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1 地面電氣控制工程在施工機械與地面之間的交互 作用及其在建筑機器人學(xué)中的應(yīng)用 K. ,*, S. , R. , H. b a125b 6809 004; in 005; 6 005 7 005 摘要： 在“地面電氣控制工程 ” 技術(shù) 領(lǐng)域中，地面技術(shù)與電氣控制技術(shù)相結(jié)合，而 “ 電氣控制技術(shù) ” 是 一種用電氣控制機械的技術(shù) 領(lǐng)域。在“地面電氣控制工程 ” 的領(lǐng)域中，一臺建筑機器可以辨別出土壤和巖石，并自動評價他們的特性和地面的條件狀況，同時最大限度的確定用以控制地面和機器相互作用的有效方法。在這篇論文中，一些研究被引用過來，并將以發(fā)展的觀點對在該技術(shù)領(lǐng)域的研究進行闡述。 關(guān)鍵詞： 地面電氣控制工程；建筑機器人；土壤與機械的相互作用；地面條件評價；機械控制 1．介紹 作為以加工 如土壤 ,砂礫 ,巖石等等 為對象 的 建筑機械的操作者，應(yīng)大體上對地面的狀況作出評價，并針對該條件作出最合適的運作方法。當(dāng)建筑機器人在工地做同樣的工作時，他應(yīng)具有 評價地面狀況，并由此決定最好的自我控制方法的功能。建筑機器人所具有的地面條件評價和自我進行控制加工過程的功能有望在未來的幾年中成為最重要的功能。 作者認(rèn)為，在“地面電氣控制工程 ” 技術(shù) 領(lǐng)域中，地面技術(shù)與電氣控制技術(shù)相結(jié)合，而 “ 電氣控制技術(shù) ” 是 一種用電氣控制機械的技術(shù)領(lǐng)域。在“地面電氣控制工程 ” 的領(lǐng)域中，一臺建筑機器可以辨別出土壤和巖石，并自動評價他們的特性和 2 地面的條件狀況，同時最大限度的確定用以控制地面和機器相互作用的有效方法。在這篇論文中，一些研究被引用過來，并將以發(fā)展的觀點對在該技術(shù)領(lǐng)域的研究進行闡述。 2. 地面電氣控制工程 在 的應(yīng)用 噴射混合 方法 ( 一種 代表 性的 方法 ，被用來 改善建筑 施工現(xiàn)場場地的 深軟土壤 。圖 1和 2分別展示出了用于 器結(jié)構(gòu)和 該機器的施工 過程 , 攪拌葉片附著在一繞軸線旋轉(zhuǎn)的正方形鋼管上，它被旋轉(zhuǎn)著驅(qū)動到地下，當(dāng)葉片接觸到堅硬的地層時，他們被反轉(zhuǎn)拔出，再此過程中，一種化學(xué)藥劑混合物刀刃大使隨員到正方形鋼管是旋轉(zhuǎn)在管的軸和是受驅(qū)策的到地面，之后刀刃達到堅挺的土壤層 , 他們是拔出地面的 。 化學(xué)的代理是然后送向下的穿用高壓空氣沿正方形管道注入 到柔軟地層中。這種試劑與軟土壤混合并其中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一種堅固的圓柱狀物。這種方法堅固土壤，還用于做各種不同結(jié)構(gòu)的地基。 在 要開發(fā)一種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)地面土壤狀況來控制使化學(xué)藥劑的注入總量達到最優(yōu)，從而有效的使生成的堅硬柱狀物的各部分成分一致。在“地面電氣控制工程 ” 技術(shù)領(lǐng)域中，作者建議具有在建筑施工過程中對地面土壤狀況可以進行適時性評價的系統(tǒng)應(yīng)有效的被應(yīng)用到機械的自我控制和建筑施工的最優(yōu)化設(shè)計中來。 