缸体自动清洗机控制系统设计.docx
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缸体自动清洗机控制系统设计
毕业设计
缸体自动清洗机控制系统设计
姓名：
焦延虎
学号：
13210025
班级：
13机电1
专业：
机械电子工程
所在系：
机械工程系
指导教师：
张家耕
缸体自动清洗机控制系统设计
摘要
近年来，在我国经济和科技取得飞速发展的同时，各行业对工件的清洗质量要求更加严格，对清洗机工作时的稳定性以及清洗机工作的自动化程度有了更高的标准，工业零部件的清洗也已经逐渐发展成为了一个重要独立的产业。
由于缸体清洗在汽车发动机的整个制造过程当中起着非常大的作用，缸体清洗的质量直接决定了发动机运行的稳定性，故本课题要研究一种高清洁性、高自动化性以及高性价比的缸体自动清洗机。
本课题通过PLC控制系统实现了对整个制造过程的操控，使得清洗设备能够依照制造需求完成对缸体的清洗任务。
不仅提高了清洗质量，同时减小了能量的消耗。
关键词：
缸体；清洗机；PLC；控制系统
DesignofControlSystemforCylinderAutomaticWashingMachine
Abstract
Inrecentyears,China'seconomyandtechnologyintherapiddevelopmentofthesametime,theindustryontheworkpiececleaningqualityrequirementsmorestringent,thestabilityofthewashingmachineworkandthedegreeofautomationofthewashingmachinehasahigherstandard,industrialpartsThecleaninghasalsograduallydevelopedintoanimportantindependentindustry.
Asthecylindercleaninginthecarenginethroughoutthemanufacturingprocesswhichplaysaverybigrole,thequalityofthecylindercleaningdirectlydeterminesthestabilityoftheengineoperation,sothissubjecttostudyahighcleanliness,highautomationandcost-effectiveOfthecylinderautomaticwashingmachine.
ThisprojectthroughthePLCcontrolsystemtoachievetheentiremanufacturingprocesscontrol,makingthecleaningequipmentinaccordancewiththemanufacturingneedsofthecompletionofthecylindercleaningtask.Notonlyimprovethequalityofcleaning,whilereducingtheenergyconsumption.
KeyWords：
Cylinder；Washingmachine；PLC；ControlSystem
第一章绪论
1.1缸体自动清洗机的背景及意义
1.1.1缸体自动清洗机
缸体清洗在汽车发动机的整个制造过程当中起着非常大的作用。
近年来，在我国经济和科技取得飞速发展的同时，工业零部件的清洗也已经逐渐发展成为了一个重要独立的产业。
缸体在发动机的生产过程中不可缺少，它起着重要的作用，其清洗的质量直接决定了发动机运行的稳定性。
