（农业机械化工程专业论文）自动汽车清洗机的设计.pdf

摘要 随着我国汽车保有量的迅速提高，汽车清洗行业迎来了一个重要的发展机遇。汽车清洗 机作为洗下f ：作必不可少的设备，其清洗效果、清洗速度，清洗成本以及对节水和环境保护 的要求，成为其开发和生产必须要考虑的内容。 本文主要通过对汽车清洗机功能要求和运行过程的分析，确定了汽车清洗机的总体设计 方案，对水循环处理系统进行了设计。并主要进行了汽车清洗机驱动和控制系统的设计。针 对汽车清洗机的特点，采用电力和气压驱动两种驱动方式，为后续精密控制顶刷、小侧刷、 大侧刷和吹干系统的运行满足仿形要求创造了条件。在控制部分，应用传感器和可编程序控 制器技术，对汽车清洗机p l c 控制系统进行了硬件设计和控制软件编程。p l c 选用三菱公 司生产的f x 2 系列可编程序控制器，采用梯形幽编程语言，实现了汽车清洗机的传动和控 制要求，满足了环保、高效、可靠和低成本的要求。 本文主要论述的内容包括： 1 、洗下机总体设计方案 2 、洗乍机气动系统的设计 3 、洗车机电动系统的设计 4 、洗车机p l c 控制系统的硬件设计 5 、洗车机控制系统的软件设计 关键词：汽车清洗机气动系统电路图可编程序控制器 a b s t r a c t a st h ea m o u n to f c a ri n c r e a s e sv e r yq u i c k l y , t h es e r v i c et r a d e so f c a ra r ef a c i n gav e r yi m p o r t a n t c h a n c e b e c a u s ec a rw a s h e ri st h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ep r o c e s so fw a s h i n gc a r , t h e s e q u e s t i o n sm u s tb er e f l e c t e do ni nt h ep r o c e s so ft h ed e s i g na n dm e n u f a e t u r eo ft h ea u t o m a t i cc a r w a s h e r , s u c ha st h ee f f e c to f w a s h i n gc a r , t h ee f f i c i e n c yo f w a s h i n gc a r , t h ec o s to f w a s h i n gc a r , t h e p r o t e c to f e n v i r o n m e n t , a n ds oo n i nt h et h e s i s ，a c c o r d i n gt oa n a l y z et h ef u n c t i o na n dt h eo p e r a t i n gp r o c e s so f c a rw a s h e r , t h eo v e r a l l p l a no f d e s i g ni sd e t e r m i n e d t h ed e t a i ld e s i g no f t h ed r i v i n ge n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f c a rw a s h e r a r ed e s i g n e d i nt h ed r i v i n gs y s t e m ，p o w e r - d r i v e ns y s t e ma n dp n e u m a t i cs y s t e ma l ed e t e r m i n e d i nt h ec o n t r o ls y s t e m ，a d o p tt h et e c h n o l o g yo fs e n s o ra n dp l c ，d e s i g n e dt h ec o m p o s i t i o no fp l c h a r d w a r ea n dp r o g r a m m e dt h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r e t h ec o n t r o l l e ri sm i t s u b i s h if x 2s e r i e sp l c a n dt h ep r o g r a mi sl a d d e rp r o g r a m m e e tt h ed e m a n do f t h ee f f i c i e n c y , t h ec o s te n dt h ep r o t e c to f e n v i r o n m e n t t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o i l o w s ： 1 t h eo v e r a l lp