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超声波清洗机的PLC控制系统设计超声波清洗机的PLC控制系统设计 【摘要】 超声波清洗的原理是利用在液体内部产生“空化效应”，液体中气泡的生成与破裂时会形成足够大的冲击能量，使工件表面杂质、污垢等去除。本文首先结合超声波清洗机的清洗原理、特点及其发展历史作简要阐述，概括设计的任务和研究方法。接着对超声波清洗机PLC控制系统设计初步框架，先是确定总体方案，接着是各单元模块设计，分为硬件和软件部分，硬件有主电路设计和元器件选择，而软件主要是使用PLC为工具设计和编写控制程序，并进行调试，检测是否符合设计要求。 最后，对整体控制系统设计进行归纳和总结。 【关键词】 超声波清洗；PLC控制；硬件；软件 Design of the Ultrasonic Cleaning Machine Based on Programmable Logic ControllerAbstract The principle of ultrasonic cleaning is the use to produce cavitation effect in the liquid inside, it will form a large enough impact energy when the liquid bubble generation and rupture, so that the surface impurities, dirt, etc. removed.At first, this paper combining with the advantages of ultrasonic wave cleaning principle, characteristics and its developing history, a brief summary of design tasks and research methods.Then ultrasonic cleaning machine PLC control system design preliminary framework, first determine the overall program, then each unit module design, divided into hardware and software, hardware main circuit design and component selection, while the software is designed as a tool to use PLC and control procedures, and debugging, testing whether the design requirements.Finally, the overall control system design and summarized. key words ：Ultrasonic cleaning; PLC control; Hardware; software目录引言11 超声波清洗机介绍21.1 超声波清洗原理21.2 超声波清洗的特点21.3 超声波清洗的发展历史41.4 超声波清洗机结构42 总体方案设计72.1可编程控制器72.1.1 FX2N系列PLC的特点72.1.2 PLC的应用领域72.2 超声波清洗工艺特点和工艺流程82.2.1工艺特点82.2.2 超声波清洗工艺流程92.2.3 超声波清洗工艺说明102.3 超声波清洗控制总体设计方案123 硬件设计143.1 电路元器件的选择143.2 电动机的选择243.3 系统控制面板设计274 软件设计284.1程序控制要求284.2 编程方案论证284.3 工作状态图设计295 系统检测与调试315.1 程序调试运行315.2 程序时序图355.3 调试遇到的问题35结论37致谢语38参考文献39附录1 步进指令梯形图40附录2 步进指令语句表40附录3 基本指令梯形图40附录4 基本指令语句表40引言 当今，工业领域的发展速度迅猛，清洗作业也是其中的一个重大的环节。传统的清洗方式经常存在着清洗效率低，清洗效果不够理想的问题，已经远远不能够满足发展的需求，因此寻求一种新的清洗方式是至关重要的。 20世纪初期，超声波技术开始出现，经过大量实验研究表明，往清洗槽中加入清洗液，并作用具有一定频率的超声波，可实现清洗的效果。经过不断的研究和实验发现，超声波清洗技术不仅能够达到清洗的效果，而且相对于传统的清洗方式清洗的效果和效率极高，因此超声波的清洗技术在各行业当中开始广泛应用。