車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)含9張CAD圖
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附錄 1：外文翻譯
精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)使用激光測(cè)距儀
黃湘琦，竹崎篤，橋本秀樹，井井富郎，博正，池田正五，池口松井 1 東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所 2Shibaura 理工學(xué)院 3 中央大學(xué) 4 小林公司技術(shù)研究所 5 國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科技研究所
摘要：對(duì)于現(xiàn)代施工基礎(chǔ)工作，實(shí)時(shí)定位樁是理想的，但由于測(cè)量?jī)x器手工用于標(biāo)記樁位置，其精度在很大程度上取決于工人的經(jīng)驗(yàn)，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)不足。本文通過提出使用激光測(cè)距儀（LRF）的高效定位系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，我們的優(yōu)點(diǎn)是可以高精度地實(shí)時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)樁或打樁機(jī)的位置。為此，我們首先開發(fā)基于
LRF 的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)掃描施工現(xiàn)場(chǎng)，并收集 2D 激光點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后，我們通過快速擬合的圓形幾何模型來檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象，如樁或打樁機(jī)，基于最大似然估計(jì)（MLE）推理的數(shù)據(jù)。算法的性能由合成數(shù)據(jù)集合和實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明我們的方法在未來施工領(lǐng)域的可行性。
1 介紹動(dòng)機(jī)
如今，各種打樁機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用。堆是一個(gè)最重要的部分之一，一旦在正確的位置被驅(qū)入土壤時(shí)，就為建筑物提供基礎(chǔ)支持。 因此，一種準(zhǔn)確有效的樁驅(qū)動(dòng)方法，對(duì)于現(xiàn)代化的建筑場(chǎng)地來說，總是令人滿意的。
最常見的打樁方法是基于預(yù)先定位使用測(cè)量?jī)x器。然而，由于手動(dòng)程序，它是不足的：1）放置使用測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的樁位上的標(biāo)記，2）用一個(gè)挖孔在標(biāo)記位置具有一定的半徑公差，以及 3）將樁驅(qū)動(dòng)到孔中。該該程序的主要優(yōu)點(diǎn)是：i）至少需要 3 名工作人員和 1 名操作員用于測(cè)量和調(diào)整樁位置; ii）他們被要求訓(xùn)練有素合作提高工作效率; iii）操作時(shí)間長(zhǎng)這可能會(huì)降低工人的準(zhǔn)確性和安全性。
在本文中，我們提出了一種高效準(zhǔn)確的打樁機(jī)定位系統(tǒng) TEM。 我們建議不要使用傳統(tǒng)儀器來測(cè)量預(yù)設(shè)標(biāo)記使用激光測(cè)距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)利用高精度激光測(cè)距儀（LRF）掃描整個(gè)構(gòu)造場(chǎng)同時(shí)從掃描范圍同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)的樁位置。圖 1 示出了我們的系統(tǒng)，其中僅需要一個(gè)操作者來操作樁駕駛員調(diào)整樁位置，由顯示動(dòng)畫樁的顯示器導(dǎo)航施工現(xiàn)場(chǎng)地圖上的定位。 該系統(tǒng)提供了更方便的方式幫助運(yùn)營(yíng)商全面評(píng)估收縮圖上的錯(cuò)誤，無需任何幫助的額外工人。因此，我們的系統(tǒng)大大提高了效率打樁精度。
1.2 相關(guān)工作
一方面，在施工現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)查技術(shù)及其工具，在很短的時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展。 具有先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器包括自動(dòng)化傳輸和全站儀采用光波距離法，測(cè)量時(shí)間顯著縮短，定位精度以達(dá)到到毫米級(jí)[1]。此外，在工作區(qū)非常的土木工程全球有很少的建筑物，全球定位系統(tǒng)（GPS）經(jīng)常被用于足夠的調(diào)查準(zhǔn)確性和有效的工作[2]。然而它們存在缺點(diǎn)：i） 這些儀器是昂貴的，ii）由于環(huán)境條件，某些地方可能無法使用，iii）不能同時(shí)跟蹤多個(gè)物體，vi）不可能跟蹤目標(biāo)實(shí)時(shí)和 v）測(cè)量需要至少兩名工作人員。
另一方面，近來消費(fèi)級(jí)傳感器的發(fā)展已經(jīng)吸引增加對(duì)定位系統(tǒng)的適用性。使用分布式設(shè)備的時(shí)間定位系統(tǒng)包括攝像機(jī)[3-5]，超聲波傳感器[6,7]和激光測(cè)距儀（LRF）
[8,9]。 在這些當(dāng)中測(cè)量設(shè)備，LRF 在諸如實(shí)時(shí)掃描，高精度，大覆蓋區(qū)域，不良照明
的魯棒性，低噪聲到信號(hào)比例和簡(jiǎn)單安裝[10-12]。例如，LRF 已經(jīng)被實(shí)時(shí)使用了在大型戶外區(qū)域進(jìn)行位置測(cè)量[13]。
自 20 世紀(jì) 90 年代中期以來，激光掃描儀已廣泛應(yīng)用于工程勘察，如高層建筑的地面測(cè)量[14]。 最近在施工現(xiàn)場(chǎng)，一些研究人員正在努力實(shí)時(shí)使用 LRF 來改善工作安全和效率。 [15,16]構(gòu)建基于激光掃描儀的繩索跟蹤系統(tǒng)，ELS。 這些系統(tǒng)在短距離內(nèi)工作，并給予本地相對(duì)位置機(jī)器和對(duì)象。 [17]使用 LRF 進(jìn)行測(cè)量任務(wù)。
1.3 概述和貢獻(xiàn)
我們的系統(tǒng)由三個(gè)主要過程組成：1）LRF 的數(shù)據(jù)采集，2）位置估計(jì)過程和 3）結(jié)果的可視化。 它首先從 a 收集 2D LRF 數(shù)據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí); 然后同時(shí)估計(jì)樁位置最后的建筑地圖可視化與設(shè)計(jì)的一起，協(xié)助工人決定樁作業(yè)。
數(shù)據(jù)采集后，我們的挑戰(zhàn)是實(shí)時(shí)位置估計(jì)的難度
從范圍掃描的移動(dòng)。 為了超越，定位過程包括兩個(gè)主要子步驟：1）基于圓模型聚類的目標(biāo)檢測(cè);2）使用最大似然估計(jì)（MLE）的中心位置細(xì)化。
以傳統(tǒng)的定位方式，我們系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)是：1）我們采用傳統(tǒng)工具提前進(jìn)行調(diào) 查，時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)采用高精度 LRF; 2）我們提出快速檢測(cè)算法用于從距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的樁定位; 3）我們的系統(tǒng)同時(shí)跟蹤和導(dǎo)航打樁機(jī)提供了更高效，更安全，更便宜和更簡(jiǎn)單的打樁任務(wù)的方式。
本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第 2 節(jié)介紹了系統(tǒng)配置第 3 節(jié)中位置估計(jì)的詳細(xì)算法。第 4
節(jié)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果在模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)，其次是第 5 節(jié)的結(jié)論。
2 LRF 感應(yīng)系統(tǒng)的配置
我們首先使用 LRF 設(shè)計(jì)一種高精度定位樁的傳感系統(tǒng)為此，我們?cè)谏疃确较蛏喜捎昧烁呔鹊?UMT-30LX LRF [18]表 1）水平掃描施工場(chǎng)地的特定區(qū)域。不過我們挑戰(zhàn)在于，由于范圍掃描的稀疏性，準(zhǔn)確性難以實(shí)現(xiàn)。如如圖 1 所示。1（c），原始掃描線（從左到右以粗體顯示紅色箭頭）太稀疏，只有一點(diǎn)可以在達(dá)到圓柱體時(shí)返回。這
種稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)難以用于準(zhǔn)確的位置估計(jì)。使用激光測(cè)距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)。
為了克服這個(gè)問題，我們建議將 UMT-30LX LRF 安裝到一個(gè)平臺(tái)上密集掃描[17]。
如圖所示。如圖 1（b）所示，我們將 LRF 安裝在 SPU-01 平底鍋上單元[19]，其可以驅(qū)動(dòng) LRF 以非常小的角度旋轉(zhuǎn)（例如，0,015 度這種情況）LRF 的后續(xù)掃描。因此，可以通過組合獲得密點(diǎn)在單位盤的不同旋轉(zhuǎn)角度捕獲的掃描。如圖所示。如圖 1（c）所示，所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以被視為每個(gè) 0.015 度采樣，其中與 0.25 中的原始掃描比密度大大提高（最多 17 倍）度。該系統(tǒng)工作在 2Hz 至 40Hz 之間的數(shù)據(jù)采集率。該打樁機(jī)的工作速度在 0-2×103mm/s 之間。在最后階段的速度的打樁程序，特別需要高定位精度 0-50mm /秒。對(duì)于這種慢動(dòng)作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率滿足對(duì)于打樁機(jī)輔助應(yīng)用的實(shí)時(shí)要求。
3 樁位檢測(cè)
