一种用于抗冲耐磨混凝土施工的装备及自适应控制方法与流程

本发明涉及水利水电工程混凝土施工的，具体涉及一种用于抗冲耐磨混凝土施工的装备及自适应控制方法。

背景技术：

1、水利水电工程泄洪系统龙落尾段普遍具有1:2.8极限大坡比、高流速（>45m/s）、抗冲耐磨要求严苛的特点。现有施工采用滑模浇筑配合人工振捣、抹面的传统工艺，长期存在一个设备搭载与安全倾覆的物理矛盾：若不在滑模上集成振捣抹面设备，则只能依靠工人在毫无立足点的陡坡上进行手持作业，不仅质量取决于工人经验（漏振、抹痕多），且极易发生滑坠事故；若强行在滑模上搭载常规振捣抹面机构，则因陡坡重心偏移导致整机稳定性急剧下降，存在倾覆风险。

2、同时，由于低坍落度混凝土（70-90mm）存在极短的有效硬化时间窗，振捣与抹面之间必须争分夺秒。传统人工模式下，振捣班组与抹面班组存在工序错配矛盾：抹面抢在振捣全面完成之前进行，往往导致内部气泡无法排出（密实度<90%），形成后期冲刷破坏隐患；而若等振捣完全结束再抹面，混凝土表面已硬化，无法收光，平整度误差高达5mm以上，无法满足镜面混凝土要求。此外，在1:2.8的陡坡上，手持振捣棒或抹刀时，工人若为保证插入深度或抹面压力而沿坡面法向施力，其自身重心必然远离坡面，易引发滑倒、坠落等安全事故。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，目的在于提供一种用于抗冲耐磨混凝土施工的装备及自适应控制方法，有效提升混凝土密实度（目标≥98%）和表面平整度（目标≤2mm），满足高流速过流面抗冲耐磨镜面混凝土的质量要求。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种用于抗冲耐磨混凝土施工的装备，包括滑模、智能振捣机械臂和智能抹面机械臂，滑模连接在移动托架的端部；智能振捣机械臂搭载在所述移动托架上，末端连接有振捣棒；智能抹面机械臂搭载于所述移动托架上，末端连接有抹面执行件；控制系统分别与所述振捣机械臂及所述抹面机械臂信号连接。

4、本发明的有益效果是，由于采用了将滑模连接在移动托架端部，并将智能振捣机械臂和智能抹面机械臂同时搭载于移动托架上的一体化集成布局，并通过控制系统分别与振捣机械臂和抹面机械臂信号连接实现协同控制，使得振捣与抹面两道工序得以在滑模行进过程中由机械臂自动完成，从而避免了在1:2.8极限陡坡上大量依赖人工手持振捣棒和抹刀进行高危作业，既通过设备的机械支撑替代了人工在无立足点坡面上的体力操作，有效降低了施工人员滑坠的安全风险，又通过将振捣臂和抹面臂集中布置于同一移动托架上并由滑模作为行进基座，使设备自重转化为增加整机抗倾覆能力的稳定力矩，化解了搭载设备即增大倾覆风险的传统物理矛盾；同时，由于控制系统能够统一协调振捣臂与抹面臂的动作时序，使得振捣完成后抹面工序自动跟进，杜绝了人工班组间因配合不当导致的抹面抢在振捣完成前或振捣结束后表面已硬化无法收光的工序错配问题，确保振捣充分密实后再进行抹面收光，从而有效提升混凝土密实度（目标≥98%）和表面平整度（目标≤2mm），满足高流速过流面抗冲耐磨镜面混凝土的质量要求。

