（机械电子工程专业论文）旋挖钻机智能化技术研究与设计.pdf

t e c h n o l o g y i nr o t a r yd r i l l i n gr i g d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a le l e c t r o n i c s c a n d i d a t e ： q i g a n gw a n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n l il i 二oo 八年三月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：跚冈1 ll 厶肋易年弓月歹日 厂 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 幼阁1 州砗岁月jf 日 摘要 摘要 当前，旋挖钻机在国内有着良好的发展前景和广阔的研究领域。其主要的 技术发展方向就是控制系统的智能化。本文就是针对旋挖钻机的土质适应系统 和钢丝绳自检系统作出研究和设计。 首先，本文介绍了c a n 总线技术的基本原理，设计中应用的c a n 控制器 e p e c 2 0 2 0 ( 包括其基本特性及原理) 和旋挖钻机的c a n 控制系统。 在土质适应系统中，本文基于郎肯理论，建立了土壤与钻具的力学关系，从 而推导出挖掘阻力的数学模型，为旋挖钻机的智能设计提供参考；其次根据所 建立的数学模型建立了钻头和土质匹配适应的专家数据库；最后在所建立模型 的基础上进行系统的硬件设计和软件设计。 在钢丝绳自检系统中，本文对各种钢丝绳检测的硬件实现方法进行了深入的 研究，确定采用漏磁通检测方式；在此原理上进一步确定了采用霍尔元件a 1 3 0 2 ， 并设计了传感器的安装结构和测试试验；根据钢丝绳检测系统在旋挖钻机整体 系统中的地位和性能要求，本文完成了其硬件设计和软件设计。 最后，论文总结了课题研究的成果和经验，并提出了今后进一步研究的方向。 关键词：旋挖钻机，c a n 总线，智能技术，挖掘阻力，钢丝绳检测 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w d a y st h e r ea r eg r e a td e v e l o p m e n tf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho f r o t a r yd r i l l i n gr i g i t sm a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o ni si n t e l l i g e n t i z i n go ft h ec o n t r o l l i n g s y s t e m t h i sa r t i c l ei s t od e s i g na n dr e s e a r c ht h es y s t e ma i m i n ga t s o i lm a t e r i a l a d a p t a t i o nf o rd r i l lb i ta n ds e l f - d e t e c t i o nf o rs t e e lw i r er o p e f i s t l y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fc a n - b u sa n dt h ec a n c o n t r o l l e r - e p e c 2 0 2 0u s e di nt h es y s t e m ( i n c l u d ei t sb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sw o r k i n g p r i n c i p l e ) ；a tt h es a m et i m et h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fr o t a r y d r i l l i n gr i gs i m p l y s e n c o d l y , i nt h es y s t e mo fs o i lm a t e r i a l a d a p t a t i o n ，b a s e do nr a n k i n et h e o r y a n dm e c h a n i c a lr e l a t i o no fd r i l l i n gt o o l s ，am a t h e m a t i cm o d e lo fd i g g i n gr e s i s t a n c ei s e s t a b l i s h e d ；t h e s