鑒于上述傳感系統(tǒng)捕獲的密點(diǎn)數(shù)據(jù)，我們的下一個(gè)任務(wù)是如何精確有效地跟蹤樁位置。這種位置估計(jì)方法包括兩個(gè)主要步驟：1）樁位檢測(cè)，2）中心細(xì)化。前者通過投票算法快速和粗略地檢測(cè)范圍掃描中的圓形模型。該稍后通過使用 MLE 算法的細(xì)化來準(zhǔn)確地估計(jì)圓心。我們分別描述以下小節(jié)中的這兩個(gè)主要步驟。
3.1 樁檢測(cè)
由于樁總是垂直于地面并被水平的 LRF 掃描，掃描平面的交點(diǎn)始終是一個(gè)圓。 我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)圓模型聚類算法用于快速但粗略地檢測(cè)樁位置（參見算法 1）。由于參考目標(biāo)是樁，從 LRF 的角度來看，樁是凸的，這意味著物體的中心不應(yīng)該被觀察的。
3.2 精確位置估計(jì)精度
由于 Algorithm1 只提供樁邊界點(diǎn)的提案集，我們需要根據(jù)這些建議準(zhǔn)確估算樁位。 所以下一個(gè)任務(wù)可以被視為：給定邊界點(diǎn) A = {x i，y i} K 的建議 1 和一個(gè)圓圈模（x-a）2 +（y-b）2 = r 2，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地估計(jì)參數(shù) a 和 b。為此，一個(gè)常見但有效的選擇是使用最大似然估計(jì)（MLE）算法，估計(jì)可以最大化可能性的參數(shù)每個(gè)提 案。
在我們的系統(tǒng)中，應(yīng)該估計(jì)的參數(shù)只有 a 和 b，因?yàn)榘霃降膮⒖寄繕?biāo)是提前給出的。 然而，在這種情況下，MLE 變成了非線性問題。為了解決這個(gè)非線性方程，我們應(yīng)用了 Newton-Raphson 方法，因?yàn)樗绕渌麧u變方法具有更快的收斂性，如共軛梯度或 Levenberg-Marquardt，如果其初始值接近 a 和 b 的真值[17]。 這里我們使用從前一個(gè)檢測(cè)到的中心位置檢測(cè)結(jié)果作為 Newton-Raphson 方法的初始值。
值得一提的是進(jìn)一步推進(jìn)兩個(gè)簡(jiǎn)單的前處理在我們的方法中：1）假設(shè)背景場(chǎng)景是靜態(tài)的，移動(dòng)的數(shù)據(jù)部分是使用背景減法算法提取為前景對(duì)象，然后 2）所有的前景數(shù)據(jù)點(diǎn)都使用區(qū)域驗(yàn)證方法進(jìn)行聚類。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證我們提出的圓檢測(cè)和擬合算法，我們首先用 sim 仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)之前，我們進(jìn)行一次對(duì)室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇驑稒C(jī)進(jìn)行了測(cè)試，提出了定位系統(tǒng)。最后，在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行戶外實(shí)驗(yàn)。
4.1 仿真實(shí)驗(yàn)
在這種模擬中，我們模擬和設(shè)計(jì)了前面的實(shí)驗(yàn)施工現(xiàn)場(chǎng)[20]通過結(jié)合圓和線。我們假定，對(duì)于圓柱形參考目標(biāo)，還有其他對(duì)象的橫截面形狀如矩形和其輪廓類似于弧形的梯形，特別是大型傳感器噪聲。
依賴于高分辨率的高分辨率在距離 d max = 30×10 3 mm 的范圍內(nèi)的偏 σ=50mm。角度分辨率的 LRF 為 θreso = 0.05?。圓柱參考目標(biāo)的半徑為 R = 1350mm。該從 LRF 到氣缸中心的距離為 d = 9000mm。使用的閾值在算法 1（行 7,9,11）中經(jīng)驗(yàn)確定為
σ。
所有的結(jié)果是平均值為 1000 次模擬。使系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)且始終處理最新數(shù)據(jù)，算法將中止并考慮作為失敗的檢測(cè)，如果在最大次迭代之前不能建立可接受的模型時(shí)間。圓檢測(cè)算法的評(píng)估。為了評(píng)估算法，誤檢率，隨機(jī)抽樣迭代次數(shù)和估計(jì)誤差這里使用中心。圖 2（a）顯示，當(dāng)投票為 2 和 3 時(shí)，檢測(cè)率為幾乎 100％。但是，當(dāng)需要更多的票數(shù)時(shí)，價(jià)值會(huì)下降。主要原因是最大迭代時(shí)間限制性能。圖 2（b）顯示了假如果T v 設(shè)置為大于 1，則陽性率幾乎為零。
4.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證我們提出的系統(tǒng)的可行性和估計(jì)誤差，在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)指出，我們做了壓力學(xué)試驗(yàn)。如圖所示圖 3（a）中，使用半徑為 250mm 的圓柱體作為參考桿。 兩個(gè)紙板盒子用于模擬應(yīng)用場(chǎng)景中的打樁機(jī)。 圖 3（b）來自實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的 LRF 的掃描數(shù)據(jù)的示例。
我們首先將參考欄放在一個(gè)已知位置，并估計(jì)中心位置只有使用 MLE 方法。將氣瓶保持在同一個(gè)地方，我們把另一個(gè)形狀的物體靠近它，并用建議的定位算法再次估計(jì)氣缸的位置，以查看我們是否可以估計(jì)準(zhǔn)確度。自動(dòng)重復(fù) 500mm 從 1000mm 到
7500mm。
如圖 3（c）所示，估計(jì)誤差的兩條曲線幾乎相同最大差值 3.4mm。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明我們提出圓檢測(cè)算法可以有效地從場(chǎng)景中提取圓的數(shù)據(jù)點(diǎn)與其他形狀的對(duì)象。
我們將參數(shù) T v 從 1 改為 10，以查看檢測(cè)率的影響。什么時(shí)候投票為 T v≥3， 如圖 3（d）所示，即使小的檢測(cè)率也超過 90％T n 的值。如果沒有投票程序，則意味著 T v = 1，檢測(cè)率為勉強(qiáng)可以接受 這種低檢測(cè)率是由三角形的連接引起的矩形框， 其輪廓類似于弧。這個(gè)結(jié)果證明了可行性的提出的樁檢測(cè)算法，并顯示它仍然可以工的可能性良好的閉塞或大噪音存在。
4.3 施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
我們?cè)趯?shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所提出的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。我們的目的是測(cè)量堆放在鉆孔中的位置。樁的位置跟蹤可以幫助將其定位在預(yù)期的位置，這需要 100mm 的精度。 如
如圖 1（a）所示，樁被打樁機(jī)抬起，慢慢放下那個(gè)洞。目前在大多數(shù)施工領(lǐng)域，
樁保持在預(yù)期的位置通過手工工作。需要三名訓(xùn)練有素的工人用棍棒來衡量是否樁是否在正確的地方。
如圖所示。如圖 4（a）所示，LRF 和鍋單元放置在三腳架上調(diào)整以保持 LRF 的掃描平面水平。三腳架的高度也有幫助保持其他移動(dòng)物體，如人類，從掃描范圍。對(duì)象是 mea-固定的是圖 1（a）所示的樁，半徑為 200mm。受施工現(xiàn)場(chǎng)的距離是測(cè)量對(duì)象與
LRF 之間的距離 15×10 3 mm。
為了校準(zhǔn) LRF，一個(gè)薄金屬棒（橫截面：30mm×1mm）具有一個(gè)高度反射能力的表面被使用。我們首先使用全站儀來定位幾個(gè)點(diǎn)精度約 2mm / km。然后將校準(zhǔn)棒放在些點(diǎn)上并獲得來自 LRF 的棒的掃描數(shù)據(jù)。我們使用棒的掃描數(shù)據(jù)的平均值來估計(jì)它的位置?？梢允褂米钚《斯烙?jì)法計(jì)算世界坐標(biāo)與 LRF 坐標(biāo)之間的變換矩陣。
施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。打樁的程序是由 LRF 記錄。當(dāng)樁移動(dòng)到預(yù)期位置附近時(shí)，它就開始了約 1m 在抵達(dá)洞的頂部后，堆放在一個(gè)位置誤差在 50mm 左右。樁的放置調(diào)整為更準(zhǔn)確最后 10 秒。工人崗位調(diào)整見圖 4（b）。這里的錯(cuò)誤在 X L 定義為（X L- a），Y L 的誤差為（Y L-b）。測(cè)量之間的誤差樁的中心位置和預(yù)期設(shè)計(jì)位置如（c） 所示。決賽提出的系統(tǒng)給出的位置誤差為 25mm 左右。
目前沒有其他直接的方式來測(cè)量樁的中心位置它移動(dòng)。傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的精度
10mm。 另外，從這個(gè)實(shí)驗(yàn)確定了樁在允許的范圍內(nèi)被驅(qū)動(dòng)。我們可以估計(jì)施工誤差在
15 -35mm 的范圍內(nèi)?？紤]到手動(dòng)調(diào)整過程中，我們系統(tǒng)的結(jié)果被認(rèn)為是合理的。系統(tǒng)可以直接測(cè)量不能測(cè)量的打樁位置通過常規(guī)測(cè)量?jī)x器。
5 結(jié)論和未來工作
在本文中，基于樁檢測(cè)和擬合，提出了一種新穎的實(shí)時(shí)樁駕駛員定位系統(tǒng)使用激光瞄準(zhǔn)器.LRF 的優(yōu)勢(shì)，如高精度，快速數(shù)據(jù)采集和覆蓋面積大，并利用圓柱形目標(biāo)的取向不變性，新的測(cè)量技術(shù)是呈現(xiàn)。為了從打樁機(jī)中提取樁目標(biāo)，我們提出了樁檢測(cè)算法，基于圓模型聚類的算法。然后采用 MLE 方法準(zhǔn)確估計(jì)樁位。
模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了可靠性和靈活性，提出檢測(cè)算法。實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)可以在實(shí)時(shí)的時(shí)間內(nèi)打包安全位置作品，這對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法是不可能的。
為了驗(yàn)證提出的系統(tǒng)的可行性，我們只使用數(shù)據(jù)目前一個(gè) LRF。由于多個(gè)傳感器可
以增加信息量，并擴(kuò)大定位范圍，多傳感器系統(tǒng)將進(jìn)行調(diào)查實(shí)現(xiàn)。在目前的實(shí)施中， 所需票數(shù)是經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)鍵。該參數(shù)的誤差性應(yīng)予以研究。
附錄 2：外文文獻(xiàn)原文
