專利名稱：錘擊式管樁施工自動記錄儀的制作方法
錘擊式管樁施工自動記錄儀，結合了建筑施工技術，機械，傳感技術，計算機，自動控制方面的應用技術，屬機電一體化的技術領域。起參考作用現有技術主要有以下幾個方面1.廣東省建設委員會1991年公布的《建筑地基基礎施工及驗收規程》(GBJ15-201-91)，第四章“錘擊沉管灌注樁”和第六章“鋼筋混凝土預制樁”及第八章“質量檢查和工程驗收的要求”。其中主要依據第四章第4，1.8條沉管深度的控制應符合A.除設計明確規定以樁端標高來控制摩擦的實際樁長外，其它沉管灌注樁，均應以滿足樁端持力層和最后貫入度(或貫入速度)的設計要求來控制樁長，并以樁管的入土深度作參考。B.凡以合適的持力層控制錘擊沉管灌注樁的入土深度者，應同時嚴格控制其最后三陣每十擊的貫入度，最后1米的沉管錘擊數和整根樁的總錘擊數。貫入度和錘擊數和取值可根據試樁或參考當地經驗確定。第六章第四節第6，4.3條預制樁在打入前，應在樁身上設置長度標記(一般以1米為單位)。打樁時應由專職記錄員做好施工記錄，并及時正確填好打樁記錄表。第6.4.14條打樁收錘的控制原則為除設計明確規定樁端標高控制的摩擦樁應保證設計樁長外，其他凡選擇持力層的預制樁，均應以樁的持力層和最后貫入度控制為主，樁的入土深度作為參考。第八章第一節第8，1.6條錘擊沉管灌注樁的質量檢查，除對原材料，混凝土，鋼筋籠等項內容按國際GBJ204-83，國際GBJ107-87以及本規程的有關規定檢測外，尚應對每米沉管錘擊數，最后1米錘擊數，最后貫入度，樁端標高，管內是否進水入土，拔管速度，混凝土灌注量和充盈系數，樁頂及鋼筋籠標高，樁位偏差，或樁質量和單樁承載力等項目進行檢查，填寫沉管灌注樁施工記錄。
第8，1.8條預制樁的質量檢查，除按本規程表6，2.3，表6，2.7和表6，2.8等規定及設計要求檢測外，尚應對每米錘擊數，總錘擊數，最后貫入度，樁端及樁頂標高，入土深度，接頭質量，樁身垂直度等項目進行檢驗，填寫施工記錄。
根據以上規定，預應力鋼筋混凝土管樁和沉管灌注樁的施打，收錘主要是由樁機手和架頭指揮人員按照標準，根據經驗控制，然后由記錄員記錄施工記錄，交由驗收人員進行驗收，而其中每米沉管錘擊數，最后1米錘擊數，總錘擊數，最后貫入度，入土深度數據是主要控打依據和驗收項目，現行測量法是在樁身上預置標志，由記錄員計數統計每米沉管錘擊數，最后1米錘擊數，總錘擊數，采用目測和量尺法測量最后貫入度和入土深度，這種方法誤差很大，基于經濟原因的人為誤報現象也較普遍，嚴重影響了樁基礎的質量。
2.機械方面根據上海工程機械廠制造的簡式柴油錘打樁機和沉管灌注柱機現有機械數據，采用國標零件，設計出讀數機構。該機構采用一條15米長磚繩，裝在錘身上，然后經過前置導索輪，讀數軸，收索輪，由彈簧的伸縮力使繩保持在常繃緊狀態，隨時監測樁錘的施打狀態，進而采集打樁數據。
3.傳感器根據機械工業出版社出版的《機電一體化技術手冊》上冊第5篇檢測技術第1.2.12“光學碼盤式傳感器“原理，采用南韓出品的ENB300型三相輸出旋轉編碼器，其是用光電方法測量角位移的器件，并將角位移轉換成數字代碼形式的電信號，只要確定與其相連的讀數軸的軸徑大小，就可將角位移信號經計算機處理進而換算出線位移的大小。根據其輸出信號的三相性，經分相處理后可分辨出正反轉信號，從而計算出樁錘的反彈數據。得出絕對貫入度。
