罗龙飞，张雪松

（1.中原工学院机电工程学院，河南 郑州450007；2.河南机电职业学院汽车工程学院，河南 郑州 451191）



发动机高压水射流清洗系统研究

罗龙飞1,2，张雪松1

（1.中原工学院机电工程学院，河南 郑州450007；2.河南机电职业学院汽车工程学院，河南 郑州 451191）

摘 要：改进发动机缸体已有清洗方法的缺点，研究了一种高压水射流自动清洗系统。该系统以PLC和工控计算机为中心，可实现在用发动机缸体的自动清洗，节能环保。为了保证系统的自动化、高效率使用，提出了检测发动机污渍度的新技术，研究了模糊控制系统的原理及有关变量的设定。该系统已正式投入使用，使用结果表明该系统能将污渍彻底高效洗净。

关键词：发动机；高压水射流；污渍检测

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

发动机清洗作为防止发动机腐蚀、恢复发动机动力性能的一种有效维护手段，能有效减轻盐雾等因素对压气机叶片的腐蚀或恢复发动机在长时间使用中退化了的性能，并减少发动机的性能故障，延长发动机的使用寿命。发动机在运转过程中生成的大量污渍是维修清洗作业主要的清除对象。为此，我们研究了一种高压水射流清洗装置。

其基本方案是：利用专用清洗剂对积碳等的溶解性作用，在清洗槽中安装可移动高压喷枪采用高压水射流喷射清洗，对缸体表面及腔隙进行冲刷击打，将发动机积碳胶状物等污渍彻底清洗。清洗工艺流程设计为：自动上料——粗清洗——喷射清洗——真空干燥——自动下料。本文还研究了污渍自动检测原理、可变量模糊控制技术，以确保发动机能彻底有效清洗[1]。

1、基于机器视觉的污渍自动判定技术[2]

本文将机器视觉和图像处理技术应用在发动机污渍识别进行智能喷射清洗剂方面。该技术系统主要分为以下模块：发动机污渍图像采集模块、图像预处理模块、图像分割模块、图像截取模块、脏污度判别算法模块及等级标定模块。

为了节约成本，简化机器视觉系统，本设计采用了美国3COM公司生产的摄像头和普通台式计算机。摄像头通过USB接口将采集到的图像送给计算机进行处理。

图像采集和处理系统的构成如下：发动机图像——摄像头——图像处理——喷枪。

在图像预处理中需要调整图像的亮度和对比度以实现图像色彩的校正，并进行滤波，以去除一些图像噪声。为了去除环境亮度对色彩处理造成的影响，软件中利用下列表达式将采集到的RGB图像转换成色度表示，得到色度图像。

中值滤波就是将二维窗口(软件中选3×3)中的灰度级先排序，再用序列的中间值代替窗口中心原始像素的灰度值。中值滤波是一种去除噪声的非线性处理方法，可以在去除噪声的同时保护图像的边缘。对图像进行滤波处理后，程序将图像分割为二值图像。清洗槽里光照不均匀而且背景杂乱，图像分割时如果使用固定的全局阈值就难以得到满意的结果。这一问题可以采用自适应阈值算法或迭代阈值算法来解决。自适应阈值算法将图像分成许多小块，先对每个小块确定一个阈值，各个小块的阈值可以不同，然后进行适当的平滑以消除各小块之间的阈值突变。

本设计采用迭代阈值算法将目标和背景分离开来成为两类区域的二值图像。主要步骤是：

（3）求出新的阈值

重复步骤(2)和(3)，直到后续迭代过程中Zo和ZB的值不变。在机器的视野范围内，设定喷枪作用于某区域。在程序中，设计了多重循环计算某区域内15个矩形块中的像素分布。在某一矩形块中，如果目标像素数目占整个矩形块像素数目的2/ 3(本文设定阈值)以上，就认为该矩形块区域被污渍覆盖。如果若干个矩形块同时被污渍覆盖，那喷枪就按1-2—3—6—5—4—7—8—9—12—11—10—13—14—15的次序逐个区域地清理污渍。为了减少运算量，代表污渍面积区域的绿色目标覆盖情况就不需要计算。

喷枪控制机械臂的上位机软件设计为：发动机图像——预处理——RGB表示转换为色度表示——提取绿色通道图像——图像分割——图像后处理——识别——输出识别结果——判断污渍区域分布——控制喷枪动作。上位机软件用Vc++开发。