在工业生产线领域上，经常会遇到各种机械零部件、电子元器件等的生产制造，而其生产制造的过程中，清洗工艺是非常关键的环节，清洗质量的好坏会直接影响到所生产产品质量的好坏。 本文主要研究超声波清洗，利用超声波清洗技术来清洗精密零件以及难以清洗的工件，跟传统的人工操作不同的是，本文所设计的清洗工艺流程采用的是PLC控制，而不是以往的电气控制电路，可以实现整个清洗作业的自动化。1 超声波清洗机介绍1.1 超声波清洗原理图1-1 超声波清洗机 往清洗槽中加入清洗液，并作用一定频率范围的超声波。利用超声波换能器的作用，可以使振荡电信号变成机械振荡，并形成与纵波相同的方式在清洗液中扩散开来。扩散开来的辐射波，会在清洗液中形成无数充满溶液蒸汽的气泡。在压缩的半波期间，气泡会突然迅速变大，然后又突然迅速闭合，这个过程当中，清洗槽当中的液体会进行相互碰撞，进而产生了足够大的冲击能量，使污垢层从工件表面上脱落下来，这个现象即“空化效应”1。利用“空化”现象进行持续作用，能够使工件表面或难以清洗的污垢层剥落。超声波的持续作用，会大大增强清洗液的渗透；脉动搅拌加剧；溶解，分散和乳化加速；从而将工件彻底清洗干净。1.2 超声波清洗的特点 超声清洗与传统清洗的比较，如下表1-1、图1-2和图1-3。图1-2 清洗能力比较 表1-1 洗净效果比较清洗方法剩余残留物/%吹式清洗86浸润式清洗70蒸汽式清洗65刷子清洗8超声波清洗0-0.5 图1-3 超声波洗净效果从上表1-1、图1-1和图1-2中，我们可以看出超声波清洗相对与传统的各种化学的、物理的、手工的、有机物的清洗方法更高的清洗效果2。在工业迅速发展的时代，我们经常在机械和制作行业中会遇到各种零件的清洗问题，传统的清洗方法已经不能够满足工件所需的清洁度。传统的主要是采用有机溶剂（汽油或煤油等），利用手工来对工件进行清洗操作，这样不仅效率低、劳动强度大、工作环境恶劣而且清洗效果不是很好。但是对于复杂结构工件，特别是盲孔、凹槽、狭缝等，利用化学溶剂并辅以手工清洗的方法，并不能够实现对工件的清洗3。而超声清洗却能够解决这个问题，超声波清洗属于物理清洗，利用超声波作用在清洗液当中所产生的“空化”效应可以高效高质量地完成复杂零部件的清洗，不论是怎样的零件结构还是除油、防锈等工艺过程，只需往清洗槽当中放入待洗的工件，凡是清洗液可以流经的地方，都可以利用超声波清洗来完成清洗。超声波清洗使人们摆脱了以往在肮脏的工作环境中长时间进行手工清洗，而且清洗的时间也仅仅为原来的四分之一。1.3 超声波清洗的发展历史 二十世纪初期，超声波技术开始问世，经历了将近一个世纪的发展，超声波技术已经成为国家各个领域发展必不可少的一项技术4。超声波技术早期，受电子行业发展的限制，超声波清洗设备出现了一系列问题，比如：电源体积大、使用寿命不能够满足工作需求、设备可靠性差，而且价格昂贵。对于一般的工矿企业并不够接受，但因为其所具有相当好的清洗质量和清洗效率，还是让一些资产雄厚的企业为之付出昂贵的价钱。但是伴随着电子行业的发展，新一代的超声波清洗设备在电源体积、可靠性、使用寿命上都有了很大的改善，而且价格逐渐降低，降到大部分企业都能够接受的程度。1.4 超声波清洗机结构 如下图1-3所示，我们可以看出超声波清洗机由3部分组成，分别是超声波发生器、换能器以及其他辅助系统。超声波发生器（又称为超声波电源）主要是将市电转变成为频率为28KHZ以上的高频电信号，利用电缆将得到的高频电信号输送到超声波换能器上5。超声波换能器通常都是安装在清洗槽底板上面，当给超声波换能器通以高频电压之后，压电陶瓷元件在电场的作用下会以振动波的形式纵向扩散开来。 超声波换能器是一种具有很高效率的换能元件，可以将电能转换成为足够大的超声波振动，虽然振动幅度很小，差不多只有几m，但却有很大的加速度10。清洗槽上会安装有多个超声波换能器，当在这些超声波换能器上施加相同频率和相位的电能时，就会产生一个往复的振动，这个现象也就是我们所经常提到的超声波。图1-4 超声波清洗机的结构示意图超声波清洗机各组成部分说明：（1）超声波发生器：本清洗机采用功率MOS管的超声波发生器，其具有电路系统先进，结构功能完善，并且配备有灵敏且可靠的集成控制系统，从而保证了超声波清洗机可以在其所能承受的负载下进行稳定工作11。超声波发生器具有外观小巧时尚，而且操作简便等特点。（2）超声波换能器：采用PZT压电陶瓷片组合而成的三明治式振动头，其具有工作效率高、耐用、工作稳定可靠等优点。由于超声波换能器是粘接在清洗槽底部，故采用可耐高温、高粘度的树脂胶并利用特殊方法来固定以杜绝发生脱落现象，并且可以承受100150的高温。