任務(wù)書
論文(設(shè)計(jì))題目：車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
工作日期：2016年12月12日 ~ 2017年05月28日
1.選題依據(jù):
該設(shè)計(jì)題目來源于生產(chǎn)，屬機(jī)電設(shè)計(jì)類題目，內(nèi)容涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與分析、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)等。在開展該題目設(shè)計(jì)過程中，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握，鍛煉學(xué)生分析問題的能力和創(chuàng)新意識(shí),達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)及專 業(yè)知識(shí)解決生產(chǎn)實(shí)際問題能力的目的。目前國(guó)內(nèi)有較多用于野外打樁裝置可供參考，相關(guān)文獻(xiàn)較多。該題目設(shè)計(jì)量適中，學(xué)生在16周時(shí)間內(nèi)可以完成。
2.論文要求(設(shè)計(jì)參數(shù)):
鋼筋混凝土樁尺寸:25cm×25cm×3000cm，液壓樁錘打樁為自由落體擊樁與柴油點(diǎn)火爆發(fā)擊樁的復(fù)合，樁錘結(jié)構(gòu)緊湊，液壓馬達(dá)提升時(shí)間≤10s；液壓斜式導(dǎo)向架起升回 落平穩(wěn)，起升與回落時(shí)間均≤30s，總長(zhǎng)度不超過車體總長(zhǎng)；液壓及電氣控制系統(tǒng)在野外 作業(yè)環(huán)境下工作可靠；通常地層結(jié)構(gòu)下，每個(gè)鋼筋混凝土樁完成打樁時(shí)間≤120s。
3.個(gè)人工作重點(diǎn):
1、總體方案設(shè)計(jì)；
2、液壓樁錘設(shè)計(jì)；
3、液壓斜式導(dǎo)向架設(shè)計(jì)；
4、液壓及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
5、主要零件設(shè)計(jì)與計(jì)算。
4.時(shí)間安排及應(yīng)完成的工作:
5.應(yīng)閱讀的基本文獻(xiàn):
1、《樁工機(jī)械》（機(jī)械工業(yè)出版社）
2、《液壓傳動(dòng)》（機(jī)械工業(yè)出版社）
3、《電氣控制技術(shù)》（機(jī)械工業(yè)出版社）
4、《機(jī)械原理》（機(jī)械工業(yè)出版社）
5、《機(jī)械設(shè)計(jì)》（機(jī)械工業(yè)出版社）
6、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（機(jī)械工業(yè)出版社）
7、《機(jī)械工程師手冊(cè)》（機(jī)械工業(yè)出版社）
8、《特種車輛構(gòu)造》（機(jī)械工業(yè)出版社）
9、《隨車起重機(jī)》（機(jī)械工業(yè)出版社）
10、《機(jī)械工程材料》（機(jī)械工業(yè)出版社）
11、相關(guān)文獻(xiàn)（中外文期刊雜志、網(wǎng)絡(luò)資料等）
指導(dǎo)教師簽字：
XX
教研室主任意見：
同意
簽字：XX 2017年01月03日
教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)意見：
同意
簽字：XX 2017年01月03日 學(xué)院公章
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
摘 要
打樁機(jī)作為機(jī)械設(shè)備廣泛使用于建筑施工，碼頭，道路等樁基礎(chǔ)施工的場(chǎng)景下。柴油打樁機(jī)憑借著其自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成樁質(zhì)量高，操作簡(jiǎn)單，工作效率高而被當(dāng)今廣泛使用。因此研究并設(shè)計(jì)柴油打樁機(jī)對(duì)社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有著積極的意義。
本題目以研究并設(shè)計(jì)工況為野外施工的柴油打樁機(jī)為主要任務(wù)。主要研究打樁機(jī)的總體設(shè)計(jì)與柴油錘和導(dǎo)向架設(shè)計(jì)以及主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。在此之間對(duì)導(dǎo)向架的材料選用，導(dǎo)向架具體結(jié)構(gòu)布置，油管布置，液壓馬達(dá)，鋼絲繩滾筒的安裝形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)在運(yùn)輸和作業(yè)時(shí)的兩個(gè)極限位置確立了最終的導(dǎo)向架支撐液壓缸的布置位置。最后根據(jù)柴油導(dǎo)桿式打樁機(jī)在實(shí)際施工中的的工作特性與特點(diǎn)設(shè)計(jì)了與其工作配套的液壓系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)使用的液壓元器件進(jìn)行了選擇。
關(guān)鍵詞：打樁機(jī)；柴油錘；液壓控制系統(tǒng)
II
ABSTRACT
Piling machine as a mechanical equipment widely used in construction, terminals, roads and other pile foundation construction under the scene. Diesel piling machine by virtue of its own simple structure, pile of high quality, simple operation, high efficiency and is widely used today. Therefore, the study and design of diesel piling machine on the social infrastructure construction has a positive meaning.
This topic to study and design conditions for the construction of diesel piling machine as the main task. The main design of the pile driver and diesel hammer and guide frame design and design and calculation of the main parts. In this way, the design of the material of the guide frame, the specific arrangement of the guide frame, the arrangement of the tubing, the installation of the hydraulic motor and the wire rope drum are carried out. The position of the final guide frame support hydraulic cylinder is established according to the two extreme positions during transport and operation. Finally, according to the working characteristics and characteristics of the diesel pole type piling machine in the actual construction, the hydraulic system and the electrical control system are designed, and the hydraulic components used in the system are selected.
Key words: pile driver; diesel hammer; hydraulic control system
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1.緒論 1
1.1 工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 1
1.2 打樁機(jī)的種類與特點(diǎn) 1
1.3 導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)的沉樁規(guī)格與其他設(shè)計(jì)要求 2
1.4 總體設(shè)計(jì)思路 2
2.總體方案設(shè)計(jì) 3
2.1 執(zhí)行元件總體設(shè)計(jì) 3
2.2 車體布局 3
2.3 車身貨箱長(zhǎng)度的確定以及車輛型號(hào)的選用 4
3.柴油錘設(shè)計(jì) 4
3.1 柴油打樁錘錘體重量設(shè)計(jì) 4
3.2 樁帽設(shè)計(jì) 5
3.3 柴油錘其他尺寸設(shè)計(jì) 6
4.導(dǎo)向架設(shè)計(jì) 6
4.1 導(dǎo)向架材料選取 6
4.2 其余部件設(shè)計(jì) 7
5.液壓缸位置及行程設(shè)計(jì) 8
5.1 導(dǎo)向架支撐液壓缸設(shè)計(jì) 8
5.2 車身支撐液壓缸，扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸與液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì) 10
5.3 缸體材料選用及技術(shù)要求 10
5.4 缸體端部連接方式與活塞桿端部結(jié)構(gòu) 10
6.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
6.1 初選系統(tǒng)工作壓力 11
6.2 液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸 11
6.3 液壓缸動(dòng)作順序 13
6.4 液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì) 13
6.5 液壓元件的選用 14
7.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17
7.1 控制系統(tǒng)的選用 17
7.2 PLC 程序設(shè)計(jì) 18
8.導(dǎo)向架彎曲強(qiáng)度校核 21
結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
附錄 1：外文翻譯 25
附錄 2：外文文獻(xiàn)原文 31
致謝 41
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
1.緒論
1.1 工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
