3D打印混凝土矿山相似模型内部缺陷检测修复装置及方法

本发明属于矿山岩土领域中采用3d打印混凝土，具体涉及一种3d打印混凝土矿山相似模型内部缺陷检测修复装置及方法。

背景技术：

1、相似物理模拟试验是根据相似理论，使用与原型力学性质相似或相近的材料，按实际地质条件，以一定比例缩小制成相似模型，并在模型上按理论相似比进行模拟试验，以观测模型的变形、位移等情况，据此分析推测现场实际情况的一种试验方法，其是矿山岩土领域反演地质工程状况的有效手段。

2、常规的人工浇铸方式进行的相似模拟试验由于浇铸的模型层间强度难以控制、层间厚度难以保持均一、人工作业量大等缺点无法还原实际情况，特别是对工程原型的岩层无法进行有效模拟，进而导致试验失去参考价值；3d打印技术作为一种新兴技术，已经在岩石力学和建筑工程领域有了一定的研究基础和应用，但在我国采矿工程领域中基于3d打印技术的研究仍处于起始阶段。由于3d打印技术可以保证较高的精确性，其可以有效地模拟真实的矿山地质条件，尤其是对真实的地层的模拟更加真实，对于矿山相似模拟试验具有非常广阔的应用前景。

3、在3d打印相似模型的过程中，由于打印路径和打印方向的变化，所打印的模型内部在拐角处常常存在未打印完整的一些缺陷，现有的3d打印装置通常采用单喷嘴单向式的打印方式，其无法检测和修复打印过程的内部缺陷，从而造成模型强度与工程原型的误差较大，因此，亟需提供一种能够对打印过程中的内部缺陷进行修复的装置。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种3d打印混凝土矿山相似模型内部缺陷检测修复装置及方法，该装置结构简单、制造成本低、操作方便，其不仅能结合3d打印混凝土所具有的优势用于矿山相似模型的岩层打印作业，还能在相似物理模型的打印过程中对未打印完整的内部缺陷进行在线式检测，同时，还能具有对缺陷部位进行修复的功能，能有效提高打印模型对原型真实情况反应的准确性；该方法步骤简单、实施成本低，其可以在打印过程中同步地进行内部缺陷的检测，同时，能较为自动化地对缺陷区域进行有效的修复，且能确保修复后的效果满足使用要求。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种3d打印混凝土矿山相似模型内部缺陷检测修复装置，包括挤出桶、主螺杆泵机、主搅拌螺杆、主喷嘴、自动测距仪a、副螺杆泵机、副搅拌螺杆、辅助喷嘴、自动测距仪b、余料收集机构、电磁阀、显示屏和控制器；

3、所述挤出桶内部于中部靠后的部位设置有竖向延伸的隔板；所述隔板将挤出桶的内腔分隔为前侧腔体和后侧腔体；

4、所述主螺杆泵机固定设置在前侧腔体中心的上方；所述主搅拌螺杆可转动地设置在前侧腔体内部的中心，其外部固定连接有螺旋输送叶片，且其上端与主螺杆泵机的输出轴固定连接；所述主喷嘴呈漏斗状，其进料口的尺寸与前侧腔体的尺寸相适配，主喷嘴固定连接在挤出桶下端的前侧，且其进料口与前侧腔体的下端相连通；

5、所述自动测距仪a位于主喷嘴的后侧，并固定安装在主喷嘴的外部；

6、所述副螺杆泵机固定设置在后侧腔体中心的上方；所述副搅拌螺杆可转动地设置在后侧腔体内部的中心，其外部固定连接有螺旋输送叶片，且其上端与副螺杆泵机的输出轴固定连接；所述辅助喷嘴呈漏斗状，其进料口的尺寸与后侧腔体的尺寸相适配；辅助喷嘴固定连接在挤出桶下端的后侧，且其进料口与后侧腔体相连通，其出料口的高度与主喷嘴的出料口高度相同；

