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第1页西华大学课程设计说明书前言目前，国外技术先进的发达国家把超声波清洗技术已应用到了各个领域及各个行业，这都是因为超声波清洗具有速度快、效率高，对环境污染小等诸多的特点。而我国现在也正在逐步推广超声波清洗这一革命化的技术。具体超声清洗所涉及的应用范围大致可分为以下几个方面：1、各种电子设备：电子设备长时间使用后，很容易在集成块的连脚间、元器件出脚间和印制电路板上吸附尘埃，而一些接插连件上，也容易被油污、尘埃污染，或是形成一层氧化膜。这些情况对电子设备的正常使用肯定会留下较大的隐性故障，而导致电子设备的损坏。超声波清洗机则可简洁、方便地清洗掉这些污染，以保证设备的完好使用。2、兵器装备：兵器装备容易受到尘埃、油脂、油垢、研磨粉、锈、氧化膜的污染，用人工清洗劳动强度大、时间长，而采用超声清洗就可以很好解决以上问题。3、机械设备：机械设备的范围很广，如汽车、装甲车、坦克、飞机、舰船上所用的传动设备以及各种类型的零部件等，这些设备或是零部件上如果被尘垢、油脂、油垢、研磨粉、锈、氧化膜所污染，光靠手工清洗肯定不可能清洗干净，而超声波清洗可以说是无孔不入，可以把每一个微小的孔、缝隙都能彻底清洗干净。4、各种加工件的表面去污处理。5、医用器具的清洗，药剂的均匀混合。6、厨房设备的清洗。超声波换能器将高频振荡电讯号转换成高频机械振荡，以纵波的形式在清洗液中辐射。在辐射波扩张的半波期间，清洗液的致密性破坏并形成无数直径为50～500μm的气泡。这种气泡中充满着溶液蒸汽。在压缩的半波期间，气泡讯速闭合，会产生上百Mpa的局部液压撞击。这种现象称为“空化”效应。在“空化”效应的连续作用下，工件表面或隐蔽处的污垢被爆裂、剥落。同时，在超声的作用下，清洗液的渗透作用加强；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。第2页西华大学课程设计说明书一、课程设计题目超声波清洗机超声波清洗机工作流程如图1所示：将欲清洗的工件置于工篮中，将工件篮放置在挂杆上，按下启动按钮，挂杆向下运动将工件置于清洗液中，加热清洗液至沸腾，启动超声波生器工作20分钟后，超声波发生器停止工作，挂杆向上运动将工件置于蒸汽中5分钟，停止加热，启动喷淋5分钟，其后停止喷淋，取出工件传送带上，按下清洗结束按钮，启动传送带工作。1、超声波清洗机的原理（1）、什么是超声波：波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz～20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能力强，这也就是为什么设计制作超声波清洗机的原因。（2）、超声波如何完成清洗工作：超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。a.空化作用：空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。第3页西华大学课程设计说明书在超声波清洗过程中，肉眼能看见的泡并不是真空核群泡，而是空气气泡，它对空化作用产生抑制作用降低清洗效率。只有液体中的空气气泡被完全脱走，空化作用的真空核群泡才能达到最佳效果。b.直进流作用：超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在0.5W/cm2时，肉眼能看到直进流，垂直于振动面产生流动，流速约为10cm/s。通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。c.加速度：液体粒子推动产生的加速度。对于频率较高的超声波清洗机，空化作用就很不显著了，这时的清洗主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。