沖孔打樁機的自動控制系統(tǒng)設(shè)計
摘要:為了提高建筑施工的工作效率,節(jié)約生產(chǎn)成本,從沖孔打樁機的工作原理出發(fā),采用低功耗的S3C2440作為微控制器,利用直流電機作為執(zhí)行機構(gòu),設(shè)計了一種沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)的實現(xiàn)上,從機械改裝設(shè)計、硬件原理以及軟件實現(xiàn)等方面對系統(tǒng)進行設(shè)計,最終實現(xiàn)沖孔樁機自動打樁的功能。
關(guān)鍵詞:沖孔打樁機;S3C2440;直流電機;自動控制
0 引言
沖孔打樁機主要由樁錘、支架、卷揚機以及其他輔助設(shè)備組成,其工作原理是利用沖孔打樁機的卷揚機構(gòu),將電動機輸出動力的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運動,通過鋼絲繩來帶動樁錘的提升,并在一定高度時使樁錘自由下落,利用樁錘的沖擊作用沖擠土層或破碎巖石,同時鉆渣隨泥漿(或用取渣桶)排出,最后在地基土中形成樁孔。施工人員在樁孔內(nèi)放置鋼筋籠,灌注混凝土而制成樁。
目前,沖孔打樁機的打樁作業(yè)均由人工手動機械式操縱來完成。操作人員在工作過程中需要頻繁對離合裝置、剎車裝置等控制部件進行操縱,勞動強度很大。隨著微電子技術(shù)和自動控制理論的發(fā)展,將自動控制技術(shù)應(yīng)用于沖孔打樁機,實現(xiàn)打樁的全自動化或半自動化,使操作人員從繁瑣重復(fù)的體力勞動中解放出來成為可能。
本文通過對沖孔打樁機原有手動控制系統(tǒng)的機械改裝,并利用微控制器以及其他輔助元器件設(shè)計了一種沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)。
1 沖孔打樁機控制系統(tǒng)的機械設(shè)計
1.1 離合和剎車控制系統(tǒng)的機械設(shè)計
沖孔打樁機原有手動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)主要包括離合操縱桿和剎車操縱桿。離合操縱桿閉合(簡稱“緊離合”),樁錘將會被提升;剎車操縱桿閉合(簡稱“緊剎車”),樁錘將會停止運動。在打樁機工作過程中,要避免離合操縱桿和剎車操縱桿同時閉合。該系統(tǒng)的執(zhí)行裝置可采用氣動方式、液壓方式和電機控制三種方式,為了方便起見,選擇采用電機控制方式。
電機選用直流電機,直流電機響應(yīng)速度快,力矩大,并且體積小。改裝時,將固定塊和電機導(dǎo)軌固定在打樁機的底座上,電機旋轉(zhuǎn)帶動絲杠沿導(dǎo)軌運行。在原有人工作業(yè)方式下運行時,即手動模式下,控制桿收到遠離剎車桿的位置,不影響人員操作。采用直流電機作為執(zhí)行機構(gòu)對剎車離合控制桿進行控制,微處理器根據(jù)位置傳感器傳回來的位置信息,對直流電機進行旋轉(zhuǎn)控制,電機轉(zhuǎn)動絲杠,帶動控制桿運動,從而實現(xiàn)剎車與離合的自動控制。
1.2 傳感器的安裝
沖孔打樁機原有樁錘提升的高度需要操作人員目測,在自動打樁控制系統(tǒng)中,使用2個霍爾器件為高度傳感器,一個檢測鋼絲繩長度,另一個檢測系統(tǒng)是否出現(xiàn)因卡錘故障引起的樁架提升。在卷揚機卷軸上按照一定的間隔,安裝該設(shè)計系統(tǒng)用到的若干個磁鐵,在樁架上靠近卷軸的位置處,安裝檢測鋼絲繩長度的霍爾傳感器;在樁架上安裝檢測卡錘故障的霍爾傳感器。
1.3 電機保護器件的安裝
設(shè)計系統(tǒng)的卷揚機采用45 kW的三相異步電機,在電機的三相電中,使用其中兩相對電機進行過流保護和繼電保護,一相安裝電流互感器,對電機的電流進行檢測;另一相安裝控制電機開關(guān)的繼電器對電機的通斷進行控制。
2 沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案與技術(shù)指標(biāo)
2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
本文設(shè)計的原理框圖如圖2所示。
沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)工作時,施工人員首先對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定,微控制器根據(jù)設(shè)定的信息控制直流電機的運動,從而帶動離合和剎車控制桿達到控制離合和剎車的目的。為了保證剎車和離合控制桿的精確運動,使用位置傳感器對控制桿運動的位置進行反饋監(jiān)控。同時,為了方便操作人員的監(jiān)控,微控制器將打樁作業(yè)的相關(guān)參數(shù)通過液晶屏顯示出來。
2.2 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)
(1)提升高度:0.30~3.5m;
(2)提升精度:0.02 m;
(3)剎車時間、離合時間精度:0.01s。
3 沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
根據(jù)沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)原理圖,設(shè)計硬件電路,如圖3所示。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計遵循模塊化的設(shè)計方法,主要包括控制器模塊、電源模塊、剎車控制模塊、離合控制模塊、電機控制模塊、人機接口模塊及其他保護電路等。