4.采用TP801AZ80單板計算機，參考西安電子科技大學出版社出版的《微型計算機原理》，野口電子工業株式會社的《TP801AZ80單板計算機使用手冊》，設計出旋轉編碼器辨向電路，采用2塊CTC計數蕊片，8個計數通道，1個PIO并行輸出口，6位LED數字顯示。程序部分共有6K字節，分監控程序，主程序，計算機程序，打印機程序等部分，存放在3塊EPROM蕊片中。
5.自動控制應用主要是計算機對打印機的控打應用，采用TP-UP16型臺式小型點陣式打印機，通過并行接口與280PIO相連，計算機將處理后的打印信號通過280PIO口輸出給打印機，主要參考資料是野口電子工業株式會社出版的《微型點陣式打印機說明書》。錘擊式管樁施工自動記錄儀的作用以往樁基礎施工過程中，預應力鋼筋混凝土管樁和沉管灌注樁的施工由人工控制，將達到設計深度時，工人在管樁上作標記，然后測量最后貫入度，最后1米錘擊數等數據，機手根據這些數據決定是否停機、收錘。這種操作，人為影響因素較多，施工質量往往得不到保證。錘擊式管樁施工自動記錄儀的作用，就是能自動統計總錘擊數，測量最后貫入度，統計入土深度，計算出樁端及樁頂標高，從而為施工指揮人員提供準確的打樁數據，方便機手隨時掌握樁入土情況更為驗收人員提供了樁基礎的直觀質量數據。錘擊式管樁施工自動記錄儀的系統組成錘擊式管樁施工自動記錄儀主要分讀數采集機械部分，計算機控制部分，LED數碼顯示部分，打印輸出部分組成，如

圖15所示管樁的每錘進深由讀數采集機械采取，通過編碼器產生三相數碼信號，輸出到計算機的辨向電路部分；經辨向電路分相后產生正反兩相數碼脈沖，經計算機處理后將每錘進深數據輸出給LED數碼管顯示，并自動統計，計算比較，達到設計要求后將最后結果數據輸出給打印機打印，并出現停機信號提示機手收錘。各部分的詳細說明如下1.(1)讀數原理主要由支架，拉簧(或盤簧)，收索輪，讀數軸，前置導索輪，磚繩，編碼器組成。詳見附圖1。其中1、支架，2、1米拉簧，3、底板2，4、收索輪，5、六角頭螺栓，6、六角頭螺栓，7、1型六角螺母，8、六角頭螺栓，9、前置導索輪，10、軸承座，11、編碼器，12、底板1，13、聯軸器，14、連接塊，15、輪軸，16、軸承座，17、讀數軸，18、磚繩。
樁管的入土情況主要通過處于常繃緊狀態的磚繩傳遞。
磚繩采用絳綸材料做成，彈性小，承受拉力大，大大減少了因磚繩受拉變形而引起的變形誤差。磚繩的開始端安裝在柴油錘錘身的導向塊上或灌注樁樁身上，垂直向下經前置導索輪轉向，再續過讀數軸，末端延到收索輪大徑上。
收索輪有大、小兩徑，小徑部分通過磚繩連接到拉簧上，
拉簧通過磚繩的預拉力施給收索輪小徑部分的扭矩與樁錘導向塊上通過磚繩施給收索輪大徑部分的扭矩方向相反，使磚繩處于常繃緊狀態，當柴油錘向下擊打時，磚繩放松，而預拉緊的拉簧收編使磚繩回收，其線位移通過帶動讀數軸傳給編碼器產生脈沖波，再傳給計算機計數。(2)編碼器輸出脈沖說明ENB300型三相輸出編碼器，轉動一周能發出300個脈沖信號，而讀數軸的接觸點直徑為Φ9.55mm，周長為9.987mm，即1個脈沖代表著0.0999mm的線位移。2.計算機結構(1)輸入結構和顯示結構輸入結構和顯示結構主要由TP80AZ80單板機的現有輕觸式按鍵和6位LED數字顯示管改進而成，輸入鍵主要由0-9數字鍵；清零/暫停鍵，繼續鍵，開始鍵，復位鍵，輸入健，結果鍵組成。該機外形結構見附圖二。6位LED數字顯示管從左到右依次為萬位，仟位，佰位，拾位，個位。由于本裝置內定尺寸單位為毫米，所以最后一位為1/10mm位。