eo f f e ri m p o r t a n tr e f e r e n c et oi n t e l l i g e n t i z i n gd e s i g n a c c o r d i n gt ot h e m o d e l ，w ee s t a b l i s he x p e r td a t a b a s eo fs o i la n dd r i l l i n gt o o l s a l s o ：w ea c c o m p l i s h e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m t h i r d l y , i nt h es y s t e mo fs e l f - d e t e c t i o nf o rs t e e lw i r er o p e ，t h i st e x th a sc a r r i e d o nd e t a i l e dr e s e a r c ht ot h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h es t e e lw i r er o p e d e t e c t i o ns y s t e mf o rb r o k e nw i r e s o nt h em e t h o do fd e t e c t i n gt h el e a k ym a g n e t i c f l u x ，w ec h o o s et h eh a l ls e n s o ra 13 0 2 ，d e s i g n i n gt h ei n s t a l l i n gs t r u c t u r ea n dt e s t i n g e x p e r i m e n t t h ea t i c l e a l s oa c c o m p l i s h e st h eh a r d w a r ea n ds o t = w a r ed e s i g no f s y s t e m a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e st h ea c h i e v e m e n ta n de x p e r i e n c ew i l lb es u m m a r i z e d ， a n dm e a n w h i l ei1 i s tf u t u r er e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：r o t a r yd r i l l i n gr i g ，c a nb u s ，i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y , d i g g i n g r e s i s t a n c e ，s e l f - d e t e c t i o nf o rs t e e lw i r er o p e n 目录 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 目录 绪 仑l 旋挖钻机智能化技术研究的提出及意义- 1 1 1 1 旋挖钻机智能化技术研究的提出l 1 1 2 旋挖钻机智能化技术研究的意义2 旋挖钻机智能化技术研究现状3 1 2 1 国内主要产品及技术研究现状3 1 2 2 国外主要产品及技术研究现状4 1 2 3 国内旋挖钻机技术发展趋势。6 本论文研究的思路和主要内容7 1 3 1 学术构想与思路7 1 3 2 主要研究内容8 本章小结9 基于c a n 总线的旋挖钻机控制系统l o c a n 总线概述1 0 2 1 1 c a n 总线简介1 0 2 1 2 c a n 总线的体系结构1 1 2 1 3 c a n 总线的主要构成1 2 基于c a n 总线的旋挖钻机系统控制1 4 2 2 1 旋挖钻机整机控制特点1 4 2 2 2 系统控制原理示意框图1 5 2 2 3c a n 控制器- - e p e c 2 0 2 0 1 6 j 、结18 旋挖钻机土质适应系统设计19 旋挖钻机切削阻力分析及计算19 3 1 1 朗肯十壤切削理论2 0 3 1 2 旋挖钻机驱动扭矩分析及计算2 2 旋挖钻机切削阻力计算模型2 7 i i i 目录 3 3 3 4 3 5 3 6 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 3 2 1 模型的初步建立2 7 3 2 2模型的优化及修正2 8 土质适应系统硬件设计3l 3 3 1 系统功能要求3 1 3 3 2 系统硬件结构3 l 土质适应系统软件设计3 5 3 4 1 软件开发环境c o d e s y s 3 5 3 4 2 存储区的分配二3 6 3 4 3 