（3）由于各组件在工作的时候必须要进行散热处理，才能够保证各组件的使用寿命和工作的稳定性，故在机箱内部安装有散热风扇进行散热。（4）加热及温度控制系统：为了增加清洗机的清洗效果和清洗效率，可以对清洗剂进行加热，因此在超声波清洗机内装有加热装置。加热器可以采用能够耐酸碱和可靠性高的铸铝加热片。温度控制主要是对清洗液加热到所需要的温度进行调整，以保证最合适的温度，达到最好的清洗效率和效果。（5）清洗槽：主要是用来盛放待洗的工件，可采用SU304不锈钢，在清洗槽的槽体上还设置有控温装置口、加热器口、保温层等，可以安装加热及控温装置等。（6）槽液循环过滤系统：由于清洗液的清洁度对工件的清洗效果也会造成影响，因此应设置过滤器，对槽内的清洗液进行过滤，来保证清洗液的清洁度符合清洗要求。（7）输送系统：超声波清洗机的输送方式主要是根据清洗工件的外观和大小来确定。典型的输送方式主要有链、机械手、吊篮等。（8）喷淋漂洗系统：主要是结合待清洗工件的表面状况来判断是否需要喷淋漂洗工艺来进一步增加工件的清洗效果。（9）烘干系统：由加热器和风机组成，利用温度控制装置来自动控制温度。2 总体方案设计 2.1可编程控制器可编程控制器（Programmabie Logic Controller，缩写PLC）是一种在工业环境下专门用来进行数字运算操作的电子装置6。本系统选用的是三菱公司的FX2N系列的PLC进行设计的。2.1.1 FX2N系列PLC的特点（1）FX2N系列的PLC采用的是一体化箱体的结构，其基本单元CPU、存储器、输入/输出接口以及电源等等都集中到一个模块当中，具有结构完善、体积小巧、成本低廉而且安装方便等优点；（2）FX2N在FX系列的PLC当中功能实用性最强且运行速度最快，其基本指令的执行时间远远超过了许多大中型的PLC；（3）FX2N系列的PLC其用户存储器容量可以扩展到16KB，而且I/O点数可以扩展到256点；（4）FX2N系列的PLC还具有多种特殊的功能模块，比如说模拟量输入/输出模块、高速计数器模块等；（5）FX2N系列的PLC具有128种功能指令，其中具有中断输入处理、修改输入滤波器常数、脉冲输出等功能指令。（6）FX2N系列的PLC还具有矩阵输入、数字开关、方向开关等方便指令8。2.1.2 PLC的应用领域 PLC现已应用在大多数行业当中，比如：钢铁行业、石油行业、化工行业、电力行业、机械制造行业以及交通运输行业等7，其使用情况目前主要是下列六种情况：1 开关量的逻辑控制 这是PLC的最基本应用领域，可以用它来取代传统继电器实现对电路的控制，其不仅适用于单台设备的控制也可实现对多台设备的控制。2 模拟量控制 PLC一般都具有配套的A/D和D/A转换模块，可以实现对连续变化模拟量的控制，比如温度、压力等等。3 运动控制 PLC可利用专门的运动控制模块，来实现对圆周运动和直线运动的控制，现在各PLC生产厂家所生产的产品一般都具有运动控制的功能。4 过程控制 过程控制主要指对各种模拟量的闭环控制，比如温度、压力等。目前的PLC产品都能够编制各种控制算法程序，来实现闭环控制。5 数据处理 目前所生产的PLC都配备有数学运算、和位操作等功能，可以用来完成对数据进行采集、分析以及处理。6 通信及联网 PLC的通信功能在工业控制中具有非常重要的地位，在最近一段时间内生产的PLC都配备有通信接口，可以使通信变得非常简单方便9。2.2 超声波清洗工艺特点和工艺流程2.2.1工艺特点不同的清洗条件，会对超声波清洗效果和清洗效率产生不同的影响。通过研究发现，超声波清洗主要取决于超声波功率密度、超声波频率、清洗温度、清洗时间以及清洗介质等因素13。（1）超声波功率密度越高，则空化效果就越好，清洗效率也会越高。因此清洗结构复杂的工件可采用高的超声波功率密度，而清洗精密零部件可采用低的超声波功率密度。（2）超声波频率越低，则空化效果就越好，但是在高的超声波频率时，具有更好的折射效果。因此表面结构简单的工件采用低频超声波，而表面结构复杂的工件或者深盲孔之类可采用高频超声波。（3）大量的研究实验表面，若清洗温度为4050时，可取得最好的空化效果，温度高于50时，污物的分解能力就会增强，但是当温度为7080时，会影响到超声波在清洗液当中的发挥作用，会使清洗质量降低。（4）通常来说，清洗的时间越长，所取得的清洗效果就越好，但是除了一些特殊的材料之外。（5）不同的清洗介质对超声波的清洗效果也会产生影响，我们需要根据待清洗的工件，来选择不同的清洗溶液，使清洗效果达到最好。2.2.2 超声波清洗工艺流程 超声波清洗工艺流程：人工上料、温热浸洗、超声波粗洗、超声波精洗、喷淋漂洗、浸泡防锈、强风吹干、烘道烘干、人工下料。图2-1 超声波清洗工艺流程主体布局 工件通过人工放置在篮筐中，可实现多个工件同时清洗。