各鍵功能及使用方法如下清零/暫停鍵——使數字清零，并在要求機構暫停計數時起暫停作用。
繼續鍵———— 在機構暫停后，按此鍵可使機構在不清除原有計數數據的情況下繼續接著計數。
開始鍵———— 在輸入要求的三陣錘數據后，按此鍵可使機構開始計數。
復位鍵———— 在機器出現故障時按此鍵，可使機器復位到起始準備狀態。
輸入鍵———— 在確認輸入的設計要求的三陣錘數據無誤后，按此鍵可將數據輸入給計數機內存，并將數據保持至計算機末復位前。
結果鍵———— 當用戶在三陣錘末完成前需要了解已打入深度的三陣錘完成情況時，停止施打后并按動暫停鍵，接著再按下此鍵計算機可將結果經打印機打印出來。用戶了解情況后如需再施工，可在響錘前再次按動開始鍵，計算機可再次在原有數據基礎上自動統計施打情況數據，至達到施打要求為止。
使用方法舉例(以鋼筋預制混凝土管樁的施工為例)，某工地需施打鋼筋混凝土預制樁，經試樁后設計人員設計三陣錘為2mm/每陣，設計總深度18米，預制樁的每根樁長為10米，在本裝置安裝好后可按如下步驟使用本機。
A.打開電源按動“復位”鍵，使計算機復位到準備狀態，顯示出“H”符號。
B.移動按下“000020”鍵，顯示管依次顯示為“00002.0”后，按下“輸入鍵”，使數據輸入給計算機。
C.按下“開始”鍵，打印機打印出“SZ”符號，顯示管呈“H”狀態，表示計算機已準備好計數，這時可起錘施打，在施打過程中顯示管顯示出每錘的打入深度。
D.當打完第一根10米預制樁，機手停錘后，按下“暫停”鍵，暫停計算機的計數，這時可進行換樁，接樁焊接等工作。
E.焊接第二支預制樁工作完成后，機手按下“繼續”鍵，計算機恢復到計數狀態，機手可再次起錘施打。
F.當打到將近18米時，如三陣錘要求并末達到，機手可在停錘后按下“暫停”鍵，然后再按下“結果”鍵，打印機打印出“DI 1 ZEN 00008.0、DI 2 ZEN 00007.0、DI 3 ZEN 00010.0、CS 000041、ZS 17810.0分別表示三陣錘第一陣為8.0mm、第二陣為7.0mm、第三陣為10.0mm、
總錘數41錘、總深度17.8100米、顯示管顯示出“H”提示符，機手了解情況后按下“繼續”鍵，并起錘施打，計算機重新針對三陣錘進行計數。當三陣錘合乎要求后，計算機出現提示符“H”提示機手停機。并自動打印出三陣錘每陣實際深度，重新開始計數后錘數、深度，計錄員將兩次計數的錘數、深度相加就可得出完成此樁的總錘數、總深度。
預制樁的施工主要以三陣錘數據為控打主要依據，所以步驟F往往可省略，由計算機自動計算是否合乎要求提示機手停機。而摩擦樁的施打主要以保證設計樁長為主，步驟F就要經常用到。
(2)線路原理。
A.主機部分。
