强夯机自动作业的控制系统和方法、及强夯机技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，尤其是一种强夯机自动作业的控制
系统和方法、及强夯机。
背景技术
目前在基础设施的地基处理领域，强夯机的应用越来越普遍。强夯
机的施工过程中，施工工艺要求对同一点反复夯击，要求频繁作业、高
满载和突然卸载。作业性能的好坏和施工能力的高低，直接影响着强夯
工程的进度、安全、效益。
现有的强夯机采用人工操作，即，人工将夯锤提升到一定的高度进
行重复夯击。因此，在施工过程中，全凭操作者的经验进行操作，需要
保持高度的警觉。这种人工操作的方式重复、单调、容易疲劳，不但操
作效率、精度低，而且劳动强度大。另外，每次的夯击作业质量也需要
人工测量，而且为保证作业质量，需要监理监督。
发明内容
本发明实施例的一个目的是实现强夯机的自动作业。
根据本发明的一方面，提供一种强夯机自动作业的控制系统，包括：
压力传感器，用于在卷扬马达提升夯锤的过程中，实时采集卷扬马达压
力，并传输给控制器；卷扬编码器，用于将卷扬编码器的实时读数传输
给控制器；控制器，用于在卷扬马达压力大于预设压力时，记录卷扬编
码器的初始读数；根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关系自动控
制卷扬马达停止提升夯锤，所述卷扬编码器的读数的变化反应夯锤提升
的高度。
在一个实施例中，所述控制器，在根据卷扬编码器的实时读数与初
始读数的关系控制卷扬马达停止提升夯锤时，具体用于：判断实时读数
与第一次提升夯锤时记录的初始读数的差值是否为预设值，如果为预设
值，控制卷扬马达停止提升夯锤。
在一个实施例中，所述控制器，在根据卷扬编码器的实时读数与初
始读数的关系控制卷扬马达停止提升夯锤时，具体用于：判断实时读数
与本次提升夯锤时记录的初始读数的差值是否为预设值，如果为预设值，
控制卷扬马达停止提升夯锤。
在一个实施例中，所述控制器，还用于在夯锤落地后，判断夯实度
是否满足要求；如果夯实度不满足要求，则控制卷扬马达再次提升夯锤。
在一个实施例中，所述系统还包括：无线加速度传感器，用于根据
采集的夯锤的加速度得到夯实度，并传输给所述控制器。
在一个实施例中，所述控制器，还用于在夯锤下落的过程中，判断
夯锤下落的时间是否达到预设时间并且判断卷扬编码器的读数是否达到
预设读数；在夯锤下落的时间达到预设时间并且卷扬编码器的读数达到
预设读数时，控制卷扬制动。
根据本发明的另一方面，提供一种强夯机，包括上述任一实施例所
述的强夯机作业的控制系统。
根据本发明的又一方面，提供一种强夯机自动作业的控制方法，包
括：接收在卷扬马达提升夯锤的过程中采集的卷扬马达压力；在卷扬马
达压力大于预设压力时，记录卷扬编码器的初始读数；根据卷扬编码器
的实时读数与初始读数的关系自动控制卷扬马达停止提升夯锤，所述卷
扬编码器的读数的变化反应夯锤提升的高度。
在一个实施例中，所述根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关
系控制卷扬马达停止提升夯锤包括：判断实时读数与第一次提升夯锤时
记录的初始读数的差值是否为预设值，如果为预设值，控制卷扬马达停
止提升夯锤。
在一个实施例中，所述根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关
系控制卷扬马达停止提升夯锤包括：判断实时读数与本次提升夯锤时记
录的初始读数的差值是否为预设值，如果为预设值，控制卷扬马达停止
提升夯锤。
在一个实施例中，所述方法还包括：在夯锤落地后，判断夯实度是
否满足要求；如果夯实度不满足要求，控制卷扬马达再次提升夯锤。
在一个实施例中，根据如下方法确定所述夯实度：通过无线加速度
传感器采集夯锤的加速度；根据夯锤的加速度的变化情况确定所述夯实
度。
在一个实施例中，所述方法还包括：在夯锤下落的过程中，判断夯
锤下落的时间是否达到预设时间并且判断卷扬编码器的读数是否达到预
设读数；在夯锤下落的时间达到预设时间并且卷扬编码器的读数达到预
设读数时，控制卷扬制动。
本发明实施例至少具有以下有益效果：
一方面，可以根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关系确定夯
锤提升的高度，并在该高度处自动控制卷扬马达停止提升夯锤，以便释
放夯锤进行夯击作业，精确快速地实现了强夯机的自动作业控制，提高
了作业效率和作业精度；
另一方面，可以通过自动测定夯实度来判定作业质量，节省了人力
资源；
又一方面，通过卷扬编码器的读数和时间两个标准来确定是否进行
卷扬制动，避免了夯锤落地时卷扬乱绳的问题。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将
对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见
