龙门往复式全自动洗车机仿形刷洗系统设计_徐汝.pdf

机械制造 徐汝 等 龙门往复式全自动洗车机仿形刷洗系统设计 Machine BuildingAutomation Jun 2012 41 4 35 38 作者简介 徐汝 1963 男 江苏南京人 工程师 学士 主要从事全自动洗车设备的研发工作 龙门往复式全自动洗车机仿形刷洗系统设计 徐汝 葛燕萍 南京海天洗车设备制造有限公司 江苏 南京 210014 摘要 仿形系统是龙门往复式全自动洗车机的重要组成部分 也是整套设备技术水平的核心 直接 关系到洗车设备最终的使用效果及安全性 介绍了仿形刷洗系统的结构原理和控制方法 硬件设 计采用 PLC 可编程序控制器 通过模拟量输入模块的应用 简化了刷洗部分传统的仿形控制 节约 了大量的制造成本 同时大幅提升了控制系统运行的可靠性和安全性 关键词 仿形系统 全自动洗车 可编程序控制器 模拟量 中图分类号 TH12文献标志码 B 文章编号 1671 5276 2012 04 0035 04 Design of Roll over Automatic Car Wash Profiling System Xu Ru jian Ge Yan ping Nanjing Haitian Car Wash Machinery Co Ltd Nanjing 210014 China Abstract profiling system is an important part of roll over automatic car wash which is also the core of technical level in this equipment It is directly related to eventual efficacy and safety of the car wash This article introduces the structure principle and control methods of profiling brush PLC programmable logic controller is applied to the hardware design and an analog input module is used to simplify the traditional profiling control of brush part and save a lot of manufacturing cost At the same time it greatly improves operation reliability and security of the system control Key words prolifing system fully automatic car wash PLC analog quantity 0前言 随着中国汽车产业的大发展和社会汽车保有量的快速 增长 以汽车清洗美容保养为主的 汽车后市场 服务行业也 紧随汽车工业得到快速发展 成千上万的汽车清洗美容服务 店铺如雨后春笋般发展起来 参照美国的洗车市场经验 按 平均每3 000 辆汽车配置一个洗车行计算 中国的汽车清洗 行业发展前景将不可估量 现在国内汽车清洗行业对洗车 设备技术工艺的 节能 环保 效率 的要求越来越高 竞争愈 加激烈 加之不可避免的通胀和材料物价 社会劳动力成本 大幅上升以及农民工短缺等因素 绝大部分手工洗车老店将 难以为继 蓬勃发展的中国汽车清洗行业对高效 节能 技术 先进的自动化洗车设备的需求高潮已经到来 因此 作为替 代手工洗车的自动洗车设备将越来越受到市场的欢迎 同时 对洗车设备的自动化及可靠性要求也将越来越高 1龙门往复式全自动洗车机的基本 结构 龙门往复式全自动洗车机是指能够在轨道上往复移 