汽车复杂结构零件的低噪声自动清洗设备研制

杨燕红，刘峰，2，付豪，赵稳，廖兴华，韦顺达，李高强

（1.西华大学 汽车与交通学院，四川 成都 610039；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；3.成都西华新源科技有限公司，四川 成都 610000；4.重庆建设·雅马哈摩托车有限公司，重庆 400054）

0 引言

当前我国汽车工业发展迅猛，根据中国汽车工业协会2020年初发布的统计数据，我国汽车产销量已连续十一年蝉联全球第一。庞大的汽车产量是对机械制造业的巨大考验，即使汽车行业是工业自动化行业中最领先的［1］，但汽车零部件生产及机加工过程中的清洗工艺仍采用传统的清洗方式，自动化程度不高且存在诸多弊端［2］，其中噪声与清洁度两大问题尤为突出。在噪声环境中工作，会对人体健康产生极大伤害［3］。依靠人工手持吹尘枪对机加工后残留的切屑和切屑液等杂质进行清洗而产生的工作音量可达100 dB以上，严重超出了《工业企业噪声卫生标准》的规定。清洁度是汽车产品质量及可靠性的重要指标，提高复杂结构零部件的清洁度是当前国际汽车制造业所面临的重要课题。零件的清洁度与清洗方式有极大的关系，人工清洗的清洁度不高，且一致性不能得到保证。

为解决上述问题，满足某外资企业提出的对清洗过程噪声控制和零件清洗后的高清洁度要求，研制一种适用于汽车中小型复杂结构零件大批量生产时的自动清洗设备，实现高度自动化的清洗过程，同时满足低噪声与高清洁度的标准要求。

1 总体方案设计

1.1 设备主体结构设计

为了实现高度自动化生产，运用柔性化设计理念，将密闭清洗室、气路系统、控制系统3个主要部分高度集成在设备的主体结构中。清洗室和气路装置元件设置于设备内部上层，降低气路复杂度，避免气管缠绕；PLC安装于符合电气标准的控制柜内并满足相应安装条件，控制柜设置于设备内部下层，以避免干扰，同时便于线路连接和检测维修；设备中部配备安全保护开关，以降低误触风险并能使设备立即停止工作和切断电源，保证操作者的工作安全；设备顶部同时配备触摸屏与警报灯，实时监控动作运行、显示工作状态和报警信息。清洗过程产生的废料由于重力作用下落，通过漏槽落入设备下层废料车，避免造成堆积而影响其他装置元件的运行，便于集中清理。利用SolidWorks软件对设备主体结构和各元件布局进行建模设计与仿真分析，并对相应的物理设计和机械设计充分验证后进行设备搭建。设备整体结构及布局设计如图1（a）所示，搭建完成的实物布置如图1（b）所示。

图1 设备结构布局Fig.1 Device structure layout

1.2 清洗方案及清洗室结构设计

残留杂质主要是附着于零件表面和沉积在零件腔室内的切屑及切屑液，为此，采用高压气流的清洗方式。参照实际生产线上工人所用的吹尘枪，清洗气流气压控制在0～1 MPa。采用多角度多气流喷射方案，使用若干个气流喷嘴从不同角度对准杂质主要残留区域，故对喷嘴弯曲度和稳定性的要求较高，喷嘴选用铜管。将铜管喷嘴安装在汇流板上，布置在被清洗零件的6个方位，以实现对零件的无死角清洗。待零件进入清洗工位后，各汇流板带动喷嘴移动，对准零件喷射高压清洗气流。夹具和汇流板的运动动力由气缸提供。

为了降低由高压清洗气流所产生的工作噪声，从声传播途径对噪声进行控制［4］。将进行清洗工作的区域设置在一个密闭环境内，清洗室的密闭结构采用多层隔音、吸音材料，外层为不锈钢板，夹层为隔音棉，内层为有机玻璃板，以抑制噪声传播［5-6］。

使用SolidWorks三维建模软件设计清洗室结构，并对其进行运动仿真分析、修正缺陷、优化布局。清洗室结构如图2所示。

图2 清洗室结构布局Fig.2 Cleaning room structure layout

1.3 气路系统设计

由于气缸和汇流板对气流的气压和洁净度要求不同，气路系统分为气动回路和清洗气路，来自气源的压缩空气经球阀开关后分流。气路系统原理如图3所示。

图3 气路系统原理图Fig.3 Schematic diagram of air circuit system

气动回路中的主要元件为过滤调压器、电磁气控阀和气缸，来自气源的空气经过滤减压后通过相应电磁阀（Y4～Y20）为各气缸提供洁净的低压气流，气缸通过电磁阀通电产生运动，运动方向由双电控电磁阀控制，实现垂直与水平移动机构的动作［7］。