l a no f a u t o m a t i cc a rw a s h e r 2 t h ed e s i g no f t h ep n e u m a t i cs y s t e m 3 t h ed e s i g no f t h ee l e c t r i cp o w e r - d r i v e ns y s t e m 4 t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r es y s t e m 5 t h ed e s i g no f s o f t w a r es y s t e m k e yw o r d s ：c ww a s h e r t h ep n e u m a t i cs y s t e mc i r c u i td i a g r a mp l c i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 专占孕 j 时间：2 上帕年，月“日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式 在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名专童孕 帆珈否年，月彤同 导师签名： 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 随着中国汽中j ：业的e 速发展和人氏生活水平的提高，汽车保有量增长迅速，截至2 0 0 5 年，中国k h j 汽下拥有量3 1 6 0 万辆，其中私人汽车拥有量1 8 5 2 万辆”1 。中国汽车j ：业协会展新 发布的产销统计显示，2 0 0 6 年前6 个月我国汽车累计产销双舣超过3 5 0 万辆，分别为3 6 3 0 3 万 辆和3 5 3 5 2 万辆，同比增长2 8 9 4 1 12 6 7 1 $ 。据预测，未来五年内中国汽车保有鲑将增长四 至人倍，汽车产业已成为新的经济增长点。 伴随着汽车数越的日益增加，人们对汽车的消费观念有了极大的改变，从过去单一的功能 追求为主迅速转变为追求个性化、舒适化、美观化的消费观念。这极大的带动了汽车清洗保 养、美容护理等行业的发展。汽车改装、汽车美容、汽车保养等汽车相关产业已成为一个极具 发展潜力的投资热点。汽车清洗可作为汽车美容、汽车保养的一个前期必须i ：序或一个独立的 汽乍服务项目有着i 。阔的市场前景和可观的利润空间。 目前，大多数汽车清洗站点只是简单而粗糙的人工擦洗或采用高压水枪冲洗，没有站房和 白动清洗打蜡设备，没有污水处理设备和污泥处置措施。洗车污水不能循环使用，有些甚至随 意排放，既浪费了人域的水资源又造成环境污染，严重地影响了城市的市容卫生。所以近期 国家相关管理部fj 都在陆续加紧清理非法洗车业者，使洗乍业市场出现了一个较人的空白点， 同时政府也鼓励加油站、大型停车场和有一定规模的汽车服务公司使崩电脑全自动洗车设备从 事洗车。以北京为例，为了配合北京成功举办2 0 0 8 年奥运会，同时也为了树立北京国际大都市 形象，北京市政府特召开了以“约朋水，整顿市容和下辆清洗业”为主题的会议，在会议上 重点强调了城市节约水资源的迫切性和紧要性，同时鼓励加油站、停车场、大型的物业管理小 区要配套电脑洗车机项目。因此，从政策层面来讲，电脑洗车机的生产和使用业市政府产业政 策所鼓励发展和扶持的。 市场上的电脑洗车机主要产臼德国、意人利、美国，荷兰、日本和韩国等。引进国外技术 并在中国人陆装配的设备保有鹫较人，占8 0 以上的市场份额。原装迸口电脑洗币机的价格居 高不下。同类产品、同样配置的设备往往要比国内组装的价格高出6 0 左右，维修费用要高出 5 一1 0 倍，且维修周期要比国内产品的长1 0 2 0 倍以上，设备投资较大，投资同收期较长，这 无疑限制了电脑洗下机的推广和使h 。 所以基丁市场发展，竹水和i 环境保护以及洗印业投资和成本控制的角度出发，开发一种 既满足汽下清洗速度快、效率高的要求义能肖水环保且设备投资较低的洗车机，对促进我国汽 车清洗美容、汽车保养等产业的发展，将具有重要的现实意义。 1 ：2 国内外研究现状 1 2 1 汽车清洗方法综述 汽乍消洗的传统目的是把汽乍上的灰尘油污清洗掉，使汽乍清洁亮丽，光彩如新。围绕这 一目的，洗乍方法主要有以f j l 种： 1 、人f t ，洗车：规范的洗车方法是先用抹布蘸上水润湿车身，再均匀涂上洗乍液用抹布擦洗 一遍，然后_ h 清水冲洗，在_ j 干抹布吸水，用麂皮将水完全吸干。这种洗卞方法不仅存在 损伤车身油漆，降低车身漆面光沾程度的缺点，而且会造成浪费水资源和污染环境的恶 果。 2 ，高压水枪洗乍：高压水枪洗车是先圳高乐水枪喷洒水雾润湿车身，再用高压射流清洗车 身，然后埘清洗液清洗，最后用高压射流清洗干净，_ i j 麂皮将水吸干。高压水枪清洗速度 快，效果好；但高压水枪压力人，容易对币漆造成损害；高压水柱的喷淋会改变空调冷凝器 散热的方向，导致空调制冷失灵；会直接导致车灯胶条密封不良，影响车灯的正常工作，产 生危险；会使密封不是很严的汽车侧门玻璃进水，锈蚀金属件，造成电线短路；劣质洗涤灵 会降低乍漆的亮度；洗后削毛巾多次撩拭会使车身增加划痕。 