7、所述自动测距仪b位于辅助喷嘴的后侧，并固定安装在辅助喷嘴的外部；

8、所述余料收集机构设置在辅助喷嘴的后侧下方，其包括连接杆、集料仓、铲斗、叶轮电机和叶轮；所述连接杆的上端与挤出桶的后端固定连接，其下端延伸到辅助喷嘴出料口的下方；所述集料仓固定连接在连接杆的下端，其前端为敞口结构，其底板的下表面为平面结构；所述铲斗固定连接在集料仓敞口端的底板边沿处，且其下表面与集料仓底板的下表面相平齐；所述叶轮电机位于铲斗的后侧，并固定连接在集料仓的底板上；所述叶轮设置在叶轮电机的上方，且其旋转轴与叶轮电机的输出轴固定连接；

9、所述电磁阀固定安装在辅助喷嘴的进料口中，用于对辅助喷嘴的进料口进行开闭控制；

10、所述显示屏设置在挤出桶的外部，并安装在3d打印机机架上；

11、所述控制器固定安装在挤出桶的外部，其通过电缆线分别与主螺杆泵机、副螺杆泵机、自动测距仪a、自动测距仪b、电磁阀、叶轮电机和显示屏连接。

12、进一步，为了方便操作人员对集料仓的内部情况进行直观地观测，所述集料仓后侧板上开设有观察窗口，并于观察窗口中安装有透明的观测板。

13、进一步，所述连接杆竖直地设置，且其上端通过螺栓与挤出桶固定连接；所述余料收集机构还包括窗口把手，所述窗口把手固定连接在集料仓观测板后端的下部。通过窗口把手的设置，可以方便地将观测板由观察窗口中移除，同时，也能方便地将观测板装入到观察窗口中。

14、进一步，为了确保测量信号不受干扰，以保证测量结构的准确性，所述自动测距仪a的位置与主喷嘴的外轮廓相外切，所述自动测距仪b的位置与辅助喷嘴的外轮廓相外切，且自动测距仪a和自动测距仪b的感应面高度相一致。

15、进一步，为了确保能够具有理想的修复效果，同时，为了避免在修复过程中产生过多物料浪费的情况，所述后侧腔体的尺寸小于前侧腔体的尺寸，所述辅助喷嘴的尺寸小于主喷嘴的尺寸。

16、本发明中，利用隔板将挤出桶的内腔分隔为前侧腔体和后侧腔体，可以利用前侧腔体作为打印作业的储料腔，同时，可以利用后侧腔体作为修复作业的储料腔。在前侧腔体中设置外部固定连接有螺旋输送叶片的主搅拌螺杆，并使主搅拌螺杆与主螺杆泵机连接，可以利用主螺杆泵机驱动主搅拌螺杆进行转动，进而可以带动螺旋输送叶片转动，这样，便能将前侧腔体中的物料向下方输送，并经安装在前侧腔体下端的主喷嘴挤出，从而可以实现打印作业过程中物料的连续供给。通过自动测距仪a的设置，可以便于采集主喷嘴后侧的距离信号a，进而可以便于控制器获得自动测距仪a到打印模型的距离s1。在后侧腔体中设置外部固定连接有螺旋输送叶片的副搅拌螺杆，并使副搅拌螺杆与副螺杆泵机连接，可以利用副螺杆泵机驱动副搅拌螺杆进行转动，进而可以带动螺旋输送叶片转动，这样，便能将后侧腔体中的物料向下方输送，并经安装在前侧腔体下端的辅助喷嘴挤出，从而可以实现修复作业过程中物料的连续供给。通过自动测距仪b的设置，可以便于采集辅助喷嘴后侧的打印模型的测距信号b，进而可以便于控制器获得自动测距仪b到打印模型的距离s2。通过电磁阀的设置，可以便于控制辅助喷嘴进料口的开闭动作，从而可以根据需要对修复作业进行控制，同时，还可以通过电磁阀与副螺杆泵机的同步动作来方便地控制修复作业启动与停止。使辅助喷嘴后方的下侧设置余料收集机构，并使集料仓前端为敞口结构，再于敞口端的底板边沿处安装铲斗，可以利用铲斗对正常打印过程中超出层高部分的物料进行收集，同时，还能利用铲斗对修复过程中超出层高部分的物料进行收集，另外，由于铲头和集料仓的底板的下表面位于同一平面中，因此，在对超出层高的物料进行收集的过程中，还能对打印区域进行抹平处理，达到了整平的效果。通过显示屏的设置，可以便于操作人员及时了解到自动测距仪到打印模型的距离信息，同时还能便于操作人员及时了解到相关的提醒信息。该装置不仅可以结合3d打印混凝土所具有的优势用于矿山相似模型的岩层打印作业，还可以在打印相似模型的打印过程中对未打印完整的内部缺陷进行在线式检测，同时，还能具有对缺陷部位进行修复的功能。本发明可有效提高相似模型打印的准确度，能够较好的还原模型原型的真实情况和力学性质，也能有利于后续试验的检测作业具有更高的可信度。