超声波清洗工艺流程主体布局如上图所示，共有五个清洗槽，分别为温热浸洗槽、超声波粗洗清洗槽、超声波精洗清洗槽、喷淋漂洗槽和浸泡防锈槽。篮筐上安装有吊钩，通过清洗传动链将带清洗工件传动到各个清洗槽，传动链由电机、链条、链轮还有减速器来组成，通过链条来带动传动。工件通过传动链和吊篮的升降来实现到达各清洗工作槽，完成清洗作业后，传送到烘道传动链上，完成烘干流程后自动输出，由人工来完成卸料。图2-2 超声波清洗工艺流程图温热浸洗槽、超声波粗洗槽、超声波精洗槽、喷淋漂洗槽和浸泡防锈槽中都盛放有清洗液，出于经济效益和环境保护综合考虑，清洗液为循环式，由过滤器进行过滤来保证清洁度。由于清洗槽液面上浮动的油脂和污物会影响工件的清洗质量，因此我们需要将其排出，为此在清洗槽上部设有滋流槽，可以进一步过滤，且清洗槽底部具有一定的排水坡度，以便油脂和污物的顺利排出。为了进一步提高清洗效果，可以在各清洗槽底部配备电加热装置，并配套安装有温度控制器，可以通过温度控制器来控制清洗液的温度，温度数值会显示在温度显示屏上，当温度达到所设定的值，电加热装置停止工作，从而保证工件在一定温度的清洗液中完成清洗作业，实现更好的清洗效果和效率。2.2.3 超声波清洗工艺说明（1）温热浸洗：工件在20100(根据不同工件选择合适温度）清洗液中浸泡一段时间，完成对工件的第一次清洗。温热浸泡的目的主要是可以提高工件的清洗效果和清洗效率。（2）超声波粗洗：工件在超声波粗洗槽中完成粗洗作业。（3）超声波精洗：在与粗洗相同的工作环境下，对工件进行超声波清洗。其目的是提高工件的清洗质量。（4）喷淋漂洗：通过喷淋泵将喷淋贮液槽内的喷淋液喷出，对工件进行喷淋作业。其目的是清除工件表面的清洗液以便于保证工件的装配精度。（5）浸泡防锈：将工件放入装有防锈液的清洗槽内浸泡一段时间，可以实现对工件的防锈处理。其目的是延长工件的使用寿命。（6）强风吹干：工件完成浸泡防锈的工艺后，表面往往会带有许多水分，如果直接进行烘干，则会耗费很多时间，而且直接水分烘干的话会在工件表面留有水印。（7）烘道烘干：完成强风吹干作业后，工件通过烘道传动链进入烘道，开始进行烘干操作。在烘道内部装有电加热管，烘道外部使用保温材料，底部风机吹风，顶部吸风，在烘道内形成热风循环，保证烘道内温度匀布，缩短烘干时间。烘道内的温度由温度控制器来控制，提高烘干效率。在超声波清洗工艺流程中，工件的上料和下料为人工操作，工件的清洗工艺流程由PLC控制系统来控制，其控制系统设计步骤如下图2-3所示。调试是否满足设计要求完成PLC控制操作台初步调试编制程序清单设计梯形图总体设计方案工艺分析选择PLCI/O点数确定和I/O点数分配绘制流程图外部电路设计PLC安装配线硬件设计软件设计图2-3 PLC控制系统设计步骤2.3 超声波清洗控制总体设计方案由于继电-接触器的控制方式线路比较简单，而且价格低廉，故在过去广泛被应用在电气控制线路当中。但是随着工业的发展，这种传统的方式出现了诸多问题，比如：接线复杂，出现问题难以进行维修，而且体积大，使用寿命不可靠，故已经不能适用在现代化的工业当中。而PLC作为一种新型的工业专用的计算机，一个小型的PLC就具备成百上千个元件，相当于一个大规模的继电-接触器的控制系统。而且PLC所提供的输入输出触点可以无限次使用，对于复杂的控制系统也能够显得游刃有余。因此，相比之下，PLC是一种较为理想的工业控制方式。本设计当中，利用PLC来控制超声波清洗的温热浸洗、超声粗洗、超声精洗、喷淋漂洗、防锈浸泡、强风吹干、烘道烘干等工艺流程，来实现超声波清洗的自动化。大大改变了传统需要人工来操作的方式，也减轻了工人的负担，而且清洗效率也会大大提高。3 硬件设计3.1 电路元器件的选择根据上述清洗机工艺流程的分析，绘制出主控电路图，如图3-1示。图3-1 主控电路图（1）PLC地址分配 通过分析超声波清洗工作要求和控制过程可知，整个清洗流程需要以下几个控制点。自动/手动选择按钮、自动启动按钮、行程开关，各个电动机的控制开关，有喷淋泵启停按钮、电加热器启停按钮、吊篮升降按钮、清洗传动按钮、烘道传动按钮、超声波发生器启停按钮、烘道风机启停按钮、强吹风机启停按钮。清洗作业前，工件的上料和下料均由人工操作。因此根据工作要求和控制过程来确定PLC的输入信号和输出信号地址分配。