3 、蒸汽洗车：蒸汽洗车是将水加热成蒸汽后，用蒸汽米清洗汽车其具有节水、节能的特 点。但由于设备质量问胚，存在安全性不高，极易产生污水造成污染，洗午效果和效率差的 缺点。 4 、无水洗车：无水洗车是先埘掸子掸去车身表面浮七，再用无水洗车液进行汽车清洗的一 种新弛环保洗乍方式。它具有。恬约水资源，绿色环保等优点，受到政府的扶持，但是，它 并不能完全替代有水洗车，对于较脏午辆以及汽车底盘等部位，无水洗车不能满足要求。 5 、无刷毛自动洗卞机：采用高速水刀喷出的高压力水雾从上往下清洗汽车，灰尘冲掉后， 自动泡沫喷头喷淋，然后用高压清水进行清洗。它具有清洗速度快，效果好，不损伤乍漆的 优点，但存在水耗大，设备投资和运行费圳高昂的缺点。 6 ，全自动电脑洗下机：电脑洗下机是利用电脑控制毛刷和高压水枪来清洗汽车的一种设 备。主要由电路、气路，水路和机械部分构成。它可通过编制多种洗车程序来完成不同要求 地洗下效果。贝有洗卞效果好，效率高，节水等特点。 汽币清洗是近儿年才在我国逐渐发展起来的新兴行业，具备资金和技术fj 槛低的特点。由 于从国家剑地方，相关的行业标准不是十分完备，对场地、环保、设备、技术、经营管理等方 面都缺乏明确的规定和要求，导致本麻被淘汰地洗车方式仍然在洗车市场上大行其道，而无水 洗车、全白动电脑机械化洗车等先进的洗下方式却在市场份额中占有很小的比例。在欧、美等 发达国家，经过多年的发展，科学洗车的理念己深入人心，洗乍市场的洗车方式有全自动电脑 洗车机洗车、蒸汽洗车和无水洗车，其中尤以全自动电脑洗车为主。在我国建设，美化城市， 创建现代化城市的发展主题中，在全社会1 ，约水资源、保护环境、可持续发展的潮流中，追求 时尚、效率和环保已成为汽车美容服务行业的重要内容和发展方向。目前，城市落后的人丁洗 车方式已不能适应现代化城市的市容卫生雨i 行业发展的需求，也不符合企业的规模经营、专业 化，规范化的要求，更谈不上行业的可持续发展。要想中国的洗车行业健康有序地发展，当务 2 之急，必须推广科学的、环保的、符合中国国情的科学洗车方式，要_ l j 新的理念、新的思路和 新的方法来管理洗车行业，提升行业的形象和竞争力。 全自动电脑洗车机，顺应时代的需要应运而生。它的出现是向传统洗车方式的挑战，必将 引起洗币行业市场一场激烈的竞争和带米根本性的变革。中国的洗车行业要发展，必须与国际 洗车业接轨，缩小与国际先进洗卞行业的差距，因此，推广和虑用全自动洗下机势在必行。 全自动洗车机与现在广为采埘的、落后的人一f 洗乍方式相比，有着无可比拟的优点： l 、安全可靠：全自动洗车机由电脑按设计程序控制全过程的操作，完全能够避免人工操作 引起的人身，设备事故。 2 、快捷高效：人i ：洗车一般为1 0 分钟台电脑洗中机为3 分钟台，- - 4 时可洗2 0 辆 车，每日洗乍越可达2 0 0 3 0 0 辆。这是中小型洗车店无法达剑的数字，它极人的提高了洗车的 工作效率。 3 、洗车洁净：全自动洗印机由程序控制，采用仿形超软洗涤工具，能排除人为因素，保证 洗车质鬣。 4 、环保节水：全自动洗车机洗一台汽车耗水量为1 0 一- 1 2 升，比人工洗车节水1 0 一2 0 升。 如果以洗车店每日洗乍1 0 0 辆计算，每日：i y 水卜一2 吨，每年节水3 0 0 一- 7 0 0 吨。一个大，中城 市按2 0 0 0 家洗车店计，每年节水鼙将达百万吨以上。全自动洗车机可配套使用循环废水处理技 术，不仅使人部分水循环使_ 【h ，减少了污水排放颦，满足了环保要求，而且可以人譬+ ，约水资 源。 5 、不伤漆面：全自动洗乍机采朋科学合理的棉刷，洗涤过程中不会损伤漆面，而人工洗车 时使用的毛, f j 希f 手套，在反复擦洗过程中，夹带的泥沙会在汽乍漆面上造成人为的划痕。根据 德国慕尼黑科技人学和l 美国南加州人学的对比实验，电脑洗车对本身油漆的磨损程度为手工洗 车的3 0 9 6 以f ，人i ：洗车时擦拭埘的海绵或毛巾中隐存的砂粒会对车面造成不规划磨损，而电脑 洗车刷压力均匀、洗乍速度及方向稳定。测试结果表明：电脑洗车5 0 次后车身油漆磨损小于万 分之二毫米，而人i ：洗车磨损大于万分之十毫米。 6 、节省人工：全自动洗乍机只需一个操作工人，比人j ：洗车节省用一j ：量。 i 2 2 全自动电脑洗车机的主要类型 电脑洗车积案功能类别主要分为汽乍移动式全自动电脑洗乍机( 隧道式) 和汽车州定式电 脑洗乍机( 龙门往复式) 两类。 1 、汽车移动式洗车机 汽午移动式电脑洗车机用丁：清洗轿车等各种小型客车的外表。工艺过程如图卜1 所示，其 特点是各机构按洗下j ：艺顺序分立布置，电脑线性变速控制系统输送汽乍依次进入高压喷淋、 消洗液清洗、毛刷包裹清洗屯辆表面及轮毂、液体打蜡上光和强力畋干等i ：位，最终完成汽车 清洗、打蜡的任务。由丁它采刚连续生产线布置，j ：序。倒= e | 较短，所以可进行在线洗车。生产 效率高，可同时洗3 台车，每小时最高洗市容颦可达6 0 辆，但由于各 序分开布置，设备占地 面积和所需作业场地很大，设备前期投资较大。 幽卜1 汽7 f 移动武洗屯机t 艺过程示意图 2 ，汽币同定式电脑洗车机 汽车嗣定式电脑洗车机j j 于清洗轿车等各种小型客车的外表。