胡青龍

（無錫中科電氣設(shè)備有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在數(shù)控中心加工過程中，表面會(huì)沾滿切削液或灰塵，致使零部件清潔度無法滿足裝配要求，因此必須清洗零部件以滿足其裝配的要求。由于汽車零部件的復(fù)雜性及切削液的強(qiáng)附性，常規(guī)清洗效果不理想。目前利用超聲波清洗已成為國內(nèi)外最有效的清洗手段，并逐步深入到科技領(lǐng)域的方方面面和多種生產(chǎn)環(huán)節(jié)，特別在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更為普遍[1]。當(dāng)今市場上已有一些采用超聲波原理的清洗設(shè)備，但清洗過程中出現(xiàn)水漬導(dǎo)致清潔無法滿足要求的情況時(shí)有發(fā)生。為此，在借鑒原有超聲波技術(shù)的基礎(chǔ)上增加移動(dòng)噴淋、超聲波次數(shù)、清洗（漂洗）以及移動(dòng)風(fēng)切等工序，研制了新型超聲波清洗機(jī)，旨在實(shí)現(xiàn)汽車零部件清洗的機(jī)械化、自動(dòng)化[2]。

1 工藝順序及控制要求

超聲波清洗機(jī)的任務(wù)是把清洗框中（經(jīng)過檢驗(yàn)員檢測完成）的零部件通過傳動(dòng)電機(jī)運(yùn)送至不同的清洗池中，通過噴淋、超聲波清洗、漂洗以及鼓泡等步驟去除零部件表面污漬，然后通過烘干使其表面干燥光潔，達(dá)到零部件使用的要求。該超聲波清洗機(jī)系統(tǒng)由自動(dòng)加熱、循環(huán)系統(tǒng)和搬運(yùn)傳送3部分組成。設(shè)備在調(diào)試或出現(xiàn)故障時(shí)，可通過手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)單步動(dòng)作或返回設(shè)備到原始狀態(tài)工作位置。

超聲波清洗機(jī)是一種典型的順序控制方式，其工藝流程：人工上料——移動(dòng)噴淋——超聲波清洗——超聲波漂洗——純水超聲漂洗——移動(dòng)風(fēng)切劈水——轉(zhuǎn)移輸送——熱風(fēng)烘干——風(fēng)吹冷卻——人工下料[3]。

超聲波清洗機(jī)的控制部分由觸摸屏（人機(jī)界面）系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)兩部分組成。觸摸屏（人機(jī)界面）系統(tǒng)負(fù)責(zé)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，清洗機(jī)自動(dòng)與手動(dòng)控制狀態(tài)的切換，清洗機(jī)所有設(shè)備的手動(dòng)控制以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴淋水泵、循環(huán)泵、移動(dòng)劈水、加熱器的自動(dòng)開啟；PLC 系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反饋給觸摸屏系統(tǒng)予以顯示，同時(shí)接收觸摸屏系統(tǒng)發(fā)出的啟動(dòng)命令，通過自身的邏輯關(guān)系開啟對應(yīng)的設(shè)備。

1.1 控制要求

當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，操作人員可以通過觸摸屏上面的軟按鈕開啟對應(yīng)的設(shè)備，同時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)，操作人員可以通過觸摸屏上面的“自動(dòng)啟動(dòng)”軟按鈕，啟動(dòng)（清洗、漂洗、純水漂洗）循環(huán)泵以及（清洗、漂洗、純水漂洗）加熱器。循環(huán)泵的作用是使清洗槽內(nèi)的液體流經(jīng)過濾器保持清洗槽內(nèi)水的清潔，需持續(xù)運(yùn)行且受對應(yīng)清洗槽內(nèi)液體液位的控制。當(dāng)液體液位處于低位時(shí)，停止對應(yīng)循環(huán)泵運(yùn)行[4]。

