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【兆恒機(jī)械】中大型箱體類(lèi)零件清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制研究

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  • 添加日期:2022年08月11日

摘要:為了實(shí)現(xiàn)箱體類(lèi)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(duì)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(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)各大金屬加工企業(yè)箱體零件沖洗車(chē)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?cè)O(shè)計(jì)了全自動(dòng)高壓零件清洗設(shè)備。

1. 工作原理

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(duì)應(yīng)的模擬量進(jìn)行對(duì)比,把對(duì)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(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)保證要求的沖洗距離,使整個(gè)過(guò)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。

2. 總體設(shè)計(jì)

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(guò)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(guó)外進(jìn)口高壓柱塞泵提供穩(wěn)定可靠的高壓水。對(duì)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(duì)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?cè)诟邏罕贸隹谔庍B接電液比例調(diào)壓閥,對(duì)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(duì)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(guò)閥芯位移傳感器將位置反饋給控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓泵出口壓力遠(yuǎn)程無(wú)極調(diào)節(jié)功能。

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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(guò)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(duì)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(mén)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(guò)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(guò)程中對(duì)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?,F(xiàn)在市場(chǎng)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(duì)于清洗設(shè)備來(lái)說(shuō)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(kāi)環(huán)控制,沒(méi)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(mén)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(guò)風(fēng)干循環(huán)來(lái)對(duì)零件進(jìn)行簡(jiǎn)單的吹干操作。

3. 程序設(shè)計(jì)

(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(kāi)關(guān)量,整個(gè)工藝過(guò)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(guò)程的自動(dòng)控制。外加模擬量輸入模塊來(lái)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(jiǎn)單易懂且程序設(shè)計(jì)靈活,可采用梯形圖或者指令語(yǔ)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(kāi)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(mén)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(mén)前移按鈕Y011清洗開(kāi)始指示燈X012龍門(mén)后移按鈕Y012設(shè)備故障指示燈X013小車(chē)左移按鈕Y013手動(dòng)按鈕指示燈X014小車(chē)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(guò)載Y016風(fēng)干循環(huán)指示燈X017缺水保護(hù)X020橫向限位開(kāi)關(guān)X021縱向限位開(kāi)關(guān)X023初始位開(kāi)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

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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(duì)龍門(mén)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(duì)不同類(lèi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiǎn)要說(shuō)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(mén)向零件后部移動(dòng),當(dāng)縱向前光電開(kāi)關(guān)(X00)從0變1時(shí),鏈輪計(jì)數(shù)器C100通過(guò)計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)(X04)計(jì)數(shù)。當(dāng)縱向后光電開(kāi)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(zhǎng)度的基準(zhǔn),然后進(jìn)行如下計(jì)算

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式中,D200是零件長(zhǎng)度基數(shù);D1是“7”形桿旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)度基數(shù)(當(dāng)龍門(mén)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(mén)多移動(dòng)的距離);D2是風(fēng)干循環(huán)時(shí)龍門(mén)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(mén)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(mén)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(kāi)始檢測(cè)“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開(kāi)關(guān)(X25從0變?yōu)?);小車(chē)向右側(cè)移動(dòng),移動(dòng)T2(默認(rèn)1s)延時(shí)后開(kāi)始檢測(cè)橫向限位開(kāi)關(guān)(X20從0變?yōu)?),小車(chē)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(kāi)始檢測(cè)X25;龍門(mén)向零件前部移動(dòng),C101開(kāi)始計(jì)數(shù),當(dāng)C101=D202時(shí),龍門(mén)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(kāi)始檢測(cè)“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開(kāi)關(guān)(X25從0變?yōu)?);小車(chē)向左側(cè)移動(dòng),移動(dòng)T5(默認(rèn)1s)延時(shí)后開(kāi)始檢測(cè)橫向限位開(kāi)關(guān)(X20從0變?yōu)?),小車(chē)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(kāi)始檢測(cè)“7”形桿旋轉(zhuǎn)到位開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)沒(méi)有信號(hào)應(yīng)答時(shí),清洗過(guò)程就會(huì)暫停,報(bào)警燈亮起,這時(shí)需要檢修人員來(lái)排除設(shè)備的故障。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(zhuān)用程序,因PLC程序篇幅很長(zhǎng),如圖3所示,為以噴水循環(huán)為例簡(jiǎn)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。

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圖 3

4. 結(jié)語(yǔ)

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(lái)會(huì)滿足車(chē)間的使用要求。