混凝土喷射机的喷嘴喷射角度控制设备、方法及工程机械

摘要

本发明公开了一种用于混凝土喷射机的喷嘴喷射角度控制设备、方法以及包含该设备的工程机械，该设备包括：接收装置，用于接收喷射机的臂架姿态信号；以及控制装置，用于执行以下操作：根据臂架姿态信号，确定喷嘴的根部中心坐标及末端中心坐标；根据根部中心坐标及末端中心坐标，确定喷嘴的指向向量；根据受喷面的曲面轮廓模型以及向量，计算喷射点的位置坐标；根据曲面轮廓模型及位置坐标，计算受喷面在该位置坐标的法向量；计算法向量与代表喷嘴指向的向量之间的夹角；以及在夹角大于预设值的情况下，调整喷嘴的位置，以使代表喷嘴指向的向量与所述法向量之间的夹角小于或等于预设值。本发明可准确控制的喷射角度，增强喷射的混凝土的密实度。

说明书

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种用于混凝土喷射机的喷嘴 喷射角度控制设备、方法以及包含该设备的工程机械。

背景技术

混凝土喷射机用于将混凝土喷射至受喷面，其喷射角度（即，喷嘴的指 向与受喷面之间的夹角）适当与否关系直接到喷射质量和混凝土的回弹率。 以上对喷射质量的影响主要表现在受喷面上喷射层混凝土的密实度下降，进 而会降低喷射层的结构强度；而回弹率较高，则会造成混凝土浪费，增加施 工成本。理想的喷射角度是喷嘴的指向与受喷面成90°，这样可减少混凝土 的回弹率、增强喷射层的密实度。

目前，喷射机的作业大多采是用人工手动控制的，所以对喷射角度的控 制完全是通过肉眼观测进而手动控制的。手动操作方式控制喷嘴的喷射角度 存在两方面的缺陷：（1）控制不精确，造成喷射质量差以及混凝土的浪费； （2）增加机手的劳动强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于混凝土喷射机的喷嘴喷射角度控制设备、 方法以及包含该设备的工程机械，其可准确控制混凝土喷射机的喷射角度。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于混凝土喷射机的喷嘴喷射角度 控制设备，该设备包括：接收装置，用于接收所述喷射机的臂架姿态信号； 以及控制装置，用于执行以下操作：根据所述臂架姿态信号，确定所述喷嘴 的根部中心及末端中心于一三维直角坐标系内的坐标；根据所述喷嘴的根部 中心坐标及末端中心坐标，确定所述喷嘴的指向向量；根据受喷面的曲面轮 廓模型以及所述指向向量，计算喷射点的位置坐标；根据所述曲面轮廓模型 及所述喷射点的位置坐标，计算所述受喷面在该位置坐标的法向量；计算该 法向量与代表喷嘴指向的向量之间的夹角；以及在该夹角大于预设值的情况 下，调整所述喷嘴的位置，以使代表喷嘴指向的向量与所述法向量之间的夹 角小于或等于所述预设值。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包含上述喷嘴喷射角 度控制设备。

相应地，本发明还提供一种用于混凝土喷射机的喷嘴喷射角度控制方 法，该方法包括：接收代表所述喷射机的臂架姿态信号；根据所述臂架姿态 信号，确定所述喷嘴的根部中心及末端中心于一三维直角坐标系内的坐标； 根据所述喷嘴的根部中心坐标及末端中心坐标，确定所述喷嘴的指向向量； 根据受喷面的曲面轮廓模型以及所述指向向量，计算喷射点的位置坐标；根 据所述曲面轮廓模型及所述喷射点的位置坐标，计算所述受喷面在该位置坐 标的法向量；计算该法向量与代表喷嘴指向的向量之间的夹角；以及在该夹 角大于预设值的情况下，调整所述喷嘴的位置，以使代表喷嘴指向的向量与 所述法向量之间的夹角小于或等于所述预设值。

通过该方案，由于喷射角度的控制是由控制装置自动完成的，不需要机 手参与，从而减少了机手的劳动强度，可很好地实现对喷嘴喷射角度的控制。 由于喷射角度适当，可增强喷射的混凝土的密实度，增强喷射的壁面结构强 度，从而保证了喷射质量。另外，由于喷射角度适当，在喷射过程中可减少 混凝土的反弹率，从而减少混凝土的浪费，节约施工成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1为本发明提供的喷嘴喷射角度控制设备的结构示意图；

