摘要：為了實(shí)現(xiàn)箱體類零件的高質(zhì)量、高效率清洗，提出用超聲波傳感器和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合的清洗方法，介紹了該清洗機(jī)的工作原理和工藝流程，并對其進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
通過對國內(nèi)各大金屬加工企業(yè)箱體零件沖洗車間的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前還停留在人工沖洗階段，不但效率低、浪費(fèi)水資源，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且由于沖洗壓力不夠，往往達(dá)不到?jīng)_洗要求。為了實(shí)現(xiàn)工廠大中型箱體零件的自動(dòng)化清洗，我們設(shè)計(jì)了全自動(dòng)高壓零件清洗設(shè)備。
該設(shè)備借助于高精度模擬量輸出超聲波傳感器實(shí)時(shí)采集高壓噴頭和箱體表面的位置信號(hào)，PLC讀取該信號(hào)后和目標(biāo)距離對應(yīng)的模擬量進(jìn)行對比，把對比結(jié)果轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令，最終通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來保證要求的沖洗距離，使整個(gè)過程中高壓噴頭和零件保持等距，從而實(shí)現(xiàn)零件各面都有良好的沖洗效果。
全自動(dòng)高壓清洗設(shè)備主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、距離感應(yīng)系統(tǒng)、高壓噴水系統(tǒng)、風(fēng)干系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等5部分組成。其中清洗機(jī)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。
機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是清洗設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)箱體零件的最大外形尺寸確定清洗設(shè)備的尺寸，該范圍內(nèi)的零件均可清洗。該機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是噴水機(jī)構(gòu)能根據(jù)箱體的外形尺寸自動(dòng)調(diào)整距離，保證整個(gè)噴水過程高壓噴嘴和零件距離始終保持在25cm，確保零件的整體清洗效果。
高壓噴水系統(tǒng)中，為了保證清洗效果，選用國外進(jìn)口高壓柱塞泵提供穩(wěn)定可靠的高壓水。對于不同材質(zhì)及不同表面處理情況的工件，要求沖洗壓力不同，通常為人工對調(diào)壓閥進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，操作麻煩，工作效率低。因此，我們在高壓泵出口處連接電液比例調(diào)壓閥，對液體壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，將電位器旋鈕調(diào)至需要的液體壓力指示處，電位器即將對應(yīng)電壓信號(hào)傳輸至比例調(diào)壓閥控制器，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變信號(hào)，驅(qū)使液壓執(zhí)行元件調(diào)節(jié)閥芯位置，改變出口液體壓力，并通過閥芯位移傳感器將位置反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)對高壓泵出口壓力遠(yuǎn)程無極調(diào)節(jié)功能。
圖 1
1.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 2.風(fēng)干系統(tǒng) 3.高壓噴水系統(tǒng) 4.距離感應(yīng)系統(tǒng)
距離感應(yīng)系統(tǒng)中，為了保證清洗效果，設(shè)定整個(gè)噴液過程高壓噴嘴和工件表面始終保持在25cm。但如果工件表面有凸起部位，且超出25cm，噴淋桿就會(huì)撞上工件。所以將傳感器互成90°且成對安裝在噴淋桿上（分別垂直及平行于工件表面）如圖2所示，當(dāng)平行于工件表面的傳感器在25cm內(nèi)感應(yīng)到工件表面有凸起部位時(shí)，龍門停止繼續(xù)移動(dòng)，同時(shí)“7”形桿向脫離工件表面方向移動(dòng)，直到讓出凸起部位為止，避免清洗過程中撞上工件。因高壓噴射清洗劑會(huì)產(chǎn)生大量霧狀液體，傳感器受其干擾嚴(yán)重，同時(shí)存在設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的電磁干擾，所以選用抗干擾和穿透力更強(qiáng)的超聲波傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電傳感器。電纜用屏蔽電纜代替，而且必須保證屏蔽層可靠接地。確保了設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。
