二維翻轉附著振動沖洗機試驗控制系統設計

中國航發南方工業有限公司 鄭攀 胡進 劉超吾 薛魁

引言

異形精密零件中的多余物是造成事故的主要原因，將零件沖洗干凈，可極大減小故障率。對于結構復雜的腔體異形的零件，簡單沖洗往往不能滿足要求。本文研制的設備從沖洗液壓力、受沖面、附著式振動三個方面同時增強沖洗效果，采用觸摸屏作為信號輸入端，通過西門子PLC 中的LAD 編程實現對零件翻轉的角度和沖洗部位、沖洗時間的控制，可實現零件二維翻轉附著振動沖洗的全部過程，能有效去除該機匣內各腔、管道及零件表面殘留的多余物，如機匣內殘留的鐵屑、焊渣、雜質、灰塵、微銹等。

1 振動翻轉沖洗機原理

振動翻轉沖洗機的設計理念為：（1）附著振動是指在零件底部安裝臺架附著安裝一臺小電機在沖洗過程中不斷振動零件，加速多余物與零件的脫離。（2）二維翻轉是指水平面內設計轉臺人工推轉，垂直面內用伺服電機帶動零件翻轉。（3）自動沖洗是指沖洗過程步驟繁復，要實現全程自動。（4）HMI（Human Machine Interface）人機界面是指采用觸摸屏作為信號輸入端如圖1 振動翻轉沖洗機模型所示機架整體式焊接結構，分為上下兩個主要組成部分，上面部分為沖洗倉，下面部分為附件安裝位置。沖洗倉為密閉式結構，沖洗倉門為左右平推式。油箱位于沖洗機機架右側面。在油箱前半部，與沖洗倉連接處的接油口下面，設置了檢查濾網。通過檢查濾網中是否有雜質顆粒來判斷機匣零件是否沖洗干凈。

圖1 振動翻轉沖洗機模型圖

如圖2 振動翻轉沖洗機機械管路圖所示，油泵電機啟動沖洗液流經溢流閥。沖洗液壓力的范圍調節是通過溢流閥實現的，即調整至所需壓力值附近；精準調節是通過改變電動比例閥的開度實現的，即調整至所需壓力值。開啟附著在零件上的振動電機，并且可以通過變頻器調節振動頻率。表面電磁閥打開沖洗液對零件進行表面沖洗。表面沖洗結束后，進行內腔沖洗。內腔共有 6 個支板分成三組（圖中 1，2 支、板；6，7 支板；M,N 支板），每次沖洗一組。按照1，2 支板→6，7 支板→M,N 支板的順序進行沖洗。每次沖洗一組時，其他兩組的管路電磁閥關閉。完成內腔沖洗后進行空氣吹掃余液。不同的內腔沖洗時要求零件處在不同的角度。沖洗過程中伺服電機緩慢翻轉零件至所要求的角度。

圖2 振動翻轉沖洗機機械管路示意圖

2 控制系統設計

2.1 邏輯控制系統設計

如圖3 所示電氣控制系統原理圖，主要從以下4 個方面闡述整個控制系統。

PLC 的編程方法程序可以采用梯形圖、語句表、程序塊等形式表示。采用梯形圖形式進行編程[2]。程序在軟件STEP7-Micro/WIN32 中編制調試，通過 PC/PPI 電纜傳輸到 PLC 中。PLC 控制程序有主程序，數據讀取子程序，自動分步沖洗子程序，手動模式子程序。（1）主程序：主要負責對各功能塊的調用及對系統參數的初始化，算法子程序是對數字量和模擬量進行轉換和處理。（2）讀取子程序：比例調節閥控制器將閥門開度轉換為4-20mA 的信號，通過模擬量輸入模塊的AIW0 存入VD0 的寄存器，可實時顯示在觸摸屏上。壓力溫度等物理量信號均采用此種方式進行采集。（3）自動分步沖洗子程序：零件分為表面內腔的沖洗，且不同內腔零件需旋轉到不同的角度提升沖洗效果。（4）手動模式選擇：手動模式是指操作者可以通過點擊觸摸屏的開關控制各個電磁閥的開啟和關閉，主要用于初期調試和后期修理維護。

