混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備、方法及工程機械的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備、方法以及包含該設備的工程機械，該設備包括：接收裝置，用于接收噴射機的臂架姿態信號；以及控制裝置，用于執行以下操作：根據臂架姿態信號，確定噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標；根據根部中心坐標及末端中心坐標，確定噴嘴的指向向量；根據受噴面的曲面輪廓模型以及向量，計算噴射點的位置坐標；根據曲面輪廓模型及位置坐標，計算受噴面在該位置坐標的法向量；計算法向量與代表噴嘴指向的向量之間的夾角；以及在夾角大于預設值的情況下，調整噴嘴的位置，以使代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的夾角小于或等于預設值。本發明可準確控制的噴射角度，增強噴射的混凝土的密實度。
【專利說明】混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備、方法及工程機械
【技術領域】
[0001]本發明涉及工程機械領域，具體地，涉及一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備、方法以及包含該設備的工程機械。
【背景技術】
[0002]混凝土噴射機用于將混凝土噴射至受噴面，其噴射角度(B卩，噴嘴的指向與受噴面之間的夾角)適當與否關系直接到噴射質量和混凝土的回彈率。以上對噴射質量的影響主要表現在受噴面上噴射層混凝土的密實度下降，進而會降低噴射層的結構強度；而回彈率較高，則會造成混凝土浪費，增加施工成本。理想的噴射角度是噴嘴的指向與受噴面成90°，這樣可減少混凝土的回彈率、增強噴射層的密實度。
[0003]目前，噴射機的作業大多采是用人工手動控制的，所以對噴射角度的控制完全是通過肉眼觀測進而手動控制的。手動操作方式控制噴嘴的噴射角度存在兩方面的缺陷:
(I)控制不精確，造成噴射質量差以及混凝土的浪費；(2)增加機手的勞動強度。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備、方法以及包含該設備的工程機械，其可準確控制混凝土噴射機的噴射角度。
[0005]為了實現上述目的，本發明提供一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備，該設備包括:接收裝置，用于接收所述噴射機的臂架姿態信號；以及控制裝置，用于執行以下操作:根據所述臂架姿態信號，確定所述噴嘴的根部中心及末端中心于一三維直角坐標系內的坐標；根據所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標，確定所述噴嘴的指向向量；根據受噴面的曲面輪廓模型以及所述指向向量，計算噴射點的位置坐標；根據所述曲面輪廓模型及所述噴射點的位置坐標，計算所述受噴面在該位置坐標的法向量；計算該法向量與代表噴嘴指向的向量之間的夾角；以及在該夾角大于預設值的情況下，調整所述噴嘴的位置，以使代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的夾角小于或等于所述預設值。
[0006]相應地，本發明還提供一種工程機械，該工程機械包含上述噴嘴噴射角度控制設備。
[0007]相應地，本發明還提供一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制方法，該方法包括:接收代表所述噴射機的臂架姿態信號；根據所述臂架姿態信號，確定所述噴嘴的根部中心及末端中心于一三維直角坐標系內的坐標；根據所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標，確定所述噴嘴的指向向量；根據受噴面的曲面輪廓模型以及所述指向向量，計算噴射點的位置坐標；根據所述曲面輪廓模型及所述噴射點的位置坐標，計算所述受噴面在該位置坐標的法向量；計算該法向量與代表噴嘴指向的向量之間的夾角；以及在該夾角大于預設值的情況下，調整所述噴嘴的位置，以使代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的夾角小于或等于所述預設值。
[0008]通過該方案，由于噴射角度的控制是由控制裝置自動完成的，不需要機手參與，從而減少了機手的勞動強度，可很好地實現對噴嘴噴射角度的控制。由于噴射角度適當，可增強噴射的混凝土的密實度，增強噴射的壁面結構強度，從而保證了噴射質量。另外，由于噴射角度適當，在噴射過程中可減少混凝土的反彈率，從而減少混凝土的浪費，節約施工成本。
[0009]本發明的其他特征和優點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的【具體實施方式】一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中:
[0011]圖1為本發明提供的噴嘴噴射角度控制設備的結構示意圖；
[0012]圖2A和2B分別示出了所擬合出的曲面輪廓以及一噴射點在該曲面輪廓上的法向量;
[0013]圖3為噴射機的結構示意圖；
[0014]圖4為噴射角度求解示意圖；以及
[0015]圖5示出了調整后的噴嘴位置。
[0016]附圖標記說明
[0017]10接收裝置 20控制裝置
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0019]圖1為本發明提供的噴嘴噴射角度控制設備的結構示意圖。如圖1所示，本發明提供了一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備，該設備包括:接收裝置10，用于接收所述噴射機的臂架姿態信號；控制裝置20，用于執行以下操作:根據所述臂架姿態信號，確定所述噴嘴的根部中心及末端中心于一三維直角坐標系內的坐標；根據所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標，確定所述噴嘴的指向向量；根據受噴面的曲面輪廓模型以及所述指向向量，計算噴射點的位置坐標；根據所述曲面輪廓模型及所述噴射點的位置坐標，計算所述受噴面在該位置坐標的法向量；計算該法向量與所述代表噴嘴指向的向量之間的夾角；以及在該夾角大于預設值的情況下，調整所述噴嘴的位置，以使代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的夾角小于或等于所述預設值。通過該方案，由于噴射角度的控制是由控制裝置20自動完成的，不需要機手參與，從而減少了機手的勞動強度，可很好地實現對噴嘴噴射角度的控制。由于噴射角度適當，可增強噴射的混凝土的密實度，增強噴射的壁面結構強度，從而保證了噴射質量。另外，由于噴射角度適當，在噴射過程中可減少混凝土的反彈率，從而減少混凝土的浪費，節約施工成本。
[0020]以下介紹如何生成所述曲面輪廓模型。噴射機在進行噴射作業之前，可利用掃描儀對受噴面進行掃描，采集該掃描儀中心與所述受噴面各點之間的距離，并將該距離傳送至所述控制裝置20。該控制裝置20可以以噴射機的轉臺中心為坐標原點建立空間坐標系(例如，所述三維直角坐標系)，然后將掃描儀所采集的該掃描儀距離受噴面上各點的距離轉換為受噴面上各點在此坐標系下的坐標值，并對這些坐標值進行插值擬合，從而擬合出受噴面的曲面輪廓模型，如圖2A所示。對于受噴面上的任意一點，控制裝置20可根據曲面輪廓模型，得出該點的法向量，如圖2B所示。
[0021]其中，調整所述噴嘴的位置包括:根據末端中心與所述噴射點之間的距離以及代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的目標夾角，計算所述噴嘴的末端中心目標坐標；根據所述噴射點的位置坐標、所述末端中心目標坐標以及所述噴嘴的根部中心與末端中心之間的距離，計算述噴嘴的根部中心目標坐標；以及調整所述噴嘴，以使得所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標及所述末端中心目標坐標。具體調節方式可為，調整所述噴嘴的位置，以使得所述噴嘴的根部中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標；以及控制所述噴嘴旋轉一角度，該角度等于所述夾角與所述目標夾角之差。以下對該過程進行具體描述。
[0022]在生成所述曲面輪廓模型之后，噴射機可進行噴射作業。所述控制裝置20可根據臂架姿態傳感器的信號，計算出任一時刻噴射機臂架上任一點在上述坐標系中的坐標(X，y, Z)。藉此，可得出噴嘴的根部中心坐標(Xl，yl, Zl)及末端中心坐標(x2，y2, z2),如圖3所示。之后,可進一步得出代表噴嘴的指向的向量為nl= (x2，y2，z2)- (xl，yl，zl)。為了使代表噴嘴指向的向量與噴射點處的曲面法向量相同，可將nl表示為(xl, yl, zl) - (x2, y2, z2),即相差 180°。
[0023]根據噴嘴的根部中心坐標(xl，yl，zl)、末端中心坐標(x2，y2，z2)、以及曲面輪廓模型，可得出根部中心與末端中心所在直線與受噴面的交點，從而得出噴射點的坐標(x0,y0, ζ0)ο之后，根據該坐標(X0，y0，z0)及曲面輪廓模型，可得出受噴面在該噴射點的法向量n0，n0與nl之間的夾角即為噴射角度Θ，如圖4所示。最佳的噴射角度即為噴嘴指向與受噴面垂直， 即Θ等于0°。然而，具體施工過程中，可根據作業工況、控制裝置20的運算能力及實時性、以及噴射精度要求等實際情況，設定一預設值)。控制裝置20可判斷Θ是否小于或等于Qtl，如果Θ ( Qtl，則不需調整噴嘴，噴射機可按照之前的噴射角度進行噴射；如果Θ > Qtl，則需要對噴嘴進行調整，以使得Θ小于或等于θ”