这是由于在制造发动机缸体的过程中，加工件会因为环境或者人为因素直接或者间接的发生污染，一旦发动机缸体的表面以及各种孔结构中存在油渍或者废屑等污垢，那么会直接影响后面的为缸体涂防锈油的操作，进而也就降低了缸体的使用时间。
现在，对缸体的清洗主要分为自动式清洗和人工清洗。
如果选择人工清洗缸体，不但会提高工人的作业强度，而且会很大程度降低缸体生产的效率，最重要的是不能保证绝对的清洗质量。
相反，选择了自动式清洗会使缸体的清洗效率和质量得到有效提高，因为自动式清洗是通过缸体自动清洗机来进行工作，而缸体自动清洗机的控制系统采用了发达的自动控制技术，所以在现代缸体的生产过程中缸体自动清洗机必然会取代人工清洗。
如今，缸体清洗有许多种方法，若按照工作的原理分类则有如下几种：
毛刷式清洗、高压喷淋式清洗、超声波清洗技术。
选用毛刷式清洗是针对一些表面不工整的工件，但由于其极易对工件产生划伤，因此不适用于一些精密度要求较高的工件。
选用超声波清洗是针对一些表面形状非常复杂而且精密度要求较高的的工件，缺点是成本太高。
选用高压喷淋式清洗是利用高压环境下喷射出的水流来完成对工件表面和内部缝隙的去除污物处理，其优点是不会轻易划伤工件的表面，而缺点则是由于采用高压水流会使水泵消耗很大的能量因而不利于节能。
综上所述，各种清洗方法都有各自的优缺点，应当根据实际需要在生产过程中选用合适的方法来清洗缸体。
但是由于目前在国内的发动机缸体清洗领域没有针对发动机缸体的孔等部位进行清洗的机器，大多数会选择人工清洗，因此远不能达到预期的清洗目标。
所以本课题的缸体自动清洗机根据缸体清洗的实际需要选用高压喷淋式清洗，利用高压环境下喷射出的水流通过各种喷嘴对应缸体的孔等结构完成喷淋式清洗，进而达到对发动机缸体所有部位清洗的要求。
1.1.2缸体自动清洗机的意义
随着我国科技的发展以及高端设备设计性能的增强，各行业对工件的清洗质量要求更加严格，对清洗机工作时的稳定性以及清洗机工作的自动化程度也有了更高的标准。
因此，研发出一种拥有高效率、高质量以及高度自动化的新型缸体清洗机来完成对加工后零部件的清洗工作有着极高的实践意义。
缸体清洗机的设计包括机械结构系统的设计和电气控制系统的设计[1]。
通过参考国外的先进工艺与主流清洗机结合产品自身的功能需求，清洗机的机械结构系统已经由相关人员设计完成。
本课题的目标是按照缸体清洗的工艺要求设计一套完整的电气控制系统，准备结合实际的生产工艺来合理进行硬件和软件的设计，使整个清洗的过程实现自动化[2]。
在控制系统设计的过程中，关键问题是要把西门子S7-200PLC技术与变频器以及触摸屏技术互相结合在一起，进而设计出一套完整的缸体清洗机电气控制系统来提高生产效率，其具有操作简便、性能稳定的优点。
本课题设计的缸体清洗机一台也仅需要一百多万元的成本，其价格要远低于国外的同类清洗设备，在很大程度上帮助企业降低了成本。
本课题设计完工后再通过硬件设备的安装和软件程序的调试便可以投用于生产线，工作后，它不仅满足了实际生产的需求，而且实现了自动化作业的过程，同时还方便了工作人员的操作步骤。
综上所述，本课题具有十分高的实用价值。
1.2课题的来源
本毕业设计题目来自于生产实践，具有一定的工程实际应用意义。
本课题的设计涉及控制电路设计、PLC技术、程序的设计以及电机控制的综合训练。
当今，随着各大企业的蓬勃发展，为了进一步提高对发动机缸体的清洗工作效率、加大发动机缸体清洗的清洁程度，并对工作人员的环境进行改善，故研究本课题并拟选用最新的自动控制系统来完成对具有批量工件同时进行清洗、吹干、烘干功能的缸体自动清洗机的设计任务。
1.3国内外的发展状况
1.3.1国外的现状
当前，由于国外的缸体自动清洗机同时拥有控制系统稳定、机器的使用寿命长等特点，因此国内很多生产汽车发动机缸体的企业都会选择购买国外的缸体清洗机放置在自己的生产线上使用。
通过对国外的缸体清洗机的研究可以清楚地发现，它们绝大部分还是选用了可编程序控制器（PLC）来完成控制。
