一种浇筑管智能装卸系统及方法与流程

本发明属于防渗墙浇筑，具体涉及一种浇筑管智能装卸系统及方法。

背景技术：

1、防渗墙，是一种水利水电工程中常用的地下防渗结构，通常采用槽孔内浇筑混凝土的方式形成，浇筑时，混凝土通过浇筑管输送至槽孔底部，并由下向上连续置换槽孔内泥浆，从而形成连续墙体。

2、在现有施工方式中，浇筑前需要根据槽孔深度将多节管节逐节连接并下放至槽孔内；浇筑过程中，随着槽孔内混凝土面上升，又需要逐步提升浇筑管，并在孔口处拆除上部管节，因此，浇筑管的连接、下放、提升和拆卸通常贯穿整个浇筑作业过程，且需要与混凝土浇筑进度相配合。

3、按照《水电水利工程混凝土防渗墙施工规范》（dl/t 5199-2019）的相关要求，导管法浇筑过程中需要掌握槽孔内混凝土面深度，并控制浇筑管底口埋入混凝土内的深度在2m-6m的安全区间，若浇筑管底口埋深偏小，泥浆或沉渣可能进入混凝土中，影响墙体质量。

4、现有施工中，浇筑管埋深多依靠人工测深和人工计算确定，施工人员通常采用测深锤测量槽孔内混凝土面深度，再结合已下放管节长度、已拆除管节长度以及吊装提升高度，估算当前浇筑管底口埋深，并据此决定是否提升浇筑管或拆卸管节，该方式需要测量人员、吊装人员和卸管人员之间保持较为密集的配合。

5、在高海拔地区，防渗墙施工还面临海拔高、温差大、交通组织难度较高、施工点位相对分散等特点。一方面，该类地区熟练作业人员组织难度较大，而防渗墙施工又常需要多个槽孔连续或并行浇筑；另一方面，部分高海拔地区的防渗墙工程约在100m-200m左右，在水利水电领域被称之为超深、特深防渗墙，槽孔深度通常较大，也需要相应的增加管节数量和拆装次数，在结合第一方面的前提下，如果仍然依赖人工测深、人工记录和人工判断的方式来调整拆管节奏，较容易影响管节装卸效率和浇筑管底口埋深控制精度，进而影响防渗墙施工质量。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在对人工协同依赖度高、卸管时机依赖人工判断，以及超长浇筑管管节连接和拆卸过程复杂的技术问题之一，本发明提供一种浇筑管智能装卸系统及方法。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种浇筑管智能装卸系统，包括执行单元和控制单元，所述控制单元用于控制所述执行单元根据预设装卸流程执行浇筑管管节的装卸作业，执行单元包括用于将待装卸管节转运的转运装置、用于将管节进行下放或提拉的升降装置，以及对管节进行装卸的旋拧装置；

4、旋拧装置包括设置在槽孔处的座体，所述座体上贯通开设有用于供管节穿过的中心孔；

5、座体内依次设置有轴向限位组件和夹持旋转组件；

6、轴向限位组件包括围绕所述中心孔设置且可径向滑动的滑块，多个所述滑块共同组成孔径可变的承托孔，所述承托孔具有可对管节的接头形成轴向承托的第一孔径，以及允许管节通过的第二孔径；所述第一孔径的直径大于管节的管身外径且小于管节的接头外径，所述第二孔径的直径大于管节的接头外径；

7、夹持旋转组件包括可绕中心孔轴线旋转的回转座、周向间隔设置在回转座上用于夹持管节的多个夹持单元，以及驱动回转座正转或反转的回转驱动机构；

8、所述控制单元包括工业相机、压力传感器、扭矩传感器，以及用于处理信息并根据预设装卸流程向执行单元发送指令的处理器。

9、进一步的，所述升降装置包括竖直设置的架体，所述架体内铰接有可在竖直位置或水平位置之间择一切换的旋转组件，所述旋转组件上设置有用于抱持管节的开环夹具，在所述竖直位置，所述开环夹具的轴心与所述中心孔同轴。