清洗气路装置由储压罐、电磁气控阀、汇流板及喷嘴组成，来自气源的空气经储压罐稳压后通过电磁阀（Y21～Y27）为各汇流板及喷嘴提供稳定的高压清洗气流。

2 控制系统设计

2.1 硬件系统设计

PLC在气动回路控制方面具有很大优势且应用广泛［8-10］。以PLC作为主控制器，对设备各部分进行控制协调。根据清洗室和气路系统的设计，分析被控对象，确定I／O点数，估算存储器容量，考虑到需要与触摸屏通讯实现人机交互以及需要连入工厂自动化网络，确定合适的通信模块和接口。选用三菱FX3U-64MR晶体管型微型控制器进行集中控制［11］。

PLC控制系统I／O点的分配及输入输出信号如图4所示。输入信号为物理按键、触摸屏信号和传感器的反馈信号。当按下启动开关时启动信号（X00）响应，执行自动程序；停止开关信号（X01）控制设备运行动作的停止；复位信号（X26）为设备的报警复位；其他触点为气缸等执行元件控制点。输出端有25个输出控制点，其中Y04～Y31输出触点连接电磁阀直接输出信号，控制气流通断，实现气缸与汇流板的相关动作运行，其他输出点连接的被控元件能够完善设备功能，如反映设备的运行状态和进行照明、自净等。

图4 PLC电气原理Fig.4 Electricity schematic of PLC

2.2 PLC软件设计

PLC软件系统采用模块化设计思想［12］，主要完成逻辑控制、信号传递、调试处理等功能。根据机械机构和控制系统设计并绘制工作流程图，包括自动模式和手动模式，如图5（a）所示。自动模式是系统的控制核心，需要设备能够对各种输入输出点的逻辑以及气缸接近传感器反馈的到位信号进行判断，决定自动程序的执行方向。自动清洗程序执行期间需要各个执行元件（Y00～Y32）动作配合完成相应指令，从而实现对零件全方位分时序的清洗过程，自动清洗程序PLC控制流程如图5（b）所示。在自动清洗程序执行的同时检测是否有停止信号，当出现停止信号时，中断自动清洗程序，等待复位信号回到起始位置或转到手动模式处理；手动模式下可以实现对各执行元件的单独控制和分步操作，主要用于设备调试、监控和日常检修维护。

图5 设备流程图Fig.5 Device flow chart

使用GX Works2软件，结合控制流程编写PLC梯形图程序并进行仿真调试，实现控制需求和基本功能。

2.3 人机交互系统设计

人机交互系统应具有简单友好、易于操作的界面，能够监测设备工作状态、显示各部件动作运行情况，以及对系统进行实时控制等功能。触摸屏是一种智能化操作控制显示装置，其与PLC组合使用的人机交互系统已得到广泛应用［13-14］。触摸屏需要设置变量，并对变量进行组态，从而实现对工作情况的监测与显示、以及向PLC输入信号，完成对执行元件动作的控制。

选用三菱GOT 2000系列触摸屏与PLC组合构成人机交互系统，通过以太网（TCP／IP）在两者之间设置关联，建立通讯，实现触摸屏组态变量对PLC参数的信号输入和PLC运行当前值向触摸屏上的输出任务。使用GT Designer3界面设计软件，结合设备工作流程设计人机界面，主要包括主界面、动作监控界面和手动模式界面，分别如图6（a）～（c）所示。

图6 人机交互界面Fig.6 Human-machine interaction interface

3 测试与分析

3.1 工作噪声测试分析

设备运行工作噪声测试依据相关测试标准和方法进行，同时要满足职业卫生专业机构检查要求。在设备四周布置4个测量点，测得设备在自动模式下从启动至结束运行期间的工作音量，测试结果如表1所示。由表1可知，设备运行噪声值最高为80 dB，而人工作业时的平均噪声值为98.9 dB，清洗工艺过程噪声大幅度降低，达到了《工业企业噪声卫生标准》的要求。

表1 清洗工艺过程噪声测试结果Tab.1 Test results of cleaning process noise

3.2 清洁度测试分析

清洁度测试按照企业相关测试标准和方法进行。取若干件清洗后零件（某型号的小型发动机气缸盖）进行检测，结果如表2所示。由表2可知，设备清洁效果良好，合格率高，满足了企业需求。

表2 某型号零件清洁度Tab.2 Cleanliness of a certain type of part

设备自动清洗程序的时间根据生产线节奏设置，经过设备清洗后清洁度合格的零件不再占用人工，不合格的零件统一由人工进行二次吹洗，使清洁度满足要求。人工二次清洗平均所用时间在5 s以内，而纯人工作业所需的平均时间约60 s，工作效率得到了大幅提高。

4 结语

本文所研发清洗设备实现了对汽车中小型复杂零部件的自动清洗工作，清洗过程快，自动化程度高。清洗室的密闭结构可有效控制清洗过程工作噪声。采取多角度多气流分时序清洗，无化学清洗剂或液体，维护成本低，可靠性高，能够满足实际生产需求。应用人机交互界面便于操控，同时有利于工业物联网发展。运行测试结果表明，设备的多层密闭隔音结构设计显著降低了工作噪声，清洗后的零件清洁度高且一致性得到保证。该设备已交付企业并投入使用，实际运行效果良好，并为企业取得了一定的经济效益，也验证了该设备的实用性。