17、本发明还提供了一种3d打印混凝土矿山相似模型内部缺陷检测修复方法，采用一种3d打印混凝土矿山相似模型内部缺陷检测修复装置，包括以下步骤：

18、步骤一：根据模型的切片情况以及打印参数设定层高h；

19、步骤二：将调配好的混凝土物料由前侧腔体和后侧腔体上端的入料口倒入，直至填满前侧腔体和后侧腔体；

20、步骤三：利用3d打印机中的传动系统带动挤出桶沿预定的打印路径和方向匀速移动，同步地，控制器控制主螺杆泵机启动工作、保持副螺杆泵机的停机状态、保持电磁阀的关闭状态，利用主螺杆泵机驱动主搅拌螺杆旋转，将前侧腔体中的物料向下方输送并经主喷嘴挤出，进行相似模型的打印作业；该过程中，通过自动测距仪a实时采集距离打印模型的距离信号a，并发送给控制器；通过自动测距仪b实时采集距离打印模型的距离信号b，并发送给控制器；控制器根据距离信号a、距离信号b获得自动测距仪a距离打印模型的距离s1、自动测距仪b距离打印模型的距离s2，并将距离s1、距离s2发送给显示屏进行实时显示，同时，通过比较距离s1和距离s2的差值来判断是否存在缺陷；

21、当s1-s2＜0.5h时，则自动测距仪b所测量区域不存在需要修复的缺陷，继续利用3d打印机中的传动系统带动挤出桶沿预定的打印路径和方向匀速移动，同步地，继续保持主螺杆泵机的工作状态、保持副螺杆泵机的停机状态、保持电磁阀的关闭状态，继续利用主螺杆泵机驱动主搅拌螺杆进行旋转，将前侧腔体中的物料向下方输送并经主喷嘴挤出，沿预定的打印路径和方向继续进行打印作业；

22、当s1-s2≥0.5h时，则自动测距仪b所测量区域存在需要修复的缺陷，按如下方法进行缺陷的修复作业：

23、s1：利用3d打印机中的传动系统使挤出桶停止移动，同时，记录缺陷位置；

24、s2：利用3d打印机中的传动系统带动挤出桶沿与之间打印路径相反方向地移动，在挤出桶反向移动过程中，控制器控制主螺杆泵机停机、控制副螺杆泵机启动工作、控制电磁阀打开，使主喷嘴停止挤出物料，同时，利用副螺杆泵机驱动副搅拌螺杆进行旋转，将后侧腔体中的物料向下方输送并经尺寸更小的辅助喷嘴挤出，对缺陷位置进行修复作业，当自动测距仪a移动到缺陷位置时，利用3d打印机中的传动系统使挤出桶停止动作，并通过控制器控制副螺杆泵机停止工作、控制电磁阀关闭，并保持主螺杆泵机的停机状态；

