汪鵬，朱正斌，王震林,3，張嵐

1. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024

2. 哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 工業(yè)和信息化部 產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心，北京 100846

隨著我國(guó)陸地石油資源的日益減少，開采豐富的海上石油是一種很好的解決辦法。伴隨著海底石油管道的日益增加，其事故率也逐年增加[1]。一旦發(fā)生事故，便會(huì)引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此需要在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)作業(yè)[2]。在海底管道的切割作業(yè)中，金剛石繩鋸具有廣泛的應(yīng)用[3]。金剛石繩鋸機(jī)最早應(yīng)用于礦山開采，經(jīng)過(guò)研究和改進(jìn)推廣到海底管道切割作業(yè)中[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)金剛石繩鋸機(jī)的水下應(yīng)用做了大量的研究，但對(duì)于切削過(guò)程的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)還相對(duì)較少，而且主要集中在控制方法上[5?6]。為了掌握金剛石繩鋸機(jī)切割海底管道的工作狀態(tài)，并能及時(shí)進(jìn)行切削參數(shù)的調(diào)整，設(shè)計(jì)了一種水下金剛石繩鋸機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在金剛石繩鋸機(jī)切割作業(yè)的研究基礎(chǔ)上，分析其影響切削效率和安全的關(guān)鍵參數(shù)，選擇合適的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。硬件采用基于ARM7TDMI?S核心的處理器LPC2214，配合外圍電路和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，及時(shí)可靠地顯示繩鋸機(jī)的關(guān)鍵切削參數(shù)，提高切削效率。

1 水下金剛石繩鋸機(jī)及監(jiān)測(cè)方案

如圖1所示，水下金剛石繩鋸機(jī)主要由切割裝置、進(jìn)給裝置、張緊裝置、夾緊裝置和導(dǎo)向裝置等組成。繩鋸機(jī)作業(yè)前，先調(diào)整張緊裝置使串珠繩保持一定張力；夾緊液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊裝置夾緊管道；切割裝置主動(dòng)輪提供動(dòng)力使串珠繩旋轉(zhuǎn)；在進(jìn)給裝置和導(dǎo)向裝置的作用下完成切削進(jìn)給。

圖1 繩鋸機(jī)整體結(jié)構(gòu)

金剛石繩鋸機(jī)在水下進(jìn)行海底管道切割作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)鋸切狀態(tài)及時(shí)調(diào)整切削參數(shù)，以保證切割作業(yè)順利完成[7]。因此，這需要多種傳感器及時(shí)反饋?zhàn)鳂I(yè)狀態(tài)。結(jié)合金剛石繩鋸機(jī)的切割過(guò)程，主要對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)：

1）串珠繩張緊力監(jiān)測(cè)

串珠繩的張緊力對(duì)切削效率和串珠使用壽命有重要的影響[8]。張緊力過(guò)大會(huì)加速串珠繩的疲勞磨損，容易導(dǎo)致斷繩；張緊力過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致串珠繩與導(dǎo)向輪打滑磨損，降低切削效率。

2）串珠繩位置監(jiān)測(cè)

繩鋸機(jī)工作過(guò)程中，串珠繩偶爾會(huì)出現(xiàn)卡繩現(xiàn)象。單靠張緊力監(jiān)測(cè)無(wú)法判斷串珠繩的狀態(tài)，需要位置監(jiān)測(cè)和張緊力監(jiān)測(cè)配合才能實(shí)時(shí)反饋串珠繩狀態(tài)。

3）進(jìn)給速度監(jiān)測(cè)

繩鋸機(jī)的進(jìn)給速度決定了其工作效率的高低。進(jìn)給速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致繩張緊力增大，引起斷繩；進(jìn)給速度過(guò)小會(huì)降低切削效率。因此，需要根據(jù)繩鋸機(jī)切割管道的深度，及時(shí)調(diào)整進(jìn)給速度。

4）切削速度監(jiān)測(cè)

切削速度是串珠繩相對(duì)海底管道的切向速度，對(duì)切削效率與串珠磨損有重要影響。在切削作業(yè)中，需要及時(shí)根據(jù)切削厚度和切削材質(zhì)來(lái)改變切削速度。

5）液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

水下金剛石繩鋸機(jī)的動(dòng)力由液壓系統(tǒng)提供，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，是保證切削作業(yè)的前提。因此，需要對(duì)主動(dòng)輪液壓馬達(dá)和進(jìn)給液壓馬達(dá)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 傳感器選擇與設(shè)計(jì)

2.1 張緊力傳感器設(shè)計(jì)

