機電一體化(波輪式全自動洗衣機)課程設(shè)計.doc

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目 錄 前言 1 洗衣機說明書 1. 課程設(shè)計的任務(wù) 2 2. 洗衣機簡介 2 2.1全自動洗衣機特點 3 2.2洗衣機工作原理概述 4 3. 傳動方案討論 4 4.傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 6 4.1減速離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理簡介 6 4.2減速離合器零部件的計算與選擇 13 4.3減速離合器零件裝配圖 16 5.進/排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡介 16 5.1進水電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理 17 5.2排水電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理 18 5.3水位開關(guān)控制原理 20 6.控制系統(tǒng)的設(shè)計 22 6.1控制芯片的選擇 22 6.2程序框圖 22 6.3控制程序設(shè)計 24 6.4電氣控制圖 39 心得體會 40 參考文獻 41 附錄 41 前言 本次機電一體化課程設(shè)計的重點在于硬件部分的減速離合器設(shè)計。經(jīng)過小組提出方案對比與討論，最終決定使用單向軸承式減速離合器，具體討論過程將在后面的說明書中詳細介紹。 減速離合器的各部件的選擇、設(shè)計是洗衣機硬件部分的設(shè)計重點，其具有體積小，功能多，零部件構(gòu)成復(fù)雜等特點。主要構(gòu)成部分有離合裝置，制動裝置以及行星輪系二級減速裝置，這些裝置的設(shè)計尺寸選擇，功能原理將在后面的洗衣機說明書中詳細介紹。 考慮到設(shè)計的是家用洗衣機，并根據(jù)對洗衣機體積，功能的要求確定洗衣機采用以單片機為核心的通用自動控制裝置，它具有功能強、可靠性強、編程簡單、使用方便、體積小等特點。該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)用編寫的程序進行邏輯控制、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。 該設(shè)計為單片機控制的全自動家用洗衣機，主要介紹了全自動洗衣機的工作原理（主要是重點設(shè)計部件減速離合器），控制系統(tǒng)的單片機的選型和資源的配置，控制系統(tǒng)程序設(shè)計與調(diào)試，控制系統(tǒng)單片機程序。 最后，在該設(shè)計過程中給予極大鼓勵和幫助的老師、同學(xué)，在此表示衷心的感謝。由于在設(shè)計過程中存在許多不足，希望老師同學(xué)指正。 1. 課程設(shè)計的任務(wù) 設(shè)計一種波輪式全自動洗衣機的機電系統(tǒng)，要求最大洗衣質(zhì)量為3.8kg，內(nèi)筒直徑為φ400mm，洗衣機轉(zhuǎn)速約為140～200r/min，脫水轉(zhuǎn)速約為700～800r/min.要求具有自動調(diào)節(jié)水位、根據(jù)衣服種類設(shè)定洗滌模式、自動進水、排水和自動脫水等功能。 硬件設(shè)計： 主要是傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（減速離合器）的各部分原理，零件尺寸的選擇，以及可實現(xiàn)的功能 軟件設(shè)計： 全自動洗衣機的功能要求：強弱洗功能；4種洗衣程序（標準、經(jīng)濟、單獨、排水）；進排水系統(tǒng)故障自動診斷功能；脫水期間安全保護和防震功能；間歇驅(qū)動方式；暫停功能；聲光顯示功能 硬件電路設(shè)計（protel上機繪圖） 控制程序設(shè)計 2. 洗衣機簡介 全自動洗衣機是指洗滌、漂洗、脫水各功能的轉(zhuǎn)換都不需要手工操作，完全是自動進行的洗衣機。在選定的工作程序內(nèi)，整個洗衣過程是通過程控器發(fā)出各種指令，控制各個執(zhí)行機構(gòu)的動作而自行完成。 波輪式洗衣機又稱波盤式洗衣機，依靠波輪定時正、反向轉(zhuǎn)動或連續(xù)轉(zhuǎn)動的方式進行洗滌。 按控制方式不同可分為機電式和微電腦式兩類。機電式全自動洗衣機是由機電程控器控制觸點的開關(guān)來完成洗滌、漂洗和脫水全過程。微電腦式全自動洗衣機是由微電腦式程控器輸出控制信號。兩值得主要區(qū)別在于電氣控制部分，其總體結(jié)構(gòu)基本相同。 2.1全自動洗衣機特點 全自動洗衣機有多種洗滌程序，可供您自由選擇，工作時間可任意調(diào)節(jié)，工作狀態(tài)及洗、脫時間在面板都有顯示，能自動處理脫水不平衡，具有各種故障和高低壓自動保護功能，工作結(jié)束或電源故障會自動斷電，無需看管確保安全。它還具有浸泡、手洗水流功能。 全自動洗衣機的洗衣桶（外桶）和脫水桶（內(nèi)桶）是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。內(nèi)桶可以旋轉(zhuǎn)，作脫水（甩水）用。內(nèi)桶的四周有很多小孔，使內(nèi)外桶的水流相通。 該洗衣機的進水和排水分別由進水電磁閥和排水電磁閥來執(zhí)行。進水時，通過電控系統(tǒng)使進水閥打開，經(jīng)進水管將水注入到外桶。排水時，通過電控系統(tǒng)使排水閥打開，將水由外桶排出到機外。洗滌正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)由洗滌電動機驅(qū)動波盤正、反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，此時脫水桶并不旋轉(zhuǎn)。 脫水時，通過電控系統(tǒng)將離合器合上，由洗滌電動機帶動內(nèi)桶正轉(zhuǎn)進行甩干。高、低水位開關(guān)分別用來檢測高、低水位。啟動按鈕用來啟動洗衣機工作。停止按鈕用來實現(xiàn)手動停止進水、排水、脫水及報警。排水按鈕用來實現(xiàn)手動排水。 2.2洗衣機工作原理概述 全自動洗衣機已經(jīng)是普及的家用電器，根據(jù)家用洗衣機的特點,目前的家用洗衣機都采用單片機進行控制。