超声波清洗机及其PLC控制设计.docx
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超声波清洗机及其PLC控制设计
重庆航天职业技术学院
超声波清洗机及其PLC控制设计
专业机电一体化
班级
学号
姓名
指导教师
起止日期2014.02.25-2014.04.25
机电信息工程系制
摘要
本文主要介绍了超声波清洗原理及超声波清洗的PLC控制系统，使清洗工作可以高效率高质量的完成。
超声波技术出现在二十世纪初期，发展极为活跃，如今已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。
超声波清洗的高效率和高清洁度显示出了它巨大的优越性。
在未来的工业生产和生活中也将会得到巨大的发展应用。
在本文中在分析了超声波清洗生产线工作流程的基础上，采用PLC控制方案，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计，使系统高效的完成生产线上的清洗任务，可以充分体现出PLC所具有的功能强、可靠性高、编程简单、使用方便、体积小等优点。
本文运用学到的可编程控制器的梯形图语言将程序编写，并完成PLC的编程调试来实现控制要求。
在超声波清洗生产线中，完成精密机械零件从清洗到烘干的全自动过程，收到了良好的清洗效果，提高了生产效率。
关键词：
超声波清洗，原理，PLC编程
Abstract
ThispaperintroducestheprincipleofultrasoniccleaningandultrasoniccleaninglineofPLCcontrolsystemstocleanandefficienthigh-qualityworkcanbecompleted.Ultrasonictechnologyintheearlytwentiethcentury,thedevelopmentofveryactive,hasnowpenetratedintonationaldefenseconstruction,nationaleconomy,people'slifeandscienceandtechnologyfields.UltrasonicCleaningofhighefficiencyandhighcleanlinessshoweditstremendoussuperiority.Inthefutureindustrialproductionanddailylifewillalsobeahugedevelopmentandapplication.InthisarticletheanalysisofultrasoniccleaninglineworkflowbasedontheuseofPLCcontrolprogram,givesthePLCcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign,makingthesystemhighlyefficientproductionlinetocompletethecleaningtask,whichcanfullyreflectthePLChasfunctionality,highreliability,programmingissimple,easytouse,smallsize,andsoon.Inthispaperlearnthelanguagetoprogrammablelogiccontrollerladderprogramming,andcompletedebugPLCprogrammingtoachievethecontrolrequirements.Ultrasoniccleaningline,completeprecisionmachinerypartsfromcleaningtodryingoftheautomaticprocess,receivedagoodcleaningeffectandimprovetheproductionefficiency
KEYWORDS:
Ultrasonicwavecleaning，principle，PLCprogramming
目 录
前 言
在工业生产的各个领域，机械加工业为了提高生产效率，对不同类型的零件分别组成的自动生产线。
随着产品的更新换代，生产线承担的加工对象也随之改变，这就需要改变控制程序，运行新的工艺过程，而继电接触器控制系统是采取固定接线，很难适应这个要求，大型自动生产线的控制系统使用的继电器数量很多，这种有触点的继电器工作频率较低，在频繁动作情况下，寿命短，从而造成系统故障，使生产线的运行可靠性降低。
新的控制器PLC的诞生到来了全新的控制理念。
崭新的控制系统结构以及继电器----接触器控制系统远远不可及的强大功能，随着PLC德应用日益普及，其使用方法简单，便于掌握，且可靠性极高。
使生产线的运行的可靠性大大提高，使其在工业生产线上的应用越来越广泛。
