羅龍飛，張雪松

（1.中原工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450007；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

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發(fā)動(dòng)機(jī)高壓水射流清洗系統(tǒng)研究

羅龍飛1,2，張雪松1

（1.中原工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450007；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

摘 要：改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體已有清洗方法的缺點(diǎn)，研究了一種高壓水射流自動(dòng)清洗系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC和工控計(jì)算機(jī)為中心，可實(shí)現(xiàn)在用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的自動(dòng)清洗，節(jié)能環(huán)保。為了保證系統(tǒng)的自動(dòng)化、高效率使用，提出了檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)污漬度的新技術(shù)，研究了模糊控制系統(tǒng)的原理及有關(guān)變量的設(shè)定。該系統(tǒng)已正式投入使用，使用結(jié)果表明該系統(tǒng)能將污漬徹底高效洗凈。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；高壓水射流；污漬檢測(cè)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.015

CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-42-03

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)清洗作為防止發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕、恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的一種有效維護(hù)手段，能有效減輕鹽霧等因素對(duì)壓氣機(jī)葉片的腐蝕或恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間使用中退化了的性能，并減少發(fā)動(dòng)機(jī)的性能故障，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中生成的大量污漬是維修清洗作業(yè)主要的清除對(duì)象。為此，我們研究了一種高壓水射流清洗裝置。

其基本方案是：利用專用清洗劑對(duì)積碳等的溶解性作用，在清洗槽中安裝可移動(dòng)高壓噴槍采用高壓水射流噴射清洗，對(duì)缸體表面及腔隙進(jìn)行沖刷擊打，將發(fā)動(dòng)機(jī)積碳膠狀物等污漬徹底清洗。清洗工藝流程設(shè)計(jì)為：自動(dòng)上料——粗清洗——噴射清洗——真空干燥——自動(dòng)下料。本文還研究了污漬自動(dòng)檢測(cè)原理、可變量模糊控制技術(shù)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)能徹底有效清洗[1]。

1、基于機(jī)器視覺(jué)的污漬自動(dòng)判定技術(shù)[2]

本文將機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)污漬識(shí)別進(jìn)行智能噴射清洗劑方面。該技術(shù)系統(tǒng)主要分為以下模塊：發(fā)動(dòng)機(jī)污漬圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像分割模塊、圖像截取模塊、臟污度判別算法模塊及等級(jí)標(biāo)定模塊。

為了節(jié)約成本，簡(jiǎn)化機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用了美國(guó)3COM公司生產(chǎn)的攝像頭和普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)。攝像頭通過(guò)USB接口將采集到的圖像送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖像采集和處理系統(tǒng)的構(gòu)成如下：發(fā)動(dòng)機(jī)圖像——攝像頭——圖像處理——噴槍。

在圖像預(yù)處理中需要調(diào)整圖像的亮度和對(duì)比度以實(shí)現(xiàn)圖像色彩的校正，并進(jìn)行濾波，以去除一些圖像噪聲。為了去除環(huán)境亮度對(duì)色彩處理造成的影響，軟件中利用下列表達(dá)式將采集到的RGB圖像轉(zhuǎn)換成色度表示，得到色度圖像。

中值濾波就是將二維窗口(軟件中選3×3)中的灰度級(jí)先排序，再用序列的中間值代替窗口中心原始像素的灰度值。中值濾波是一種去除噪聲的非線性處理方法，可以在去除噪聲的同時(shí)保護(hù)圖像的邊緣。對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理后，程序?qū)D像分割為二值圖像。清洗槽里光照不均勻而且背景雜亂，圖像分割時(shí)如果使用固定的全局閾值就難以得到滿意的結(jié)果。這一問(wèn)題可以采用自適應(yīng)閾值算法或迭代閾值算法來(lái)解決。自適應(yīng)閾值算法將圖像分成許多小塊，先對(duì)每個(gè)小塊確定一個(gè)閾值，各個(gè)小塊的閾值可以不同，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交韵餍K之間的閾值突變。

