，/>为最小裂隙开度时所对应的极角；/>，/>也是由异型切割刀具几何形状（螺线）决定的，是异型切割刀具的基本参数，为定值。
本实施例中根据异型切割针尺寸可实现开度3.0~6.0mm、深度30.0~50.0mm裂隙切割制备。
所述异型切割刀具3（参见图1）通过刀具连接架3-4连接机械臂第六轴关节2；异型切割刀具的下部通过中空螺纹接头3-5、外六角螺纹接头3-6将异型切割刀具与异型切割针固连在一起；刀具连接架3-4配有中空螺纹接头3-5，异型切割针3-1配有外六角螺纹接头3-6，刀具连接架3-4与异型切割针3-1通过螺纹接头彼此相连。螺纹连接便于更换与清理。
所述异型切割针3-1底部封口，具有粗圆柱段和螺线状段（参见图3），且内置有中空输料通道3-2，并在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔3-3，排料槽孔沿高度方向的长度为15.0~20.0mm，螺线状段的长度为30.0~50.0mm；所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，异型切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧，使得切割针既能完成切割裂隙作用，又能在切割后及时填入裂隙填充材料。所述排料槽孔不能太大，太大会使得填充材料不能流到底部，导致裂隙填充不密实；太小由于裂隙填充材料流动阻力较大也会导致其不能流出。螺线状段如果设置太深，容易导致针头变形，降低裂隙制备精度。
进一步优化方案，异型切割针3-1由不锈钢车制，切割针截面轮廓3-7呈“螺线”状（参见图2），螺线的初始极径1.8mm，螺线的最长极径4.3mm，有效切割长50.0mm；异型切割针3-1内置中空输料通道3-2为椭圆形，长轴半径为4.0mm，短轴半径为1.6mm；异型切割针3-1侧壁的排料槽孔3-3宽为1.0mm，长为15.0mm。
进一步优化方案，储料桶6在储存材料的同时，推力直接作用在活塞上，活塞直径151.0mm并将填充材料挤出。活塞7位于储料桶的桶体上部，出料口位于储料桶的桶体下部，并与输料软管5相连。
进一步优化方案，优选的伺服电缸8由大推力伺服电机驱动，额定推力6.5kN，推杆螺纹导程20.0mm，控制精度±0.02mm，推杆螺纹间距小，为储料桶中的活塞提供高精度、大推力的驱动力。
优选的自动控制模块9由液晶显示器、PLC模块、电控开关等组成，自动控制模块与伺服电缸8连接，伺服电缸8的输出与活塞连接，控制活塞7行进的加速度、速度、行程等参数，具有自动、手动、点动、复位等自动功能。
图5中为变开度裂隙岩体模型中不同裂隙开度的示意图，包含1号3.0mm定开度裂隙4-1；2号6.0mm定开度裂隙4-2；3号3.0~6.0mm变开度裂隙4-3，图中1号3.0mm定开度裂隙4-1所对应的整条裂隙，开度均为3.0mm，2号6.0mm定开度裂隙4-2所对应的整条裂隙，开度均为6.0mm，3号3.0~6.0mm定开度裂隙4-3所对应的整条裂隙，开度由3.0mm-6.0mm逐渐变化。
图7为裂隙开度变换位置切割针路径转变过程示意图。图中，O为螺线圆点，A为螺线起始点，C为螺线终点，B为裂隙开度下对应的螺线上的点，OA为螺线的初始极径，为螺线的初始极径与最长极径夹角，/>为最小切割裂隙开度时螺线的极径，/>为最小裂隙开度时所对应的极角，/>为螺线在极坐标下的长轴半径，
裂隙开度由到/>需要2步完整：Step 1 异型切割针自身转动/>，此时的裂隙开度即变为/>，但由于切割针的螺线型轮廓转动后，切割针的定位轴/>不再位于切割针中心位置，为此，需要将其转移，即/>。
Step 2裂隙并非平直，当存在转向时，为保证切割裂隙开度不变，异型切割针旋转角还需加上裂隙中线的裂隙轴线角/>，即/>。于此同时，若裂隙平直，仅改变裂隙开度，只需按照Step 1进行调整，同理，若裂隙开度未改变，仅改变裂隙曲直，只需按照Step 2进行调整即可。
