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制造方法及图纸

本发明专利技术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。裂隙平滑制备。裂隙平滑制备。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及隧道用岩体工程
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]针对上述实际存在的问题，本专利技术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
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充填繁琐、裂隙力学与水利传导性能难以调控的难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：第一方面，本专利技术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,
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,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。
[0006]第二方面，本专利技术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
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填充机构，裂隙切割
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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
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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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]所述异型切割针3
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1由不锈钢车制，异型切割针螺线状段的截面轮廓3
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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
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1内置中空输料通道3
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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
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1侧壁的排料槽孔3
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3宽为1.0mm，长为15.0mm。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，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。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
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填充机构，裂隙切割
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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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国伟，邵亚建，李之建，王里，王酉钰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：