地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技
术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
图1是本发明强夯机自动作业的控制系统一个实施例的结构示意图；
图2是定夯击高度起夯的示意图；
图3是定夯击势能起夯的示意图；
图4是本发明强夯机自动作业的控制系统另一个实施例的结构示意
图；
图5是本发明强夯机自动作业的控制方法一个实施例的流程示意图；
图6是本发明强夯机自动作业的控制方法另一个实施例的流程示意
图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案
进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实
施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本
发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相
对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺
寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详
细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说
明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是
示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具
有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，
一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行
进一步讨论。
首先对本发明中涉及到的技术术语进行解释。
定夯击势能：将夯锤提升固定垂直距离使其自由下落，给地基以
强烈的冲击力和振动，使地基土在新的状况下固结，降低地基土压缩
性，提高地基土承载能力。
定夯击高度：将夯锤提到指定水平高度后使其自由下落，给地基
以强烈的冲击力和振动，使地基土在新的状况下固结，降低地基土压
缩性，提高地基土承载能力。
无线加速度传感器：可以由电源模块、采集处理CPU模块、无
线收发模块组成，可以应用于加速度数据采集和监测，并可根据实际
需要通过CPU对加速度信号仅处理。使用简单方便，极大地节约了
测试中由于反复布设有线数据采集设备而消耗的人力和物力，
图1是本发明强夯机自动作业的控制系统一个实施例的结构示意图。
如图1所示，该系统包括：
压力传感器101，设置在卷扬马达上，用于在卷扬马达提升夯锤的
过程中，实时采集卷扬马达压力，并传输给控制器。
卷扬编码器102，设置在卷扬马达上，用于将卷扬编码器的实时读
数传输给控制器。
例如，可以采用绝对值编码器实时将卷扬马达所处的状态点的位置
信息对应的编码器读数传输给控制器。
控制器103，用于在卷扬马达压力大于预设压力时，记录卷扬编码
器的初始读数；根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关系自动控制
卷扬马达停止提升夯锤，以便在夯锤提升的高度处控制夯锤下落；其中，
卷扬编码器的读数的变化反应夯锤提升的高度。
具体地，在一次夯击作业中，夯锤落地稳锤后，卷扬马达提升夯锤，
卷扬马达压力F逐渐增大。当卷扬马达压力F大于预设压力f时，可以
认为钢丝绳拉紧，此时记录下编码器的初始读数Nn。需要指出的是，
可以在每次提升夯锤时，当卷扬马达压力F大于预设压力f时，都记录
下编码器的初始读数Nn。例如，第一次提升夯锤时可以将编码器的初
始读数N0，第二次提升夯锤时可以将编码器的初始读数N1，以此类推。
根据实际工况的需要可以选取夯锤自动释放的判定条件。由于卷扬
编码器的读数的变化可以反应夯锤提升的高度，因此，根据卷扬编码器
的实时读数与初始读数的关系，可以确定夯锤是否到达指定水平高度
(定夯击高度模式)，或者可以确定夯锤提升的距离是否到达固定垂直
距离(定夯击势能模式)，从而可以通过控制器自动控制卷扬马达停止
提升夯锤。
本实施例可以以根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关系确定
夯锤提升的高度，并在该高度处自动控制卷扬马达停止提升夯锤，以便
释放夯锤进行夯击作业，精确快速地实现了强夯机的自动作业控制，提
高了作业效率和作业精度。
控制器可以根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关系确定在定