圖2為張緊力傳感器工作原理圖，其基本原理是電阻的應(yīng)變效應(yīng)。切割過(guò)程中，串珠繩壓力作用在導(dǎo)向輪上，使彈性軸按比例產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)彈性軸上應(yīng)變片將其轉(zhuǎn)化為電阻的變化。通過(guò)測(cè)量電路和放大電路，將數(shù)據(jù)采集到處理器。為防止進(jìn)水影響信號(hào)精度，采用密封膠圈和防水保護(hù)套對(duì)彈性軸進(jìn)行保護(hù)。

圖2 張緊力傳感器工作原理

機(jī)械應(yīng)變一般為 10?6~10?3，引起的電阻變化很?。s 10?4~10?1Ω）。采用直流電橋作為測(cè)量電路，把電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?。圖3為差動(dòng)直流電橋，一對(duì)橋臂接負(fù)載電阻，另一對(duì)接電流。電橋的輸出電壓為

圖3 四臂差動(dòng)直流電橋

2.2 串珠位置傳感器

如圖4所示，選擇美國(guó)PT8系列拉繩式傳感器。考慮水下工作環(huán)境，對(duì)其關(guān)鍵部分進(jìn)行密封改裝，增加防水膠圈并進(jìn)行測(cè)試，使其適合測(cè)量串珠繩位移。

圖4 PT8 拉繩位移傳感器

2.3 進(jìn)給速度傳感器

繩鋸機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)是通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)串珠繩的進(jìn)給，因此可通過(guò)測(cè)量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速間接測(cè)量進(jìn)給速度。如圖5所示，選用北京新宇航公司的JN338?A轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器可以測(cè)量正反轉(zhuǎn)速，通過(guò)密封改裝增加防水膠圈并進(jìn)行測(cè)試后，將其安裝在液壓馬達(dá)與負(fù)載之間，用以測(cè)量轉(zhuǎn)速。

圖5 JN338—A 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

2.4 壓力、流量傳感器

壓力傳感器將液壓壓力轉(zhuǎn)換為0~5 V電壓信號(hào)，其輸出電壓與壓力有一定的線性關(guān)系。流量傳感器基于力矩平衡原理測(cè)量流量，其成比例輸出0~5 V電壓信號(hào)。

繩鋸機(jī)工作時(shí)，張緊力傳感器將導(dǎo)向輪彈性軸的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，拉繩式傳感器測(cè)量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量進(jìn)給機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，壓力、流量傳感器測(cè)量液壓系統(tǒng)的壓力流量。各傳感器實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到CPU，傳輸線路均做防水處理。傳感器均傳輸電壓信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定后設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件和軟件。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖6所示，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。該嵌入式系統(tǒng)基于ARM7TDMI?S處理器，主要包含電源、微處理器芯片、存儲(chǔ)器和I/O接口。硬件的核心處理器為Philips LPC2214，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、調(diào)試和輸出；同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)LCD顯示和RS232通訊[9]。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

LPC2214的CPU復(fù)位引腳連續(xù)保持4個(gè)時(shí)鐘周期的低電平信號(hào)時(shí)，才能使其有效復(fù)位。復(fù)位電路作用是給處理器提供復(fù)位信號(hào)，采用MAX706芯片產(chǎn)生Reset信號(hào)。MAX706還可以提供1.6 s看門狗定時(shí)器：WDI引腳保持高電平或者低電平超過(guò)1.6 s，WDO引腳輸出低電平使系統(tǒng)復(fù)位，保證系統(tǒng)有更高的可靠性[10]。圖7為復(fù)位電路原理，WDO引腳與MR引腳連接，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行。

圖7 CPU 復(fù)位電路

LPC2214還提供JTAG復(fù)位引腳nTRST，用來(lái)進(jìn)行軟件復(fù)位。圖8為仿真器JTAG和處理器的接口電路通過(guò)ARM7TDMI所提供的JTAG型掃描標(biāo)準(zhǔn)，可以調(diào)試處理器的ICE?RT邏輯。

圖8 JTAG 復(fù)位電路

3.2 交互接口設(shè)計(jì)

采用日本SEIKOEPSON公司的產(chǎn)品SED1335液晶顯示器作為L(zhǎng)CD顯示硬件，其在同類產(chǎn)品中有較高的可靠性。SED1335的特點(diǎn)為豐富的指令功能、320×240點(diǎn)陣、較強(qiáng)的I/O緩沖器和圖形文本混合顯示[11]。

圖9為處理器與SED1335的接口電路，處理器產(chǎn)生的部分信號(hào)，需經(jīng)過(guò)反相器進(jìn)行電平匹配，再與液晶屏連接。

圖9 處理器與顯示器的接口電路

串口通信接口采用RS?232，其電氣特性規(guī)定：接口輸出電壓在?5～?15 V 為邏輯 1，信號(hào)進(jìn)行傳輸；接口輸出電壓在+5～+15 V為邏輯0，信號(hào)停止傳輸。TTL邏輯電路的電平與RS?232接收的電平形式不同，因此需要專門電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，圖10為其電平轉(zhuǎn)換電路圖。