PLC控制自动清洗生产线的编程语言容易掌握，是电控人员熟悉的梯形图语言，使用的术语依然是“继电器”一类的术语，大部分与继电器触头的链接相对应，使电控人员一目了然。
PLC控制使用简单，它的I/O已经做好，输入信号可直接链接，非常的方便，而输出具有一定的驱动能力，其输出触头容易达220V.2A.PLC是专门应用于手工业现场自动控制装置，在系统软硬件上可采取抗干扰措施。
当工作程序需要改变时，只需改变PLC的内部程序，重新编程而无需对外围重新改动。
超声波清洗技术是目前清洗效率最高，效果最好的方式之一。
二十世纪六十年代，自超声波技术问世以来，科学家们发现：
一定频率范围内的超声波，作用于液体介质里，可以达到清洗的作用。
经过一段时间的研究和试验，不仅得到了满意的效果，而且发现其清洗效率极高，由此超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中去。
超声波的清洗生产线以其优质、省力、高效、和无污染等显著特点，在西方发达工业国家已得到了广泛应用，取得了很大的经济效益。
我国也开始逐步推广使用这种新技术。
对于精密机械零件以及电子器件、光学元件等的生产，清洗作业属于生产中的关键工艺，可直接影响到产品的质量。
如柴油机油泵、油嘴为精密零件，其上带有深孔、小孔，工件表面粗糙度达R,O.1gym,而经切削加工后工件上粘附油污及研磨材料，必须严格清洗后装配。
由于装配过程配合要求高，配合间隙小，因而对工件清洁度要求高，而采用传统的浸洗刷洗、压力清洗等方法，效果不好，且生产效率低。
现改用超声波清洗，并将多个清洗槽组合，实现多步清洗。
工件经多步超声波清洗后可达到很高的清洁度，而工件在多个清洗槽中的传送，由可编程控制器控制，实现了自动清洗。
一、项目设计内容
（一）超声波清洗原理
利用PLC控制系统控制整个清洗生产线的运行，清洗系统利用目前最先进的超声波清洗技术。
超声波清洗生产线的工作原理如图1-1所示
图1-1超声波清洗原理示意图
工件悬挂在清洗液中，超声波发生器所发生的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振动（即超声波振动），超声波通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液辐射时，存在于液体中的微气泡（称空化核）在超声波的作用下振动，当声压或声强达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然破裂（闭合）。
在气泡闭合时产生冲击波，在气泡周围产生几十兆帕到几百兆帕的压力及局部高温，这种物理现象称超声空化。
空化所产生的巨大冲击力能剥离工件表面的污垢或使污垢裂缝出现空隙，另一些空化气泡群则钻人裂缝并振动，继续不断冲击，最终使污垢剥落，从而达到物体清洁净化的目的。
1.什么是超声波：
波可分为三种，即次声波、声波、超声波。
次声波的频率为20Hz一下；声波的频率喂20Hz~20KHz以上。
其实的次声波和超声波一般人耳是听不到的。
超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向好、穿透力强，这也就是为什么设计制作超声波清洗生产线的原因。
超声波和可闻波在本质上是一致的，它们共同的特点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波的频率高，波长短，在一定的距离内沿着直线传播具有良好的束射性和方向性。
超声波具有如下特性：
（1）超声波可在气体、液体、固体、固溶体等介质中有效的传播，传播调教容易满足。
（2）由于超声波是振动频率很高的波，所以当它传播的时候可以传递很强的能量。
（3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。
（4）超声波在液体介质中传播的时候，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。
2.超声波是如何完成清洗工作的：
超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗的目的。
目前所用的超声波清洗中，空化作用和直进流作用应用的最多。
（1）空化作用：
空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。
在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离了被清洗物表面的污垢，从而达到精密清洗的目的。
在超声波清洗过程中，肉眼看到的并不是真空核群泡，而是空气气泡，它对空化作用产生抑制作用降低清洗效率。
只有在液体中的空气气泡被完全脱走，空化作用的真空核群泡才能达到最佳的效果。
液体内的受压情况如图1-2所示。
图1-2清洗槽内液体的某一点的受压情况
（2）直进流作用：
超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。
