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”)，樁錘將會被提升；剎車操縱桿閉合(簡稱“緊剎車”)，樁錘將會停止運(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。