洗衣机课程设计--波轮式自动洗衣机.doc

机械设计课程设计 设计题目：波轮式自动洗衣机学校：河南科技学院学院；机电学院班级：机电102班姓名：正文时代学号：2010*目录摘要.21 洗衣机发展简介.3二半自动洗衣机介绍.4三半自动洗衣机的操作界面及工作流程.5四电机的选择.8五机械传动系统设计.9 5.1整体传动比分配.9 5.2行星轮系设计.9 5.3行星齿轮的设计计算.9 5.4传动轴的设计.14 5.5V带传动设计.166 控制系统设计.19 6.1控制要求.19 6.2功能要求.19 6.3操作按钮功能分配及控制系统具体设计.19七整体使用操作过程介绍.29 摘 要 本论文简要介绍了半自动洗衣机的洗涤原理及半自动洗衣机的机械系统设计和控制系统设计。 可编程控制器（PLC）与世纪星监控软件在全自动工业洗衣机中的控制方法及原理，从而为我国工业洗衣机开创了新的洗涤过程，实现了整套洗衣的自动化。 本文主要介绍了了如何用PLC与组态软件实现自动洗衣机控制系统。本次PLC系统设计主要是由模拟量输入输出模块、定时器、计数器构成，系统的主要功能是让洗衣机正常洗衣，通过手动控制来实现洗衣的单独过程的选择。最后通过世纪星组态软件来实现监控系统画面的运行，实现了洗衣机的远程操作。 本设计基本上实现对自动洗衣机运行状况的实时监视，完成自动洗衣机的洗涤，漂洗，脱水等任务。使用该自动洗衣机大大减少了人力资源，同时节约了成本，可以迅速提洗衣机的自动过程。关键词： 机械系统；控制系统；半自动洗衣机 洗衣机发展简介 在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩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。 1858年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。同年史密斯取得了这台洗衣机的专利权。但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运动时，装有弹簧的木钉便连续作用于衣服。19世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装置把衣服挤干。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快.1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。经历了上百年的发展改进，现代蒸汽洗衣机较早期有了无与伦与的提高，但原理是相同的。现代蒸汽洗衣机的功能包括蒸汽洗涤和蒸汽烘干，采用了智能水循环系统，可将高浓度洗涤液与高温蒸气同时对衣物进行双重喷淋，贯穿全部洗涤过程，实现了全球独创性的“蒸汽洗”全新洗涤方式。与普通滚筒洗衣机在洗涤时需要加热整个滚筒的水不同，蒸汽洗涤是以深层清洁衣物为目的，当少量的水进入蒸汽发生盒并转化为蒸汽后，通过高温喷射分解衣物污渍。蒸汽洗涤快速、彻底，只需要少量的水，同时可节约时间。对于放在衣柜很长时间产生褶皱、异味的冬季衣物，能让其自然舒展，抚平褶皱。“蒸汽烘干”的工作原理则是把恒定的蒸汽喷洒在衣物上，将衣物舒展开之后，再进行恒温冷凝式烘干。通过这种方式，厚重衣物不仅干得更快，并且具有舒展和熨烫的效果。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。水力洗衣机包括洗衣筒、动力源和与船相连接的连接件，洗衣机上设有进、出水孔，洗衣机外壳上设有动力源，洗衣筒上设有衣物进口孔，其进口上设有密封盖，洗衣机通过连接件与船相连。