設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)時(shí)，為了保證清洗過程中對位置的精確控制，考慮到性價(jià)比因素，選擇帶脈沖發(fā)送功能的PLC和步進(jìn)控制單元作為位置控制單元。現(xiàn)在市場上大多為全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)或模擬量伺服驅(qū)動(dòng)，這兩種控制方式都可以很精確的控制坐標(biāo)軸位置，但價(jià)格昂貴，對于清洗設(shè)備來說性價(jià)比不高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為第一代位置控制單元，穩(wěn)定性和可靠性都取得了很大的發(fā)展，唯一不足之處就是步進(jìn)控制系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋單元，為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，加入了計(jì)數(shù)鏈輪作位置反饋，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)坐標(biāo)軸的閉環(huán)控制。
我們選擇了6組風(fēng)機(jī)裝在龍門的兩個(gè)立柱和橫梁上作為風(fēng)干系統(tǒng)，并特制了“一”形出風(fēng)口提高風(fēng)干強(qiáng)度，待沖洗完成后通過風(fēng)干循環(huán)來對零件進(jìn)行簡單的吹干操作。
（1）PLC選擇：本清洗設(shè)備中的輸入、輸出點(diǎn)除傳感器的模擬量輸入，其余均為開關(guān)量，整個(gè)工藝過程以邏輯順序控制為主，故可選用可編程控制器作為控制單元，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的自動(dòng)控制。外加模擬量輸入模塊來采集傳感器的反饋信號(hào)。
在本系統(tǒng)中輸入點(diǎn)較多，故選用三菱公司的FX3U-128MT/ES-A型控制器，擴(kuò)展模擬量輸入模塊型號(hào)為FX2N-2AD。該型PLC提供64個(gè)輸入點(diǎn)和64個(gè)輸出點(diǎn)，晶體管輸出方式。三菱PLC的編程指令簡單易懂且程序設(shè)計(jì)靈活，可采用梯形圖或者指令語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。部分輸入、輸出點(diǎn)分配方案如附表所示。
輸入、輸出點(diǎn)分配表
輸入點(diǎn)輸入點(diǎn)描述輸出點(diǎn)輸出點(diǎn)描述X000縱向前傳感器Y000 X軸進(jìn)給X001縱向后傳感器Y001 Y軸進(jìn)給X002清洗開始按鈕Y002 Z軸進(jìn)給X003急停按鈕Y003 X軸旋轉(zhuǎn)方向X004龍門鏈輪計(jì)數(shù)Y004 Y軸旋轉(zhuǎn)方向X005自動(dòng)按鈕Y005 Z軸旋轉(zhuǎn)方向X006手動(dòng)按鈕Y006離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)X007噴水循環(huán)按鈕Y007高壓水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)X010風(fēng)干循環(huán)按鈕Y010風(fēng)干電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)X011龍門前移按鈕Y011清洗開始指示燈X012龍門后移按鈕Y012設(shè)備故障指示燈X013小車左移按鈕Y013手動(dòng)按鈕指示燈X014小車右移按鈕Y014自動(dòng)按鈕指示燈X015“7”形桿旋轉(zhuǎn)按鈕Y015噴水循環(huán)指示燈X016三相電動(dòng)機(jī)過載Y016風(fēng)干循環(huán)指示燈X017缺水保護(hù)X020橫向限位開關(guān)X021縱向限位開關(guān)X023初始位開關(guān)X025“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位X030 1號(hào)傳感器X031 2號(hào)傳感器X032 3號(hào)傳感器X033 4號(hào)傳感器X034 5號(hào)傳感器X035 6號(hào)傳感器X036 7號(hào)傳感器X037 8號(hào)傳感器
圖 2
1.固定架 2.噴頭 3.噴淋桿 4.傳感器5.傳感器固定桿 6.傳感器支架
（2）動(dòng)作描述。從分配表可以看出，為了方便設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)，加入了一些點(diǎn)動(dòng)按鈕，可以對龍門的縱向和橫向移動(dòng)以及噴水“7”形桿的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作；而且為了保證最佳的清洗效果，針對不同類型的零件，可以選擇全自動(dòng)方式或者手動(dòng)干預(yù)方式進(jìn)行清洗。
全自動(dòng)清洗方式就是按要求放好零件后，直接按下操作面板上的“清洗開始”按鈕，清洗動(dòng)作就會(huì)全自動(dòng)的按照工藝流程進(jìn)行高壓沖洗和最后的風(fēng)干動(dòng)作；當(dāng)某一個(gè)零件上面鐵屑比較多，或者遇到比較難清洗的零件，自動(dòng)清洗模式達(dá)不到清洗要求，這時(shí)就可以選擇手動(dòng)干預(yù)模式，可以先選擇操作面板上的“手動(dòng)方式”按鈕，然后選擇“噴水循環(huán)”，這時(shí)按一次“清洗開始”按鈕，就會(huì)進(jìn)行一次高壓清洗動(dòng)作，可以重復(fù)按“清洗開始”按鈕，直到零件被徹底清洗干凈，這時(shí)再選擇“風(fēng)干循環(huán)”按鈕，再次按下“清洗開始”按鈕，程序就會(huì)完成后續(xù)的風(fēng)干操作。下面以噴水循環(huán)為例，簡要說明高壓噴水循環(huán)所包括的動(dòng)作。
