發(fā)動機(jī)端蓋清洗烘干的PLC控制流程可視化設(shè)計

張 敏，關(guān) 健，林錦坤

（1.廣東理工學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，肇慶 526100；2.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司 設(shè)備維修部，肇慶 526020）

隨著機(jī)械、汽車、電子、信息、能源等領(lǐng)域各類裝備的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了大批性能要求越來越高的機(jī)加工零部件，機(jī)加工零部件的形狀和結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜和精細(xì)，加工精度不斷提高，零件表面層的結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能的要求越來越高[1]。 而汽車發(fā)動機(jī)端蓋形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜，加工出來后需要進(jìn)行深度清洗， 提高其表面質(zhì)量及精度。此次清洗發(fā)動機(jī)端蓋外觀圖如圖1 所示，該端蓋有深孔、多孔、結(jié)構(gòu)復(fù)雜孔，有凸塊、凹槽、不同尺寸的加強(qiáng)筋等。

圖1 發(fā)動機(jī)端蓋實(shí)物圖Fig.1 Physical drawing of engine end cover

該工件采用鑄造的方法生產(chǎn)出來后存在工作表面的尺寸有誤差、表面光潔度不足，螺絲孔和軸承孔需要二次加工和一些必要的管孔滲漏壓力測試等。 而在二次加工過程中，發(fā)動機(jī)端蓋的管孔和表面都會殘留部分油漬和一些金屬碎屑，因此需要深度清洗。 清洗的過程可分多個工序完成，一般采用專用清洗液及高壓水噴淋清洗，清洗完后還要求烘干處理，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，一般采用4～6 個工位完成清洗及烘干全過程。 設(shè)備采用FX3U-80MR 可編程控制器為主控元件，用三菱溫控模塊進(jìn)行溫度的反饋控制，結(jié)合組態(tài)軟件和威綸觸摸屏完成數(shù)據(jù)設(shè)定及統(tǒng)計、設(shè)備輸入和輸出信號的顯示以及設(shè)備故障的報警、提示等界面操作，設(shè)計一套環(huán)形清洗烘干可視化設(shè)備，達(dá)到自動控制目的[2]。 該清洗設(shè)備也成功應(yīng)用在廣東某汽車零部件生產(chǎn)公司的清洗線上。

1 清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)對比分析

清洗設(shè)備在設(shè)計過程中有兩種思路：第一種是U 型結(jié)構(gòu)設(shè)備，該結(jié)構(gòu)采用鏈?zhǔn)捷斔头绞剑赐ㄟ^前后兩對鏈輪帶動2 條鏈條平行且同步運(yùn)行，兩條鏈條之間使用不銹鋼條相隔一定的距離連接起來，由鏈條的傳動帶動專用夾具固定的發(fā)動機(jī)端蓋進(jìn)入各清洗工位，經(jīng)多次清洗后的工件在U 型結(jié)構(gòu)的另一端，經(jīng)多個烘干工位后取出[3]。 U 型清洗機(jī)是雙直線布局，占地面積較大，且由于其機(jī)械傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計采用鏈條定位和分割器定位，因此在定點(diǎn)清洗及精確定位方面清洗效果差；同時，其放置工件和取件是不同工位，不便于人工操作；第二種思路是采用環(huán)形清洗結(jié)構(gòu)設(shè)備，環(huán)形清洗機(jī)將整個環(huán)形轉(zhuǎn)盤均分為6 個工位，采用伺服電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤順時針方向旋轉(zhuǎn)。 該設(shè)備對產(chǎn)品的管道、螺絲孔等較難清洗的部位可以做到精準(zhǔn)的定點(diǎn)清洗，同時方便各清洗工位的密封，并能將清洗、漂洗、風(fēng)干、烘干等多個生產(chǎn)工序合為一體。 該設(shè)計入件工位即為出件工位，在節(jié)省生產(chǎn)場地的同時可以實(shí)現(xiàn)一人操作多臺設(shè)備，大幅提升生產(chǎn)自動化程度，故文中采用環(huán)形清洗機(jī)進(jìn)行工件清洗。

2 環(huán)形清洗機(jī)工位設(shè)計過程分析

環(huán)形清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，可以根據(jù)零件復(fù)雜程度設(shè)計4～6 個工位不等，其中第1 個工位是放件工位，也是取件工位。 經(jīng)過一圈旋轉(zhuǎn)后再從該工位取出清洗完的工件， 并再次放上第2 個待清洗工件。 清洗過程中會用到高壓水柱清洗，且為保證各復(fù)雜管道及深孔的清洗效果， 會定位噴嘴位置，因此設(shè)計專用夾具定位工件，保證清洗過程的安全與可靠。 除了取放件工位外，還應(yīng)設(shè)計噴淋、漂洗、風(fēng)干及烘干等多工位。

