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
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
(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。