全自动洗衣机机电控制系统设计单片机本科毕业设计Word格式文档下载.docx
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第3章课程设计总结·
35
参考文献·
36
波轮式全自动洗衣机机电系统设计
第1章绪论
1.1、机电一体化课程设计目的
机电一体化系统课程设计是一个重要的实践性教学环节。
要求学生做那个和运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制等方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练，主要目的是：
1）学习机电一体化系统总体设计方案立定，分析与比较的方法。
2）通过对机械系统的设计，掌握集中典型传动晚间与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。
如齿轮/同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。
3）通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移/速度传感器；
如交流、逼近伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。
4）通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；
如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与现实电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等、5）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。
6）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
第2章波轮式全自动洗衣机机电控制系统设计
2.1课程设计任务书
一、设计参数
1.最大洗衣重量为：
3.8kg
2.内桶直径为：
400mm
3.洗衣机的转速约为：
140～200r/min,托水转速：
700～800r/min
4.要求能自动调节水位
5.根据衣服类型设定洗衣模式、自动进水、自动排水等。
二、具体任务
1.总体方案确定；
2.机械部分设计及计算，要求数据具有科学性；
3.绘制装配图及其零件图若干张；
4.控制部分包括硬件和软件设计；
5.编写设计说明书（不少于1万字）；
6.图纸、说明书必须交电子版和纸制文档。
2.2波轮式全自动洗衣机的总体结构
目前在我国生产的洗衣机中，波轮式洗衣机占了80％以上。
早期生产的波轮式洗衣机波轮较小，直径都在165～185mm之间，转速为320～500r／min。
现在基本都是大波轮洗衣机，其中又以碟形波轮应用最广，波轮直径约为300mm，转速约为120～300r／min。
一般来说，波轮式全自动洗衣机具有洗涤、脱水、水位自动控制，以及根据不同衣物选择洗涤方式和洗涤时间等基本功能，其结构主要由洗涤和脱水系统、进排水系统、电动机和传动系统、电气控制系统、支承机构等5大部分组成，如图1所示。
图1
2.3、进水、排水系统
全自动洗衣机的进、排水系统主要由进水电磁阀、排水电磁阀和水位开关等组成。
1.水位开关
水位开关又称压力开关。
洗衣机洗涤桶进水时的水位和洗涤桶排水时的状况是由压力开关检测的。
当洗衣机工作在洗绦或漂洗程序时，若桶内无水或水量不够，压力开关则发出供水信号。
当水位达到设定位置时，压力开关将发出关闭水源的信号。
微电脑全自动洗衣机工作在排水程序时，若排水系统有故障，水位开关则发出排水系统受阻信号。
（1）结构 波轮式全自动洗衣机上使用最多的水位开关是空气压力式，其结构如图2所示。
这类压力开关按其功能可大致分为气压传感装置、控制装置及触点开关三部分。
图2
图3
气压传感装置由气室11、橡胶膜10、塑料盘9、顶心6等组成；
控制装置由压力弹簧4、导套2、调压螺钉3、杠杆l和凸轮5等组成；
触点开关由动簧片8、开关小弹簧7、动静触点组成，其中公共触点COM和常闭触点NC组成动断触点，公共触点COM和常开触点NO组成动合触点。
动簧片8是由铍青铜板制成，其结构如图3所示。