图8中（a）~（d）分别为3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm四种裂隙开度所对应的切割路径示意图。P0为切割裂隙开度最小（3.0mm）时，异型切割针中心轴坐标，此时即为初始位置；v表示切割针行进方向。切割裂隙开度可在3.0mm~6.0mm间连续变化，图中仅列出四个特征裂隙开度切割姿态。
所述异型切割针截面轮廓由对数螺线（）驱动的“螺线”型，利用机械臂第六轴关节Z轴转动功能，使得裂隙切割过程中，异型切割针与运移方向成一定夹角来控制切割宽度，以实现变开度裂隙的制备。其中，a、b是常数，r是极径，θ是极角，/>=a，为螺线的初始极径，此时极角为0，即图8中OA的长度。
基于变开度裂隙的几何形态，提取中轴曲线L，并将其进行离散化处理，n为离散化后曲线段的数量，离散化后会产生n+1个离散点，离散点用表示，此即为异型切割针定位轴坐标，/>表示/>的下一个离散点，离散化后相邻两个离散点之间的夹角记为裂隙轴线角，离散化后获得局部曲率、曲率半径和裂隙开度、裂隙轴线角等变开度裂隙特征参数，根据异型切割针运移姿态与变开度裂隙特征参数的映射关系进行切割路径规划。
裂隙轴线角的确定方式为：以两个离散点对中轴曲线作切线，两条切线的垂线的相交角为裂隙轴线角。
切割路径中心设置于裂隙的中轴曲线L上，裂隙的中轴曲线L上的每个离散点及该位置处的异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度、异型切割针运行速度和由到/>时机械臂第六轴关节Z轴转动角度的关系表示切割信息用/>表示，即， 所有离散点处的对应关系用表示为，此时，/>为切割路径/>上的第i个离散点的切割信息。裂隙开度/>，/>为异型切割针定位轴坐标；/>为异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度；/>为异型切割针运行速度；/>为由/>到/>时机械臂第六轴关节Z轴转动角度。在已知/>点切割信息和/>点处裂隙轴线角/>和裂隙开度的情况下，通过递推公式/>即可获得/>点切割信息。
所述的递推公式为：
，
式中：i取0,…,n，为第i个离散点处的裂隙开度，/>为第i+1个离散点处的裂隙开度，/>为螺线的初始极径（参考图7 OA），/>为螺线在第i个离散点时的切割极径（参考图7 OB），/>为螺线在第i+1个离散点时的切割极径，/>为最小裂隙开度时所对应的极角，/>为达到指定切割宽度/>所对应异型切割针Z轴旋转角度，/>为由/>到/>间裂隙轴线转角；i+1表示切割路径/>上的第i+1个离散点；
给定初始异型切割针定位轴坐标、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>、异型切割针运行速度/>及械臂第六轴关节Z轴初始角度/>、由/>到/>间裂隙轴线转角/>，带入所述的递推公式，得到切割路径上第二个离散点处异型切割针运行的坐标/>、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度/>、异型切割针运行速度/>、由/>到/>时机械臂第六轴关节Z轴转动角度/>，根据上一个离散点的切割信息获得下一个离散点的切割信息，以此类推，得到各个离散点切割信息/>，再组成切割信息集合/>，完成切割路径规划。
所述的异型切割刀具安装有异型切割针，异型切割针内置有中空输料通道，并在侧壁设有排料槽孔，裂隙切割过程中，裂隙填充材料经输料通道，并由排料槽孔处挤入裂隙，对其进行有效支撑，避免裂隙闭合，保证裂隙开度的切割精度。
异型切割刀具经输料软管与储料桶相连，储料桶内的活塞由伺服电缸提供驱动力，并采用自动控制模块进行填充料的挤出控制。
本发明的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置及切割路径规划方法可一次性制备变开度、填充型或非填充性岩体裂隙，克服现有3D裂隙岩体中裂隙成型流程繁琐，裂隙开度单一等技术难题，该装置简单、使用方便、成型速度快、填充料控制精准、自动化程度高，可广泛应用于制作各类复杂裂隙形态的地质模型。
