机电一体化波轮式全自动洗衣机课程设计报告书.docx
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机电一体化波轮式全自动洗衣机课程设计报告书
洗衣机说明书
2.洗衣机简介2
2.1全自动洗衣机特点3
2.2洗衣机工作原理概述4
3.传动方案讨论4
4.传动系统的设计计算6
4.1减速离合器的结构和工作原理简介6
4.2减速离合器零部件的计算与选择13
4.3减速离合器零件装配图16
5.进/排水系统结构原理简介16
5.1进水电磁阀的结构及工作原理17
5.2排水电磁阀的结构及工作原理18
5.3水位开关控制原理20
6.控制系统的设计22
6.1控制芯片的选择22
6.2程序框图22
6.3控制程序设计24
6.4电气控制图39
心得体会40
参考文献41
附录41
前言
本次机电一体化课程设计的重点在于硬件部分的减速离合器设计。
经过小组提出方案对比与讨论,最终决定使用单向轴承式减速离合器,具体讨论过程将在后面的说明书中详细介绍。
减速离合器的各部件的选择、设计是洗衣机硬件部分的设计重点,其具有体积小,功能多,零部件构成复杂等特点。
主要构成部分有离合装置,制动装置以及行星轮系二级减速装置,这些装置的设计尺寸选择,功能原理将在后面的洗衣机说明书中详细介绍。
考虑到设计的是家用洗衣机,并根据对洗衣机体积,功能的要求确定洗衣机采用以单片机为核心的通用自动控制装置,它具有功能强、可靠性强、编程简单、使用方便、体积小等特点。
该控制系统可实现用编写的程序进行逻辑控制、定时、记数和算术运算等,并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。
该设计为单片机控制的全自动家用洗衣机,主要介绍了全自动洗衣机的工作原理(主要是重点设计部件减速离合器),控制系统的单片机的选型和资源的配置,控制系统程序设计与调试,控制系统单片机程序。
最后,在该设计过程中给予极大鼓励和帮助的老师、同学,在此表示衷心的感。
由于在设计过程中存在许多不足,希望老师同学指正。
1.课程设计的任务
设计一种波轮式全自动洗衣机的机电系统,要求最大洗衣质量为3.8kg,筒直径为φ400mm,洗衣机转速约为140~200r/min,脱水转速约为700~800r/min.要求具有自动调节水位、根据衣服种类设定洗涤模式、自动进水、排水和自动脱水等功能。
硬件设计:
主要是传动系统结构(减速离合器)的各部分原理,零件尺寸的选择,以及可实现的功能
软件设计:
全自动洗衣机的功能要求:
强弱洗功能;4种洗衣程序(标准、经济、单独、排水);进排水系统故障自动诊断功能;脱水期间安全保护和防震功能;间歇驱动方式;暂停功能;声光显示功能
硬件电路设计(protel上机绘图)
控制程序设计
2.洗衣机简介
全自动洗衣机是指洗涤、漂洗、脱水各功能的转换都不需要手工操作,完全是自动进行的洗衣机。
在选定的工作程序,整个洗衣过程是通过程控器发出各种指令,控制各个执行机构的动作而自行完成。
波轮式洗衣机又称波盘式洗衣机,依靠波轮定时正、反向转动或连续转动的方式进行洗涤。
按控制方式不同可分为机电式和微电脑式两类。
机电式全自动洗衣机是由机电程控器控制触点的开关来完成洗涤、漂洗和脱水全过程。
微电脑式全自动洗衣机是由微电脑式程控器输出控制信号。
两值得主要区别在于电气控制部分,其总体结构基本相同。
2.1全自动洗衣机特点
全自动洗衣机有多种洗涤程序,可供您自由选择,工作时间可任意调节,工作状态及洗、脱时间在面板都有显示,能自动处理脱水不平衡,具有各种故障和高低压自动保护功能,工作结束或电源故障会自动断电,无需看管确保安全。
它还具有浸泡、手洗水流功能。
全自动洗衣机的洗衣桶(外桶)和脱水桶(桶)是以同一中心安放的。
外桶固定,作盛水用。
桶可以旋转,作脱水(甩水)用。
桶的四周有很多小孔,使外桶的水流相通。
该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。
进水时,通过电控系统使进水阀打开,经进水管将水注入到外桶。
排水时,通过电控系统使排水阀打开,将水由外桶排出到机外。
洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现,此时脱水桶并不旋转。
脱水时,通过电控系统将离合器合上,由洗涤电动机带动桶正转进行甩干。
高、低水位开关分别用来检测高、低水位。
启动按钮用来启动洗衣机工作。
停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。
排水按钮用来实现手动排水。
2.2洗衣机工作原理概述
全自动洗衣机已经是普及的家用电器,根据家用洗衣机的特点,目前的家用洗衣机都采用单片机进行控制。
该控制对象具有如下功能:
波轮式全自动洗衣机的洗衣桶(外桶)和脱水桶(桶)是以同一中心安装的。
外桶固定,作盛水用;桶可以旋转,作脱水(甩干)用。
桶的四周有许多小孔,使外桶水流相通。
洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀控制。
进水时,控制系统使进水电磁阀打开,将水注入外桶;排水时,使排水电磁阀打开,将水由外桶排到机外。
洗涤和脱水由同一台电动机拖动,通过电磁阀离合器来控制,将动力传递给洗涤波轮或甩干桶(桶)。
电磁离合器失电时,电动机带动洗涤波轮实现正、反转,进行洗涤;电磁离合器得电时,电动机带动桶单向旋转,进行甩干(此时波轮不转)。
水位高低分别由高低水位开关进行检测,启动按钮用来启动洗衣机工作。
3.传动方案讨论
3.1传动方案一
方案一采用电机直接驱动,这是一种洗衣机专用电机,其结构如图3-1所示,这里介绍的洗衣机专用电机除了起到电机的作用,还起到离合器的作用。
其结构组成为:
主要由轴、外轴、单向轴承、电磁制动装置(制动装置有多种形式,这里只是设定其中一种)、减速器、脱水电机、洗衣电机等部分组成。
洗衣机专用电机的工作原理是:
(1)洗衣程序时,洗衣电机通电,转子转动,通过减速器使轴减速旋转,此时电磁制动装置处于制动状态。
(2)脱水程序时,洗衣电机不通电,脱水电机通电,转子转动,使外轴与转子等速旋转,此时电磁制动装置处于不制动状态。
(3)当洗衣机处于脱水状态时,如人为打开机盖,则通过连动开关使电机断电,同时使电磁制动装置处于制动状态,使脱水桶停止转动,从而达到有关安全标准要求。
图3-1方案三传动简图和结构图
其优缺点为:
(1)优点重量集中在中心因而不需要装置平衡块,外轴旋转转换直接由电机实现,不需要拉动离合器手柄的牵引器,因为没有皮带对轴拉紧的力,可以将洗衣机专用电机直接安装在外桶上,不需要安装底板。
减少摩擦,降低噪声及延长使用期,使洗衣机装配程序大大简化,使洗衣机容易维修。
(2)缺点对制造要求相对较高,制造成本也相对较高,国对这种机型的制造较少,普及面不高。
3.2传动方案二
传动方案二属于间接驱动方式,通过普通电机,一般为单相异步交流电机通过一级皮带传动带动离合器工作,以实现洗衣和脱水。
其基本工作原理为:
(1)洗衣程序时,电机通过皮带带动离合器皮带轮转动,使离合器轴(输入轴)作减速旋转,此时外轴(脱水轴)处于制动状态,离合器离合弹簧处于“分”的状态。
(2)脱水程序时,控制方丝离合弹簧的棘爪开始工作,使离合弹簧处于“合”的状态。
然后电机带动离合器皮带轮旋转,使离合器外轴与与离合器皮带轮作等速旋转
其优缺点为:
(1)优点制造成本和制造精度相对较低,价格便宜,国这种类型的洗衣机普及面广,制造工艺成熟,零部件易更换维修。
(2)缺点洗衣机的驱动系统结构复杂、工作效率低、转速不稳定、启动电流大、故障率比较高、控制精度低;在结构设置上,洗衣机的电机轴与滚筒的几何中心轴不可能同轴(需要皮带减速),处于偏置状态,而正是这种“偏置”,造成了洗衣机在工作时会出现振动,难以平衡的问题。
所以,迫使我们不得不增加平衡块,以抑制整个机体工作时的振动和噪音;电机的固有结构及特性决定了这种电机的单位体积功率偏小、起动力矩偏弱、过载能力不足等。
3.3传动方案的选择
经过小组成员深入讨论对比了各方案,考虑到传动系统的设计和制造难度、制造成本、通用性、互换性、工艺性、维修便捷性,选用方案二的传动系统。
下面将对方案二的传动系统具体组成结构和原理作详细分析。