該控制對象具有如下功能：波輪式全自動洗衣機的洗衣桶（外桶）和脫水桶（內(nèi)桶）是以同一中心安裝的。外桶固定，作盛水用；內(nèi)桶可以旋轉(zhuǎn)，作脫水（甩干）用。內(nèi)桶的四周有許多小孔，使內(nèi)外桶水流相通。洗衣機的進水和排水分別由進水電磁閥和排水電磁閥控制。進水時，控制系統(tǒng)使進水電磁閥打開，將水注入外桶；排水時，使排水電磁閥打開，將水由外桶排到機外。洗滌和脫水由同一臺電動機拖動，通過電磁閥離合器來控制，將動力傳遞給洗滌波輪或甩干桶（內(nèi)桶）。電磁離合器失電時，電動機帶動洗滌波輪實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，進行洗滌；電磁離合器得電時，電動機帶動內(nèi)桶單向旋轉(zhuǎn)，進行甩干（此時波輪不轉(zhuǎn)）。水位高低分別由高低水位開關(guān)進行檢測，啟動按鈕用來啟動洗衣機工作。 3. 傳動方案討論 3.1傳動方案一 方案一采用電機直接驅(qū)動，這是一種洗衣機專用電機，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，這里介紹的洗衣機專用電機除了起到電機的作用，還起到離合器的作用。其結(jié)構(gòu)組成為：主要由內(nèi)軸、外軸、單向軸承、電磁制動裝置（制動裝置有多種形式，這里只是設(shè)定其中一種）、減速器、脫水電機、洗衣電機等部分組成。 洗衣機專用電機的工作原理是： (1) 洗衣程序時，洗衣電機通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，通過減速器使內(nèi)軸減速旋轉(zhuǎn)，此時電磁制動裝置處于制動狀態(tài)。 (2) 脫水程序時,洗衣電機不通電，脫水電機通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使外軸與轉(zhuǎn)子等速旋轉(zhuǎn)，此時電磁制動裝置處于不制動狀態(tài)。 (3) 當(dāng)洗衣機處于脫水狀態(tài)時，如人為打開機蓋，則通過連動開關(guān)使電機斷電，同時使電磁制動裝置處于制動狀態(tài)，使脫水桶停止轉(zhuǎn)動，從而達到有關(guān)安全標準要求。 圖3-1 方案三傳動簡圖和結(jié)構(gòu)圖 其優(yōu)缺點為： （1）優(yōu)點 重量集中在中心因而不需要裝置平衡塊，內(nèi)外軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換直接由電機實現(xiàn)，不需要拉動離合器手柄的牽引器，因為沒有皮帶對軸拉緊的張力，可以將洗衣機專用電機直接安裝在外桶上，不需要安裝底板。減少摩擦，降低噪聲及延長使用期，使洗衣機裝配程序大大簡化，使洗衣機容易維修。 （2）缺點 對制造要求相對較高，制造成本也相對較高，國內(nèi)對這種機型的制造較少，普及面不高。 3.2傳動方案二 傳動方案二屬于間接驅(qū)動方式，通過普通電機，一般為單相異步交流電機通過一級皮帶傳動帶動離合器工作，以實現(xiàn)洗衣和脫水。 其基本工作原理為: (1) 洗衣程序時，電機通過皮帶帶動離合器皮帶輪轉(zhuǎn)動，使離合器內(nèi)軸（輸入軸）作減速旋轉(zhuǎn)，此時外軸（脫水軸）處于制動狀態(tài)，離合器離合彈簧處于“分”的狀態(tài)。 (2) 脫水程序時，控制方絲離合彈簧的棘爪開始工作，使離合彈簧處于“合”的狀態(tài)。然后電機帶動離合器皮帶輪旋轉(zhuǎn)，使離合器外軸與與離合器皮帶輪作等速旋轉(zhuǎn) 其優(yōu)缺點為： (1) 優(yōu)點 制造成本和制造精度相對較低，價格便宜，國內(nèi)這種類型的洗衣機普及面廣，制造工藝成熟，零部件易更換維修。 (2) 缺點 洗衣機的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作效率低、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、啟動電流大、故障率比較高、控制精度低；在結(jié)構(gòu)設(shè)置上，洗衣機的電機軸與滾筒的幾何中心軸不可能同軸（需要皮帶減速），處于偏置狀態(tài)，而正是這種“偏置”，造成了洗衣機在工作時會出現(xiàn)振動，難以平衡的問題。所以，迫使我們不得不增加平衡塊，以抑制整個機體工作時的振動和噪音；電機的固有結(jié)構(gòu)及特性決定了這種電機的單位體積功率偏小、起動力矩偏弱、過載能力不足等。 3.3傳動方案的選擇 經(jīng)過小組成員深入討論對比了各方案，考慮到傳動系統(tǒng)的設(shè)計和制造難度、制造成本、通用性、互換性、工藝性、維修便捷性，選用方案二的傳動系統(tǒng)。下面將對方案二的傳動系統(tǒng)具體組成結(jié)構(gòu)和原理作詳細分析。 4. 傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算 4.1減速離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理簡介 早期設(shè)計的小波輪全自動洗農(nóng)機的離合器沒有減速功能，故洗滌和脫水轉(zhuǎn)速相同。新型大波輪全自動洗衣機的離合器都具有洗滌減速功能，稱為減速離合器，其種類很多，但主要結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。目前應(yīng)用最為廣泛的有兩種：單向軸承式減速離合器與帶制動式減速離合器。 基本結(jié)構(gòu) (分為離合器與行星減速器) ①離合器主要結(jié)構(gòu)如圖7(1) (2)所示。離合器中部有兩根軸：輸入軸l和脫水軸l8。輸人軸1的下端加工成四方形，與之相配的帶輪3和離合套20的內(nèi)孔也是方形。離合套20和帶輪3被螺母2固定在輸人軸1上，由于方軸與方孔的緊密配合，從而帶輪3、輸入軸I和離合套20聯(lián)成了一體。輸入軸1的上端加工成齒形花鍵，和行星減速器的中心輪內(nèi)孔配合聯(lián)接。 輸入軸l的外部是脫水軸18。在衣服洗滌時，脫水軸靜止不轉(zhuǎn)；而洗滌結(jié)束后，脫水軸應(yīng)將帶輪3的高轉(zhuǎn)速直接傳遞給脫水桶，完成脫水功能。這種轉(zhuǎn)換功能是由方絲離合彈簧4完成的。方絲離合彈簧的形狀呈錐形，上端幾圈的直徑比下端略小一些。由于脫水軸18和離臺套20的外徑比方絲離合彈簧的內(nèi)徑略大，在自由狀態(tài)時，方絲離合彈簧就抱緊在離合套20和脫水軸18的外壁上。