模块化设计的程序结构3 7 3 4 4软件结构简图3 9 3 4 5变量定义4 0 3 4 6 系统初始化模块4 0 3 4 7 输入量标定模块4 2 3 4 8 数据处理，土质分析模块s o i ld e c i d e ( f b ) 4 3 调试及实验4 5 小结4 7 钢丝绳无损自检系统设计4 8 引言4 8 旋挖钻机钢丝绳的特性4 8 4 2 1 旋挖钻机钢丝绳j i ：况、技术要求及选择4 8 4 2 2 旋挖钻机钢丝绳的缺陷4 9 4 2 3旋挖钻机钢丝绳的报废5 0 钢丝绳检测方法5 l 钢丝绳无损检测原理5 2 钢丝绳的磁化5 3 钢丝绳磁检测元件的选择5 5 4 6 1 霍尔元件的i ：作原理5 5 4 6 2 霍尔元仆主要技术参数5 6 钢丝绳检测系统硬件设计5 7 4 7 1 系统功能要求5 7 i v 目录 4 7 2 系统硬件结构5 7 4 7 3 霍尔元件a 1 3 0 2 5 9 4 7 4 - t 作原理分析。6 2 4 8 系统软件设计6 3 4 8 1 软件结构简图6 4 4 8 2 变量定义6 5 4 8 3 系统初始化模块6 6 4 8 4 输入量标定模块6 7 4 8 5 故障判断，位置记录模块p o s i t i o n ( f b ) 。6 8 4 9 程序调试及相关试验。6 8 4 9 1 程序调试6 8 4 9 2 钢丝绳检测系统相关测试6 9 4 10 本章小节。7 2 o 第5 章结论与展望7 3 5 1 论文小结7 3 5 2 进一步的工作方向7 3 致谢7 5 参考文献一7 6 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 8 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 旋挖钻机智能化技术研究的提出及意义 1 1 1 旋挖钻机智能化技术研究的提出 旋挖钻机因其具有装机功率大，输出扭矩大，轴向压力大，机动灵活、施 工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成 为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。 随着全球经济的高速发展，基本建设范围的持续拓宽，以人为本和保护环 境的理念及至相关法津法规实施的不断强化，使桩基础特别是现浇混凝土灌注 桩基础几乎取代了其它基础，得到了广泛的应用空间。旋挖钻机因其效率高、 污染少、功能多的特点，适应上述综合发展的需求，特别是目前国内大力开展 城市建设和高速铁路、高架桥和水利工程建设，旋挖钻机在现浇混凝土灌注桩 施工获得了同益广泛的应用。而近年来，北京地铁、环线路网建设、特别是青 藏铁路、奥运场馆、首都机场新航站楼等大型工程的施工中，旋挖钻机高效、 环保、效益高的优势也得到了公认吲。 国内市场经济的需求使得铁路公路水路交通、城市公共设施和工业民用建 筑、水利电力设施、港口码头机场的建设全面飞速发展桩基础施工机械潜在的 巨大市场已经出现。仅铁路建设方面，到2 0 2 0 年铁路建设总投资要超过2 万亿 元。近年的数条高速客运专线，如武大、郑西、石太、京津等相继开工，高速 客运专线有6 0 以上为桥梁，桥桩的直径大多适合旋挖钻机施工，这将是继青 减铁路以后旋挖钻机有铁路建设中更大规模的应用。 作为一种应用于地下深层特殊环境的新型钻进施工装备，在旋挖钻机获得 了同益广泛的应用的同时，我们也应该意识到，相对其它成熟机型，旋挖钻机 在我国尚缺乏深入的研究，国内的各个厂家也是以仿制为主，这样在实际应用 过程中衍生出的很多问题需要我们去解决。随着很多大型甚至特大型建筑的上 马，桩基基坑直径越来越大，深度越来越深，对旋挖钻机的性能和智能化要求 也越来越高。随着旋挖钻机在全国各地的推广的深入，很多用户尝试将其用于 各种不同的地质条件和工况，在实际使用过程中也遇到了新的挑战。另外，为 了保证施工过程的安全，旋挖钻机的故障预警，防钢丝绳过放，桩基深孔精度 的设备不足，立足于高起点，采用最先进的施工设备如大吨位的塔机、高泵送 的砼泵或泵车、旋挖钻机、地下连续墙施工设备。此外，城市轨道交通的建设 方兴未艾，铁路施工企业要发挥传统优势，在已有设备的基础上，应积极采用 新设备。我国目前共有城市8 0 0 个，城镇人口超过4 亿，老城市改造和新城市 建设中新增的桩基础工程大幅度增加。按城市建设和国家长期规划中投入巨资 进行项目的丌发，短期内即将投资的工程项目便有数千亿人民币，对旋挖钻机 的的市场需求量分析来看，大、中、小型旋挖钻机近几年的市场需求量预计近 两千台。通过采用这种新型建筑施工设备，可改进施工工艺，提高施工速度和 质量，减轻劳动强度，提高原材料利用率和减少施工污染，还能带动相关基础 产业的发展。 2 对邻近建筑与城市基础设施正常使用的影响。 1 1 2 3 社会效益 1 ) 、提高施工企业的综合效益，提高工程质量和施工速度； 2 ) 、在一定程度上提高施工企业的核心竞争能力和技术水平； 3 ) 、有助于改变我国施工安全事故居高不下的被动局面，降低基础施工的 安全事故，促进文明施工，减少建筑工人的劳动强度。 