離心泵（Y06)啟動(dòng)，兩秒后高壓泵(Y07)啟動(dòng)，同時(shí)龍門向零件后部移動(dòng)，當(dāng)縱向前光電開關(guān)（X00)從0變1時(shí)，鏈輪計(jì)數(shù)器C100通過計(jì)數(shù)開關(guān)（X04)計(jì)數(shù)。當(dāng)縱向后光電開關(guān)(X01)從0變1時(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)束，并將計(jì)數(shù)結(jié)果放到寄存器D200中，以D200中的數(shù)作為零件長度的基準(zhǔn)，然后進(jìn)行如下計(jì)算
式中，D200是零件長度基數(shù)；D1是“7”形桿旋轉(zhuǎn)長度基數(shù)（當(dāng)龍門移動(dòng)到零件前后兩端時(shí)為了避免“7”形桿旋轉(zhuǎn)碰到零件龍門多移動(dòng)的距離）；D2是風(fēng)干循環(huán)時(shí)龍門移動(dòng)到零件后部時(shí)須多走的距離）。
進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)龍門繼續(xù)向零件尾部移動(dòng)，計(jì)數(shù)器C100繼續(xù)計(jì)數(shù)，當(dāng)C100=D201時(shí)，龍門移動(dòng)停止，C100清零；“7”形桿旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T1（默認(rèn)1s）延時(shí)后開始檢測“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開關(guān)（X25從0變?yōu)?）；小車向右側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)T2（默認(rèn)1s）延時(shí)后開始檢測橫向限位開關(guān)（X20從0變?yōu)?），小車停止運(yùn)動(dòng)；“7”形桿再旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T3（默認(rèn)1s）延時(shí)后開始檢測X25；龍門向零件前部移動(dòng)，C101開始計(jì)數(shù)，當(dāng)C101=D202時(shí)，龍門移動(dòng)停止，C101清零；“7”形桿旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T4（默認(rèn)1s）延時(shí)后開始檢測“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開關(guān)（X25從0變?yōu)?）；小車向左側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)T5（默認(rèn)1s）延時(shí)后開始檢測橫向限位開關(guān)（X20從0變?yōu)?），小車停止運(yùn)動(dòng)；“7”形桿旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T6（默認(rèn)1s）延時(shí)后開始檢測“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開關(guān)（X25從0變?yōu)?），高壓泵（Y07)停止，噴水循環(huán)結(jié)束。
上述只是噴水循環(huán)的動(dòng)作順序及相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)，清洗設(shè)備時(shí)，程序會(huì)嚴(yán)格按照以上的流程進(jìn)行清洗動(dòng)作，當(dāng)某一個(gè)開關(guān)沒有信號(hào)應(yīng)答時(shí)，清洗過程就會(huì)暫停，報(bào)警燈亮起，這時(shí)需要檢修人員來排除設(shè)備的故障。在設(shè)備運(yùn)行過程中，幾乎每一個(gè)動(dòng)作都有反饋信號(hào)，保證了每個(gè)動(dòng)作的準(zhǔn)確執(zhí)行，而且提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。
（3）PLC程序舉例：如上所述，為了精確控制各個(gè)清洗動(dòng)作，并用指示燈準(zhǔn)確反饋設(shè)備運(yùn)行情況，增加了便于設(shè)備維修的專用程序，因PLC程序篇幅很長，如圖3所示，為以噴水循環(huán)為例簡述的PLC編成情況。
從程序中可以看出，為了保證設(shè)備在突然斷電的情況下，啟動(dòng)后還能繼續(xù)斷電前動(dòng)作，選擇的PLC中間變量全是掉電保存變量。
圖 3
本設(shè)備采用PLC和步進(jìn)單元進(jìn)行控制，維護(hù)方便，可快速調(diào)整設(shè)置參數(shù)及工藝流程，在線監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，外接觸摸屏后可以更清楚的顯示設(shè)備的運(yùn)行情況。該設(shè)備目前處于最后的調(diào)試階段，相信將來會(huì)滿足車間的使用要求。