當(dāng)帶輪帶動離合套向彈簧旋緊方向旋轉(zhuǎn)時，通過方絲離合彈簧就將帶輪3的轉(zhuǎn)動由離合套20傳遞到脫水軸18，這就是“合”時的脫水狀態(tài)。在洗滌時，可以將方絲離合彈簧向反方向旋松，使其內(nèi)徑變大，從而與離合套20脫離接觸，這就是“離”時的洗滌狀態(tài)。實現(xiàn)彈簧旋松的機構(gòu)是棘輪棘爪裝置，圖8是其工作原理簡圖。方絲離合彈簧下端的彈簧卡2卡在棘輪3的內(nèi)槽中，通過棘爪5的擺動使棘輪3轉(zhuǎn)動，從而帶動方絲離合彈簧向旋松方向轉(zhuǎn)動。 圖7中的8是單向滾針軸承部件，它的內(nèi)圈與脫水軸18相接觸，它的外圈與齒輪軸承座過盈配合成一體，齒輪軸承座嵌在支撐架19中，支撐架用螺栓和離合器外罩14固定在一起。在單向滾針軸承8的作用下，脫水軸l8只能向一個方向自由旋轉(zhuǎn)。單向滾針軸承是滾針軸承產(chǎn)品領(lǐng)域中一種科技含量較高的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，徑向截面小。因為其外圈工作面是楔形．所以只允許一個方向的轉(zhuǎn)動．可以起到單向離合器的作用。洗衣機單向滾針離合器的工作原理如圖９所示，它由帶楔形面的外圈7以及利用保持架3隔開的一系列滾針6組成，軸承直接套在脫水軸5上。當(dāng)脫水軸5順時針轉(zhuǎn)動時，滾針落入楔形槽的大端中，此時脫水軸可順時針轉(zhuǎn)動；而當(dāng)脫水軸逆時針轉(zhuǎn)動時，滾針則卡緊在楔彤槽的小端處，這時脫水軸將無法轉(zhuǎn)動 在圖7中，剎車裝置外罩9、剎車扭簧l0、剎車帶15、剎車盤16和十寧軸套17等組成了脫水軸18的剎車裝置。十字軸套17用兩顆緊定螺釘和脫水軸18固定在一起，剎車盤16又和十字軸套17用螺栓固定在一起，所以剎車盤16和脫水軸18聯(lián)成了一體。剎車裝置外罩9安裝在脫水軸18上，為間隙配合，它對脫水軸的作用由剎車扭簧10控制。剎車扭簧10套裝在剎車裝置外罩9的外圓上，其下端固定在離合器外罩上，它的上端則嵌在拉桿21的一個方孔中，由排水電磁鐵帶動拉桿控制其狀態(tài)。洗滌時，排水電磁鐵斷電，剎車扭簧處于自由旋緊的狀態(tài)。當(dāng)脫水軸18順時針旋轉(zhuǎn)時，由于剛性剎車帶15緊緊抱住剎車盤16，而其一端又卡在剎車裝置外罩9的方槽中，所以剎車盤、剎車帶以及剎車裝置外罩9都將一起順時針旋轉(zhuǎn)。剎車裝置外罩9在順時針旋轉(zhuǎn)過程中，剎車扭簧10將被迅速旋緊，強大的摩擦力使剎車裝置外罩9無法動作，此時剎車帶15和剎車盤16將發(fā)生劇烈摩擦，對脫水軸18產(chǎn)生制動作用，防止脫水桶產(chǎn)生跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在脫水時，排水閥通電，排水電磁鐵帶動拉桿使剎車扭簧處于放松狀態(tài)。由于剎車裝置外罩9在順時針旋轉(zhuǎn)過程中，與旋松的剎車扭簧之間可以自由滑動，剎車不起作用，因此剎車裝置外罩9、剎車盤16、剎車帶15都將與脫水軸18一起高速旋轉(zhuǎn)，完成脫水功能。 ②行星減速器結(jié)構(gòu)如圖10所示。減速器外罩8和減速器底蓋10用螺釘緊固在一起，再安裝在法盤12上，法蘭盤12和脫水軸2通過鎖緊塊13固定在一起，因為法蘭盤12和脫水桶相聯(lián)接，所以減速器外罩8、減速器底蓋10、法蘭盤12和脫水桶成一整體。減速器底蓋10有上、下兩個止口，從而保證了減速器和脫水軸2安裝時的同心度。對行星減速器來說，輸入軸1是動力的傳入軸，其花鍵端插人中心輪l1的內(nèi)孔中。行星輪4其有4個，與中心輪11以及內(nèi)齒圈6相嚙合。內(nèi)齒圈6通過其圓周槽卡在減速器底蓋10上，與之聯(lián)成一體。行星輪通過銷軸5安裝在行星架7上，當(dāng)行星輪繞中心輪公轉(zhuǎn)時，將帶動行星架一起旋轉(zhuǎn)。波輪軸9兩端都加工成齒形花鍵，其下端與行星架7聯(lián)接，上端與波輪相聯(lián)，從而使波輪以低速旋轉(zhuǎn)洗滌衣物。 2)工作原理 ①脫水狀態(tài) 減速離合器脫水時的狀態(tài)及裝配示意如圖11所示，脫水狀態(tài)下，排水電磁鐵通電吸合，牽引拉桿移動約13mm，使排水閥開啟。拉桿在帶動閥門開啟的同時，一方面撥動旋松剎車彈簧，使其松開剎車裝置外罩，這時剎車盤隨脫水軸5一起轉(zhuǎn)動，剎車不起作用；另一方面又推動撥叉旋轉(zhuǎn)，致使棘爪18脫開棘輪4，棘輪被放松，方絲離合彈簧3在自身的作用力下回到自由旋緊狀態(tài)，這時也就抱緊了離合套2。大帶輪l在脫水時是順時針旋轉(zhuǎn)的，由于摩擦力的作用，方絲離合彈簧3將會越抱越緊。這樣脫水軸5就和離合套2聯(lián)在一起，跟隨大帶輪1一起做高速運轉(zhuǎn)。由于此時脫水軸5做順時針運動，和單向滾針軸承7的運動方向一致，因此單向滾針軸承7對它的運動無限制。由于脫水軸5通過鎖緊塊與法蘭盤9聯(lián)接，而內(nèi)桶12與行星減速器10均固定在法蘭盤9上。 所以脫水軸5帶動內(nèi)桶12以及減速器內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速，與輸入軸帶動減速器中心輪的轉(zhuǎn)速相同，這樣致使行星輪無法自轉(zhuǎn)而只能公轉(zhuǎn)，從而行星架的轉(zhuǎn)速與脫水軸是一樣的，即波輪與脫水桶以等速旋轉(zhuǎn)，保證了脫水桶內(nèi)的衣物不會發(fā)生拉傷。 脫水狀態(tài)傳動路線是：電動機→小帶輪→大帶輪l→輸入軸6→離合套2→方絲離合彈簧3→脫水軸5→法蘭盤9→內(nèi)桶12。由于電動機輸出轉(zhuǎn)速只經(jīng)帶輪一級減速．所以內(nèi)桶轉(zhuǎn)速較高，約680～800r／min。 ②洗滌狀態(tài) 如圖12所示，洗滌狀態(tài)下，排水電磁鐵斷電，排水閥關(guān)閉，拉桿復(fù)位。這時剎車扭簧16被恢復(fù)到自然旋緊狀態(tài)，扭簧抱緊剎車裝置外罩，剎車裝置8起作用；同時撥叉回轉(zhuǎn)復(fù)位，棘爪18伸入棘輪4，將棘輪撥過一個角度，方絲離合彈簧3被旋松，其下端與離臺套2脫離，這時離合套只是隨輸入軸空轉(zhuǎn)。大帶輪1帶動輸入軸6轉(zhuǎn)動，經(jīng)行星減速器減速后，帶動波輪軸11轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)洗滌功能。