5、在一些实施例中，所述滑模通过移动托架和连接装置固定在移动托架前端，所述连接装置的上端通过高强螺栓与所述移动托架连接，所述连接装置的下端通过高强螺栓与所述滑模连接。使得滑模与移动托架之间形成牢固的一体化受力体系，从而将滑模行进过程中的牵引力、机械臂作业时的动态载荷以及设备自重通过连接装置可靠地传递至滑模，并通过高强螺栓的紧固连接有效抵抗施工过程中因振捣反力、坡面倾斜和机械臂姿态变化产生的交变载荷与倾覆力矩，既增强了整机在1:2.8极限陡坡上行进的稳定性，防止连接节点松脱失效，又从结构上保障了搭载于移动托架上的振捣臂和抹面臂在斜坡作业中始终保持稳定的作业姿态，为后续振捣密实和抹面收光工序提供了稳固的平台基础。

6、在一些实施例中，所述滑模的主体为滑模面板，所述滑模面板的背部焊接有数个加劲板，所述加劲板固定连接在对应的滑模面板龙骨上，各所述滑模面板龙骨焊接在所述滑模面板的背部并沿所述滑模面板的长度方向均布。使得滑模面板的刚度和抗弯强度得到系统性提升，从而在大跨度（7.4m长）大坡比（1:2.8）工况下承受混凝土侧压力、设备自重及振捣传递的冲击载荷时，滑模面板能够有效抵抗弯曲变形和扭转变形，保持底面平整度和直线度，确保滑模行进过程中混凝土成型面的坡度精度和表面平整度不受面板挠曲变形的影响；同时，通过加劲板与龙骨形成的空间骨架体系将局部集中载荷均匀分散至整个面板，避免应力集中导致的面板开裂或局部凹陷。

7、在一些实施例中，还包括行走机构，所述行走机构设置在所述移动托架的底部与所述滑模的上表面之间，所述行走机构包括横向电动行走轮和/或横向行走轮，以及纵向手动调节轮；所述横向电动行走轮和/或横向行走轮分别设置在所述移动托架的底部两端，所述横向电动行走轮和横向行走轮可沿所述滑模横向滚动；所述纵向手动调节轮设置在所述移动托架的侧边。使得移动托架既能够通过横向电动行走轮沿滑模横向自动行走实现振捣臂和抹面臂对整幅底板混凝土的全断面覆盖，又能够通过纵向手动调节轮在施工前或施工过程中对移动托架的前后位置进行人工微调，从而在1:2.8陡坡的复杂曲面过渡段和边墙根部等局部区域，通过横向行走轮的自动移位和纵向手动调节轮的精细调整协同配合，消除机械臂作业半径无法覆盖的施工死角，确保振捣棒和抹面执行件能够到达底板任何位置，实现全断面无遗漏的振捣密实和抹面收光。

8、在一些实施例中，所述纵向手动调节轮包含手动摇把和耐磨橡胶轮；所述耐磨橡胶轮设置在所述移动托架的下端，并与所述滑模的上表面接触；所述手动摇把连接在所述耐磨橡胶轮的轮轴上，带动所述移动托架在所述滑模的上表面上进行纵向和/或横向位置微调。使得操作人员能够通过摇动手动摇把驱动耐磨橡胶轮在滑模上表面滚动，从而以简单的机械传动方式精准带动移动托架在滑模上表面上进行纵向和/或横向位置微调，既解决了电动行走机构在毫米级精确定位时难以实现微动调节的不足，又通过耐磨橡胶轮与钢制滑模上表面之间的高摩擦系数保证了微调过程中的平稳性和可控性，确保移动托架在施工前能够根据现场放样边线和标高完成毫米级精准对位，从而为振捣棒插入位置的准确性和抹面压力的均匀性提供可靠的位置保障。

9、本发明还提供一种用于抗冲耐磨混凝土施工的装备的自适应控制方法，包括以下步骤：s1，输入各执行机构的控制目标值；s2，实时采集施工工况参数及各执行机构的运行状态参数；s3，根据s2中的采集数据与所述控制目标值之间的偏差，采用多参数动态权重算法计算振捣综合控制偏差和/或抹面综合控制偏差；s4，以滑模行进位移为主时钟，将单个作业窗口的工序依次分配给振捣密实阶段和抹面收光阶段，并设置工序互锁判定条件；s5，根据所述振捣综合控制偏差和/或抹面综合控制偏差，计算各执行机构的动作参数修正量，并执行反馈修正。使得控制系统能够在滑模行进过程中同步完成采集、运算、判定、修正的闭环控制，从而将传统依赖工人经验判断的振捣和抹面操作转化为由算法驱动的自动化决策过程：一方面，通过以滑模行进位移作为主时钟，将振捣和抹面工序严格按时间轴依次分配，并通过工序互锁判定条件确保振捣充分完成后抹面工序方可进入对应作业窗口，从制度设计上杜绝了人工班组间因配合不当导致的抹面抢在振捣完成前或振捣结束后表面已硬化无法收光的工序错配问题。

