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波轮式全自动洗衣机机电系统设计

徐沏兀程挚院

机电工程学院

《专业综合训练课程设计》

说明书

课题名称：

波轮式全自动洗衣机电控装置设计

学生姓名：

学号：

专业：

班级：

成绩：

指导教师签字：

1绪论2

1.1专业综合训练课程设计课题来源和目的2

2波轮式全自动洗衣机机电系统设计4

2.1设计任务4

2.2总体设计4

2.3机械结构设计5

2.3.1进水、排水系统设计5

2.3.2减速离合器设计7

2.4机械传动系统设计9

2.4.1方案设计9

2.4.2电动机选用9

2.4.3带传动设计10

2.4.4带轮的结构设计13

3波轮式全自动洗衣机控制系统的设计14

3.1全自动洗衣机控制系统的要求14

3.2I/O的地址分配及连接图14

3.3流程图16

3.4I/O连接图17

3.5控制系统的梯形图设计18

3.6程序指令图25

结论30

致谢31

参考文献32

1绪论

1.1专业综合训练课程设计课题来源和目的

从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项

劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。

这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是辛苦劳累。

1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战一一美国人比尔•布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。

1880年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。

之后，水力洗衣机，内燃机洗衣机也相继出现。

1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。

1922年，电动洗衣机迎来一种崭新的洗衣方式搅拌式。

搅拌式洗衣机

由美国玛依塔格公司研制成功。

70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳

目一新。

90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。

全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。

这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。

所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。

从控制方式的发展阶段上分：

全自动洗衣机可分为两大类：

第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。

第二类是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。

电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。

随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。

因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程•可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与各种控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

专业综合训练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说学过的机械、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。

2波轮式全自动洗衣机机电系统设计

2.1设计任务

设计一种波轮式全自动洗衣机的机电系统，要求最大洗衣机质量为3.8kg，内桶直径400mm洗衣转速约为140~200r/min，脱水转速约为700~800r/min。

要求具有自动调节水位、自动进水、排水、自动脱水和手动排水、停止等功能。

2.2总体设计

全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。

外桶固定，作盛水用。

内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。

内桶的四周有很多小孔,使内外桶的水流相通。

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，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。

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，停止按钮用来手动停止进水、排水、脱水及报警，排水按钮用来手动排水。

图2-1自动洗衣机示意图

一般来说，波轮式全自动洗衣机具有进水、洗涤、漂洗、排水、脱水、水位自动控制等基本功能，其结构主要有进水系统、洗涤系统、排水系统、脱水系统、电动机控制和传动系统、电气控制系统、支承机构等5大部分组成。

详细结构如图2-2所示。

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图2-2波轮式全自动洗衣机结构

波轮式全自动洗衣机采用套筒式结构，波轮装在内桶的底部。

内桶为带有加强筋和均布

小孔的网状结构，并可绕轴旋转。

外筒弹性悬挂在机箱外壳上，主要用于盛水，并配有一套进水和排水系统，用两个电磁阀控制洗衣机的进、排水动作。

外筒的底部装有电动机、减速

离合器，以及传动机构等部件。

动力和传动系统能提供两种转速，低速用于洗涤和漂洗，高

速用于脱水，通过减速离合器来实现两种转速的切换。

2.3机械结构设计

2.3.1进水、排水系统设计

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态是由压力开关检测的。

当洗衣机工作在洗涤和漂洗程序时，若桶内无水或水量不够，压力开关则发出供水信号。

当水位达到设定值时，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，水位开关将发出排水受阻信号。

进水排水信号，控制系统自动关闭或打开进水阀与排水阀。

如果在极限时间内，水位没有达到预定要求，蜂鸣器就会自动报警。

波轮式全自动洗衣机上使用最多的水位开关是空气压力开关，其结构如图3

所示。

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。

水位开关主要有气压传感装置、控制装置、触点开关三部分构成。

气压传感装置由气室、橡胶模、塑料盘、顶心组成；控制装置由压力弹簧、导套、调压螺

钉、杠杆和凸轮组成；触点开关由动簧片、开关小弹簧、动静触电组成。

水位开关的作用原理，当进水电磁阀向洗涤桶内注水时，桶内的水平面会不断升高，在它超过盛水外桶底部的气室入口时，气室内的空气就被封住了出口。

随着水平面的不断升高，桶底的压力就越来越大，气室、导气管和水位开关内部的空气被压缩，气压也随之增大。

当桶内的水位逐渐下降时，也就是水量减少时，气压也跟着下降。

因此，桶内的水位高低，就转换成桶底压力的变化，水压力的变化导致了气室内气压的变化，同时，气压的变化又引起了水位开关内橡皮膜的机械动作，这种机械运动在牵动触点簧片的上下移动，最后起了通、断电路的功能，完成了预定的水位控制工作。