声波强度在0.5W/㎝2时，肉眼能看到直进流，垂直于振动面产生的流动，流速约为10㎝/s。
通过此直进流使物体表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。
（3）加速度：
物体粒子推动产生加速度。
对于频率较高的超声波清洗机，空化作用就很不显著了，这时的清洗主要靠液体粒子超声波作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。
（二）超声波清洗的特点
清洗时指清除工件表面的液体或固体的污染物，使工件表面达到一定的洁净。
清洗过程在日常日常生活非常常见。
清洗过程是清洗介质、污染物、工件表面三者之间的相互作用，是一种复杂的物理化学作用过程。
在机械及制作行业中，经常遇到各种零件的清洗问题。
其清洗的对象主要是机加工油、切削液、金属屑等污垢，传统的是采用有机溶剂（汽油或者煤油）辅以手工刷洗，不但劳动强度大而且操作环境恶劣。
但这些方法普遍存在着化学能力清洗能力低的缺点，而且要辅以物理的方法来增强其清洗能力。
但对于结构复杂，特别是有不规则孔、腔、狭缝的零件往往是无能为力，但是超声波清洗能很好的解决这个问题。
超声波清洗与其他清洗方法的清洗能力比较见图1-3表1-1图1-5
图1-3清洗方法的比较
超声波清洗是一种清洗硬物体表面的方法，属于物理清洗。
超声清洗是功率超声应用的一项。
在液体中发生足够大的能量，产生空化作用，能用于清洗、乳化。
特点是速度快、质量高、易于实现自动化。
在各种化学的、物理的、机械的清洗方法中是最理想最有效的一种。
超声波清洗特别适用清洗表面形状复杂的工件，如对于精密零件上的孔穴，狭缝，凹槽、微孔及暗洞处，通常物理洗刷方法难以凑效，利用超声清洗可以取得理想的清洗效果。
表1-1效果比较
清洗方法
剩余残留物％
吹式清洗
浸润式清洗
蒸汽式清洗
刷子清洗
超声波清洗
86
70
65
8
0-0.5
超声波清洗与各种化学的、物理的、化学的和有机物的清洗方法比较，有以下独特优点：
1.能快速、彻底地清除工件表面上得各种污物；
2.能清洗带有空腔、沟槽等形状复杂的精密零件；
3.对工件表面无损；
4.可采用各种清洗剂；
5.在室温或适当的加温60℃即可进行清洗；
6.整机一体化结构便于移动；
7.节省溶剂、清洁纸、能源、工作场地和人工等；
8.不需要人手接触清洗液安全可靠。
图1-5超声波清洗效果
（三）超声波清洗适应的行业及范围
随着超声波技术的发展，超声波清洗技术的应用在日常生活，工业生产中得到广泛的应用
表1-2超声波清洗应用的主要方面
行业
清洗对象
电子、电器
机械工业
汽车、摩托车
光学、宝石加工
电镀喷漆
食品、酿造
医疗器械
化纤纺织
其他
各类印刷电路板、电子元器件、液晶玻璃、电视机零部件等
精密部件、压缩机零件、照相机零件、轴承、五金零件、模具等
发动机零件、变速箱、减震器、轴瓦、油嘴、缸体、阀体等
透镜、眼镜框、贵金属、装饰品、计算器、表带、表壳、表针、数字盘等
不锈钢抛光制品、不锈钢刀具、餐具、刀具、锁具、灯饰、首饰的喷涂前处理、电镀前清洗
瓶、盖、标签去除、排气、酿造
注射器、手术器械、滴管、研究试验用、玻璃器皿、牙科用具、食道镜、器官支镜、直肠镜、显微镜
喷丝板、橡胶制品、橡胶成型模具、商标、玩具
印章、号牌、硬币高级陶器、银制品、金制品、银行磁卡
（四）超声波技术发展的历史
超声波技术出现在二十世纪初期，近一个世纪的发展表明，超声技术是升学发展中最为活跃的一个部分，如今它已经渗透到国防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。
1955年9月在德国召开的首届世界超声学大会，体现了超声学发展的这一强势劲头。
科学家们发现：
一定频率范围内的超声波，作用于液体的介质里，可达到清洗的作用。
经过一段时间的研究和实验，不仅取得了满意的效果而且发现清洗效率极高，由此超声波清洗机被逐渐运用到各行各业中。
在应用初期，由于电子工业的限制，超声波清洗设备电源的体积比较庞大，稳定性及使用寿命不太理想，价格昂贵，一般的工矿企业难以承受，但是其出色的清洗效率及效果，扔让一些实力雄厚的国有企业一见倾心。
随着电子工业的发展，新一代的电子元器件及使用寿命进一步提高，体积减小，价格逐渐降低。
二十世纪八十年代末，第三代超声波电源问世，即逆变电源，应用最新的IGBT元件，新的超声波电源具有体积小，可靠性高，寿命长等特点，清洗效率得以进一步的提高，而价格也降到了大部分企业都能接受的程度。
在国民经济中，超声波清洗对于提高产品质量，保证生产安全和设备的安全运行，降低生产成本，提高生产效率具有也别的潜在能力。
因此，我国在近十年来，对超声波技术的研究与应用十分活跃。
二、总体方案的设计
（一）可编程控制器
可编程控制器（ProgrammabieLogicController，缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。
