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波轮式全自动洗衣机说明书


沈 阳 理 工 大 学

机电一体化 课程设计计算说明书



目:

波轮式全自动洗衣机 机电系统设计

院 专

系: 业:

装备制造工程分院 机械设计及其自动化 08141212 刘 彤

班级学号: 学生姓名: 指导教师:

刘长吉

2011 年

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摘 要………………………………………………………………………………1 第一章 绪论………………………………………………………………………2
1.1 机电一体化课程设计目的 ????????????????????????2 1.2 设计任务 ???????????????????????????????2

第二章 波轮式全自动洗衣机的总体结构设计…………………………………3
2.1 波轮式全自动洗衣机总体结构 ??????????????????????3 2.2 进水排水系统 ?????????????????????????????3 2.3 传动系统结构及工作原理 ????????????????????????7 2.4 机械设计系统传动计算?????????????????????????14

第三章 控制系统设计…………………………………………………………20
3.1 全自动洗衣机的功能要求????????????????????????20 3.2 硬件电路设计?????????????????????????????21 3.3 控制程序设计?????????????????????????????22

总 致

结…………………………………………………………………………24 谢…………………………………………………………………………26

参考文献…………………………………………………………………………27

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从目前的洗衣机市场来看,洗衣机分为三种类型:波轮机、滚筒机以及搅拌机,但 目前国内卖场上以波轮机和滚筒机为主,搅拌机很少在国内出现。 波轮洗衣机, 20 世纪五六十年代出现于日本的波轮洗衣机。 目前是我国人民最了解, 市场占有率最高的洗衣机种类。特点:耗水量大价格低 滚筒洗衣机,发源于欧洲,是模仿棒锤击打衣物原理设计,利用电动机的机械 做功 使滚筒旋转,衣物在滚筒中不断地被提升摔下,再提升再摔下,做重复运动,加上洗衣 粉和水的共同作用使衣物洗涤干净。特点:耗电量大磨损小 搅拌洗衣机,搅拌式洗衣机先于波轮式洗衣机出现。全自动搅拌式洗衣机发源于美 国,在美国流行,但在中国很难见到。它与波轮洗衣机最大的区别就是波轮旋转只有 270 度,不像波轮洗衣机的波轮是旋转 360 度。特点:洗净度好耗水多 未来洗衣机的发展方向将是超声波洗衣机,运用超声波原理振动洗衣,从概念上彻 底更新洗衣机洗涤原理,不再使用洗衣粉,是真正的环保型洗衣机。到时,人们不仅从 洗衣机里拿出衣服就能穿,而且完全不用考虑清洗剂会对衣料带来的损害,更不存在化 学洗涤剂的环境污染问题了。

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第一章 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。

1.2 设计任务
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 桶直径为φ 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、 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。

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第二章 波轮式全自动洗衣机的总体结构设计

2.1 波轮式全自动洗衣机总体结构
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,如下图所示。

1 排水管 12 进水接头 2 溢水管 13 压力软管 3 吊杆 14 贮气室 4 脱水桶(内桶)15 支架 5 盛水桶(外桶)16 电动机 6 水衡环 17 离合器 7 盖板 18 波轮 8 安全开关 19 脱水轴 9 控制面板 20 排水电磁阀 10 水位控制器 21 法兰盘 11 进水电磁阀 22 脱水孔

2.2 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
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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

2-1 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。 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 2-2 所示。

1 杠杆 2 导套 3 调压螺钉 4 压力弹簧 5 凸轮 6 顶心 7 开关小弹簧 8 动簧片 9 塑料盘 10 橡胶模 11 气室 12 压力软管

图 2-1 水位开关结构及其水压传递系统

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。

图 2-2 触点开关
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(2)工作原理

当水注入内桶时,气章很快被封闭。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 2-3 所示。

1 金属过滤网 2 阀座 3 导磁铁框 4 线圈 5 小弹簧 6 铁心 7 小橡胶塞 8 塑料盘 9 橡胶阀

图 2-3 进水阀结构 图

(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

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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。 当进水电磁阀线罔 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 2-4 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。
1 排水阀座 2 橡胶阀 3 内弹簧 4 外弹簧 5 导套 6 阀盖 7 电磁铁拉杆 8 销钉 9 基板(铁垫圈) 10 微动开关压钮 11 引线端子 12 排水电磁铁 13 衔铁 14 开口销 15 外桶 16 挡套 17 刹车扭簧伸出端

