[发明专利]一种制备可控空间变异性土样的方法

权利要求书

1.一种制备可控空间变异性土样的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)土样的三维坐标控制；在土体的三维坐标控制上，采用STM32芯片、42步进电机和丝杆方式进行三维坐标的运动控制；

(2)土样的进料控制；采用STM32芯片、螺旋进料器和闭环步进电机进行土料和水料的进料量控制；

(3)土样的搅拌控制；采用STM32芯片、闭环步进电机和搅拌器配置不同土水混合比的土样；

(4)土样的出料控制；采用STM32芯片、减速器和圆锥螺旋进料器控制土样的出料量；

(5)土样的软件界面；采用MFC和Opengl实现土样模型的参数输入，进而自动生成三维空间变异性土样模型，并进行模型自动三维切片，生成可供控制芯片和电机读取的Gcode文件；最终制备得到可控空间变异性土样；

其中，步骤(1)中土样打印机的三维控制框架外壳采用铝合金工字型支撑；其中，竖向滑台模块控制打印装置的竖向运动；水平滑台模块控制打印装置的水平运动；在竖向滑台和水平滑台交接处采用电动分度盘模块，功能是对水平滑台进行旋转，从而控制打印喷口的旋转运动；

电动分度盘的旋转运动和竖向滑台的竖向运动、水平滑台的水平运动协调工作，共同打印目标土样；上位机在对目标土样进行切片后，获取每个打印单元的土样三维坐标值和含水率，并将其生成执行机构可识别的gcode文件格式；控制芯片根据gcode文件信息，以及步进电机的S型算法，输出相应的PWM控制信号，控制竖向滑台、水平滑台和电动分度盘的步进电机进行协调统一工作，打印目标坐标位置和含水率的单元土样；

步骤(2)土样的进料控制采用STM32、螺旋进料器和闭环步进电机统一控制；其中，STM32控制芯片根据上位机设置的单元土样三维坐标和土样含水率进行输出相应目标土样的干土料和水料的配比信号；螺旋进料器的进给电机在收到信号后控制干土料的进料；霍尔传感器和电磁阀控制水料的进给；

步骤(3)中在干土料和水料按照预定目标进入搅拌装置后，闭环步进电机根据STM32芯片传输的控制信号，带动搅拌仓进行相关转速的旋转，使得搅拌仓内的干土料和水料进行混合，并满足目标含水率；

步骤(4)中当干土料和水料搅拌完毕后，在增气装置的带动下，进入出料前置仓，出料前置仓为土样出料前的临时储备装置；此时，减速器带动圆锥型变螺距螺旋进料器进行转动，并将出料前置仓的土样打印至目标三维坐标处；

步骤(5)中土样打印装置的软件界面主要包括：土样信息输入、土样生成、土样切片、土样Gcode文件生成以及土样显示窗口；

其中，信息输入主要是用户根据自身的目标土样的参数性质，在软件中输入土样参数信息；土样的参数信息输入包括：土样的几何信息，选自长方体土样为：长、宽、高，或者圆柱体土样为：直径和高，土样的随机场参数，选自土样的含水率、水平波动范围、竖向波动范围、标准差、均值；

土样生成是根据土样的参数信息输入，生成对应的土样模型，并在土样显示窗口显示出来；生成的效果是三维土样模型，同时在模型表面为不同含水率对应的色磅，土样模型可透明显示，进而展示内部土样的含水率对应的色磅；

土样切片是根据打印土样的单元尺寸，采用等距切片算法对土样模型进行切片，获取每个切片面与土样模型重合面对应的土样的三维坐标、含水率信息，并整合到数据文件中；

土样Gcode文件生成主要是将土样切片得到的数据文件进行转换，变为可供执行机构识别的文件格式。