10、进一步的，所述升降装置还包括竖直设置在架体上的滑动导轨，所述滑动导轨上滑动安装有滑动板，所述滑动板上设置有用于夹持管节端部的夹持头，所述夹持头包括夹持口，所述夹持口的中心线与所述中心孔的轴线重合；

11、所述架体的顶端还设置有卷扬机构，所述卷扬机构包括卷扬机以及缠绕于所述卷扬机上的卷扬索，所述卷扬索的一端与滑动板固定连接。

12、进一步的，所述夹持单元包括固定设置于所述回转座上的夹持座，所述夹持座上设置有伸缩夹持机构，所述伸缩夹持机构的输出端朝向所述中心孔；

13、所述输出端上还设置有与管节外周面接触的夹持件，所述夹持件具有朝向管节外周面的夹持接触面，所述压力传感器嵌设于所述夹持接触面内。

14、一种浇筑管智能装卸方法，基于所述的智能装卸系统实现，

15、包括以下步骤：

16、步骤stp100，获取本次浇筑作业基础参数；所述基础参数包括槽孔深度、槽孔横截面面积、埋深控制阈值，以及单根管节参数；

17、步骤stp200，根据步骤stp100中的槽孔深度和单根管节参数，确定本次浇筑作业需下放管节数量，并生成管节下放信号；

18、步骤stp300，基于步骤stp200中的管节下放信号，循环执行预设装配流程，直至已下放至槽孔内的管节数量满足需下放管节数量，并生成下放完成信号；

19、步骤stp400，基于步骤stp300中的下放完成信号，持续获取累计浇筑方量，并根据累计浇筑方量和槽孔横截面面积，确定当前混凝土面相对于槽底的理论上升高度，根据所述理论上升高度和槽孔深度确定当前混凝土面相对孔口的理论位置；

20、并获取已拆卸管节数量，根据已拆卸管节数量、需下放管节数量以及单根管节参数，确定当前浇筑管长度，根据当前浇筑管长度确定当前浇筑管底口相对孔口的理论位置；

21、步骤stp500，基于步骤stp400中当前浇筑管底口相对孔口的理论位置和当前混凝土面相对孔口的理论位置，确定当前浇筑管底口的理论埋深；

22、步骤stp600，基于步骤stp500中当前浇筑管底口的理论埋深，按照预设时间周期与基础参数中的埋深控制阈值执行比对；

23、若理论埋深未达到埋深控制阈值，则生成等待浇筑指令；

24、若理论埋深达到或超过埋深控制阈值，则生成单节卸管许可指令，进入预设卸管流程，并在所述预设卸管流程完成后更新已拆卸管节数量；

25、步骤stp700，基于步骤stp600中的已拆卸管节数量，持续判断已拆卸管节数量是否达到需下放管节数量；

26、若未达到，则重复执行步骤stp400-步骤stp600；

27、若达到，则判定本次浇筑作业中已下放并组成浇筑管的管节已全部卸除，控制单元控制执行单元复位。

28、进一步的，步骤stp300具体包括以下步骤：

29、步骤stp310，处理器获取当前已下放管节数量，在当前已下放管节数量小于需下放管节数量时，控制工业相机采集管节图像，以识别待装配管节的位置和姿态；随后，处理器根据待装配管节的位置和姿态控制转运装置夹取待装配管节，将待装配管节转移至升降装置的旋转组件处，使待装配管节进入开环夹具的抱持范围，并控制开环夹具抱持待装配管节，随后将旋转组件切换至竖直位置，使待装配管节与中心孔同轴；

30、步骤stp320，控制卷扬机构释放卷扬索，滑动板沿滑动导轨向下滑移，通过夹持头夹持待装配管节的端部，基于步骤stp310中的当前已下放管节数量，判断中心孔中是否存在已下放管柱；根据判断结果，择一执行步骤stp330或步骤stp340；

31、步骤stp330，若未存在已下放管柱，则将轴向限位组件的承托孔切换至第一孔径，控制开环夹具释放待装配管节，卷扬机构持续释放卷扬索，使待装配管节的管身贯穿承托孔，直至轴向限位组件对待装配管节的接头进行轴向承托；