輸入軸至波輪軸的傳動稱為二級減速，其工作過程為：輸人軸通過中心輪驅(qū)動行星輪，行星輪既繞自己的軸自轉(zhuǎn)又沿著內(nèi)齒圈繞輸人軸公轉(zhuǎn)，因為行星輪固定在行星架上，所以行星輪的公轉(zhuǎn)也將帶動行星架轉(zhuǎn)動；行星架以花鍵孔與波輪軸下端的花鍵相聯(lián)接，帶動波輪軸和波輪轉(zhuǎn)動。行星減速器的減速比i計算公式為：i=1+內(nèi)齒圈齒數(shù)／中心輪齒數(shù)。 洗滌狀態(tài)傳動路線是：電動機→小帶輪→大帶輪l→輸入軸6→中心輪→行星輪→行星架→波輪軸11→波輪。其間，電動機輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)帶輪一級減速后，再經(jīng)減速比約為4的行星減速器減速，所以轉(zhuǎn)速約為140～200r／min。 對于洗衣機傳動系統(tǒng)三種工作情況，各零部件工作狀態(tài)如下表所示： 4.2減速離合器零部件的計算與選擇 波輪式全自動洗衣機的傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算內(nèi)容較多，但大多數(shù)零部件可以選用而無需進行設(shè)計，一般設(shè)計內(nèi)容主要有：方案設(shè)計、電動機選用、帶傳動設(shè)計、行星減速器設(shè)計等。 1、 方案設(shè)計 波輪式洗衣機常用布局為輸入軸布置在內(nèi)桶的中心處，整個傳動系統(tǒng)基本上同軸布置，電動機只能偏置一邊，為了保持平衡，可將排水電磁閥和排水管與電動機對稱布置，必要時可加平衡塊。根據(jù)設(shè)計任務(wù)中給出的內(nèi)桶直徑為400mm，電動機軸與洗滌輸入軸之間中心距只能為150mm左右，在此范圍內(nèi)選擇合適的一級降速傳動比和采用帶輪傳動 2、 基本參數(shù)的選擇 目前洗衣機洗衣量、電動機功率、內(nèi)筒直徑等基本參數(shù)，大多數(shù)企業(yè)是通過實驗進行設(shè)計選用的。根據(jù)《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表6-15提供的目前常用波輪式全自動洗衣機基本參數(shù)情況，以及設(shè)計任務(wù)要求最大洗衣量為3.8kg，選用電動機功率為180W，電動機滿載時轉(zhuǎn)速為1370r/min。 3、 V帶傳動設(shè)計計算 因為V帶傳動允許的傳動比較大，結(jié)構(gòu)較緊湊，在同樣的張力下，V帶傳動較平帶傳動能產(chǎn)生更大的摩擦力，所以此處選用了最常用的V帶作為第一級降速。 參照表6-15，初步選定電動機功率P為180W，洗衣轉(zhuǎn)速為180r/min，脫水轉(zhuǎn)速為720r/min，則傳動比為 i=n1n2=1370720=1.9 (1) 計算功率Pca：由于載荷變動小，因此取工作情況系數(shù)KA=1.0 Pca=KAP=0.18kW (2) 選擇帶型：根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速為1370r/min，以及小帶輪安裝尺寸的大概范圍，查《機械設(shè)計手冊新版》第14-10頁圖14.1-2，選取普通V帶Z型 (3) 帶輪的基準直徑dd1和dd2：初選小帶輪的基準直徑dd1，查《機械設(shè)計手冊新版》第14-13頁表14.1-17b，選取dd1=56mm，大于V帶輪的最小基準直徑ddmin的要求50mm。大帶輪的基準直徑dd2為：dd2=idd1=1.956mm=106.4mm, 查《機械設(shè)計手冊新版》第14-23頁表14.1-18圓整為dd2=106mm。 (4) 驗算帶的速度v v=πdd1n1601000=π561370601000m/s=4.02m/s 普通V帶的最大速度vmax=25~30m/s,故滿足要求。 (5) 中心距a和帶的基準長度Ld 0.7（dd1+dd2）120 (7) 帶的根數(shù)z：長度系數(shù)KL、包角系數(shù)K0、單根V帶基本額定功率P0、單根V帶額定功率增量?P0查《機械設(shè)計手冊新版》第14-13頁表14.1-17b、14-11頁表14.1-15和表14.1-13，取KL=0.94、Kα=0.95、P0=0.16kW、?P0=0.02kW。 z=Pca(P0+?P0)KαKL=0.18(0.16+0.02)0.950.94=1.11 取z=1。 (8) 帶的預(yù)緊力F0：V帶單位長度的質(zhì)量q查《機械設(shè)計手冊新版》第14-11頁表14.1-14得q=0.06kg/m，單根V帶所需的預(yù)緊力為： F0=500Pcazv2.5Kα-1+qv2 =5000.1814.022.50.95-1+0.064.022N=36.8N (9) 帶傳動作用在軸上的力FL: FL=2F0zsinα12=236.81sin160.962=72.6N 4、 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 查《機械設(shè)計手冊新版》第14-26頁表14.1-24選擇帶輪的結(jié)構(gòu)形式為實心輪。詳見減速離合器零件裝配圖。 5、 行星減速器設(shè)計 已知洗衣機轉(zhuǎn)速為180r/min,脫水轉(zhuǎn)速為720r/min。由于脫水時行星減速器中心輪與內(nèi)齒圈順時針等速旋轉(zhuǎn)，故中心輪與行星架的傳動比為1，波輪與內(nèi)桶順時針等速旋轉(zhuǎn)，因此由洗滌狀態(tài)來進行行星減速器的設(shè)計計算。 （1） 洗滌狀態(tài)傳動比 洗滌輸入軸與波輪的傳動比為： iAXB=720180=4 （2） 初選中心輪和內(nèi)齒圈齒數(shù) 洗滌時中心輪旋轉(zhuǎn)，內(nèi)齒圈靜止，中心輪與行星架的傳動比iAXB按以下公式計算： iAXB=1+zBzA 初選中心輪齒數(shù)zA=19，由上式計算的內(nèi)齒圈齒數(shù)zB=57。 （3） 計算行星輪齒數(shù) 由于洗衣機工作扭矩不大，選擇齒輪模數(shù)為1mm，如選4個行星輪對稱布置，則可計算出行星齒輪齒數(shù)zX為： zX=zB-zA2=57-192=19 最終確定中心輪齒數(shù)zA為19，內(nèi)齒圈齒數(shù)zB為57，行星齒輪齒數(shù)zX為19，實際傳動比iAXB為4，洗衣機轉(zhuǎn)速為180r/min。 