可编程控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、小批量生产的需要，而生产发展起来的一种新型的工业控制装置。
PLC从1969年问世以来，虽然至今还40年的时间，但由于其具有通用灵活的控制性能。
简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化个领域取得了广泛的应用。
有人将它与数控技术、CDM/CAM技术工业机械人技术并成为现代工业自动化的四大支柱。
可编程控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛的应用到国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。
随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。
PLC生产厂家很多，产品的结构也个不相同，但其基本的结构构成是一样的，都采用计算机结构，如图2-1所示，都以微处理器为核心，通过硬件和软件的共同作用来实现其功能。
PLC主要有六部分构成—CPU即中央处理器、存储器输入输出、接口电路、电源、外设接口、输入输出扩展口。
CPU是PLC的核心和控制指挥中心，主要有控制器、运算器、和寄存器组成并集成在一块芯片上。
它通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、输入输出接口电路相连，完成信息的传递、转换等。
存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。
根据存储器在系统中的作用可将其分为系统程序存储器和用户程序存储器。
输入输出接口电路是PLC与现场的I/O设备相连接的部件。
PLC将其输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号，通过用户程序的运算把结果通过输出模块输出给执行机构。
图2-1PLC结构示意图
1．PLC的发展历程
在可编程控制器出现以前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用十分广泛。
但电器控制系统存在着控制系统的体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。
1968年美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量，多品种的生产需要，于是设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电气控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用的装置，而且这种装置的面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快的掌握使用。
1969年美国数字设备公司根据通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车的自动装配线上试用，取得良好的效果，从此这项技术迅速的发展起来。
早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统继电器控制，通常称为可编程逻辑控制器，随着微电子技术和计算机计数的发展，20世纪70年代中期的微处理器应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑的控制功能，还增加了算术运算、数据传递和数据处理等功能。
20世纪80年代后，随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速的发展。
PLC不仅控制功能增强，同事可靠性提到，功耗、体积减小，成本下降，编程和故障的检测更加的灵活方便，而且具有通信联网、数据处理和图像显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运算控制、数据处理、联网通信等功能控制器。
2.PLC的发展趋势
从当前的技术性能上来看，PLC发展仍然主要体现在体积的缩小与性能的提高两大方面。
1）体积小型化。
电子产品体积小型化是微电子技术发展的必然结果。
现代PLC无论是从内部元件组成上还是硬件、软件结构都已经与早期的PLC有了很大的不同，PLC体积被大幅度的缩小。
2）性能的提高。
PLC的大性能主要包括CPU性能与I/O性能两大方面。
可编程控制器在我国的发展状况如下：
1）我国可编程控制器的发展与国际上的发展有所不同，国际上可编程控制器的发展是从研发、开发、生产到应用，而我国的则是从成套的设备引进、可编程控制器引进应用、消化移植、合资生产到广泛的应用。
2）政府重视
可编程控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时的机械电子工业部的领导下，与1991年成立了可编程控制器行业协会。
