毕业论文基于PLC的自动洗车机系统设计Word文件下载.docx
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自动洗车机大都由国外生产，价格较高，投资回收期较长且应用有限。
但是自动洗车机必定会取代原始的洗车方式。
我国水资源短缺尤为突出，近年来随工业和城市生活用水量的增加，水资源污染严重，传统的洗车方式更是造成水资源极大地浪费和污染，政府要求，今后的洗车业向节水、环保型方向发展[4]。
自动洗车机的推广和应用，对洗车行业提高效率，节约水资源，符合环保要求，降低经营成本，获取更大利润提供了契机。
尤其在大中型城市的机场、高速公路的进口、政府机构和高档社区、大型餐饮、超市的停车场、大型社会、文化活动的现场等机动车流量较大的地区，自动洗车机提供的快速、优质、高效的服务，符合人们快节奏的生活方式，并且自动洗车机在美化城市方面也其起到了相当重要的作用。
自动洗车机的应用会大大提高了洗车行业的发展的同时，也会刺激相应的汽车美容、汽车服务等行业的发展。
洗车业不断衍生为正规的服务行业，将大大提升洗车行业的地位、形象和影响[3,4,5]。
所以基于市场的发展，从节水和环境保护以及洗车设备投资成本控制的角度出发，开发一种满足汽车清洗速度快、效率高、节约水资源、设备投资低的自动洗车机，对促进我国汽车清洗美容、汽车保养等行业的发展具有重要的现实意义见文献[3]。
1.3国内外概况
我国汽车工业的发展起步比较晚，相关的洗车服务也是在90年代初开始兴起的。
因此，国内的洗车业自动化程度还不是很高。
大多数还是采用传统的水桶加抹布的高压水枪的洗车方式，用这样的“原始”工具洗车，极易对车漆造成损坏、对水资源浪费严重、污染环境、影响市容等。
大型电脑洗车房，是洗车工具中的“贵族”，应用了现代化技术，造价动辄几十万，甚至上百万，投资压力大、门槛高，而且同样的存在费水和伤车的问题，除了洗车速度快之外，没有其他先进之处，由于其运营成本过高、投资回收期长、场地要求高等条件的制约，短期内很难普及。
为节约水资源而产生的蒸汽洗车，蒸汽洗车机将水加热成为蒸汽后，用蒸汽来清洗汽车，用水量少，属环保产品，成本低、体积小、流动性好，但洗车时间长、效果一般，现仅在我国部分地区使用，不适合大范围推广。
无水洗车，是先用掸子掸去车身上的浮灰，再用无水洗车液进行汽车的清洗，是一种新型的环保方式，省水、方便、便宜、投资小见效快、地面干净无污染、技术性不强，但对于较脏车辆或底盘等部位，无水洗车不能满足要求。
无刷毛自动洗车，清洗速度快、效果好、不损伤车漆，但耗水量大，设备投资和运行费用高。
可移动高压气雾洗车机，用水量少、易于操作、节省时间、具有内外部全方位超强清洗、消毒、杀菌的功能且可随意移动实现洗车服务的主动化、人性化，是水桶抹布洗车的一种升级版，也同样存在问题。
全自动洗车机，品种繁多，主要优点有节约水资源、符合环保要求、洗车时间短、质量高、安全系数高等。
通过编制多种洗车程序来完成不同用户的洗车要求，受有车族的喜爱，但因市场上的自动洗车设备主要是产自德国、意大利、美国、日本、荷兰等，其设备投资较大，投资回收期较长，国内只是比较发达的地方有应用[1]。
在国外，洗车业发展相对较早，自动洗车技术比较成熟，水桶抹布等“原始”方式应用很少，大部分都是采用全自动洗车机，在加油站、汽车修理厂、汽车服务机构、专业洗车站等随处可见，并且已经形成了正规化的洗车店，无论从洗车服务标准，还是服务质量等方面都是一流的，这大大的影响了全球洗车行业的进一步发展与进步！
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，洗车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，在全社会节约水资源、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，城市落后的人工洗车方式已不能适应现代化城市的市容卫生雨和行行业发展的需求，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[1]。
要想中国的洗车行业健康有序地发展，当务之急，必须推广科学的、环保的、符合中国国情的科学洗车方式，要用新的理念、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。
中国的洗车行业要发展，必须与国际洗车业接轨，缩小与国际先进洗车行业的差距，因此，推广和使用自动洗车机势在必行。
1.4方案论证
（1）自动洗车机的类型选择
自动洗车机按功能类别可主要分为：
汽车移动式全自动电脑洗车机（隧道式）和汽车固定式电脑洗车机（龙门往复式）两类。
一、汽车移动式电脑洗车机（隧道式）。
其特点是各机构按洗车工艺顺序分立布置，由于它采用连续生产线布置，工序节拍较短，可进行在线洗车，生产效率高，可同时清洗3台，每小时最高洗车容量可达60辆，但由于各工序分开布置，设备占地面积和所需作业场地很大，设备前期投资较大[6]。