在近些年間高速公路建設(shè)的規(guī)模與速度令人驚嘆,施工時(shí)對(duì)于施工效率和質(zhì)量的要求越來越高,制造并使用高精度,高效率的機(jī)械化設(shè)備作業(yè)是實(shí)現(xiàn)上述要求的重要保證。高速公路防撞護(hù)欄樁施工是公路建設(shè)后期一項(xiàng)時(shí)間緊迫、任務(wù)繁重、難度大、工藝復(fù)雜, 人力無法完成的作業(yè)。依照現(xiàn)行設(shè)計(jì)要求,護(hù)欄樁的分布密度為每 4 米 1 根,部分地區(qū)
每 2 米一根,每公里的數(shù)量達(dá)到 1000 多根。日前,在我國(guó)高速公路通車?yán)锍踢_(dá)每 3000 公
里,合計(jì)總沉樁數(shù)量為 4000000 根。護(hù)欄樁的位置都分布在已經(jīng)充分壓實(shí)的路肩上,大多數(shù)路基下有穩(wěn)定沙礫甚至碎石。在地質(zhì)條件復(fù)雜,沉樁阻力大處不可能人工沉樁,并且顧及到護(hù)欄自身的防護(hù)功能及對(duì)路容的影響,沉樁施工必須在一定的施工要求內(nèi)。護(hù)欄樁的施工質(zhì)量具體指沉樁的垂直度、樁位自身的精確度、標(biāo)高的誤差范圍和樁頭自身的變形程度。若施工質(zhì)量較差,將很大程度影響護(hù)欄板和防水帽的安裝精度和作業(yè)效率,同時(shí)還影響車輛通行時(shí)的安全防護(hù)和道路整體線形的外觀。因此,護(hù)欄樁的施工質(zhì)量對(duì)于后期的護(hù)欄板安裝以及高速公路的安全保障功能的實(shí)現(xiàn)和道路整體外觀具有至關(guān)重要的意義。根據(jù)我國(guó)具體情況,在高速公路建設(shè)中給護(hù)欄施工的時(shí)間一般較為短暫,工期要求緊張,所以要求完成護(hù)欄樁施工的機(jī)械具有較高的作業(yè)效率。本研究所涉及的車載式柴油打樁機(jī)的主要用途是實(shí)現(xiàn)高速公路防撞護(hù)欄樁沉打作業(yè)任務(wù)。
1.2 打樁機(jī)的種類與特點(diǎn)
打樁機(jī)按其工作方式分為柴油打樁機(jī)，液壓打樁機(jī)，靜壓打樁機(jī)，振動(dòng)打樁機(jī)。1）柴油打樁機(jī)
柴油打樁機(jī)自上世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的新型樁工機(jī)械。由于自身沖擊能量大，體積小，使用方便，逐漸代替了蒸汽錘和墜錘。目前已經(jīng)是橋梁，高層建筑，發(fā)電廠，化工廠等大型基礎(chǔ)施工的主要機(jī)具之一。小型的柴油打樁機(jī)為導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單，操作的方便，成樁效果好是公路橋梁，民用及其工業(yè)建筑中常使用的小型柴油打樁機(jī)。
2）液壓打樁機(jī)
液壓打樁機(jī)是自身工作時(shí)以液壓能做為原動(dòng)力的一種類型的打樁機(jī)。在實(shí)際施工打樁時(shí)液壓錘自身下落通過樁帽這一中間緩沖裝置可以將能量直接傳給樁體而不需要獨(dú)立設(shè)計(jì)的扶樁機(jī)構(gòu)，因此工作環(huán)境要求低，可以適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境，可以對(duì)各種形狀的預(yù)制混凝土樁和鋼板，木制樁直接進(jìn)行沉樁作業(yè)。并且可以在路地上與水面上進(jìn)
42
行斜樁作業(yè)，這是液壓打樁機(jī)由于自身工作特性的優(yōu)越之處，于其他類型打樁機(jī)的無可比。
3）靜壓打樁機(jī)
靜壓打樁機(jī)在施工中的工作方式是中通過靜力將樁直接壓入到土層之中，因?yàn)闃蹲陨砦词盏綋翦N的沖擊力，因此預(yù)制混凝土樁的強(qiáng)度可以比柴油打樁機(jī)的小，這樣下來就極大節(jié)約了施工時(shí)的成本。靜壓打樁機(jī)實(shí)際施工中基本上沒用出現(xiàn)樁折斷的情況，并且靜壓打樁機(jī)可以直接對(duì)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。
4）振動(dòng)打樁機(jī)
振動(dòng)打樁機(jī)利用振動(dòng)樁錘產(chǎn)生的周期性激振力使得樁周圍土壤液化，減小了土壤對(duì)樁的摩阻力，因而達(dá)到使得樁基下沉的目的。
1.3 導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)的沉樁規(guī)格與其他設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)要求中的數(shù)據(jù)：鋼筋混凝土樁尺寸:25cm×25cm×300cm，液壓樁錘打樁為自由落體擊樁與柴油點(diǎn)火爆發(fā)擊樁的復(fù)合，樁錘結(jié)構(gòu)緊湊，液壓馬達(dá)提升時(shí)間≤10s；液壓斜式導(dǎo)向架起升與回落要求速度均勻，運(yùn)行平穩(wěn)，起升與回落時(shí)間均≤30s，并且導(dǎo)向架自身總長(zhǎng)度不超過車體總長(zhǎng)；液壓及電氣控制系統(tǒng)在野外作業(yè)環(huán)境下工作可靠；通常地層結(jié)構(gòu)下，每個(gè)鋼筋混凝土樁完成打樁時(shí)間≤120s，為設(shè)計(jì)要求，依托一款陜汽汽車底盤進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。
1.4 總體設(shè)計(jì)思路
根據(jù)以上的分析與產(chǎn)品要達(dá)到的基本功能與要求并結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)，可以采取以下設(shè)計(jì)方案：
1 通過工作環(huán)境和需要沉樁的預(yù)制樁可要求入手，確定車載式柴油打樁機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。
2 通過給定的預(yù)制樁尺寸，參照現(xiàn)有柴油錘工作方式及其結(jié)構(gòu)方式，確定柴油錘設(shè)
計(jì)
3 從得到的柴油錘尺寸來確定導(dǎo)向架具體尺寸及其配套結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
4 根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)與柴油錘導(dǎo)向架具體數(shù)據(jù)分析柴油錘位置布局與力學(xué)計(jì)算。
5 根據(jù)導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)的設(shè)計(jì)要求與工作特性設(shè)計(jì)與其配套液壓系統(tǒng)與電氣控制
系統(tǒng)，并選用液壓元器件。
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
2.總體方案設(shè)計(jì)
打樁機(jī)要求在野外環(huán)境下打入 300cm 的預(yù)制樁，總體方案設(shè)計(jì)以滿足設(shè)計(jì)需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單為主體思想，結(jié)合市面相關(guān)產(chǎn)品與自身已有經(jīng)驗(yàn)，做出以下設(shè)計(jì)方案。車在野外工況復(fù)雜可能工作環(huán)境不都為平整鋪裝路面，在工作前先由四個(gè)車身支撐缸將車身整體支起懸空至相對(duì)水平位置，然后導(dǎo)向架由一個(gè)液壓缸負(fù)責(zé)支起與收回作用以達(dá)到工作狀態(tài)與平時(shí)運(yùn)輸狀態(tài)，柴油錘由液壓馬達(dá)拉升，扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸伸出抱住樁體。
2.1 執(zhí)行元件總體設(shè)計(jì)
表 2.1 執(zhí)行元件明細(xì)表
作用
工作部件
數(shù)量
車身的整體支撐
液壓缸
4
導(dǎo)向架的支起與收回
液壓缸
1
液壓錘的提升
液壓馬達(dá)
1
扶樁機(jī)構(gòu)
液壓缸
1
2.2 車體布局
圖 2.1 車體布局示意圖
注：1 車身貨箱，2 車身導(dǎo)向架，3 導(dǎo)向架支撐液壓缸
2.3 車身貨箱長(zhǎng)度的確定以及車輛型號(hào)的選用
車身貨箱長(zhǎng)度約等于導(dǎo)向架長(zhǎng)度 0.9 倍。
導(dǎo)向架長(zhǎng)度=樁身長(zhǎng)+柴油錘體總長(zhǎng)+柴油錘落距+部分鋼絲繩長(zhǎng)+滑輪長(zhǎng)，已知樁長(zhǎng)為 300cm，其余部分取 300cm，導(dǎo)向架長(zhǎng)為 6000cm，車身貨箱長(zhǎng)度略小于導(dǎo)向架長(zhǎng)度從而取車身貨箱長(zhǎng)度為 5400mm。
查詢市面已上市車輛，最終選取陜汽牌型號(hào)為 SX5166JSQGP4 的車作為此次設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。后續(xù)設(shè)計(jì)依托此型車輛相關(guān)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
陜汽 SX5166JSQGP4 車輛具體相關(guān)參數(shù)：
表 2.2 車輛具體參數(shù)
車頭高
3500mm
整車長(zhǎng)
8360mm
裝備車重
11100kg
貨箱尺寸
5600mm×2300mm×600mm
3.柴油錘設(shè)計(jì)
查閱資料后得知在實(shí)際樁工施工過程中在打樁前要做試樁實(shí)驗(yàn)，通過做樁基的靜載荷試驗(yàn)來確定樁基的實(shí)際靜荷，這一過程至今仍然被公認(rèn)為比較靠譜的實(shí)驗(yàn)。在查閱相關(guān)資料后得，柴油錘的設(shè)計(jì)要求打樁貫入度在合理范圍內(nèi)，沉樁阻力小于樁身承載力即可。
3.1 柴油打樁錘錘體重量設(shè)計(jì)
1）用前蘇聯(lián)格爾謝萬諾夫的打樁公式來計(jì)算沉樁時(shí)的阻力。打樁的沉樁阻力公式：
p = ? ???? + √(???? )2 + ???? + ???? + ??+??2??
（3.1）
式中，Q 為錘重
e 為貫入度
H 為錘下落高度
F 為樁的橫截面積
ε為樁頭墊層系數(shù)
2 2 ??
??+??
n 為樁的材質(zhì)系數(shù)
q 為樁的重量
預(yù)制樁為 25cm×25cm×300cm，預(yù)制樁重量計(jì)算，取預(yù)制混凝土樁密度為2500kg/m3
預(yù)制樁重量：q=ρ × v × g=2500 × 0.25 × 0.25 × 3 × 10N = 4.68KN。
錘重量 Q 取 400kg，e 取 0.2cm,樁橫截面積 F=25×25cm2 =625cm2 ,n 查表取 0.15，
ε查表取 0.4，H 取 200cm。
帶入打樁公式得 p=385.3KN
2）計(jì)算貫入度
在此求最終貫入度。查閱相關(guān)資料后沉樁過程中最終貫入度一般小于 0.65 就較為合適。
貫入度公式為：
e= ????????
??(??+???? )
??+ ??2??
??+ ??