它无需任何电力，只需自然的河流水力就能洗涤衣物，解脱了船民在船上洗涤衣物的烦恼，节约时间，减轻家务劳动强度。1910年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。1932年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！第一台自动洗衣机于1937年问世。这是一种前置式自动洗衣机。靠一根水平的轴带动的缸可容纳4000克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。到了40年代便出现了现代的上置式自动洗衣机。随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。 总结：半自动双桶波轮式洗衣机以其独特的工作模式和操作方式，在激烈的竞争中仍具有一席之地。 半自动双桶波轮式洗衣机介绍 一整体介绍半自动双桶波轮式洗衣机是在普通单桶和双桶的基础上发展而成的，其结构也大致相同。洗涤桶与脱水桶是分开的.在洗涤桶内可自动完成进水、洗涤、漂洗、排水等程序，但脱水仍需手工操作:半自动双桶波轮式洗衣机不使用定时器，而是采用程序控制器，井增设了进水电磁阀、排水电磁阀和水位调节器。2、 结构简介 半自动双桶波轮式洗衣机的结构主要由洗涤系统、传动系统、脱水系统、进排水系统和电气控制系统及紧固件组成。(一)洗涤系统1.洗涤桶一般做成U形，其作用是用来装衣物和洗涤液，与装在底部波轮配合，完成洗涤和漂洗任务。桶上部有溢水孔，底部有排水孔。洗涤桶的截面形状和尺寸，能影响衣物净洗率。通常洗涤桶的截面形状有带小圆弧的正方形、带大圆弧的圆形和长方形。洗涤桶的材料通常用搪瓷、铝合金、不锈钢、工程塑料(ABS)等。但是，各种材料各有优缺点。例如:搪瓷桶表面硬度高、耐酸性、耐碱性，但经不起碰撞、冲击、易掉瓷生锈;铝合金桶的耐冲击、力学性能好，但表面氧化膜磨损后耐腐蚀性较差;不锈钢温度适应性强、耐腐蚀，但成本高、加工难度大;工程塑料成型容易、耐腐蚀、成本低，但温度特性差。 2.波轮波轮一般用聚丙烯塑料或工程塑料注塑成型。3 -5条凸筋，它的截面形状、高度、条数对水产生涡流的影响很大，也是影响洗衣效果和洗涤性能的主要因素之一。波轮直径的大小，在设计中与洗涤容量和转速有关。波轮转速通常在360一750 r/min。波轮安装有两种方式:一是水平安装在洗涤桶底部中心，波轮轴与诵的中心线重合;二是波轮轴与桶的中心线偏80一180的倾角，形成双重涡卷方式。后种方式对衣物洗净率高，但安装工艺较复杂，波轮与洗涤桶装配要求精确。波轮边缘与洗涤桶的间隙应小于约1mm而且要求均匀，以免衣扣塞进缝隙中卡波轮。(二)传动系统 1.传动装置波轮式洗衣机的传动装N有两个作用:一是将电动机输出的机械功率传递给波轮。二是将电动机的转速通过主、被动轮降速，达到波轮旋转要求的转速。 2.波轮轴组件在传动装置中，波轮轴组件是洗衣机的关键部件之一。它既要传递动力，又要支撑波轮，同时保证洗衣机不漏水。波轮轴采用45号钢材，经过粗加工、热处理、精加工使其具有高强度和耐磨性。轴承有滚珠和含油轴承两种，含油轴承工作噪音小、成本低、便于更换。因而使用广泛。密封圈也称为油封，通常用丁睛橡胶制作，是保证不漏水的重要部件，且多为标准件，也是易损件。它经常处于洗涤液的浸泡之中，并与波轮轴相对摩擦，因而应有良好的物理性能和化学性能。 3.电动机是洗衣机的动力源，多采用电相电容式异步电动机它的实际运行状况是:频繁地换向旋转，每换向I次，需要启动I次，所以电动机的启动转矩要大。