图 2-4 排水阀的结构与电磁铁的装配关系

(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 2-1 所示,直流电磁 铁的主要技术参数如表 2-2 所示。

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表 2-1 交流电磁铁的主要技术参数

表 2-2 直流电磁铁的主要技术参数

(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。

2.3 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 2-5 所示。

图 2-5 套桶式全自动洗衣机传动系统示意图 图 2-5 套桶式全自动洗衣机传动系统示意图
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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 2-3 所示。
表 2-3XD 型洗衣机电动机技术参数

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 ①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 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。

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1.输入轴 2.螺母 3.带轮 4.方丝离合弹簧 5.棘轮 6.棘爪 7.拨叉 8.单项滚轮轴承 9.叉车装置外罩 10.叉车扭簧 11,12 密封圈 13.支架 14.离合器外罩 15.刹车带 16.刹车盘 17.十字轴套 18.脱水轴 19..支撑架 20 离合套 21.拉杆
图 2-6 全自动洗衣机离合器的结构

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

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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 2-7 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 2-7 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
图 2-7 棘轮棘爪装置

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 2-8 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。
1 支撑架 2 齿轮轴承座 3 滚针保持架 4 输入轴 5 脱水轴 6 滚针 7 轴承外圈 8 螺栓

图 2-8 单向滚针离合器的工作原理

在图 2-6 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
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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。

1 大带轮 2 离合器 3 方丝离合弹簧 4 棘轮 5 脱水轴 6 输入轴 7 单项滚针轴承 8 刹车装置 9 法兰盘 10 减速器 11 波轮 12 内桶 13 紧固螺钉 14 外桶 15 密封圈 16 刹车扭簧 17 离合器外罩 18 棘爪

图 2-9 脱水工作状态示意图

脱水工作状态如图 2-9 所示,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。 状态,这时也就抱紧了离合套 2。大带轮 l 在脱水时是顺时

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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。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 2-10 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。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 140~200r/min。

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1 大带轮 2 离合器 3 方丝离合弹簧 4 棘轮 5 脱水轴 6 输入轴 7 单项滚针轴承 8 刹车装置 9 法兰盘 10 减速器 11 波轮 12 内桶 13 紧固螺钉 14 外桶 15 密封圈 16 刹车扭簧 17 离合器外罩 18 棘爪
图 2-10 脱水工作状态示意图

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 2-4 所示。
表 2-4 三种零部件工作状态

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
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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。

1 刹车装置外罩 2 刹车带 3 刹车盘 4 锁紧十字轴套 5 脱水轴 6 输入轴 7 锁紧螺栓 8 输入轴

图 2-11 刹车装置工作原理

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 2-11 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。

2.4 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
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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 2-5 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 2-5 波轮式全自动洗衣机基本参数

根据设计任务要求最大洗衣量为 3.8kg,参照表 2-5 选用电动机功率为 180w,电动 机满载时转速为 1370r/min。 3. V 带传动设计计算 因为 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,所以这里选用了最常用的 V 带作为第一级降速。 参照表 2-5,初步选定电动机功率 P 为 l80W,洗衣转速为 180r/min,脱水转速为 720r/min,则传动比为:

(1)计算功率 Pca

由于载荷变动小,因此取工作情况系数

KA=1.0,Pca=KAP=0.18kW。 (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,选取普通 V 带 Z 型。 (3)带轮的基准直径 d1 和 d2 初选小带轮的基准直径 dd1 查表 2-6 和表 2-7,选取

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dd1=55mm,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=idd1=l.9×55=104.5mm,按表 2-6 圆整为 dd2=106mm。
表 2-6 普通 V 带选型表