所以说，水位开关也可以称之为“启动开关”。

当气室内的压力逐渐升高时，气室上方的橡皮膜被逐渐向上推起，使得顶芯就克服弹簧的压力被推向上方，同时带动动簧片中间的部分一起向上移动。

当它超过两侧部分的位置时，中间小簧片上的压力方向会突然改变，两侧会快速地向下方弯曲，动簧片上的触电与下方的静触点接触，NO触点和COM闭合，NC和COM断开。

经过这一过程后，再单片机使电磁进水阀的电路被切断，进水停止，同时接通了洗涤电机的电路，波轮开始运转，洗涤工作开始。

洗涤工作完成后，排水电磁阀被打开，洗涤桶内的水位下降，气室内的水压降低，水位开关的阀心在弹簧的压力下向下移动，达到一定的位置后，动簧片中间不分低于两侧部分，小簧片的压力方向又迅速改变，动簧片两侧被推向上方，NO触点和COk断开，NC和COMA合。

这时单片机输入状态已经发生改变，控制电路接通电机，进入脱水程序。

图2-3空气开关结构及其水压传递系统

（2）进水电磁阀

进水电磁阀的结构，如图2-4所示

进水

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图2-4进水电磁阀

线圈得电，进水电磁阀打开，开始进水；线圈失电，进水电磁阀闭合，停止

（3）排水电磁阀

电磁

排水电磁阀的结构，如图5所示。

排水电磁阀由电磁铁与排水阀组成。

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2-5排水电磁阀

磁铁断电时，电磁阀断开，关闭排水口。

2.3.2减速离合器设计

全自动洗衣的设计采用单向轴承式减速离合器。

脱水和洗涤状态的选择，实际上由排水阀控制。

在排水电磁铁得电时，离合器工作，进入高速脱水工作状态；在排水电磁铁失电时，离合器无效，进入低速洗涤工作状态。

离合器主要结构如图2-6所示。

离合器中部有两根轴：

输入轴和脱水轴。

图2-6离合器的王要结构

输入轴的外部是脱水轴。

在衣服洗涤时，脱水轴静止不转；而脱水时，脱水轴将带轮的高转速直接传递给内桶。

这种转换功能是通过控制刹车装置是否起作用,由方丝离合弹簧完成的。

当方丝离合弹簧向旋紧方向旋转时，通过刹车装置就将带轮的转动由离合套传递到脱水轴，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，刹车装置无效，从而使脱水轴与离合套脱离接触，这时输入轴经过行星齿轮的变速，传动波轮，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7是其工作原理简图。

方丝离合弹簧下端的弹簧卡卡在棘轮的内槽中，通过棘爪的摆动使棘轮转动，从而带动方丝离合弹簧向旋松方向转动。

图2-7离合棘轮工作原理图

在洗涤状态，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。

图2-8是单向滚针离合器。

当脱水轴顺时针转动时，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，滚针则卡紧在楔型槽的小端处，这时脱水轴将无法转动。

所以只允许一个方向的转动.可以起到单向离合器的作用。

2.4机械传动系统设计

传动系统的设计计算内容较多，但大多数零部件无需进行设计，可以直接选用。

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。

2.4.1方案设计

波轮式全自动洗衣机的整个传动系统基本上与套筒同轴布置，电动机则偏置

一边。

为保持平衡，可将排水系统与电动机对称布置，必要时也可加平衡块。

根据设计任务中给出的内桶直径为400mm则外桶直径约为470mm电动机轴与传动轴之间中心距只能为150mn左右。

传动系统主要由电动机、减速离台器组成。

波轮式全自动洗衣机使用一台电动机来完成洗涤和脱水工作。

洗衣转速为160r/min,脱水转速为750r/min。

因

此,要对电动机的转速进行减速处理，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。

2.4.2电动机选用

电动机是整个洗衣机工作的动力来源。

我国现阶段生产的波轮式洗衣机大多

采用的是电容式电动机，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，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1-1是常用波轮式全自动洗衣机的基本参数情况。

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700«S0O

I2D-MI0

4.5

峡03

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I2D-MO

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I2D-3QQ

6.0

370

阿-520

700-800

120*-300

表1-1常用波轮式全自动洗衣机的基本参数

根据设计任务要求，最大洗衣量为3.8kg,参照图2选用电动机功率为180w,电动机满载时转速为1370r/min。

2.4.3带传动设计

V带传动允许的传动比较大，结构较紧凑。

在同样的张力下，V带传动较平

带传动能产生更大的摩擦力，所以选用V带作为第一级降速。

一级传动比为：

-1.8

n11370

i

n2750

（1）确定计算功率Pea

由于载荷变动小，因此取工作情况系数KA=1.0o所以，Pea二Ka2二0.18kW

（2）选择带型

表2-2普通V带选型

根据小带轮转速为1370r/min，以及计算功率Pea为0.18kW，参照表2,

选取普通V带Z型

（3）带轮的基准直径dd1和dd2

根据表2-3，初选小带轮的基准直径dd1，选取dd仁55mm满足大于V带轮

的最小基准直径ddmin的要求50mm大带轮的基准直径dd2为dd2=i-dd1=l.8x55=99mm按表4圆整为dd2=100mm

1

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A

SP4

3

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表2-3V带轮最小基准直径

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表2-4V带轮的基准直径系列

（4）

验算带的速度

一般地，普通V带的最大带速Vmax=25-30m^s，故满足要求。

（5）确定中心距a和选择带的基准长度Ld

根据0.7（dd1dd2）：

：

a0:

:

:

2（dd1dd2），得到107.8mm：

：

a0:

:

:

308mm。

再根据洗

衣机桶体的安装尺寸，初步选定中心距a。

=150mmo基准长度:

二545mm

查表2-5选取和545mm相近的标准带的长度Ld为560mm

则实际中心距为：

a*4=15056^545“57.5mm

22

在安装时，在结构上要保持V带有一定的张紧力，安装中心距会略有所变化

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VAV带

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0.87

0.81

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表2-5V带的基准长度系列及其长度系数Kl

（6）主动轮上的包角

•••dd2一dd1

r=180竺史57.5=163.6120

a

（7）带的根数

查表5、表&表7和表8,确定长度系数KL、包角系数Ka、单根V带基本

额定功率P。

、单根V带额定功率增量.-：

P0。

取Kl=0.94、K“=0.95、Po=O.16kW、△

Po=O.O2kW。

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表2-6包角系数Ka

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980

1200

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表2-7单根普通V带的基本额定功率P0

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表2-8单根普通V带额定功率的增量.-：

P0

PCa

（PolF0）KKl

0.18

（0.190.02）*0.94

选取z=1

（8）带的预紧力FO

V带单位长度的质量q。

查表9得q=0.06kg/m。

单根V带所需的预紧力为：

P25

F0=500注

（1）qv

zvK„

01825

=500

（1）0.063.872N

1x3.940.96

=38.1N

A

B

SPB

C

SRL

0.04

认ID

OK12

0.17

0.2Q

n.m

G.37

表9V带单位长度的质量

（9）带传动作用在轴上的力FL:

«1163.2

FL=2F0zsin（L）=238.21sin（）N=75.4N

22

2.4.4带轮的结构设计

带轮的结构形式与基准直径有关。

电动机端带轮：

基准直径d仁2.5d（d为安装带轮的轴的直径，mm）所以，所以采用实心式带轮，利用螺栓紧固带轮和电机轴。

减速器端带轮：

d2>2.5d，采用腹板式结构。

C」B=7mm

2

I

L=C=7mm

轮槽与V带的选择一样，采用Z型。

带轮采用材料为HT15Q

3波轮式全自动洗衣机控制系统的设计

3.1全自动洗衣机控制系统的要求

（1）按下启动按扭及水位选择开关，开始进水直到高（中、低）水位,关水

（2）2秒后开始洗涤

（3）洗涤时，正转30秒，停2秒，然后反转30秒，停2秒

（4）如此循环5次，总共320秒后开始排水，排空后脱水30秒

（5）开始清洗，重复

（1）〜（4），清洗两遍

（6）清洗完成，报警3秒并自动停机

（7）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）

3.2I/O的地址分配及连接图

1）全自动洗衣机控制系统的输入有启动、停止、高水位、中水位、低水位、

手动排水和手动脱水按钮以及高水位、中水位、低水位和排空检测开关共11个

输入点。

具体的输入分配如表3-1所示

表3-1输入地址分配

名称

地址

启动按钮SB1

I0.0

停止按钮SB2

I0.1

高水位按钮SB3

I0.2

中水位按钮SB4

I0.3

低水位按钮SB5

I0.4

进水检测开关ST1

I0.5

高水位检测开关ST2

I0.6

中水位检测开关ST3

I0.7

低水位检测开关ST4

I1.0

手动排水按钮SB6

I1.1

手动脱水按钮SB7

I1.2

2）全自动洗衣机控制系统的外部设备有进水电磁阀、排水电磁阀、正/反转

洗涤电动机、蜂鸣器、指示灯等。

具体的输出分配如表1-2所示。

表1-2输出地址分配

名称

地址

启动指令J1

Q0.0

进水阀控制继电器J2

Q0.1

电动机正转继电器J3

Q0.2

电动机反转继电器J4

Q0.3

排水阀控制继电器J5

Q0.4

脱水阀控制继电器J6

Q0.5

报警蜂鸣器HA

Q0.6

高水位指示灯HLED1

Q0.7

中水位指示灯MLED2

Q1.0

低水位指示灯LLED3

Q1.1

3）定时器部分

表1-3定时器分配

定时器

功能

T37

延时2秒开始洗涤