工艺过程如幽卜2 所示，其 特点是个工序机构集中于一个工位，同- - 3 位需要完成所有丁：艺任务，所各工序之间需要顺序 进行。汽车定位后，洗午机启动。洗乍机通过移动依次完成高压喷淋，清洗液清洗、毛刷刷 洗、液体打蜡上光和强力畋干等l ：艺。由丁各l ：序顺序i ：作，与隧道式洗午机相比，洗卞效率 稍低，每小时最高洗7 f 容簧可达2 0 辆，但由于机构紧凑，设备占地面积和所需作业场地较小， 设备前期投资较小。 1 3 研究的内容 固1 2 汽车固定式洗车机工艺过程示意圈 经过对人艟文献资料的分析整理和市场调研，发现当前市场上销售的备类电脑洗7 f 机，从 功能、价格、产晶质肇和可靠性、节水环保、洗乍效果等方面综合分析，都存在不同程度的欠 缺，鉴丁此，非常有必要从技术和经济的角度出发，在借鉴现有技术的基础上，设计开发一种 适合中国国情的汽车同定式电脑洗车机，以满足市场的需要，从而促进我国洗车行业的健康发 展。本课题的主要研究内容有： l 、全自动洗下机的总体方案设计 2 、全白动洗车机气路系统的设计 3 、全自动洗车机电气系统设计 4 、全自动洗车机控制系统硬r i ：设计 5 、。全自动洗午机控制系统软件设计 4 第二章自动汽车清洗机总体方案设计 2 1 自动汽车清洗机的设计依据 2 1 1 自动汽车清洗机的功能要求 目前，汽车行业主要业务量集中在轿车、小型面包车等各种小型客车的外表清洗、吹于 上，冈此本课题设计的洗印机主要功能麻集中在安全、有效的清洗汽乖的外表和轮毅上。但是 从汽乍养护的角度出发，仅仅进行汽乍的外观利轮毂的清洗和养护是不够的，由丁汽乍底盘经 常会沾染一些泥油污、雨雪等物质，这些物质中含有对底盘有极人腐蚀作用的酸性和碱性物 质，如不及时清洗，汽车底盘就会锈蚀，从而影响寿命，因此，汽车清洗机麻配备相应的底盘 清洗装置。 汽车美容中，一般应注意掌握好打蜡的频率。经调查，根据汽车的清洁状况和表面的光滑 程度，用户在清洗汽午时有二种不同的清洗要求，这三种要求分别是：标准清洗、标准清洗并 打蜡、打蜡清洗。为满足这些要求麻设计可供选择的不同的洗乍工艺流程。从降低运行费h j 和 环保。霄水的角度出发，洗乍机席配备循环水处理装置，以达剑减少排污簧和：诤约_ 咐水的目的。 另外，由于汽车清洗机的r = 作环境相对潮湿，机件容易被腐蚀，影响运行可靠性和外观美观程 度，囡此虑耐腐蚀。 2 1 2 汽车清洗机主要配备方案 根据全自动电脑洗车机的土要功能要求，结合当前轿车、小型面包币的外形尺寸，可确定全 自动电脑洗车机的洗乍高度为2 1 0 0 m m ，洗乍机的宽度为2 1 0 0 m m 。根据清洗的部位和清洗的效果 的要求，针对外观清洗和吹干配备项刷一支。主要用丁| 乍顶的仿形清洗打蜡。大侧刷两支，主 要用于汽车前后以及汽车侧面等部位的清洗打蜡。小侧刷两支，用于清洗汽车侧面靠下部位和 汽车轮毅。仿形吹干系统，用丁清洗、打蜡和吹干。 有些设计方案中，配备2 支轮刷，专崩丁车轮的清洗，本设计不采h i 此配备方案，理由如 下：1 、经过实际调研，单独埘小侧刷进行轮毂清洗，完全可以达到轮毂清洗的要求，2 ，如配 备2 支轮刷，就需要增设轮刷升缩和旋转机构，光电定位传感器，运行电机等，这不仅增加了 机构的复杂程度和控制要求，降低了整机的可靠性，而且增加了设备成本，降低了洗车机的市 场竞争力。 2 2 主要机构的运行过程分析以及初步设计 由丁j 汽车在整个消洗过程中是嘲定不动的，为完成汽乍的清洗，清洗机的各部分均需完成 各自相对独立的功能，由于各部分相对于汽车的相对运动轨迹不同，必须对洗乍机各机构进行 运行过程分析，以使各机构在时间平空间上能够协调i ：作，保证清洗过样的顺利进行现在以 汽乍前方为x 轴，以与轮轴平行方向为y 轴，以币直地面方向( 汽车高度方向) 为z 轴，建立 坐标系。 2 2 1 顶刷的分析及设计 项刷的作_ 【f j 是对汽车上部进行仿形刷洗，它的运动包括自身绕中心轴的回转运动和回转中 心的运动。其同转中心运动轨迹应与印项形状相近，如图2 1 所示。 图2 1 顶刷运行轨迹示意图 即需要有x 轴和z 轴方向的运动分量。为满足这一要求，通常顶端安装在平行于z 轴的轨 道上，使顶刷沿轨道上下运动。x 轴方向的相对运动则靠机架的运动来实现。但在这一方案中。 项刷在沿z 轴方向上的位移范围受剑推动气缸长度的限制，如果气缸的行程过长，不仅大大增 加了气缸的制作难度和成本，也对气缸的寿命会产生一定影响。本设计采用同转式顶刷结构形 式，其r 作原理如图2 - 2 所示。 固2 - - 2 顶刷机构工作原理 1 平衡块2 回转链轮3 气缸4 顶刷 6 为实现保护乍辆目的，在不l ：作时，顶刷由于配重的作用，初始位置保持住绍机的最顶 端，当项刷沿中心轴旋转开始i ：作时，气缸活塞杆带动链条运动，而链条例定于与顶刷支架同 转中心同一同转轴的链轮上，划支架同转中心旋转，顶刷- 卜降。通过调整配重大小和气缸工作 压力，可使顶刷作用于车身的作用力达剑较住的水平。顶刷对车身的仿形清洗则靠车身对顶刷 的反作h j 力大小改变来实现。 2 2 2 大侧刷的分析及设计 大侧刷的作h j 是完成汽车前后端以及汽车侧面等部位的清洗打蜡。它的运动包括白身绕中 心轴转动和同转中沿车身的运动。