动 按照设定程序对静止的车辆进行检测 从而自动完成 仿形刷洗和风干过程的洗车机 该机型可实现高度自动 化控制 可完全替代人工对车辆外表进行清洗上腊风干 发达国家早已实现无人管理的自动洗车 图 1 为龙门往 复式洗车机的结构示意图 1 龙门架 2 左右触压仿形侧刷 3 光电栓侧仿形顶风干 4 触压式仿形顶刷 5 左右固定式侧风干 6 左右轮刷 7 行走轨道 图 1龙门往复式洗车机结构示意图 53 机械制造 徐汝 等 龙门往复式全自动洗车机仿形刷洗系统设计 http ZZHD chinajournal net cnE mail ZZHD chainajournal net cn 机械制造与自动化 洗车机结构部分一般由行走龙门架 1 刷洗系统和风 干系统组成 刷洗系统通常包括一支清洗车辆顶部的顶 刷 4 和二支清洗四周的侧刷 2 所有洗车刷均由电动机减 速机驱动 顶刷可进行旋转和垂直升降运动 侧刷可进行 旋转和水平开合运动 风干系统包括一组顶部仿形风干 3 和二组侧部固定风干 5 刷洗及风干系统安装在可移动的 龙门架上 龙门架通过电动机减速机驱动 可沿轨道 7 进 行多段速度的前进 后退运动 配合顶刷的升降运动 侧刷 的开合运动 顶风口的升降运动 最终完成车辆的仿形刷 洗及风干 2仿形刷洗的结构原理和控制设计 2 1仿形刷洗概念 所谓仿形刷洗 就是控制旋转的洗车刷始终按照设定 的贴合程度 吃毛深度 对车辆外表面进行刷洗作业 仿形控制的技术水平 将直接影响洗车效果和洗车安全 旋转的刷毛接触车表面太浅 吃毛深度太少 将造成洗 净度不好 刷毛接触车表面太深 吃毛深度太大 将可能 对车辆造成伤害 例如损坏雨刮器 后视镜以及车上的附 属物等 当仿形的稳定性不能很好控制时 会造成洗车刷 频繁跳动 导致振荡越来越大 甚至出现无法顺利完成洗 车作业的情况 2 2顶刷的结构分析及仿形控制设计 顶刷的作用是对汽车头部 顶部及尾部进行仿形刷 洗 它的运动包括自身绕中心轴的回转运动和沿升降轨道 进行的上下运动 通过龙门架前进或后退运动与顶刷升降 运动的组合 旋转的顶刷即可形成曲线运动轨迹 图 2 为 顶刷仿形清洗示意图 如何控制以上洗车刷的运动轨迹与车辆外形贴合 这 就是仿形刷洗的关键 刷毛与车体的接触深度 也就是刷 毛的接触压力大小 是仿形刷洗过程中真正需要控制的 这种接触压力在洗车过程中 会随时产生变化 通过检测 接触压力的大小从而控制洗车刷的仿形运动技术叫做触 压控制技术 电动机的工作电流 是随着负载的增大而增大 因此 通过传感器检测洗车刷旋转电动机的负载工作电流 可以 直接反映刷毛与车体间的接触深度 吃毛量 即刷毛与车 体的接触压力 也就是说负载工作电流的数值直接反映了 洗车刷的刷洗效果 洗车刷在洗车过程中的状态分为以下几种 并分别用 相应的电流值来区分界定 设定旋转电动机的空载电流 指洗车刷未接触车体时的电流 为 A0 工作电流为 A 低 限值电流 指洗车刷接触车体后接触压力为正常值下限 时的电流 为 A1 中限值电流 指洗车刷接触压力为正常 值上限时的电流 为 A2 高限值电流 指洗车刷接触压力 偏大时的电流 为 A3 报警值电流 指洗车刷接触压力很 大时的电流 为 A4 当 A A1 时 说明洗车刷未接触到车体 洗车刷应向 车体靠拢 当 A1 A A2 时 说明洗车刷已经接触车体正 图 2顶刷仿形清洗示意图 常洗车 洗车刷应保持现有状态 当 A2 A A3 时 说明 洗车刷接触车体压力偏大 洗车刷应向离开车体方向运动 进行避让 直到 A1 A A2 时停止避让 当 A A4 时 说 明洗车刷接触车体压力太大 已超出安全洗车范围 洗车 机应立即停机报警 基于以上设计思路 通过查阅大量资料 考察对比国 外同类型自动洗车设备后 发现国外的洗车设备上的控制 方法也与此类似 只不过采用的手段不同 例如意大利 CECCATO 公司和德国 WASHTEC 