一种用于工件的超声波清洗工艺及其装置的制作方法

本发明涉及工业清洗，具体为一种用于工件的超声波清洗工艺及其装置。

背景技术：

1、超声波清洗技术利用超声波在液体介质中产生的空化效应，即微小气泡在声压作用下形成、生长并内爆溃灭，瞬间产生局部高温高压及冲击波和微射流，从而剥离工件表面附着的油污、颗粒等污染物。与传统的浸泡清洗、喷淋清洗、刷洗等清洗方式相比，超声波清洗具有清洗效率高、对复杂表面和微细结构穿透性好、不损伤工件基体、能够深入狭缝和盲孔等优势，已广泛应用于机械制造、精密零部件加工、医疗器械清洗、半导体制造、航空航天零部件清洗等领域。随着工业清洗对洁净度等级的不断提高以及工件结构日益复杂化、大型化，超声波清洗设备的智能化水平、自适应能力及清洗均匀性成为行业持续关注的焦点。

2、在清洗槽结构方面，已有技术提出了半球形超声波清洗槽（如cn205085070u），其清洗槽为上端具有圆形开口的半球体空腔结构，超声波换能器规则排布于半球面上，利用半球形结构使换能器呈多向布置，相较于传统的底震式或侧震式安装方式，超声波对工件的清洗具有更好的多向性。然而，该方案中换能器的工作频率和启停状态在安装完成后即固定，无法根据工件的实际位置、形状及清洗进程进行动态调整；同时，该清洗槽仅为半球形，对于大型工件，工件上部区域仍存在声场覆盖不足的问题，换能器布局的灵活性有限。在工件运动控制方面，已有技术提出了旋转夹紧清洗装置（如cn202779019u）以及增设摆动机构的改进方案（如cn109604251b），通过夹持机构驱动工件旋转或同时旋转加摆动，以避免固定支架对超声波的遮挡而形成的清洗盲区，使工件各部分交替暴露于超声波场中。但上述方案中，工件的旋转速度、摆动角度等运动参数均为预先设定的固定值或由操作人员手动设定，在清洗过程中无法根据清洗液的实际污染程度、工件表面污垢剥离状态等动态变化的工况进行实时调节，工件的运动与超声波的作用之间缺乏协同配合。在智能控制方面，已有技术（如cn121131341b）集成了电导率探头、浊度探头等多参数检测单元，实现了对清洗液状态的实时监测和基于阈值判断的闭环控制。然而，该方案及现有类似方案中普遍存在以下不足：其一，多参数检测与控制主要针对清洗液本身的理化参数（浓度、浊度、温度等），未将工件的运动状态（如旋转速度、空间位置）纳入闭环控制回路中，各控制参数之间相互独立，缺乏统一的协同决策机制；其二，循环过滤系统通常以恒定流量运行，无法根据清洗过程中污染物剥离速率的实时变化动态调节过滤流量，导致清洗初期过滤不及时（污染物二次附着风险）与清洗后期过度过滤（能耗浪费）并存；其三，清洗剂浓度补偿多为基于浓度阈值的滞后补偿模式，未将清洗液的实时污染程度（如悬浮颗粒浓度）纳入补偿决策依据，存在“浓度达标但清洗效能已下降”的情况无法被有效识别的问题。

3、综上所述，现有超声波清洗设备在清洗槽结构、工件运动控制、清洗液循环过滤及浓度补偿等方面均取得了不同程度的进展，但各功能模块之间仍处于相对独立的运行状态，缺乏以清洗进程状态为纽带的多参数协同决策机制。具体而言，清洗槽的声场分布与工件的运动姿态之间未形成动态匹配，循环过滤系统的运行工况与清洗液的实时污染程度之间未建立自适应调节关系，清洗剂浓度补偿与清洗液的污染状态之间未实现联动。这些问题的存在导致超声波清洗系统难以根据工件的实际清洗状态进行自适应、动态化的全流程智能调控，清洗效率、清洗均匀性及能源利用效率仍有较大的提升空间。