总之，旋挖钻机智能化技术将带来基础施工作业效率的提高，施工周期、 施工费用和维修成本的降低、施工质量和施工安全性提高，有效减少施工对环 境的污染，由此可产生巨大的经济效益和不可估量的行业社会效益。而工程机 械行业进行相关的研究努力开发新技术，提高产品的技术含量，开发、抢占国 际市场和旋挖钻机技术领域的制高点，是行业必然选择的市场道路。 1 2 旋挖钻机智能化技术研究现状 1 2 1 国内主要产品及技术研究现状 旋挖钻机属机电一体化设备，技术含量高，使用技术和设备保养要求严格。 近年来，国内有几家单位对旋挖钻机陆续进行了一些开发工作，但由于种种原 因，都没有能够形成系列的成熟产品。国内企业也开发了一些可替代进口的新 型旋挖钻机，但是从整体来看，与发达国家的同类产品还有差距。目前国内各 个厂家的主导产品均是最大钻钻孔直径在1 5 2 o m 之间，而钻孔灌注桩最常用 的桩径一般为1 2 m 1 5 m 。考虑到完全储备系数，这类钻机对于施工这种桩径是 非常合适的。 最近几年，我国旋挖钻机取得了快速发展。目前国内生产中小型旋挖钻机 的厂商有十余家，主要有中联重科、徐工科技、三一重工、北京经纬巨力、湖 南山河智能、北方重汽、哈尔滨四海、连云港黄海、新河钻机等。总的来说， 各家产品以仿制为主，产品缺乏有份量的具有自主知识产权的核心技术。主要 第1 章绪论 有以下方面的缺陷【3 硼。 ( 1 ) 、国产旋挖钻机的整体的液压系统与配置还达不到国外的先进水平，特 别是与世界先进水平的宝峨钻机相比还有一定差距。国外的液压系统采用恒功 率系统，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品； ( 2 ) 、国产旋挖钻机的关键件如钻杆，特别是机锁式加压钻杆还不能满足主 机的要求，主要原因：1 国产钢管在钢管加工时，圆度和直线度达不到设计要求， 无论是强度还是精度都不能满足要求；2 钻杆的加工工艺还处在摸索之中，焊 接质量不能保证，焊后易变形，而且变形难以调整。 ( 3 ) 、国产旋挖钻机的整机外观及操作室内仪表盘的布置不如国外，这方面 应借鉴其他国产的工程机械，如挖掘机等。国外的旋挖钻机，有的装有全电脑 操作系统，使操作手能实时掌握钻进深度、钻架垂直度，保证钻孔准确到达设 计深度和保持良好的垂直度；实时掌握各系统工作情况，便于及时采取维修措 施，保证钻机正常运转。 ( 4 ) 、国产旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态无显示功能。 1 2 2 国外主要产品及技术研究现状 目前国外旋挖钻机的品牌主要有宝峨、土力、卡萨、意马、迈特等。国外 该类产品技术水平较高，功能也比较完善，具体说来国外相关成熟的旋挖钻机 智能技术有： ( 1 ) 、国外的旋挖钻机的钻杆牙嵌与动力头啮合情况和钻杆状态有显示功能。 这些功能的增加确实是非常实用的。儿用过旋挖钻机的人都知道，钻杆牙嵌是 极易磨损的( 特别是在啮合不彻底的情况下) ，磨损后的修复也是非常麻烦的。 以往操作者只能凭自己的经验来感觉啮合情况，所以对操作者的熟练程度的要 求很高。有了钻杆牙嵌啮合情况显示功能后，显示器上能精确地显示牙嵌的啮 合情况，即便是一位没有经验的操作者也能很好地操作，同时大大地减轻了工 人的劳动强度。在钻孔作业时，钻孔深度往往达几十米，由于地质情况、钻杆 与钻杆、钻杆与钻头连接等方面的原因，造成钻杆、钻头脱落在孔内的事故， 给施工单位造成很大的损失。钻杆状态的显示功能，为操作者提供一个可视的 钻杆，方便了操作者，避免了事故的发生。 ( 2 ) 、旋挖钻机在进行钻孔作业时，有一个钻进提升回转抛土 再回转至原孔口对准再钻进的过程。国产旋挖钻机因没有回位定 4 第l 章绪论 位功能，所以在对准时耗费相当多的时间和精力，而且，人工对准精度低。而 德国宝峨、意大利c m v 公司的钻机都具有回位定位功能。所谓回位定位功能 是指机器回转时能记录回转角度，待抛土后再回转回来时，一旦达到记录的角 度后，自动停止。这样，保证其回到第一次回转前的位置。大大减轻了劳动强 度、提高了生产效率及作业精度。 ( 3 ) 、国外的旋挖钻机有混凝土灌注桩模式。此模式可显示混凝土压力、混 凝土流量、液压系统压力以及混凝土桩形，保证桩的质量。 ( 4 ) 、国外的旋挖钻机多功能化。能选用多种钻具进行不同土层或岩层的作 业，能通过更换钻具进行钻孔、连续墙成槽、预制桩施工、凿岩锚杆等作业。 即钻机采用的是多用途模块式设计。 可用于： 一大口径短螺旋和旋挖斗回转施工； 一长螺旋施工； 一全护筒跟管施工； 一全护筒跟管+ 磨桩机施工； 一液压抓斗地下连续墙施工； 一高压旋喷施工； 一潜孔锤施工； 一预制桩施工。 以上不同工法的施工，只需要选装不同的工作附件，便可做到一机多用， 节约使用成本。目前，b m u e r 公司、s o i l m e c 公司、c a s a g r a n d e 公司等 都具有各种方式的施工机械。 ( 5 ) 、国外的旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统、p l c 、c a n 总线控制等， 提高了定位钻孔精度，具有钻孔深度的自动化检测，荧光屏显示功能等，当钻 机发生倾斜时，钻机会自动报警，并进行自动调整。采用能显示多种信息的多 功能液晶显示器，能进行钻机控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的 监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检 测与报警等信息的显示。 ( 6 ) 、国外的旋挖钻机安全保护好。钻机的 设计充分考虑操作人员的安全， 并采取了一些措施： 一驾驶室前窗配有f o p s ( 防坠物保护) ： 第1 章绪论 一卷扬的高度限位； 一驾驶室内操作台安全控制； 一发动机、液压等参数显示、报警等。 ( 7 ) 、国外的旋挖钻机在控制功能上普遍采取和专业厂合作或自己开发专用 控制器和控制软件。而国内旋挖钻机在控制功能上基本采用进口，没有自己的 软件。 1 - 2 - 3 国内旋挖钻机技术发展趋势 旋挖钻孔机主要向底盘专业化、多功能化、控制技术的智能化发展，在起 钻桅控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度测量及显 示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测、报警及信息显示等方 面逐步实现智能化控制。 具体来讲国内旋挖钻机智能技术主要发展趋势【5 】是： 1 ) 、采用电液比例伺服控制系统、可编程控制器、c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线控制等，提高了定位钻孔精度。具有钻孑l 深度的自动化检测，荧 光屏显示功能等。当钻机发生倾斜时，钻机会自动报警，并进行自动调整。 2 ) 、采用能显示多种信息的多功能液晶显示器，能进行钻机控制、自动垂 直调平、回转倒土控制、发动机监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动 画显示及虚拟仪表显示、故障检测与报警等信息的显示。 3 ) 、钻机的设计充分考虑操作人员的安全，并采取了一些措施：驾驶室前 窗配有f o p s ( f a l l i n g o b j e c tp r o t e c t i v es t r u c t u r e s ) ( 防坠物保护) ；卷扬的高度 限位；驾驶室内操作台安全控制；发动机、液压等参数显示、报警等。在控制 功能上普遍采取和专业厂合作或自己开发专用控制器和控制软件。 4 ) 、利用旋挖钻机在钻进过程中参与土质监测并实时调整工作参数，可以 有效地提供工作效率，拓宽旋挖钻机的适应范围。这种解决问题的方案还未见 报道。 5 ) 、由于旋挖钻机不同于其他工程机械的工作状况，钢丝绳的安全系数一 般比较小，在磨损和冲击的影响下很容易损坏，因此要建立智能化的监测机制 及时地更换，防止机械事故。 6 第l 章绪论 1 3 本论文研究的思路和主要内容 根据前一节的调研分析，通过对旋挖钻机智能化技术的现状以及趋势的了 解，我们可以知道当前的智能化技术【6 】具体来说主要分为以下几类： a 、发动机与负载相匹配( 降低油耗、减少噪音) 的电子控制系统； b 、手动和自动切换，监控立柱垂直度( 保证柱孔垂直度) 的自动纠偏系统； c 、高精度钻孔倒土回转定位( 防止桩孔变形) 控制技术； d 、钻孔深度( 防止过放钢绳和确认孔深) 测量及显示系统； e 、故障( 带负载起动，钢丝绳损伤，卷扬过卷) 检测、报警及信息显示系 统； f 、整机工作状态( 启动前先自动预检) 动画及虚拟仪表显示系统； g 、g p s 定位与移动电话数据( 抉速联络、及时到位) 传输系统； h 、成柱过程( 提高成桩质量) 的反馈显示、记录、打印系统； 本论文将介入旋挖钻机智能化技术，主要针对旋挖钻机钻头对土质的自适 应系统和钢丝绳无损自检系统两方面关键性技术进行深入的研究。 1 3 1 学术构想与思路 施工实践证明，如何让旋挖钻机在钻进过程中自动地根据土质条件的不同 而对结构配置和运行参数进行智能化的调整，是提高施工效率，预防工程和机 械事故，实现高效节能的二个关键因素。本课题拟围绕这个问题有针对性地进 行旋挖钻机关键技术的研究和智能化旋挖钻机的开发。 为减少人为因素的不良影响，就必须实现旋挖钻机的自动化、智能化控制。 在设计控制器时，利用对旋挖钻机钻进过程中地质情况进行探测建立的数据库， 结合熟练工人操作经验，建立旋挖钻机钻进过程的智能专家系统，利用专家知 识和模糊控制规则，从而实现旋挖钻机在钻进过程中自动地根据土质条件的不 同而对结构配置和运行参数进行智能化的调整，提高施工效率，预防工程和机 械事故，实现机械的高效节能。 ，由于旋挖钻机不同于其他工程机械的工作状况，钢丝绳的安全系数一般比 较小，在磨损和冲击的影响下很容易损坏，因此要建立智能化的监测机制及时 地更换，防止机械事故。因此在论文的后一阶段将针对这个问题设计钢丝绳的 无损自检系统。 具体的研究思路如下： 7 手段和方法，以及针对不同地质土层条件的高效施工方法、成孔工艺、操作程 序、作业参数( 转速、扭矩、压力、钻进速度等) 及钻杆、钻具的优化匹配等， 并建立涵盖不同区域典型地质土层条件的专家知识库； ( 3 ) 旋挖钻机土质适应模型的建立，对模型的的改进与优化； ( 4 ) 根据深层掘进的智能化旋挖钻机的要求，建立钢丝绳的无损自检机制； ( 5 ) 两个子系统在c a n 控制器中的连接，调试及编程。 拟解决的关键技术： ( 1 ) 通过监测旋挖钻机钻进过程中产生的掘进阻力，结合其它运行参数， 建立旋挖钻机掘进阻力的理论计算模型，并由此完成土质适应系统； 第l 章绪论 ( 2 ) 钢丝绳的无损自检系统； ( 3 ) c a n 控制器的系统连接，调试及编程。 1 4 本章小结 本章分析了旋挖钻机智能化技术研究的目的意义及发展现状，从国内外研 究现状及特点中可以看出：旋挖钻机智能化技术将带来基础施工作业效率的提 高，施工周期、施工费用和维修成本的降低、施工质量和施工安全性提高，有 效减少施工对环境的污染，由此可产生巨大的经济效益和不可估量的行业社会 效益。从而得出了本课题的研究是必要的和可行性的结论。接着给出了本课题 研究的技术路线和主要内容，为整篇论文建立了清晰的框架和思路，起到了提 纲挈领的作用。 9 第2 章基于c a n 总线的旋挖钻机控制系统 第2 章基于c a n 总线的旋挖钻机控制系统 根据旋挖钻机整机控制系统方案，为实现整机各控制器之间的数据可靠通 信，旋挖钻机在系统设计时采用基于c a n 总线通信的设计思路，确定以若干个 分系统控制器来实现整机各部分的控制，并通过c a n 总线将各控制器相连。这 也是旋挖钻机信息化施工的一个发展方向。因此，本文的土质自适应系统和钢 丝绳自检系统也需要与旋挖钻机的整机控制系统相适应。本章主要通过以下几 个方面进行介绍： c a n 总线技术及其特点 旋挖钻机整机控制特点 土质适应和钢丝绳自检系统整体控制原理 控制器( e p e c 2 0 2 0 ) ，相关硬件介绍 2 1c a n 总线概述 2 1 1c a n 总线简介 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 是控制局域网络的简称。它是属于现场总线的范 畴，是一种有效的支持分布式控制或实时控制的串行通信系统。由于它的高性 能、高可靠性及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。国外已经有许多大 公司的产品采用了这一技术。 c a n 最初是由德国的b o s c h 公司在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控 制与测量仪器之间的数据交换而丌发的一种串行数据通讯协议，它能够有效支 持分布式控制或实时控制。众所周知，现代汽车越来越多的采用电子装置控制， 如发动机的定时、注油控制，加速、刹车控制( a s c ) 及复杂的抗锁定刹车系统 ( a b s ) 等。由于这些控制需要检测及交换大量数据，采用一对一的连接信号线 的方式不但繁琐昂贵，而且维护及其困难；如果采用基于c a n 总线的控制系统， 上述问题就能很好地解决。c a n 总线技术以其易于掌握、易于丌发等优点受到 普遍重视，在工业和信息通讯领域都得到了广泛应用。目前，在国外，尤其是 在美国及欧洲，c a n 总线已经被广泛的应用于汽车、机器人技术、机械制造、 传感器、自动化仪表等领域。在国外的工程机械上运用也已经越来越普遍，如 1 0 第2 章基丁c a n 总线的旋挖钻机控制系统 推土机、钻机、摊铺机等机械设备均大量采用了c a n 总线控制系统，c a n 总线 技术已经成为一种日趋成熟的实用技术【8 1 0 1 。 c a n 总线属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特 地设计，与一般地通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可 靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下： c a n 总线为多主方式工作，网络上任一节点在任意时刻主动地向网络 上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需占地址等节 点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 总线网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要 求，高优先级的数据最多可在1 3 4 1 i s 内传输。 