[0024]在對噴嘴進行調整時，需滿足以下兩個條件:(1) (X0，y0，Z0)、(Xl，yl，Zl)、及&2，72，22)這三者在同一直線上；(2)0 ( Qtl。具體過程如圖5所示，圖5中的虛線部分表示噴嘴經調整之后的姿態，噴嘴根部中心及末端中心的坐標分別為(W ,Yli ,Zlf )和(x2' ,y2/ ,z2/ )。為了不改變噴射距離，要保證點(x2' ,y2/ ,z2/ )到點(xO，y0，zO)的距離等于點(x2, y2, z2)到點(x0, yO, zO)的距離。點(x2, y2, z2)到點(x0, yO, zO)的距離是已知的，也即點(x2,，y2'，z2')到點(x0，y0，z0)的距離是已知的，根據該距離及點(x2'，y2'，z2')到點(x0, yO, zO)所在直線與n0所成的目標夾角Qci,可計算得出點(x2' , y2! , z2')的坐標值。由于點(xl' , yl' , zl')、點(x2' , y2' , z2')以及點(x0, yO, zO)在一條直線上，且噴嘴根部中心與末端中心之間的距離是已知的，故可得出點(xl' , yl' , zl1 )的坐標值。點(xl' , yl' , zl1 )與點(xl, yl, zl)之差即為噴嘴的位移量，Qtl與Θ之差即為噴嘴的旋轉角度。之后，控制裝置20可通過控制臂架動作，使噴嘴根部中心到達目標位置(W ,Yli ,zl')，并驅動噴嘴馬達旋轉度Q-Qtl角，從而保證噴射距離不變且噴射角度Θ < θ。。當然，本發明并不限于具體的先控制噴嘴位移后驅動噴嘴旋轉的方式，其他可實現噴嘴根部中心及末端中心的坐標滿足,Yli ,zl')和(x2/ ,y2' ,ζ2')的方式皆可適用。[0025]相應地，本發明還提供了一種工程機械，該工程機械包含上述噴嘴噴射角度控制設備。
[0026]相應地，本發明還提供了一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制方法，該方法可包括:接收代表所述噴射機的臂架姿態信號；根據所述臂架姿態信號，確定所述噴嘴的根部中心及末端中心于一三維直角坐標系內的坐標；根據所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標，確定所述噴嘴的指向向量；根據受噴面的曲面輪廓模型以及所述指向向量，計算噴射點的位置坐標；根據所述曲面輪廓模型及所述噴射點的位置坐標，計算所述受噴面在該位置坐標的法向量；計算該法向量與代表噴嘴指向的向量之間的夾角；以及在該夾角大于預設值的情況下，調整所述噴嘴的位置，以使代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的夾角小于或等于所述預設值。
[0027]其中，調整所述噴嘴的位置可包括:根據末端中心與所述噴射點之間的距離以及代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的目標夾角，計算所述噴嘴的末端中心目標坐標；根據所述噴射點的位置坐標、所述末端中心目標坐標以及所述噴嘴的根部中心與末端中心之間的距離，計算述噴嘴的根部中心目標坐標；以及調整所述噴嘴，以使得所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標及所述末端中心目標坐標。
[0028]其中，調整所述噴嘴以使得所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標及所述末端中心目標坐標可包括:調整所述噴嘴的位置，以使得所述噴嘴的根部中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標；以及控制所述噴嘴旋轉一角度，該角度等于所述夾角與所述目標夾角之差。
[0029]其中，所述受噴面的曲面輪廓模型可通過以下步驟形成:利用掃描儀采集該掃描儀中心與所述受噴面各點之間的距離；根據所述距離，計算所述噴射面各點于所述三維直角坐標系內的坐標，該坐標系以噴射機轉臺中心為原點；以及根據所述噴射面各點的坐標，擬合出所述曲面輪廓模型。
[0030]以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。
[0031]另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0032]此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
【權利要求】