电动机的转速为1 400 r/min，经调速后波轮的转速一般为360 -750 r/min，输出功率为120W，启动电流不超过2.5A,启动转矩为额定转矩的i一!.3倍。过载能力规定最大转矩为额定转矩的1.7一2.2倍。(三)脱水系统 1.脱水桶也称甩干桶，由脱水电动机带动同步高速旋转，使洗涤物中的水在离心力作用下通过桶壁的小孔中甩出，为了减轻机械振动，必须采用一定的平衡措施，一般的脱水桶采用三个弹簧支座支撑起来，并在脱水捅上缘装设液体平衡环。脱水桶上盖设有安全制动开关，当脱水桶高速旋转时，使用者不小心打开上盖时，脱水电动机切断电源，同时制动器紧急刹车，使脱水桶迅速停转，确保使用者安全。 2.脱水电动机采用单相交流电容运行电动机，输人功率一般在75一12OW，通过三根弹簧柔性连接在机箱底部。 3.脱水定时器也是机械发条式定时器。只用于自动控制脱水电动机的运行时间，一般为5min可使洗涤物的脱水率达到50%一60%。(四)进、挤水系统 1.进水电磁阁进水电磁阀基本结构。它主要由一个螺管电磁铁和橡胶阀构成。通过电磁铁的铁心(阀心)移动来控制橡胶膜打开和封闭水路。进水电磁阀的进水口一般有一个过滤网罩，以防污垢堵塞进水电磁阀，此外还有一个止逆装置，防止停水对洗涤液倒灌。 2.水位调节器水位调节器。用来控制进水量，它由气室口、气室、橡胶膜片、弹簧片、触点、凸轮轮轴和微调螺钉组成。常开触点与程序控制器连接，常闭接点与进水电磁阀线圈串联、，水位选择开关的气室廿与盛水桶底侧的贮气口连接。当水注人洗衣桶后，桶内水位_L升时，处于桶体底部的贮气室的空气被压缩，气压通过回气管传到水位选择开关气室。贮气室la气管的空气压强与水位高低成正比。水位选择开关就是利用水位高低而变化的空气压强来抵消水位控制压簧的作用力，使触点闭合和断开。二、电气控制系统电气控制系统由PLC控制器，各个触发操作按钮及电磁阀，电机，水位开关，蜂鸣器组成。 半自动洗衣机的操作界面及工作流程一 半自动洗衣机的操作界面及按钮分二 按钮功能分配1. 按钮开关（1） 它是电源启动开关，按动一下电源启动，整个系统得电，按动第二下系统全部失电。在默认状态下，即插上电源后，开关处于关闭状态。2. 按动开关（2） 它是整个洗涤，漂洗，排水过程的总控制开关。默认工作状态为掉电复位状态。按动一次后，洗涤系统得电开始运行。如果要求在洗涤，漂洗，排水个工作中强制停止，只需再次按动，各工作均停止运行。3. 按动开关（3） 它是洗涤桶水位控制开关，默认为中水位，按动一次切换为高水位，再次按下又回归为中水位。4. 按动开关（4） 它是手动排水开关，默认工作状态为关闭。当需要手动排水时，按动开关一次切换到排水状态，再次按下排水阀恢复关闭状态。5. 按动开关（5） 它是洗涤状态切换开关。默认工作状态为标准洗，按动一次切换到强洗状态，按动第二次，切换为关闭工作状态，即该工作不再进行，再次按动，恢复到标准洗涤状态。6. 按动开关（6） 它是漂洗状态切换开关，默认状态为关闭。按动一次，切换到标准洗涤工作状态。再次按动，切换到强力漂洗状态，第三次按动此开关，切换到关闭状态。7. 脱水启动（7） 它是脱水系统的启动和复位的开关。默认工作状态为复位关闭状态。按下一次，切换到启动运行状态；再次按下，恢复到掉电复位状态。8 按动开关（8）它是脱水状态切换开关。默认工作状态为关闭，按动一次切换到标准脱水状态；再次按动，切换到强力脱水工作状态；第三次按下，回归到默认工作状态。9. 掀盖与蜂鸣器开关相连 当洗涤、漂洗完成或者脱水完成后蜂鸣器响起来，此时掀开盖子蜂鸣器停止响声。三 洗涤系统工作流程说明1.按动开关（1）系统得电；2.