其工艺过程如图1.1。
图1.1汽车移动式洗车机工艺过程示意图
二、汽车固定式电脑洗车机（龙门往复式）。
其特点是各工序机构集中于一个工位，同一个工位完成所有工艺任务，各工序之间顺序运行，与隧道式洗车机相比。
洗车效率低，每小时最高洗车容量可达20辆，但是由于机构相对紧凑，设备占地面积和所需作业场地较小，设备前期投资较小[7]。
其工艺过程如图1.2。
图1.2汽车固定式洗车机工艺过程示意图
经调查，上述两种洗车机在洗车效果上汽车移动式洗车机优于汽车固定式，在技术实现上汽车移动式也相对较容易开发，从经济上讲，汽车固定式洗车机投资较少，但洗车容量也少。
综合考虑，决定设计开发一种汽车移动式全自动洗车机，以满足市场需要。
（2）控制工具的选择
可编程控制器PLC是一种产品，在没有下载控制程序之前，它不具备任何控制功能，PLC实际是专为工业环境使用的通用控制平台，它需进行二次开发才能完成最终的控制目的，PLC是建立在单片机之上的产品。
单片机是一种芯片，在一定场合，配合外围电路，单片机可以构成各种各样的应用系统，二者的比较如表1.1。
表1.1PLC与单片机的比较
项目
PLC
单片机
相同的地方
本质是一样的，都是基于微处理器技术。
都可以实现对仪器设备的智能化控制。
PLC是单片机应用系统的
一个特例。
优点
1.由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。
2.编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。
3.抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。
4.有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。
1.价格便宜功能强大。
既可以用于价格低廉的民用产品也可用于昂贵复杂的特殊应用系统。
2.自带完善的外围接口，可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。
3.体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。
有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。
缺点
价格昂贵，体积大，功能扩展需要较多的模块，不适合大批量重复生产的产品。
编程方法复杂，不容易上手。
抗干扰能力差。
开发周期长。
适用的范围
适合于工作母机控制和工业过程控制
应用范围广泛，既适合大批量重复生产的民用消费品。
也可以用于小批量产品。
特别是仪器仪表，家电以及小型控制系统。
从工程的角度来讲，对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智的、快捷的，成功率高、可靠性好，但成本较高。
对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。
综上所述，结合自己对二者的掌握情况，我选择采用可编程控制器PLC作为本次设计的控制工具[8,9]。
1.5研究主要内容
经过大量文献资料的分析整理和市场调研，发现当前市场上存在的各类自动洗车机，从功能、价格、产品质量和可靠性、节水环保、洗车效果等方面综合分析考虑，都存在不同程度的欠缺，鉴于此，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移动式自动洗车机，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为自动洗车机简单的整体设计和硬件设计，重点在于自动洗车的软件设计。
2自动洗车机总体方案设计
2.1自动洗车机的设计依据
2.1.1自动洗车机的功能要求
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车的外表清洗、打蜡、吹干上，因此本课题设计的洗车机主要功能应集中在安全、有效的清洗汽车的外表和轮廓上。
但是从汽车养护的角度出发，仅仅进行汽车的外观轮廓的清洗和养护是不够的，由于汽车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大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，汽车清洗机应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。
因此，用户在清洗汽车时有两种不同的清洗标准，这两种要求分别是：
标准清洗、标准清洗并打蜡。
从降低运行费用和环保、节约水资源的角度出发，洗车机应配备水循环处理装置，以达到减少排污量和节约水资源的目的。
