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自动超声波工业清洗机的研制【极速大发排列5】

2019-11-18

为满足某企业对缸套零件清洗内外表面质量要求高、日清洗量大、尽量减少人工操作的要求,应用超声波清洗技术,结合机械、气动和PLC技术,研制了一种四槽五臂式龙门自动超声波清洗装置。该设备利用机械臂实现工装篮在多个清洗槽间自动传送并送入烘道,依次完成取料、超声粗洗、超声精洗、鼓泡漂洗、防锈处理工序,最后在烘道传送链下,完成密闭烘干并自动出料。其控制系统选用PLC和触摸屏相结合,并对PLC电气控制系统进行详细阐述。该设备投入使用后,运行可靠,清洗清洁度高且一致好,生产效率高,除人工上下料外,实现了自动化,大大减轻了劳动强度,满足批量化生产要求。

0前言

工业清洗是指通过物理、化学等方法去除零件污染物或覆盖层而使其恢复一定洁净程度的过程。机械零件常用的清洗方法有浸洗刷洗、压力清洗、振动清洗等,它们往往劳动强度大、清洗环境比较恶劣、污染大,且效果不稳定、生产效率低,已与现代化大生产不相适,必须采用更先进的清洗方式。随着超声波技术的发展和电源器件技术的日益成熟,超声波清洗已成为可能。目前超声波清洗从原先体积小、质量轻的电子元件开始进入更大、更脏、更重的机械零件清洗。

某企业需清洗内燃机气缸缸套零件,外形尺寸65mm×135mm,清洗要求是去除内外表面油污,不损坏表面光滑度、硬度,边沿不能有磕伤,日清洗量3000只,尽量减少人工操作。

1、超声波清洗机的工作原理

超声波清洗机主要由超声波发生器、换能器和清洗槽组成。图1是超声波清洗机的原理图,超声波发生器产生大于20kHz的超音频电信号,通过换能器转换为同频率的机械振动,并以超音频纵波形式在清洗液中辐射,超声空化效应下产生无数可高达上千大气压力的微小气泡成对零件表面细微局部高压轰击,零件上的污物在空化侵蚀、乳化和搅拌作用下,加之以适宜的温度、时间及清洗液的化学作用,零件表面及缝隙间的污垢被迅速剥离,从而达到清洗的目的[2-3]。

2、总体结构设计

根据企业提出的清洗要求,采用超声波清洗技术,由多个清洗槽组成的清洗加烘干自动生产线结构如图2所示。主要有取料、清洗、烘干、出料4个阶段。清洗由超声粗洗、超声精洗、鼓泡漂洗、防锈个工序,分别设计有超声粗洗槽、超声精洗槽、鼓泡漂洗槽、防锈槽4个清洗槽。被洗零件借助工装网篮在各清洗槽间传送时依靠机械臂,共有5个机械臂设计成龙门结构,布置在清洗槽上方。机械臂由提升电机带动沿导轨上下移动,由平移电机带动作水平移动。烘干在密闭烘箱内进行,内部有加热管,并有热风循环,烘箱底部有链条传送机构,完成工装篮传送;烘箱顶部、侧面各设有门,分别用于进料和出料,进料门、出料门分别由气缸控制其开启与关闭。

该清洗机总体结构设计为四槽五臂式龙门超声波清洗装置,4个清洗槽材料为USU304不锈钢,各清洗槽根据各自需要分别配备贮液槽、循环过滤系统、加热系统等;5个机械臂可实现上下、左右运动,完成提篮放篮、上钩下钩或前进后退动作,左右运动由减速电动机与齿条及线性滑轨实现,动作平稳准确;

5个机械臂同时动作,清洗机多工位同时工作,按一定的生产节拍(如3min,可调)自动完成零件从取料、清洗、烘干、出料的全过程,控制系统由可编程控制器控制,可靠性高,系统柔性好。

该超声波清洗机主要用于小零件多件清洗或大工件的清洗,其主要技术参数为:超声波功率为4.5kW×2,工作频率为28kHz;工作槽电加热功率为3.0kW×4;过滤循环泵功率为0.37kW×4;龙门机械多臂提升电机功率为3kW×1,平移电机功率为0.75kW×1;烘箱传动电机功率为1.1kW×1;烘干循环风机功率为2.2kW×2;烘干功率为6kW×12(加热管功率6kW);单工装篮负荷:≤2000N;机械臂提升质量:≥250kg×5;工装篮尺寸:500mm×500mm×250mm;清洗槽尺寸:750mm×700mm×750mm。

整个清洗工艺流程为:(1)取料;(2)超声粗洗(40~50℃);(3)超声精洗(40~50℃);(4)鼓泡漂洗(70~80℃);(5)防锈(70~80℃);(6)密闭烘干(30~120℃);(7)出料。

该工艺适合多数场合,超声波清洗工艺采用水基清洗剂,并进行加温,加快污物的溶解和分散,经过两次超声波清洗,零件的油污基本去除;鼓泡漂洗通过鼓泡使槽内的清水活动起来,加速去除零件表面所残留的清洗介质,使零件呈完全中性;再进行防锈处理,可以保证零件在装配时不再生锈;对防锈处理好的零件进行快速热风烘干。

3、气压系统设计

密闭烘箱上顶部的进料门、侧部的出料门是由气缸驱动实现开门、关门动作的。压缩空气经截止阀、气动三联件、二位五通电磁换向阀进入气缸,用单向节流阀调节气缸的运动速度,即开门关门速度,同时也起背压作用,保证气缸运行平稳。