表3-1 输入信号及其地址编号表名称输入信号功能编号SQ1紧急停止按钮X000SB1手动/自动选择按钮X001SB2加热器启停按钮X002SB3超声波发生器1启停按钮X003SB4超声波发生器2启停按钮X004SB5喷淋泵启停按钮X005SB6强吹风机启停按钮X006SB7烘道风机启停按钮X007SQ2行车（温热浸泡槽）定位X010SQ3行车（超声粗洗槽）定位X011SQ4行车（超声精洗槽）定位X012SQ5行车（喷淋漂洗槽）定位X013SQ6行车（浸泡防锈）定位X014SQ7行车（强吹风机）定位X015SB10吊篮提升X016SB11吊篮下降X017SQ10行车左限位（后退）X020SQ11烘道限位（提升）X021SQ12烘道限位（下降）X022SQ13行车前进X023SQ14行车后退X024SB8烘道限位X025SB9温控开关X026 SA1手动启动按钮X027SQ8吊篮限位（提升）X030SQ9吊篮限位（下降）X031SQ15吊篮上升按钮（手动）X032SB10吊篮下降按钮（手动）X033续表3-1 名称输入信号功能编号SB12行车前进按钮（手动）X034SB13行车后退按钮（手动）X035表3-2 输出信号及其地址编号表名称输出信号功能编号KM1行车前进电动机控制接触器Y000KM2加热器接触控制器Y001KM3行车后退电动机控制接触器Y002KM4发生器1启停控制接触器Y003KM5发生器2启停控制接触器Y004KM6喷淋泵电动机控制接触器Y005KM7强风吹风机电动机控制接触器Y006KM8烘道向右传动电动机控制接触器Y007KM10吊篮提升Y010KM11吊篮下降Y011KM12烘道向左传动电动机控制接触器Y012HL2温热浸泡指示灯Y013HL3浸泡防锈指示灯Y014HL1原位指示灯Y015KM9烘道风机电动机控制接触器Y016HL4自动运行指示灯Y017HL5手动运行指示灯Y020表3-3 中间状态元件序号中间元件作用1M50合盖传感器2M51吊篮上升（手动）续表3-3序号中间元件作用3M52吊篮下降（手动）4M53行车前进（手动）5M54行车后退（手动）6M55启动加热器（手动）7M56启动加热器（自动）8M57启动发生器1（手动）9M58启动发生器1（自动）10M59启动发生器2（手动）11M60启动发生器2（自动）12M61启动喷淋（手动）13M62启动喷淋（自动）14M63启动强吹风机（手动）15M64启动强吹风机（自动）16M65启动烘道风机（手动）17M66启动烘道风机（自动）18T0温热浸泡定时（自动）19T1发生器1工作定时（自动）20T2发生器2工作定时（自动）21T3喷淋工作定时（自动）22T4防锈浸泡定时（自动）23T5强吹风机工作定时（自动）24T6烘道加热器工作定时（自动）25T7发生器1工作定时（手动）26T8发生器2工作定时（手动）27T9喷淋工作定时（手动）28T10强吹风机工作定时（手动）29T11烘道加热器工作定时（手 动）续表3-3序号中间元件作用30T12行车行进定时（手动）31T13行车行进定时（手动）32T14行车行进定时（手动）33T15行车行进定时（手动）34T16行车行进定时（手动）35T17行车行进定时（手动）（2）PLC选型1 物理结构的选择：整体/模块式；2 I/O点数的确定：根据总共I/O点数，保留1020%余量；3 存储器容量的选择：一般粗略的估计方法是：（输入+输出）（1020）=指令步数。PLC指令功能的选择：本系统需要30个输入点，17个输出点，所以I/O点数共47个，按照留有1020%余量的规则，选择64点数的PLC，选用FX2N-64MR型PLC，输入输出点数都是32，其工作电压为220V，工作频率为50Hz/60Hz。（3） PLC I/O接线图图3-2 PLC I/O接线图（4）空气断路器选用 首先要保证空气断路器的额定电压和额定电流不能小于电路的工作电压和工作电流；其次热脱扣器的整定电流要比断路器的额定电流大1.11.2倍。综上，查空气断路器型号可知，QF1可以选用DZ10-100/330型号的自动空气开关，其额定电流为60A；QF2、QF3可选用DZ10-20型号的自动空气开关，其额定电流为20A.（5）熔断器的选择1 熔断器额定电压电路工作电压；2 熔断器额定电流熔体额定电流；3 对于电动机负载情况，熔体额定电流应选择为所用电机的额定电流的1.52.5倍。4 综上，FU1FU5选用RT12-63型号的熔断器，其额定电压约为415V，熔断器额定电流63A，熔体额定电流32A；FU6FU11选用RT12-32型号的熔断器，其额定电压约为415V，熔断器额定电流32A，熔体额定电流20A.（6）热继电器的选择1 热继电器额定电流电路正常工作时的电流；2 热元件额定电流电路正常工作时的电流；3 通常，我们可选用两相结构的热继电器，但如果电网电压的工作环境不好，我们可选用三相结构的热继电器；4 对于FR1FR5，I（1.11.5）（11.615.8）A，查热继电器元件型号表可知，可以选用JR16-20/3型号的热继电器，其额定电流为20A；同理可知FR6选用JR16-60/3型号的热继电器，其额定电流为60A.