表 2-7 V 带基准直径系列

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(4)验算带的速度 v

普通 V 带的最大带速 vmax=25~30m/s,故满足要求。 (5)中心距 a 和带的基准长度 Ld 0.7(dd1+dd2)<a0<2(dd1+dd2) 112.7<a0<322 根据洗衣机桶体的安装尺寸,初取 a0=140mm,基准长度: Ld’=2a0+(π /2)(dd1+dd2)+[(dd2-dd1)2/4a0] =2×140+(π /2)(55+106)+[(106-55)2/(4×140)]mm =538mm 查表 2-8 选取和 538mm 相近的标准带的长度 Ld 为 560mm,则实际中 心距为: a≈a0+[(Ld-Ld’)/2]=140+[(560-538)/2]=151mm 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。
表 2-8 V 带的基准长度系列及长度系数

(6)主动轮上的包角α 1 α 1=180o-[(dd2-dd1)/a]×57.5o=160.6o>120o
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(7)带的根数 z

长度系数 KL、包角系数 Kα 、单根 V 带基本额定

功率 P0、单根 V 带额定功率增量△P0 查表 2-8、表 2-9、表 2-10 和表 2-11,取 KL=0.94、Kα =0.95、P0=0.16kW、△P0=0.02kW。
表 2-9 单根普通 V 带的基本额定功率

表 2-10

包角系数

表 2-11

单根普通 V 带的基本额定功率增量

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取 z=1。 (8)带的预紧力 F0 V 带单位长度的质量 q 查表 2-l2 得 q=0.06kg/m,

单根 V 带所需的预紧力为:

表 2-12 V 带单位长度质量

(9)带传动作用在轴上的力 FL:

4.带轮的结构设计 带轮的结构设计可参考有关《机械设计于册》或《机械设计》教材。 5.行星减速器设计 已知洗衣转速为 180r/min,脱水转速为 720r/min。由于脱水时行星减速器中心 轮与内齿圈顺时针等速旋转,故中心轮与行星架的传动比为 l,波轮与内桶顺时针等速 旋转,因此由洗涤状态来进行行星减速器的设计计算。 (1)洗涤状态传动比 洗涤输入轴与波轮的传动比为:

(2)初选中心轮和内齿圈齿数

洗涤时中心轮旋转,内齿圈静止,

中心轮与行星架的传动比按以下公式计算:
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初选中心轮齿数 zA=19,由上式计算得内齿圈齿数 zB=57。 (3)计算行星轮齿数 由于洗衣机工作扭矩不大, 选择齿轮模数为 1mm, 如选 4 个行星轮

对称布置,则可计算出行星齿轮齿数为:

最终确定中心轮齿数 zA 为 19,内齿圈齿数 zB 为 57,行星齿轮齿数 zx 为 19,实际传动 比 iBAX 为 4,洗衣转速为 l80r/min。 6.棘爪与棘轮机构设计 由于外桶尺寸已定(因内桶直径已知),在方案设计时初定位于 外桶底部的出水口位置,则排水电磁阀衔铁中心与出水口中心位于同一直线上。根据选 定的排水电磁阀的行程和初定的棘轮顶圆直径来设计棘爪机构。要求在洗涤时,棘爪要 伸人棘轮棘齿高度的三分之二,脱水时棘爪脱离棘轮 l.5mm 以上。棘爪与棘轮机构的详 细设计可参考相关书籍。

第三章

控制系统设计

电脑式全自动洗衣机上使用的微控制器主要是 4 位或 8 位的单片机。 本例中控制电路的微控制器选用 MCS-5l 系列的单片机 AT89C2051 ,该单片机是 AT-MEL 公司 8 位单片机系列产品之一,内含 2K 字节可反复擦写的程序存储器以及 128 字节的 RAM 单元,具有 15 条可编程控制的 I/O 线,5 个中断触发源,其指令与 MCS-51 系列完全兼容。选用 AT89C205l 作 CPU,可使洗衣机的控制电路大大简化。