圖10 MAX3232 電平驅(qū)動(dòng)電路

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

建立好水下金剛石繩鋸機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件后，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。LPC2214沒有內(nèi)存管理單元，在加載到內(nèi)存中運(yùn)行前，系統(tǒng)需要把操作程序編譯為二進(jìn)制代碼，軟件設(shè)計(jì)的總體框架如圖11所示。

圖11 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總流程

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)總體框架可以看出，軟件的開發(fā)可以分為數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面，其中數(shù)據(jù)處理又由數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算組成。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)可以分為幾個(gè)模塊，每個(gè)模塊有獨(dú)立的LCD界面顯示，可以接受用戶的查看和輸入。圖12為選擇模塊流程圖。

圖12 LCD 功能選擇流程

4.1 串口通信軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，LPC2214通過(guò)MAX3232將信號(hào)傳輸給RS?232。LPC2214有2組寄存器用來(lái)控制串行控制器（UART），采用傳統(tǒng)的查詢等待方式，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的簡(jiǎn)單化。為實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)化、程式化，可將串口驅(qū)動(dòng)程序分為如下3個(gè)函數(shù)：

1）初始化串口

void UartInit(INT8U PortNum, INT32 BaudRate)

PortNum用來(lái)選擇串口，BaudRate用來(lái)定義串口比特率，其流程圖如圖13所示。

圖13 串口初始化

2）接收串口數(shù)據(jù)

char Uart_Getch(void)

如圖14所示，接收串口數(shù)據(jù)并返回，若沒有數(shù)據(jù)則一直等待，直到接收到數(shù)據(jù)。

圖14 接收串口數(shù)據(jù)

3）發(fā)送串口數(shù)據(jù)

void UartSendByte(INT8U PortNum, INT8U Data, INT8U Mode)

如圖15所示，PortNum用來(lái)標(biāo)識(shí)串口；Data為等待發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果發(fā)送失敗則阻塞；Mode用來(lái)選擇通訊方式。

圖15 發(fā)送串口數(shù)據(jù)

4.2 LCD 顯示軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，LCD模塊中含有顯示存儲(chǔ)器，顯存中的單元與顯示器的像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。為方便軟件設(shè)計(jì)，在硬件的存儲(chǔ)器中劃分一部分內(nèi)存作為L(zhǎng)CD緩沖區(qū)Buffer，并采用如下定義：

INT32U buffer[240][320/(32/lcdtype)]；

Lcdtype為L(zhǎng)CD類型選項(xiàng)，采用單色顯示液晶屏?xí)r，其定義為1。圖16為水下繩鋸機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示器界面。

圖16 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，需要對(duì)LCD顯示結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析。串珠位置傳感器、進(jìn)給速度傳感器、壓力和流量傳感器是直接購(gòu)買的成品，其準(zhǔn)確度可以保證。因此，主要對(duì)張緊力傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

張緊力傳感器采用靜態(tài)標(biāo)定方法，通過(guò)電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)每隔500 N記錄一次電壓值，標(biāo)定張力和電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行理論修正，得到不同張力和轉(zhuǎn)速的理論修正值。

張力的測(cè)量范圍為 0~3 000 N，圖 17、18 為部分不同張力情況下實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)值對(duì)比?？梢钥闯觯碚撔拚蹬c實(shí)驗(yàn)值基本吻合，證明張緊力傳感器可以為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的張力顯示，保證繩鋸機(jī)的正常運(yùn)行。

圖17 張力為 0 N 時(shí)實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)值對(duì)比

圖18 張力為 500 N 時(shí)實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)值對(duì)比

6 結(jié)論

針對(duì)水下金剛石繩鋸機(jī)的工作要求，提出了一種基于ARM微處理器的繩鋸機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1）根據(jù)繩鋸機(jī)水下切割作業(yè)工況，對(duì)主要參數(shù)切削速度、進(jìn)給速度、張緊力、串珠繩位置和液壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并選擇合適的傳感器。

2）硬件采用基于ARM7TDMI?S的核心處理器LPC2214，與外部電路組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)軟件設(shè)計(jì)，使顯示器顯示傳感器采集的信號(hào)，為工作人員隨時(shí)掌握切削數(shù)據(jù)并及時(shí)調(diào)整切削工況提供了方便。

經(jīng)驗(yàn)證，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠地顯示繩鋸機(jī)的切削狀態(tài)，對(duì)提高繩鋸機(jī)的水下切削效率有重要意義。