机电一体化(波轮式全自动洗衣机)课程设计.pdf
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1、欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第0页,共 41 页 目 录 前言.错误!未定义书签。洗衣机说明书 1.课程设计的任务.错误!未定义书签。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
2、.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 欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第1页,共 41 页 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
3、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
4、助的老师、同学,在此表示衷心的感谢。由于在设计过程中存在许多不足,希望老师同学指正。欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第2页,共 41 页 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,内筒直径为400mm,洗衣机转速约为 140200r/min,脱水转速约为 700800r/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
5、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。在选定的工作程序内,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
6、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。欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第3页,共 41 页 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(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
7、,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。进水口启动按钮停止按钮排水按钮控制器高水位开关低水位开关排水口内桶外桶波盘洗涤电机 欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如
8、有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第4页,共 41 页 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(内桶)是以同一中心安装的。外桶固定,作盛水用;内桶可以旋转,作脱水(甩干)用。内桶的四周有许多小孔,使内外桶水流相通。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
9、甩干桶(内桶)。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,电动机带动内桶单向旋转,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:主要由内轴、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
10、器使内轴减速旋转,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。欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第5页,共 41 页 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,内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
11、的张力,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,国内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,使离合器内轴(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”
12、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:欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第6页,共 41 页(1)优点 制造成本和制造精度相对较低,价格便宜,国内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
13、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
14、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)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,由于方轴与方孔的欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第7页,共 41 页 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。输入轴 l 的外部是脱水轴
15、 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 传递到欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第8页,共 41 页 脱水轴 18,这就是“合”时的脱水状态
16、。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,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
17、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
18、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、欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第9页,
19、共 41 页 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。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
20、紧固在一起,再安装在法盘 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 以欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第10页,共 41 页 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
21、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。2)工作原理 脱水状态 减速离合器脱水时的状态及装配示意如图 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
22、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。欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第11页,共 41 页 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
23、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 680800rmin。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
24、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。行星减速器的减速比 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14020
25、0rmin。欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第12页,共 41 页 对于洗衣机传动系统三种工作情况,各零部件工作状态如下表所示:欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!欢迎您阅读并下载本文档,本文档来源于互联网,如有侵权请联系删除!我们将竭诚为您提供优质的文档!第14页,共 41 页(2)选择带型:根据小带轮转速为 1370r/min,以及小带轮安装尺寸的大概范围,查机械设计手册新版第 14-10 页图 14.1-2,选取普通 V带 Z 型(3)带轮的基准直径1和2:初选小带轮的
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