3.1 全自动洗衣机的功能要求
(1)强、弱洗涤功能 要求强洗时,正、反转驱动时间各为 4s,间歇时间为 1s;弱

洗时,正、反转驱动时间各为 3s,间歇时间为 2s。 (2)4 种洗衣工作程序 即标准程序、经济程序、单独程序和排水程序。

1)标准程序动作顺序是:“进水→洗涤或漂洗→排水→脱水”,如此循环三次。每 循环一次,洗涤或漂洗时间比上一循环同一环节减少 2min,也即:第一循环内的洗涤时 间定为 6min,第二循环内的漂洗时间减为 4min,第三循环内的漂洗时间减为 2min;排 水时间采用动态时间法确定.脱水时间规定为 2min。
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2)经济程序与标准程序一样,只是循环次数定为二次。 3)单独程序是“进水→洗涤(规定为 6min)→结束(留水不排不脱)”。 4)排水程序是“排水→脱水→结束”,时间确定与上述程序相应 环节相同。 (3)进、排水系统故障自动诊断功能 洗衣机在进水或排水过程中,若在一定的时

间范围内进水或排水未能达到预定的水位,就说明进、排水系统有故障,此故障由控制 系统检测后通过相应程序发出报警信号,提醒操作者进行人工排除。 (4)脱水期间安全保护和防振动功能 脱水期间若打开机盖,洗衣机就会立即停止脱水

操作;若出现衣物缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡,洗衣机电会自动停止脱水,以免 振动过大,待人工处理后恢复工作。 (5)间歇驱动方式 脱水期间采取间歇驱动方式,以便节能。本系统要求驱动 5s,

停止 2s,间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转。 (6)暂停功能 不管洗衣机工作在什么状态,当按下暂停键时,洗衣机必须立即停

止工作,待起动键按下后,洗衣机又能按原来所选择的工作方式继续运转。 (7)声光显示功能 或显示。 洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均伴有声、光提示

3.2 硬件电路设计
洗衣机需要控制的工作部件主要有进水阀、排水阀和电动机。进、排水阀仅有开启 和关闭两种状态,电动机则有正转、反转、停止三种状态。根据功能要求和 AT89C2051 芯片的性能特点,设计出洗衣机的电气控制电路图。 电路中选用 AT89C2051 的 P1.0~P1.3 共 4 根 I/0 线通过 4 块 SPlllO 型固态继电 器,分别直接驱动洗衣机的进水阀、排水阀,以及电动机的正、反转。SPlll0 是一种交 流固态继电器, 内置发光二极管和光触发双向可控给硅, 10~50mA 输人电流即可使双向 可控硅完全导通,输出端通态电流为 3A(平均值),浪涌电流 15A(不重复)。选用交流固 态继电器,既简化了电路,又使强、弱电完全隔离,保证了主板的安全。 图中的 74LS05 为反相器,用做中间缓冲器,其中 4 个通道分别驱动 4 个 SPl110 固 态继电器,另外两个通道用于驱动指示灯 LED5 和 LED6。 图中的 74LSl39 为双“2-4”译码器, 选用它可解决 CPU 中 I/0 线数量不足的问题, 从功能要求可知,洗衣机有 4 种洗衣工作程序,需要用 4 种不同的显示来加以区别。 74LSl39 只要 CPU 的 P3.0 和 P3.l 两根线即可提供 4 种不同显示的驱动。 其逻辑关系是:

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P3.0、P3.l 为“11”时,LEDl 亮,指示标准程序;为“10”时,LED2 亮,指示经济 程序;为“01”时,LED3 亮,指示单独程序;为“00”时,LED4 亮,指示排水程序。 洗衣机的暂停功能(暂停键 S6)、 安全保护与防振功能(盖开关 S3)均采用中断方式处理。 这两个中断分别对应 CPU 的外部中断 0(P3.2 脚)和外部中断 1(P3.3 脚)。中断请求信号 通过 TC4013BP 双 D 触发器的两个 Q 端, 分别加到 CPU 的 P3.2 和 P3.3, 并由触发器锁存, 直到 CPU 响应结束为止。开盖(安全保护)或不平衡(防振动)中断信号(都会引起盖开关 S3 的闭合), 通过由 v1 和 v2 组成的反相器送至 TC4013BP 的 CLK 端, 经触发器的 Q 端加 到 CPU 的 P3.3。 为了充分利用 CPU 的 I/O 口线, P3.4 和 P3.5 采用分时复用技术, 每根线具有两个 功能。在洗衣机未进入工作状态或洗衣机处于暂停状态期间,P3.4 为输入线,用于监测 起动键的状态;当起动键按下时,洗衣机即进入工作状态或从暂停状态恢复到原来的工 作状态;当洗衣机暂停导致 CPU 响应中断时,P3.4 为输出线,待中断处理完毕时,由 P3.4 发信将 D 触发器输出的中断请求信号撤销。在洗衣机进水或排水期间,P3.5 被用 做输入线,用于监测水位开关状态,为 CPU 提供洗衣机的水位信息;在洗衣机高速脱水 期间,当发生开盖或不平衡导致 CPU 响应中断时,P3.5 为输出线,待中断处理结束后, 由 P3.5 发信将 D 触发器输出的中断请求信号撤销。 CPU 的 P3.7 用于驱动蜂鸣器发出各种报警声音。 CPU 的第 4、 第 5 脚外接 6MHz 的晶振。 第 l 脚通过 10μ F 电解电容接到+5V 电源,可实现上电自动复位,S7 为强制复位键。 洗衣机的强、弱洗涤可通过 S1 键进行循环选择。Sl 键还具有第二功能,即当洗衣 机发生故障转入报警程序后,按下 S1 键可以退出报警状态,回到初始待命状态。洗衣 工作程序可通过 S2 键循环选择。 洗衣机的工作状态可通过 LED7~LED9 进行显示。脱水期间,系统在响应开盖或不 平衡中断后,CPU 采取软件查洵的方式,通过 Pl.6 脚对盖开关进行监测,以确定洗衣机 是否继续进行脱水操作。

3.3 控制程序设计
根据全自动洗衣机的功能要求,设计控制系统的程序流程如图 3-1 所示。

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图 3-1 全自动洗衣机控制系统的程序流 程
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两周的机电一体化实训就这样结束了,我们的实训题目是波轮式全自动洗衣机机电 系统设计,回顾起此次课程设计,至今我仍感慨颇多,可以说得是苦多于甜,但是可以 学到很多很多的的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书 本上所没有学到过的知识。 在本次实训中,我们不仅对洗衣桶、波轮、电动机、定时器、传动部件、水位开关、 进排水电磁阀、减速离合器及控制电路等方面的知识有了更加深刻的认识,而且增强了 自己团队合作意识以及遇到问题解决问题的能力。我们组每天都在坚持着,虽然这其中 的过程不是那么的顺利,经常遇到挫折使我们多次感到气馁,几乎想要放弃,但是最终 还是坚持了下来,得到满意的结果。总的来说实习过程是充实的,本次实习让我们对机 电一体化技术有了更加深入的了解,实习之中遇到了许多书本上没有的问题,激发了我 们运用不同的知识来解决问题的潜能,培养了我们自主学习、运用知识解决问题的能力。 在实习中,我组同学积极讨论,不断分析研究,各施所长,努力配合,这次的实习锻炼 了我们团队合作的意识,为我们以后的工作打下良好的基础。 虽然我们的大学剩下的时间已经不多了,但是此次的设计告诉我们学习不能死读 书,不能只读书上表面的东西,只是记住书上讲的理论而已,学习就要搞明白原理,知 道为什么会这样,还要知道这些理论和概念会运用在什么场合,要结合实际来学习,在 这次实习中就暴露了我们很多的问题,其实这跟我们以前的学习方式有关,好多时候我 们是被动的学习,而不是主动地去获取知识。我们的学习缺少了思考这一环节,这才导 致我们在系统设计之中遇到很多问题,一旦遇到没有遇见过的问题就容易束手无策,通 过对波轮式全自动洗衣机机电系统设计告诉我们在今后的学习过程之中,一定要多问为 什么,只有搞明白原理是如何运用的,我们的学习才算是合格的。这次系统设计给了我 很大的触动,我将重新审视我的学习方式。此次设计也提供给我们学习新知识的机会, 以前只是学习理论,等到了自己设计的时候我们却不能正确选择这些元器件,这迫使我 们重新学习以前学习的课本,还有我们所选的水位开关,进水排水电磁阀等,这迫使我 们上网搜索系统有关方面的知识,还有查阅自动控制原理方面的知识,这样我们才对此 有了较多的了解。波轮式全自动洗衣机机电系统设计让我们学会运用多种手段去获取新 知识。此次设计使我们更加的清楚的认识到团队协作的重要性,我们组互相弥补对方的 不足,才使波轮式全自动洗衣机机电系统设计顺利完成。缺少了团队合作也许我们可以
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花费很长的时间完成这个任务,但是因为团队合作使我们的过程变得不再那么复杂,使 实习变的轻松,当有问题的时候我们一起讨论解决问题的方法,虽然有时候我们有不同 的看法,但最终会协商解决彼此之间的意见的不统一,这为我们以后的工作和学习打下 了很好的基础,从组员身上我学会了细心和耐心,团队合作给我们的设计带来了宝贵的 财富,我们需要从团队合作之中学习到更多的东西,更多的东西还需要我们去总结。 这次波轮式全自动洗衣机机电系统设计给我们提供了一次宝贵的机会来了解机电 一体化设计的全过程, 通过对系统设计不同任务的完成让我们对机电一体化技术有了更 加深刻的认识,在没有进行机电一体化实习前我们总是孤立的看待我们的专业课,当自 己投入设计时,我们就很容易束手无策,这是因为我们平时缺少这样的跨课程的综合运 用知识去解决问题的机会,这对我们以后的就业还是继续深造都是不利的,我们需要在 以后的学习之中加强学科之间的交叉运用,只有这样我们才可以将知识用活。以前我们 学习很大程度上是老师说什么就是什么可是自己并不去发现问题解决问题, 就算发现了 问题,也懒得去思考,这让我们缺少了独立思考的空间,这次系统设计给了我们很大的 冲击,我们遇到了很多问题,强迫我们自己去思考问题解决问题,培养了我们自己独立 思考问题的能力和发现问题解决问题的能力。 通过这次的课程设计,我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认 识,波轮式全自动洗衣机的工作原理,计算方案的确定,设计的选用原则,电动机的选 则,选择控制电路都有了一定的认识。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提 出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和 考察过程 。回顾起此次课程设计,至今我仍感慨颇多,可以说得是苦多于甜,但是可 以学到很多很多的的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在 书本上所没有学到过的知识。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要 的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中 得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在 设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,难免会遇到过各种各样的问题,同时在 设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不 够牢固,通过这次课程设计之后,一定把以前所学过的知识重新温故。