c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信 息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受 影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网 络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况( 以太网则可能出 现) 。 c a n 总线只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广 播等几种方式传送接收数据，不需要专门的“调度”。 c a n 总线直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p 以下) ；通信速率最 高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 绗一- c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 0 0 多个； 报文标识符可达2 0 3 2 种，而扩展标准的报文标识符几乎不受限制。 c a n 总线采用数据短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好 的检错效果。 c a n 总线的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错 率极低。 c a n 总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 总线节点在错误严重的情况下具有自动关闭节点输出的功能，以 使得总线上的其它节点的操作不受影响。 2 1 2c a n 总线的体系结构 c a n 总线的通讯协议主要是用来描述通过c a n 总线连接的设备之间的信 第2 章基t - c a n 总线的旋挖钻机控制系统 息传递方式【1 1 】。c a n 总线层的定义与开放系统互连模型o s i 一致，表2 1 中展 示了o s i 开放式互连模型的各层。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实 际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质 互连。c a n 的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。 表2 1o s l 开放式互连模型 7 应用层最高层用户软件网络终端等之间用来进行信息交换 将两个应用不同数据格式的系统信息转换为能共同理解 6 表示层 的格式 5 会话层依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递 两通讯节点之间数据传输控制操作，如数据重发数据错误 4 传输层 修复 3 网络层规定了网络连接的建立维持和拆除的协议，如路由和寻址 数据链路规定了在介质上传输的数据位的排列和组织，如数据校验 2 层和帧结构 1 物理层规定通讯介质的物理特性，如电气特性和信号交换的解释 为了提高透明度并实现柔韧性，c a n 总线被细分为以下不同的层次： c a n 对象层( t h eo b j e c tl a y e r ) ： 其作用范围包括：查找被发送的报文；确定由实际要使用的传输层接收哪 一个报文；为应用层相关硬件提供接口。 c a n 传输层( t h et r a n s f e rl a y e r ) ： 其作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错 标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候丌始接收报文， 均在传输层罩确定。位定时的一些普通功能电可以看作是传输层的一部分。 物理层( t h ep h y s i c a ll a y e r ) ： 其作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。 其中，对象层和传输层包括所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务 和功能。c a n 应用层协议是在数据链路层和物理层之上形成的协议，可以由c a n 用户定义成合适的方案，常用的有c a n o p e n 和d e v i c e n e t 协议。 2 1 3c a n 总线的主要构成 2 1 3 1c a n 总线硬件 c a n 总线可以使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。