（7）接触器的选择1 由于接触器的负载性质为交流电，选择交流接触器；2 接触器额定电压应大于等于线路电压380V;3 接触器额定电流应大于等于电路的额定电流 式中，IC -接触器主触头的电流，A；PN -电动机额定功率，kW；UN -电动机额定电压，V；K为经验系数，一般取11.4。1） 喷淋泵电动机额定功率PN =4kW，额定电压UN =380V，取K=1.2，则 2）清洗传动电动机额定功率 PN =5.5kW,额定电压UN =380V，取K=1.2，则 3）吊篮升降电动机额定功率 PN =11kW,额定电压UN =380V，取K=1.2，则 吸引线圈额定电压可以选的小一些，保证人身安全，而且控制线路比较简单，选用380V。 综上考虑，接触器KM6、KM4KM9选择CJ10-10型号的交流接触器，其额定电压为380V，额定电流为10A；接触器KM1、KM3选择CJ10-20型号的交流接触器，其额定电压为380V，额定电流为20A；接触器KM10、KM11选择CJ10-40型号的交流接触器，其额定电压为380V，额定电流为40A。（7）行程开关选择由于本清洗机设计所用到的行程开关需要靠行进过程中碰撞行程开关的操作头而使行程开关的常开触头接通和常闭触头分断，从而来实现对电路的控制作用，故选用接触式行程开关。查行程开关型号表可知，行程开关SQ2SQ7可选用JLXK1-311型号的行程开关，其交流额定电压为500V,额定电流5A，1常开触头1常闭触头，直动防护式；行程开关SQ8、SQ9可选用JLXK1-111型号的行程开关，其交流额定电压为500V,额定电流5A，1常开触头1常闭触头，单轮防护式.（8）电磁阀的选择 可以选择ZDF多功能电磁阀，可通用于水、电、油等粉尘物质较少的环境当中，进行控制调节。选择公称直径为80mm，公称压力为1.6mp，电流电压为AC 220 (+10%-15%），50HZ.（9）电路元器件表表3-4 电路元器件序号代号元件名称型号1QF1自动空气开关DZ10-100/3302QF2、QF3自动空气开关DZ10-203FU1FU5熔断器RT12-634FU6FU11熔断器RT12-325FR1FR5热继电器JR16-20/36FR6热继电器JR16-60/37KM6、KM4KM9接触器CJ10-108KM1、KM3接触器CJ10-209KM10、KM11接触器CJ10-4010SQ2SQ7行程开关JLXK1-31111SQ8、SQ9行程开关JLXK1-11112FR1FR5热继电器JR16-20/313FR6热继电器JR16-60/3续表3-4序号代号元件名称型号14BT隔离变压器380V/220V220V/12V15PLC可编程控制器FX2N-64MR16SB1SB11按钮LA19-11（10）报警器选择1 温度控制器 如下图3-3所示，通过LM3911温度检测控制集成电路来检测和控制温度，集成电路A的内部是由稳压器、温度传感器以及一个运算放大器组成，运算放大器可以用来作比较，来实现温度检测和控制的目的。图3-3 LM3911温度检测控制集成电路图 其工作原理：工频交流电经二极管VD的半波整流，电容C2 进行滤波，电阻R5限流之后流入V+端上。当温度传感器检测到当前温度低于RP所设定的温度值的时候，A的OUT端输出的电平为高电平，晶闸管V1导通工作，电流流经电阻R8，晶闸管V2也得以触发导通，从而接通中间继电器RA1的线圈；反之，当实际温度比RP所设定值高的时候，A的OUT端输出低电平，于是V1，V2不被触发，KA1断电，继电器返回到最初状态。重复上述的过程，使得温度能恒定在设定值的附近，因此该电路能够实现测温和控温的目的。2 浊度报警器超声波清洗过程中，清洗液需要保持一定的清洁度才能够对工件进行清洗，达到所需要的清洗效果。浊度传感器电路检测液体的浑浊度，当清洗液的浑浊度达到一定的程度，通过浊度传感器电路控制对清洗液的更换操作。浊度传感器工作原理如下图所示。图3-4 浊度传感器整流滤波恒压电路图3-5 浊度传感器检测控制电路 浊度传感器是利用红外光电传感器来检测清洗液的浑浊度，由于红外线在清洗液中不同的透光程度，会产生不同的光电变化，而使光电阻值发生了改变，产生变化电压。传感器内部采用一个IR958和PT958封装而成的红外线对管，当红外光线穿过清洗液时，清洗液的浑浊程度决定了所能透过光的量的多少，清洗液越浑浊，所能透过的光的量就越少。另外一端发射光探测器通过透过的光的多少来转换成相应大小的电流，透过的光的量越多，所转换而成的电流就越大，反之则越小。通过探测器所转换的电流的大小，就可以反映出清洗液相应的浑浊度。 