地面評價在 在 從測量機械的載荷和測量控制 機械的參數(shù)可以適時性評價出地面土壤的特性。 前者是作用在葉片上的攪拌扭矩和穿透抵抗力，后者是葉片的攪拌旋轉(zhuǎn)速度和穿透速度。為完成地面評價系統(tǒng)，地面條件與機械載荷的關(guān)系以及機器的控制參數(shù)對該關(guān)系的作用必須要知道清楚。在這個問題上，有兩種普通的方法，被應(yīng)用到評 3 價過程中，用以來對待不明的地面條件和地面與機器的交互作用中 [1] 。第二種方法是，運用土壤的切削理論進行理論討論來研究土壤的特性和旋轉(zhuǎn)扭矩的關(guān)系 [2] 。 4 在本論文中，用后 者的方法 來 解釋 ，因此，在理論上地面土壤的特性用混合旋轉(zhuǎn)扭矩模 價。 土壤切斷 圖 3給出了 切 削 土壤 的 切 削 刀刃 的草圖， 3] 提出了關(guān)于水平切削阻力 驗關(guān)系 式如下： B * B* b* (dt/, ⑴ m)， m), 平移動刀刃的距離 (m),的切斷反抗 阻力 (N/斜 角 ( 透 反抗 阻力 的系數(shù) (N/δ 是土壤和刀刃 之間的 摩擦角 ( 土壤 有關(guān)的 常數(shù) 。 右邊第一部分表示當(dāng)水平切削土 壤時的切斷，第二部分是 刺入地面 時作用在刀尖上的反抗阻力，特殊切斷反抗阻力 式 (1) 中表示為土 壤 對刀具 的 抵抗 力 ，盡管它經(jīng)常在原地點測試出，然而它也通過等式 (2)用 內(nèi)摩擦角 φ( ゜ )和土壤的 粘著力 c (N/示。φ和 準(zhǔn)穿 透 測試值 (有關(guān)，用等式 (3)和 (4)表示 . (c +p(z) ⑵ φ =(20N)15 ⑶ 5 c = 03N ⑷ 這個 標(biāo)準(zhǔn)穿透測試值 可以在指定的原地穿透測試中獲得。 由測試 般情況下 1/m) [3]。 與土壤的密度 ρ 和所處的深度 混合攪拌扭矩的推定 在 攪拌過程中，葉片繞鋼管中心線旋轉(zhuǎn)并 被 驅(qū) 入 到地面 ，作用在葉片刀刃的 攪拌扭矩可以通過計算沿管子軸線切削阻力的動量的積分，當(dāng)攪拌葉片以垂直穿 透速度 v (m/和轉(zhuǎn)動的頻率 f (轉(zhuǎn) /驅(qū)入到地面時， 攪拌扭矩 T(以用下列公式表示： T = 4 ∫ (10_ (10_*4 ∫ π f ⑸ 地面的 攪拌扭矩 ⑷⑸ 得到。 透速度 v (m/ 攪拌扭矩 T(相互關(guān)系可通過計算這些等式進行研究，可得下面的關(guān)系 式： T = a(v + b)( N + c)+ d. ⑹ 在這里 , a, b, c, 混合 攪拌葉片 刀刃的大小和土壤的類型 決定的 常數(shù) 。通過比較計算結(jié)果和在一些實際地點并在通常施工條件下所測得的數(shù)據(jù)，可把他們分別設(shè)定為以下數(shù)據(jù)： 沙質(zhì)型地面 : a=401N b=2.0 m/c=d =1417性地面 : a= 1200 N b = c = 0,d = 2000圖 4顯示出 估計 的 結(jié)果 ,在該圖表中，通過這種方法預(yù)算的 值 對比著列出。 雖然在圖中表現(xiàn)出一些分散 ,但 預(yù) 測的 得的 標(biāo)準(zhǔn) 。由此可以總結(jié)出：在 面的 法 來評定，也就是說， 6 在施工現(xiàn)場中，地面特性可以被適時性監(jiān)控檢測。 論文中介紹的地面評定方法被應(yīng)用于建筑自動化中，也就是說，注射到地下的化學(xué)藥劑的量能于每一寸土地的特性相一致，這樣就可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)一致的圓柱體。