大直徑活塞全自動清洗設備設計

安 靜，王雪梅

（濱州渤?；钊邢薰?山東省發動機活塞摩擦副重點實驗室，山東濱州 256602）

0 引言

帶有內冷通道的活塞在澆鑄時使用鹽芯，鑄造完成后需要使用清洗設備沖洗出內冷通道內的鹽芯，如果內冷通道內有鹽渣殘留，會造成加工后清潔度超差。目前大直徑活塞自動生產線大多僅完成活塞的尺寸加工作業，活塞的沖洗及吹干需要在線外使用清洗設備手動完成，工作效率低且勞動強度大。隨著主機廠家對活塞的清潔度等要求日益提高，在原自動生產線的尾端加裝自動清洗單元是非常必要的。

設計一加裝在原活塞自動生產線尾端的自動上、下料的清洗設備，實現大直徑活塞的清洗及吹干過程自動化，控制系統設計采用模塊化、標準化的思想，利用西門子TIA 博途集成軟件完成邏輯運動控制，并在控制程序編寫時采納標準化理念PackML 作為指導，將設備基于狀態進行劃分，為自動化設備控制程序編寫研究出通用方法，提高自動生產效率，降低工人勞動強度。

1 設備構造

設備采用桁架運輸物料的模式，整體分為桁架及機械手、清洗機和料道三大部分。機械手從原自動生產線的下料料道側裝卸物料，桁架運輸物料至清洗機工作臺。為提高裝卸物料的節拍，桁架及機械手部分由一個水平模組和兩個豎直模組組成，每個豎直模組帶有一個機械手，分別定義為裝載模組A（左）和卸載模組B（右）。機械手A 從料道上抓取待清洗的活塞，機械手B從清洗機工作臺先抓取已清洗完畢的活塞，將其移出清洗機，再由機械手A 將待清洗的活塞放至清洗機工作臺。桁架及機械手結構如圖1 所示。水平和豎直方向的位置移動都采用伺服電機實現，豎直方向的兩個機械手動作由氣缸實現。

圖1 桁架及機械手結構

清洗機的床身整體采用不銹鋼焊接方式，全周包覆不銹鋼板，具有良好的密封性，能有效防止水汽、沖洗的渣屑等飛濺到機身外側。清洗機采用集成式的泵站，清洗液流經分水塊和外置可調節噴嘴，可有效完成對活塞裙部、環槽等部位的沖洗，分流的部分清洗液流經專用工裝，可實現對內冷通道和內腔的沖洗。沖洗完成后，經由過濾器的空氣輸送至分氣塊，完成對已沖洗工件的吹氣清潔。原活塞生產線在各個加工機床間的物料移送采用的為環形料道的模式，在原料道上增加活塞阻擋氣缸及檢測傳感器，通過加裝在原料道上的機構完成活塞的定位阻擋功能。

2 設備工作原理

全自動活塞清洗設備采用桁架組合清洗機的模式，可完成活塞的自動上下料及清洗功能，其工作流程如圖2 所示。整個過程主要分為原生產線料道側的物料裝卸和清洗機側的物料裝卸兩大部分。原生產線料道側的物料進行裝卸時，尺寸加工完成后待清洗的活塞被運送至環形料道定位處，檢測傳感器檢測到有物料后，阻擋氣缸動作，上料機構伸出阻擋住活塞，系統識別裝載手爪A 為空后，水平模組移動至裝夾位抓取待清洗的活塞，系統判斷卸載手爪B 是否抓取著清洗完的活塞，如果有則水平電機移動到放料位卸料，檢測傳感器感應到有物料后，阻擋氣缸退回，將清洗完的活塞放行。

圖2 全自動活塞環清洗設備工作流程

豎直方向的模組都上升到位后，水平模組移動至清洗機上方等待進行物料裝卸。當檢測到清洗完成信號后，清洗機天窗開啟，卸載模組B 動作取出清洗機內清洗完成的活塞，模組上升到位后，水平方向模組移動至清洗機放料位，裝載模組A 動作將抓取著的待清洗活塞放入清洗機內，模組上升到位后，清洗機天窗關閉進行清洗作業。為了提高生產節拍，水平模組移動至料道側等待物料裝卸。

3 控制系統

控制系統按照硬件構成、網絡組態、控制程序和人機交互界面開發進行設計。硬件的構成決定控制系統框架。全自動活塞清洗設備的控制系統采用西門子1500 系列PLC；為便于人員操作、提高可視化程度選用西門子觸摸屏KTP900；為優化現場布線方式，在原生產線料道側和清洗機處采用ET200SP 系列的遠程I/O 模塊；水平和豎直模組選用西門子系列的伺服電機和SINAMICS V90 PN 伺服驅動?？刂葡到y的網絡組態與控制程序設計同樣重要，它是將控制系統由部分整合為整體的基礎。TIA（Totally Integrated Automation）博途是西門子研發的全集成自動化工具平臺，可快速進行工程組態、PLC 編程、HMI 界面設計、驅動電機配置等。在TIA 博途中組態如圖3 所示。

圖3 設備網絡組態

控制程序的編寫是控制系統設計的核心任務。起源于包裝行業的PackML 理念近年來逐漸成熟，可適用于一般工業設備邏輯控制。全自動清洗設備基于此項標準進行PLC 程序的標準化設計。PackML 的核心思想是定義控制系統的模式及狀態，并為各個模式下不同狀態間的互相切換提供統一規則。設備有停止（Stopped）、復位中（Reseting）、等待（Idle）、正常執行（Execute）、暫停中（Suspending）、已暫停（Suspended）、取消暫停中（Un-Suspending）、進入異常中（Aborting）和異常停機（Aborted）這九個狀態，每個狀態下清洗機及移動電機的控制有不同的輸出狀態。

全自動清洗設備分為手動模式和自動模式，每個模式下不同的狀態清洗機及移動電機的控制有不同的輸出狀態。套用標準化編程框架后，要做的編程工作簡化為編輯各個狀態下元部件的輸出狀態及編輯各個狀態的轉化條件，即電機或電磁閥的得失電狀態和狀態切換的條件，提高程序開發效率的同時保證不同編程人員編輯程序的一致性。

設備的界面主要分為狀態機切換、移動機械手A、B 控制、清洗機的沖洗參數設置、料道側阻擋控制、報警等五個界面。移動機械手參數中關于水平電機的移動速度、移動點位等參設置界面如圖4 所示。

圖4 水平電機參數設置界面

4 結束語

通過對原生產線的改造及清洗單元桁架的設計，設計出自動上下料的清洗設備，其擁有友好的人機交互界面，沖洗時間及電機移動速度、移動點位等都可通過操作屏修改。設備采用近年來被廣泛使用的PackML 標準化理念進行模式狀態的劃分，并在控制系統編程軟件內基于此理念進行標準程序的封裝編寫，先將設備的狀態模式切換套用標準的程序框架，后將設備按照功能等標準分為多個工位，僅需要編輯工位包含部件的組成程序和工位的工藝程序，將編程過程模式化、標準化，縮短控制程序設計周期。為自動化設備的程序編寫確立統一控制模式及狀態，提高不同人員編程的一致性。