4、另外，在工件的涂装、电镀等表面处理工序中，涂层与工件基体之间的结合附着力是决定处理质量的关键因素。为提升附着力，行业通常采用酸洗（存在严重的环境污染问题）或喷砂（设备投入大、能耗高、单件处理成本高）等前处理方式对工件表面进行粗糙化处理。然而，现有超声波清洗设备仅以去除污染物为目的，尚未将清洗过程中的空化效应利用于工件表面的微观粗糙化处理。若能在高效清洗的同时实现工件表面的“毛化”处理，将显著简化前处理工艺流程、降低生产成本并减少环境污染。

5、本发明旨在提供一种用于工件的超声波清洗工艺及其装置，通过构建由中央控制器统一协调的闭环控制体系，将工件运动控制、超声波输出控制、循环过滤流量控制及清洗剂浓度补偿控制纳入同一决策框架，实现多参数的协同联动与自适应优化；同时，利用超声波空化效应对工件表面的微观冲击作用，在高效清洗的同时实现工件表面的“毛化”处理，以替代传统酸洗或喷砂工艺，降低生产成本并减少环境污染。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于工件的超声波清洗工艺及其装置，解决了现有技术中因清洗槽声场分布与工件运动姿态之间缺乏动态匹配、循环过滤系统运行工况与清洗液实时污染程度之间缺乏自适应调节、清洗剂浓度补偿与清洗液污染状态之间缺乏联动，以及各功能模块之间缺乏以清洗进程状态为纽带的协同决策机制，而导致的清洗系统难以根据工件实际清洗状态进行自适应、动态化全流程智能调控，清洗效率、清洗均匀性及能源利用效率受限的技术问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于工件的超声波清洗工艺及其装置。

3、针对清洗槽声场分布与工件运动姿态之间缺乏动态匹配的技术问题

4、为解决上述问题，本发明提供了一种具有球形声场覆盖结构的超声波清洗装置。该装置的机架内部设有清洗箱，清洗箱内部设有呈球缺状且上端开口的清洗槽，清洗槽的球体外壁自上而下布置有至少两组超声波换能器组，每组超声波换能器组包含多个绕清洗槽周向均匀分布的超声波换能器，各超声波换能器的超声波发射方向均指向清洗槽的球心区域。机架上部滑动设置有平移滑台，平移滑台上通过升降驱动单元连接有升降平台，升降平台下部设有夹持机构，夹持机构连接有用于驱动夹持机构绕竖直轴心旋转的旋转电机。工作时，夹持机构将工件定位于清洗槽的球心区域，使工件完全处于各超声波换能器声波辐照的叠加区域。多圈换能器组中，上圈换能器组设置于清洗槽球体外壁的上半部分，其作用方向朝下指向球心，用于向工件的上表面及上部侧面施加超声波作用；下圈换能器组设置于清洗槽球体外壁的下半部分，其作用方向朝上指向球心，用于向工件的下表面及下部侧面施加超声波作用，通过不同高度和角度的声波同时辐照，实现对工件表面各区域的多方向全覆盖。各超声波换能器分别与中央控制器信号连接，中央控制器可根据清洗进程独立控制各换能器的启闭状态及工作频率。作为优选，清洗槽为切除顶部四分之一的球体结构，清洗槽上端设有向上延伸的圆筒，圆筒外壁通过安装法兰与清洗箱上盖固定连接，清洗箱底部设有承托架用于支撑清洗槽球体底部，圆筒内侧壁上部安装有非接触式液位传感器。采用上述结构后，当维护或更换换能器时，仅需拆除安装法兰并取下清洗箱上盖，即可从上方对清洗槽外壁的各换能器进行操作，无需整体吊出清洗槽，显著降低了维护难度和成本。

5、此外，超声波在清洗液中产生的空化效应在剥离工件表面污染物的同时，其溃灭瞬间产生的微射流和冲击波会对工件表面产生微观冲击作用，使工件表面的微观粗糙度适度增加、比表面积增大，从而在实现清洁的同时达到表面“毛化”的效果。该“毛化”效应有利于提高后续涂装、电镀等表面处理工序中涂层与工件基体之间的结合附着力，使本发明的清洗装置在具备高效清洗能力的同时兼具表面活化预处理功能。