另外，由于汽车清洗机的工作环境相对潮湿，机件容易被腐蚀，影响运行可靠性和外观美观程度，因此考虑原则耐腐蚀性的机件。
2.1.2汽车清洗机主要配备方案
根据自动洗车机的主要功能要求，结合当前轿车、小型面包币的外形尺寸，可确定自动洗车机进车口的高度为3000mm，宽度为2100mm，。
根据清洗的部位和清洗效果的要求，针对车顶清洗配备顶刷一支。
主要用于车顶的仿形清洗。
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。
小侧刷两支，用于清洗汽车两侧靠下部位。
吹干系统，用于车辆的仿形吹干[6,7,10]。
在有些设计方案中，会配备两组小侧刷，用于车轮的清洗，本设计不采用此配备方案，理由是经过实际调研，单独用小侧刷进行两侧清洗，完全可以达到相应要求，如配备两组轮刷，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，降低了该自动洗车机的市场竞争力[19]。
2.2主要机构的运行过程分析以及初步设计
由于汽车在整个清洗过程中由电机牵引的，为完成汽车的清洗，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，必须洗车机各机构进行运行过程分析，以使各机构在时间和空间上能够协调工作，保证清洗过程的顺利进行．现在以汽车前方为X轴，以与轮轴平行方向为Y轴，以垂直于地面方向（汽车高度方向）为Z轴，建立坐标系[3]。
2.2.1顶刷的分析及设计
顶刷的作用是对汽车顶部进行仿形刷洗，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。
其回转中心运动轨迹应与车顶形状相近，即需要有X轴和Z轴方向的运动分量。
为实现保护车辆目的，在不工作时，顶刷由于配重的作用，初始位置保持在洗车机的最顶端，当顶刷沿中心轴旋转开始工作时，气缸活塞杆带动链条运动，而链条固定于与顶刷支架回转中心同一回转轴的链轮上，则支架回转中心旋转，顶刷下降。
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到较佳的水平。
顶刷对车身的仿形清洗则靠车身对顶刷的反作用力大小改变来实现[20]。
2.2.2大侧刷的分析及设计
大侧刷的作用是完成汽车前后端以及汽车侧面等部位的清洗。
它的运动包括自身绕中心轴转动和回转中沿车身的运动。
其回转中心运动轨迹与车身形状相似，即需要X轴和Y轴方向上的运动分量。
同时，出于实现保护车辆的目的，大侧刷的初始位置应保持在洗车机的两侧。
2.2.3小侧刷分析及设计
小侧刷的作用主要是清洗汽车侧面靠下部位和汽车的轮胎。
它的运动包括自身绕中心轴旋转和沿Y轴方向上的运动分量。
Y轴方向上的运动采用汽缸推动小侧刷整个装置回转支架轴摆动来实现。
同时，出于保护车辆的功能，小侧刷的初始位置应保持在洗车机的两侧。
2.2.4吹干系统分析及设计
吹干系统的作用是在汽车清洗后将附着于车身等部位的水采用强力吹干，而吹干的效果与出风口距车身距离有很大的关系，因此，吹干系统出口的仿形要求较顶刷更为严格。
其运动轨迹与顶刷相似。
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，出于保护车辆的目的．风箱的初始位置应保持在洗车机的顶端。
2.3自动洗车机的总体方案设计
2.3.1自动洗车机的动作顺序
（1）汽车停靠到车位；
（2）选择洗车程序，按下启动按钮，喷洒清洗剂，特制高压喷头喷水（水刀）冲掉车体上（包括底盘）的泥沙等附着物；
（3）五支刷子清洗乍辆的表面以及轮毅；
该步的具体过程如下：
五支刷子开始转动，车辆前进大侧刷向中间移动，小侧刷合拢，顶刷下降，大侧刷达到最佳位置时，停止，同时顶刷小侧刷到位，大侧刷断电。
回位旋转清洗车辆前端，大侧刷到达车辆两侧后，大侧刷得电合拢，车辆前进，大小侧刷刷洗两侧，顶刷仿行运行，开始清洗车辆侧面和顶部，大侧刷运行到中间位置，车辆停止小侧刷、顶刷复位，大侧刷顶刷断电，回位旋转复洗车辆后端，清洗完毕后，复位。
（4）打蜡；
（5）开启风干装置，车辆前进到轨道终端，洗车完毕。
2.3.2汽车清洗机的主要控制要求
汽车清洗机的主要控制要求：
（1）实现车辆前后运动控制。
其中在洗车身前、后端时车辆应处于停止状态，而在洗车身两侧时车辆应处于运动状态，洗车全过程，车辆不能脱轨。
（2）实现顶刷、大侧刷、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）满足车辆的保护要求，即洗车机工作前，顶刷和风机应保持在洗车机的最顶端，大小侧刷应保持在洗车机的两侧。
2.3.3汽车清洗机总体设计
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、显示系统及水处理系统等组成。
如图2.1。
图2.1汽车清洗机的组成