公司的龙门往复式洗车 机均采用电流检测技术来控制洗车刷的仿形清洗 一般采 用固态电流继电器 current relay 来检测电动机电流 固 态电流继电器是一种成熟的产品 能够可靠地测定出电动 机瞬间电流值 并且自身带有电流检测 设定和输出端子 因此可以适应在洗车机上的应用 曾经采用 KYODO DENKI 的 ADCR 132N 型电流继电器在设备上进行研发 试制 发现虽然能够满足洗车要求 但同时也存在以下 缺点 1 每支洗车刷需单独配备电流继电器 而每只继电 器只有二组输出端子 因此要达到以上控制及保护要求 每支洗车刷需配备二只以上电流继电器 2 增加的电流 继电器的输出信号需占用 PLC 内存 增加了 PLC 的成本 3 电流继电器的设定调整不直观 需要有经验的专业人 员方可进行操作 有的还需配备专用外接调试设备 在国 63 机械制造 徐汝 等 龙门往复式全自动洗车机仿形刷洗系统设计 Machine BuildingAutomation Jun 2012 41 4 35 38 产电动机 减速机性能不稳定情况下 出现问题时难以调 整 4 品质可靠的进口固态电流继电器价格昂贵 动辄 数千元的价格让大量运用十分困难 控制系统的设计 PLC 是一种数字控制专用电子计算 机 它使用了可编程序存储器储存命令 执行诸如逻辑 顺 序 计时 计数与演算等功能 并通过模拟和数字输入 输 出等组件 控制各种机械或工作程序 在此情况下采用三 菱 FX2n 系列 PLC 外加 FX2n 4AD 模拟量输入模块组 合 通过一组自主研发的电流检测装置 将每只旋转电动 机的瞬时电流提取后输入 FX2n 4AD 模块 转换成数字 信号后 与 PLC 进行数据传输 通过程序进行对比判断 最终控制龙门架和洗车刷的运动 完成仿形刷洗过程 图 3 为顶刷清洗车辆时的部分触压仿形控制梯形图 图 3仿形顶刷触压控制梯形图 文本采用的显示器与 PLC 通过内部通讯的方式交 流 因此对旋转电动机负载电流设定值的数量将没有限 制 也不会占用 PLC 的输入输出点 在此基础上的功能变 化将不会增加硬件成本 通过文本显示器即可方便的设定洗车刷的负载电流 低差值 中差值 高差值和报警值 通过软件处理 可使显 示的电流值与电动机的实际电流相符合 并可在洗车过程 中直观的观察各洗车刷实时负载电流的变化 特别在出现 问题时 给维修人员分析判断提供了依据 图 4 为通过文 本显示器设置洗车刷触压电流值的初始画面 图 4文本显示器设置洗车刷触压电流值初始画面 一般小型自动洗车机的刷洗电动机功率为 0 37 0 55 kW 驱动洗车刷后的空载电流值一般在 0 9 1 2 A 例如顶刷旋转电动机为 0 55 kW 空载电流为 1 2 A 一般 刷毛接触车体50 100 mm 吃毛深度 为正常的刷洗范围 在吃毛深度为50 mm 时 电动机负载电流会增加 0 1 A 在 吃毛深度为100 mm 时 电动机负载电流会再增加0 1 A 当 吃毛深度达到 150 mm 时 电动机负载电流可能会再增加 0 15 A 在设定电流差值时 可以将低差值设为 0 1 中差 值设为0 1 高差值设为 0 15 当洗车机在自动清洗开始 时 PLC 会首先根据空载电流和设定的低差 中差 高差值 来计算出本次洗车的低限 中限和高限值 例如顶刷旋转后空载电流采样值为 A0 1 16 根据 已设定的低差值 1 0 1 中差值 2 0 1 高差值 3 0 15 由图 4 中的触压设置画面首次输入设定后自动保 存 PLC 会根据每次对电动机电流的采样 自动设定出 低限值 A1 A0 1 1 16 0 1 1 26 中限值 A2 A1 2 1 26 0 1 1 36 高限值 A3 A2 3 1 36 0 15 1 51 由图 4 中的触压调整画面自动显示负载电流的实 际值及每次的计算结果 在本次洗车过程中 顶刷会依据设定的程序 