2、基于模糊控制的精确清洗剂使用可变量技术[3][4]

在以往的发动机水射流清洗中，无论发动机脏污程度如何都采用恒压恒流量的清洗液喷射清洗，这样就会造成清洗液的浪费，而更加污染环境。

本文研究建立一个智能喷射系统实现对发动机污渍定点喷射清洗剂，以减少清洗剂用量，减少环境污染。

要实现喷枪自动对污渍喷射必须首先识别发动机污渍目标，并提取污渍等级或距离信息，再通过智能决策，从而精确地喷射清洗剂。

该系统由摄像头、计算机、模糊控制器、距离传感器、变频器、泵、电磁阀、喷头等构成。

其中，变频器(Micro Master Vector型)由德国西门子公司生产；三相异步电动机(YS一8024型l由南京微分电机厂生产，额定功率为750瓦，额定电流为2安培，额定转速为1400转／min；三缸动力喷雾机(3WZB.25型)由台州市丰田喷洗机有限公司生产；喷头为普通喷头；电磁阀由浙江鄞县宝得电磁阀厂生产：摄像头(0776型)由美国3Com公司生产的视频数字摄像头，通过USB接口与计算机直接联接；超声波距离传感器由上海郎尚科贸有限公司生产，通过RS232串行口将距离数字量送出。

摄像头通过USB接口将采集到的发动机污渍图像送至计算机；图像处理软件将发动机污渍图像从背景中提取出来，并计算出污渍在一帧图像中所占面积；模糊控制器融合距离信息和面积信息，

经模糊决策处理后再选择喷头组合并通过变频器控制泵电机转速，从而控制流量、射程和喷射区域。

由于发动机体积与距离远近都是用模糊语言来描述的，难以建立精确的数学模型，因此，研究中选择了模糊控制技术。模糊控制更容易满足实时性要求，也满足本设计实际需要。

模糊控制器有两个输入量，一个是来自图像处理得到的发动机污渍面积参数，另一个是来自超声波传感器的发动机距离参数。模糊控制器有两个输出量，一个是送给变频器的频率控制量C，另一个是选择喷头组的参量G。

经过模糊决策输出频率控制量C的5个模糊量：一2、一1、0、1、2。但还需将这些模糊量转化为变频器可以接收的精确量。即模糊量需要转化为精确量。

变频器是将电网供电的工频交流电源变为适用于交流电机变频调速用的电压可变、频率可变的交流电的装置。变频器通过控制三相异步电动机来控制喷射泵的转速，从而改变流量，控制喷射射程。同时，当A的值为：0、1、2时，选择全部七个喷头喷射较大的机体：当A 的值为：-2、 -1时，选择下面四个喷头喷射较小的机体。

喷枪上安装7个喷头，根据喷射形态，设置喷头间距为30厘米。本文只选用两个电磁阀，一个控制上面3个喷头(组1)，另一个电磁阀控制下面4个喷头(组2)，这样共分两组，可以减少电磁阀的数目。

当喷射泵转速较低时，泵输出的流量较小，喷头水流较粗，而且喷射扇角较小，射程较小。随着喷射泵转速变高，泵输出的流量变大，喷头水流变细，而且喷射扇角变大，射程增大。当喷射泵转速达到一定值后，喷射扇角没有明显变化，而水流越加细化、雾化，射程不再增加。

3、结束语

试验和结果分析显示，借助机器视觉和模糊控制技术，该系统可以在一定条件下根据发动机大小和污渍面积来选择喷头组，并调节喷头射程，因而大大减少了清洗剂用量并实现流量和喷头射程的自动调节。由此可见该系统能将发动机污渍彻底有效清除，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 樊绍胜,王旭红.冷凝器高压水自动清洗系统.电气自动化,2004, 26(3):19一24.

[2] 付贵权,杨永跃.基于机器视觉的洗涤清洁度判识.现代显示,2008, 83/84:52-58.

[3] 姚得强.一种经济实用的全自动缸盖清洗剂.组合机床与自动化加工技术,2007,6:64-67.

[4] 陈勇.自动施药机器人及可变量控制系统研究[D]．南京林业大学博士学位论文,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

作者简介：罗龙飞，讲师，在读研究生。就职于河南机电职业学院。

中图分类号：U469.72

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-42-03