4.传动系统的设计计算
4.1减速离合器的结构和工作原理简介
早期设计的小波轮全自动洗农机的离合器没有减速功能,故洗涤和脱水转速相同。
新型大波轮全自动洗衣机的离合器都具有洗涤减速功能,称为减速离合器,其种类很多,但主要结构和工作原理基本相同。
目前应用最为广泛的有两种:
单向轴承式减速离合器与带制动式减速离合器。
基本结构
(分为离合器与行星减速器)
①离合器主要结构如图7
(1)
(2)所示。
离合器中部有两根轴:
输入轴l和脱水轴l8。
输人轴1的下端加工成四方形,与之相配的带轮3和离合套20的孔也是方形。
离合套20和带轮3被螺母2固定在输人轴1上,由于方轴与方孔的紧密配合,从而带轮3、输入轴I和离合套20联成了一体。
输入轴1的上端加工成齿形花键,和行星减速器的中心轮孔配合联接。
输入轴l的外部是脱水轴18。
在衣服洗涤时,脱水轴静止不转;而洗涤结束后,脱水轴应将带轮3的高转速直接传递给脱水桶,完成脱水功能。
这种转换功能是由方丝离合弹簧4完成的。
方丝离合弹簧的形状呈锥形,上端几圈的直径比下端略小一些。
由于脱水轴18和离台套20的外径比方丝离合弹簧的径略大,在自由状态时,方丝离合弹簧就抱紧在离合套20和脱水轴18的外壁上。
当带轮带动离合套向弹簧旋紧方向旋转时,通过方丝离合弹簧就将带轮3的转动由离合套20传递到脱水轴18,这就是“合”时的脱水状态。
在洗涤时,可以将方丝离合弹簧向反方向旋松,使其径变大,从而与离合套20脱离接触,这就是“离”时的洗涤状态。
实现弹簧旋松的机构是棘轮棘爪装置,图8是其工作原理简图。
方丝离合弹簧下端的弹簧卡2卡在棘轮3的槽中,通过棘爪5的摆动使棘轮3转动,从而带动方丝离合弹簧向旋松方向转动。
图7中的8是单向滚针轴承部件,它的圈与脱水轴18相接触,它的外圈与齿轮轴承座过盈配合成一体,齿轮轴承座嵌在支撑架19中,支撑架用螺栓和离合器外罩14固定在一起。
在单向滚针轴承8的作用下,脱水轴l8只能向一个方向自由旋转。
单向滚针轴承是滚针轴承产品领域中一种科技含量较高的产品,其结构紧凑,径向截面小。
因为其外圈工作面是楔形.所以只允许一个方向的转动.可以起到单向离合器的作用。
洗衣机单向滚针离合器的工作原理如图9所示,它由带楔形面的外圈7以及利用保持架3隔开的一系列滚针6组成,轴承直接套在脱水轴5上。
当脱水轴5顺时针转动时,滚针落入楔形槽的大端中,此时脱水轴可顺时针转动;而当脱水轴逆时针转动时,滚针则卡紧在楔彤槽的小端处,这时脱水轴将无法转动
在图7中,刹车装置外罩9、刹车扭簧l0、刹车带15、刹车盘16和十宁轴套17等组成了脱水轴18的刹车装置。
十字轴套17用两颗紧定螺钉和脱水轴18固定在一起,刹车盘16又和十字轴套17用螺栓固定在一起,所以刹车盘16和脱水轴18联成了一体。
刹车装置外罩9安装在脱水轴18上,为间隙配合,它对脱水轴的作用由刹车扭簧10控制。
刹车扭簧10套装在刹车装置外罩9的外圆上,其下端固定在离合器外罩上,它的上端则嵌在拉杆21的一个方孔中,由排水电磁铁带动拉杆控制其状态。
洗涤时,排水电磁铁断电,刹车扭簧处于自由旋紧的状态。
当脱水轴18顺时针旋转时,由于刚性刹车带15紧紧抱住刹车盘16,而其一端又卡在刹车装置外罩9的方槽中,所以刹车盘、刹车带以及刹车装置外罩9都将一起顺时针旋转。
刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中,刹车扭簧10将被迅速旋紧,强大的摩擦力使刹车装置外罩9无法动作,此时刹车带15和刹车盘16将发生剧烈摩擦,对脱水轴18产生制动作用,防止脱水桶产生跟转现象。
在脱水时,排水阀通电,排水电磁铁带动拉杆使刹车扭簧处于放松状态。
由于刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中,与旋松的刹车扭簧之间可以自由滑动,刹车不起作用,因此刹车装置外罩9、刹车盘16、刹车带15都将与脱水轴18一起高速旋转,完成脱水功能。
②行星减速器结构如图10所示。
减速器
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