其同转中心运动轨迹与车身形状相似，如图2 - 3 所示，即需 要x 轴和y 轴方向上的运动分鼙。 设计平行于y 轴的轨道，使人侧刷在轨道上移动，满足沿y 轴方向移动的要求，x 轴方向的 相对移动i l ! i j 靠机架运动来实现。同时，为实现保护乍辆的功能，大侧刷的初始位置麻保持在整 机的两侧。 2 2 3 小侧刷分析及设计 图2 3 大侧刷运行轨迹示意图 ，、2 大侧刷3 汽车 弋 小侧刷的作用主要是清洗汽卞侧面靠f 部位和汽乍的轮毂。它的运动包括白身绕中心轴旋 转和沿y 轴方向上的运动分量。其中x 轴方向上的相对运动靠机架的运动来实现，y 轴方向上的 运动采用汽缸推动小侧刷整个装置亓l 转支架轴摆动来实现。同时，为实现保护乍辆的功能，小 侧的初始能置应保持在攀机的蹶侧。 7 jlli；-lij1 2 2 4 吹干系统分析及设计 吹干系统的作刖是在汽车清洗后将附着丁车身等部位的水采_ i j 强力吹干，而吹干的效果与 出风口距车身距离有很大的关系，闪此，吹干系统山口的仿形要求较项刷更为严格。其运动轨 迹与项刷相似。为实现仿形要求和安全吹千应设计光电防护和接触防护功能。同时，为实现 保护车辆的功能风箱的韧始位置麻保持在车辆的顶端。 2 3 清洗机总体方案设计 2 3 1 汽车清洗机的组成及技术参数 汽车清洗机的组成：为满足设计的要求，本系统主要由机械系统、驱动系统、控制系统以 及水处理系统等组成。 本设计汽车州定式汽车清洗机的主要技术参数参见表2 - 1 。 表2 1汽车清洗及技术参数 适_ j 卞砸轿车、面包车、各种小型客车 设备尺寸 2 6 5 5 ( 长) * 2 7 5 0 ( 宽) * 2 8 9 5 ( 高) 轨道长度( m m ) 1 0 0 0 0 汽下尺寸( f i l m )5 0 0 0 ( k ) + 2 1 0 0 ( 宽) 2 1 0 0 ( 高) 清洗方式水洗、打蜡、风干 洗卞能力( 辆小时) 2 0 设备配置顶刷1 支、人侧刷2 支，小侧刷2 支、底盘清洗架1 组 2 3 2 汽车清洗机的动作顺序 汽车清洗机的动作顺序： 1 、汽车停靠到下位； 2 、洗车机启动并开始移动； 3 、特制高压喷头喷水( 水刀) 冲掉乍体上( 包括底盘) 的泥沙等附着物； 4 、五支刷子清洗乍辆的表面以及轮毅； 该步的具体过程如下： 洗下机五支乍刷开始转动，顶刷向f 运动，人侧刷沿导轨向中间移动剑目标位置，当它在 整机的带动r 接触剑市后端时，洗印机停j r 运动，同时顶刷和小侧刷到位，开始清洗，此过程 为清洗乍的前端。 上面的过程结束后，大侧刷沿轨道向两侧分开，同时，顶刷和小侧刷也复位，其中，顶刷 运动剑初始位置，箨臼到达指定位置后，洗乍机开始重新启动，同时五个车刷剑位，随整机一 起沿轨道运动，此过样为洗车身两侧和项盖。 8 上面过程结束后，洗车机停j t 运动，同时，项刷和小侧刷也复位，大侧刷沿导轨向中间运 动直剑目标位置，然后，顶刷和小侧刷也剑达目标位置，此过程为清洗乍的后端。 5 、动作4 结求后，各屯刷复能，开启风干装置，洗车机沿轨道返同。 2 3 3 汽车清洗机的主要控制要求 。汽车清洗机的主要控制要求： l 、实现粘机前后运动控制：其中在洗车身前、后端时整机应处于停j t 状态，而在洗车身两 侧端时整机戍处丁运动状态，洗乍过程结求后，整机返 亓l 过程不能脱轨； 2 、实现项刷、人侧刷，小侧刷的运动控制：其中顶刷上下运动，沿中心轴旋转；大侧刷沿 轨道左右运动、沿中心轴旋转；小侧刷沿转轴摆动，沿中心轴旋转。 3 、实现风机的运动控制。 4 、满足车辆的保护的要求，即洗车机工作前，顶刷和风机应保持在整机的展顶端，大小侧 刷麻保持在聿f 机的两侧。 2 3 4 汽车清洗机总体设计 1 、机械系统的设计 机械系统主要由机架、导轨、顶刷摆臂机构、小侧刷摆臂传动机构、人侧刷摆臂传动 机构平欧干系统等构成，其总体布局如幽2 4 所示。 承糕l 二 5 穗 弋 师 岬 产 叫 一 豳2 4 汽印清洗及总体布局求意图 1 轨道2 机架3 ，4 大侧刷5 顶剧6 小侧刷7 吹干系统 9 2 、驱动系统的设计 驱动系统的作用是根据控制系统发出的指令。将来自电液压和气压等各种能转化为直 线运动或旋转运动的机械能的系统。根据能每转换方式，可分为电气驱动、液压驱动和气 压驱动。从运行精度、功能、结构、体积、成分等角度综合考虑，本设计选用电气驱动和 气乐驱动方式，其中，机架的行走，顶刷、大侧刷和小侧刷和吹千风箱运行采埘气动驱动 方式。 3 、控制系统的设计 控制系统的设计：可编榉控制器p l c 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编 样序存储器储存命令，执行请如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数 字输入、输山等组件，控制各种机械或i ：作程序。经过3 0 多年的发展，p l c 已经十分成熟 与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。具有如。f 的良好特点： 1 ) 功能完善 p l c 的输入、输出系统功能完善，性能可靠，能够适麻丁= 各种形式和性质的开关域和模 拟餐信号的输入和输出。