6、针对循环过滤系统缺乏基于污染程度的自适应调节能力的技术问题

7、为解决上述问题，本发明在清洗装置中集成了自适应循环过滤系统。该循环过滤系统包括依次连通的过滤箱和温度调节箱。清洗槽底部的出液口通过出液管连接第一水泵后与过滤箱的进液口连通，温度调节箱的出液口通过回液管连接第二水泵后与清洗槽上部的回液口连通，从而形成由清洗槽经出液管、过滤箱、温度调节箱、回液管返回清洗槽的完整循环回路。出液管上位于清洗箱与过滤箱之间的管段还设有用于检测清洗液中清洗剂浓度的第一浓度检测单元和用于检测清洗液清洁程度的清洁度检测单元，第一浓度检测单元和清洁度检测单元分别与中央控制器信号连接，第一水泵与中央控制器信号连接。工作时，清洗槽内的清洗液在重力及第一水泵的抽吸作用下从底部出液口经出液管流出，依次经过清洁度检测单元和第一浓度检测单元后进入过滤箱进行过滤净化，过滤后的清洗液通过溢流或管路引入温度调节箱进行温度调节，再经第二水泵泵送回清洗槽。清洁度检测单元采用光学检测方式，包括光源和光学相机，通过动态分析清洗液中悬浮颗粒的浓度变化实时输出反映清洗液污染程度的清洁度信号。中央控制器根据清洁度信号动态调节第一水泵的转速，当清洗初期工件表面大量污垢剥离导致清洁度信号低于第一阈值时，中央控制器提高第一水泵的转速以加速循环过滤，防止污染物在清洗液中累积并重新附着于工件表面；当清洗后期清洁度信号高于第二阈值时，中央控制器降低第一水泵的转速以减少能耗和滤芯损耗。温度调节箱内设有用于调节清洗液温度的温控结构，确保回液温度满足清洗工艺要求。通过上述自适应调节机制，循环过滤系统的运行工况与清洗液的实时污染程度之间建立了动态匹配关系，既保证了清洗品质，又提高了能源利用效率。

8、针对清洗剂浓度补偿与清洗进程脱节的技术问题

9、为解决上述问题，本发明在回液管路上集成了回液浓度检测与在线精确补偿系统。回液管上位于温度调节箱与清洗箱之间的管段设有用于检测回液中清洗剂浓度的第二浓度检测单元，第二浓度检测单元与中央控制器信号连接，第二水泵与中央控制器信号连接。回液管上还设有用于向回液中补充清洗剂的在线添加装置，该在线添加装置包括用于储存高浓度清洗剂的储药罐、用于泵送清洗剂的加药泵以及连接储药罐与回液管的加药管，加药泵与中央控制器信号连接。具体地，第二浓度检测单元设置于加药管与回液管连接点的下游、第二水泵的上游，即流体从温度调节箱流出后先经过第二浓度检测单元检测浓度，再经过第二水泵泵送，在线添加装置通过加药管在第二水泵的吸入端或输出端汇入回液管。回液管上位于在线添加装置与清洗箱之间还设有静态混合器，用于将补加的清洗剂与回液充分混合均匀后再送入清洗槽，避免浓度局部过高影响清洗效果。工作时，中央控制器实时接收第二浓度检测单元反馈的回液浓度信号，并与预设的浓度目标值进行比较，当回液浓度低于预设浓度值时，中央控制器启动加药泵，将储药罐中的高浓度清洗剂经加药管定量泵入回液管中，直至回液浓度恢复至预设浓度值。通过上述结构，实现了回液管路的实时浓度检测与精确补偿闭环控制，使进入清洗槽的清洗液浓度始终保持稳定，有效避免了因浓度波动导致的清洗效果不一致问题。