10、在一些实施例中，所述s3中，所述多参数动态权重算法包括：计算所述振捣综合控制偏差包括分别获取振捣频率实际值、插入深度实际值及停留时间实际值，设振捣频率偏差、插入深度偏差、停留时间偏差的归一化值分别为、、，并分别赋予对应的初始重要性系数、、，根据各归一化偏差与对应初始重要性系数的乘积在总乘积和中的占比，计算振捣频率最终动态权重、插入深度最终动态权重、停留时间最终动态权重，据此计算振捣综合控制偏差：；计算所述抹面综合控制偏差包括获取抹面压力实际值、抹刀转速实际值及行走速度实际值，设抹面压力偏差、抹刀转速偏差、行走速度偏差的归一化值分别为、、，并分别赋予初始重要性系数、、，根据各归一化偏差与对应初始重要性系数的乘积在总乘积和中的占比，计算抹面压力的最终动态权重、抹刀转速的最终动态权重、行走速度的最终动态权重，据此计算抹面综合控制偏差。使得控制系统在计算综合控制偏差时不再是简单的等权平均或固定权重叠加，而是根据各参数当前偏离目标值的程度动态重新分配其在总偏差中的权重比例，当某一参数偏差越大时其对应的动态权重自动升高，该参数在综合控制偏差中的占比随之增大，系统在后续闭环修正中优先对该偏差最大的参数进行调节，即当前哪个参数偏离最严重就优先解决哪个问题，以毫秒级响应速度完成人工无法实现的动态决策，确保在坡面曲率突变、混凝土坍落度波动等复杂工况下控制系统始终聚焦于当前质量风险最高的控制环节，提升了自适应调控的精准性和鲁棒性。

11、在一些实施例中，所述s4中，所述振捣密实阶段依次包括初振步骤、移位步骤、复振步骤和退出步骤；所述抹面收光阶段依次包括提浆粗抹步骤、精抹收光步骤和局部补抹步骤；所述s5中的所述动作参数修正量采用离散pid控制计算，计算式为：；其中，为第k个采样周期的振捣综合控制偏差或抹面综合控制偏差，为比例系数、为积分系数、为微分系数，采样周期，为电机转速、机械臂关节角、末端下压力或牵引速度的修正量；根据所述计算式求得动作参数修正量后执行反馈修正，其中，闭环反馈修正的响应时间不大于3s，当任一控制量偏差超过目标值的±10%时启动pid修正，当偏差超过±20%时进入分级阈值调节并限制行走速度，循环执行直至当前作业窗口满足混凝土密实度≥98%且表面平整度误差≤2mm。使得振捣工序通过初振、移位、复振的双重振捣机制有效排出低坍落度混凝土内部的气泡和空隙，避免了单次振捣易出现的漏振和欠振问题，同时通过退出步骤使振捣棒在离开混凝土面时保持缓慢提棒以防止棒位空洞；抹面工序通过提浆粗抹、精抹收光、局部补抹的三级递进工艺，先由抹盘提浆消除表面浮浆和凹凸缺陷，再由抹刀精磨压光消除划痕和气泡残留，最后对端部和缺陷区域进行定点补抹，确保表面光洁度均匀一致；而离散pid控制器以不超过3s的响应时间对振捣综合控制偏差和抹面综合控制偏差进行快速跟踪和修正，并通过±10%启动修正、±20%分级阈值调节的分级策略，在偏差较小时进行精细调节避免超调、在偏差较大时强制限速确保安全，循环执行直至密实度≥98%且平整度≤2mm的收敛条件满足后方进入下一作业窗口，从而在控制精度和系统稳定性之间取得最优平衡，为镜面混凝土的成型质量提供可量化、可闭环的工艺保障。