在p l c 内部具备许多控制功能，诸如时序、计数器、主控继电 器、移位寄存器、中间继电器等。由于采并5 了微处理机，它能够很方便的实现延时、锁 存、比较、跳转和强制i o 等诸多功能。它不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换、顺 序控制功能，而且还有模拟运算、显示、监控，打印以及报表生成等功能。此外，它还可 以和其他微型计算机系统控制设备共同组成分布式或分散系统，还能够实现成组数据传 送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表，函数运算和快速中断等功能。冈此p l c 具有很强 的适应性，能够满足过程控制的需要。 2 ) 模块化结构，硬软件开发方便 p l c 的硬r f ：结构全部采川模块化结构，可以适应人小规模不同、功能复杂样度以及现场 环境备异的各种控制要求。硬 ，l ：系统安装方便，接线简单，连接方便可靠，为控制系统的 硬r l ：设计提供了方便快捷的途径，可以大人缩短硬1 ，| ：系统的开发周期。 软件编稗支持梯形幽逻辑语言，直观方便，只要有了通常的继电器梯形圈，逻辑圜或逻 辑方程，就等于有了p l c 的系统刚户程序，大丈减少了系统软件开发的i ：作苗。另外，这 一特点对于p l c 系统取代原继电器控制系统，进行老设备改造是十分有利的。 总之，使h jp l c 系统可以人人缩短整个系统设计，生产、调试周期，节约系统投资。 3 ) 操作方便，维护、改造容易 p l c 的输入输出系统能够直观地反映山现信号的变化状态，p l c 还能够通过各种方式直观地 反映控制系统的运行状态，如内部i ：作状态、通讯状态、i o 点状态、异常状态、电源状态 等均有醒目的提示，非常有利丁：运行、维护人员监视系统的工作状态。 p l c 采用梯形图逻辑编穰，有利丁电器操作人员对p l c 的编程，使得操作人员可以方便地调 整系统的编样和组态。 另外，p l c 的模块化结构，可以允许维护人员很方便地更换故障元件或再生产j = 艺流程改变 时更改系统的结构和晶质。 4 ) 性能稳定，可锘性高 p l c 产品都有严格的技术标准，这些标准保证了p l c 在恶劣的丁业环境f 的上 常运行，它的 电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家跃期的生产控制经验，主要模块采 用大规模的集成电路i o 系列设计有完善的通道保护和信号调理电路，在机械结构上对耐 热、防潮、防尘、抗震等都有精心考虑，所有这些使得p l c 具有较好的性能和较高的可靠 性。一般平均无障碍时问可达几万小时以上。 1 0 另外，p l c 还具有较完善的白诊断、白测试的功能。 5 ) 具有较高的性价比。 综上所述，不难看出，由丁汽车清洗机的运行过程非常复杂采用一般的控制器式线起来 彼困难，而可编样序控制器p l c 的可韶性好，通刚性强，编程方便，使全臼动洗乍系统的 控制系统构成简单，抗干扰能力强，：l ：作可靠，设计周期短，修改方便，省去人蛩的中间 继电器、时间继电器，安装总线方便，并且当洗午机j ：艺过程要求变化时，一般不_ i j 改变 硬仲控制电路，只需改变软件控制程序即可实现，而且可在监控状态。f 现场检查和修改。 因此，p l c 是一种较理想的控制i ：具。 4 、水循环系统的设计 水循环系统的作j 是将汽车清洗机洗下废水净化，循 环利用。一般情况f ，用于底盘的清洗。循环过滤系统示 意如i ! i2 5 所示。 水循环系统设有清洗水箱，水箱配有贮液槽、过滤 泵、过滤器和球阀开关；水箱和贮液槽分两极单独排污， 一级是清洗水箱底部的放水阀将污水排至排污管道，可寅 接排走，适合于定期排掉箱内比较脏的液体；另一级是将 清洗液排至贮液槽循环利h 。两级定期排污确保了排污效， 果。在其循环支路上设置有清水补充管。 贮液槽采用粗、细过滤两道i ：序。粗过滤采用不锈钢 隔网在储液槽内完成，用来滤掉清洗液中悬浮的泥沙等较 大颗粒杂质 精过滤器由3 0 u t a 筒式纤维过滤芯完成，循环 液经过滤器内部的过滤芯被滤掉。过滤芯为可以拆卸式，围2 5 水循环系统示意田 可定期消洗更换。 1 捕水补充管路2 请洗水箱3 球阀 4 、8 排污管5 过滤器6 过滤泉7 贮液槽 2 3 5 6 7 第三章汽车清洗机电气控制系统的设计 3 1 汽车清洗机电气系统工况要求以及电机选择 在总体设计方案中，明确了机架的行走，顶刷、大侧刷、小侧刷的转动，汽车清洗机的供 水、吹干系统的风机等采用电力驱动的方式。 3 1 1 工况要求 通过对汽车清洗机主要机构的运行过程分析可以确定，机架行走系统的功能是为了满足汽 车清洗机的定位和清洗过程中备主要机构与汽乍相对运行轨迹要求。在运行过程中要能根据需 要进行机架的前进，斤退和停l e 。在运行中不需要进行速度的调整，对运行性能要求不高，不 需要进行监测控制。 顶刷、大侧刷、小侧刷的转动，目的是为了完成清洗j ：作在汽车清洗的运行过程中，毛 刷以硎定的速度转动，不需要政变转动速度。另外，除火侧刷在运行过程中需要进行上e 反转运 动外，其他毛刷只需要单一方向转动或停j t 。 汽乍清洗机供水、吹于系统的风机运行均采用标准配件，其电机运行只有运转和停p 两种 状态。