4、电气控制系统设计

4.1主电路设计

根据超声波清洗机工作要求,机械臂上下、左右运动分别由提升电机、平移电机拖动,工装篮在烘箱内传送由烘干传送电机拖动,另还有循环风机、4个工作槽液循环过滤泵电机、4个工作槽及烘箱加热控制,主电路设计如图4所示,因为不存在变速要求,电机选用三相交流异步电动机。

4.2控制电路设计停止加热。

超声波清洗机电气控制系统采用工业级PLC作为控制器,触摸屏为人机界面,实现全程工作的操作和监控。其控制系统结构框图如图5所示[5-6],可编程控制器与触摸屏之间通过通信线相连,PLC接收触摸屏上的操作控制以及现场位置检测等控制信号,通过PLC程序控制,输出控制通过继电器,使接触器、电磁阀动作,最终使电动机、风机、泵、超声波、气缸等工作,同时在触摸屏上显示PLC控制结果和运行信息,实现生产过程动态监视。另外,由于对各工作槽液及烘箱温度控制精度要求不高,考虑成本,采用温控仪加接触器控制方式,在温控仪上整定所需温度,热敏元件检测被控温度,当温度高于整定值时,温控仪内部动断触点断开,接触器断开加热器电源,

4.2.1PLC、触摸屏选型

PLC输入信号为控制按钮、位置检测信号,控制按钮包括急停按钮、启动按钮;检测信号有:上料位检测、出料位检测,机械臂上、下、前、后4个终端限位(保护用),机械臂上、下、前、后、上钩、下钩6个到位信号,进、出料门共4个开、关到位信号,4个储液槽(超声粗洗、超声精洗、鼓泡漂洗、防锈)油低液位检测,共20个。PLC输出信号通过中间继电器控制接触器,使平移电动机、提升电动机、传送电动机、循环风机、4个循环过滤泵工作;2个超声波(粗洗、精洗)电源得电;2个电磁阀得电;PLC输出信号另有运行、故障、上下料提示3个指示灯及1个蜂鸣器,共18个。可编程控制器选日本三菱公司FX3U-48MR,人机界面选昆仑通态触摸屏TPC7062KX。

4.2.2PLC程序设计

PLC程序包括初始化、手动、自动三大部分,初始化程序主要使龙门机械臂回原点,自动工作前,必须执行回原点操作。手动程序与自动程序用转换开关进行切换,手动程序主要用于清洗前的调整和部分功能的检测,自动程序可用于整个清洗流程的自动运行,并设有启动和急停功能。

自动程序:龙门臂归零点,当上料位检测检测到信号后,按下启动按钮,自动工作顺序为:(1)取料;(2)超声粗洗;(3)超声精洗;(4)鼓泡漂洗;(5)防锈处理;(6)密封烘干;(7)出料。自动清洗流程。在自动工作过程中,清洗过程循环进行,若出现粗洗槽、精洗槽、漂洗槽缺水或出料堆积,则自动停止,并等待故障解除后继续。零件在各工位间是靠机械臂传送的,其中,从1→2、2→3、3→4、4→5、5→6动作是由5个机械臂来完成,5个机械臂同时动作。

超声粗洗:机械臂动作依次下降(触动下到位)→向前上钩(触动上钩位)→上升(触动上到位)→前移(触动前到位)→下降(触动下到位)→后移下钩(触动下钩位)→上升(触动上到位),此时进行超声粗洗,接着机械臂后移(触动后到位),原位停止,等待超声粗洗结束。超声精洗、鼓泡漂洗、防锈处理机械臂的动作同超声粗洗。

密封烘干:机械臂动作依次下降(触动下到位)→向前上钩(触动上钩位)→上升(触动上到位)→前移(触动前到位),此时进料门气缸打开(气缸上到位磁簧开关),接着机械臂下降(触动下到位)→后移下钩(触动下钩位)→上升(触动上到位),此时进料门气缸关闭(气缸上到位磁簧开关),开始进行密闭烘干,接着机械臂后移(触动后到位),原位停止,等待烘干。出料:烘干结束→出料气缸打开→传送电机转动开始传送,自动输送出料→出料气缸关闭,停止等待人工下料。

4.2.3触摸屏界面设计

根据生产工艺的控制要求,用MCGS组态软件进行触摸屏界面设计。触摸屏界面包括初始界面、手动控制界面、自动控制界面、故障报警界面,各界面之间可灵活快速切换。初始界面显示此设备的名称和型号;手动控制界面包括手动控制各动作按钮及其相应工作显示;自动控制界面包括自动控制时各相应动作的显示,粗洗、精洗、漂洗、防锈设置时间以及它们实际工作时间显示等;故障报警界面有各清洗槽缺水、出料堆积等信息,当出现故障时,触摸屏转入报警界面,显示故障信息,以利于故障处理。

5、结束语

根据企业要求设计的四槽五臂式龙门超声波清洗机,能自动完成零件取料、清洗、烘干、出料的全过程,它采用可编程控制器和触摸屏控制,具有高可靠性,可进行工艺调整,具有一定的柔性,更利于设备的操作和维护。设备投入使用后,运行可靠,清洗清洁度高且一致好,同时清洗效率高,除人工上下料外,实现了自动化,大大减轻了工人劳动强度,满足企业批量化生产要求。该设备适合工业中大零件清洗或小零件多件清洗,修改控制参数或更换清洗液也可用于其他机械零部件的清洗。