（3.2）
式中：Q 為錘重
H 為錘下落高度
F 為樁的橫截面積
ε為樁頭墊層系數(shù)
n 為樁的材質(zhì)系數(shù)
q 為樁的重量
p 為預(yù)制樁承載力，取 500KN 帶入數(shù)據(jù)得 e=0.64mm
沉樁阻力小于預(yù)制樁承載力而且貫入度小于 0.65mm，所以選用 400kg 的錘體重力
較為合適。
3.2 樁帽設(shè)計(jì)
作業(yè)要求沉樁的預(yù)制樁規(guī)格為橫截面積 25cm×25cm 的方樁，則樁帽也應(yīng)該為方形結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中樁帽內(nèi)徑比樁大 1cm 足夠，樁帽設(shè)計(jì)大過太多會(huì)導(dǎo)致樁帽和樁頭不在同一豎直位置，樁錘在自由下落后會(huì)導(dǎo)致下砸在樁帽的位置偏移，使得整個(gè)樁體下路位置偏移預(yù)計(jì)位置從而使得樁身整體傾斜。
樁帽內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)為 27cm×27cm，外部尺寸設(shè)計(jì)為 30cm×30cm。
3.3 柴油錘其他尺寸設(shè)計(jì)
導(dǎo)軌中心距取 30cm，落距取 160cm，導(dǎo)軌直徑取 50mm，打樁錘錘體總長(zhǎng)取 300cm,樁帽外徑為 30×30cm。樁錘設(shè)計(jì)圖如下：
4.導(dǎo)向架設(shè)計(jì)
圖 3.1 打樁錘
根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)向架總長(zhǎng)為 6000mm，平時(shí)斜放在車輛平板上，與車身基座連接。導(dǎo)向架頂部通過焊接將滑輪組連接在導(dǎo)向架上。導(dǎo)向架為了使得油管長(zhǎng)度減 少，液壓馬達(dá)安裝的位置較為靠近導(dǎo)向架尾部。
設(shè)計(jì)圖如下：
圖 4.1 導(dǎo)向架
4.1 導(dǎo)向架材料選取
由于導(dǎo)向架上面要焊接安裝滑輪的裝置，并且需要將液壓馬達(dá)，鋼絲繩滾筒安裝在導(dǎo)向架上，在平時(shí)工作時(shí)會(huì)受到較大的載荷。綜上情況確定材料需要較強(qiáng)的抗彎強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。初步選定工字鋼與 H 型鋼做為導(dǎo)向架主體的備選材料。
圖 4.2 H 型鋼 圖 4.3 工字鋼
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
經(jīng)過對(duì)比，H 型鋼自身的翼緣比工字鋼來說更寬而且自身翼緣內(nèi)部沒有傾斜角度，
H 型鋼自身上下的表面相互平行這樣的自身結(jié)構(gòu)更加方便螺栓的固定。工字鋼橫截面積比起 H 型鋼橫截面積都是較高，較窄的故兩種慣性矩相差較大。H 型鋼具有更大的慣性矩，自身能夠承受更大的彎曲應(yīng)力，保證導(dǎo)向架日常使用要求?？偨K，選取寬翼緣型 H 鋼，鋼材型號(hào)為 200×200×8×12，長(zhǎng)度為 5800mm，質(zhì)量總計(jì) 200kg。液壓馬達(dá)，鋼絲繩滾筒可以通過螺栓固定在導(dǎo)向架上。
4.2 其余部件設(shè)計(jì)
4.2.1 導(dǎo)桿
柴油錘通過鋼絲繩提升，柴油錘自身的上下移動(dòng)通過導(dǎo)向架上附有的導(dǎo)桿導(dǎo)引。
圖 4.4 導(dǎo)向架
4.2.2 液壓馬達(dá)與油管布置與連接設(shè)計(jì)
圖 4.5 導(dǎo)向架
1 處液壓馬達(dá)放置在導(dǎo)向架背部與導(dǎo)向架以螺栓的形式連接在一起，2 處油管在導(dǎo)向架背部，在導(dǎo)向架處的油管為硬管。
4.2.3 機(jī)錘擋銷
為了使柴油錘工作或運(yùn)輸時(shí)必須在導(dǎo)向架上設(shè)計(jì)機(jī)錘擋銷，防止在運(yùn)輸中樁錘滑落或工作時(shí)過高的升起。
如圖所示：
圖 4.6 機(jī)錘擋銷
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
5.液壓缸位置及行程設(shè)計(jì)
5.1 導(dǎo)向架支撐液壓缸設(shè)計(jì)
5.1.1 導(dǎo)向架支撐液壓缸位置確定
確定導(dǎo)向架運(yùn)輸時(shí)與工作時(shí)兩個(gè)極限位置如圖：
圖 5.1 極限位置圖
為了使得液壓缸伸出長(zhǎng)度較小，液壓載荷適中，所以液壓缸較為靠近車體尾部。圖中，C 點(diǎn)為車頂，O 為導(dǎo)向架與車身的鉸接處，CO 為導(dǎo)向架運(yùn)輸時(shí)的位置，C′ O
為導(dǎo)向架工作時(shí)的位置，CO 長(zhǎng)度為 6000mm。平板以上車高為 2000mm。
BA 與 BA′分別是導(dǎo)向架運(yùn)輸時(shí)的液壓缸長(zhǎng)度和工作時(shí)的長(zhǎng)度,A 為液壓缸在導(dǎo)向架鉸接的位置，設(shè)計(jì) AO 長(zhǎng) 1500mm，設(shè)計(jì) BO 長(zhǎng)度為 4200mm。角 a 為 COB 之間的夾角，角
b 為角 a 的余角。
畫圖分析得角 a 為 14°，角 b 為 76°。
根據(jù)余弦定理確定出 AB 長(zhǎng)為 2768mm，A′ B 長(zhǎng)為 4459mm。
一般液壓缸伸出長(zhǎng)度為收回長(zhǎng)度的 0.66 倍，A′B-AB=1691mm，而 AB 長(zhǎng)的 0.66 倍
1827mm 大于A′B 與 AB 之差，故導(dǎo)向架支撐液壓缸位置設(shè)計(jì)較為合理。
5.1.2 液壓缸最小推力計(jì)算
圖 3 中以 O 點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心列力矩平衡公式。沿 BA 方向推力為 F,力臂為 h。
取導(dǎo)向架質(zhì)心為 A 點(diǎn)，導(dǎo)向架重力為 G,力臂為 S。
導(dǎo)向架重力 G=G錘+G導(dǎo)向架，取導(dǎo)向架重量為 200kg，得 G 為 8KN
S=sinb×AO=sin14° ×1500=1410mm （5.1） 在三角形 ABO 中 sin14° ×BO×AO=AB×h，可得 h 為 550mm。
圖 5.2 導(dǎo)向架極限位置圖
根據(jù)力矩平衡得 Fh=GS （5.2）
=
????
即 F ? ，得 液壓缸最小推力應(yīng)為 21162N。
為了確定液壓缸在此位置時(shí)候?yàn)樽钚⊥屏?，?excel 進(jìn)行了機(jī)構(gòu) 20°~90°的液壓缸推力計(jì)算。具體數(shù)值如下：
表 5.1 液壓缸推力變化
a， b 均是弧度制， h 為液壓缸的力臂長(zhǎng)，F(xiàn) 為液壓缸的推力
圖 5.3 液壓缸推力變化
最終設(shè)計(jì)結(jié)論為：
導(dǎo)向架支撐液壓缸收縮狀態(tài)取 2800mm，伸展長(zhǎng)度為 4460mm。液壓缸與導(dǎo)向架在車身鉸接位置為貨廂從車頭方向起始 1800mm 處，液壓缸與導(dǎo)向架鉸接位置為從導(dǎo)向架尾部起始 1500mm 處。液壓缸最小推力應(yīng)為 21163N。查液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)得取液壓缸行程
1700mm，因?yàn)橐簤焊滓瓿缮煺购褪栈貎蓚€(gè)動(dòng)作，所以缸體選用為差動(dòng)式雙作用液壓缸。
5.2 車身支撐液壓缸，扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸與液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)
由于車身在從運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換至工作狀態(tài)中整個(gè)導(dǎo)向架活動(dòng)范圍一直在車身平板 內(nèi)，導(dǎo)向架一直由車身提供支撐，未出現(xiàn)如隨車吊工作時(shí)那樣吊臂伸出車外的情況， 所以車身支撐液壓缸不必考慮伸出長(zhǎng)度與缸體之間的跨距。隨車的四個(gè)車身支撐液壓缸只需考慮最小工作載荷即可。1
車身總重估算：
G車=G整車裝備重 +G打樁錘+G導(dǎo)向架+G其余=111000N+4000N+2000N+5000N=122KN
單個(gè)液壓缸載荷為：F 單=??車=30.5KN （5.3）
4
查液壓手冊(cè)取液壓缸行程為 630mm，液壓缸為差動(dòng)式雙作用液壓缸。
扶樁機(jī)構(gòu)需要的載荷一般比較小，這里取 2KN。查液壓手冊(cè)取液壓缸行程取40mm，液壓缸為差動(dòng)式雙作用液壓缸。
取鋼絲繩滾筒的半徑為為 0.1m，又由于液壓馬達(dá)是提升樁錘的，所以 f=G 錘
=4000N,所以液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩為 400N? m
5.3 缸體材料選用及技術(shù)要求
液壓缸缸體的選擇 45 鋼，調(diào)質(zhì)到 240～285HBW?；钊牧线x用耐磨鑄鐵。缸體內(nèi)徑采用 H8 配合，表面粗糙度選用 Ra=0.2μm。
5.4 缸體端部連接方式與活塞桿端部結(jié)構(gòu)
導(dǎo)向架支撐液壓缸與車身連接的方式為雙耳環(huán)式，缸體端部為法蘭連接。
圖 5.4 活塞桿雙耳環(huán)
6.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)參數(shù)：錘重為 400kg，落距 1600mm，液壓馬達(dá)提升時(shí)間≤10s，導(dǎo)向架升起回落≤ 30s。取液壓馬達(dá)提升時(shí)間為 5s，則液壓馬達(dá)為 0.32m/s，設(shè)卷筒半徑為 10cm 則液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為 30r/min。取導(dǎo)向架 15s 從運(yùn)輸狀態(tài)豎立成工作狀態(tài)，則導(dǎo)向架支撐缸
運(yùn)動(dòng)速度為：v 導(dǎo)=1.7 = 0.11m/s。
15
液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩????