TP801-A單板機使用Z80作為中央處理單元，時錘(Φ)頻率為1.9968MHZ，便于使用8080A的接口電路，8片4KB的靜態讀寫存貯器RAM，采用2KB的ROM，并帶有存有TFBUG-A留控程序的2716EPROM1只，EPROM插座兩個，可插入4KB的PROM或EPROM；I/O口采用Z80-PIO并行口，全部留給用戶使用，Z80-CTC計數器/定時器1個，除0通道給用戶使用外，其余三個供主機使用。按鍵28個，16個數字鍵，命令鍵12個。
配置6位LED數字顯示，留有6.4×17.8平方厘米布線區給用戶擴展。
B.專用計數辨向電路。
根據錘身在樁身上施打過程中存在著反彈現象，而讀數采集機械部分只能如實地反應錘的擊打實況，所以針對此種現象設計了專用計數辨向電路，數字輸出型旋轉編碼器ENB300型作為檢測讀數軸轉動方向和轉動周長的傳感器。ENB300型輸出相位差90°的三相(A相、B相和E相)數字信號，其中利用A相和B相兩相信號檢測出轉動方向，即檢測出A相相對于B相反轉的轉動方向和在該方向上的轉動周長，該電路的原理圖和時間圖詳見附圖三。
這個電路的動作是，對每個A相和B相信號的各沿(前沿和后沿)外加時標脈沖，而該時標脈沖的前沿同步輸出轉動方向的檢測信號，附圖三時間圖的Q1為時標脈沖，其脈寬由附圖三之原理圖中的C和R確定。讀數軸轉動一次的時標脈沖數為編碼器輸出脈沖數(A相或B相)的4倍。當讀數軸按順時針方向轉動時，轉動方向的檢測信號Q4為高電平，反時針方向轉動時，信號呈低電平，并且轉動方向由順時針方向向反時針方向或由反時針方向向順時針方向變換時，轉動方向控測信號則與讀數軸轉動變換的最初時標脈沖信號的前沿同步，或者從高電平向低電平，或由低電平向高電平分別反轉。利用此鑒別信號，(附圖三之原理圖中的Q4)作為置位脈沖，Q1作為時標脈沖，Q2作為觸發脈沖，在順時針旋轉時輸出Q5與B相的后沿相同的同步脈沖信號，該信號連接到CTC1#計數器的計數口上。在逆時針旋轉時輸出Q6信號給CTC1#計數器的計數口上。
由于反彈數值不可能大于向下貫入度數值，假設逆時針方向為向下貫入度方向，將CTC1#計數值減去CTC2#計數值即可求出絕對向下貫入度的數值。
C.專用打印機接口電路、TPUP-T打印機采用了與CENTRONICS標準兼容的D-25并行接口，由于TPUP-T打印機并沒有專用電纜與Z80的PIO口連接，所以根據TPUP-T的并行接口各引腳信號的定義和Z80PIO口的信號定義制作了專用電纜。其中TPUP-T并行接口各引腳信號的定義和與Z80 PIO的連線如下，信號的邏輯電平為TTL電平。
與PIO引腳號 信號方向相連線 說明數據選通觸發脈沖，1STB入 PB上升沿時讀入數據。234 這些信號分別代表并5 DATAI-8入PA7行數據的第一至第八6-PA0位信息。每個信號當7 其邏輯為“1”時為8 高電平，邏輯為“0”9 時為低電平。
回答脈沖，“低”電平表示數據已被接受10 ACK出懸空 而且打印機準備好接受下一數據。11 BUSY 出PB7“高”電平表示打印機正“忙”不能接受數據。12 PE - 接地 接地。13 SEL出懸空 經電阻上接“高”電平。15 ERR出懸空 經電阻上接“高”電平。14-17 NC - 未接 未接。18-25 GND- 接地 接地。邏輯“0”水平。
(其中入表示輸入到打印機，“出”表示從打印機輸出。)而Z80PIO用到的引腳分別如下PA7-PA0A端口總線，(雙向、三態)用來在
