發動機高壓水射流清洗系統研究

羅龍飛，張雪松

（1.中原工學院機電工程學院，河南 鄭州450007；2.河南機電職業學院汽車工程學院，河南 鄭州 451191）

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發動機高壓水射流清洗系統研究

羅龍飛1,2，張雪松1

（1.中原工學院機電工程學院，河南 鄭州450007；2.河南機電職業學院汽車工程學院，河南 鄭州 451191）

摘 要：改進發動機缸體已有清洗方法的缺點，研究了一種高壓水射流自動清洗系統。該系統以PLC和工控計算機為中心，可實現在用發動機缸體的自動清洗，節能環保。為了保證系統的自動化、高效率使用，提出了檢測發動機污漬度的新技術，研究了模糊控制系統的原理及有關變量的設定。該系統已正式投入使用，使用結果表明該系統能將污漬徹底高效洗凈。

關鍵詞：發動機；高壓水射流；污漬檢測

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.015

CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-42-03

前言

發動機清洗作為防止發動機腐蝕、恢復發動機動力性能的一種有效維護手段，能有效減輕鹽霧等因素對壓氣機葉片的腐蝕或恢復發動機在長時間使用中退化了的性能，并減少發動機的性能故障，延長發動機的使用壽命。發動機在運轉過程中生成的大量污漬是維修清洗作業主要的清除對象。為此，我們研究了一種高壓水射流清洗裝置。

其基本方案是：利用專用清洗劑對積碳等的溶解性作用，在清洗槽中安裝可移動高壓噴槍采用高壓水射流噴射清洗，對缸體表面及腔隙進行沖刷擊打，將發動機積碳膠狀物等污漬徹底清洗。清洗工藝流程設計為：自動上料——粗清洗——噴射清洗——真空干燥——自動下料。本文還研究了污漬自動檢測原理、可變量模糊控制技術，以確保發動機能徹底有效清洗[1]。

1、基于機器視覺的污漬自動判定技術[2]

本文將機器視覺和圖像處理技術應用在發動機污漬識別進行智能噴射清洗劑方面。該技術系統主要分為以下模塊：發動機污漬圖像采集模塊、圖像預處理模塊、圖像分割模塊、圖像截取模塊、臟污度判別算法模塊及等級標定模塊。

為了節約成本，簡化機器視覺系統，本設計采用了美國3COM公司生產的攝像頭和普通臺式計算機。攝像頭通過USB接口將采集到的圖像送給計算機進行處理。

圖像采集和處理系統的構成如下：發動機圖像——攝像頭——圖像處理——噴槍。

在圖像預處理中需要調整圖像的亮度和對比度以實現圖像色彩的校正，并進行濾波，以去除一些圖像噪聲。為了去除環境亮度對色彩處理造成的影響，軟件中利用下列表達式將采集到的RGB圖像轉換成色度表示，得到色度圖像。

中值濾波就是將二維窗口(軟件中選3×3)中的灰度級先排序，再用序列的中間值代替窗口中心原始像素的灰度值。中值濾波是一種去除噪聲的非線性處理方法，可以在去除噪聲的同時保護圖像的邊緣。對圖像進行濾波處理后，程序將圖像分割為二值圖像。清洗槽里光照不均勻而且背景雜亂，圖像分割時如果使用固定的全局閾值就難以得到滿意的結果。這一問題可以采用自適應閾值算法或迭代閾值算法來解決。自適應閾值算法將圖像分成許多小塊，先對每個小塊確定一個閾值，各個小塊的閾值可以不同，然后進行適當的平滑以消除各小塊之間的閾值突變。

本設計采用迭代閾值算法將目標和背景分離開來成為兩類區域的二值圖像。主要步驟是：

（3）求出新的閾值

重復步驟(2)和(3)，直到后續迭代過程中Zo和ZB的值不變。在機器的視野范圍內，設定噴槍作用于某區域。在程序中，設計了多重循環計算某區域內15個矩形塊中的像素分布。在某一矩形塊中，如果目標像素數目占整個矩形塊像素數目的2/ 3(本文設定閾值)以上，就認為該矩形塊區域被污漬覆蓋。如果若干個矩形塊同時被污漬覆蓋，那噴槍就按1-2—3—6—5—4—7—8—9—12—11—10—13—14—15的次序逐個區域地清理污漬。為了減少運算量，代表污漬面積區域的綠色目標覆蓋情況就不需要計算。

噴槍控制機械臂的上位機軟件設計為：發動機圖像——預處理——RGB表示轉換為色度表示——提取綠色通道圖像——圖像分割——圖像后處理——識別——輸出識別結果——判斷污漬區域分布——控制噴槍動作。上位機軟件用Vc++開發。

2、基于模糊控制的精確清洗劑使用可變量技術[3][4]