= ???? 2????
= ???? 2????
=4000×0.32 = 407N ? m （6.1）
2×??× 0.5
各液壓缸載荷（機(jī)械效率為 0.9）
表 6.1 液壓缸載荷
名稱
液壓缸外載荷
活塞上載荷 F
導(dǎo)向架支撐缸
21.1KN
23.5KN
車身支撐缸
30.5KN
34KN
扶樁機(jī)構(gòu)缸
2KN
2.2KN
液壓馬達(dá) T=????=407 =428N? m（機(jī)械效率取 0.95） （6.2）
?? 0.95
6.1 初選系統(tǒng)工作壓力
車載式柴油打樁機(jī)屬于小型工程機(jī)械，查表《液壓技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》選取工作壓力為 13MPa，即p1為 13MPa。
6.2 液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸
6.2.1 導(dǎo)向架支撐缸
確定導(dǎo)向架支撐缸活塞及其活塞桿直徑，導(dǎo)向架支撐缸最大載荷為 23.5KN，工作
√
在活塞桿受壓狀態(tài)，此時(shí)缸的回流量極小，視背壓為零，按公式 D= 4??
????
。 （6.3）
計(jì)算活塞直徑即：D =√4 ??1 =√4×23.5×103 =0.04m，取D =0.05m。按工作壓力選取
1 ????1 ??×13× 103 1
d/D,查表得 d/D 為 0.7，求得d1=0.035m。
6.2.2 車身支撐缸
計(jì)算四個(gè)車身支撐缸活塞與活塞桿直徑，車身被支起時(shí)車身支撐缸載荷達(dá)到最大值 34KN,此時(shí)車身支撐缸活塞的移動(dòng)速度也近似為零，回油量極少，故背壓力可忽略不
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
計(jì)這樣D2
√
= 4??2
????1
=√4×34×103
??×13×103
=0.057m，取D2
為 0.06m。按工作壓力選取 d/D=0.7，求得
d2=0.042m。
6.2.3 扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸
當(dāng)扶正樁時(shí)液壓缸達(dá)到最大工作載荷，此時(shí)液壓缸活塞移動(dòng)速度也近似為零，回油
量極少，背壓力暫可不計(jì)。D
=√ 4??3 =√4×23.5×103 =0.04m,取D
=0.05m。按工作壓力取
3 ????1, ??×13×103 3
d/D=0.7，得d3=0.035m，取d3=0.04m。
6.2.4 液壓馬達(dá)
液壓馬達(dá)工作方式為單向旋轉(zhuǎn)，其回油方式是直接就回油箱，默認(rèn)其出口壓力
為零，機(jī)械效率選取為 0.95，則????
（6.4）
= 2??????
??1??
= 2×3.14×428
13 ×106 ×0.95
= 0.0003??3 = 0.3L/r
表 6.2 液壓執(zhí)行元件實(shí)際工作壓力
工況
執(zhí)行元件
載荷
背壓力??2 /
MPa
工作壓力p/
MPa
計(jì)算公式
導(dǎo)向架架起降
導(dǎo)向架支撐液
壓缸
23.5KN
0.3
12
??1
?? + ??2??2
= ??1
車身支撐缸起
降
車身支撐液壓
缸
34KN
0.3
12.2
扶樁機(jī)機(jī)構(gòu)夾
緊
扶樁機(jī)構(gòu)液壓
缸
2.2KN
0.3
1.2
提樁錘
液壓馬達(dá)
428N*m
8.8
2????
??1 = ??
式中：?? =?? ??2無桿腔活塞的有效工作面積，?? =??(??2 ? ??2）有桿腔活塞有效工作面
1 4 2 4
積。
表 6.3 液壓執(zhí)行元件實(shí)際所需的流量:
工況
執(zhí)行元器件
運(yùn)動(dòng)速度
結(jié)構(gòu)參數(shù)
流量/
（L/s）
導(dǎo)向架起
導(dǎo)向架支撐缸
0.11m/s
??1 = 0.00
0.33
3??3
導(dǎo)向架落
??2 = 0.00
0.11
1??3
車身起
車身支撐缸
0.03m/s
??1 = 0.00
0.09
3??3
車身落
??2 = 0.00
0.03
1??3
扶樁機(jī)構(gòu)夾緊
扶樁機(jī)構(gòu)液壓
0.03m/s
??1 = 0.00
0.09
q =Av
扶樁機(jī)構(gòu)放松
缸
3??3
??2 = 0.00
0.03
1??3
提升樁錘
液壓馬達(dá)
30r/min
v=0.3L/r
0.15
q = vn
6.3 液壓缸動(dòng)作順序
表 6.4 液壓缸動(dòng)作順序
動(dòng)作部件名稱
動(dòng)作順序
導(dǎo)向架支撐缸
舉升—保壓—收回
車身支撐缸
舉升—保壓—收回
扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸
舉升—保壓—收回
液壓馬達(dá)
拉升—保壓—卸荷
6.4 液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)
圖 6.1 液壓系統(tǒng)回路圖
電磁鐵動(dòng)作表
表 6.5 電磁鐵動(dòng)作順序表
磁鐵
動(dòng)作
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
6YA
7YA
8YA
9YA
10YA
11YA
12YA
13YA
導(dǎo)向架升
+
導(dǎo)向
架降
+
車身
升
+
+
+
+
車身
降
+
+
+
+
扶樁
夾緊
+
扶樁
放松
+
提升
樁錘
+
制動(dòng)
6.5 液壓元件的選用
6.5.1 液壓泵的選擇 1.液壓泵工作壓力的確定：
???? ≥ ??1 + ∑ ??? （6.5）
式中：??1=12.2MPa 為此系統(tǒng)中所有液壓元件中的最高工作壓力，對(duì)于本系統(tǒng)，分析得最高壓力為車身支撐缸入口的壓力：∑ ???為泵到執(zhí)行元件間總的管路損失。由系統(tǒng)圖可見從，從泵到車身支撐缸之間串接一個(gè)調(diào)速閥，一個(gè)單向閥和一個(gè)換向閥，取
∑ ??? = 0.5MPa。
液壓泵工作壓力為
???? =（12.2+0.5）MPa=12.7MPa
2.液壓泵流量的確定
?????? ≥ K（ ∑ ???????? ） （6.6）
由工況圖看出，系統(tǒng)最大流量發(fā)生在導(dǎo)向架升起時(shí)，∑ ???????? =0.3L/s，取泄漏系數(shù) K 為 1.2，求得液壓泵流量為
?????? =0.36L/s（21.6L/min）
為使得液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備，所以選的泵的額定壓力一般比最大工作壓力25% ～60%，取泵的額定壓力比最大工作壓力大 25%，則泵的壓力為 16MPa。查表后， 選取定量葉片泵 YB2-E,工作壓力為 16MPa，排量在 10~200mL/r，轉(zhuǎn)速 600～ 2000r/min。
6.5.2 電機(jī)功率的確定
確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率：
表 6.6 液壓泵的總效率
液壓泵類型
齒輪泵
螺桿泵
葉片泵
柱塞泵
總效率（%）
60～70
65～80
60～75
80～85
P=?????????? = 12.7×106 ×0.36×10?3
=6096W （6.7）
???? 0.75
所以選用 6KW 的電動(dòng)機(jī)。
6.5.2 液壓馬達(dá)的選用
在 6.2 處已經(jīng)求得液壓馬達(dá)的排量 0.3L/r，正常工作時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩為 407N?m，系統(tǒng)壓力為 16MPa。
選擇 QJM 型徑向球塞定量液壓馬達(dá)，型號(hào)為 1QJM21-0.32，排量為 0.32L/r，額定
工作壓力為 16MPa，最大工作壓力為 31.5MPa，轉(zhuǎn)速范圍在 1～400r/min，最高輸出轉(zhuǎn)矩 1510N?m。
6.5.3 液壓閥的選用
選擇時(shí)主要依據(jù)的是閥的在工作時(shí)工作壓力和通過閥的實(shí)際流量。此系統(tǒng)工作壓力為 13MPa，因而液壓閥都要選用中等壓力和高壓力的閥體。所選的閥的規(guī)格如下：
表 6.7 液壓閥規(guī)格選用表
序號(hào)
名稱
實(shí)際流量/
（L/s）
選用規(guī)格
1
單向閥
0.09
S10A5O/V2
2
單向閥
0.09
S10A5O/V2
3
三位四通電液換向閥
0.09
4WE10H5/AG24NZ5L
4
單向閥
0.09
S10A5O/V2
5
單向閥
0.09
S10A5O/V2
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
6
三位四通電液換向閥
0.09
4WE10H5/AG24NZ5L
7
單向閥
0.09
S10A5O/V2
8
單向閥
0.09
S10A5O/V2
9
三位四通電液換向閥
0.09
4WE10H5/AG24NZ5L
10
單向閥
0.09
S10A5O/V2
11
單向閥
0.09
S10A5O/V2
12
三位四通電液換向閥
0.33
4WE10H5/AG24NZ5L
13
單向閥
0.33
S10A5O/V2
14
單向閥
0.33
S10A5O/V2
15
三位四通電液換向閥
0.09
4WE10H5/AG24NZ5L
16
溢流閥
0.09
DB20-1-30/200
17
溢流閥
0.08
DB20-1-30/200
18
單向閥
0.09
S6A5O/V2
19
單向閥
0.09
S6A5O/V2
20
三位四通電液換向閥
0.09
4WE10H5/AG24NZ5L
21
溢流閥
0.08
DB20-1-30/200
22
溢流閥
0.08
DB20-1-30/200
23
溢流閥
0.08
DB20-1-30/200
24
二位二通電液換向閥
0.09
4WE10H5/AG24NZ5L
25
調(diào)速閥
0.09
2FRM10-21/50L
6.5.4 油管內(nèi)徑計(jì)算
油管內(nèi)徑計(jì)算：d = √4????