（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、大侧刷摆臂传动机构和吹干系统等构成，为完成车辆的清洗，各部分需完成各自独立的功能，由于各部分相对汽车的运动轨迹不同，需对各个机构的运行过程进行分析，以保证清洗过程的顺利进行。
顶刷的作用是对汽车顶部进行仿行刷洗，他的运动包括自身绕中心轴的回转运动和中心轴的运动，其中心轴的运动跟车顶形状相似。
在不工作时顶刷应处于自动洗车机的最顶端。
大侧刷的作用是完成汽车前后端以及汽车侧面的清洗，它的运动包括自身绕中心轴和沿车身的运动，不工作时应处于洗车机两侧。
小侧刷的作用主要是清洗汽车侧面靠下的部位，他的运动包括绕自身中心轴和沿车身运动，不工作时处于洗车机两侧。
吹干系统的作用是在汽车清洗后将车辆强力吹干，其运行轨迹与车顶相似，为实现仿行的要求和安全吹干应设计光电防护[20]。
（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。
根据能量转换方式，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压驱动方式，其中顶刷、大侧刷和小侧刷和吹干风箱运行采用气动驱动方式，它们的运行工况如下[3]：
①顶刷的运动为绕固定转轴的摆动，它的驱动机构为在旋转轴上固定一个链轮，链条一端固定于链轮上，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。
当驱动停止时，顶刷配重带动顶刷上升，旋转轴回转，链轮同转拉动链条回位。
②大侧刷分开或合拢的运动为直线运动。
原位为大侧刷左、右两侧滑轨端部，为分开状态。
当需要合拢时，气缸推动使大侧刷合拢。
当需要回位时，气缸换向阀断电，大侧刷分开。
③小侧刷为水平摆臂机构，其开合靠铰接臂的推挽运动实现。
④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，活塞杆拉动风管下降，完成吹干。
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。
通过对自动洗车机气动系统的工况分析，可确定顶刷、大小侧刷、风管选用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回状态，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，因此，气缸均选用双作用气缸。
双作用气缸结构如图2.2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圈。
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圈。
这种双作用的气缸被活塞分为两个腔室：
有杆腔（简称头腔或前腔）和无杆腔（简称尾腔或后腔）有活塞杆的腔室称为有杆腔，无活塞杆的腔室称为无杆腔。
当从无杆腔端的气口输入压缩空气时，若气压作用在活塞右端面上的力克服了运动摩擦力、负载等各种反作用力，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。
由于在运行过程中，活塞均不必到达与缸盖接触的位置，选择无缓冲的双作用普通气缸。
图2.2普通型单活塞杆双作用气缸
1后缸盖2密封圈3缓冲密封圈4活塞密封圈5活塞6缓冲柱7活塞杆8缸筒9缓冲节流阀10导向套11前缸盖12防尘密封圈13磁铁12导向环
（3）控制系统的设计
控制系统的设计[11,12,13]：
可编程控制器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。
经过30多年的发展，PLC已经十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。
具有如下特点：
①功能完善
②模块化结构，硬软件开发方便
③操作方便，维护、改造容易
④性能稳定，可靠性高
⑤具有较高的性价比。
综上所述，不难看出，由于汽车清洗机的运行过程非常复杂．采用一般的控制器式继电器控制起来很困难，而可编程序控制器PLC的可靠性好，通刚性强，编程方便，使自动洗车机的控制系统构成简单，抗干扰能力强，工作可靠，设计周期短，修改方便，省去大量的中间继电器、时间继电器，安装总线方便，并且当自动洗车机工艺过程要求变化时，一般不用改变硬件控制电路，只需改变软件控制程序即可实现，而且可在监控状态下现场检查和修改。
因此，PLC是一种较理想的控制工具。
（4）水循环系统的设计
水循环系统的作用是将汽车清洗机洗下废水净化，循环利用。
一般情况下，用于底盘的清洗。
水循环过滤系统示意图如图2.3。
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
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