2.2 交流電機的控制

在觸摸屏控制頁面上，可以通過點擊觸摸屏的開關控制各個電機電磁閥的開啟和關閉，對主油泵電機、油霧分離器電機、冷卻油泵電機、冷卻風扇電機、振動電機進行手動或自動控制。當監測到的油溫大于設定溫度時，冷卻油泵電機與冷卻風扇電機會自動起動。振動電機帶變頻器，可以手動調節電機轉速，從而調整振動頻率。主油泵電機功率較大，采用軟起動器起動。

2.3 伺服系統的控制

交流伺服控制系統是控制零件180°的翻轉，翻轉速度可控制在3r/min～20r/min，且能無級調速；按照零件沖洗工藝要求，精確控制翻轉角度，可鎖定在任一角度。交流伺服控制系統主要由Kinco（步科）交流伺服電機、伺服電機驅動器、旋轉編碼器、限位開關、抱閘裝置等組成。通過外置的旋轉編碼器可手動旋轉電機，而通過PLC 可以按工藝要求實現自動控制。兩個限位開關可確定原點位置及限制機匣翻轉的位置。伺服電機抱閘裝置可在電機停止狀態下鎖定機匣的位置。伺服電機驅動器各參數及控制規律由專用軟件設定。PLC 輸出信號或復位信號給伺服系統，使伺服系統做好準備動作；PLC 輸出±10V 的模擬信號給伺服驅動器，可以控制伺服電機的運行。

圖3 振動翻轉沖洗機電氣原理圖

2.4 人機界面設計

基于EBpro 編程軟件，使用威綸通觸摸屏編制人機控制界面。圖4 為歡迎頁面，圖5 為自動沖洗1 控制頁面。圖6 為交流系統控制頁面，圖7 為手動控制頁面。由于自動沖洗過程都是一鍵全自動沖洗，在控制頁面上并無很大區別，表面加內腔4 個部位9 個角度的沖洗流程，編制順序功能圖，通過PLC 的LAD 編程實現了一鍵沖洗。沖洗開始后，不需要人工干預直至沖洗完成。實現了沖洗流程的自動循環。一鍵自動沖洗減輕了操作者的負擔，提高了勞動生產率，但也降低了整個沖洗流程的可控性。增加暫停- 繼續功能，一方面保證了一鍵自動化，另一方面兼顧了流程可控性。

圖4 歡迎頁面

圖5 自動沖洗1 控制頁面

圖6 交流系統控制頁面

圖7 手動沖洗控制頁面

沖洗時間可人工設定，提高設備交互性和功能性。在觸摸屏的操作頁面點擊輸入框即可輸入時間和沖洗循環次數，為實際操作增加靈活性，也為今后在實際操作中摸索更為科學快捷的沖洗模式提供了便利。圖7 為手動沖洗頁面，油泵啟動沖洗液流動，電動比例閥調節壓力，振動電機開啟零件振動，沖洗液溫度過高開啟冷卻泵和冷卻風扇，油霧分離器開啟抽風。這些功能在圖5 交流控制系統頁面都有單獨的啟停按鈕控制。由機械油路原理圖可知，表面沖洗時打開表面沖洗閥即可。內腔沖洗時打開內腔沖洗閥加上該內腔對應的管路電磁閥，如沖洗M,N 支板打開內腔沖洗閥+M號支板閥+N 號支板閥，其余閥門關閉?？諝獯祾邥r打開內腔氣路閥后，開啟1，2，6，7，M,N 路支板閥壓縮空氣即可進入內腔吹洗余液。

圖8 數據采集頁面

3 數據采集與處理系統

由工控機、PLC 的模擬量輸入模塊、熱電阻輸入模塊、PPI 通信電纜等組成。本系統數據采集由PLC 的兩塊模擬量輸入模塊EM231 和一塊熱電阻輸入模塊EM231RTD 完成，參數經過PLC的轉化運算，提供給數采系統軟件。數采系統底層軟件是基于組態王軟件自主研發編制專用數據采集軟件，打印報表輸出沖洗步驟和壓力曲線。沖洗流程結束后，可自動打印沖洗過程中壓力隨時間的變化曲線，為事后過程檢驗和質量控制提供文件資料。（如圖8 所示）。

4 結語

振動翻轉沖洗機的研制基本實現當初的設計理念：附著振動+二維翻轉，自動沖洗+HMI。振動翻轉沖洗機外形設計美觀，布局合理，功能強大，堅固耐用。滿足工藝要求，自動化程度高，科技含量高。較之普通沖洗機，在自動化程度、功能擴展、操作人性化等方面都做出很大改進，也取得了顯著成效。