12、在一些实施例中，还包括根据当前仓面坐标、坡面法向、轨道位置和机械臂关节角度采用机械臂正运动学和逆运动学求解末端目标姿态，使振捣棒保持垂直于坡面的插入角度和60cm插入深度，并使工作抹盘、工作抹刀与混凝土表面保持设定接触角及0.02mpa法向压力。使得振捣棒和抹面执行件在1:2.8极限陡坡上能够自动感知坡面曲率变化并实时调整自身姿态，振捣棒始终沿坡面法向垂直插入混凝土，解决了人工手持振捣棒在陡坡上因站立困难而无法保证垂直插入的问题，确保振捣能量均匀传递至混凝土深层；抹盘和抹刀始终以设定的接触角和0.02mpa法向压力贴合混凝土表面，避免了人工抹面时因重力方向与坡面法向不一致导致的抹面压力不均问题，为实现高平整度、高光洁度的镜面混凝土效果提供了精准的姿态执行保障。

13、在一些实施例中，所述s1中输入的控制目标值包括滑模基准行进速率0.8m/h，振捣棒工作频率200hz，振捣棒插入深度60cm，抹刀转速调节范围30 r/min～180r/min，抹面压力目标值0.02mpa；所述s4中的工序互锁判定条件为振捣频率达到200hz、振捣棒插入深度达到60cm、初振持续45s、复振持续45s，且振捣棒已退出作业面并完成位置复核，且所述工序互锁判定条件中的任一条件未满足时后续抹面工序自动暂缓。通过将滑模行进速率、振捣频率、插入深度、抹刀转速、抹面压力等关键参数明确量化为具体数值，为控制系统提供清晰的调控基准，避免因参数模糊导致的操作不确定性；更为关键的是，通过设置振捣频率、插入深度、初振时间、复振时间、振捣棒退出复核五项条件全部满足后方允许抹面工序进入对应作业窗口的刚性互锁机制，保障了振捣不达标则抹面不得进行的工艺纪律，从而杜绝了欠振即抹面的质量通病，确保每一寸混凝土在振捣充分密实后才进入抹面工序，为混凝土密实度≥98%和表面平整度≤2mm的质量目标提供了不可逾越的工序保障。

14、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

15、1、通过将滑模连接在移动托架前端，并将智能振捣机械臂和智能抹面机械臂同时搭载于移动托架上，使振捣和抹面两道工序得以在滑模行进过程中由对应的机械臂自动完成，避免工人在1:2.8极限陡坡上进行手持振捣和抹面作业，从根源上消除了滑倒、坠落等重大安全事故风险；同时，通过将振捣臂和抹面臂集中布置于同一移动托架上并以滑模作为行进基座，使设备自重转化为增加整机抗倾覆能力的稳定力矩，配合高强螺栓刚性连接的连接装置以及滑模面板背部加劲板与龙骨形成的复合加强结构，提升了整机在陡坡上行进的稳定性和抗变形能力。

16、2、通过分别获取振捣频率、插入深度、停留时间的实际值并设其归一化偏差为，分别赋予初始重要性系数并计算各参数的最终动态权重，据此计算振捣综合控制偏差；同理针对抹面压力、抹刀转速、行走速度三个参数计算抹面综合控制偏差，使控制系统在计算综合控制偏差时不再是简单的等权平均或固定权重叠加，而是根据各参数当前偏离目标值的程度动态重新分配权重，偏差越大的参数其权重自动升高、在闭环修正中优先被调节，即当前哪个参数偏离最严重就优先解决哪个问题，以毫秒级响应速度完成人工无法实现的动态决策，确保在坡面曲率突变、混凝土坍落度波动等复杂工况下始终聚焦于当前质量风险最高的控制环节。