沖孔打樁機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)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(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，從機(jī)械改裝設(shè)計(jì)、硬件原理以及軟件實(shí)現(xiàn)等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)沖孔樁機(jī)自動(dòng)打樁的功能。
關(guān)鍵詞：沖孔打樁機(jī)；S3C2440；直流電機(jī)；自動(dòng)控制

0 引言
    沖孔打樁機(jī)主要由樁錘、支架、卷揚(yáng)機(jī)以及其他輔助設(shè)備組成，其工作原理是利用沖孔打樁機(jī)的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，通過鋼絲繩來帶動(dòng)樁錘的提升，并在一定高度時(shí)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(shí)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(jī)的打樁作業(yè)均由人工手動(dòng)機(jī)械式操縱來完成。操作人員在工作過程中需要頻繁對(duì)離合裝置、剎車裝置等控制部件進(jìn)行操縱，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。隨著微電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，將自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于沖孔打樁機(jī)，實(shí)現(xiàn)打樁的全自動(dòng)化或半自動(dòng)化，使操作人員從繁瑣重復(fù)的體力勞動(dòng)中解放出來成為可能。
    本文通過對(duì)沖孔打樁機(jī)原有手動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械改裝，并利用微控制器以及其他輔助元器件設(shè)計(jì)了一種沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 沖孔打樁機(jī)控制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)
1．1 離合和剎車控制系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)
    沖孔打樁機(jī)原有手動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)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(huì)被提升；剎車操縱桿閉合(簡稱“緊剎車”)，樁錘將會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。在打樁機(jī)工作過程中，要避免離合操縱桿和剎車操縱桿同時(shí)閉合。該系統(tǒng)的執(zhí)行裝置可采用氣動(dòng)方式、液壓方式和電機(jī)控制三種方式，為了方便起見，選擇采用電機(jī)控制方式。
    電機(jī)選用直流電機(jī)，直流電機(jī)響應(yīng)速度快，力矩大，并且體積小。改裝時(shí)，將固定塊和電機(jī)導(dǎo)軌固定在打樁機(jī)的底座上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠沿導(dǎo)軌運(yùn)行。在原有人工作業(yè)方式下運(yùn)行時(shí)，即手動(dòng)模式下，控制桿收到遠(yuǎn)離剎車桿的位置，不影響人員操作。采用直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)剎車離合控制桿進(jìn)行控制，微處理器根據(jù)位置傳感器傳回來的位置信息，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)控制桿運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)剎車與離合的自動(dòng)控制。
1．2 傳感器的安裝
    沖孔打樁機(jī)原有樁錘提升的高度需要操作人員目測，在自動(dòng)打樁控制系統(tǒng)中，使用2個(gè)霍爾器件為高度傳感器，一個(gè)檢測鋼絲繩長度，另一個(gè)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(yáng)機(jī)卷軸上按照一定的間隔，安裝該設(shè)計(jì)系統(tǒng)用到的若干個(gè)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(jī)保護(hù)器件的安裝
    設(shè)計(jì)系統(tǒng)的卷揚(yáng)機(jī)采用45 kW的三相異步電機(jī)，在電機(jī)的三相電中，使用其中兩相對(duì)電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)和繼電保護(hù)，一相安裝電流互感器，對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行檢測；另一相安裝控制電機(jī)開關(guān)的繼電器對(duì)電機(jī)的通斷進(jìn)行控制。

2 沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案與技術(shù)指標(biāo)
2．1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
    本文設(shè)計(jì)的原理框圖如圖2所示。

    沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，施工人員首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)離合和剎車控制桿達(dá)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(yùn)動(dòng)，使用位置傳感器對(duì)控制桿運(yùn)動(dòng)的位置進(jìn)行反饋監(jiān)控。同時(shí)，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(shí)間、離合時(shí)間精度：0．01s。

3 沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖，設(shè)計(jì)硬件電路，如圖3所示。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)遵循模塊化的設(shè)計(jì)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(jī)控制模塊、人機(jī)接口模塊及其他保護(hù)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(yùn)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(gè)時(shí)間周期執(zhí)行，有強(qiáng)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(dá)533 MHz。
    (2)電源模塊。在設(shè)計(jì)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(dú)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(xiǎn)，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(jī)的控制歸根到底都是對(duì)電機(jī)的控制，由于需要控制電機(jī)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(xiǎn)，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(jì)方案和剎車控制的設(shè)計(jì)方案相似。
    (5)卡錘檢測模塊。在打樁機(jī)工作過程中，要實(shí)時(shí)采集打樁機(jī)的高度和速度信號(hào)，以便對(duì)樁機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中采用霍爾傳感器對(duì)高度進(jìn)行測量，在打樁機(jī)運(yùn)行過程中，工作環(huán)境復(fù)雜多變，有時(shí)會(huì)造成卡錘和吸錘等故障，此時(shí)及時(shí)檢測此類信號(hào)，并反饋給微控制器，以便及時(shí)調(diào)整控制策略，提高打樁機(jī)的工作效率。
    (6)電機(jī)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用45 kW的三相異步電機(jī)，它是提錘升降的動(dòng)力來源。電機(jī)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說非常重要。電機(jī)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)方面：
    一是電機(jī)的過流保護(hù)，電機(jī)在起錘和突然啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的電流，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用電流互感器來檢測起錘的電流信號(hào)，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過電流保護(hù)；
    二是電機(jī)的繼電保護(hù)，采用繼電器來控制電機(jī)的電源開關(guān)，以便在緊急情況下對(duì)電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。
    (7)人機(jī)接口模塊。根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)各個(gè)功能按鍵，并通過液晶顯示屏，將打樁機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示給用戶，方便用戶了解打樁機(jī)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(diǎn)陣顯示。本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)陣液晶顯示模塊JRM 19264A。它主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理——控制器和段驅(qū)動(dòng)使192(列)×64(線)全點(diǎn)陣液晶顯示器。
    由于從單片機(jī)并行端口輸出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力比較低，顯示模塊需要增加驅(qū)動(dòng)芯片放大信號(hào)，提高帶載能力，使JRM 19264A正常工作。驅(qū)動(dòng)芯片采用74LS245芯片。

4 沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)沖孔打樁機(jī)的實(shí)際工作過程，設(shè)計(jì)該自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件，本設(shè)計(jì)的沖孔打樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在開機(jī)初始化后，由施工人員對(duì)本自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，之后便進(jìn)入自動(dòng)控制打樁過程：首先系統(tǒng)檢測到起錘信號(hào)后，程序進(jìn)入中斷，開始“緊離合”動(dòng)作，拉動(dòng)樁錘上升，達(dá)到一定高度后，執(zhí)行“松離合”動(dòng)作，使樁錘自由落體實(shí)施沖擊打樁，到達(dá)孔底時(shí)，執(zhí)行“點(diǎn)剎車”動(dòng)作，延時(shí)一段時(shí)間之后，再執(zhí)行“緊離合”動(dòng)作，拉動(dòng)樁錘上升，完成一個(gè)周期的打樁過程，自動(dòng)打樁工作的完成就是這樣循環(huán)往復(fù)進(jìn)行的。在軟件中，每個(gè)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(duì)鋼絲繩的收放線進(jìn)行控制，由于需要?jiǎng)x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(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究對(duì)于加快社會(huì)建設(shè)有著非常重要的意義，它降低了施工人員的工作強(qiáng)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(yàn)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(duì)建筑施工質(zhì)量越來越高的要求。