PIO與外設之間傳遞數據/或控制信息。可工作于輸出、輸入、雙向、位控四種方式。PB7-PB0B端口總線，功能除了無雙向方式外，具有A口的另三種工作方式。
將Z80PIO的A端口定義在方式0(輸出方式)下工作，其方式控制字為00001111，即OFH。專門用來向打印機傳送數據，它與打印接口的DATA1-8所相連。它使CPU寫至端口輸出寄存器的任何數據能進入端口數據線。輸出寄存器的內寄任何時刻都可被CPU用輸出一個新的數據來改變。同時，輸出寄存器的內容，任何時刻都可由CPU用一個輸入指令讀回CPU。
將Z80PIO的B端口定義在方式3(位控方式)下工作，其方式控制字11001111，即CFH，并將PB7端口線作為輸入線，用來輸入打印機的BUSY輸出信號。其余PB6-PB0端口線作為輸出線，其中PB1與打印口的STB線相連，作為打印口讀入數據的控制線。當PB1從1-0變化時，打印口的STB線，可令Z8OPIOA端口的輸出寄存器中的數據輸入給打印口的打印寄存器中。打印控制程序框圖見附圖103.整機程序結構、程序部分按程序作用來分主要分監控程序和執行程序兩大部分，其總體框圖見附圖4。
而其中顯示程序見附圖5、鍵盤程序見附圖6、數字鍵、輸入鍵功能程序見附圖7、結果鍵程序見附圖8、暫停鍵功能程序見附圖9、打印控制程序見附圖10、繼續鍵程序見附圖11、開始計數程序見附圖12、采集程序見附圖13。五.實現該產品功能的最好方式、A.輸入數據說明由于Z80單板機的電子顯示功能所限，所輸入的三陣錘每陣設計數據只能從左到右顯示。又由于該產品設計精確度為1/10毫米，所以最后一位顯示管為小數位。而三陣錘每陣貫入度設計經驗一般為設計到厘米，所以無具體數值的部分必須輸入零。例如一工地設計三陣錘每陣貫入度為8厘米，所以輸入值為00080.0。另外如遇到打摩擦樁或灌注樁的工地，可輸入總深為參考值例如一工地設計樁總深度為18米，輸入值為18000.0。B.安裝注意事項、①安裝位置說明記錄儀的安裝分機械和計算機的安裝。
機械部分的安裝整個安裝示意圖見附圖14，其中1、行架滾筒，2、樁機底架，3、計算機架，4、機手座，5、立架，6、柴油錘，7、導軌，8、讀數機構，9、連接塊，10、小鉤，11、拉簧，12、拉簧固定塊，13、計算機，14、底架橫梁，15、錘身導向塊。其中起傳動作用的磚線的繞法是非常重要的，磚線的A端連接在焊接在錘身導向塊上的連接塊上。垂直地向下引入到前置導索輪上，由底向上繞一圈后引到讀數軸上，再由底向上繞一圈后引入到收索輪上。在這里需注意的是收索輪上的輪軸上的磚線引出端在上方，引出后連接在拉簧上，拉簧必須有足夠預緊力能使磚線崩直，具體的線繞法在附圖1。
機械部分的安裝主要安裝在框架式錘架的下面，焊接在架身上轉向定滑輪的旁邊，拉簧的固定塊安裝在收索輪中心軸線向后3M到3.5M處，(見附圖14)。而整個機械部分的安裝位置建議用如下辦法確定先在錘身導向塊上的連接塊上縛一條磚線，下端掛一小錐錘垂直向下放松，停止擺動后的小錐錘錐尖必須觸到前置導索輪的C點(見附圖14)，整個機械部分再以該點向后垂直焊接，并注意避免不要防礙其它鋼纜的工作，此時的位置即為正確的安裝位置。
整個機構的安裝必須在打第一根樁前安裝完畢，這樣當拉起錘身時才能帶動磚線拉長拉簧，才能使拉簧有足夠的收縮力提供給磚線，使收索輪起收索作用，才能使磚線有足夠的摩擦力帶動該數軸的轉動。