2、超声波清洗机的特点在机械及制造行业中，经常遇到各种零件和加工件的清洗问题。其清洗对象主要是机加工油、切削液、金属屑等污垢，传统方法是采用有机溶剂(汽油或煤油)辅以手工刷洗，不但劳动强度大而且操作环境恶劣。近年来逐步开发了许多水基清洗剂来取代溶剂清洗，但这些水基清洗剂普遍存在着化学清洗能力低的缺点，且需要辅以物理方法来增强其清洗力，常规清洗机喷射、搅拌等方式来达到这一目的，这类清洗机通用性差，只适合于品质结构单一、形式简单的工件清洗，对于多品种，形状复杂，特别是有不规则孔、腔、狭缝的零件往往无能为力，而超声波清洗由于其无孔不入的特点以及强力的清洗作用，不但对于手工及机械方法难以触及到部位也能很好的清洗，而且适用性强。超声波清洗与其他清洗方法的清洗能力比较见下图：超声波清洗与各种化学的、物理的、电化的和物化的清洗方法比较，有以下独特优点：(1)、能快速、彻地清除工件表面上的各种污垢；(2)、能清洗带有空腔、沟槽等形状复杂的精密零件；(3)、对工件表面无损；(4)、可采用各种清洗剂；第4页西华大学课程设计说明书(5)、在室温或适当加温60℃即可进行清洗；(6)、整机一体化结构便于移动；(7)、节省溶剂、清洁纸、能源、工作场地和人工等；(8)、不需人手接触清洗液，安全可靠。3、超声波清洗机适用行业及范围电子、电气、灯具、仪器、仪表、机械、打印机喷嘴、五金、工具、轴承、液压、汽车维修、电镀前处理、医疗、航空、玻璃、眼镜、钟表、珠宝、陶瓷、模具、化纤、制笔。二、总体方案设计1、方案1：采用常规继电器控制方法在过去的许多年，电气控制系统线路基本采用继电-接触器的控制方法，其线路简单、价格低廉，但是随着现代化工艺的发展，复杂的工作流程使其越来越不能胜任。虽然采用继电-接触器的控制虽然初期投入较少，但带来的问题是接线复杂、体积大、可靠性不高等一系列问题，且众多的接触控制件容易出现故障，维护不便。2、方案2：采用可编程控制器控制随着科学技术的发展，新的电气元件与控制装置不断涌现，使电气控制系统发生了很大的变化。PLC即可编程控制器控制就是随之发展起来的。它取代了继电-接触器的中间控制运算环节，如时间继电器、中间继电器、计数器等。3、方案论证性价比分析：方案1采用了常规的继电器控制方式，它不具有自诊断、监控和各种报警功能，方案2采用PLC控制方式它既可以进行顺序控制，又可以进行闭环回路的调节控制，特别是它具有体积轻、重量轻、耗电低、性价比高等优点。安全性分析：方案1中的安全系数不高，而方案2中采用PLC进行控制可以防止产生寄生电路的影响和一些不必要的失误，比如人工失误或者电机故障。采用PLC可以减少接点个数，进而可以减少环境对接点的影响，它还可以运行于条件恶劣的环境中，防止外界对系统的一些影响，使系统运行安全可靠。4、方案选择通过上面的方案选择和方案论证，可以得出选择方案2是最适合本次设计需要的，无论从稳定性、性价比、安全性方面考虑还是环境适应性考虑方案2采用的PLC控制方式是最适合的，所以我们选择具有高稳定性的PLC即可编程控制方式。5、PLC方案选择PLC控制系统设计方案又分为：(1)、经验设计法：采用这种方案，设计的梯形图较为简洁，程序较短，但各状态之间相互牵扯，相互影响。因此，这种方案设计程序显得脉络不清，前后相互影响，容易出问题。第5页西华大学课程设计说明书(2)、流程图法（顺序控制法STL）：这种方法是计算机程序设计时常用的方法。它用方框图描述控制过程，方框代表动作，圆圈代表起始位与终了位，连线代表流向，短横线代表状态转换条件。这种图可以把控制对象的工作状态及控制过程清晰地表示出来。使用此法能快速地编出复杂的程序，是一种优越的程序设计的方法，但使用这种方法编写的程序较长。(3)、方案选择根据新型控制器带来的新的设计理念，即在PLC的程序中，清晰性、可读性才是最关键的，而程序的长短并不重要，因此，选用流程图法设计控制系统的程序，这样便于在梯形图中发现问题，使系统的可靠性更高。