6、 棘爪與棘輪機構(gòu)設(shè)計 由于外桶尺寸已定（因內(nèi)筒直徑已知），在方案設(shè)計時初定為于外桶底部的出水口位置，則排水電磁閥銜鐵中心與出水口中心位于同一直線上。根據(jù)選定的排水電磁閥的行程和初定的棘輪頂圓直徑來設(shè)計棘爪機構(gòu)。要求在洗滌時，棘爪要深入棘輪棘齒高度的三分之二，脫水時棘爪脫離棘輪1.5mm以上。查《機械設(shè)計手冊新版》第13-51頁，浮動棘輪機構(gòu)適合以上要求，故選取浮動棘輪機構(gòu)作為其結(jié)構(gòu)，詳見減速離合器零件裝配圖。 4.3減速離合器零件裝配圖 詳見本說明書附錄 5. 進/排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理簡介 全自動洗衣機的進水系統(tǒng)采用水位壓力開關(guān)和進水閥，由程序控制器調(diào)節(jié)。設(shè)有溢水口，其位置在盛水桶上口部。漂洗時，它能讓洗滌液中的泡沫和污水溢出，有利于漂清。 全自動洗衣機水位開關(guān)一般有三檔水位控制,并都有 低水位、中水位、高水位、再注水等功能當(dāng)進水閥注水，內(nèi)桶水位增高到預(yù)選水位時，導(dǎo)通橡皮氣膜受到內(nèi)部空氣的壓縮而被頂出，中觸片上跳，與上觸片閉合。此時主電機導(dǎo)通，進水閥斷開（原來中觸片與下閉合），并開始洗衣。當(dāng)旋鈕旋至低水位時，凸輪轉(zhuǎn)動，但曲率半徑較小。通過一定的機構(gòu)，橡皮氣膜壓簧被壓縮而產(chǎn)生壓力P1，壓迫氣膜。當(dāng)桶內(nèi)水量達到30L時，軟管內(nèi)的空氣被壓縮，產(chǎn)生空氣壓力F1，當(dāng)F1>P1時,中觸片上跳,與上觸片閉合,主電動機動作,進水閥關(guān)閉. 全自動洗衣機的排水系統(tǒng)由程序來控制排水電磁閥，牽引排水閥。排水閥主要同閥蓋、閥芯彈簧、閥芯拉簧，橡皮閥和閥體組成。 排水電磁鐵主要用來控制自動型洗衣機排水閥的開閉,在套桶式自動型洗衣機中同起到改變減速離合大的洗滌、脫水狀態(tài)、排水電磁鐵主要由線圈、磁軛、靜鐵芯、銜鐵和短路銅環(huán)等組成 5.1進水電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理 1.進水電磁閥的結(jié)構(gòu) 進水電磁閥也稱為進水閥或注水閥，其結(jié)構(gòu)如下圖所示： (a)斷電關(guān)閉 (b)通電開啟 1.金屬過濾網(wǎng)2.閥座3.導(dǎo)磁鐵座4.線圈5.小彈簧6.鐵芯7.小橡膠塞8.塑料盤9橡膠閥 圖5-1進水閥結(jié)構(gòu)圖 2.進水電磁閥的工作原理 進水電磁閥的作用主要為控制自來水進水，為洗衣機提供適量的洗滌、漂洗用水。進水電磁閥實物圖和結(jié)構(gòu)圖如圖7-1所示。進水電磁閥的開關(guān)主要由閥內(nèi)的線圈控制動鐵芯來完成。如果線圈不通電，這時打開自來水龍頭，水不會流入洗衣機；當(dāng)線圈通電后，閥被打開，自來水通暢地流入洗衣機。 實物圖 結(jié)構(gòu)圖 圖5-2 進水電磁閥實物圖和結(jié)構(gòu)圖 進水電磁閥基本結(jié)構(gòu)主要由一個螺管電磁鐵和橡膠閥構(gòu)成。其工作原理是，電磁鐵線圈通電后，形成磁場，吸引鐵質(zhì)閥芯上移，離開膜片，水流導(dǎo)通。電磁鐵線圈失電后，在復(fù)位彈簧及重力作用下，閥芯下沉壓緊膜片堵住水道，停止向洗衣機內(nèi)注水。進水電磁閥的進水口一般有一個過濾網(wǎng)，以防污垢堵塞進水電磁閥橡膠閥。 5.2排水電磁閥的結(jié)構(gòu)及工作原理 1．排水電磁閥結(jié)構(gòu) 排水閥是由排水閥座1、橡膠閥2、內(nèi)外彈簧3與4、導(dǎo)套5和閥蓋6等組成。排水閥門采用橡膠材料制成，內(nèi)有一個由硬質(zhì)塑料制作的導(dǎo)套5。導(dǎo)套5內(nèi)裝有內(nèi)彈簧3，它一端卡在導(dǎo)套左邊槽口， 另一端鉤掛在電磁鐵拉桿7上，內(nèi)彈簧3處于拉緊狀態(tài)。在導(dǎo)套5外裝有一個外彈簧4，它的剛度比內(nèi)彈簧3小，它的一端與閥蓋6接觸，另一端與導(dǎo)套5的基座接觸，外彈簧4處在壓縮變形狀態(tài)。結(jié)構(gòu)如下圖： 1.排水閥座2.排水閥門3.彈簧B 4.彈簧A 5.導(dǎo)套6.閥蓋7.電磁鐵拉桿8.銷釘9.鐵墊圈10.微動開關(guān)11.引線端子12.電磁鐵13.銜鐵14.開口銷15.外桶16.擋套17.剎車扭簧伸出端 圖5-3排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電磁鐵有交流和直流兩種，電腦式全自動洗衣機一般采用直流電磁鐵，本設(shè)計采用交流電磁鐵。 2.排水電磁閥工作原理 洗衣機處在進水和洗滌時，排水閥處于關(guān)閉狀態(tài)。此時主要由外彈簧4把橡膠閥2緊壓在排水閥座1的底部。排水時，排水電磁鐵通電工作，銜鐵13被吸入，牽動電磁鐵拉桿7。由于拉桿7位移，在它上面的擋套16撥動制動裝置的剎車扭簧伸出端，使制動裝置處于非制動狀態(tài)（脫水狀態(tài)）。另一方面隨著拉桿7的左端離開導(dǎo)套5，外彈簧4被內(nèi)彈簧3的拉力壓縮，使排水閥門打開。正常排水時，橡膠閥門2離開排水閥座1密封面的距離應(yīng)不小于8mm，排水電磁鐵的牽引力約為40N。 5.3水位開關(guān)控制原理 1.水位開關(guān)的結(jié)構(gòu) 水位開又稱壓力開關(guān)。洗衣機內(nèi)桶進水時的水位和排水時的壓力狀況是壓力開關(guān)檢測的。當(dāng)洗衣機工作在洗滌程序時，若桶內(nèi)無水或水量不夠，壓力開關(guān)則發(fā)出供水信號。當(dāng)水位達到設(shè)定位置時，壓力開關(guān)將發(fā)出關(guān)閉水源的信號。微電腦全自動洗衣機工作在排水程序時，若排水系統(tǒng)有故障，水位開關(guān)則發(fā)出排水系統(tǒng)受阻信號。水位開關(guān)的剖面圖如下： 1.杠桿2.導(dǎo)套3.調(diào)節(jié)螺釘4.壓力彈簧5.凸輪6.頂芯7.開關(guān)小壓簧8.動簧片塑9.料盤10.橡膠膜11.氣室12.壓力軟管 圖5-4水位開關(guān)剖面圖 2.水位開關(guān)工作原理 當(dāng)水注入內(nèi)桶時，氣室封閉，隨著水位上升封閉在氣室內(nèi)的空氣壓力不斷提高，壓力經(jīng)過壓力軟管傳到水位開關(guān)氣室，水位開關(guān)氣室內(nèi)的空氣壓力向上推動橡膠膜和塑料盤，推動動簧片中的內(nèi)動簧片向上移動，壓力彈簧被壓縮。