图2A和2B分别示出了所拟合出的曲面轮廓以及一喷射点在该曲面轮廓 上的法向量；

图3为喷射机的结构示意图；

图4为喷射角度求解示意图；以及

图5示出了调整后的喷嘴位置。

附图标记说明

10  接收装置    20  控制装置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。

图1为本发明提供的喷嘴喷射角度控制设备的结构示意图。如图1所示， 本发明提供了一种用于混凝土喷射机的喷嘴喷射角度控制设备，该设备包 括：接收装置10，用于接收所述喷射机的臂架姿态信号；控制装置20，用 于执行以下操作：根据所述臂架姿态信号，确定所述喷嘴的根部中心及末端 中心于一三维直角坐标系内的坐标；根据所述喷嘴的根部中心坐标及末端中 心坐标，确定所述喷嘴的指向向量；根据受喷面的曲面轮廓模型以及所述指 向向量，计算喷射点的位置坐标；根据所述曲面轮廓模型及所述喷射点的位 置坐标，计算所述受喷面在该位置坐标的法向量；计算该法向量与所述代表 喷嘴指向的向量之间的夹角；以及在该夹角大于预设值的情况下，调整所述 喷嘴的位置，以使代表喷嘴指向的向量与所述法向量之间的夹角小于或等于 所述预设值。通过该方案，由于喷射角度的控制是由控制装置20自动完成 的，不需要机手参与，从而减少了机手的劳动强度，可很好地实现对喷嘴喷 射角度的控制。由于喷射角度适当，可增强喷射的混凝土的密实度，增强喷 射的壁面结构强度，从而保证了喷射质量。另外，由于喷射角度适当，在喷 射过程中可减少混凝土的反弹率，从而减少混凝土的浪费，节约施工成本。

以下介绍如何生成所述曲面轮廓模型。喷射机在进行喷射作业之前，可 利用扫描仪对受喷面进行扫描，采集该扫描仪中心与所述受喷面各点之间的 距离，并将该距离传送至所述控制装置20。该控制装置20可以以喷射机的 转台中心为坐标原点建立空间坐标系（例如，所述三维直角坐标系），然后 将扫描仪所采集的该扫描仪距离受喷面上各点的距离转换为受喷面上各点 在此坐标系下的坐标值，并对这些坐标值进行插值拟合，从而拟合出受喷面 的曲面轮廓模型，如图2A所示。对于受喷面上的任意一点，控制装置20可 根据曲面轮廓模型，得出该点的法向量，如图2B所示。

其中，调整所述喷嘴的位置包括：根据末端中心与所述喷射点之间的距 离以及代表喷嘴指向的向量与所述法向量之间的目标夹角，计算所述喷嘴的 末端中心目标坐标；根据所述喷射点的位置坐标、所述末端中心目标坐标以 及所述喷嘴的根部中心与末端中心之间的距离，计算述喷嘴的根部中心目标 坐标；以及调整所述喷嘴，以使得所述喷嘴的根部中心坐标及末端中心坐标 分别等于所述根部中心目标坐标及所述末端中心目标坐标。具体调节方式可 为，调整所述喷嘴的位置，以使得所述喷嘴的根部中心坐标分别等于所述根 部中心目标坐标；以及控制所述喷嘴旋转一角度，该角度等于所述夹角与所 述目标夹角之差。以下对该过程进行具体描述。

在生成所述曲面轮廓模型之后，喷射机可进行喷射作业。所述控制装置 20可根据臂架姿态传感器的信号，计算出任一时刻喷射机臂架上任一点在上 述坐标系中的坐标（x,y,z）。藉此，可得出喷嘴的根部中心坐标（x1,y1,z1） 及末端中心坐标（x2,y2,z2），如图3所示。之后，可进一步得出代表喷嘴的 指向的向量为n1=（x2,y2,z2）-（x1,y1,z1）。为了使代表喷嘴指向的向量与 喷射点处的曲面法向量相同，可将n1表示为（x1,y1,z1）-（x2,y2,z2），即 相差180°。

根据喷嘴的根部中心坐标（x1,y1,z1）、末端中心坐标（x2,y2,z2）、以 及曲面轮廓模型，可得出根部中心与末端中心所在直线与受喷面的交点，从 而得出喷射点的坐标（x0,y0,z0）。之后，根据该坐标（x0,y0,z0）及曲面轮 廓模型，可得出受喷面在该喷射点的法向量n0，n0与n1之间的夹角即为喷 射角度θ，如图4所示。最佳的喷射角度即为喷嘴指向与受喷面垂直，即θ 等于0°。然而，具体施工过程中，可根据作业工况、控制装置20的运算能 力及实时性、以及喷射精度要求等实际情况，设定一预设值θ₀（θ₀≥0°）。控 制装置20可判断θ是否小于或等于θ₀，如果θ≤θ₀，则不需调整喷嘴，喷射 机可按照之前的喷射角度进行喷射；如果θ＞θ₀，则需要对喷嘴进行调整， 以使得θ小于或等于θ₀。

