一種靜音無(wú)火花無(wú)線電切割儀的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

陸?zhàn)╄?/p>

摘要 針對(duì)戒指卡手、建筑工人貫穿傷等在消防隊(duì)員破拆時(shí)造成二次傷害以及切割廢棄管道造成爆炸等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種靜音、無(wú)火花、無(wú)振動(dòng)的無(wú)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電解液中的流體種類，根據(jù)預(yù)置算法，擬定最優(yōu)切割方案。已制作了樣機(jī)，驗(yàn)證了方案的正確性，為解決火花、振動(dòng)、噪聲、高溫等特定條件下切割提供了一種新型切割工具。

【關(guān)鍵詞】靜音 無(wú)火花 無(wú)噪音 無(wú)振動(dòng) 樹莓派 無(wú)線控制

1 無(wú)線電切割儀設(shè)計(jì)原理

1.1 ARM處理器

ARM處理器的三大特點(diǎn)：耗電少功能強(qiáng)、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(zhí)行Thumb （16位）/ARM （32位）雙指令集速度更快，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。由于節(jié)能的特點(diǎn)，ARM處理器非常適用于移動(dòng)通訊領(lǐng)域，符合其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為低耗電的特性。

1.2 電解原理

本設(shè)計(jì)利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)的電子與電解質(zhì)溶液（采用飽和氯化鈉溶液）中的正離子發(fā)生還原反應(yīng)：

2H++2e-H2 ↑

（1）

純鐵棒作為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)：

Fe-2e-Fe2+（2）

因電解質(zhì)中氫離子被還原，推動(dòng)水自身電離反應(yīng)向右進(jìn)行：

H2O<-->H+OH-

（3）

因（l）和（3）過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，電解液的pH增大。

因（2）和（3）過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，環(huán)形間隙中生成氫氧化亞鐵。

Fe2+ +20H=_Fe（OH）2 ↓

（4）

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

4Fe（OH）2+2H20+02=4Fe（OH）3

（5）

常溫下，F(xiàn)e（OH）3在pH<4時(shí)完全沉淀，實(shí)現(xiàn)金屬棒材表面的逐層蝕除，最終達(dá)到切斷的目的。

1.3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主控制器采用樹莓派3代B型。儀器上電后，使用移動(dòng)設(shè)備連接樹莓派，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)可以實(shí)時(shí)控制水泵、風(fēng)扇、電源的開(kāi)關(guān)，并在前端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由諸多傳感器傳回的數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)置的優(yōu)化算法，擬合最佳方案。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)的方法間接控制電解液濃度，以達(dá)到最佳的切割效果。

2 無(wú)線電切割儀設(shè)計(jì)方案

2.1 儀器硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控制器設(shè)計(jì)

樹莓派3代B型（簡(jiǎn)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(lán)牙4.1等功能，這種配置更適用物聯(lián)網(wǎng)等多種工作環(huán)境。除此之外，這款CPU不僅能應(yīng)用全系列ARM GNUiLinux發(fā)行版，且內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器較為先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定。

2.1.2 電路設(shè)計(jì)

如圖l所示。

本設(shè)計(jì)電路原理如下：

（1） Kl為主開(kāi)關(guān)。接通后電源1工作，為控制電路供電，電源指示燈L1點(diǎn)亮。閉合開(kāi)關(guān)K2，水泵M2開(kāi)始工作。

（2）若電解液儲(chǔ)槽液位達(dá)到閾值，開(kāi)關(guān)S1閉合，接通繼電器J2線圈電路，J2的可動(dòng)觸點(diǎn)接合動(dòng)觸點(diǎn)，此時(shí)若閉合工作開(kāi)關(guān)K3，J1線圈電路接通，開(kāi)關(guān)電源2即工作，為電解供電，指示燈L3點(diǎn)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(chǔ)槽液位不足以使SI閉合，則J2的可動(dòng)觸點(diǎn)保持接觸靜觸點(diǎn)，接通報(bào)警回路。蜂鳴器SPK播放警示音，L2點(diǎn)亮。

（4）電解液溫度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)S2閉合，接通冷卻回路，風(fēng)扇Ml工作，溫度低于設(shè)定值S2斷開(kāi)，風(fēng)扇M1停止工作。

本作品采用由J1、J2構(gòu)成的順序控制電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在工況下不易損壞。在條件不變時(shí)，電解液電阻與電解液液溫負(fù)相關(guān);因法拉第原理，電解速率與單位面積上電流密度正相關(guān)，故電解速率與電解液液溫正相關(guān)。因此，溫控開(kāi)關(guān)閾值不宜設(shè)置過(guò)低。

附技術(shù)指標(biāo)：

溫控開(kāi)關(guān)閾值：30-70℃（可調(diào)）;

水位開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)依據(jù)操作員對(duì)電解液切割儀操作的不同需求，應(yīng)用HTML、JavaScript、Ajax技術(shù)，使用Intellj平臺(tái)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于web的電解液切割儀操作系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)時(shí)展示當(dāng)前電壓、溫度等眾多數(shù)據(jù)信息，以及對(duì)電解液切割儀的遠(yuǎn)程控制。

3 結(jié)論

總之，通過(guò)對(duì)靜音無(wú)火花無(wú)線電切割儀的設(shè)計(jì)與分析，能夠總結(jié)出：靜音無(wú)火花無(wú)線電切割儀在實(shí)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(hù)人民生命安全，降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失的作用，夾具的多樣性可以幫助它拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]曹楚南，《腐蝕電化學(xué)原理》，化學(xué)工業(yè)出版社.2004.4.

[2]徐正揚(yáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精密電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究.南京航空航天大學(xué)博士論文，2008.2.