夯击高度或定夯击势能两种模式下进行夯击作业。
在一个实施例中，定夯击高度模式下，控制器在根据卷扬编码器的
实时读数与初始读数的关系控制卷扬马达停止提升夯锤时，具体用于：
判断实时读数与第一次提升夯锤时记录的初始读数的差值是否为预设值，
如果为预设值，控制卷扬马达停止提升夯锤。
在另一个实施例中，定夯击势能模式下，控制器在根据卷扬编码器
的实时读数与初始读数的关系控制卷扬马达停止提升夯锤时，具体用于：
判断实时读数与本次提升夯锤时记录的初始读数的差值是否为预设值，
如果为预设值，控制卷扬马达停止提升夯锤。
下面结合图2和图3分别对上述两个实施例的定夯击高度和定夯击
势能两种作业模式进行说明。假设卷扬编码器提升夯锤高度H，对应卷
扬编码器的读数变化为N，上述预设值和预设值均可以设置为H。
图2是定夯击高度起夯的示意图。如图2所示，采用定夯击高度自
动释放，当卷扬编码器的实时读数与第一次提升夯锤记录的初始读数
N0的差值为N时，表示夯锤提升到绝对水平高度H处，此时卷扬编码
器的实时读数为N+N0，控制器控制卷扬停止提升夯锤，并进行T时间
稳锤。
图3是定夯击势能起夯的示意图。如图3所示，采用定夯击势能自
动释放，当卷扬编码器的实时读数与本次提升夯锤记录的初始读数Nn
的差值为N时，表示夯锤提升的固定垂直距离为H，此时卷扬编码器的
读数为N+Nn，控制器控制卷扬停止提升夯锤，并进行T时间稳锤。
在实际应用中，定夯击高度适应于夯击地基硬度大，相邻两次夯锤
落距差相差不大的工况。而定势能夯击适应范围更广，满足夯能要求更
精准。可以选取不同的作业模式，使得控制器可以根据卷扬编码器的实
时读数来控制卷扬停止提升夯锤，然后进行夯锤的释放。
在本发明强夯机自动作业的控制系统的另一个实施例中，控制器
103，还用于在夯锤落地后，判断夯实度是否满足要求；如果夯实度不
满足要求，则控制卷扬马达再次提升夯锤。
具体地，控制器控制卷扬停止提升夯锤后，可以通过控制电磁阀组
先打开离合器，设定一定延时后打开制动器自动放锤。夯锤落地后，判
断夯实度是否满足要求；如果夯实度不满足要求，则通过控制电磁阀组
控制卷扬马达再次提升夯锤，重复夯击作业过程；如果夯实度满足要求，
则可以结束夯击作业。
在又一个实施例中，参见图4，强夯机自动作业的控制系统还可以
包括：无线加速度传感器104，用于根据采集的夯锤的加速度的变化情
况得到夯实度，并传输给控制器。
具体地，无线加速度传感器采集夯锤的加速度，并可以通过内部
CPU对加速度信号进行处理得到夯实度。该处理可以是利用夯实度与
夯击作用时间的反比关系式，根据夯锤的夯击作用时间计算出土体的夯
实度。
夯击作用时间可以根据加速度的变化情况得到，下面列举两种得
到夯击作用时间的方式。
一种方式下，在单次夯击过程中，当夯锤的加速度首次等于设定的
加速度阈值时，CPU触发一个定时器开始计时，当夯锤的加速度再次
等于设定的加速度阈值时，定时器停止计时，此时的计时时间即为夯锤
的夯击作用时间。
另一种方式下，为了得到更精确的夯击作用时间，在单次夯击过程
中，当夯锤的加速度首次等于设定的加速度阈值时，CPU触发一个定
时器开始计时，并同时触发一个计数器开始测定采样数目，当夯锤的加
速度再次等于该设定的加速度阈值时，定时器和计数器同时停止工作，
此时定时器的计时时间可以表示为ΔT0，计数器的计数为n，则夯锤
的夯击作用时间可以表示为ΔT＝αΔT0+(1-α)nΔt，其中△t为无线加速度
传感器的采样周期，α可以取0.5。
作为一个优选实施例，控制器103，还用于在夯锤下落的过程中，
判断夯锤下落的时间是否达到预设时间并且判断卷扬编码器的读数是否
达到预设读数；在夯锤下落的时间达到预设时间并且卷扬编码器的读数
达到预设读数时，控制卷扬制动。
其中，预设时间(也称快放时间)可以根据不同夯能的车辆在出厂
前，在试验现场通过逐渐减小t的方式，确定达到良好的不乱绳的状态
时的快放时间t；另外，为了保护快放的合理性，可以给卷扬编码器设
定一个预设读数n，预设读数n例如可以设置在控制器的程序中。
本实施例中，通过双重验证，即当同时满足预设时间t和编码器的
预设读数n时，控制器才通过控制电磁阀组先关闭制动器，延时后关闭
离合器，以实现卷扬制动，在保证安全的前提下避免了夯锤落地乱绳的
问题。
本发明实施例提供的强夯机作业的控制系统可以应用在强夯机上。
本发明强夯机的一个实施例中，可以包括上述任一实施例的强夯机
作业的控制系统。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说
明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分
相互参见即可。对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本对应，
所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