25、s3：利用3d打印机中的传动系统带动挤出桶正向复位移动，在正向复位移动过程中，控制器控制叶轮电机启动工作，利用余料收集机构中的铲斗对修复而溢出层高的部分进行收集抹平处理，并利用叶轮将由铲斗收集的物料向集料仓中输送，当自动测距仪b重新移动到所记录的缺陷位置时，利用3d打印机中的传动系统使挤出桶停止移动，利用控制器控制叶轮电机停止工作，并通过比较距离s1和距离s2的差值来判断缺陷是否修复成功，若s1-s2≥0.5h则修复失败，在修复失败后，控制器将记录的缺陷位置发送给显示屏，显示屏对缺陷位置进行实时展示，并给出需要人工干预的提醒信息，然后执行步骤四，若s1-s2＜0.5h则修复成功，然后执行步骤五；

26、步骤四：手动控制3d打印机中的传动系统使挤出桶移动到缺陷位置，保持主螺杆泵机的停机状态，手动控制电磁阀打开、手动控制副螺杆泵机启动工作，利用副螺杆泵机驱动副搅拌螺杆进行旋转，将后侧腔体中的物料向下方输送并经尺寸更小的辅助喷嘴挤出，以通过人工操作的方式对缺陷位置进行修复作业；

27、在完成修复作业后，利用3d打印机中的传动系统带动挤出桶正向复位移动，在正向复位移动过程中，通过控制器控制叶轮电机启动工作，利用余料收集机构中的铲斗对修复而溢出层高的部分进行收集抹平处理，并利用叶轮将由铲斗收集的物料向集料仓中输送，当自动测距仪b重新移动到所记录的缺陷位置时，利用3d打印机中的传动系统使挤出桶停止移动，利用控制器控制叶轮电机停止工作；

28、步骤五：利用3d打印机中的传动系统带动挤出桶沿预定的打印路径和方向继续匀速移动，同步地，控制器控制主螺杆泵机启动工作、控制副螺杆泵机停机、控制电磁阀关闭，利用主螺杆泵机驱动主搅拌螺杆进行旋转，将前侧腔体中的物料向下方输送并经主喷嘴挤出，继续按照预定的打印路径和方向进行相似模型的打印作业，直至打印作业完成。

29、进一步，为了避免集料仓内物料过多而影响后续物料的收集作业，在步骤三和步骤四中，通过观测板观察集料仓内部的物料是否集满，当物料集满后停机进行物料的清理作业。

30、本方法中，在正常的打印作业过程中，利用自动测距仪a对主喷嘴刚打印完的区域进行距离信号a的采集，同时，利用自动测距仪b对辅助喷嘴后的区域进行距离信号b的采集，再根据距离信号a和b获得自动测距仪a所探测区域和自动测距仪b所探测区域距离的差值，便可以利用所探测区域距离的差值与设定层高之间的关系来判断出自动测距仪b所探测区域是否存在缺陷，并能在出现缺陷后,较为自动化地对缺陷位置进行修复作业。在修复过程中，进一步利用所探测两处区域距离的差值与设定层高之间的关系来判断是否修复成功。在修复未成功时发出人工干预的提醒信息，以能及时提醒相关人员进行手动干预修复，确保了修复的及时性和可靠性；在修复成功时，便可以继续之间的正常的打印作业。在缺陷检测过程中，由于对缺陷位置进行了记录，因而后续可以便于根据记录内部缺陷的位置为参考对后续的相似模型的试验结果进行分析。在对缺陷修复完成之后的复位过程中，通过余料收集机构中的铲斗对超出层高部分的物料进行收集，同时利用集料仓底板和铲斗的底面对所修复区域进行抹平处理，这样，有效确保了修复后区域的修复效果。本发明步骤简单、实施成本低，其可以在打印过程中同步地进行内部缺陷的检测，同时，能较为自动化地对缺陷区域进行有效的修复，且能确保修复后的效果满足使用要求。