在以往的發動機水射流清洗中，無論發動機臟污程度如何都采用恒壓恒流量的清洗液噴射清洗，這樣就會造成清洗液的浪費，而更加污染環境。

本文研究建立一個智能噴射系統實現對發動機污漬定點噴射清洗劑，以減少清洗劑用量，減少環境污染。

要實現噴槍自動對污漬噴射必須首先識別發動機污漬目標，并提取污漬等級或距離信息，再通過智能決策，從而精確地噴射清洗劑。

該系統由攝像頭、計算機、模糊控制器、距離傳感器、變頻器、泵、電磁閥、噴頭等構成。

其中，變頻器(Micro Master Vector型)由德國西門子公司生產；三相異步電動機(YS一8024型l由南京微分電機廠生產，額定功率為750瓦，額定電流為2安培，額定轉速為1400轉／min；三缸動力噴霧機(3WZB.25型)由臺州市豐田噴洗機有限公司生產；噴頭為普通噴頭；電磁閥由浙江鄞縣寶得電磁閥廠生產：攝像頭(0776型)由美國3Com公司生產的視頻數字攝像頭，通過USB接口與計算機直接聯接；超聲波距離傳感器由上海郎尚科貿有限公司生產，通過RS232串行口將距離數字量送出。

攝像頭通過USB接口將采集到的發動機污漬圖像送至計算機；圖像處理軟件將發動機污漬圖像從背景中提取出來，并計算出污漬在一幀圖像中所占面積；模糊控制器融合距離信息和面積信息，

經模糊決策處理后再選擇噴頭組合并通過變頻器控制泵電機轉速，從而控制流量、射程和噴射區域。

由于發動機體積與距離遠近都是用模糊語言來描述的，難以建立精確的數學模型，因此，研究中選擇了模糊控制技術。模糊控制更容易滿足實時性要求，也滿足本設計實際需要。

模糊控制器有兩個輸入量，一個是來自圖像處理得到的發動機污漬面積參數，另一個是來自超聲波傳感器的發動機距離參數。模糊控制器有兩個輸出量，一個是送給變頻器的頻率控制量C，另一個是選擇噴頭組的參量G。

經過模糊決策輸出頻率控制量C的5個模糊量：一2、一1、0、1、2。但還需將這些模糊量轉化為變頻器可以接收的精確量。即模糊量需要轉化為精確量。

變頻器是將電網供電的工頻交流電源變為適用于交流電機變頻調速用的電壓可變、頻率可變的交流電的裝置。變頻器通過控制三相異步電動機來控制噴射泵的轉速，從而改變流量，控制噴射射程。同時，當A的值為：0、1、2時，選擇全部七個噴頭噴射較大的機體：當A 的值為：-2、 -1時，選擇下面四個噴頭噴射較小的機體。

噴槍上安裝7個噴頭，根據噴射形態，設置噴頭間距為30厘米。本文只選用兩個電磁閥，一個控制上面3個噴頭(組1)，另一個電磁閥控制下面4個噴頭(組2)，這樣共分兩組，可以減少電磁閥的數目。

當噴射泵轉速較低時，泵輸出的流量較小，噴頭水流較粗，而且噴射扇角較小，射程較小。隨著噴射泵轉速變高，泵輸出的流量變大，噴頭水流變細，而且噴射扇角變大，射程增大。當噴射泵轉速達到一定值后，噴射扇角沒有明顯變化，而水流越加細化、霧化，射程不再增加。

3、結束語

試驗和結果分析顯示，借助機器視覺和模糊控制技術，該系統可以在一定條件下根據發動機大小和污漬面積來選擇噴頭組，并調節噴頭射程，因而大大減少了清洗劑用量并實現流量和噴頭射程的自動調節。由此可見該系統能將發動機污漬徹底有效清除，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1] 樊紹勝,王旭紅.冷凝器高壓水自動清洗系統.電氣自動化,2004, 26(3):19一24.

[2] 付貴權,楊永躍.基于機器視覺的洗滌清潔度判識.現代顯示,2008, 83/84:52-58.

[3] 姚得強.一種經濟實用的全自動缸蓋清洗劑.組合機床與自動化加工技術,2007,6:64-67.

[4] 陳勇.自動施藥機器人及可變量控制系統研究[D]．南京林業大學博士學位論文,2005．

Automatic High Pressure Water Cleaning System for Engine

Luo Longfei1,2, Zhang Xuesong1
（1. Zhongyuan Institute of Technology, He,nan Zhengzhou 450007; 2. Department of Automative Engineering,He,nan Mechnical and Eectrical Vocational College, He,nanZhengzhou 451191）

Abstract:the improvement of engine cylinder block has the disadvantage of cleaning method, a high pressure water jet cleaning system was studied. The system with PLC and industrial control computer as the center, which can realize automatic cleaning in the engine cylinder block, energy conservation and environmental protection. In order to guarantee system of automation, high efficiency, put forward the detection engine stain degree of new technology, the principle of fuzzy control system is studied and the set of variables. The system has been put into use, the use of results show that the system can stain wash thoroughly efficient.

Keywords:Engine; High pressure water jet; The stain detection

作者簡介：羅龍飛，講師，在讀研究生。就職于河南機電職業學院。

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-42-03