摘要：為了實現(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)計和自動控制系統(tǒng)設(shè)計。
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、浪費水資源，工人勞動強(qiáng)度大，而且由于沖洗壓力不夠，往往達(dá)不到?jīng)_洗要求。為了實現(xiàn)工廠大中型箱體零件的自動化清洗，我們設(shè)計了全自動高壓零件清洗設(shè)備。
該設(shè)備借助于高精度模擬量輸出超聲波傳感器實時采集高壓噴頭和箱體表面的位置信號，PLC讀取該信號后和目標(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)電動機(jī)的控制指令，最終通過步進(jìn)電動機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來保證要求的沖洗距離，使整個過程中高壓噴頭和零件保持等距，從而實現(xiàn)零件各面都有良好的沖洗效果。
全自動高壓清洗設(shè)備主要由機(jī)械傳動系統(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)計如圖1所示。
機(jī)械傳動系統(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)的最大特點是噴水機(jī)構(gòu)能根據(jù)箱體的外形尺寸自動調(diào)整距離，保證整個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)行實時調(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，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，龍門停止繼續(xù)移動，同時“7”形桿向脫離工件表面方向移動，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產(chǎn)生大量霧狀液體，傳感器受其干擾嚴(yán)重，同時存在設(shè)備運行環(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)定的運行。
設(shè)計電氣控制系統(tǒng)時，為了保證清洗過程中對位置的精確控制，考慮到性價比因素，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?，F(xiàn)在市場上大多為全數(shù)字伺服驅(qū)動或模擬量伺服驅(qū)動，這兩種控制方式都可以很精確的控制坐標(biāo)軸位置，但價格昂貴，對于清洗設(shè)備來說性價比不高。步進(jìn)電動機(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)這個缺點，加入了計數(shù)鏈輪作位置反饋，實現(xiàn)了每個坐標(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、輸出點除傳感器的模擬量輸入，其余均為開關(guān)量，整個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，實現(xiàn)整個過程的自動控制。外加模擬量輸入模塊來采集傳感器的反饋信號。
在本系統(tǒng)中輸入點較多，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為FX2N-2AD。該型PLC提供64個輸入點和64個輸出點，晶體管輸出方式。三菱PLC的編程指令簡單易懂且程序設(shè)計靈活，可采用梯形圖或者指令語言進(jìn)行軟件設(shè)計。部分輸入、輸出點分配方案如附表所示。
輸入、輸出點分配表
輸入點輸入點描述輸出點輸出點描述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龍門鏈輪計數(shù)Y004 Y軸旋轉(zhuǎn)方向X005自動按鈕Y005 Z軸旋轉(zhuǎn)方向X006手動按鈕Y006離心泵運轉(zhuǎn)X007噴水循環(huán)按鈕Y007高壓水泵電機(jī)運轉(zhuǎn)X010風(fēng)干循環(huán)按鈕Y010風(fēng)干電機(jī)運轉(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手動按鈕指示燈X014小車右移按鈕Y014自動按鈕指示燈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號傳感器X031 2號傳感器X032 3號傳感器X033 4號傳感器X034 5號傳感器X035 6號傳感器X036 7號傳感器X037 8號傳感器
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)，加入了一些點動按鈕，可以對龍門的縱向和橫向移動以及噴水“7”形桿的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行點動操作；而且為了保證最佳的清洗效果，針對不同類型的零件，可以選擇全自動方式或者手動干預(yù)方式進(jìn)行清洗。
全自動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，清洗動作就會全自動的按照工藝流程進(jìn)行高壓沖洗和最后的風(fēng)干動作；當(dāng)某一個零件上面鐵屑比較多，或者遇到比較難清洗的零件，自動清洗模式達(dá)不到清洗要求，這時就可以選擇手動干預(yù)模式，可以先選擇操作面板上的“手動方式”按鈕，然后選擇“噴水循環(huán)”，這時按一次“清洗開始”按鈕，就會進(jìn)行一次高壓清洗動作，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)所包括的動作。
離心泵（Y06)啟動，兩秒后高壓泵(Y07)啟動，同時龍門向零件后部移動，當(dāng)縱向前光電開關(guān)（X00)從0變1時，鏈輪計數(shù)器C100通過計數(shù)開關(guān)（X04)計數(shù)。當(dāng)縱向后光電開關(guān)(X01)從0變1時，計數(shù)結(jié)束，并將計數(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)龍門移動到零件前后兩端時為了避免“7”形桿旋轉(zhuǎn)碰到零件龍門多移動的距離）；D2是風(fēng)干循環(huán)時龍門移動到零件后部時須多走的距離）。
進(jìn)行計算的同時龍門繼續(xù)向零件尾部移動，計數(shù)器C100繼續(xù)計數(shù)，當(dāng)C100=D201時，龍門移動停止，C100清零；“7”形桿旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T1（默認(rèn)1s）延時后開始檢測“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開關(guān)（X25從0變?yōu)?）；小車向右側(cè)移動，移動T2（默認(rèn)1s）延時后開始檢測橫向限位開關(guān)（X20從0變?yōu)?），小車停止運動；“7”形桿再旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T3（默認(rèn)1s）延時后開始檢測X25；龍門向零件前部移動，C101開始計數(shù)，當(dāng)C101=D202時，龍門移動停止，C101清零；“7”形桿旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T4（默認(rèn)1s）延時后開始檢測“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開關(guān)（X25從0變?yōu)?）；小車向左側(cè)移動，移動T5（默認(rèn)1s）延時后開始檢測橫向限位開關(guān)（X20從0變?yōu)?），小車停止運動；“7”形桿旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)T6（默認(rèn)1s）延時后開始檢測“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)的動作順序及相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)，清洗設(shè)備時，程序會嚴(yán)格按照以上的流程進(jìn)行清洗動作，當(dāng)某一個開關(guān)沒有信號應(yīng)答時，清洗過程就會暫停，報警燈亮起，這時需要檢修人員來排除設(shè)備的故障。在設(shè)備運行過程中，幾乎每一個動作都有反饋信號，保證了每個動作的準(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，為了精確控制各個清洗動作，并用指示燈準(zhǔn)確反饋設(shè)備運行情況，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，啟動后還能繼續(xù)斷電前動作，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)備的運行情況。該設(shè)備目前處于最后的調(diào)試階段，相信將來會滿足車間的使用要求。