通用鉆機(jī)數(shù)控操作裝置—電控系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張祖紅+劉清平

摘 要：鉆機(jī)是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)類(lèi)勘探工作最主要、最直接的機(jī)電設(shè)備。行業(yè)發(fā)展和用工需求倒逼鉆機(jī)設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。鉆機(jī)設(shè)備自動(dòng)化升級(jí)改造勢(shì)在必得。鉆機(jī)設(shè)備的智能化程度是衡量設(shè)備制造行業(yè)發(fā)展的根本標(biāo)尺。筆者對(duì)智能化操作控制系統(tǒng)做出多年的探索和實(shí)踐，成功應(yīng)用到多種鉆機(jī)設(shè)備中，也升級(jí)了不少舊鉆機(jī)設(shè)備。

關(guān)鍵詞：鉆機(jī)；數(shù)控操作裝置；電控系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.008

0 概述

兩年來(lái)，通過(guò)到鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和地質(zhì)勘探企業(yè)實(shí)地調(diào)研和研究，筆者經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和修改，設(shè)計(jì)出相對(duì)較穩(wěn)定的鉆機(jī)智能化操作控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝置既適合舊設(shè)備，又可以嵌入到新設(shè)備中。本系統(tǒng)原來(lái)設(shè)計(jì)的目的主要為舊設(shè)備改造升級(jí)服務(wù)的，故本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了操作桿、操作柄等機(jī)電控制驅(qū)動(dòng)部件。通過(guò)遠(yuǎn)程指令、無(wú)線傳輸和無(wú)線接收解碼，能很精確地控制機(jī)械部件動(dòng)作，其步進(jìn)動(dòng)作優(yōu)于人工手控動(dòng)作。

1 技術(shù)領(lǐng)域

通用鉆機(jī)全向數(shù)控操作系統(tǒng)裝置，是基于對(duì)我國(guó)鉆探行業(yè)通用機(jī)械—液壓舊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)模式，進(jìn)行智能化改造升級(jí)的全自動(dòng)信息化設(shè)備操控系統(tǒng)。主要包含信息編碼、無(wú)線傳輸、無(wú)線接收、圖像傳輸、圖像信號(hào)處理、機(jī)電傳動(dòng)、機(jī)械部件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路、信息檢測(cè)與控制電路等。實(shí)質(zhì)上，本設(shè)備是將電子信息技術(shù)、圖像處理技術(shù)、控制技術(shù)和軟件技術(shù)等綜合應(yīng)用到舊設(shè)備中。

2 背景技術(shù)

我國(guó)數(shù)千家鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)還停留在老工藝、老功能、老客戶(hù)、老用戶(hù)的理念上；鉆機(jī)企業(yè)越做越小、越做越窄；同技術(shù)層次產(chǎn)品，競(jìng)爭(zhēng)激烈，利潤(rùn)越來(lái)越低，研發(fā)投入少；企業(yè)疏于改造創(chuàng)新，設(shè)備難以升級(jí)；有教育背景和行業(yè)背景專(zhuān)業(yè)研發(fā)人員匱乏，市場(chǎng)關(guān)注程度不夠；高端產(chǎn)品都是進(jìn)口，設(shè)備費(fèi)用、技術(shù)費(fèi)用、培訓(xùn)費(fèi)用等很高。

隨著勞動(dòng)力減少和勞動(dòng)力內(nèi)涵的變化，舊鉆機(jī)升級(jí)改造和鉆機(jī)數(shù)控操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)勢(shì)在必行，而且有較大的市場(chǎng)化應(yīng)用前景。據(jù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)權(quán)威研究數(shù)據(jù)表明，舊鉆機(jī)智能化改造和升級(jí)市場(chǎng)份額有50億人民幣。這種現(xiàn)象有點(diǎn)類(lèi)似于二十多年前舊機(jī)床的改造升級(jí)業(yè)務(wù)。本作品就是基于這樣的背景設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）自主設(shè)計(jì)的鉆機(jī)操作程式智能化管理系統(tǒng)，將人為重復(fù)操作過(guò)程轉(zhuǎn)化為程序控制，進(jìn)而控制機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件，最終控制設(shè)備操作桿，完全替代工人的現(xiàn)場(chǎng)操作和控制。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)前進(jìn)與后退；車(chē)左拐與右拐；鉆桿上升與下降；鉆桿左移與右移等功能。經(jīng)測(cè)試，完成時(shí)間略高于人工。

（2）精密機(jī)械控制驅(qū)動(dòng)模塊，包含齒輪箱和齒輪，電路驅(qū)動(dòng)電流大，線性范圍寬，自適應(yīng)調(diào)節(jié)，級(jí)差小，適合遠(yuǎn)距離精密控制。平移距離不小于20CM，響應(yīng)時(shí)間不小于1MM/秒。

（3）可以設(shè)定距離、深度、時(shí)間要求，控制鉆機(jī)在規(guī)定的參數(shù)要求下完成鉆進(jìn)、提升、平移、前進(jìn)、后退等動(dòng)作。

（4）現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境條件自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，遇到大雨、大風(fēng)、油量、水量等不適合鉆機(jī)工作的條件，能自動(dòng)告知控制臺(tái)。

（5）整機(jī)可以工作于手動(dòng)和自動(dòng)工作方式，互不干擾，靈活轉(zhuǎn)換和設(shè)置系統(tǒng)工作方式；在圖像監(jiān)控模塊，本機(jī)有圖像自動(dòng)/手動(dòng)跟蹤和展示功能。

4 創(chuàng)新原理

采用電子信息技術(shù)手段，真正做到把市場(chǎng)上需要人為現(xiàn)場(chǎng)操控鉆機(jī)完成生產(chǎn)的工作轉(zhuǎn)化為由設(shè)備完成的程控過(guò)程。系統(tǒng)基本在一定限度內(nèi)能代替人力工作，能大大減少地勘項(xiàng)目的人力成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。

