一种静音无火花无线电切割仪的开发与设计

所属分类：电子论文阅读次时间：2019-05-18 14:43

本文摘要：摘要针对戒指卡手、建筑工人贯穿伤等在消防队员破拆时造成二次伤害以及切割废弃管道造成爆炸等问题，设计了一种静音、无火花、无振动的无线电切割仪器。仪器采用树莓派作为主控单元，在装置中安装PH值、氨氮、溶解氧等传感器，实时监测电解液中的流体种类，

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　　摘要针对戒指卡手、建筑工人贯穿伤等在消防队员破拆时造成二次伤害以及切割废弃管道造成爆炸等问题，设计了一种静音、无火花、无振动的无线电切割仪器。仪器采用树莓派作为主控单元，在装置中安装PH值、氨氮、溶解氧等传感器，实时监测电解液中的流体种类，根据预置算法，拟定最优切割方案。已制作了样机，验证了方案的正确性，为解决火花、振动、噪声、高温等特定条件下切割提供了一种新型切割工具。

　　【关键词】静音无火花无噪音无振动树莓派无线控制

无线电论文

　　1 无线电切割仪设计原理

　　1.1 ARM处理器

　　ARM处理器的三大特点：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。ARM处理器使用大量寄存器，指令执行Thumb (16位)/ARM (32位)双指令集速度更快，大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率高。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。

　　1.2 电解原理

　　本设计利用电化学阳极溶解的原理实现对金属棒的切割。以切割纯铁棒为例，作为阴极的不锈钢电极，将外电路输送来的电子与电解质溶液(采用饱和氯化钠溶液)中的正离子发生还原反应：

　　2H++2e-H2 ↑

　　(1)

　　纯铁棒作为阳极，发生氧化反应：

　　Fe-2e-Fe2+(2)

　　因电解质中氢离子被还原，推动水自身电离反应向右进行：

　　H2O<-->H+OH-

　　(3)

　　因(l)和(3)过程同时进行，电解液的pH增大。

　　因(2)和(3)过程同时进行，环形间隙中生成氢氧化亚铁。

　　Fe2+ +20H=_Fe(OH)2 ↓

　　(4)

　　电解液循环流动，在散热器中温度下降，空气中氧气溶解，因反应(4)，氢氧化亚铁进一步发生反应，生成氢氧化铁：

　　4Fe(OH)2+2H20+02=4Fe(OH)3

　　(5)

　　常温下，Fe(OH)3在pH<4时完全沉淀，实现金属棒材表面的逐层蚀除，最终达到切断的目的。

　　1.3 控制系统方案設计

　　主控制器采用树莓派3代B型。仪器上电后，使用移动设备连接树莓派，通过网页可以实时控制水泵、风扇、电源的开关，并在前端实时监测由诸多传感器传回的数据，通过预置的优化算法，拟合最佳方案。通过控制驱动的方法间接控制电解液浓度，以达到最佳的切割效果。

　　2 无线电切割仪设计方案

　　2.1 仪器硬件设计

　　2.1.1 主控制器设计

　　树莓派3代B型(简称为RPi3 B)使用广泛。RPi3 B处理器是到了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和蓝牙4.1等功能，这种配置更适用物联网等多种工作环境。除此之外，这款CPU不仅能应用全系列ARM GNUiLinux发行版，且内部的程序存储器较为先进、运行稳定。

　　2.1.2 电路设计

　　如图l所示。

　　本设计电路原理如下：

　　(1) Kl为主开关。接通后电源1工作，为控制电路供电，电源指示灯L1点亮。闭合开关K2，水泵M2开始工作。

　　(2)若电解液储槽液位达到阈值，开关S1闭合，接通继电器J2线圈电路，J2的可动触点接合动触点，此时若闭合工作开关K3，J1线圈电路接通，开关电源2即工作，为电解供电，指示灯L3点亮，电解电压、电流分别显示于电压表V、电流表A。

　　(3)若电解液储槽液位不足以使SI闭合，则J2的可动触点保持接触静触点，接通报警回路。蜂鸣器SPK播放警示音，L2点亮。

　　(4)电解液温度达到设定阈值时，温控开关S2闭合，接通冷却回路，风扇Ml工作，温度低于设定值S2断开，风扇M1停止工作。

　　本作品采用由J1、J2构成的顺序控制电路，结构简单，在工况下不易损坏。在条件不变时，电解液电阻与电解液液温负相关;因法拉第原理，电解速率与单位面积上电流密度正相关，故电解速率与电解液液温正相关。因此，温控开关阈值不宜设置过低。

　　附技术指标：

　　温控开关阈值：30-70℃(可调);

　　水位开关阈值1Ocm，合约600mL电解液

　　水箱最大容积：IL;