优选的裂隙填充材料由滑石粉、硅灰、重晶石粉、水泥、水、淀粉胶、减水剂组成，填充材料呈牙膏状，具有均质、稳定、高流态、失水不收缩等特性，同时，养护到制定龄期具有力学强度和水利传导能力，满足相似模型试验对裂隙接触力学与水力学性能要求。裂隙填充材料的颗粒物料最大直径37μm，材料质量比30:20:14:1:35:0.5:0.2，可根据力学强度和水利传导能力需求自行调整材料配比。
所述变开度裂隙岩体模型水泥基3D打印成型装置的使用方法，包括以下步骤：
a. 建立3D打印岩体模型的数值模型，并获得岩体挤出式打印路径，从建立的3D打印岩体模型的数值模型中通过图形处理提取变开度裂隙，获得变开度裂隙的几何形态；
b. 根据变开度裂隙的几何形态，对获得的几何形态利用图形处理提取中轴曲线L，并将其进行离散化处理，n为离散化后曲线段的数量，具有n+1个离散点，计算局部曲线弧长/>、曲率半径/>、切向角/>和裂隙开度/>等变开度裂隙特征参数，根据异型切割针运移姿态（位置、深度、运行速度、转动角度）与裂隙特征参数（裂隙开度、裂隙轴线角）的映射关系进行切割路径规划；
裂隙开度，切割路径/>中心设置于裂隙中轴曲线，，/>，/>表示第i个离散点的切割信息，根据下述递推公式/>生成切割路径代码，
，
式中：i取值为0,…,n，为第i个离散点处的裂隙开度，/>为第i+1个离散点处的裂隙开度，/>为螺线的初始极径（参考图7 OA），/>为螺线在第i个离散点时的切割极径（参考图7 OB），/>为螺线在第i+1个离散点时的切割极径，/>为最小裂隙开度处时对应的极角，/>为达到指定切割宽度/>所对应异型切割针Z轴旋转角度，/>为由/>到/>间裂隙轴线转角；
c. 根据异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度、裂隙开度/>、以及异型切割针运行速度/>，换算填充材料的挤出速度，
其中，挤出速度计算公式为：
，
式中：填充材料的挤出速度，
在获得填充材料的挤出速度后，再根据活塞直径计算伺服电缸8的推进速度，
其中，伺服电缸的推进速度计算公式为：
，
式中：D为活塞直径，
最后，根据各时间节点伺服电缸的推进速度编制材料填充自动控制程序，并载入自动控制模块9；
d. 按照性能需求配制填充材料10，高速搅拌后装入储料桶6，并排除多余空气；
e. 设定3D打印岩体模型的指定高度，将岩体模型制备按指定高度分成若干段，根据步骤a中的岩体挤出式打印路径进行增材打印，根据所述切割路径和材料填充自动控制程序，进行裂隙切割填充，挤出增材打印一段，切割减材一段，直至打印到指定高度为止，完成变开度裂隙岩体模型打印；
h. 对获得的变开度裂隙岩体模型送入标准养护室养护，或利用保鲜膜裹缚，定期洒水保持稳定湿度养护，养护至指定龄期进行裂隙岩体力学性能试验研究；
所述指定高度为30.0~50.0mm，这个指定高度与异型切割针长度相关，本实施例中异型切割针有效长度为50.0mm，异型切割针侧壁的排料槽孔长15.0mm，试验证实切割高度30.0~50.0mm，效果最佳。
实施例2：参照图4，在实施例1的基础上，利用机械臂第六轴关节转动功能，使得裂隙切割过程中，异型切割针按照指定角度移动，实现切割裂隙开度的自定义控制，根据异型切割针尺寸可实现开度3.0~6.0mm、深度30.0~50.0mm裂隙切割制备，只进行切割，不进行填充。
一种变开度裂隙岩体模型水泥基3D打印成型装置的使用方法，包括以下步骤：
a. 建立3D打印岩体模型的数值模型，并生成挤出式打印路径代码；
b. 根据裂隙的具体空间位置和几何开度参数，设置异型切割刀具3运移路径与机械臂第六轴转角参数，并形成切割路径代码；
c. 根据步骤a中的岩体挤出式打印路径构建指定高度（30.0~50.0mm）的完整岩体模型；