考慮到設(shè)備的安全運(yùn)行，清洗機(jī)的上下料采用人工操作，把需要清洗的工件裝入清洗框中放入清洗準(zhǔn)備位置時(shí)，人工按下系統(tǒng)“啟動(dòng)”按鈕，上料電機(jī)開始運(yùn)行。當(dāng)上料電機(jī)運(yùn)行帶著清洗框遮擋住上料光電時(shí)，上料電機(jī)停止運(yùn)行，傳動(dòng)電機(jī)開始下降運(yùn)行；當(dāng)傳動(dòng)電機(jī)下降到位，掛鉤氣缸前進(jìn)勾住清洗框后，傳動(dòng)電機(jī)開始上升；當(dāng)傳動(dòng)電機(jī)上升到位，前進(jìn)氣缸前進(jìn)使清洗框位于噴淋槽上方，傳動(dòng)電機(jī)開始下降，下降到位，掛鉤氣缸后退，使清洗框脫離掛鉤，傳動(dòng)電機(jī)開始上升，上升到位，前進(jìn)氣缸開始后退，氣缸后退到位[5]。至此，傳動(dòng)電機(jī)的工作已經(jīng)結(jié)束，等待下一個(gè)循環(huán)的來臨。噴淋槽氣動(dòng)門關(guān)閉開始噴淋，清洗槽與漂洗槽超聲波開始超聲清洗，純水漂洗槽內(nèi)的液體利用壓縮空氣進(jìn)行鼓泡漂洗，移動(dòng)風(fēng)切劈水進(jìn)行往返劈水，每個(gè)工序的運(yùn)行都需要計(jì)時(shí)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間到達(dá)設(shè)定值時(shí)停止當(dāng)前工序的運(yùn)行，所有工序的運(yùn)行時(shí)間全部到達(dá)設(shè)定值時(shí)，才代表清洗工作全部完成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方可允許動(dòng)作。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使上料與噴淋槽、清洗槽、漂洗槽、純水漂洗槽、移動(dòng)風(fēng)切槽內(nèi)的清洗籃子同步升降，完成工序的整體移動(dòng)[6]。當(dāng)下一個(gè)清洗籃子進(jìn)入清洗槽時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)回到起始等待位置后停止運(yùn)行，系統(tǒng)開始進(jìn)入清洗工序，同時(shí)第二個(gè)清洗籃子人工準(zhǔn)備就緒；當(dāng)清洗工序全部完成后，狀態(tài)指示燈閃爍報(bào)警后人工按下傳動(dòng)“啟動(dòng)”按鈕，傳動(dòng)開始運(yùn)行，依次類推，由于清洗機(jī)的長度有限，清洗機(jī)清洗部分可以進(jìn)入5個(gè)清洗籃進(jìn)行清洗和劈水。如果想進(jìn)入第6個(gè)清洗籃時(shí)，必須等第一個(gè)進(jìn)入且已經(jīng)清洗好的清洗籃進(jìn)入轉(zhuǎn)移輸送位時(shí)，由輸送電機(jī)自動(dòng)帶入烘干箱后方可進(jìn)行。

需要清洗的工件已經(jīng)清洗完畢，但清洗機(jī)內(nèi)還有5 個(gè)清洗籃子需要處置，如果上料位沒有清洗籃子遮擋光電開關(guān)時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，此時(shí)只需要按下“退料”按鈕，傳送機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)行，下一個(gè)清洗好的工件清洗籃進(jìn)入轉(zhuǎn)移送位，通過輸送電機(jī)自動(dòng)進(jìn)入烘干部分。通過多次退料操作，方可完成清洗槽內(nèi)的工件清洗。待烘干箱內(nèi)所有工件烘干完畢后，下料電機(jī)完成烘干箱內(nèi)部所有工件的下料后方可停止設(shè)備清洗機(jī)，關(guān)閉設(shè)備清洗機(jī)電源。

當(dāng)在清洗機(jī)運(yùn)行過程中按下傳動(dòng)“停止”按鈕，清洗機(jī)停止運(yùn)行，如果需要清洗機(jī)繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，只需按下“啟動(dòng)”按鈕后，清洗機(jī)方可繼續(xù)進(jìn)行工件的清洗工作。

超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 超聲波清洗機(jī)PLC接線圖

圖3 超聲波清洗機(jī)擴(kuò)展模塊接線圖

2 超聲波清洗機(jī)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)超聲波清洗機(jī)的工藝要求及控制需要，清洗機(jī)有如下主要設(shè)備：水槽循環(huán)泵3臺(tái)；上料電機(jī)、下料電機(jī)、輸送電機(jī)各1 臺(tái)；提升電機(jī)1 臺(tái)；噴淋水泵1 臺(tái)；攪拌風(fēng)機(jī)1 臺(tái)；電動(dòng)滾筒4 個(gè)；風(fēng)冷風(fēng)扇6 個(gè)；烘道風(fēng)切電機(jī)1 臺(tái)；3 臺(tái)超聲波；5臺(tái)電加熱。8個(gè)雙線圈電磁閥負(fù)責(zé)8個(gè)氣缸的動(dòng)作；3個(gè)單線圈電磁閥負(fù)責(zé)上下風(fēng)刀劈水和純水漂洗槽的鼓泡。