在对喷嘴进行调整时，需满足以下两个条件：（1）（x0,y0,z0）、（x1,y1,z1）、 及（x2,y2,z2）这三者在同一直线上；（2）θ≤θ₀。具体过程如图5所示，图5 中的虚线部分表示喷嘴经调整之后的姿态，喷嘴根部中心及末端中心的坐标 分别为（x1′,y1′,z1′）和（x2′,y2′,z2′）。为了不改变喷射距离，要保证点（x2′, y2′,z2′）到点（x0,y0,z0）的距离等于点（x2,y2,z2）到点（x0,y0,z0）的距 离。点（x2,y2,z2）到点（x0,y0,z0）的距离是已知的，也即点（x2′,y2′,z2′） 到点（x0,y0,z0）的距离是已知的，根据该距离及点（x2′,y2′,z2′）到点（x0, y0,z0）所在直线与n0所成的目标夹角θ₀，可计算得出点（x2′,y2′,z2′）的坐 标值。由于点（x1′,y1′,z1′）、点（x2′,y2′,z2′）以及点（x0,y0,z0）在一条直 线上，且喷嘴根部中心与末端中心之间的距离是已知的，故可得出点（x1′,y1′, z1′）的坐标值。点（x1′,y1′,z1′）与点（x1,y1,z1）之差即为喷嘴的位移量， θ₀与θ之差即为喷嘴的旋转角度。之后，控制装置20可通过控制臂架动作， 使喷嘴根部中心到达目标位置（x1′,y1′,z1′），并驱动喷嘴马达旋转度θ-θ₀角， 从而保证喷射距离不变且喷射角度θ≤θ₀。当然，本发明并不限于具体的先控 制喷嘴位移后驱动喷嘴旋转的方式，其他可实现喷嘴根部中心及末端中心的 坐标满足（x1′,y1′,z1′）和（x2′,y2′,z2′）的方式皆可适用。

相应地，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械包含上述喷嘴喷射 角度控制设备。

相应地，本发明还提供了一种用于混凝土喷射机的喷嘴喷射角度控制方 法，该方法可包括：接收代表所述喷射机的臂架姿态信号；根据所述臂架姿 态信号，确定所述喷嘴的根部中心及末端中心于一三维直角坐标系内的坐 标；根据所述喷嘴的根部中心坐标及末端中心坐标，确定所述喷嘴的指向向 量；根据受喷面的曲面轮廓模型以及所述指向向量，计算喷射点的位置坐标； 根据所述曲面轮廓模型及所述喷射点的位置坐标，计算所述受喷面在该位置 坐标的法向量；计算该法向量与代表喷嘴指向的向量之间的夹角；以及在该 夹角大于预设值的情况下，调整所述喷嘴的位置，以使代表喷嘴指向的向量 与所述法向量之间的夹角小于或等于所述预设值。

其中，调整所述喷嘴的位置可包括：根据末端中心与所述喷射点之间的 距离以及代表喷嘴指向的向量与所述法向量之间的目标夹角，计算所述喷嘴 的末端中心目标坐标；根据所述喷射点的位置坐标、所述末端中心目标坐标 以及所述喷嘴的根部中心与末端中心之间的距离，计算述喷嘴的根部中心目 标坐标；以及调整所述喷嘴，以使得所述喷嘴的根部中心坐标及末端中心坐 标分别等于所述根部中心目标坐标及所述末端中心目标坐标。

其中，调整所述喷嘴以使得所述喷嘴的根部中心坐标及末端中心坐标分 别等于所述根部中心目标坐标及所述末端中心目标坐标可包括：调整所述喷 嘴的位置，以使得所述喷嘴的根部中心坐标分别等于所述根部中心目标坐 标；以及控制所述喷嘴旋转一角度，该角度等于所述夹角与所述目标夹角之 差。

其中，所述受喷面的曲面轮廓模型可通过以下步骤形成：利用扫描仪采 集该扫描仪中心与所述受喷面各点之间的距离；根据所述距离，计算所述喷 射面各点于所述三维直角坐标系内的坐标，该坐标系以喷射机转台中心为原 点；以及根据所述喷射面各点的坐标，拟合出所述曲面轮廓模型。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。