????
（6.8）
式中：????為通過管道內(nèi)的流量（m3），v 為管內(nèi)允許的流速（m/s）
表 6.8 油路設(shè)計(jì)
管路名稱
通過流量/(L/s）
允許流速/
（m3/s）
管路內(nèi)徑/m
實(shí)際取值/m
主要管路
0.09
3
0.006
0.01
液壓馬達(dá)
0.33
3
0.011
0.012
6.5.5 油箱有效容積
V = a???? （6.9）
表 6.9 油箱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)
系統(tǒng)類型
行走機(jī)械
低壓系統(tǒng)
中壓系統(tǒng)
鍛壓系統(tǒng)
冶金機(jī)械
a
1～2
2～4
5～7
6～7
10
已選泵的流量為 21.6L/min，所以液壓泵每分鐘排出液壓油為 0.02m3 ，查表得 a 取6，得 V=0.12m3
7.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
7.1 控制系統(tǒng)的選用
考慮到電氣控制可靠，費(fèi)用低，設(shè)計(jì)選用三菱FX2N 系列 PLC 進(jìn)行電氣系統(tǒng)控制.選用FX2N ? 32MR ? 001 型，輸入點(diǎn)數(shù)為 16，輸出點(diǎn)數(shù)為 16。
設(shè)置 I/O 輸入輸出：
表 7.1 輸出位置
名稱
電磁閥
輸出點(diǎn)
車身支撐液壓缸
1YA 3YA 5YA 7YA
Y001 Y003 Y005 Y007
2YA 4YA 6YA 8YA
Y000 Y002 Y004 Y006
導(dǎo)向架支撐缸
9YA
Y009
10YA
Y010
扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸
11YA
Y011
12YA
Y012
液壓馬達(dá)
13YA
Y013
表 7.2 開關(guān)設(shè)置
名稱
輸入點(diǎn)
車身支撐液壓缸
S0 （車身升）S6（車身降）
導(dǎo)向架升降液壓缸
S1 （導(dǎo)向架升）S4(導(dǎo)向架降)
液壓馬達(dá)
S2
扶樁機(jī)構(gòu)
S3（扶樁機(jī)構(gòu)夾緊）S5（扶樁機(jī)構(gòu)松）
7.2 PLC 程序設(shè)計(jì)
工作時(shí)順序?yàn)椋很嚿碇胃字纹疖嚿砗?，?dǎo)向架升降液壓缸升起導(dǎo)向架，液壓馬達(dá)提升舉起液壓樁錘。設(shè)計(jì) PLC 梯形圖為：
圖 7.1 PLC 工作順序 1 梯形圖
工作完成后的液壓缸順序?yàn)?，?dǎo)向架液壓缸下降，扶樁機(jī)構(gòu)泄壓，車身支撐液壓缸收回。
設(shè)計(jì)的 PLC 梯形圖如下：
圖 7.2 PLC 工作順序 2 梯形圖
8.導(dǎo)向架彎曲強(qiáng)度校核
圖 8 .1 導(dǎo)向架受力圖
受力分析：F1 為支撐桿對(duì)導(dǎo)向架的力，F(xiàn)2 為導(dǎo)向架支撐缸對(duì)導(dǎo)向架的力，F(xiàn)3 為基座對(duì)導(dǎo)向架的力,F4 為導(dǎo)向架自身的重力。又因?yàn)橐簤焊着c導(dǎo)向架連接處為導(dǎo)向架的1/4 處，導(dǎo)向架自身重力位于導(dǎo)向架自身 1/2 處。
畫圖得 F1 與F1’夾角為 14°，F(xiàn)4 與F4’夾角為 14°,F2 與F2’的夾角為 70°，F(xiàn)3 與F3’的夾角為 14°。
設(shè)導(dǎo)向架長(zhǎng)度為 L。
F1=F1×COS14°,F2’=F2×COS70°,F3’=F3×COS14°, F4’=F4×COS14°
根據(jù)力矩平衡列式：
F1’-F4’ ×1/2L +F2’ ×L/4=0 （8.1）
-F4’ ×L/4+F2×3/4L+F3’ ×L=0 （8.2）
再根據(jù)受力平衡得：
F1’+F2’+F3’=F4’
求得：F1’=3284N，F(xiàn)2’=2388N，F(xiàn)3’=2089N
可得受力圖如下
：
圖 8.2 導(dǎo)向架受力分析圖
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
剪力圖如下：
彎矩圖如下：
圖 8.3 導(dǎo)向架剪力圖
圖 8 .4 導(dǎo)向架彎矩圖
由圖可得，最大彎矩在導(dǎo)向架中點(diǎn)處。最大彎矩為 9852N?m 查表得，???? = 160cm3=160× 10?6m3
再由式：σ = ??
????
9852
=
160 ×10?6
= 61.5MPa （8.3）
取安全系數(shù)為 2，則導(dǎo)向架彎矩最大處受的最大應(yīng)力為2σ=123MPa。
因?yàn)閷?dǎo)向架結(jié)構(gòu)選用 Q235 鋼，鋼的許用應(yīng)力為 215MPa，最大彎矩處彎曲應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，所以導(dǎo)向架滿足強(qiáng)度條件。
車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
結(jié)論
本次設(shè)計(jì)通過查閱相關(guān)資料后從影響打樁的種種因素分析了當(dāng)前各種打樁機(jī)的優(yōu)劣之處，主要了解了柴油打樁機(jī)的工作順序與特點(diǎn)。最終根據(jù)設(shè)計(jì)要求初步確定了此次設(shè)計(jì)的具體的車型選用，樁錘重量，導(dǎo)向架具體的設(shè)計(jì)。通過對(duì)運(yùn)輸和工作兩個(gè)極限位置的分析，從而確定了液壓缸鉸接的布置位置與最小推力計(jì)算。
導(dǎo)向架做為打樁機(jī)的主要部分，對(duì)其進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)，從材料的選用與自身結(jié)構(gòu)的布置，強(qiáng)度的校核，上下工作時(shí)限位的方式，油管的布置，液壓馬達(dá)與鋼絲繩滾筒的連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并計(jì)算了導(dǎo)向架撐起液壓缸，車身支撐液壓缸，抱樁機(jī)構(gòu)液壓缸具體參數(shù)，并對(duì)其主要部件進(jìn)行了選用。對(duì)提樁的液壓馬達(dá)也進(jìn)行了選用。對(duì)液壓缸，液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)不同工作需求編寫了電磁閥動(dòng)作順序表，并配合 PLC 編寫了電氣控制梯形圖。
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附錄 1：外文翻譯
精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)使用激光測(cè)距儀
黃湘琦，竹崎篤，橋本秀樹，井井富郎，博正，池田正五，池口松井 1 東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所 2Shibaura 理工學(xué)院 3 中央大學(xué) 4 小林公司技術(shù)研究所 5 國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科技研究所
摘要：對(duì)于現(xiàn)代施工基礎(chǔ)工作，實(shí)時(shí)定位樁是理想的，但由于測(cè)量?jī)x器手工用于標(biāo)記樁位置，其精度在很大程度上取決于工人的經(jīng)驗(yàn)，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)不足。本文通過提出使用激光測(cè)距儀（LRF）的高效定位系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，我們的優(yōu)點(diǎn)是可以高精度地實(shí)時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)樁或打樁機(jī)的位置。為此，我們首先開發(fā)基于
LRF 的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)掃描施工現(xiàn)場(chǎng)，并收集 2D 激光點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后，我們通過快速擬合的圓形幾何模型來檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象，如樁或打樁機(jī)，基于最大似然估計(jì)（MLE）推理的數(shù)據(jù)。算法的性能由合成數(shù)據(jù)集合和實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明我們的方法在未來施工領(lǐng)域的可行性。
1 介紹動(dòng)機(jī)
如今，各種打樁機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用。堆是一個(gè)最重要的部分之一，一旦在正確的位置被驅(qū)入土壤時(shí)，就為建筑物提供基礎(chǔ)支持。 因此，一種準(zhǔn)確有效的樁驅(qū)動(dòng)方法，對(duì)于現(xiàn)代化的建筑場(chǎng)地來說，總是令人滿意的。
最常見的打樁方法是基于預(yù)先定位使用測(cè)量?jī)x器。然而，由于手動(dòng)程序，它是不足的：1）放置使用測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的樁位上的標(biāo)記，2）用一個(gè)挖孔在標(biāo)記位置具有一定的半徑公差，以及 3）將樁驅(qū)動(dòng)到孔中。該該程序的主要優(yōu)點(diǎn)是：i）至少需要 3 名工作人員和 1 名操作員用于測(cè)量和調(diào)整樁位置; ii）他們被要求訓(xùn)練有素合作提高工作效率; iii）操作時(shí)間長(zhǎng)這可能會(huì)降低工人的準(zhǔn)確性和安全性。
在本文中，我們提出了一種高效準(zhǔn)確的打樁機(jī)定位系統(tǒng) TEM。 我們建議不要使用傳統(tǒng)儀器來測(cè)量預(yù)設(shè)標(biāo)記使用激光測(cè)距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)利用高精度激光測(cè)距儀（LRF）掃描整個(gè)構(gòu)造場(chǎng)同時(shí)從掃描范圍同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)的樁位置。圖 1 示出了我們的系統(tǒng)，其中僅需要一個(gè)操作者來操作樁駕駛員調(diào)整樁位置，由顯示動(dòng)畫樁的顯示器導(dǎo)航施工現(xiàn)場(chǎng)地圖上的定位。 該系統(tǒng)提供了更方便的方式幫助運(yùn)營(yíng)商全面評(píng)估收縮圖上的錯(cuò)誤，無需任何幫助的額外工人。因此，我們的系統(tǒng)大大提高了效率打樁精度。