三、单元模块设计设计小组由周俊帆、冯春、李伟、羊以刚、庄柳艳、唐柳明五人自由组合而成，我在本项设计中主要承担了主电路的设计与绘制、器件的选型等工作、共同完成了方案的比较、论证、选择及系统软件的调试等工作。1、总体设计步骤设计分为硬件和软件设计，按图1工作流程首先确定PLC控制系统的总设计步骤如图2所示。由于PLC所有控制功能都是以程序的形式来体现的，因此PLC应用设计的大量工作将用在程序设计上，在这里需要注意几个关键性的问题。（1）、新型控制器带来的设计理念，即编梯形图首先要求是程序的可读性，以方便维修；（2）、充分利用好PLC的功能；（3）、采用了PLC之后，减少了外部电器的使用；（4）、节约输入输出口；（5）、编程方法的多样性。2、硬件部分硬件主要包括电动机主接线电路、电加热器及超声波振荡器电源电路、PLC输入/输出电路、检测电路及PLC报警电路等。超声波清洗机主电路原理图见附图2所示。PLC外部接线图见附图4所示。元器件选择原则、选型及PLC报警电路如下介绍：已知条件：压缩机P=2KW/380V，加热器P=2KW/380V,挂杆上下电机P=1.5KW/380V,超声波发生器P=1KW/220V。(1)、PLC的选型○1、物理结构的选择：整体/模块式、特殊功能模块；○2、I/O点数的确定：准确统计I/O点数，留10～20%余量；第6页西华大学课程设计说明书○3、存储器容量的选择：开关量（I/O点数×8），模拟输入/输出：200字节/路，应留有余量；○4、PLC指令功能的选择：任何PLC均能满足开关量控制，如有其它控制则需注意选择。本系统需要21个输入点和15个输出点，根据选择选型原则选用FX2-48MR型PLC。FX2-48MR输入/输出点数均为24；工作电压：220V,50HZ/60HZ；输出类型：继电器输出；功率：40VA。(2)、空气断路器选用○1、空气断路器的额定电压和额定电流：应不小于电路的正常工作电压和工作电流；○2、热脱扣器的整定电流：应与所控制的电动机的额定电流或负载额定电流一致。(3)、熔断器及熔体额定电流的选择○1、熔断器的额定电压必须大于或等于线路的工作电压；○2、熔断器的额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流；第7页西华大学课程设计说明书○3、对变压器、电炉、及照明等负载的短路保护，熔体的额定电流应稍大于线路负载的额定电流；○4、对一台电动机负载的短路保护，熔体的额定电流IRN应大于或等于1.5～2.5倍电机额定电流IN；○5、对几台电动机同时保护，熔体的额定电流应大于或等于其中最大容量的一台电动机的额定电流INmax的1.5～2.5倍加上其余电动机额定电流的总和。在电动机功率较大而实际负载较小时，熔体额定电流可适当选小些，小到以起动时熔体不断为准。(4）、接触器的选择○1、选择接触器的类型根据所控制的电动机或负载电流类型来选择接触器的类型，即交流负载应使用交流接触器，直流负载使用直流接触器，如果控制系统中主要是交流电动机，而直流电动机或直流负载的容量比较小时，也可用交流接触器进行控制，但是触头的额定电流应适当地选用得大些；○2、选择接触器的额定电压通常选择接触器触头的额定电压大于或等于负载回路的额定电压；○3、选择接触器主触头的额定电流选用接触器的额定电流应大于或等于电动机的额定电流；○4、选择接触器吸引线圈的电压接触器吸引线圈电压一般从人身和设备安全角度考虑，可选择低一些；但当控制线路简单、用电不多时，为了节省变压器，则可选用380V；○5、接触器的触头数量、种类选择接触器的触头数量、种类等应满足控制线路的要求。（5）、热继电器的选择○1、热继电器的额定电流和热元件的额定电流均应大于电流的额定电流；○2、在一般情况下，可选用两相结构的热继电器；但当电网电压的均衡性较差、工作环境恶劣或较少有人照管的电动机，可选用三相结构的；○3、电动机拖动的是冲击性负载（如冲床等），或电动机起动时间较长，或电动机所拖动的是