图5是本发明强夯机自动作业的控制方法一个实施例的流程示意图。
如图5所示，该方法包括如下步骤：
步骤502，接收在卷扬马达提升夯锤的过程中采集的卷扬马达压力；
步骤504，在卷扬马达压力大于预设压力时，记录卷扬编码器的初
始读数；
步骤506，根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关系自动控制
卷扬马达停止提升夯锤，以便在夯锤提升的高度处控制夯锤下落；其中，
卷扬编码器的读数的变化反应夯锤提升的高度。
本实施例可以根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关系确定夯
锤提升的高度，并在该高度处自动控制卷扬马达停止提升夯锤，以便释
放夯锤进行夯击作业，精确快速地实现了强夯机的自动作业控制，提高
了作业效率和作业精度。
在一个具体实施例中，图5所示的步骤506可以通过以下方式来实
现：判断实时读数与第一次提升夯锤时记录的初始读数的差值是否为预
设值，如果为预设值，控制卷扬马达停止提升夯锤。该实施例对应定夯
击高度作业模式。
在一个具体实施例中，图5所示的步骤506可以通过以下方式来实
现：判断实时读数与本次提升夯锤时记录的初始读数的差值是否为预设
值，如果为预设值，控制卷扬马达停止提升夯锤。该实施例对应定夯击
势能作业模式。
上述两个实施例的具体实现过程可以参见上面的描述，在此就不再
详细说明了。
在本发明强夯机自动作业的控制方法的又一个实施例中，还可以包
括：在夯锤落地后，判断夯实度是否满足要求；如果夯实度不满足要求，
控制卷扬马达再次提升夯锤。
作为确定夯实度的一个非限制性示例，可以通过无线加速度传感器
采集夯锤的加速度；根据夯锤的加速度的变化情况确定夯实度。具体的
确定过程可以参见上面的描述，在此不再赘述。
为了避免夯锤落地时的卷扬乱绳，在本发明强夯机自动作业的控制
方法的再一个实施例中，还可以包括：在夯锤下落的过程中，判断夯锤
下落的时间是否达到预设时间并且判断卷扬编码器的读数是否达到预设
读数；在夯锤下落的时间达到预设时间并且卷扬编码器的读数达到预设
读数时，控制卷扬制动。
图6是本发明强夯机自动作业的控制方法另一个实施例的流程示意
图。如图6所示，强夯机到达新的夯击点夯锤落地稳锤后，自动夯击作
业开始。
步骤S1，夯锤落地稳锤后，判断夯实度是否满足要求(其中，首
次判断时可以将夯实度设定为不满足夯实度要求的初始值)；否(N)，
执行步骤S2；
步骤S2，控制卷扬马达提升夯锤，并采集卷扬马达压力F，F的值
随着夯锤的提升会逐渐增大；
步骤S3，判断卷扬马达压力F是否大于预设压力f；是，可以认为
钢丝绳拉紧，执行步骤S4；
步骤S4，记录卷扬编码器的初始读数Nn；
步骤S5，根据用户的选择执行定夯击高度作业模式或定夯击势能
作业模式；
步骤S6，如果执行定夯击高度作业模式，则在卷扬编码器实时读
数为N+N0时，执行步骤S7；如果执行定夯击势能作业模式，则在卷扬
编码器实时读数为N+Nn时，执行步骤S7；
步骤S7，控制卷扬马达自动停止提升夯锤；
步骤S8，稳锤T时间；
步骤S9，控制夯锤下落；
步骤S10，判断卷扬编码器的读数是否达到预设读数，并判断夯锤
的下落时间是否满足预设时间；是，执行步骤S11；
步骤S11，控制卷扬制动；返回执行步骤S1。
本实施例一方面，可以根据卷扬编码器的实时读数与初始读数的关
系确定夯锤提升的高度，并在该高度处自动控制卷扬马达停止提升夯锤，
以便释放夯锤进行夯击作业，精确快速地实现了强夯机的自动作业控制，
节省了人力资源，提高了作业效率和作业精度；并且，可以根据用户的
选择执行定夯击高度作业模式或定夯击势能作业模式；另一方面，通过
卷扬编码器的读数和时间两个标准来确定是否进行卷扬制动，避免了夯
锤落地时卷扬乱绳的问题。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分
步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计
算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的
步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可
以存储程序代码的介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的
或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技
术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理
和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适
于特定用途的带有各种修改的各种实施例。