d. 根据步骤b中的裂隙切割减材路径构建指定深度（30.0~50.0mm）和开度（3.0~6.0mm）的变开度裂隙岩体模型；
e. 对步骤d中构建的变开度裂隙岩体模型（未设置填充材料）送入标准养护室养护，或利用保鲜膜裹缚，定期洒水保持稳定湿度养护，养护至指定龄期进行浆液在裂隙岩体内流动扩散特性研究。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (10)
1.一种岩体模型变开度裂隙3D打印切割路径规划方法，其特征在于：使用异型切割刀具，所述异型切割刀具配有异型切割针，所述异型切割针截面轮廓为对数螺线驱动的螺线型，异型切割针在机械臂第六轴关节Z轴转动控制作用下，实现变开度裂隙的制备；
获取变开度裂隙的几何形态，提取变开度裂隙的中轴曲线L，并将中轴曲线L进行离散化处理获得[L1,L2,…,Ln]，n为离散化后曲线段的数量，产生n+1个离散点，离散点用Pi表示，Pi+1表示Pi的下一个离散点，计算不同离散点处的裂隙轴线角αi和裂隙开度wi；
切割路径MP设置于裂隙的中轴曲线上，MP＝[MP0,MP1,MP2,…,MPi,…,MPn]， MPi表示第i个离散点的切割信息；Pi＝(xi,yi)为异型切割针定位轴坐标；zi为异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度；vi为异型切割针运行速度；/>为机械臂第六轴关节Z轴转动角度；在已知MPi点切割信息和MPi+1点处裂隙轴线角αi+1和裂隙开度wi+1的情况下，通过递推公式{MPi}获得MPi+1点切割信息；
所述的递推公式{MPi}为
式中：i取值为0,…,n，wi为第i个离散点处的裂隙开度，wi+1为第i+1个离散点处的裂隙开度，r0为螺线初始极径，ri为螺线在第i个离散点时的切割极径，ri+1为螺线在第i+1个离散点时的切割极径，θc为最小裂隙开度处所对应的极角，βi为达到指定切割宽度wi所对应异型切割针Z轴旋转角度，αi为由Pi到Pi+1间裂隙轴线转角；
给定初始异型切割针定位轴坐标(x0，y0)、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度z0、异型切割针运行速度v0及械臂第六轴关节Z轴初始角度由P0到P1间裂隙轴线转角α0，带入所述的递推公式，得到切割路径上第二个离散点处异型切割针运行的坐标(x1，y1)、异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度z1、异型切割针运行速度v1、由P0到P1时机械臂第六轴关节Z轴转动角度/>根据上一个离散点的切割信息获得下一个离散点的切割信息，以此类推，得到各个离散点切割信息/>再组成切割信息集合，完成切割路径规划。
2.一种岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，包括机械臂，所述的机械臂的一端安装有裂隙切割-填充机构，裂隙切割-填充机构包括与机械臂第六轴关节连接的切割刀具，切割刀具下设有待切割-填充的变开度裂隙岩体模型，其特征在于：所述装置还包括电驱供料机构，所述的切割刀具为异型切割刀具，所述异型切割刀具采用权利要求1所述的切割路径规划方法确定切割路径，所述的异型切割刀具安装有异型切割针，所述异型切割针具有螺线状段，在螺线状段下部侧壁设有排料槽孔，异型切割针内置有中空输料通道；所述异型切割针底部封口，所述排料槽孔位于切割行进方向相反一侧，切割针的切割锋面位于打印行进方向一侧；
所述电驱供料机构包括连通异型切割针中空输料通道的输料软管、用于存储填充材料的储料桶、活塞和伺服电缸。
3.根据权利要求2所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于，所述异型切割针还具有粗圆柱段，粗圆柱段与异型切割刀具通过连接件螺纹连接。