调节各开关的工作状态： 调节开关（3）,使其处于中高水位； 调节开关（5），使其处于标准洗涤状态； 调节开关（6），使其处于标准漂洗状态； 排水开关（4）默认关闭，不再调节。3. 各开关调节完成后； 按下开关（2）,洗衣过程开始运行，水位开关自动检测，开始进水； 进水完成后，触到装在水位开关处的开关使其闭合，则洗涤过程自动进行； 洗涤完成后，定时器触发，进水口电磁阀关闭，出水口电磁阀打开，自动排水； 排水完成后，定时器触发，进水口电磁阀打开，出水口电磁阀关闭，自动进水； 进水完成开关再次触发，自动进行漂洗动作；漂洗动作完成后，定时器触发，蜂鸣响起；蜂鸣响起后，掀开盖子蜂鸣停止拿出衣服，放入脱水桶内4. 系统不再在漂洗后排水，水可留作下次洗涤用；四 脱水系统工作流程1. 按下开关（9），使其处于标准脱水状态；2. 按下开关（8），脱水工作开始进行；3. 脱水结束后，蜂鸣报警，掀开盖子蜂鸣停止，拿出衣服洗涤洗涤全过程结束。 电机选择一设计参数如下1.洗涤转速160r/min（波轮）2.输出功率（波轮）为300W3.电机为电相容式异步电动机，一般转速为1400r/min启动转矩为额定转矩的1-1.3倍。过载能力规定最大转矩的1.7-2.2倍4.脱水电机的输出功率为75-120W，采用单相交流电容式运行电动机二设计计算1.输入洗涤的电机功率要求P实=为带传动效率 ，为行星减速器传动效率根据以上参数选电机，电机参数为： 300W 2.49A . 220v . 5.Hz .1400r/min效率：53.1 功率因数0.62 MST：2.8 LST：12 MAX：1.82. 脱水电机选择 ，120W 1.88A 220V ，50Hz ，1400 r/min 机械系统设计一、传动比分配：电机转速为1400r/min；波轮转速为160r/min；总传动比i=8.75，皮带轮传动比取i=2.5，所以减速器传动比i=3.5.二、行星轮系设计：行星轮个数：K=4内齿圈齿数：=60三、 行星齿轮传动的传动比和效率计算行星齿轮传动比符号及角标含义为： 1-固定件，2-主动件，3-从动件1.齿轮b固定时（如图)传动比为可得 传出速度： 2.行星齿轮传动的效率计算：为a-g啮合的损失系数，为b-g啮合的损失系数，为轴承的损失系数，为总的损失系数，一般取。按,，可得：四、 行星轮传动的配齿1.传动比的要求传动比条件即 可得 =所以中心轮a和内齿轮b的齿数满足给定传动比的要求。2.保证中心轮、内齿轮和行星架轴线重合同轴条件为保证行星轮与两个中心轮同时正确啮合，要求外啮合齿轮a-g的中心距等于内啮合齿轮b-g的中心距，即 称为同轴条件。对于非变位或高度位传动，有得 3.保证多个行星轮均布装入两个中心轮的齿间装配条件相邻两个行星轮所夹的中心角中心轮a相应转过角，角必须等于中心轮a转过个（整数）齿所对的中心角，即式中为中心轮a转过一个齿所对的中心角。将和代入上式，有经整理后满足两中心轮的齿数和应为行星齿轮数目的整数倍的装配条件。4.保证两行星齿轮的齿顶不相碰邻接条件在行星齿轮传动中，为保证两相邻行星轮的齿顶不致相碰，相邻两行星轮的中心距应大于两轮齿顶圆半径之和。可得 满足邻接条件。五、行星齿轮传动的几何尺寸和啮合参数计算已知 T=5.28N/m=5.28*N/m 初选=24 七级精度斜齿圆柱传动，选取螺旋角=材料选取45钢，调质后处理（1） 按齿面接触疲劳强度设计 确定公式内的参数1. 初选=1.62. 由图10-30 取区域系数=2.4333. 由图10-26查的1=0.78，2=0.75，,=1.534. 取许用接触应力H= ,取s=1 查表 10-21得 =600Mpa5. =1，得H=600Mpa6. 