摘要：為了實現箱體類零件的高質量、高效率清洗，提出用超聲波傳感器和步進電機相結合的清洗方法，介紹了該清洗機的工作原理和工藝流程，并對其進行了總體結構設計和自動控制系統設計。
通過對國內各大金屬加工企業箱體零件沖洗車間的調研，發現目前還停留在人工沖洗階段，不但效率低、浪費水資源，工人勞動強度大，而且由于沖洗壓力不夠，往往達不到沖洗要求。為了實現工廠大中型箱體零件的自動化清洗，我們設計了全自動高壓零件清洗設備。
該設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距離對應的模擬量進行對比，把對比結果轉換成步進電動機的控制指令，最終通過步進電動機帶動執行機構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，從而實現零件各面都有良好的沖洗效果。
全自動高壓清洗設備主要由機械傳動系統、距離感應系統、高壓噴水系統、風干系統及電氣控制系統等5部分組成。其中清洗機一體化結構設計如圖1所示。
機械傳動系統是清洗設備的執行機構，根據箱體零件的最大外形尺寸確定清洗設備的尺寸，該范圍內的零件均可清洗。該機構的最大特點是噴水機構能根據箱體的外形尺寸自動調整距離，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。
高壓噴水系統中，為了保證清洗效果，選用國外進口高壓柱塞泵提供穩定可靠的高壓水。對于不同材質及不同表面處理情況的工件，要求沖洗壓力不同，通常為人工對調壓閥進行手動調節，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壓閥，對液體壓力進行實時調節，將電位器旋鈕調至需要的液體壓力指示處，電位器即將對應電壓信號傳輸至比例調壓閥控制器，經放大轉換裝置轉變信號，驅使液壓執行元件調節閥芯位置，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，實現對高壓泵出口壓力遠程無極調節功能。
圖 1
1.機械傳動系統 2.風干系統 3.高壓噴水系統 4.距離感應系統
距離感應系統中，為了保證清洗效果，設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，當平行于工件表面的傳感器在25cm內感應到工件表面有凸起部位時，龍門停止繼續移動，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生大量霧狀液體，傳感器受其干擾嚴重，同時存在設備運行環境的電磁干擾，所以選用抗干擾和穿透力更強的超聲波傳感器代替傳統的光電傳感器。電纜用屏蔽電纜代替，而且必須保證屏蔽層可靠接地。確保了設備安全、穩定的運行。
設計電氣控制系統時，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，選擇帶脈沖發送功能的PLC和步進控制單元作為位置控制單元?，F在市場上大多為全數字伺服驅動或模擬量伺服驅動，這兩種控制方式都可以很精確的控制坐標軸位置，但價格昂貴，對于清洗設備來說性價比不高。步進電動機作為第一代位置控制單元，穩定性和可靠性都取得了很大的發展，唯一不足之處就是步進控制系統是開環控制，沒有位置反饋單元，為了彌補這個缺點，加入了計數鏈輪作位置反饋，實現了每個坐標軸的閉環控制。
我們選擇了6組風機裝在龍門的兩個立柱和橫梁上作為風干系統，并特制了“一”形出風口提高風干強度，待沖洗完成后通過風干循環來對零件進行簡單的吹干操作。
（1）PLC選擇：本清洗設備中的輸入、輸出點除傳感器的模擬量輸入，其余均為開關量，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。
在本系統中輸入點較多，故選用三菱公司的FX3U-128MT/ES-A型控制器，擴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計靈活，可采用梯形圖或者指令語言進行軟件設計。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軸進給X001縱向后傳感器Y001 Y軸進給X002清洗開始按鈕Y002 Z軸進給X003急停按鈕Y003 X軸旋轉方向X004龍門鏈輪計數Y004 Y軸旋轉方向X005自動按鈕Y005 Z軸旋轉方向X006手動按鈕Y006離心泵運轉X007噴水循環按鈕Y007高壓水泵電機運轉X010風干循環按鈕Y010風干電機運轉X011龍門前移按鈕Y011清洗開始指示燈X012龍門后移按鈕Y012設備故障指示燈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”形桿旋轉按鈕Y015噴水循環指示燈X016三相電動機過載Y016風干循環指示燈X017缺水保護X020橫向限位開關X021縱向限位開關X023初始位開關X025“7”形桿旋轉到位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，為了方便設備的調試和維護，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”形桿的旋轉進行點動操作；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方式進行清洗。
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行高壓沖洗和最后的風干動作；當某一個零件上面鐵屑比較多，或者遇到比較難清洗的零件，自動清洗模式達不到清洗要求，這時就可以選擇手動干預模式，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”，這時按一次“清洗開始”按鈕，就會進行一次高壓清洗動作，可以重復按“清洗開始”按鈕，直到零件被徹底清洗干凈，這時再選擇“風干循環”按鈕，再次按下“清洗開始”按鈕，程序就會完成后續的風干操作。下面以噴水循環為例，簡要說明高壓噴水循環所包括的動作。
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，當縱向前光電開關（X00)從0變1時，鏈輪計數器C100通過計數開關（X04)計數。當縱向后光電開關(X01)從0變1時，計數結束，并將計數結果放到寄存器D200中，以D200中的數作為零件長度的基準，然后進行如下計算
式中，D200是零件長度基數；D1是“7”形桿旋轉長度基數（當龍門移動到零件前后兩端時為了避免“7”形桿旋轉碰到零件龍門多移動的距離）；D2是風干循環時龍門移動到零件后部時須多走的距離）。
進行計算的同時龍門繼續向零件尾部移動，計數器C100繼續計數，當C100=D201時，龍門移動停止，C100清零；“7”形桿旋轉90°，旋轉T1（默認1s）延時后開始檢測“7”形桿旋轉到位開關（X25從0變為1）；小車向右側移動，移動T2（默認1s）延時后開始檢測橫向限位開關（X20從0變為1），小車停止運動；“7”形桿再旋轉90°，旋轉T3（默認1s）延時后開始檢測X25；龍門向零件前部移動，C101開始計數，當C101=D202時，龍門移動停止，C101清零；“7”形桿旋轉90°，旋轉T4（默認1s）延時后開始檢測“7”形桿旋轉到位開關（X25從0變為1）；小車向左側移動，移動T5（默認1s）延時后開始檢測橫向限位開關（X20從0變為1），小車停止運動；“7”形桿旋轉90°，旋轉T6（默認1s）延時后開始檢測“7”形桿旋轉到位開關（X25從0變為1），高壓泵（Y07)停止，噴水循環結束。
上述只是噴水循環的動作順序及相應開關狀態，清洗設備時，程序會嚴格按照以上的流程進行清洗動作，當某一個開關沒有信號應答時，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備的故障。在設備運行過程中，幾乎每一個動作都有反饋信號，保證了每個動作的準確執行，而且提高了設備的穩定性和可靠性。
（3）PLC程序舉例：如上所述，為了精確控制各個清洗動作，并用指示燈準確反饋設備運行情況，增加了便于設備維修的專用程序，因PLC程序篇幅很長，如圖3所示，為以噴水循環為例簡述的PLC編成情況。
從程序中可以看出，為了保證設備在突然斷電的情況下，啟動后還能繼續斷電前動作，選擇的PLC中間變量全是掉電保存變量。
圖 3
本設備采用PLC和步進單元進行控制，維護方便，可快速調整設置參數及工藝流程，在線監視系統的工作狀態，外接觸摸屏后可以更清楚的顯示設備的運行情況。該設備目前處于最后的調試階段，相信將來會滿足車間的使用要求。