不需要进行调速和反馈控制。 3 1 2 电动机的选择 电动机的选择包括电动机的种类、功率、电压，形式和转速等。 从种类选择上来讲。电子驱动系统主要有直流驱动控制系统和交流驱动控制系统。直流驱 动控制系统以直流电动机为动力，交流驱动控制系统以交流电动机为动力。由丁直流电动机具 有良好的调速性能，一般用丁- 控制精度和要求比较高的设备。常用的交流电动机有异步电动机 和同步电动机两类。异步交流电动机与直流电动机相比较，具有结构简单、价格便宜、运j 亍可 靠、坚俐耐用、维修方便等特点。所以选择异步交流电动机。 本系统共需要l l 台电动机。其中包括机架行走电动机两台，人侧刷旋转电动机两台，小侧 刷旋转电动机两台，顶刷电动机一台，吹干系统风机电动机两台，主水泵电动机一台， 替水泵 电动机一台。其中，风机、水泵、潜水泵电机与风机和水泵配套使用，根据风机鼓风量、水泵 的流鼙和扬稃的需要，在选择风机，水泵、渐水泵时，其配套的电机已经确定，均为y 系列三 相异步电动机。每台风机所配电动机功率为4 k w 土水泵电机功率为3 k 百。渐水泵电机功率为 3 k w 。而根据i ：况的要求，本系统其余电机也均选州交流异步电动机。 汽中清洗机中的电动机的功率的选h j ，一是取决于备机构完成加i = 工艺中消耗的有效功 率；二二是取决丁传动系统中消耗在摩擦上的功率：三是取决于克服各种机构惯性而消耗的功 1 2 率。一般情况f 无法精确计算，但通过参考其他汽车清洗机的情况，采刖类比方法，本系统确 定选用额定电压为3 8 0 v 。犬侧刷电机为0 5 5 k w ，小侧刷电机为0 ，3 7 k w 。项刷电机为0 5 5 k w 。 机架行走电机为0 3 7 k w 的交流异步电动机。 额定功率相同的电动机，转速高、体积小、造价低，但如果输出转速要求较低，则减速机 构将越复杂，成本也会上升。综合考虑洗印机的实际情况，选定电动机的额定转速为 1 5 0 0 r m i n 。 3 2 汽车清洗机电气控制系统电路设计 汽币清洗机的电路分为主电路、控制电路和辅助电路。 3 2 1 电动机正反转控制电路 汽卞清洗机需要控制1 1 台电动机的运行，其中行走电机和大侧刷电机需要进行正反转控 制，其他电机只需要控制启动、停j f 即可。 电动机正反转控制电路如i 鳘l3 - i 所示。 l l l l l i 图3 1 异步电动机正反转控制电路 图中，k m i 控制电机的止转，k m 2 控制电动机的反转，按卜启动按钮s b 2 ，接触器k m i 吸 合，电动机止转。需要电动机反转时，必须先按下停止按钮s b i ，使k m i 失电断开，电动机停 转，然后按下启动按钮s b 3 ，接触器删2 吸合，电动机反转。为保证电动机正反转电路不能同时 吸合，以免造成短路，麻将止反转接触器i o l l l 的一个动断触点接在反转接触器i l ( _ 1 2 的线圈电路 1 3 中，而反转接触器的一个动断触点接在止转接触器的线圈电路中。以实现互锁控制状态。同 时，电路中熔断器f u i 和f u 2 起短路保护作h j 。继电器f r 起过载保护作用。 3 2 2 主电路的设计 汽苹清洗机供屯电源为三相3 8 0 v 交流电。主电路电源开关根据汽车清洗机在最大功耗状态 下( 两风机运行，行走电动机运行) 的峰值电流，选择自动空气开芙k l ，完成过载、短路保护 功能。电动机d l 、d 2 为人侧刷电机，由接触器k m i 和k 4 2 控制其正反转。d 3 a 、i ) 3 b 为小侧刷电 机由接触器k m 3 控制。d 4 为顶刷电动机，由接触器k m 5 控制启动和停j l 。d 5 、d 6 为行走电 机，由k 1 4 5 、k m 6 控制其正反转。d 7 为主水泵电机，由接触器蹦7 控制启动和停止。d 8 为风机l 电动机，由接触器k m 8 控制启动和停i p 。d 9 为风机2 电动机，由接触器1 _ ( m 9 控制。同时为进行 过载保护，每个接触器线路中加装一个热保护器t i i - t r 9 。 3 2 。3 控制电路的设计 根据总体方案设计，控制电路采刖p l c 控制系统，因此较继电器控制，本控制电路省略了 很多按钮，简化了线路。在控制电路中除要求通过编程来实现各电机的自动运行控制外，还应 该对机架的前进、后退进行手动控制。手动控制的实现可通过p l c 的编程使对应电机的控制线 路接通，实现电机的控制要求。 在汽车清洗机的整个运行过程中，要求控制使机架的运行与大侧刷、小侧刷、顶刷，吹干 风管的运动协调一致，以保证清洗过程的顺利进行；同时，由于厢式车清洗时与僻通轿乍有所 不同，除了在清洗机正式开始进行清洗前由操作人员选择以外，为避免失误操作，还应该设置 相应的光电测距传感器以检测车型的著异。这就需要在控制电路中设计相应的线路，使各类传 感器的检测结果能输入剑p l c 中，由p l c 控制相廊的执行机构。 3 2 4 辅助电路的设计 为了使操作人员充分了解洗卞机的运行状态，特设定了各洗车程序的显示灯和启动后的运 行指示灯。这些指示灯都分别与各自的按钮结合在一起，一旦接通指示灯均接通。 具有断电警告显示。当控制线路断路时，串接了：控制线路上的接触器线罔断电，动断触点 断开，p l c 供电电源断开。