在内动簧片和外动簧片的a、b点安装一个小弹簧，即图2中的开关小弹簧7。
c点为内动簧片的力驱动点，位于顶心和塑料盘的轴心线上。
（2）工作原理当水注入内桶时，气室很快被封闭。
随着水位上升，封闭在气室内的空气压力也不断提高，压力经软管12传到水位开关气室11，水位开关气室ll内的空气压力向上推动橡胶膜10和塑料盘9，推动动簧片8中的内动簧片向上移动，压力弹簧4被压缩。
当注水到了选定水位时，此时内动簧片移动到预定的力平衡位置，开关小弹簧7将拉动外动簧片，并产生一个向下的推力，使开关的常闭触点NC与公共触点COM迅速断开，常开触点NO与公共触点COM闭合，从而发出关闭水源信号。
排水时，当水位下降到规定的复位水位时，水位产生的压力减小，压力弹簧4回复伸长，推动顶心6，使动簧片8中的内动簧片向下移动，当移动到预定的力平稳位置时，开关小弹簧7对外动簧片产生一个向上的推力，使开关的常开触点N0与公共触点COM迅速断开，常闭触点NC与公共触电C0M闭合，从而改变控制电路的通断。
2.进水电磁阀
（1）结构 进水电磁阀也称为进水阀或注水阀，其结构如图4所示。
图4
（2）工作原理 电磁阀线圈4断电时，铁心6在自重和小弹簧5作用下下压，使铁心6下端的小橡胶塞7堵住泄压孔B，此时如果有水进入进水腔I，水便由加压孔A进入控制腔Ⅱ，使控制腔Ⅱ内水压逐渐增大，最终使橡胶阀9紧压在出水管的上端口上，将阀关闭。
同时．因铁心6上面空间与控制腔Ⅱ相通，控制腔Ⅱ内水压的增大还会使铁心6上面空间气体压强增大．导致橡胶阀9更紧地压在泄压孔B上，增加了阀关闭的可靠性。
当进水电磁阀线圈4通电后，产生的电磁吸力将铁心6向上吸起，泄压孔B被打开。
控制腔Ⅱ内的水迅速从泄压孔B中流入出水管，同时经加压孔A流人控制腔Ⅱ的水又进行补充。
但由于加压孔A比泄压孔B小，使控制腔Ⅱ内的压力迅速下降。
当控制腔Ⅱ中的水压降到低于进水腔I水压时，橡胶阀9被进水腔I中的水向上推开，水从进水腔Ⅰ直接进入出水管，进而流人盛水桶。
水到位后，由水位开关切断进水电磁阀线圈4的电源，进水阀重新关闭。
3.排水电磁阀
排水电磁阀由电磁铁与排水阀组成，如图5所示。
电磁铁和排水阀是两个独立的部件，两者之间以电磁铁拉杆联接起来。
图5
（1）结构排水阀是由排水阀座1、橡胶阀2、内外弹簧3与4、导套5和阀盖6等组成。
排水阀门采用橡胶材料制成，内有一个由硬质塑料制作的导套5。
导套5内装有内弹簧3，它一端卡在导套左边槽口，另一端钩挂在电磁铁拉杆7上，内弹簧3处于拉紧状态。
在导套5外装有一个外弹簧4，它的刚度比内弹簧3小,它的一端与阀盖6接触．另一端与导套5的基座接触．外弹簧4处在压缩变形状态。
电磁铁有交流和直流两种，机械式全自动洗衣机一般采用交流电磁铁，而电脑式全自动洗衣机一般采用直流电磁铁。
交流电磁铁的主要技术参数如表1所示，直流电磁铁的主要技术参数如表2所示。
表1交流电磁铁的主要技术参数
额定拉力/N
额定行程/mm
额定电流/A
使用电压/V
绝缘电阻/MΩ
电气强度
20
14
0.2
187-242
>
100
1500V
历时1min
40
15
0.3
50
16.5
0.48
表2直流电磁铁的主要技术参数
电流/A
额定电压/V
电压范围/V
绝缘电阻/MΩ
起动
保持
16
1.7
0.06
200
170-220
1.9
0.07
（2）工作原理 洗衣机处在进水和洗涤时，排水阀处于关闭状态。
此时主要由外弹簧4把橡胶阀2紧压在排水阀座1的底部。
排水时，排水电磁铁通电工作，衔铁13被吸入，牵动电磁铁拉杆7。
由于拉杆7位移，在它上面的挡套16拨动制动装置的刹车扭簧伸出端17，使制动装置处于非制动状态（脱水状态）。
另一方面随着电磁铁拉杆7的左端离开导套5，外弹簧4被压缩，使排水阀门打开正常排水时，橡胶阀2离开排水阀座l密封面的距离应不小于8mm，排水电磁铁的牵引力约为40N。
2.4、传动系统的结构及其工作原理
传动系统主要由电动机、减速离台器组成。
套桶式全自动洗衣机使用一台电动机来完成洗涤和脱水工作。
洗涤时，波轮转速较低（140～200r/min）；
而脱水时，脱水桶转速较高（约800r／min）。
因此，要对电动机1370r／min的输出转速进行减速处理，以适应两项工作的不同要求，这主要由洗衣机的传动系统来完成，传动系统的工作示意如图6所示。
图6套筒式全自动洗衣机传动系统示意图
1.电动机的技术参数
电动机是整个洗衣机工作的动力来源。