設(shè)備操作桿加裝螺紋柱型桿（自制）與步進(jìn)電機(jī)螺紋桿相匹配，通過(guò)無(wú)線傳輸指令，控制螺桿間相互作用，驅(qū)使設(shè)備操作桿完成平移運(yùn)動(dòng)，從而控制鉆機(jī)完成功能操作。

軟件控制板能控制攝像頭自動(dòng)跟蹤設(shè)備動(dòng)作，故障出現(xiàn)時(shí)能自動(dòng)傳遞設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖像，工作人員能及時(shí)診斷、調(diào)整、上報(bào)維修等。鉆機(jī)工作過(guò)程是固定的，每個(gè)動(dòng)作會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)會(huì)對(duì)應(yīng)電路控制部分、驅(qū)動(dòng)部分的電壓和電流。根據(jù)檢測(cè)到的電位大小方位即可以判別設(shè)備狀態(tài)，這就是自動(dòng)跟蹤軟件算法編寫(xiě)的實(shí)質(zhì)和來(lái)源。

設(shè)備工作模式能自由設(shè)定，含軟件的功能轉(zhuǎn)換控制板能根據(jù)工作需要，靈活控制設(shè)的操控形式，全自動(dòng)、電動(dòng)、手動(dòng)等。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)電控系統(tǒng)包含三大部分，鉆機(jī)操作控制接收部分、圖像采集與傳輸部分和操作指令發(fā)送與圖像監(jiān)測(cè)。框圖如圖1所示。

鉆機(jī)操作與接收部分，主要安裝在執(zhí)行設(shè)備上。電路模塊會(huì)實(shí)時(shí)接收并處理操作臺(tái)發(fā)來(lái)的加密指令，解碼后回控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電路要求具備一定的功率，驅(qū)動(dòng)管要選擇高頻特性較好的配對(duì)功率管。

圖像采集與傳輸部分，主要用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)的動(dòng)作情況，判別鉆機(jī)功能動(dòng)作是否正常，是否符合軟件操控要求，向監(jiān)控臺(tái)傳送圖像信號(hào)。

操控臺(tái)，主要采用點(diǎn)動(dòng)或者全自動(dòng)的方式向接收裝置發(fā)送指令，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況。異常情況，可以點(diǎn)動(dòng)停止。

6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 硬件設(shè)計(jì)

主要采用了無(wú)線傳輸模塊、圖像傳輸模塊、處理器控制模塊電路、CPLD圖像處理電路、互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路等。因篇幅原因，就不對(duì)具體電路進(jìn)行分析和說(shuō)明。本文給出部分原理圖，如圖2所示。

6.2 軟件設(shè)計(jì)

主要針對(duì)單片機(jī)和CPLD兩部分編寫(xiě)程序，協(xié)調(diào)管理、信號(hào)分些、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。具體程序算法和程序結(jié)構(gòu)圖在此就不表述。

6.3 機(jī)械部件設(shè)計(jì)

這部分還是很有講究的。因?yàn)榕f設(shè)備的操作桿、操作柄位置固定，只能?chē)@固定點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。要設(shè)計(jì)符合運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)的螺桿相配合，才能在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下，順利完成操作。

7 使用方法

（1）圖像系統(tǒng)采用獨(dú)立蓄電池逆變供電；設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)電路采用蓄電池逆變或者設(shè)備自帶發(fā)電機(jī)供電；控制室可以采用蓄電池逆變供電也可以采用工頻電源供電。按接線圖連接好工作模塊。

（2）通電，系統(tǒng)進(jìn)入自檢狀態(tài)，快速檢測(cè)若干關(guān)鍵點(diǎn)電位大小、頻率變化以及通訊數(shù)據(jù)等。出錯(cuò)會(huì)報(bào)警提示。

（3）測(cè)試圖像傳輸系統(tǒng)及攝像頭控制系統(tǒng)工作狀態(tài)；測(cè)試鉆機(jī)機(jī)電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)工作態(tài)；

（4）按工作要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如工作時(shí)間、前進(jìn)距離、鉆進(jìn)距離或者工作過(guò)程組合等。進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，視頻系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跟蹤設(shè)備，自動(dòng)切換圖像畫(huà)面，供監(jiān)控。

（5）系統(tǒng)也可以進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)控制狀態(tài)，適合比較細(xì)做的工作過(guò)程。只要配合攝像頭，即便能完成全向操作和控制。

（6）關(guān)閉控制系統(tǒng)，設(shè)備也可以進(jìn)入純現(xiàn)場(chǎng)人工手動(dòng)操作狀態(tài)。故電控系統(tǒng)損壞，不會(huì)影響設(shè)備的手動(dòng)工作。

（7）系統(tǒng)三個(gè)模塊電源獨(dú)立，功能控制互相聯(lián)系。

8 結(jié)語(yǔ)

本文只是很大概描述設(shè)備的電控部分的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了設(shè)備的電控電路對(duì)裝置創(chuàng)新功能的實(shí)現(xiàn)和支撐。給出了設(shè)備部分結(jié)構(gòu)框圖和電原理圖，但電路功能的實(shí)現(xiàn)，需要不斷調(diào)試硬件電路參數(shù)和軟件配合；系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)需要各模塊電路和機(jī)械部件相互配合。另外，攝像頭如何跟蹤設(shè)備動(dòng)作？軟件如何判別設(shè)備動(dòng)作等關(guān)鍵技術(shù)的算法還有待優(yōu)化和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]工程地質(zhì)手冊(cè)[K].

[2]張祖紅，劉清平.鉆機(jī)數(shù)控操作系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究[Z].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012（15）.endprint