同时，动合触电接通，蜂鸣器报警，控制面板上的电源正常指示灯熄 灭。 具有气路气压欠压保护功能。由丁人侧刷、小侧刷、顶刷和吹干风管的驱动均为气压驱 动，当气源气压没有达剑工作压力时，如果洗午机继续遥行，则活塞杆的移动速度和毛刷对车 身的压力会发生变化，轻者会影响洗乍效果，重者会打乱洗车机的工步节拍和各个机构的协调 配合，其至会造成洗市机和被洗市辆的损坏。所以在气源端安装一个气电转换器，控制p l c 和 控制线路上的供电。洗卞机总电源接通后，如气路系统气压不足，控制线路断电，洗下机不能 启动i ：作；如往运行过程则土电路和l 控制线路断电，洗下机停l = 运行，备机构【亓i 位。 1 4 第四章汽车清洗机气动系统的设计 4 1 汽车清洗机气动系统的的工况分析 在总体设计方案中，明确了项刷、人侧刷、小侧刷、吹干系统风管的运行采川气压驱动方 式。它们的运行工况如下： 顶刷的运动为绕晰定转轴的摆动，它的驱动机构为在旋转轴上固定一个链轮，链条一端同 定丁链轮上，另一端为气压驱动，链条拉动链轮转动，链轮带动顶刷摆臂转动，顶刷下降。当 驱动停j t 时，顶刷配重带动顶刷上升，旋转轴网转，链轮同转拉动链条同位。 犬侧刷分开或合拢的运动为直线运动。原位为人侧刷左、右两侧滑轨端部，为分开状态。 当需要合拢时，钢丝绳拉动人侧刷连接头，克服平衡块重力作用，大侧刷合拢。当需要同位 时，配重平衡块拉动人侧刷连接头，大侧刷分开。 小侧刷为水平摆臂机构，其开合靠铰接臂的推挽运动实现。 从吹干系统的设计来看，气压驱动元件为气缸，吹管的原位在顶部。当吹管需要下降时， 活塞杆拉动风管卜降，完成吹千。当风管需要上升时，配重块重力拉动钢丝绳克服机构阻力使 风管上升。 4 2 气动系统原理图 通过对汽车消洗机气动系统的i ：况分析，可确定顶刷、大侧刷、风管选“ 单作用气缸即可 完成控制要求，但由于受力状况均为活塞杆退同状态，若通过机构转换不仅增加了成本，而且 传动效率和机构尺寸将受很大的影响，冈此，气缸均选_ i ；i 破作用气缸。 双作用气缸结构如图4 一l 所示，它由前缸盖、扁缸盖、活塞、活塞杆、密封件等零件组 成。缸内有与活塞杆相连的活塞，活塞上装有活塞密封罔。为防止漏气和外部灰尘的侵入，前 缸盖上装有活塞杆州密封圈和防尘罔。这种双作用的气缸铍活塞分为两个腔室：有杆腔( 简称 头腔或前腔) 和无杆腔( 简称尾腔或后腔) j 有活塞杆的腔室称为有杆腔，无活塞杆的腔室称 为无杆腔。 幽4 1 普通型单活皋杆双作用气缸 1 后缸盖2 密封圈3 缓冲鬻封嘲4 活塞密封崩5 活塞6 缓冲柱寒7 活寒杆8 缸筒 9 缓冲节流阍1 0 导向套1 1 前缸盏1 2 防尘管封髑1 3 磁铁1 4 导向环 当从无杆腔端的气口输入压缩空气时，若气压作埘在活塞右端面上的力克服了运动摩擦 力、负载暂各种反作h j 力，推动活塞前进，有杆腔内的空气经该端气口排入大气，使活塞杆伸 出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气时，活塞杆退同初始位置。通过无杆腔和有杆腔的交 替进气和排气，活塞杆伸出或退同，气缸实现往复直线运动。 由丁在运行过程中，活塞均不必剑达与缸盖接触的位置，选择无缓冲_ ) 叹作川酱通气缸。 4 2 1 启动系统设计的依据 1 、气缸的1 ：作特性 气缸活塞在运动过程中。腔室里的气体压力和活塞位移随时间变化的关系。成为气缸的 力一位移特性。如图4 2 所示。 i o 1 j 图4 2气缸压力位移特性 1 6 初始状态时，气缸处于退的位置( 指气缸活塞杆处于退的位置) 。无杆腔内的气压p 一为大 气压，有杆腔内的气压p e 为i ：作气压。当换向阀切换换向后( 图4 2 ，点1 ) ，无杆腔和气源接 通，气体以高速向无杆腔快速充气，并很快上升为气源压力；有杆腔开始向人气排气。当无杆 腔和有杆腔的压力差为p , - p n = p ，超过活塞启动的最小压差。活塞杆就开始运动( j 茔| 4 2 ，点 2 ) 由幽可见，一口活塞杆迳动启动，无杆腔中的压力有所f 降，主要原冈是活塞和气缸内壁 之间的脖擦阻力由静摩擦力变为动摩擦力而有较大的减小，活塞运动的起始段开始加速。若活 塞在运动过稃中，负载保持恒定，那么活塞两侧的压力筹使活塞杆匀速向前运动，直至行程终 端( 圈4 2 ，点3 ) ，无杆腔压力再次急剧上升到气源压力与此同时，有杆腔压力却快速f 降至人气压( 幽4 2 ，点4 ) 。 幽4 - 2 为气缸典型的压力一位移曲线，实际上气缸两腔室的压力差大小，位移曲线的形状 与气缸的负载( 外负载、摩擦阻力的总称) 性质、大小以及j ：作压力、缸径和行程等多种冈素 有关。 从上面说明可知，气缸活塞运动的速度在运动过程中是变化的。若在换向阀和气缸之间的 连接管路上串迮速度控制阀，控制进排气口的流通能力，就可以调节活塞运动的速度。气缸水 平安装时，速度的理论公式为： m 冬= p 1 4 一p 2 a 2 一一f ( 4 - - i ) 式中， m 运动部件的总质鼍( k g ) v 气缸活塞运动速度( m s ) p 一气缸无杆腔的气体压力( k p a ) w 气缸有杆腔的气体压力( k p a ) a ，气缸无杆腔侧活塞的有效面积( m 2 ) a z