选用MG42-5A型号的光敏电阻，DZ-431/1104型号的继电器，发光二极管可采用红外发光二极管，用12V直流电压来进行驱动。图3-6 浊度传感器工作原理图3 液位检测报警器 本设计的超声波清洗机设备严禁干烧，因此要装有液位检测用灵敏开关来保护设备。液位检测用灵敏开关具有很高的灵敏度，当检测到液位低于设定值时，开关会瞬间闭合，警报响起。因此此开关具有灵敏度高、反应快、闭合所需的力小等优点。3.2 电动机的选择（1）喷淋泵电机选择已知该喷淋泵轴上额定功率为2.5kW，转速n=1480r/min，效率为2=0.84，电动机与喷淋泵之间通过联轴器直接传动。1 电动机功率计算取K=1.1，因电动机与喷淋泵通过联轴器直接传动，故可取1=1，因此电动机功率PN=（1.12.5）/（10.84）=3.27kW2 选择电动机结构形式 因为超声波清洗机工作环境比较潮湿，难免会有水飞溅出来，故应该选择封闭式的鼠笼式三相交流异步电动机，而Y系列的电动机的防护等级为IP14，故适合在潮湿的环境当中工作，所以选用Y系列的电动机。3 根据喷淋泵所要求的转速、计算出的电动机的功率，查询Y系列的电动机产品目录，可以选择Y112M-2型的电动机，其额定功率为4kW，满载转速为2890r/min。（2）清洗传动链电机选择已知：传动链拉力F=11500N，链传动速度v=0.38m/s，链轮齿数Z=8，链节距p=80mm.1 由于属于清洗作业，工作环境比较潮湿，并且不需要很大的启动转矩或者调速范围，综合考虑选择Y系列（IP14）封闭式的鼠笼式三相交流异步电动机。2 工作机所需要的功率计算=式中-工作机构的效率（包含卷筒以及轴承的效率）通过手册可以得知：轴承 =0.98（滚子轴承），卷筒 =0.96（卷筒），则w =轴承 卷筒 =0.980.96=0.943 传动系统总效率计算1 -电动机的输出轴与减速器的输入轴之间联轴器的传动效率，取1=0.99；2 -一对滚动轴承传动效率（共3对），取2 =0.99；3 -一对闭式圆柱齿轮传动啮合效率（共2对），齿轮传动精度为8级时取3 =0.98；4 -链传动的效率，取4 =0.97.则传动系统总效率为：总 =1 23 32 4 =0.990.9930.9820.97=0.8954 工作机所需要有效功率计算5 电动机型号确定查手册Y系列三相异步电动机型号与技术数据表可选取电动机型号Y132S-4，其额定功率为5.5kW，同步转速为1500r/min.（3）吊篮升降电机选择已知：升降运动中吊篮绳索所承受的总质量为m=10kg，总拉力为F=100N，上升速度为v=0.09m/s，卷筒直径D=30mm.1 根据工作条件和要求，可以选择Y系列（IP14）封闭式的鼠笼型三相交流异步电动机。2 电动机所需要的功率计算1 -联轴器效率（共2个），取1 =0.99；2 -对滚筒效率，取2 =0.96；3 -对滚动轴承效率（共3对），取3 =0.99；4 -一对闭式圆柱齿轮啮合传动效率，取4 =0.98.传动装置的总效率：=12 2 33 4 =0.992 0.960.993 0.98=0.8947则电动机所需的功率为：3 确定电动机转速滚筒的工作转速：按照机械设计教材上所推荐的传动比合理范围，取圆柱齿轮传动的传动比范围i=35，因此电动机转速可选择范围为：5）286.5）r/min4 确定电动机转矩（33.5358.89）Ncm5 确定电动机型号根据以上条件，查手册Y系列三相异步电动机型号与技术数据表可选取电动机型号Y180L-8，其额定功率为11kW，满载转速为730r/min，额定转矩为2.0Nm.（4）其他电机选择经验证，强吹风机电动机、烘道风机电动机可采用与喷淋泵一样的电动机Y112M-2，烘道传动链电动机可采用与清洗传动链一样的电动机Y132S-4，可以满足正常工作的需求。3.3 系统控制面板设计 根据系统的工作方式以及自动、手动操作时所需要使用到的按钮设计了如下图3-7所示的控制面板。 图3-7 系统控制面板示意图4 软件设计4.1程序控制要求（1）自动控制：利用PLC控制清洗生产线的清洗工作或者可以通过手动/自动选择按钮来选择进入自动程序或者手动程序；（2）出于安全考虑，必须合上盖子才能够进行超声波清洗工作，若在工作过程中打开盖子，则清洗工作处于暂停状态，必须合上盖子之后才能继续运行；（3）无论处于何种工作状态，按下紧急停止按钮，则系统会停止当前的全部工作。4.2 编程方案论证第一种方法是根据工艺所事先编制好的流程顺序，通过各个输入信号，按照时间和内部状态来进行有序地执行各个操作步骤。这种按照顺序来进行设计的方法我们又称之为“步进顺序控制法”，该方法简单易学，也比较适合刚接触PLC编程的人，而且绘制复杂的控制系统也能够用这种方法来轻松的编写出。