1.一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制設備，其特征在于，該設備包括: 接收裝置，用于接收所述噴射機的臂架姿態信號；以及 控制裝置，用于執行以下操作: 根據所述臂架姿態信號，確定所述噴嘴的根部中心及末端中心于一三維直角坐標系內的坐標； 根據所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標，確定所述噴嘴的指向向量； 根據受噴面的曲面輪廓模型以及所述指向向量，計算噴射點的位置坐標； 根據所述曲面輪廓模型及所述噴射點的位置坐標，計算所述受噴面在該位置坐標的法向量; 計算該法向量與代表噴嘴指向的向量之間的夾角；以及 在該夾角大于預設值的情況下，調整所述噴嘴的位置，以使代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的夾角小于或等于所述預設值。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，調整所述噴嘴的位置包括: 根據末端中心與所述噴射點之間的距離以及代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的目標夾角，計算所述噴嘴的末端中心目標坐標； 根據所述噴射點的位置坐標、所 述末端中心目標坐標以及所述噴嘴的根部中心與末端中心之間的距離，計算述噴嘴的根部中心目標坐標；以及 調整所述噴嘴，以使得所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標及所述末端中心目標坐標。
3.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，調整所述噴嘴以使得所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標及所述末端中心目標坐標包括: 調整所述噴嘴的位置，以使得所述噴嘴的根部中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標；以及 控制所述噴嘴旋轉一角度，該角度等于所述夾角與所述目標夾角之差。
4.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述受噴面的曲面輪廓模型通過以下步驟形成: 利用掃描儀采集該掃描儀中心與所述受噴面各點之間的距離； 根據所述距離，計算所述噴射面各點于所述三維直角坐標系內的坐標，該坐標系以噴射機轉臺中心為原點；以及 根據所述噴射面各點的坐標，擬合出所述曲面輪廓模型。
5.一種工程機械，其特征在于，該工程機械包含根據權利要求1-4中任一項權利要求所述噴嘴噴射角度控制設備。
6.一種用于混凝土噴射機的噴嘴噴射角度控制方法，其特征在于，該方法包括: 接收所述噴射機的臂架姿態信號； 根據所述臂架姿態信號，確定所述噴嘴的根部中心及末端中心于一三維直角坐標系內的坐標； 根據所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標，確定所述噴嘴的指向向量； 根據受噴面的曲面輪廓模型以及所述指向向量，計算噴射點的位置坐標； 根據所述曲面輪廓模型及所述噴射點的位置坐標，計算所述受噴面在該位置坐標的法向量; 計算該法向量與代表噴嘴指向的向量之間的夾角；以及 在該夾角大于預設值的情況下，調整所述噴嘴的位置，以使代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的夾角小于或等于所述預設值。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，調整所述噴嘴的位置包括: 根據末端中心與所述噴射點之間的距離以及代表噴嘴指向的向量與所述法向量之間的目標夾角，計算所述噴嘴的末端中心目標坐標； 根據所述噴射點的位置坐標、所述末端中心目標坐標以及所述噴嘴的根部中心與末端中心之間的距離，計算述噴嘴的根部中心目標坐標；以及 調整所述噴嘴，以使得所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標及所述末端中心目標坐標。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，調整所述噴嘴以使得所述噴嘴的根部中心坐標及末端中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標及所述末端中心目標坐標包括: 調整所述噴嘴的位置，以使得所述噴嘴的根部中心坐標分別等于所述根部中心目標坐標；以及 控制所述噴嘴旋轉一角度，該角度等于所述夾角與所述目標夾角之差。
9.根據權利要求6所述的方法，`其特征在于，所述受噴面的曲面輪廓模型通過以下步驟形成: 利用掃描儀采集該掃描儀中心與所述受噴面各點之間的距離； 根據所述距離，計算所述噴射面各點于所述三維直角坐標系內的坐標，該坐標系以噴射機轉臺中心為原點；以及 根據所述噴射面各點的坐標，擬合出所述曲面輪廓模型。
【文檔編號】G05D3/12GK103558868SQ201310532657
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】李育明, 梁聰慧, 陶澤安 申請人:中聯重科股份有限公司