通过对 比判断 自动完成仿形清洗 当负载电流小于 1 26 时 顶 刷下降 靠近车体进行清洗 当负载电流大于 1 26 时 吃 毛深度已经大于 50 mm 顶刷停止下降 龙门架继续前进 清洗 当负载电流大于 1 36 时 吃毛深度已经大于 100 mm 顶刷需上升避让至负载电流小于 1 36 即吃毛深 度在 50 100 mm 之间后停止上升 当负载电流大于 1 51 时 吃毛深度已经大于 150 mm 龙门架需停止运动 等待 顶刷上升避让直至负载电流小于 1 36 后再恢复运动 如 果负载电流大于设定的报警值时 说明洗车过程出现故 障 洗车机会立即停机报警 2 3侧刷的结构分析及仿形控制设计 二支大侧刷的作用是对汽车头部 两侧及尾部进行仿 形刷洗 它的运动包括自身绕中心轴的回转运动和沿水平 73 机械制造 徐汝 等 龙门往复式全自动洗车机仿形刷洗系统设计 http ZZHD chinajournal net cnE mail ZZHD chainajournal net cn 机械制造与自动化 轨道进行的左右开合运动 通过龙门架前进或后退运动与 侧刷左右开合运动的组合 旋转的左右侧刷即可围绕车辆 四周形成曲线运动轨迹 侧刷的仿形刷洗控制与顶刷相似 PLC 会根据负载电 流与设定的低限 中限和高限值比较 来判断接触压力的 大小 控制侧刷和龙门架的运动 完成仿形清洗 只是车 头 车尾部分一般依靠龙门架上的光电开关来检测位置进 行清洗 车头 车尾部分清洗时的触压值主要起到保护作 用 并配合检测侧刷倾斜度的接近开关保护装置 确保洗 车过程的安全可靠 因左右二支侧刷在清洗车头 车尾 时 中间会有部分区域因刷毛干涉无法清洗 设计时采用 左右侧刷到达合拢限位后 同时向左移动再向右移动的控 制方式 来完成中间部位的清洗 图 5 图 5侧刷仿形清洗示意图 在顶刷和侧刷仿形控制的程序设计上 还需注意以下 几点 1 对旋转电动机电流取值时 要避开启动电流 否则 将使判断标准产生严重偏差 2 对旋转电动机电流取值 时 如果出现负载电流为零 应立即报警停机 因为出现 这种情况 一般是旋转电动机线路出现断路 如果不加以 限制 将出现安全事故 而当旋转电动机出现缺相时 负 载电流会迅速增大 洗车机会通过电动机的热继电器和设 定的报警值 A4 进行双重保护 可以确保洗车安全 3 在 清洗车辆过程中 要借助洗车机上的光电开关等传感器判 断车型 根据车型特点 区分清洗区域 在不同清洗区域采 用相应的控制方法 例如通过改变龙门架运动速度来达到 完美清洗车辆某些部位的要求 4 在按照触压控制基本 原则的基础上 还需根据车型特征 在部分区域采取优化 控制措施 例如采取限制时间的点动运动来避免因接触面 积突变等因素 造成洗车刷反复快速运动形成振荡 保证 触压控制正常 3结语 在龙门往复式洗车机上应用仿形控制技术 可减小洗 车机的结构尺寸 大大提高其先进性和完善性 通过对仿 形控制的研究探索 特别是通过模拟量输入模块在仿形刷 洗上的运用 极大地降低了制造成本 使该机型的推广应 用得以实现 在此研究的基础上 将来在不增加硬件的前提下 还 可以通过设定多组触压值 在区分识别大 中 小型各类车 辆的基础上 将可能只用同一台大型洗车设备 便可以自 动采用不同的接触压力 满足对各类车辆的自动清洗 要求 参考文献 1 方建军 等 光机电一体化设计 M 北京 化学工业出版 社 2003 2 程宪平 机电传动与控制 M 武汉 华中科技大学出版社 2003 9 3 MITSUBISHI ELECTRIC FX 系列特殊功能模块用户手册 S 4 王永华 现代电气控制及 PLC 应用技术 M 北京 北京航 空航天出版社 2008 收稿日期 2011 11 權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權 20 上接第 25 页 3