1.2 相關(guān)工作
一方面，在施工現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)查技術(shù)及其工具，在很短的時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展。 具有先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器包括自動(dòng)化傳輸和全站儀采用光波距離法，測(cè)量時(shí)間顯著縮短，定位精度以達(dá)到到毫米級(jí)[1]。此外，在工作區(qū)非常的土木工程全球有很少的建筑物，全球定位系統(tǒng)（GPS）經(jīng)常被用于足夠的調(diào)查準(zhǔn)確性和有效的工作[2]。然而它們存在缺點(diǎn)：i） 這些儀器是昂貴的，ii）由于環(huán)境條件，某些地方可能無法使用，iii）不能同時(shí)跟蹤多個(gè)物體，vi）不可能跟蹤目標(biāo)實(shí)時(shí)和 v）測(cè)量需要至少兩名工作人員。
另一方面，近來消費(fèi)級(jí)傳感器的發(fā)展已經(jīng)吸引增加對(duì)定位系統(tǒng)的適用性。使用分布式設(shè)備的時(shí)間定位系統(tǒng)包括攝像機(jī)[3-5]，超聲波傳感器[6,7]和激光測(cè)距儀（LRF）
[8,9]。 在這些當(dāng)中測(cè)量設(shè)備，LRF 在諸如實(shí)時(shí)掃描，高精度，大覆蓋區(qū)域，不良照明
的魯棒性，低噪聲到信號(hào)比例和簡(jiǎn)單安裝[10-12]。例如，LRF 已經(jīng)被實(shí)時(shí)使用了在大型戶外區(qū)域進(jìn)行位置測(cè)量[13]。
自 20 世紀(jì) 90 年代中期以來，激光掃描儀已廣泛應(yīng)用于工程勘察，如高層建筑的地面測(cè)量[14]。 最近在施工現(xiàn)場(chǎng)，一些研究人員正在努力實(shí)時(shí)使用 LRF 來改善工作安全和效率。 [15,16]構(gòu)建基于激光掃描儀的繩索跟蹤系統(tǒng)，ELS。 這些系統(tǒng)在短距離內(nèi)工作，并給予本地相對(duì)位置機(jī)器和對(duì)象。 [17]使用 LRF 進(jìn)行測(cè)量任務(wù)。
1.3 概述和貢獻(xiàn)
我們的系統(tǒng)由三個(gè)主要過程組成：1）LRF 的數(shù)據(jù)采集，2）位置估計(jì)過程和 3）結(jié)果的可視化。 它首先從 a 收集 2D LRF 數(shù)據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí); 然后同時(shí)估計(jì)樁位置最后的建筑地圖可視化與設(shè)計(jì)的一起，協(xié)助工人決定樁作業(yè)。
數(shù)據(jù)采集后，我們的挑戰(zhàn)是實(shí)時(shí)位置估計(jì)的難度
從范圍掃描的移動(dòng)。 為了超越，定位過程包括兩個(gè)主要子步驟：1）基于圓模型聚類的目標(biāo)檢測(cè);2）使用最大似然估計(jì)（MLE）的中心位置細(xì)化。
以傳統(tǒng)的定位方式，我們系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)是：1）我們采用傳統(tǒng)工具提前進(jìn)行調(diào) 查，時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)采用高精度 LRF; 2）我們提出快速檢測(cè)算法用于從距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的樁定位; 3）我們的系統(tǒng)同時(shí)跟蹤和導(dǎo)航打樁機(jī)提供了更高效，更安全，更便宜和更簡(jiǎn)單的打樁任務(wù)的方式。
本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第 2 節(jié)介紹了系統(tǒng)配置第 3 節(jié)中位置估計(jì)的詳細(xì)算法。第 4
節(jié)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果在模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)，其次是第 5 節(jié)的結(jié)論。
2 LRF 感應(yīng)系統(tǒng)的配置
我們首先使用 LRF 設(shè)計(jì)一種高精度定位樁的傳感系統(tǒng)為此，我們?cè)谏疃确较蛏喜捎昧烁呔鹊?UMT-30LX LRF [18]表 1）水平掃描施工場(chǎng)地的特定區(qū)域。不過我們挑戰(zhàn)在于，由于范圍掃描的稀疏性，準(zhǔn)確性難以實(shí)現(xiàn)。如如圖 1 所示。1（c），原始掃描線（從左到右以粗體顯示紅色箭頭）太稀疏，只有一點(diǎn)可以在達(dá)到圓柱體時(shí)返回。這
種稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)難以用于準(zhǔn)確的位置估計(jì)。使用激光測(cè)距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)。
為了克服這個(gè)問題，我們建議將 UMT-30LX LRF 安裝到一個(gè)平臺(tái)上密集掃描[17]。
如圖所示。如圖 1（b）所示，我們將 LRF 安裝在 SPU-01 平底鍋上單元[19]，其可以驅(qū)動(dòng) LRF 以非常小的角度旋轉(zhuǎn)（例如，0,015 度這種情況）LRF 的后續(xù)掃描。因此，可以通過組合獲得密點(diǎn)在單位盤的不同旋轉(zhuǎn)角度捕獲的掃描。如圖所示。如圖 1（c）所示，所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以被視為每個(gè) 0.015 度采樣，其中與 0.25 中的原始掃描比密度大大提高（最多 17 倍）度。該系統(tǒng)工作在 2Hz 至 40Hz 之間的數(shù)據(jù)采集率。該打樁機(jī)的工作速度在 0-2×103mm/s 之間。在最后階段的速度的打樁程序，特別需要高定位精度 0-50mm /秒。對(duì)于這種慢動(dòng)作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率滿足對(duì)于打樁機(jī)輔助應(yīng)用的實(shí)時(shí)要求。
3 樁位檢測(cè)
鑒于上述傳感系統(tǒng)捕獲的密點(diǎn)數(shù)據(jù)，我們的下一個(gè)任務(wù)是如何精確有效地跟蹤樁位置。這種位置估計(jì)方法包括兩個(gè)主要步驟：1）樁位檢測(cè)，2）中心細(xì)化。前者通過投票算法快速和粗略地檢測(cè)范圍掃描中的圓形模型。該稍后通過使用 MLE 算法的細(xì)化來準(zhǔn)確地估計(jì)圓心。我們分別描述以下小節(jié)中的這兩個(gè)主要步驟。
3.1 樁檢測(cè)
由于樁總是垂直于地面并被水平的 LRF 掃描，掃描平面的交點(diǎn)始終是一個(gè)圓。 我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)圓模型聚類算法用于快速但粗略地檢測(cè)樁位置（參見算法 1）。由于參考目標(biāo)是樁，從 LRF 的角度來看，樁是凸的，這意味著物體的中心不應(yīng)該被觀察的。
3.2 精確位置估計(jì)精度
由于 Algorithm1 只提供樁邊界點(diǎn)的提案集，我們需要根據(jù)這些建議準(zhǔn)確估算樁位。 所以下一個(gè)任務(wù)可以被視為：給定邊界點(diǎn) A = {x i，y i} K 的建議 1 和一個(gè)圓圈模（x-a）2 +（y-b）2 = r 2，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地估計(jì)參數(shù) a 和 b。為此，一個(gè)常見但有效的選擇是使用最大似然估計(jì)（MLE）算法，估計(jì)可以最大化可能性的參數(shù)每個(gè)提 案。
在我們的系統(tǒng)中，應(yīng)該估計(jì)的參數(shù)只有 a 和 b，因?yàn)榘霃降膮⒖寄繕?biāo)是提前給出的。 然而，在這種情況下，MLE 變成了非線性問題。為了解決這個(gè)非線性方程，我們應(yīng)用了 Newton-Raphson 方法，因?yàn)樗绕渌麧u變方法具有更快的收斂性，如共軛梯度或 Levenberg-Marquardt，如果其初始值接近 a 和 b 的真值[17]。 這里我們使用從前一個(gè)檢測(cè)到的中心位置檢測(cè)結(jié)果作為 Newton-Raphson 方法的初始值。
值得一提的是進(jìn)一步推進(jìn)兩個(gè)簡(jiǎn)單的前處理在我們的方法中：1）假設(shè)背景場(chǎng)景是靜態(tài)的，移動(dòng)的數(shù)據(jù)部分是使用背景減法算法提取為前景對(duì)象，然后 2）所有的前景數(shù)據(jù)點(diǎn)都使用區(qū)域驗(yàn)證方法進(jìn)行聚類。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證我們提出的圓檢測(cè)和擬合算法，我們首先用 sim 仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)之前，我們進(jìn)行一次對(duì)室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇驑稒C(jī)進(jìn)行了測(cè)試，提出了定位系統(tǒng)。最后，在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行戶外實(shí)驗(yàn)。
4.1 仿真實(shí)驗(yàn)
在這種模擬中，我們模擬和設(shè)計(jì)了前面的實(shí)驗(yàn)施工現(xiàn)場(chǎng)[20]通過結(jié)合圓和線。我們假定，對(duì)于圓柱形參考目標(biāo)，還有其他對(duì)象的橫截面
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