我国现阶段生产的套桶式洗衣机大多采用的是电容运转式电动机，产品遵循中华人民共和国机械行业标准JB／T3758-1996《家用洗衣机用电动机通用技术条件》。
目前常用的电容运转式电动机技术参数如表3所示。
表3XD型洗衣机电动机技术参数
XDL-90
XDS-90
XDL-120
XDS-120
XDL-180
XDS-180
XDL-250
XDS-250
额定功率/W
90
120
180
250
220
额定频率/HZ
满
载
时
0.88
1.1
1.54
2.0
转速/（r/）
1370
效率（％）
49
52
56
5
功率因数
0.95
堵转电流/A
2.5
4.0
5.5
堵转转矩/N.m
额定转矩/N.m
0.9
0.8
0.7
最大转矩/N.m
额定转矩/N.m
2.减速离合器的结构和工作原理
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。
（1）单向轴承式减速离合器
1）基本结构
图7
（2）
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的内孔也是方形。
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内孔配合联接。
图7
（1）
图7
（1）
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内径略大，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，使其内径变大，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的内槽中，
图8
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，
它的内圈与脱水轴
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。
图9
在图7中，刹车装置外罩9、刹车扭簧lO、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。
减速器外罩8和减速器底盖10用螺钉紧固在一起，再安装在法兰盘12上，法兰盘12和脱水轴2通过锁紧块13固定在一起，因为法兰盘12和脱水桶相联接，所以减速器外罩8、减速器底盖10、法兰盘12和脱水桶成一整体。
减速器底盖10有上、下两个止口，从而保证了减速器和脱水轴2安装时的同心度。
对行星减速器来说，输入轴1是动力的传入轴，其花键端插人中心轮l1的内孔中。
行星轮4其有4个，与中心轮11以及内齿圈6相啮合。
内齿圈6通过其圆周槽卡在减速器底盖10上，与之联成一体。
行星轮通过销轴5安装在行星架7上，当行星轮绕中心轮公转时，将带动行星架一起旋转。
波轮轴9两端都加工成齿形花键，其下端与行星架7联接，上端与波轮相联，从而使波轮以低速旋转洗涤衣物。
图10
2）工作原理
①脱水状态减速离合器脱水时的状态及装配戈系如图11所示，脱水状态下，排水电磁铁通电吸合，牵引拉杆移动约13mm，使排水阀开启。
拉杆在带动阀门开启的同时，一方面拨动旋松刹车弹簧，使其松开刹车装置外罩，这时刹车盘随脱水轴5一起转动，刹车不起作用；
另一方面又推动拨叉旋转，致使棘爪18脱开棘轮4，棘轮被放松，方丝离合弹簧3在自身的作用力下回到自由旋紧状态，这时也就抱紧了离合套2。
大带轮l在脱水时是顺时针旋转的，由于摩擦力的作用，方丝离合弹簧3将会越抱越紧。
这样脱水轴5就和离合套2联在一起，跟随大带轮1一起做高速运转。
由于此时脱水轴5做顺时针运动，和单向滚针轴承7的运动方向一致，因此单向滚针轴承7对它的运动无限制。
图11
由于脱水轴
5通过锁紧
块与法兰盘
9联接，而
内桶12与
行星减速器
10均固定在
法兰盘9上，
所以脱水轴5带动内桶12以及减速器内齿圈的转速，与输入轴带动减速器中心轮的转速相同，这样致使行星轮无法自转而只能公转，从而行星架的转速与脱水轴是一样的，即波轮与脱水桶以等速旋转，保证了脱水桶内的衣物不会发生拉伤。
脱水状态传动路线是：
电动机→小带轮→大带轮l→输入轴6→离合套2→方丝离合弹簧3→脱水轴5→法兰盘9→内桶12。
由于电动机输出转速只经带轮一级减速．所以内桶转速较高，约680～800r／min。
②洗涤状态如图12所示，洗涤状态下，排水电磁铁断电，排水阀关闭，拉杆复位。