可编程序控制器（PLC）是一种特定适用于工业化控制的微型电子计算机，它是可以根据实际生产的要求，随时对要变更的程序进行改编，因此使得整个控制系统拥有很强的稳定性、灵敏性、普遍性。
缸体清洗机要实现对模拟量的控制，而在国外现在已经有部分知名厂家制造的小型PLC备放了模拟量的模块，也就可以在现场进行关于模拟量的数据统计和计算工作，因此国外相关企业制造的缸体清洗机电气系统大部分也都选用PLC进行控制，国外的缸体清洗机应用广泛的知名PLC系列包括OMRONCPM系列（欧姆龙公司）、FX系列（三菱公司）和S7-200/300系列（西门子公司）。
在清洗缸体的生产线上要求保证整个传动过程能够实现随时对速度进行调整，一般情况是通过电动机速度的调整来完成对传动速度的调节，国外的缸体清洗机很多选用变频调速的方法，所谓变频调速是通过对电动机电源频率的改变进而实现电动机转速的改变，以达到调速的目的。
变频调速具有如下特点：
调速效率高、调速范围宽、机械特性较硬，并且能够实现无极调速。
综合比较可以发现国外的缸体清洗机具备如下特点：
（1）系统的性能稳定；
（2）可以实现无极调速；（3）工作人员作业方便。
尽管国外的缸体清洗机具有上述特点，但是购买其一台便需要将近千万人民币，十分昂贵，也就使得企业的制造成本大幅提高，无疑为小型生产企业增加了不小的压力。
1.3.2国内的现状
当前，国内大多数的缸体制造企业正处于成长的阶段，对缸体清洗的质量和清洗的功能没有进一步的要求。
而且，我国的缸体清洗企业没有重视产品的创新研究，总体设计能力较弱，管理者缺乏应有的专业性，仅考虑到了眼前巨大的利益，绝大多数的企业并没有去思考到底该如何才能提高清洗机对加工件的清洗质量，因此使得我国的缸体清洗系列产品无法在国际市场上赢得关注。
国内的缸体清洗机广泛应用于汽车发动机相关行业，但是由于客户不太明白究竟该怎样才能使能量进一步得到利用，于是产生如下影响：
消耗的能量大，清洗效率却很低，原本应当处理掉的污垢去除不了。
为了研制一台耗能低、效率高的清洗设备，如今不少相关企业正在商讨新型设备的研究计划。
放眼国内的整个清洗行业，缸体清洗机的电气控制包括继电器-接触器控制和PLC控制二种方法。
继电器-接触器控制包括继电器、接触器和保护元件，它是通过电气原理图将每个元器件进行安置[3]。
在使用的过程中缺少灵活性，每个装置仅能应用于一个特定的设备，一旦程序有所变化，就得再次进行接线，而且这种控制的信号只有通与断的状态，控制是不连续的。
它不适用于较繁琐的电气控制系统，因为电气控制系统相对繁琐，那么继电器-接触器控制的接线也会变得相对繁琐。
另一方面，由于在清洗机工作过程产生的振动使得线路的接口极易松动，因此继电器-接触器控制在使用过程中故障率会逐渐提高，再结合线路的繁琐，这会不方便进行对清洗机的维修保护工作。
因此，现在国内大多数选用继电器-接触器控制的缸体清洗机正在十分努力地进行自动化系统的升级改造，以便加强系统的稳定性和自动化程度。
1.3.3国内外发展趋势
未来，无论在国内还是国外，缸体清洗机都将会朝着高效性、高清洁性、高环保性等方向不断的发展。
1、高效性：
缸体清洗机是缸体生产线的重要组成部分，在未来，缸体清洗机的整体趋势应当是融入现代化科技的发展，通过网络技术使得缸体清洗机与其他装置进行完美的连接，同时运用先进的计算机技术来实现整个过程的自动操作。
2、高清洁性：
现在的社会，由于人口数量的急剧增加以及工业化产生的污染等一系列原因，环境污染问题早已成为人们讨论的热点，而未来的高质量缸体清洗机将不会存在任何方面的污染问题，所以高度清洁性将成为以后衡量清洗机质量的一项重要指标。
3、高环保性：
地球的有限能源消耗过快，节能减排也就变得非常重要。
缸体自动清洗机在缸体加工的过程中发挥着重大的作用，因此减少缸体清洗机的能量消耗，对于降低大气污染的排放量以及缓解地球的有限能源都有着极其大的意义，所以缸体清洗机的设计必会朝着高度环保的方向发展。