32、步骤stp340，若存在已下放管柱，则控制开环夹具释放待装配管节，并控制卷扬机构释放卷扬索，使待装配管节的下端接头与已下放管柱的上端接头进行端部对接，构成连接接头；

33、随后控制伸缩夹持机构夹持已下放管柱，嵌设于夹持接触面的压力传感器持续检测当前夹持压力，并根据当前夹持压力与夹持稳定阈值进行对比，判断夹持是否稳定；

34、若小于夹持稳定阈值，则判断为不稳定，增加伸缩夹持机构（325）的输出，直至达到夹持稳定阈值；

35、若等于或大于夹持稳定阈值，则判断为稳定，并输出夹持稳定信号；

36、根据夹持稳定信号，控制回转驱动机构驱动回转座正转，使已下放管柱相对于待装配管节旋转，使所述连接接头开始旋拧拼接；

37、拼接过程中，扭矩传感器持续检测回转驱动机构的输出扭矩，当输出扭矩达到拼接扭矩阈值时，判断待装配管节与已下放管柱完成拼接，并输出拼接完成信号；

38、根据拼接完成信号，伸缩夹持机构解除对拼接完成后的浇筑管整体的夹持，控制轴向限位组件的承托孔切换至第二孔径，卷扬机构释放卷扬索，将拼接完成后的浇筑管整体下放，直至拼接完成后的浇筑管整体的顶端接头下移至滑块的上方，随后控制轴向限位组件的承托孔切换至第一孔径，对拼接完成后的浇筑管整体的顶端接头形成轴向承托；

39、步骤stp350，处理器控制夹持头释放拼接完成后的浇筑管，并向上滑移复位，更新已下放管节数量；

40、若更新后的已下放管节数量未达到需下放管节数量，则返回步骤stp310重复执行；

41、若更新后的已下放管节数量达到需下放管节数量，则生成下放完成信号。

42、进一步的，步骤stp600具体包括以下步骤：

43、步骤stp610，将当前浇筑管底口的理论埋深与埋深控制阈值进行比对；

44、若比对结果为理论埋深未达到埋深控制阈值，则生成等待浇筑指令，并返回执行步骤stp400；

45、若比对结果为理论埋深达到或超过埋深控制阈值，则生成单节卸管许可指令；

46、步骤stp620，基于所述单节卸管许可指令，控制滑动板向下滑移，通过夹持头夹持当前浇筑管的顶端，并控制轴向限位组件的承托孔切换至第二孔径；

47、随后处理器对当前浇筑管的管节数量进行判断，根据判断结果，择一执行步骤stp621或步骤stp630；

48、步骤stp621，若处理器判断当前浇筑管仅包括一节管节，则控制卷扬机构将该节管节整体向上提拉至脱离中心孔，并控制旋转组件和转运装置将该节管节移出，随后更新已拆卸管节数量，预设卸管流程完成；

49、步骤stp630，若处理器判断当前浇筑管包括两节以上管节，则控制卷扬机构将当前浇筑管整体向上提拉，并通过工业相机实时监测当前浇筑管的管节接头位置；

50、步骤stp640，当工业相机检测到当前浇筑管由上至下的第二接头被提拉至轴向限位组件上方时，处理器将位于所述第二接头上方的一节管节确定为待拆卸管节，将位于所述第二接头下方的管段确定为剩余管柱，控制卷扬机构停止提拉，并将轴向限位组件的承托孔切换回第一孔径，对所述第二接头形成轴向承托；

51、步骤stp650，控制夹持旋转组件夹持所述剩余管柱，压力传感器持续检测当前夹持压力，直至达到夹持稳定阈值，并输出夹持稳定信号；

52、根据所述夹持稳定信号，控制回转驱动机构驱动回转座反转，对待拆卸管节与剩余管柱执行旋拧脱离；旋拧脱离过程中，扭矩传感器持续检测回转驱动机构的输出扭矩，当输出扭矩下降至脱离扭矩阈值以下时，判定待拆卸管节与剩余管柱完成脱离，并输出脱离完成信号；