2.1 高壓噴淋清洗

該工位是清洗機(jī)的第2 個工位，重點(diǎn)針對工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，從多角度對工件進(jìn)行全方位的高壓噴淋清洗，有對管孔或螺紋孔噴淋的，有對加強(qiáng)筋或凹槽噴淋的。 其中，為到達(dá)較好的清洗效果，負(fù)責(zé)清洗管孔和凹槽的噴頭噴出來的清洗液是柱狀的，負(fù)責(zé)清洗工件表面噴頭噴出的則是傘狀的清洗液，該工位噴淋結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖2 所示。 該工位主要清洗油污和金屬碎屑，故添加了專用的油污清潔劑，為保證清洗效果，壓力要求約在0.8～1.2 MPa之間，清洗時間在30～60 s 不等，具體可視不同的工件而定。 為了增加去油污效果，溫度要求在45～50 ℃左右，對管孔內(nèi)的金屬碎屑的清洗需要高壓柱狀水噴淋，如果是通孔，則還需要主要噴淋的方向從小孔進(jìn)大孔出，否則碎屑容易在小孔端堵塞。

圖2 噴淋結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of spray structure

2.2 清水漂洗

該工位位于高壓噴淋清洗之后，主要是用清水漂洗，該工位對清洗水壓要求略低，但要求水流量大。 同時，要求用熱水漂洗，要加熱水溫，其水溫應(yīng)高于高壓噴淋工位溫度，一般控制在55～60 ℃之間。主要目的是為了提高下一工位的吹干效果，因?yàn)楦邷馗稍镄Ч麅?yōu)于常溫干燥效果。

2.3 吹風(fēng)干燥

該工位的主要目是做到工件的全面干燥，包括管道、螺絲孔、深孔等內(nèi)部的水分干燥。 為到達(dá)較好的風(fēng)干效果，設(shè)計中主要是使用高壓縮空氣，通過噴氣嘴深入孔內(nèi)吹氣，將殘留水分帶出，達(dá)到去除水分及吹風(fēng)干燥的目的。

2.4 烘干工序

由于利用吹風(fēng)干燥的方式不能徹底去除水分，故烘干工序是必要的，該工位是徹底去除水分的有效方法。 烘干時需注意溫度的高低和時間的長短，溫度過低達(dá)不到烘干效果，溫度過高以及時間過長會使鋁合金材料的產(chǎn)品表面顏色泛黃。 溫度與時間的控制根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性而定，一般溫度控制在150 ℃，時間在1 min 以內(nèi)，且采用紅外線加熱管加熱裝置及輻射方式加熱。 為了盡可能避免產(chǎn)品顏色泛黃，一般應(yīng)盡可能降低烘干溫度，但降低溫度后會有機(jī)件不能烘干的現(xiàn)象，為了解決該矛盾，設(shè)備中采用把產(chǎn)品放在一個有加熱和抽真空功能的裝置內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了低氣壓低溫度沸騰，溫度100 ℃以下，氣壓約98 Pa，達(dá)到把水分充分抽干的目的。

3 電氣控制元件選型

為實(shí)現(xiàn)環(huán)形清洗機(jī)的自動控制操作，對控制系統(tǒng)做電路設(shè)計和電氣元器件的選型。根據(jù)PLC 的工作原理及用弱電控制強(qiáng)電的設(shè)計思路，設(shè)計中通過各溫控元件及傳感器采集現(xiàn)場信號傳給PLC 的輸入，經(jīng)過PLC 程序設(shè)計、調(diào)試、運(yùn)行、輸出控制相應(yīng)的中間繼電器， 再由繼電器控制交流接觸器等，從而控制氣閥、馬達(dá)、變頻器等控制元器件[4]。

根據(jù)控制設(shè)備實(shí)際的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的設(shè)計要求，同時充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性等因素，PLC 在選型時其I/O 點(diǎn)數(shù)還應(yīng)留有10%～15%的裕量，故此處選用三菱FX3U-80MR 的PLC[5]。 為實(shí)現(xiàn)可視化控制，方便員工的操作和參數(shù)設(shè)置的量化等，選用威綸觸摸屏及配套的組態(tài)軟件制作控制畫面窗口。

4 可視化畫面設(shè)計

觸摸屏的主要作用是現(xiàn)場及運(yùn)行過程中人機(jī)界面的控制及處理，合理的界面設(shè)計使得直觀、操作方便、穩(wěn)定性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括實(shí)時參數(shù)采集、參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢、診斷及報警、分析和報表及遠(yuǎn)程Web 監(jiān)控等。合理的人機(jī)界面有助于可視化直觀監(jiān)控和減輕操作人員的工作量[6-7]。 清洗機(jī)可根據(jù)用戶需要設(shè)計多個控制和監(jiān)視畫面，此處列舉部分設(shè)計頁面進(jìn)行說明可視化操作。