以上的几个小点是在未来研发新型缸体清洗机时需要考虑的问题，这也将会成为企业设计高质量缸体清洗机的指导方向。
1.4主要研究内容
1.根据缸体自动清洗机的主体结构，说明缸体自动清洗机的硬件组成以及工艺流程，并确定硬件设计的具体参数。
2.根据缸体自动清洗机的工艺流程，设计出总体控制的方案，并完成整个控制系统的软件设计。
3.根据安装好电气控制系统的缸体自动清洗机，进行对硬件和软件的调试，并分析调试的结果。
第二章缸体自动清洗机总体研究方案
2.1缸体清洗工艺流程分析和设备总体结构
本课程题目的发动机缸体自动清洗机是特定用来清洗各种复杂形式的缸体。
发动机缸体自动清洗机的主要组成部分为清洗室体、污水槽、过滤水槽、清水槽、过滤系统、喷淋系统、移动清洗装置、热风吹干装置、蒸汽冷凝回收装置、驱动电机和各种零部件。
发动机缸体自动清洗机的基本结构如图2.1所示。
图2.1缸体自动清洗机工艺结构
Fig.2.1Cylinderautomaticcleaningmachineprocessstructure
（1）清洗室体、水槽：
清洗室体和各水槽都设有保温装置，这样可以减少能源的消耗。
清洗室体和各水槽其内部也都衬有厚度约为1.6mm的不锈钢板，这样能够防止其发生腐蚀从而延长使用寿命。
水槽分为污水漕、粗洗水槽和精洗水槽，这样能使污水和清水实现绝对的分离，从而确保清洗零部件的清洗液绝对干净，这对于增强清洁质量有着很大的帮助。
为了能够达到自动控温的目的，在水槽内放置了蒸汽加热器，而为了能够实现自动监控液位，也特意在水槽上方安置了液位控制器。
（2）移动清洗装置和喷淋、过滤系统：
缸体自动清洗机选用了二套系统对缸体进行全方位的清洗[4]。
清洗压力0.7MPa、1.0MPa使得工件的任一部位都能得到二次的清洗，从而保证了清洗的效果。
移动清洗装置选用SMC气缸驱动，西门子接近开关发送讯号，所以定位精确稳定。
喷嘴都是由不锈钢材料制成，通过螺纹进行相互的连接，因此便于日后的拆卸和清理。
对污水进行过滤时，粗过滤一般选用过滤网来进行操作；半精过滤则选用涡旋过滤器来进行操作，并由排屑机完成排污作业；精过滤是选用蓝式过滤器来进行操作，所谓蓝式过滤器，它是依靠不锈钢网袋来进行过滤操作的，通过高磁性材料来完成对铁磁污物的吸附，从而使得过滤的效果有了明显提高。
（3）吹干和热风烘干装置：
缸体自动清洗机会在对应的工位使缸体进行旋转180度，来回往复翻转，同时进行倒水的操作，并选用压缩空气将各处的水分进行吹干。
热风烘干装置是通过把蒸汽作为热量的来源，从而将空气吹干并可以再次利用，用其将工件表面的残留水分进行烘干。
选用压缩空气对表面的水分进行吹干加上热风烘干装置一起组成了干燥系统，从而保证进入下一过程的缸体绝对干燥。
（4）电控系统：
在机器的上料端口设有操作键盘，上料端和下料端同时设有急停开关。
整个电控系统选用西门子S7-200系列PLC作为主要控制器件，从而实现手动控制和自动化控制。
西门子接近开关与SMC压力控制器作为性能较高的检测元件，其与控制程序的完美配合，将会使得清洗机的运行更加稳定。
在手动控制状态时，清洗机的各零部件能够独个运行，主要是为了处理发生意外造成工件没有正确到位的问题。
在自动控制状态时，PLC能够判断机器的运行状态且有自动复位功能，清洗机能够实现自动循环操作。
为了保证上料的精确性和料满停机功能，特在缸体清洗机的上料端和下料端设有相应的识别装置。
该缸体自动清洗机应用在制造缸体的生产线，运送加工件选用了抬起步进机构，其中加工装置和上料端口相连接，检测装置和下料端口相连接。
发动机缸体自动清洗机的生产操作流程如下：