这种编程也比较方便阅读，可以清楚指导每一个步骤的操作，大大提高了设计效率和审阅效率。第二种方法是根据不同的控制对象对系统的不同要求，来进行多次的修改和完善，往往需要考虑很多方面的因素，比如互锁、联锁等功能而且需要进行不断去调试和修改梯形图才能够完成。在编程过程中也需要去添加很多的辅助触点和编程元件，才能够使所编的程序满足要求。这种设计方法没有规律可言，很多时候都是自己去尝试，具有很大的盲目性，而且结果一般都会有很多种。设计的结果、所需要消耗的时间这些都要根据设计者而言，因此我们称这种方法为“经验设计法”。目前的话，主要用在比较简单的梯形图设计当中，不是很适合初学者进行学习。因此，综合考虑，本次设计采用第一种方法为主，基本指令为辅的编程设计方案。4.3 工作状态图设计图4-1 超声波清洗机自动工作状态流程图 超声波清洗机自动运行的控制流程是：当操作工人将工件放在吊篮上之后，选择自动按钮，清洗作业进入自动运行控制流程。首先，吊篮上升，当上升到上升限位SQ8时，停止上升，通过通过传动链向右移动到温热浸洗槽上方，到达行程开关SQ2的时候，停止行进，吊篮开始下降，下降到下降限位SB11时，接通电加热器，开始加热清洗液，加热温度通过温控开关SQ9来控制，加热完成，工件通过定时器T0浸泡5min。5min之后，吊篮开始上升，重复刚才的动作分别进入超声波粗洗槽、超声波精洗槽、喷淋漂洗槽、防锈浸泡槽，利用定时器T1、T2、T3、T4控制工作时间分别为20min、10min、5min、3min。完成防锈浸泡之后，吊篮开始上升，到达上升限位SQ8通过烘道传动链向右移动，到达行程开关SQ7后，吊篮下降，启动强吹风机，对工件进行吹干操作，利用定时器T5进行工作时间控制。完成吹干之后，工件通过烘道传动链继续向右移动，到达右限位开关SQ12，启动烘道风机，利用定时器T6控制工作时间为5min。最后吊篮上升，到达上限开关SQ8，开始向左移动，回到左限位开关SQ10，吊篮下降，下降到下降限位SB11，工件回到原位。至此，工件的超声波清洗作业结束，操作工人取下工件。 超声波清洗自动工作各步骤说明：（1） 吊篮上升 按下启动按钮SB1，线圈KM10得电，电动机正转，吊篮开始上升，当上升过程中撞到上限位开关SQ8的时候，吊篮上升动作停止；（2） 行车前进 吊篮停止上升，线圈KM1开始得电，电动机正转，行车前进；（3） 吊篮下降 当行车前进到撞到右限位开关SQ2的时候，行车停止前进，线圈KM11得电，电动机反转，吊篮开始下降。（4） 启动加热器 当吊篮下降碰撞到下限位开关SB11的时候，线圈KM2通电，电加热器开始工作。（5） 温热浸泡 当电加热器工作一段时间后，温度达到温控开关所设定的温度时，电加热器停止工作，同时工件在温热浸泡槽中浸泡，浸泡时间5min通过定时器T0来控制，定时器T0设定为K3000。（6） 吊篮上升 当T0所设定的时间到时，线圈KM10得电，电动机正转，吊篮开始上升，当上升过程中撞到上限位开关SQ8的时候，吊篮上升动作停止。 接下来的工艺流程以此类推，直到工件完成烘干工序之后，吊篮回到原位，操作工人下料，并将后面需要清洗的工件放入吊篮中，再次按下启动按钮SB1，开始下一个循环。步进梯形图及步进指令见附录1、附录2，基本指令梯形图及基本指令语句见附录3、附录4。5 系统检测与调试当编写好控制程序，需要对所编写的程序进行调试，才能够知道该程序是否符合工作要求，若不符合，则需要不断的修改直到满足工作要求为止。本设计检测与调试的对象是步进指令程序，采用的是三菱FX2N PLC编程软件和PLC实验箱两者相结合的方式，首先将编写好的程序输入到三菱FX2N PLC编程软件当中，利用软件自身的检测系统来检测程序是否存在语法错误、双线圈错误以及电路错误。经过检测，所编写的程序没有存在语法错误、双线圈错误和电路错误。接下来是连接PLC实验箱，程序当中的输入输出点分别连接到试验箱上的输入输出对应端，电源开关置于OFF,将所编写的程序通过该编程软件导入进去，拨电源开关置为ON，进行调试。5.1 程序调试运行（一） 步进指令程序调试 1.程序开始运行。2. 当到达限位开关X030时，线圈KM1得电，清洗传动电动机正转，开始向右行进。3. 当到达行程开关X010时（即温热浸洗槽），清洗传动电动机停止工作，同时线圈KM11得电，升降电动机反转，吊篮开始下降。4. 当达到限位开关X031时，升降电动机停止工作，同时线圈KM2得电，加热器开始工作。 5. 利用温控开关X026实现加热到所设定温度，当到达设定温度时，常闭开关X026断开，同时常开开关X026接通，T0定时器接通并开始工作，通过定时器T0实现温热浸洗5min的目的。 6. 接下来