本設(shè)計(jì)采用迭代閾值算法將目標(biāo)和背景分離開來(lái)成為兩類區(qū)域的二值圖像。主要步驟是：

（3）求出新的閾值

重復(fù)步驟(2)和(3)，直到后續(xù)迭代過(guò)程中Zo和ZB的值不變。在機(jī)器的視野范圍內(nèi)，設(shè)定噴槍作用于某區(qū)域。在程序中，設(shè)計(jì)了多重循環(huán)計(jì)算某區(qū)域內(nèi)15個(gè)矩形塊中的像素分布。在某一矩形塊中，如果目標(biāo)像素?cái)?shù)目占整個(gè)矩形塊像素?cái)?shù)目的2/ 3(本文設(shè)定閾值)以上，就認(rèn)為該矩形塊區(qū)域被污漬覆蓋。如果若干個(gè)矩形塊同時(shí)被污漬覆蓋，那噴槍就按1-2—3—6—5—4—7—8—9—12—11—10—13—14—15的次序逐個(gè)區(qū)域地清理污漬。為了減少運(yùn)算量，代表污漬面積區(qū)域的綠色目標(biāo)覆蓋情況就不需要計(jì)算。

噴槍控制機(jī)械臂的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)為：發(fā)動(dòng)機(jī)圖像——預(yù)處理——RGB表示轉(zhuǎn)換為色度表示——提取綠色通道圖像——圖像分割——圖像后處理——識(shí)別——輸出識(shí)別結(jié)果——判斷污漬區(qū)域分布——控制噴槍動(dòng)作。上位機(jī)軟件用Vc++開發(fā)。

2、基于模糊控制的精確清洗劑使用可變量技術(shù)[3][4]

在以往的發(fā)動(dòng)機(jī)水射流清洗中，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)臟污程度如何都采用恒壓恒流量的清洗液噴射清洗，這樣就會(huì)造成清洗液的浪費(fèi)，而更加污染環(huán)境。

本文研究建立一個(gè)智能噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)污漬定點(diǎn)噴射清洗劑，以減少清洗劑用量，減少環(huán)境污染。

要實(shí)現(xiàn)噴槍自動(dòng)對(duì)污漬噴射必須首先識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)污漬目標(biāo)，并提取污漬等級(jí)或距離信息，再通過(guò)智能決策，從而精確地噴射清洗劑。

該系統(tǒng)由攝像頭、計(jì)算機(jī)、模糊控制器、距離傳感器、變頻器、泵、電磁閥、噴頭等構(gòu)成。

其中，變頻器(Micro Master Vector型)由德國(guó)西門子公司生產(chǎn)；三相異步電動(dòng)機(jī)(YS一8024型l由南京微分電機(jī)廠生產(chǎn)，額定功率為750瓦，額定電流為2安培，額定轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)／min；三缸動(dòng)力噴霧機(jī)(3WZB.25型)由臺(tái)州市豐田噴洗機(jī)有限公司生產(chǎn)；噴頭為普通噴頭；電磁閥由浙江鄞縣寶得電磁閥廠生產(chǎn)：攝像頭(0776型)由美國(guó)3Com公司生產(chǎn)的視頻數(shù)字?jǐn)z像頭，通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)接；超聲波距離傳感器由上海郎尚科貿(mào)有限公司生產(chǎn)，通過(guò)RS232串行口將距離數(shù)字量送出。

攝像頭通過(guò)USB接口將采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)污漬圖像送至計(jì)算機(jī)；圖像處理軟件將發(fā)動(dòng)機(jī)污漬圖像從背景中提取出來(lái)，并計(jì)算出污漬在一幀圖像中所占面積；模糊控制器融合距離信息和面積信息，

經(jīng)模糊決策處理后再選擇噴頭組合并通過(guò)變頻器控制泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制流量、射程和噴射區(qū)域。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)體積與距離遠(yuǎn)近都是用模糊語(yǔ)言來(lái)描述的，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此，研究中選擇了模糊控制技術(shù)。模糊控制更容易滿足實(shí)時(shí)性要求，也滿足本設(shè)計(jì)實(shí)際需要。