更進一步說，攪拌機械的操作方法能夠由地面的特性來控制，這樣在施工中可以發(fā)揮其最大的作用。例如，合適 的葉片穿透 速 度 6)中已測定的 的能力所決定。通過調(diào)整化學(xué)藥品的用量和根據(jù)地面狀況來控制葉片的穿透速度來優(yōu)化 樣就使材料和機械能量在施工中消耗最少，這也將意味著用該系統(tǒng)可以減小地理環(huán)境因素對施工的影響。 實的電氣控制 土壤壓緊中的振動滾筒 在道路 ,水壩 ， 小型機場和其他的 需要用 如土壤 , 砂礫和巖石 等 材料 來完成建筑施工的 結(jié)構(gòu)建設(shè) 施工中，所用的 材料應(yīng)該 被壓實機械進行壓實，以使 建造的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 可靠。振動的滾 筒是土壤壓實機中的代表 ,在工作中旋轉(zhuǎn) 它 所具有的偏心質(zhì)量來產(chǎn) 7 生周期性的壓實變力，用以壓實土壤。 (圖 片 1) 當(dāng)壓路機工作時，它振動的滾筒在地上振動 ,它的振動 作用可以改 變地面的機械屬性 。利用這一現(xiàn)象 ,地面 特 性 可以通過 測量振動滾筒 作用效果來評定。這種觀念已經(jīng)應(yīng)用到了地面 壓 實領(lǐng)域。作者認(rèn)為：用一種方法可以評價路面狀況同時利用已經(jīng)測定出的路面路面狀況來控制滾筒的振動性能，這種方法也是地面電氣控制工程這一領(lǐng)域的一個研究方向。 振動滾筒的作用 圖 5和 圖 6是測 出 的振動的滾筒的 加速度和 它的頻率 。在測量中 ,砂礫 土壤 用中級 的滾筒 壓實。圖 5表示 的是 滾筒 在并為足夠壓實的 軟地面 上的測試 結(jié)果 。從圖中的數(shù)字易得出，地面的硬度對振動滾筒的振動作用影響重大，也就是說，在圖 6中 硬的緊湊的地面 上，加速度這一簡單的正弦波產(chǎn)生失真現(xiàn)象。在頻率特征曲線上，光譜的組成不僅僅依據(jù)振動滾筒的操作頻率，而且還依據(jù)一半的滾筒操作頻率和它的組合 頻率 （ 。。。。 ）。 8 這里， 等式 7表示，該數(shù)值用來表示加速度的定量干擾， 示對加速度曲線的干擾越大，光譜干擾量 數(shù)字化模擬滾筒的狀態(tài) 在數(shù)字化模擬中 ,振動的滾筒 和 地面 的 振動系統(tǒng) 由圖 7中的 振動模型 系統(tǒng)來表示。振動的滾筒被假定在設(shè)定的地面振動模型中做周期性循環(huán)振動。等式 (8)表示該系統(tǒng)的 運動 方程式 [5]。 9 架 結(jié)構(gòu)的 質(zhì)量 ( 鼓的塊 質(zhì)量 (公斤 F 是最大的動態(tài) 周期 力(N), 框架 結(jié)構(gòu) 之間 的 彈性 阻尼器系數(shù) (N/m),是地面的 彈性系 數(shù) (N/m)， Ns/m),Ns/m),m), 架 結(jié)構(gòu)的位移 (m),s),m/ 10 字母 性系 數(shù) 與 地面硬 度 相 一致。 阻尼 系數(shù)對振動有減弱作用。在特定的振動條件下，振動過程中滾輪離開地面的時間是一致的。在模擬實驗中，只有當(dāng)滾輪離開地 面時，彈性系數(shù) 面的阻尼 系數(shù) 段時間的位移 8）得到，它的頻率特性可以通過傅立葉轉(zhuǎn)換得出。 該模擬系統(tǒng)中用到的各種不同的滾輪和地面的機械參數(shù)的組合如下： 圖 8表明： 模擬 的結(jié)果，用 就是說，它與地面的硬度 圖中數(shù)據(jù)易得出：盡管 機械參數(shù)對實意味著，地面的硬度并不能由 慮到不同類型和尺寸的振動滾輪應(yīng)用于建筑 領(lǐng)域，該領(lǐng)域采用此方法是不充分的，因為，當(dāng)這種方法應(yīng)用于壓實領(lǐng)域時，每一個振動滾輪都需要一個明確指定曲線，這樣就太麻煩了。 