信号使用差分电 压传送，两条信号线被称为“c a nh ”和“c a nl ”，静态时电压均是2 5 v 左 第2 章基于c a n 总线的旋挖钻机控制系统 右，此时状态表示为逻辑“l ”，也可以叫做“隐性”。用c a nh 比c a nl 高 表示逻辑“0 ，称为“显性，此时电压值为：c a nh = 3 5 v 和c a nl = i 5 v 。 2 1 3 2c a n 总线的节点 c a n 总线的节点由具体的电子控制元件( 如单片机等) 、c a n 控制器和c a n 收发器组成。电子控制器件主要用于数据的采集、计算、信息处理或输出驱动 执行机构的控制信号等功能。c a n 控制器主要用于系统的通信，具有完成高性 能通信协议所需要的全部必要特性，可完成物理层和数据链路层的所有功能。 c a n 收发器是c a n 控制器与物理总线之间的接口，用于增强系统的驱动能力， 可以提供对总线的差动发送能力和对c a n 控制器的差动接收能力。各个网络节 点既可以采用单独的电子控制器件、c a n 控制器和c a n 收发器组合而成，也可 以采用三者集成在一起的带有在线c a n 总线的微控制器。节点组成的原理如图 2 】 图2 1 节点组成的原理图 2 1 3 3c a n 总线中的报文及其发送 c a n 总线连接的单元就是根据c a n 通讯协议发送报文来传送信息的。 c a n 2 0 协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符( i d ) 长度不同，标准格 式为1 l 位，扩展格式为2 9 位。报文通过以下4 种帧表示和控制：数据帧、远程 帧、错误帧和过载帧。 在标准格式中，报文的起始位称为帧起始，然后是由1 1 位标识符和远程发 送请求位组成的仲裁场。控制场包括标识符扩展位，指出是标准格式还是扩展 1 3 彰 第2 章基y - c a n 总线的旋挖钻机控制系统 格式。一个保留位，和用来指明数据场中数据长度的四个字节。数据场为8 个 字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查( c r c ) 。应答场包括应答位和应 答分隔符。报文的尾部由帧结尾标出。在相邻的两条报文中间有一根短的间隔 位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态。 c a n 总线以报文为单位进行数据传输，报文的优先级结合在1 1 位标识符中， 具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这样，总线读取中的冲突就可以 通过位仲裁根据优先级解决了。 由于c a n 总线在实时性、可靠性、通信能力等方面有着巨大的优势，旋挖 钻机整机电子控制系统采用基于c a n 总线的控制。 2 2 基于c a n 总线的旋挖钻机系统控制 2 2 1 旋挖钻机整机控制特点 旋挖钻机的实际机械结构是十分繁琐、复杂的。图2 2 是一台旋挖钻机整 体机械结构总图【1 2 】。 1 短螺旋钻头2 钻杆3 桩架4 倾斜油缸 图2 2 旋挖钻机整体结构图 1 4 第2 章基于c a n 总线的旋挖钻机控制系统 在本课题中，旋挖钻机整机采用基于c a n 总线的电子控制系鲥1 3 1 引。 传统的旋挖钻机电子控制系统的控制器与位于现场的测量变送器、开关、 马达、电液阀等执行器之间均采用一对一的设备连线。由于控制相对集中，系 统的可靠性不高，单个节点的失效往往会造成整个系统运行不正常甚至引发事 故。且该类系统中有众多连线，占用安装空间，不利于维护和管理。特别是在 老系统改造中需要重新设计整个系统，开发性和可扩展性差。 针对以上问题，有两种解决方法：第一种方法是将各电子部件通过c a n 总 线直接连接到控制系统上，而这些电子元件是要求带有总线接口的智能节点( 比 如带c a n 口的比例阀) ；第二种是将控制器分配到合适的部分，然后用总线将 它们连接起来。由于具有总线接口的电子元件比较昂贵，而且生产这种部件的 厂家不多，因此，在旋挖钻机整机电子控制系统中，采用第二种方法。将整个 旋挖钻机的控制系统集中到几个控制器中，对旋挖钻机的多种设备信号分别进 行处理和控制，它们之间可通过c a n 总线通讯，这大大减少了电缆线的数量， 缩小了安装空间，降低了安装和其他方面的费用，提高了电子系统的可维护性 和可扩展性。图2 3 为旋挖钻机整机控制系统示意图。 图2 3 旋挖钻机整机控制系统结构 2 2 2 系统控制原理示意框图 根据上述图2 3 的旋挖钻机整机控制系统结构图，选择合适的元器件来实 现相关功能，从而得到得到针对土质自适应系统和钢丝绳无损自检系统的整合 控制图，如下图2 4 所示 第2 章基丁c a n 总线的旋挖钻机控制系统 n z 控 制 器 指示灯、报警器、电磁阀等执行器件 图2 4 系统控制总图 整个系统以控制器为核心。开关按键、手柄等控制信号经过控制器直接控 制执行机构。控制器有强大的运算能力，传感器件采集到的模拟检测信号在控制 器罩转化成数字信号后，通过高级程序语言编写成旋挖钻机控制系统所要求的逻 辑关