一種靜音無火花無線電切割儀的開發與設計

陸皓琛

摘要 針對戒指卡手、建筑工人貫穿傷等在消防隊員破拆時造成二次傷害以及切割廢棄管道造成爆炸等問題，設計了一種靜音、無火花、無振動的無線電切割儀器。儀器采用樹莓派作為主控單元，在裝置中安裝PH值、氨氮、溶解氧等傳感器，實時監測電解液中的流體種類，根據預置算法，擬定最優切割方案。已制作了樣機，驗證了方案的正確性，為解決火花、振動、噪聲、高溫等特定條件下切割提供了一種新型切割工具。

【關鍵詞】靜音 無火花 無噪音 無振動 樹莓派 無線控制

1 無線電切割儀設計原理

1.1 ARM處理器

ARM處理器的三大特點：耗電少功能強、16位/32位雙指令集和合作伙伴眾多。ARM處理器使用大量寄存器，指令執行Thumb （16位）/ARM （32位）雙指令集速度更快，大多數數據操作都在寄存器中完成，尋址方式靈活簡單，執行效率高。由于節能的特點，ARM處理器非常適用于移動通訊領域，符合其主要設計目標為低耗電的特性。

1.2 電解原理

本設計利用電化學陽極溶解的原理實現對金屬棒的切割。以切割純鐵棒為例，作為陰極的不銹鋼電極，將外電路輸送來的電子與電解質溶液（采用飽和氯化鈉溶液）中的正離子發生還原反應：

2H++2e-H2 ↑

（1）

純鐵棒作為陽極，發生氧化反應：

Fe-2e-Fe2+（2）

因電解質中氫離子被還原，推動水自身電離反應向右進行：

H2O<-->H+OH-

（3）

因（l）和（3）過程同時進行，電解液的pH增大。

因（2）和（3）過程同時進行，環形間隙中生成氫氧化亞鐵。

Fe2+ +20H=_Fe（OH）2 ↓

（4）

電解液循環流動，在散熱器中溫度下降，空氣中氧氣溶解，因反應（4），氫氧化亞鐵進一步發生反應，生成氫氧化鐵：

4Fe（OH）2+2H20+02=4Fe（OH）3

（5）

常溫下，Fe（OH）3在pH<4時完全沉淀，實現金屬棒材表面的逐層蝕除，最終達到切斷的目的。

1.3 控制系統方案設計

主控制器采用樹莓派3代B型。儀器上電后，使用移動設備連接樹莓派，通過網頁可以實時控制水泵、風扇、電源的開關，并在前端實時監測由諸多傳感器傳回的數據，通過預置的優化算法，擬合最佳方案。通過控制驅動的方法間接控制電解液濃度，以達到最佳的切割效果。

2 無線電切割儀設計方案

2.1 儀器硬件設計

2.1.1 主控制器設計

樹莓派3代B型（簡稱為RPi3 B）使用廣泛。RPi3 B處理器是到了64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53.性能比起初代提升了10倍以上，并整合了802.lln Wi-Fi和藍牙4.1等功能，這種配置更適用物聯網等多種工作環境。除此之外，這款CPU不僅能應用全系列ARM GNUiLinux發行版，且內部的程序存儲器較為先進、運行穩定。

2.1.2 電路設計

如圖l所示。

本設計電路原理如下：

（1） Kl為主開關。接通后電源1工作，為控制電路供電，電源指示燈L1點亮。閉合開關K2，水泵M2開始工作。

（2）若電解液儲槽液位達到閾值，開關S1閉合，接通繼電器J2線圈電路，J2的可動觸點接合動觸點，此時若閉合工作開關K3，J1線圈電路接通，開關電源2即工作，為電解供電，指示燈L3點亮，電解電壓、電流分別顯示于電壓表V、電流表A。

（3）若電解液儲槽液位不足以使SI閉合，則J2的可動觸點保持接觸靜觸點，接通報警回路。蜂鳴器SPK播放警示音，L2點亮。

（4）電解液溫度達到設定閾值時，溫控開關S2閉合，接通冷卻回路，風扇Ml工作，溫度低于設定值S2斷開，風扇M1停止工作。

本作品采用由J1、J2構成的順序控制電路，結構簡單，在工況下不易損壞。在條件不變時，電解液電阻與電解液液溫負相關;因法拉第原理，電解速率與單位面積上電流密度正相關，故電解速率與電解液液溫正相關。因此，溫控開關閾值不宜設置過低。

附技術指標：

溫控開關閾值：30-70℃（可調）;

水位開關閾值1Ocm，合約600mL電解液

水箱最大容積：IL;

泵流量：9L/min;

輸入電壓：220V AC;

工作電壓：12V DC;

最大輸出功率：1000W;

2.2 儀器前端設計

該設計依據操作員對電解液切割儀操作的不同需求，應用HTML、JavaScript、Ajax技術，使用Intellj平臺開發，實現了基于web的電解液切割儀操作系統，該設計主要功能是實時展示當前電壓、溫度等眾多數據信息，以及對電解液切割儀的遠程控制。

3 結論

總之，通過對靜音無火花無線電切割儀的設計與分析，能夠總結出：靜音無火花無線電切割儀在實際情況下是可以幫助消防在特定情況下破拆的，能夠起到保護人民生命安全，降低企業經濟損失的作用，夾具的多樣性可以幫助它拓展應用領域。

參考文獻

[1]曹楚南，《腐蝕電化學原理》，化學工業出版社.2004.4.

[2]徐正揚，發動機葉片精密電解加工關鍵技術研究.南京航空航天大學博士論文，2008.2.