當(dāng)水注到選定水位時，此時內(nèi)動簧片移動到預(yù)定的平衡位置開關(guān)小彈簧將拉動外動簧片并產(chǎn)生一個向下的推力，使開關(guān)的常閉觸點NC與公共觸點COM迅速斷開，常開觸點與公共觸點閉合從而發(fā)出關(guān)閉水源的信號。排水時當(dāng)水位下降到規(guī)定的復(fù)位水位時，水位產(chǎn)生的壓力減小。壓力彈簧恢復(fù)伸長，推動頂心，使動簧片中的內(nèi)動簧片向下移動，當(dāng)移動到預(yù)定的力平穩(wěn)位置時開關(guān)小彈簧對外動片產(chǎn)生一個向外的推力。使開關(guān)的常開觸點NO與公共觸點COM迅速斷開，常閉觸點NC與公共觸點COM閉合，從而改變控制電路的通斷。其中動簧片的結(jié)構(gòu)如下如： 圖5-5 動簧片結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)水位開關(guān)的旋鈕選擇水位，就是旋轉(zhuǎn)凸輪，通過改變壓力開關(guān)凸輪的位置可改變恢復(fù)彈簧的彈性力，進而改變橡膠膜片變形所需氣體的壓力，改變水位的設(shè)定值。 圖5-6 水位開關(guān) 6. 控制系統(tǒng)的設(shè)計 6.1控制芯片的選擇 電腦式全自動洗衣機上使用的微控制器主要是4位或8位的單片機。常用的單片機型號有：Intel公司的MCS-48和MCS-51系列；NEC公司的μCOM-87和μpd7500系列；Motorola公司的MC6805系列；Zilog公司的Z8系列等。 本例中控制電路的微控制器選用MCS-51系列的單片機AT89C2051。該單片機是ATMEL公司8位單片機系列產(chǎn)品之一，內(nèi)含2K字節(jié)可反復(fù)擦寫的程序存儲器以及128字節(jié)的RAM單元，具有15條可編程控制的I/O線，5個中斷觸發(fā)源，其指令與MCS-51系列完全兼容。選用AT89C2051作CPU，可使洗衣機的控制電路大大簡化。 6.2程序框圖 6.3控制程序設(shè)計 #include /**************邏輯說明***************/ //采用反邏輯，以0表示有效，以1表示無效// typedef unsigned int uint; typedef bit bool; typedef unsigned char uchar; #define biaozhun_flag 0 //標準工作程序 #define jingji_flag 1 //經(jīng)濟工作程序 #define dandu_flag 2 //單獨工作程序 #define paishui_flag 3 //排水工作程序 /****************************I/0口分配***************************/ /*************************輸入I/O口分配**************************/ /**************工作程序按鈕分配*****************/ sbit biaozhun = P0^0; //標準工作程序選擇 sbit jingji = P0^1; //經(jīng)濟工作程序選擇 sbit dandu = P0^2; //單獨工作程序選擇 sbit paishui = P0^3; //排水工作程序選擇 //強、弱洗滌功能選擇按鈕，水位開關(guān)，蓋開關(guān), 啟動/暫停按鈕 sbit qiangruo_pin= P0^4; //強、弱選擇按鈕 強=0；弱=1； sbit shuiwei_pin = P0^5; //水位開關(guān) sbit gai_pin = P0^6; //蓋開關(guān) /*****************啟動/停止按鈕*****************/ sbit qiting_pin = P3^3; //啟動/暫停開關(guān) 占用外部中斷INT1 sbit jixu_pin = P0^7; //繼續(xù)開關(guān) 占用外部中斷INT0 /*************************輸出I/O口分配**************************/ /**************四種工作狀態(tài)指示燈***************/ sbit biaozhun_led = P1^0; //標準工作狀態(tài)指示燈 sbit jingji_led = P1^1; //經(jīng)濟工作狀態(tài)指示燈 sbit dandu_led = P1^2; //單獨工作狀態(tài)指示燈 sbit paishui_led = P1^3; //排水工作狀態(tài)指示燈 /***********強、弱洗滌狀態(tài)指示燈***************/ sbit qiangxi_led = P1^4; //強洗指示燈 sbit ruoxi_led = P1^5; //弱洗指示燈 /***********洗滌、漂洗狀態(tài)指示燈***************/ sbit xidi_led = P1^6; //洗滌指示燈 sbit piaoxi_led = P1^7; //漂洗指示燈 /***********脫水指示燈，報警指示燈***************/ sbit tuoshui_led = P2^0; //脫水指示燈 sbit baojing_led = P2^1; //報警蜂鳴器 /***********電動機控制***************/ sbit motor_zheng_pin = P2^2; //電動機正轉(zhuǎn) sbit motor_fan_pin = P2^3; //電動機反轉(zhuǎn) /***********進水、排水閥門控制***************/ sbit jinshui_pin = P2^4; //進水閥控制 sbit paishui_pin = P2^5; //排水閥控制 /*****************定義全局變量*****************/ uchar chengxumodel_flag; //工作程序變量 bool qiangruo_flag; //強=0；弱=1； bool start_flag; //開始=0；未開始=1； bool pause_flag; //暫停=0；未暫停=1； /********************函數(shù)申明******************/ /******************延時程序********************/ void delay_s(uint); //秒延時 void delay_ms(uint); //毫秒延時 /***********************電機控制程序************************/ void motor_zheng(uint zheng); //電機正轉(zhuǎn)zheng秒 void motor_fan(uint fan); //電機反轉(zhuǎn)fan秒 void motor_ting(uint ting); //電機停ting秒 /******************* n個單獨步驟**************************/ void jin_shui(); //進水 void pai_shui(); //排水 void tuo_shui(); //脫水 void xidi(); //洗滌 void piaoxi(); //漂洗 void baojing(); //報警 void baojing_no(); //報警停 void finished(); //程序執(zhí)行通知已經(jīng)完成 /*******************4種工作程序**************************/ void biaozhun_chengxu(); //標準程序 void jingji_chengxu(); //經(jīng)濟程序 void dandu_chengxu(); //單獨程序 void paishui_chengxu(); //排水程序 /******************初始化函數(shù)*******************/ void initial(); /******************按鍵掃描函數(shù)*******************/ uchar keyscan(); //按鍵掃描函數(shù) void gai_open(); //翻蓋處理函數(shù) void qiangruo_select(); //強、弱洗滌模式選擇 void chengxumodel_select(); //工作程序模式選擇 /******************頭文件導(dǎo)入****************/ #include /**************邏輯說明***************/ //采用反邏輯，以0表示有效，以1表示無效// /******************延時程序********************/ /*****************延時秒程序*************/ void delay_s(uint time) { uint i; uchar j; while(time--) { for(j=0;j<100;j++) //1s for(i=0;i<1250;i++); //10ms } } /**************延時毫秒程序***************/ void delay_ms(uint time) { uchar i; while(time--) { for(i=0;i<125;i++);//1ms } } /***********************電機控制程序************************/ /************************正轉(zhuǎn)****************************/ void motor_zheng(uint zheng) { motor_zheng_pin=0; //正轉(zhuǎn)有效 motor_fan_pin=1; //反轉(zhuǎn)無效 delay_s(zheng); } /************************反轉(zhuǎn)****************************/ void motor_fan(uint fan) { motor_zheng_pin=1; //正轉(zhuǎn)無效 motor_fan_pin=0; //反轉(zhuǎn)有效 delay_s(fan); } /************************停止***************************/ void motor_ting(uint ting) { motor_zheng_pin=1; //正轉(zhuǎn)無效 motor_fan_pin=1; //反轉(zhuǎn)無效 delay_s(ting); } /******************* n個單獨步驟**************************/ /**********************進水程序*************************/ void jin_shui() { int time=0; jinshui_pin=0; //打開進水閥 while(shuiwei_pin) //水位未達到要求時，每隔1秒檢測一次；水位達到要求時，shuiwei_pin引腳被拉低，變?yōu)?. { delay_s(1); if(shuiwei_pin) { time++; if(time>240) //4分鐘的極限時間內(nèi)，水位未達到要求，說明出現(xiàn)故障，立即關(guān)閉進水閘并報警 { jinshui_pin=1; baojing(); break; } } } //水位在極限時間內(nèi)達到要求，則正常結(jié)束 jinshui_pin=1; //關(guān)閉進水閥 } /**********************排水程序**************************/ void pai_shui() { int time=0; paishui_pin=0; //排水閥打開 while(!shuiwei_pin) { delay_s(1); if(!shuiwei_pin) { time++; if(time>60) //1分鐘的極限時間內(nèi)，水位未達到要求，說明出現(xiàn)故障，立即關(guān)閉排水閘并報警 { paishui_pin=1; baojing(); break; } } } //水位在極限時間內(nèi)達到要求，則正常結(jié)束 delay_s(5); //水位達到要求后，再延時50秒，關(guān)閉排水閥 paishui_pin=1; //排水閥關(guān)閉 } /************************洗滌程序*******************************/ void xidi() //強洗滌9s,弱洗滌8s { if(qiangruo_flag==0) //強洗滌 強=0；弱=1 { motor_zheng(20); //正轉(zhuǎn)20S motor_ting(10); //暫停10S motor_fan(20); //反轉(zhuǎn)20S motor_ting(10); //暫停10S } else //弱洗滌 { motor_zheng(15); //正轉(zhuǎn)15S motor_ting(10); //暫停10S motor_fan(15); //反轉(zhuǎn)15S motor_ting(10); //暫停10S } } /************************漂洗程序*******************************/ void piaoxi() //假設(shè)漂洗時間與洗滌時間相同，沒有資料可查！?。?