这时刹车扭簧16被恢复到自然旋紧状态，扭簧抱紧刹车装置外罩，刹车装置8起作用；
同时拨叉回转复位，棘爪18伸入棘轮4，将棘轮拨过一个角度，方丝离合弹簧3被旋松，其下端与离台套2脱离，这时离合套只是随输入轴空转。
大带轮1带动输入轴6转动，经行星减速器减速后，带动波轮轴11转动，实现洗涤功能。
输入轴至波轮轴的传动称为二级减速，其工作过程为：
输人轴通过中心轮驱动行星轮，行星轮既绕自己的轴自转又沿着内齿圈绕输人轴公转，因为行星轮固定在行星架上，所以行星轮的公转也将带动行星架转动；
行星架以花键孔与波轮轴下端的花键相联接，带动波轮轴和波轮转动。
洗涤状态传速比i计算公式为：
i=1+内齿圈齿数／中心轮齿数。
洗涤状态传动路线是：
电动机→小带轮→大带轮l→输入轴6→中心轮→行星轮→行星架→波轮轴11→波轮。
其间，电动机输出转速经带轮一级减速后，再经减速比约为4的行星减速器减速，所以转速约为140～200r／min。
图12
对于洗衣机传动系统三种工作情况，各零部件工作状态如表４所示。
表4三种工况下零部件工作状态
工作情况
零部件状态
洗涤
脱水
波轮转向
顺时针
逆时针
排水电磁铁
断电
通电，牵引拉杆移动约13mm
单向滚针轴承
随脱水轴一起旋转
制动脱水周
棘爪与棘轮
棘爪伸入棘轮齿高三分之二，将棘轮及方丝离合弹簧向旋松方向拨转一个角度，棘爪指向轴心
棘爪脱离棘轮，弹簧回转到自由旋紧状态
方丝离合弹簧
被棘轮旋松并固定，和离合套分离
在自由旋紧状态，转动时更加旋紧。
在离合套上起到传递转矩作用
离合套
因方丝离合弹簧内径被旋大，故离合套空转
方丝离合弹簧被旋紧，随离合套转动
刹车扭簧
抱紧刹车装置外罩
旋松方向，不起作用
被拉杆牵引放松，对刹车装置外罩不起作用
传动情况
带轮-输入轴-行星减速器-波轮轴-波轮
带轮-离合器-方丝离合弹簧-脱水轴-脱水桶
③内桶跟转现象的解决 洗涤时防止内桶出现跟转是设计中一个非常重要的问题。
洗涤时，波轮将传动力矩传递给水和洗涤物，而转动的水和洗涤物又将转矩传递给内桶。
因此，内桶如果不固定或固定不可靠，就要随之转动，这就是跟转现象。
洗涤时，内桶跟转现象将减弱洗涤效果并对洗衣机不利，所以要防止山桶出现跟转。
因为内桶和脱水轴是连成一体的，所以只要将脱水轴可靠固定，就可使内桶不跟转。
为此．除了刹车装置外，在脱水轴上还安装有单向滚针轴承，其工作原理如图9所示。
图13
当波轮逆时针方向旋转时，内桶有逆时针方向跟转的倾向，这时与内桶成一体的脱水轴被单向滚针轴承卡住，不能转动，所以内桶也就不能转动。
但在波轮顺时针力向转动时，单向滚针轴承允许转动的方向与之一致，所以对脱水桶没有制动作用。
当波轮顺时针方向转动时，内桶有顺时针方向跟转的倾向，这时自然状态的刹车扭簧将被旋紧，紧紧抱住刹车装置外罩的轴端，相互之间产生足够的摩擦力使两者成为一整体。
刹车装置外罩的顺时针旋转摩擦力将刹车带拉紧，刹车带对刹车盘转动产生摩擦阻力，这样就阻止了内桶跟转。
刹车装置工作原理如图13所示。
综合所述，当波轮逆时针转动时，依靠单向滚针轴承来防止内桶跟转；
当波轮顺时针方向转动时，依靠刹车装置来防止内桶跟转。
脱水过程中突然打开洗衣机上盖，排水电磁铁失电，方丝离合弹簧恢复到洗涤状态，由于脱水是顺时针旋转，刹车扭簧将抱紧，刹车装置起作用，刹车带将使内桶迅速制动。
2.5、机械传动系统设计计算
波轮式全自动洗衣机的传动系统的设计计算内容较多，但大多数零部件可以选用无需进行设计，一般设计内容主要有：
方案设计、电动机选用、带传动设计、行星减速器设计等。
1.方案设计
波轮式洗衣机常用布局为输入轴布置在内桶的中心处，整个传动系统基本上同轴布置，电动机只能偏置一边，为了保持平衡，可将排水电磁阀和排水管与电动机对称布置，必要时可加平衡块。
根据设计任务中给出的内桶直径为400mm，则外桶直径约为470mm，电动机轴与洗涤输入轴之间中心距只能为150mm左右．在此范罔内选择合适的一级降速传动比和采用带轮传动。
2.基本参数的选择
目前洗衣机的洗衣量、电动机功率、内桶直径等基本参数，大多数企业是通过实验进行设计选用的。
表5是目前常用的波轮式全自动洗衣机基本参数情况，可供设计时参考．
表5波轮式全自动洗衣机基本参数
洗衣量/kg
电动机功率/W
内筒直径/mm
脱水转速/（r/）
洗衣转速/（r/）
3.8
φ400-520
700-800
120-300
4.5
700
升级会员 