4.1 密碼登錄界面

現(xiàn)場控制中，為了做好安全防護(hù)，避免其他操作人員誤操作、或避免生產(chǎn)過程中關(guān)健技術(shù)外泄等原因，在進(jìn)入操作頁面之前，一般都會設(shè)計密碼登錄界面。 有些控制系統(tǒng)還會設(shè)計多個安全等級不同的密碼，方便不同等次的管理人員操作。 因此，想要進(jìn)入操作界面， 操作員需要輸入預(yù)置好的有效密碼。 觸摸屏密碼登錄界面如圖3 所示，該頁面也可以查看報警歷史記錄，方便了解設(shè)備的歷史工作情況。 同時，該頁面還設(shè)置了返回主頁按鈕，主頁可根據(jù)設(shè)備公司實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計，一般可寫明公司名稱、設(shè)備名稱、公司地址、公司聯(lián)系電話等信息，讓操作畫面一目了然。

圖3 觸摸屏密碼登錄界面Fig.3 Touchscreen password login interface

4.2 觸摸屏主屏設(shè)計

觸摸屏控制的主屏設(shè)計頁面如圖4 所示，頁面正中把旋轉(zhuǎn)清洗機(jī)轉(zhuǎn)盤的6 個工位均等形象繪出，并在各工位對應(yīng)傳感器的位置設(shè)了指示燈，用于指示每個工位門是否開關(guān)到位， 噴水閥是否動作，加熱開關(guān)是否加熱等等。 頁面左右分槽位設(shè)計各工位門開關(guān)、噴淋開關(guān)、加水開關(guān)、加熱開關(guān)、氣缸升降、風(fēng)機(jī)開關(guān)等多種開關(guān)量。 同時，畫面上下空余位置設(shè)置了啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、水溫報警、轉(zhuǎn)盤復(fù)位、報警解除、手動自動及返回主頁和返回上一頁等多個按鈕開關(guān)[8]。 整個操作頁面形象，現(xiàn)場演示操作簡單，可視化較強(qiáng)，方便操作者操作和觀察。

圖4 觸摸屏主屏設(shè)計圖Fig.4 Design of main screen of touch screen

4.3 參數(shù)設(shè)置及報警顯示

如圖5 所示，觸摸屏設(shè)計了環(huán)形清洗機(jī)中機(jī)械參數(shù)的設(shè)定內(nèi)容，包括了清洗水溫設(shè)定、上下限溫度顯示、 溫度補(bǔ)償給定；1 槽和2 槽的清洗時間顯示、 噴嘴噴淋時間的計時顯示；3 槽、4 槽和5 槽吹干時間顯示；輪轉(zhuǎn)次數(shù)及6 槽等待工件取出的時間顯示等等。 所有需要監(jiān)視及設(shè)計的機(jī)械參數(shù)均可從觸摸屏上進(jìn)行可視化設(shè)置及觀察，該觸摸屏的可視化為工人操作帶來極大便利。

圖5 機(jī)械參數(shù)觸摸屏設(shè)計Fig.5 Mechanical parameters touch screen design

報警是指當(dāng)系統(tǒng)中的某一些量的值超過了所規(guī)定的界限時，系統(tǒng)自動產(chǎn)生相應(yīng)警告信息，表明該量的值已經(jīng)超限，提醒操作人員[9]。

報警歷史記錄的顯示如圖6 所示，該頁面設(shè)置了可以顯示當(dāng)天的報警記錄，同時，也保留了前一天的報警記錄， 每一條報警記錄都明確了報警信息，方便操作者查看，具有較強(qiáng)的可視化功能。

圖6 報警記錄顯示Fig.6 Alarm record display

5 結(jié)語

文中對形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車發(fā)動機(jī)端蓋精加工中去毛刺、雜質(zhì)及油漬提出處理方案，要求實(shí)現(xiàn)清洗、漂洗及烘干自動化操作、通過對比分析U 型結(jié)構(gòu)清洗方案及環(huán)形結(jié)構(gòu)清洗方案優(yōu)缺點(diǎn)，選擇環(huán)形結(jié)構(gòu)清洗機(jī)，環(huán)形清洗機(jī)在對產(chǎn)品的管道、螺絲孔等較難清洗的部位可以做到精準(zhǔn)的定點(diǎn)清洗，能將設(shè)備清洗、漂洗、烘干3 個生產(chǎn)工序合為一體。 并增加觸摸屏，通過設(shè)計密碼設(shè)置界面、觸摸屏主屏設(shè)計頁面、機(jī)械參數(shù)設(shè)置及報警顯示等可視化監(jiān)控畫面，通過觸摸屏對控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設(shè)備輸入和輸出信號狀態(tài)的顯示以及對設(shè)備故障的提示等一系列智能化操作，實(shí)現(xiàn)即時修改及可視化控制，在節(jié)省生產(chǎn)場地的同時可以一人操作多臺設(shè)備，大幅提升自動化程度、生產(chǎn)效率和節(jié)省大量的人工成本。