/ { if(qiangruo_flag==0) //強洗滌 { motor_zheng(20); //正轉(zhuǎn)20S motor_ting(10); //暫停10S motor_fan(20); //反轉(zhuǎn)20S motor_ting(10); //暫停10S } else //弱洗滌 { motor_zheng(15); //正轉(zhuǎn)10S motor_ting(10); //暫停10S motor_fan(15); //反轉(zhuǎn)10S motor_ting(10); //暫停10S } } /*************************脫水***********************************/ void tuo_shui() //脫水時間固定為2分鐘，120S { uchar num=0; tuoshui_led=0; //開脫水燈 paishui_pin=0; //脫水時打開排水閥，同時電動機自動進入高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài) for(;num<18;) //正轉(zhuǎn)，停止共計7s,循環(huán)18次 { motor_zheng(5); motor_ting(2); num++; } paishui_pin=1; //脫水結(jié)束，關(guān)閉排水閥 tuoshui_led=1; //關(guān)脫水燈 } /***********************報警與解除*******************************/ /***********************報警程序*******************************/ void baojing() { motor_ting(0); //如果電機在轉(zhuǎn)。則電機立即停 baojing_led=0; //報警蜂鳴器叫 TR1=1; //開定時器1，蜂鳴器響 } /***********************解除報警程序*******************************/ void baojing_no() { TR1=0; //報警蜂鳴器關(guān) baojing_led=1; //報警蜂鳴器不叫 } /***********************按鍵掃描程序********************/ uchar keyscan() { delay_ms(20); //按鍵去抖動 if(P0!=0xff) //P0口為輸入口，如果引腳都為高，說明沒按鍵按下，否則有鍵按下 {return(P0);} //將P0口的按鍵值返回 return(0xff); //沒鍵按下，則將0xff返回，作為沒按鍵按下。 } /**********************翻蓋函數(shù)*************************/ void gai_open() // { baojing_no(); //出故障后，打開蓋子說明人來到了，立即關(guān)閉報警蜂鳴器 if(0==tuoshui_led) //如果執(zhí)行脫水程序時打開蓋子，應(yīng)該立即停止脫水 { while(0xbf==P0||0x9f==P0) //蓋子在打開時,停止電動機轉(zhuǎn)動,停止排水。當(dāng)蓋子合上，即按鍵沒有輸入時，外部中斷0處理完后會自動繼續(xù)脫水程序 { paishui_pin=1; motor_ting(2); } paishui_pin=0; //蓋上蓋子繼續(xù)排水 } } /***********************強、弱洗滌模式選擇******************/ void qiangruo_select() //強、弱洗滌按鈕按下，強、弱模式轉(zhuǎn)換 { //強=0；弱=1； if(0==qiangruo_flag) //如果原來在強洗，現(xiàn)在設(shè)為弱洗 { qiangruo_flag=1; ruoxi_led=0; //弱洗燈亮，強洗燈滅 qiangxi_led=1; } else { qiangruo_flag=0; qiangxi_led=0; //強洗燈亮，弱洗燈滅 ruoxi_led=1; } } void chengxumodel_select() { if(biaozhun_flag==chengxumodel_flag) { biaozhun_led=0; jingji_led=1; dandu_led=1; paishui_led=1; } else if(jingji_flag==chengxumodel_flag) { biaozhun_led=1; jingji_led=0; dandu_led=1; paishui_led=1; } else if(dandu_flag==chengxumodel_flag) { biaozhun_led=1; jingji_led=1; dandu_led=0; paishui_led=1; } else { biaozhun_led=1; jingji_led=1; dandu_led=1; paishui_led=0; } } /************************程序執(zhí)行通知已經(jīng)完成*******************/ void finished() { baojing(); delay_s(20); //報警20秒 baojing_no(); start_flag=1; //可以開始新一輪的洗衣服 pause_flag=1;