可编程控制器行业协会在政府和企事业单位之间起到了桥梁的作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。
同时可编程控制器的标准化也得到了有关部门的重视，于1993年成立了可编程控制器标准化技术委员会，为我国可编程程序孔子和气的进一步发展打下了基础。
3.PLC的应用
1）PLC的应用领域
PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。
但是最近的十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要的原因是:
一方面由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。
常分为5种类型：
顺序控制；运动控制；过程控制；数据处理；通信网络。
2）PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面比较弱，但是在PLC应用方面，我国是很活跃的，几年来每年约有新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业很广。
在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：
微型：
32I/O
小型：
256I/O
中型：
1024I/O
大型：
4096I/O
巨型：
8192I/O
在我国应用的PLC系统中，I/O64点一下的PLC销售额占整个PLC的47﹪,64点到256点的占31﹪，合计占整个PLC销售额的78﹪。
（二）超声波清洗生产线
整个清洗工艺为:
上料、温热浸洗、超声清洗、防锈液喷淋清洗、强风吹干、烘道烘干、下料。
工件用篮筐盛放，多件一次清洗。
带吊钩篮筐通过横杆悬挂在双链式清洗传动链上，清洗传动链由电动机、减速器、链轮、链条传动，完成工件在各清洗工作槽间的传送。
清洗完的工件自动输送到烘道传动链上，烘干后自动输出。
工艺中的上料和下料的过程均为手工操作。
温热浸洗槽、超声粗清洗槽中盛有清洗液，清洗液为循环式，分别由泵将各自贮液槽中的清洗液经过滤器过滤后由管道送到工作槽中。
为使清洗槽液面上的浮动油脂和污物排出槽外，清洗槽上部设有滋流槽，且底部设有排水坡度。
为增加清洗效果，各工作槽底装有电加热装置，使清洗液在一定温度下完成清洗，温度由温度控制器控制并显示，当温度到达设定值时，自动停止加热
1.各清洗工艺说明
1）温热浸洗工件在50～600℃清洗液中浸泡，完成工件的初洗。
其目的是缩短超声波清洗时间，提高清洗质量。
2）超声清洗清洗槽底部装换能器，外接超声波发生器，使清洗液在40～50℃下对工件进行超声清洗。
3）防锈液喷淋清洗泵将喷淋贮液槽内的防锈液抽出，通过喷嘴喷洗工件。
一是去除工件表面的清洗液，二是对工件进行防锈处理。
以便于保证工件装配精度，防锈延长工件使用寿命。
4）强风吹干喷淋清洗后的工件表面有大量水珠，若直接放人烘道烘干，则时间过长，同时水珠烘干后在工件表面会留下水印。
因而在吹干槽内，由风机吹干工件表面水分，再进入烘道烘干。
5）烘道烘干烘道内设电加热管，外敷保温材料，通过离心风机底部送风，顶部吸风，形成热风循环，使烘道内的温度匀布。
温度30～120℃可调（根据工件而定），由温度控制器自动控制。
在多步超声波清洗生产线上，工件的上料、下料为手动操作，工件在悬挂式传送链上和烘道传动链上按一定的生产节拍在清洗工位间自动传送，由PLC控制完成从清洗到烘干的全过程。
PLC的控制系统设计步骤如图2-2所示
图2-2PLC设计步骤
（三）各设计方法介绍及选择
1.经验设计法：
是在一些典型应用程序基础上，根据被控对象对控制系统的要求，选用一些应用程序进行适当的组合、修改和完善，使其成为符合控制要求的程序。
采用这种方案，设计的梯形图较为简洁，但各状态之间相互牵扯，相互影响。
因此，这种方案设计程序显得脉络不清，前后相互影响，容易出问题。
2.顺序功能图法：
用梯形图及指令表的方式编程深受广大电气技术人员的欢迎。
但对于一个复杂的顺序控制程序，由于内部联锁，互动关系复杂，其梯形图往往长达数百行。
3.使用STL指令编程的方法：
这种方法是计算机程序设计师常用的设计方法。
它用方图框描述控制过程，方框代表动作，圆圈代表起始位与终了位，连线代表方向，短线代表状态转换条件。
这种图可以把控制对象的工作状态及控制过程清晰的表示出来。
使用此方法能迅速的编出复杂的程序，是一种优越的程序设计方法，但使用这种方法编写的程序较长。
4.清晰性、可读性才是最关键的，而程序的长短并不重要，因此，选用STL指令编程的方法设计控制系统的程序，这样便于在梯形图中发现问题，使系统的可靠性更高。
三、超声波清洗生产线的系统设计
（一）程序控制要求
清洗生产线上要求有两套的控制方法，一面在自动控制时出现问题
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