11 無單位指數(shù)頻率比 9)), 頻率比 筒 的 機械參數(shù) 產(chǎn)生的影響 ,圖 9 是 重新整理圖 8中的數(shù)據(jù)所得，頻率比 圖 9 表 明 雖然有一些 分 散 。這意味著， 此，頻率比能夠由測得的 為地面的阻尼系數(shù) 等式 (9)計算出來， 與各種尺寸滾輪的振動作用的測量結(jié)果作對比 。 滾筒對地面的壓實作用可以通過滾筒與地面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力來評價。這是因為它引起壓力在地面上的傳遞，這在土壤壓實中起重要作用。當(dāng)滾筒徹底離開地表面又回到地表時，往往希望由撞擊地面產(chǎn)生很大的接觸力。接觸力通過等式（ 8）中的值獲得，它表達的是地面的反作用力。 12 因為接觸力由滾筒和地面的交互作用確定的。假如滾筒的振動條件如操作頻率和動態(tài)作用力通過地面硬度可調(diào)節(jié) ，那么被期望的有效牙實效果就會實現(xiàn)。地面硬度和接觸力的關(guān)系通過模擬結(jié)果進行研究，同時滾輪振動條件對該關(guān)系產(chǎn)生的作用在研究中被討論，研究發(fā)現(xiàn)最佳頻率能通過地面硬度決定，在最佳頻率時，滾輪對地面的作用力最大。 圖 10表明了 討論 的結(jié)果， 最佳頻率 與 地面硬 度 的 關(guān)系被繪制出來。在圖中，水平線中的地面硬度值被地面滾筒系統(tǒng)的共振頻率取代 [5]。 當(dāng)?shù)孛嬗捕戎?圖 9去確定壓實路面的最佳頻率是可能的，當(dāng)滾筒特定和用本論文中的方法測得地面硬度時，機器的機械特性系數(shù)也會知道。因此在“地面電氣控制工 程”領(lǐng)域中，振動滾筒的最優(yōu)控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)，也就是說，從滾筒的振動特性中可以監(jiān)測出地面的硬度，并由測得的硬度值決定最佳頻率以最有效地對路面壓實。 4. 其他的研究 在技術(shù)領(lǐng)域還有一些別的研究，以下是一些這些研究的典型例子。 13 自動機械控制 本研究的目標(biāo)是研究一種 裝載鏟的 自動機械控制系統(tǒng) [6]。 在這系統(tǒng) ,已被挖掘出的 土壤外 部 形 這一信息會被一種 同時挖掘 鏟 被有效的控制以裝載土壤 。在研究中， 控制 程序的 算法 被檢 查 的同時， 它的可靠性 也通 過模型實驗 被 證實 。 隧道鉆機器的 先進控制 隧道鉆機器的前進控制方法基于地面與機器的相互作用發(fā)展起來的 ,在日本 它被稱為盾形機械 [7]。在這系統(tǒng) ,推 力 及其動量使機器沿著預(yù)先設(shè)計的直線前進，它們的值通過預(yù)測前進中機器受到來自土壤作用力的方法確定，系統(tǒng)的適用性已經(jīng)在建筑施工領(lǐng)域的檢測。 5. 結(jié)束 “地面電氣控制工程 ” 技術(shù)領(lǐng)域的觀念，通過介紹一些在該領(lǐng)域有實際用途的研究被評論，除論文中提到的研究和技術(shù)之外還存在有很多。在建筑領(lǐng)域，智能化機械的發(fā)展是該技術(shù)領(lǐng)域被期望的貢獻。 14 參考文獻 : [1] , , . 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