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本论文从选题到完成,每一步都是在导师的指导下独立完成的,对于我指导老师倾 注了大量的心血。 有人说, 师恩如山。高山仰止,当更催后来之人奋发不已。正所谓“新 竹高于旧竹枝,全凭老干为扶持” 。我的学习成绩全都凝聚着您辛勤的汗水。所以,不 管何时何地,无论天涯海角,我都将由衷地呼唤您——亲爱的老师!在这个神圣而崇高 的字眼面前,我永远是您的学生! 老师渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。几载寒暑,桃李芬 芳。我想对您说:亲爱的老师,您辛苦了!感谢您为我们所做的一切。 老师的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德, 严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。在这 次毕业论文过程中我不仅学到了专业知识,还学到了做人做事。能够成为老师的学生是 我一生莫大的荣幸。 在此,谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。

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参考文献

[1] 王冠熙.全自动洗衣机原理与维修[M].电子工业出版社,2003 [2] 伍寸宏.浅谈 PLC 在全自动洗衣机中的运用[J].设计与开发,2000 [3] 金洲.洗衣机的 PC 智能控制[D].南通职业大学电子,2004 [4] 朱喜林.张代治.机电一体化设计基础[M] .北京科学出版社,2004 [5] 赵松年.李恩光.裴仁清.机电一体化系统设计[M] .北京理工大学出版社,2006 [6] 林述溫.机电装备设计[M] .机械工业出版社,2004 [7] 徐元昌.机电系统设计[M] .化学工业出版社,2005 [8] 赵文博.新型常用继承电路速查手册[M] .人民邮电出版社,2006 [9] 刘午平.小家电及洗衣机维修从入门到精通[M] .国防工业出版社,2006 [10]张庆双.全自动洗衣机故障检测技术[M] .金盾出版社,2004 [11]黄省三.董忠伟。家庭洗衣机维修[M] .福建科学技术出版社,2000

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