取d=17. 查表10-6 取=189.88. (U+1)/u=2.33把以上数据带入公式得=解得=25.68 计算1、计算 圆周速度 V=0.75m/s2、计算齿宽b及模数 b=mm =1.04 h=2.25=2.25*1.04=2.34 3、计算纵向重合度 4、计算载荷系数根据v=0.75m/s ， 7 级精度 ，查图10.8得 =1.05由表 10-4 查得 由表 10-3查得 故K=1*1.05*1.3125*1.2=1.65所以K与相差不大，不在做修正（二）根据齿根弯曲疲劳强度设计： 确定公式中的系数1. k=1*1.05*1.28*1.2=1.61282. 根据纵向重合度 ，3. 计算当量齿数4. 查取齿形系数 5.计算 查表10-20得=400MPa由于受到对称载荷 ，400*70=280Mpa取的值则 大轮 ，m=1 , ,b=24mm ;行星轮 ，m=1 ， ，b=18mm ；所以 小轮B=18+5=23mm 大轮B=18mm由于齿轮直径较小，故采用实体结构内齿轮 ，m=1 ，由于结构要求 取 轴的设计输入轴的设计1.轴径设计 根据轴的设计公式 取 ，10+2*0.7=11.4 二段轴装轴承 ，取 ，所以 ，值取12mm所以取用齿轮轴结构2. 轴的结构设计 （1）.螺纹段取10mm （2）.方轴段取13mm ，皮带轮孔长取14mm （3）.轴承短长取30mm （4）.轴环 b=1.4h=1.4*0.7=0.98 取 2mm （已加工） （5）.齿轮宽 18mm简图如下 输出轴的设计1 轴颈设计根据 13.56*1.07=14.5 取最小直径d=152 轴的结构设计 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。 初步选定电动机功率P为360W，洗衣转速为160r/min，脱水转速为720r/min，则传动比为：行星轮减速器 （1）计算功率 由于载荷变动小，因此取工作情况系数 （2） 选择带型 根据小带轮转速为1400r/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 初选小带轮的基准直径，选取=71mm，大于V带轮的最小基准直径的要求71mm。 大带轮的基准直径为： 按表6-17圆整为：。（4）验算带的速度普通V带的最大带速，故满足要求。（5）中心距和带的基准长度Ld 根据洗衣机桶体的安装尺寸，初取=200mm，基准长度： 查表选取标准带的长度Ld为800mm，则实际中心距为：取 ：。在安装时，在结构上要保持V不定期有一定的张紧力，安装中心距会略有所变化。变动范围： ; 。（6）主动轮上的包角 合适（7）带的根数z 长度系数、包角系数、单根V带基本额定功率、单根V带额定功率增量查表6-18、表6-19、表6-20a和表6-20b，取另=1、=0.938、=0.224Kw、=0.03kW。取=2。（8） 带的预紧力 V带单位长度的资料q 查表得q=0.06kg/m，单根V带所需的预紧力为： = （9）带传动作用在轴上的力 4、带轮的结构设计 控制系统设计控制要求:1、 能够自动进水，且水满后自动停止。2、 能够将洗涤，漂洗自动顺序完成。3、 设定的工作完成后自动报警。4、 每个功能都具有不同的工作模式。5、 各个功能既能顺序完成，又能各自独立互不干扰的工作。功能要求:1、 洗涤（1） 标准（2） 强力（3） 关2、 漂洗（1） 标准（2） 强力（3） 关3、 脱水（1） 标准（2） 关操作按钮功能分配及控制系统具体设计1、 I/O分配X0洗涤启动/复位SB0X1水位控制SB