模糊控制器有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是來(lái)自圖像處理得到的發(fā)動(dòng)機(jī)污漬面積參數(shù)，另一個(gè)是來(lái)自超聲波傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)距離參數(shù)。模糊控制器有兩個(gè)輸出量，一個(gè)是送給變頻器的頻率控制量C，另一個(gè)是選擇噴頭組的參量G。

經(jīng)過(guò)模糊決策輸出頻率控制量C的5個(gè)模糊量：一2、一1、0、1、2。但還需將這些模糊量轉(zhuǎn)化為變頻器可以接收的精確量。即模糊量需要轉(zhuǎn)化為精確量。

變頻器是將電網(wǎng)供電的工頻交流電源變?yōu)檫m用于交流電機(jī)變頻調(diào)速用的電壓可變、頻率可變的交流電的裝置。變頻器通過(guò)控制三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)控制噴射泵的轉(zhuǎn)速，從而改變流量，控制噴射射程。同時(shí)，當(dāng)A的值為：0、1、2時(shí)，選擇全部七個(gè)噴頭噴射較大的機(jī)體：當(dāng)A 的值為：-2、 -1時(shí)，選擇下面四個(gè)噴頭噴射較小的機(jī)體。

噴槍上安裝7個(gè)噴頭，根據(jù)噴射形態(tài)，設(shè)置噴頭間距為30厘米。本文只選用兩個(gè)電磁閥，一個(gè)控制上面3個(gè)噴頭(組1)，另一個(gè)電磁閥控制下面4個(gè)噴頭(組2)，這樣共分兩組，可以減少電磁閥的數(shù)目。

當(dāng)噴射泵轉(zhuǎn)速較低時(shí)，泵輸出的流量較小，噴頭水流較粗，而且噴射扇角較小，射程較小。隨著噴射泵轉(zhuǎn)速變高，泵輸出的流量變大，噴頭水流變細(xì)，而且噴射扇角變大，射程增大。當(dāng)噴射泵轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，噴射扇角沒(méi)有明顯變化，而水流越加細(xì)化、霧化，射程不再增加。

3、結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)和結(jié)果分析顯示，借助機(jī)器視覺(jué)和模糊控制技術(shù)，該系統(tǒng)可以在一定條件下根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)大小和污漬面積來(lái)選擇噴頭組，并調(diào)節(jié)噴頭射程，因而大大減少了清洗劑用量并實(shí)現(xiàn)流量和噴頭射程的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由此可見(jiàn)該系統(tǒng)能將發(fā)動(dòng)機(jī)污漬徹底有效清除，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 樊紹勝,王旭紅.冷凝器高壓水自動(dòng)清洗系統(tǒng).電氣自動(dòng)化,2004, 26(3):19一24.

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[4] 陳勇.自動(dòng)施藥機(jī)器人及可變量控制系統(tǒng)研究[D]．南京林業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2005．

Automatic High Pressure Water Cleaning System for Engine

Luo Longfei1,2, Zhang Xuesong1
（1. Zhongyuan Institute of Technology, He,nan Zhengzhou 450007; 2. Department of Automative Engineering,He,nan Mechnical and Eectrical Vocational College, He,nanZhengzhou 451191）

Abstract:the improvement of engine cylinder block has the disadvantage of cleaning method, a high pressure water jet cleaning system was studied. The system with PLC and industrial control computer as the center, which can realize automatic cleaning in the engine cylinder block, energy conservation and environmental protection. In order to guarantee system of automation, high efficiency, put forward the detection engine stain degree of new technology, the principle of fuzzy control system is studied and the set of variables. The system has been put into use, the use of results show that the system can stain wash thoroughly efficient.

Keywords:Engine; High pressure water jet; The stain detection

作者簡(jiǎn)介：羅龍飛，講師，在讀研究生。就職于河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院。

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-42-03