計算機的安裝計算機安放在機手操作臺的旁邊，最好是專作一個安放架固定計算機。
②計算機電源的連接建議從樁機上的電閘箱的電閘上專門引出一個220V的家用電源，提供給系統工作。3.施工過程中的使用注意事項①開樁前注意事項在開始施打第一支樁前必須安裝好整個記錄儀，并輸入設計數據，按下輸入鍵和開始鍵，待打印機打印完“SZ”后才能進入計數功能。
②接樁時注意事項由于接樁工作耗時長，而且錘身須重新提高才能接樁，所以在上一根樁打完后立即按下暫停鍵，暫停其計數功能。待起錘焊接樁，冷卻完畢后，再接著施打之前才能按下繼續鍵繼續開始其計數功能。在使用送樁器時也需按下暫停鍵，裝好送樁器后才能按下繼續鍵繼續其計數功能。否則記錄儀會出現計數錯誤現象。
③每打完一支樁后不需重新輸入設計值，在“H”提示符出現的前提下再按一次開始鍵使可繼續其工作。當然在斷電或因出現故障而按下復位鍵之后出現“H”提示符，則必須重新輸入設計值，后才能開始計數。這是因為斷電和復位能導致原先輸入的設計值遺失。
④幾個常見故障的排除方法A.開機后出現“P”提示符而不是“H”提示符，可按下復位鍵則出現“H”提示符。
B.如在施工過程中磚線斷，只能停錘更換該條磚線并重新纏繞，千萬不能將折斷兩頭打結再用，否則打結處會勾住磚線而阻礙該數軸的正常轉動，或令磚線再次折斷。
C.如打印時發生故障，打印一些雜亂的符號時，應按下打印機上的SEL鍵，中斷打印機的打印，并檢察打印機與計算機接線頭有沒有斷線，如有重新焊接好即可。
權利要求
1.讀數原理；該專用的機械采集數據機構特征是通過常繃緊的拉簧(或盤簧)施力于收索輪，使其收縮繩索(或起相同作用的導索)，帶動讀數軸轉動，從而帶動編碼器動作，隨時反映樁錘的擊打狀況。要求保護的就是將此讀數原理應用在監測樁錘的擊打狀況的使用權，其范圍包括按照此原理在機械結構上做了改變后再用于監測樁錘的擊打狀況。
2.線路原理該電路的特征是在專用辯向電路產生辯向信號后，利用其辯向信號控制D觸發器輸出反轉脈沖，該反轉脈沖再輸入給計數器計數，另一計數器記錄正反轉總脈沖，在程序上將脈沖數相減后即得出絕對位移脈沖，將脈沖經CPU處理后通過專用打印機接口電路輸出給TPUP-T打印機打印結果。要求保護的就是將此線路原理用于處理三相(或二相)編碼器監測到樁錘擊打狀況信號的使用權。
3.整機程序整機程序包括監控程序和執行程序兩大部份，監控程序負責監控各鍵是否閉合以及顯示功能；執行程序負責各功能鍵的功能執行。要求保護的就是根據附圖4至附圖13的程序框圖原理所編寫該程序的使用權。
全文摘要
錘擊式管樁施工自動記錄儀,屬機電一體化的技術領域。它將管樁的每錘進深通過專用的采集機械采取,通過編碼器產生兩相數碼信號,輸出到計算機的辨向電路分相后產生正反兩相數碼脈沖,經計算機處理輸出給LED數碼管顯示,判斷達到設計要求后將最后結果數據輸出給打印機打印出來。它能自動統計總錘擊數,入土深度,測量最后貫入度,從而為施工指揮人員和驗收人員提供準確的打樁數據,方便機手隨時掌握樁入土情況。
文檔編號E02D5/38GK1176330SQ96111279
公開日1998年3月18日 申請日期1996年9月6日 優先權日1996年9月6日
發明者黃小彬 申請人:中山市基礎工程公司