摘要：為掌握金剛石繩鋸機(jī)在水下切削作業(yè)時(shí)的工作狀態(tài)，并能及時(shí)對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(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)。分析了繩鋸機(jī)切削作業(yè)時(shí)的切削參數(shù)，選取切削速度、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)。硬件采用基于ARM7TDMI-S核心的處理器LPC2214，配合監(jiān)測(cè)傳感器、存儲(chǔ)器、RS232通訊和LCD顯示器組成硬件系統(tǒng)。分析了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路，對(duì)數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，顯示器可以實(shí)時(shí)顯示繩鋸機(jī)的主要作業(yè)參數(shù)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水下金剛石繩鋸機(jī)作業(yè)參數(shù)的可靠監(jiān)測(cè)，對(duì)提高繩鋸機(jī)的水下切削效率有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：金剛石繩鋸機(jī);水下作業(yè);監(jiān)控系統(tǒng);LPC2214;RS232;MAX706;串口通信;SED1335;

　　隨著我國(guó)陸地石油資源的日益減少，開(kāi)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(kāi)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

　　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;加緊液壓缸驅(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。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)

　　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)。機(jī)械應(yīng)變一般為10-6~10-3，引起的電阻變化很小(約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�。一�?duì)橋臂接負(fù)載電阻，另一對(duì)接電流。

　　2.2串珠位置傳感器

　　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。

　　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。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。

　　2.4壓力、流量傳感器

　　壓力傳感器將液壓壓力轉(zhuǎn)換為0~5V電壓信號(hào)，其輸出電壓與壓力有一定的線(xiàn)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0~5V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(xiàn)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)

　　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PhilipsLPC2214，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]。

　　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1.6s看門(mén)狗定時(shí)器：WDI引腳保持高電平或者低電平超過(guò)1.6s，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]。WDO引腳與MR引腳連接，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行。LPC2214還提供JTAG復(fù)位引腳nTRST，用來(lái)進(jìn)行軟件復(fù)位。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。

　　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(lèi)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]。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。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～-15V為邏輯1，信號(hào)進(jìn)行傳輸;接口輸出電壓在+5～+15V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(zhuān)門(mén)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

　　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(méi)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，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)總體框架可以看出，軟件的開(kāi)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(hù)的查看和輸入。

　　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(mǎi)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500N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0~3000N，不同張力情況下實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)值對(duì)比。可以看出，理論修正值與實(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。

　　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。

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