上料端进行上料操作——对缸体的六个面和水套腔进行粗洗——将缸体进行翻转操作180度，完成内腔、螺纹、缸套和油道的清洗，并对缸体的底面进行清洗——完成对顶面的精洗，来回反复对轴孔和油道孔进行清洗——完成对内腔、缸套的高压高频式清洗，同时对水套腔进行精准清洗——来回重复的进行翻转，同时进行倒水操作——选用压缩空气将其进行吹干——在热风吹干装置下进行烘干操作——下料端进行下料操作。
发动机缸体自动清洗机一共细分为10个工位，但可以将其看成由4个主体工位组成，分别是：
（1）上料及翻转工位；
（2）清洗工位；（3）吹干、烘干工位；（4）下料工位。
如图2.2所示。
图2.2清洗机的动作与控制信号
Fig.2.2Theactionandcontrolsignalsofthewasher
2.2缸体自动清洗机控制系统设计方案
系统包括很多部分，但是通常由于其核心技术存在一定的差别，导致控制系统准备研究设计的主体内容可以有很多种。
例如继电器-接触器控制系统的设计，尽管电路原理图起着重要的作用，但是很可能需要投入更多的时间在工艺的设计上。
分别以可编程序控制器和单片机为中心设计的控制系统在构思上就有着非常明显的区别，以单片机为中心设计的控制系统一定需要进行其自身系统的配置，然而可编程序控制器（PLC）就并不需要如此。
可编程序控制器（PLC）电气控制系统和继电器-接触器电气控制系统也存在着明显的区别，其中可编程序控制器设计的优点在于其硬件和软件可以相互独立[5]。
但是，从电控系统的设计需要依据的原则来看，所有控制系统的原则都是相互统一的。
以下为几个代表性的原则：
1.尽可能在最大限度上满足生产工件的需求条件。
2.在达到控制条件的情况下，确保控制系统实现操作、维护的简便性。
3.实现控制系统的性能稳定，具有较强的耐用性。
4.在上面三个前提同时达到的情况下，减少不必要的开支，提高系统在生产实践中的实用性。
2.3缸体自动清洗机控制系统的设计
2.3.1行程控制系统的设计
行程系统中总体是对于缸体移动的操控。
发动机缸体在被进行喷淋清洗前先放置于上料工位，然后通过输送带把发动机缸体运送到清洗工位和吹干、烘干工位中。
缸体的移动在一组液压缸与气缸的配合下进行，缸体进行向上和向下的移动依靠同步液压缸来实现，缸体进行向前进和往后退的移动则是依靠气缸来实现。
缸体移动过程的二个特性：
（1）由于发动机缸体通过输送带移动，因此得确保二个液压缸在上升的过程中始终保持着绝对同步性。
（2）由于气缸能够使得缸体实现向前和往后的移动，而其首次工作时会有较强的振动，有可能把缸体从输送带上振动下来，因此必须确保气缸的稳定性。
行程系统在缸体自动清洗机的整个工作过程起到了很重要的作用。
对清洗机进行清洗与烘干操作需要有条理、有顺序性地进行，因此行程控制系统发挥了巨大的作用。
同时，一个完整的行程控制系统能够提高工件的清洗质量，因此，关于行程提出几点要求：
移动过程保证平稳、确保液压缸的高度同步性并按照规定的步骤实现工艺需求。
行程控制系统的主要功能就是通过液压和气压系统把发动机缸体按设计好的顺序运送到进行清洗操作以及烘干操作的生产线上。
缸体自动清洗机系统包括自动式操作和手动式操作，清洗机正常作业时通过自动式操作来确保对缸体的清洗效率以及对产品的批量式制造。
一旦当缸体自动清洗机进行安装调试时为了对各个部位进行全方位的检查则需要用到手动方式。
如图2.3所示为行程系统的原理接线图，包括接触器、传感器、电器换向阀、气缸等元件。
行程控制系统的原理：
当准备工作完成后，按下启动按钮，KM5处于闭合状态，Y9电磁阀1换向1打开，发动机缸体下降，直到接近传感器时，传感器会根据状态向PLC发送相关讯号，PLC在进行对应的判断处理后给出电磁阀1返回截止位置使得缸体暂停下降的讯号，正式进入清洗状态。
直到清洗操作结束后，PLC给出Y10电磁阀1换向2打开的讯号。
液压缸进入上升状态，直到接近传感器时，传感器会根据状态向PLC发送相关讯号，PLC在进行对应的判断处理后给出电磁阀1返回截止位置的讯号。
此时，PLC给出电磁阀Y11电磁阀2换向1打开的讯号，进行气缸伸展的操作。