4.根据权利要求3所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于，所述排料槽孔沿高度方向的长度为15.0～20.0mm，螺线状段的长度为30.0～50.0mm。
5.根据权利要求3所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于，所述异型切割针由不锈钢车制，异型切割针螺线状段的截面轮廓呈螺线状，螺线的初始极径为1.8mm，螺线的最长极径为4.3mm，有效切割长度为50.0mm；异型切割针内置中空输料通道为椭圆形，长轴半径为4.0mm，短轴半径为1.6mm；异型切割针侧壁的排料槽孔宽为1.0mm，长为15.0mm。
6.根据权利要求2所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于，所述装置所能打印的裂隙开度范围为：[rc·sin(π-θc)，rmax+r0·cos(π-θmax)]，其中rmax为螺线在极坐标下的长轴半径，r0为螺线的初始极径，θmax为螺线的初始极径与最长极径夹角，rc为最小切割裂隙开度时螺线的极径，θc为最小裂隙开度时所对应的极角。
7.根据权利要求2所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于，所述装置还包括自动控制模块，所述自动控制模块包括液晶显示器、PLC模块、电控开关，自动控制模块与伺服电缸电性连接。
8.根据权利要求7所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于，所述装置的使用方法包括以下步骤：
a.建立3D打印岩体模型的数值模型，并获得岩体挤出式打印路径；
b.根据权利要求1所述的切割路径规划方法确定切割路径，得到异型切割针定位轴坐标(xi，yi)，异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度zi，异型切割针运行速度vi，由Pi到Pi+1时机械臂第六轴关节Z轴转动角度
c.根据异型切割针在3D打印岩体模型中的切入深度zi、裂隙开度wi、以及异型切割针运行速度vi，按照Vi＝zi·wi·vi换算填充材料的挤出速度Vi，
在获得填充材料的挤出速度后，再根据活塞直径计算伺服电缸的推进速度，
其中，伺服电缸的推进速度fi的计算公式为：
fi＝4Vi/πD2
式中：D为活塞直径；
最后，根据各时间节点伺服电缸的推进速度编制材料填充自动控制程序，并载入自动控制模块；
d.按照性能需求配制填充材料，高速搅拌后装入储料桶，并排除多余空气；
e.设定3D打印岩体模型的指定高度，将岩体模型制备按指定高度分成若干段，根据步骤a中的岩体挤出式打印路径进行增材打印，根据所述切割路径和材料填充自动控制程序，进行裂隙切割填充，挤出增材打印一段，切割减材一段，直至打印到指定高度为止，完成变开度裂隙岩体模型打印；
h.对获得的变开度裂隙岩体模型送入标准养护室养护，或利用保鲜膜裹缚，定期洒水保持稳定湿度养护；
所述指定高度为30.0～50.0mm。
9.根据权利要求8所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于：裂隙切割过程中，裂隙填充材料经中空输料通道，并由排料槽孔处挤入裂隙。
10.根据权利要求8所述的岩体模型变开度裂隙3D打印成型装置，其特征在于：所述的异型切割刀具经输料软管与储料桶相连，储料桶内的活塞由伺服电缸提供驱动力，并采用自动控制模块进行填充材料的挤出控制；活塞位于储料桶的桶体上部，出料口位于储料桶的桶体下部，并与输料软管相连；
所述的填充材料包括滑石粉、硅灰、重晶石粉、水泥、淀粉胶和水，能模拟不同岩体裂隙力学特性的模型。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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