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。
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)。
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
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
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
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。
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)
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
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
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
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)
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
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
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。