對I/O做如下分配[7]。

（1）輸入端

啟動(dòng)/緊急停止按鈕，3點(diǎn)；電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及保護(hù)，24點(diǎn)；超聲波運(yùn)行狀態(tài)，3點(diǎn)；電加熱運(yùn)行及保護(hù)，13點(diǎn)；機(jī)構(gòu)限位及氣缸到位，20點(diǎn)；光電傳感器[8]，5點(diǎn)；低液位保護(hù)，7點(diǎn)；上下風(fēng)刀及鼓泡狀態(tài)，3點(diǎn)；照明狀態(tài)，1點(diǎn)，以上輸入共計(jì)79點(diǎn)。

（2）輸出端

系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警，4 點(diǎn)；氣缸運(yùn)行控制，19 點(diǎn)；超聲波運(yùn)行控制，3 點(diǎn)；電加熱控制，10 點(diǎn)；電機(jī)控制，13點(diǎn)，照明，1點(diǎn)，以上輸出共計(jì)50點(diǎn)。

根據(jù)客戶對品牌要求以及性價(jià)比，選擇日本三菱FX3U系列可編程序控制器作為超聲波清洗機(jī)的中央處理單元。結(jié)合輸入/出的點(diǎn)數(shù)數(shù)量，在考慮20%的備用量基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)選用三菱FX3U 系列FX3U-128MR/ES 可編程序控制器作為主控制模塊，2塊FX2N-16EX模塊作為數(shù)字量輸入的擴(kuò)展模塊。

超聲波清洗機(jī)PLC接線圖如圖2所示，擴(kuò)展模塊接線圖如圖3所示。

3 FX3U-128MR/ES

FX 系列PLC 是三菱PLC 家族小型機(jī)的代稱，F(xiàn)X3U 是FX系列中的一種，支持高速處理、CC-Link通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊、模擬量控制及高級(jí)定位系統(tǒng)，通過使用種類豐富的功能擴(kuò)展板及特殊適配器，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，與FX2N相比，功能得到大幅強(qiáng)化與提升。FX3U具有高速運(yùn)算處理能力，如基本指令運(yùn)算達(dá)到0.065 μs /指令，應(yīng)用指令0.642 μs /指令；內(nèi)置程序內(nèi)存達(dá)到64 000 步，使用帶程序傳送功能的閃存存儲(chǔ)器盒可實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)；具有7680 點(diǎn)輔助繼電器、512 點(diǎn)計(jì)時(shí)器、235點(diǎn)計(jì)數(shù)器、8000數(shù)據(jù)寄存器；實(shí)際控制的最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá)到256 點(diǎn)[9]?？梢奆X3U-128MR/ES 可編程序控制器能夠滿足此超聲波清洗機(jī)控制要求。

3.1 元件選擇

根據(jù)超聲波清洗機(jī)的工藝要求，控制系統(tǒng)部分元件選擇如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)部分元件

3.2 控制系統(tǒng)程序邏輯圖

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求繪出清洗機(jī)清洗部分邏輯圖，如圖4所示。

圖4 清洗機(jī)部分邏輯圖

3.3 控制系統(tǒng)梯形圖

根據(jù)超聲波清洗機(jī)控制系統(tǒng)的順序功能圖編寫出系統(tǒng)的梯形圖，如圖5～8所示。

圖5 系統(tǒng)初始化部分程序（回原點(diǎn)程序）

圖6 系統(tǒng)部分手動(dòng)程序

4 結(jié)束語

圖7 系統(tǒng)部分自動(dòng)程序

圖8 系統(tǒng)緊急停止程序

利用超聲波原理設(shè)計(jì)制造的新型清洗機(jī)現(xiàn)場安裝投入使用后，清洗干燥效果滿足設(shè)計(jì)要求，解決了現(xiàn)場其他品牌清洗設(shè)備在清洗干燥過程中存在水漬的現(xiàn)象。該超聲波清洗機(jī)利用PLC作為控制單元，具有操作簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn)，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)成本，得到了客戶的肯定。