(1)控制器模塊。系統(tǒng)的微控制器采用擁有低功耗模式的S3C2440,它是Samsung公司以ARM為架構(gòu)推出的ARM920T的微處理器核心,擁有16 KB的資料快取和16 KB的指令快取、MCU快取,它有固定的32 b運算碼寬度,能降低編碼數(shù)量所產(chǎn)生的消耗,可以減輕解碼和管線化的負(fù)擔(dān),大多均為一個時間周期執(zhí)行,有強大的索引定址模式,它精簡且快速的2-priori-ty-le Vel中斷子系統(tǒng),具有可切換的暫存器組,它支持ARM處理器16-bit(Thumb)指令模式。工作頻率為499 MHz,最高工作頻率可達533 MHz。
(2)電源模塊。在設(shè)計系統(tǒng)中有多種電壓,電源電壓分為直流1.8 V,3.3 V,5 V,和交流220 V幾種。其中1.8 V用于微控制器的內(nèi)核供電;3.3 V用于微控制器的外設(shè)I/O口線供電;5 V用于其他大部分芯片供電;24 V為外圍接口電路供電;交流220 V用于AC—DC(220 V轉(zhuǎn)24 V)供電。電源電路主要經(jīng)過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓和電容濾波。主要電路如圖4和圖5所示。
圖中R為0 Ω,C1為25 V 100μF的電解電容,C2為104獨石電容,C3,C4為CBB電容,C5為50 V470μF的電解電容,Z為防雷管,F(xiàn)為保險,L1和L2組成共模扼流圈,L3,L4為差模電感。
(3)剎車控制系統(tǒng)模塊。剎車、離合電機的控制歸根到底都是對電機的控制,由于需要控制電機的通斷,所以控制也只需要簡單的繼電器控制,故采用普通I/O口和功率晶體管即可,如圖6所示,F(xiàn)為保險,Z為防雷管,Q為晶體管BCP56。
(4)離合控制系統(tǒng)模塊。離合控制的設(shè)計方案和剎車控制的設(shè)計方案相似。
(5)卡錘檢測模塊。在打樁機工作過程中,要實時采集打樁機的高度和速度信號,以便對樁機進行控制。本設(shè)計中采用霍爾傳感器對高度進行測量,在打樁機運行過程中,工作環(huán)境復(fù)雜多變,有時會造成卡錘和吸錘等故障,此時及時檢測此類信號,并反饋給微控制器,以便及時調(diào)整控制策略,提高打樁機的工作效率。
(6)電機保護電路的設(shè)計。系統(tǒng)采用45 kW的三相異步電機,它是提錘升降的動力來源。電機保護電路的設(shè)計對于整個系統(tǒng)來說非常重要。電機保護電路的設(shè)計主要包括2個方面:
一是電機的過流保護,電機在起錘和突然啟動時會產(chǎn)生大的電流,在本設(shè)計系統(tǒng)中,采用電流互感器來檢測起錘的電流信號,以及實現(xiàn)對電機的過電流保護;
二是電機的繼電保護,采用繼電器來控制電機的電源開關(guān),以便在緊急情況下對電機和整個系統(tǒng)進行保護。
(7)人機接口模塊。根據(jù)用戶需求,設(shè)計各個功能按鍵,并通過液晶顯示屏,將打樁機的工作狀態(tài)實時顯示給用戶,方便用戶了解打樁機的工作狀態(tài)。常用的液晶顯示模塊主要分為圖形顯示和點陣顯示。本設(shè)計采用點陣液晶顯示模塊JRM 19264A。它主要采用動態(tài)驅(qū)動原理——控制器和段驅(qū)動使192(列)×64(線)全點陣液晶顯示器。
由于從單片機并行端口輸出的控制信號驅(qū)動能力比較低,顯示模塊需要增加驅(qū)動芯片放大信號,提高帶載能力,使JRM 19264A正常工作。驅(qū)動芯片采用74LS245芯片。
4 沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
根據(jù)沖孔打樁機的實際工作過程,設(shè)計該自動控制系統(tǒng)的軟件,本設(shè)計的沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)在開機初始化后,由施工人員對本自動控制系統(tǒng)的相關(guān)控制參數(shù)進行設(shè)置,之后便進入自動控制打樁過程:首先系統(tǒng)檢測到起錘信號后,程序進入中斷,開始“緊離合”動作,拉動樁錘上升,達到一定高度后,執(zhí)行“松離合”動作,使樁錘自由落體實施沖擊打樁,到達孔底時,執(zhí)行“點剎車”動作,延時一段時間之后,再執(zhí)行“緊離合”動作,拉動樁錘上升,完成一個周期的打樁過程,自動打樁工作的完成就是這樣循環(huán)往復(fù)進行的。在軟件中,每個周期之后的余繩長度及提錘高度是不同的,利用余繩控制算法對鋼絲繩的收放線進行控制,由于需要剎車離合控制的高速響應(yīng),因此剎車和離合的控制均在控制器的中斷中完成。軟件主流程圖如圖7所示。
5 結(jié)語
沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)的研究對于加快社會建設(shè)有著非常重要的意義,它降低了施工人員的工作強度,提高了施工的工作效率,依靠微控制器來控制施工比依靠人的經(jīng)驗顯然更加有效,在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上,不僅減少了生產(chǎn)事故的發(fā)生,而且滿足了現(xiàn)在人們對建筑施工質(zhì)量越來越高的要求。