53、步骤stp660，根据所述脱离完成信号，夹持旋转组件解除对剩余管柱的夹持；控制卷扬机构拉动滑动板沿滑动导轨向上滑移，将待拆卸管节向上提拉至完全脱离中心孔，并输出提拉完成信号；

54、步骤stp670，根据所述提拉完成信号，控制旋转组件切换至竖直位置，使开环夹具抱持完成拆卸的管节，随后夹持头释放完成拆卸的管节的接头，向上滑移复位，并控制旋转组件切换至水平位置；

55、处理器控制转运装置对完成拆卸的管节执行夹取，随后开环夹具重新打开，转运装置将完成拆卸的管节移出开环夹具内，预设卸管流程完成，并更新已拆卸管节数量。

56、进一步的，步骤stp400具体包括以下步骤：

57、步骤stp410，处理器与混凝土浇筑设备建立通信连接，以预设的时间周期持续获取本次浇筑作业的累计浇筑方量；

58、步骤stp420，根据基础参数中的槽孔横截面面积，结合所述累计浇筑方量，计算得出当前混凝土面相对于槽底的理论上升高度，计算公式为：；式中，h为理论上升高度，s为槽孔横截面面积，v为累计浇筑方量；

59、步骤stp430，根据基础参数中的槽孔深度，结合所述理论上升高度，计算当前混凝土面相对孔口的理论位置，计算公式为：；式中，为当前混凝土面相对孔口的理论位置，h为槽孔深度，h为理论上升高度；

60、步骤stp440，获取已拆卸管节数量，根据已拆卸管节数量、需下放管节数量，以及单根管节参数，确定当前浇筑管长度，计算公式为：；式中，为当前浇筑管的总长度，n为需下放管节数量，m为当前已拆卸管节数量，为单根管节参数中的单根管节长度；

61、步骤stp450，以槽孔孔口为坐标基准，根据当前浇筑管长度确定当前浇筑管底口相对孔口的理论位置，计算公式为。

62、进一步的，步骤stp500具体包括以下步骤：

63、步骤stp510，根据当前浇筑管底口相对孔口的理论位置，以及当前混凝土面相对孔口的理论位置，确定当前浇筑管底口的理论埋深，计算公式为：；式中，e为当前浇筑管底口的理论埋深，为当前混凝土面相对孔口的理论位置，为当前浇筑管底口相对孔口的理论位置。

64、进一步的，步骤stp610具体包括以下步骤：

65、步骤stp611，获取当前浇筑管底口的理论埋深e，并将当前浇筑管底口的理论埋深与基础参数中的埋深控制阈值进行比较，并根据比较结果择一执行步骤stp612或步骤stp613；

66、步骤stp612，若e＜，则判断为埋深不足，生成等待浇筑指令，并返回执行步骤stp400；

67、步骤stp613，若≤e，则判断为埋深充足，生成单节卸管许可指令。

68、本发明的有益效果为：

69、（1）第一方面，本发明通过控制单元和执行单元所组成的浇筑管智能装卸系统，使转运装置、升降装置和旋拧装置能够在控制单元的调度下分别执行管节转运、下放提拉、轴向承托、夹持旋拧和管节移出动作，从而将浇筑管装卸过程中依赖人工扶管、人工对位和人工旋拧的操作转化为智能的机械自动化工作，降低浇筑管装卸作业对人工协同的依赖。

70、（2）第二方面，本发明通过获取槽孔深度、槽孔横截面面积、累计浇筑方量、需下放管节数量、已拆卸管节数量以及单根管节参数，确定当前混凝土面理论位置和当前浇筑管底口理论位置，并进一步计算当前浇筑管底口的理论埋深，使单节卸管许可能够基于理论埋深状态生成，减少人工测深、人工记录和人工判断对卸管时机的影响。

71、（3）结合第一方面和第二方面，本发明通过将控制单元和执行单元形成的机械装卸执行基础，与基于累计浇筑方量、当前浇筑管长度和理论埋深所形成的卸管判断逻辑相结合，使系统能够在判断满足卸管条件后自动调用对应的装/卸执行流程，并在卸管完成后更新已拆卸管节数量，以继续进行下一轮埋深计算和卸管判断，从而实现超长浇筑管智能装卸的自动化作业。