等到缸体接近传感器时，传感器会根据状态向PLC发送相关讯号，PLC在进行对应的判断处理后给出电磁阀2返回截止位置的讯号，Y10电磁阀1换向2打开，液压缸进行下降的操作。
直到接近传感器时，传感器会根据状态向PLC发送相关讯号，之后PLC在进行对应的判断处理后给出电磁阀1返回截止位置的讯号。
烘干操作正式开始，等到干燥完成后，PLC给出Y9电磁阀1换向1打开的讯号，液压缸进行上升操作。
等到缸体接近传感器时，传感器会根据状态向PLC发送相关讯号，PLC在进行对应的判断处理后给出电磁阀1返回截止位置的讯号，之后Y12电磁阀2换向2打开，气缸进行向后收缩操作。
等到传感器向PLC发送讯号后，PLC在进行对应的判断处理后给出电磁阀2返回截止位置的讯号。
至此，一次行程循环完成。
图2.3行程控制系统部分电气原理图
Fig.2.3Travelcontrolsystemelectricalschematicdiagram
2.3.2清洗控制系统的设计
清洗系统的一个重要结构便是清洗室，它的核心原理是由清洗室中的喷嘴和编制程序的配合完成对发动机缸体的清洗任务。
清洗室的示意图如图2.4所示，清洗室的里面包括清洗、夹紧装置和导板。
发动机缸体通过输送带将其传送至清洗室。
待准备好后，通过高压清洗液对缸体各个表面进行喷淋式清洗，由于特制的喷嘴对于清洗特定部位的污渍有着较好的效果，因此在设计中装置了高压喷嘴于清洗室的前后方以及底端。
清洗操作的二个特性：
（1）为了能够实现对各种型号的缸体进行清洗，要求其可以依照发动机缸体的型号对操作的时间进行一系列的调整。
（2）要求它可以依据清洗的正常工作程序来进行清洗操作，因此需要确保控制的精确性。
图2.4清洗室示意图
Fig.2.4Cleaningroomdiagram
清洗系统由高压清洗和喷淋清洗共同组成。
二者的喷嘴形状不太相同，根据发动机缸体表面以及孔的不同特征进行研制，因此最后在喷嘴里喷出的形状也有所不同。
喷淋的全过程始终在清洗室中进行。
其工作过程应当注意如下几点：
（1）在缸体自动清洗机的进口与出口设置了二个急停按钮，当紧急情况时按下此按钮，缸体清洗机将会立刻停止操作。
（2）在缸体自动清洗机工作之前，为了确保设备能够正常操作，应当先开启清水泵、污水泵以及液压、润滑系统。
（3）缸体自动清洗机配置了油水分离器，因此在设备工作时，为了把废油从污水中隔离开来，油水分离器应连续性作业。
清洗系统包括接触器、传感器和气动阀等元件。
其中，在清洗室的顶端和底端各自装有接近式传感器，其作用是通过对发动机缸体的感应进而向PLC发出相应的位置讯号。
KM1和KM2是两个接触器，其作用是通过对PLC发出讯号的接收来进行对二个油泵的开关状态的操控。
气动阀的作用是通过PLC的操控来完成清洗液的回流任务。
定时器的原理是当准备工作完成后，接通定时线圈，此时线圈开始进行脉冲的计数工作。
直到数值达到预定值时，定时器的输出触点开始接通[6]。
喷淋系统的原理：
缸体下降，直到接近传感器时，传感器会根据状态向PLC发送相关讯号，PLC在进行对应的判断处理后给出暂停缸体下降操作的讯号，KM1处于闭合状态，喷淋系统进行对缸体的清洗操作。
定时器T0准备计时，等到其达到预定值时，KM1处于断开状态，喷淋系统暂停操作，发动机缸体进行上升操作，此时气动阀处于闭合状态，准备进行清洗液的回流工作。
定时器T1准备计时，等到其达到预定值时，KM2处于闭合状态，垂直喷淋泵准备进行清洗作业。
缸体上升，直到接近传感器时，传感器会根据状态向PLC发送相关讯号，PLC在进行对应的判断处理后给出暂停缸体上升操作的讯号，KM2处于断开状态，垂直喷淋清洗操作暂停，等到气动阀处于闭合状态时，开始进行清洗液的回流工作，在经过多次过滤达
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