10、针对多执行器之间缺乏协同决策机制的技术问题

11、为解决上述问题，本发明构建了由中央控制器统一协调的多参数协同控制系统。中央控制器分别与液位传感器、第一浓度检测单元、清洁度检测单元和第二浓度检测单元信号连接，用于接收各路检测信号；中央控制器还分别与夹持机构所连接的旋转电机、平移驱动单元、升降驱动单元、超声波换能器、第一水泵、第二水泵和加药泵信号连接，用于向各执行器输出控制指令。中央控制器内置有协同控制策略，该策略包含以下联动逻辑：根据液位传感器信号控制补水阀的启闭以维持清洗槽内液位恒定；根据清洁度检测单元信号调节第一水泵的转速，实现循环过滤流量随污染程度的自适应调节；根据第一浓度检测单元和第二浓度检测单元的信号综合判断清洗液浓度状态，当第一浓度检测单元检测到出液浓度低于工作浓度时，中央控制器向加药泵发出指令进行补充添加，同时第二浓度检测单元对回液浓度进行实时验证形成闭环；根据预设的清洗模式和工件参数控制旋转电机的转速及超声波换能器的启闭与工作频率，当工件旋转至不同角度时，中央控制器按预设策略调整各换能器的输出状态以实现声场的动态适配。作为优选，中央控制器为可编程逻辑控制器或工业计算机，其内部预设有针对不同工件类型和污染程度的多种清洗程序，用户可根据实际需求选择相应的清洗模式。通过上述多参数协同决策机制，工件运动、超声波输出、循环过滤与浓度补偿各功能模块以清洗进程状态为纽带实现联动配合，清洗系统能够根据工件的实际清洗状态进行自适应、动态化的全流程智能调控。

12、本发明提供了一种用于工件的超声波清洗工艺及其装置。具备以下有益效果：

13、1、与现有技术相比，该用于工件的超声波清洗工艺及其装置，通过在清洗槽球体外壁自上而下布置多圈超声波换能器组并使各换能器的作用方向均指向球心区域，配合可绕竖直轴心旋转的夹持机构将工件定位于球心区域，实现了从不同高度和角度对工件表面各区域的多方向超声波辐照，有效解决了现有技术中因换能器安装后工作状态固定而导致声场分布与工件姿态之间缺乏动态匹配的问题，显著减少了清洗死角，提高了大型工件表面的清洗均匀性。

14、2、与现有技术相比，该用于工件的超声波清洗工艺及其装置，通过在清洗槽与过滤箱之间的出液管路上设置用于检测清洗液清洁程度的清洁度检测单元，并使中央控制器根据该检测信号调节第一水泵的运行状态，实现了循环过滤流量随清洗液实时污染程度的动态自适应调节，有效解决了现有技术中循环过滤系统以恒定流量运行而导致的清洗初期过滤不及时造成污染物二次附着、清洗后期过度过滤造成能耗浪费的问题，在保障清洗品质的同时提高了能源利用效率。

15、3、与现有技术相比，该用于工件的超声波清洗工艺及其装置，通过在温度调节箱与清洗槽之间的回液管路上设置用于检测回液中清洗剂浓度的第二浓度检测单元以及用于向回液管路中补充清洗剂的在线添加装置，并配合静态混合器实现补加清洗剂与回液的快速均匀混合，实现了回液浓度的实时检测与精确补偿，有效解决了现有技术中清洗剂浓度补偿与清洗进程脱节、补加滞后导致清洗槽内浓度波动的问题，保证了清洗槽内清洗液浓度的长期稳定，从而确保了清洗效果的一致性。

16、4、与现有技术相比，该用于工件的超声波清洗工艺及其装置，通过设置与液位传感器、第一浓度检测单元、清洁度检测单元、第二浓度检测单元及各执行器分别信号连接的中央控制器，该中央控制器根据各检测单元的检测信号分别控制夹持机构的旋转速度、第一水泵的泵送速度、第二水泵的泵送速度、在线添加装置的添加速度及各超声波换能器的启闭与工作频率，实现了工件运动、超声波输出、循环过滤与浓度补偿的多参数协同联动，有效解决了现有技术中各功能模块独立运行、缺乏以清洗进程状态为纽带的协同决策机制的问题，使清洗系统能够根据工件的实际清洗状态进行自适应、动态化的全流程智能调控。

17、5、与现有技术相比，该用于工件的超声波清洗工艺及其装置，在清洗过程中通过超声波空化效应对工件表面产生的微观冲击作用，在去除污染物的同时使工件表面微观粗糙度适度增加、比表面积增大，从而在清洁基础上实现了工件表面的“毛化”效果。相较于传统酸洗工艺存在的环境污染问题以及喷砂工艺成本高、效率低等不足，本发明的清洗工艺在清洗过程中同步完成表面活化处理，不仅提升了工件表面清洗效率，更显著增强了后续涂装、电镀等表面处理工序中涂层与工件基体之间的结合附着力，为工件表面处理提供了一种清洁、高效、低成本的一体化前处理解决方案。