晴雨自动晾衣架.

任务分配任务分配 总体方案设计 衣架结构设计 图纸 控制电路设计 软件编程 传感器选择 附上整体效果图 图片 摘要 传统的晾衣架就是一固定的晾衣杆 挂取衣物非常麻烦吃力 现今 家用的晾衣架越来越趋于自动化 出现了手摇式晾衣架和电动 式晾衣架 其中 电动晾衣架因具有占用空间小 操作省力 使用便 捷等优点 受到越来越多家庭的青睐 电动晾衣架包括有晾衣杆 晾 衣杆两端的绳索和用以控制绳索绕卷的控制装置 其中 为防止输超 出移位 两端一般都放置行程开关 电机带动丝杠转动 晾衣杆就自 动的前进 后退 智能晾衣架的机械部分是在普通拉杆式晾衣架两支 撑杆的端部各安装一个滑轮 滑动杆与最前外面的晾衣杆固定连接 滑动杆的另一端连接到与直流电动机相连的转轴上 通过电动机的正 反转达到晾衣架的伸缩效果 其控制部分的电路 CPU 采用三菱 PLC 利用温度 雨水 光敏等传感器 达到下雨时自动收回 雨后自动伸 展 气温高于设定值时自动收回 低于设定值时自动伸展 夜晚自动 收回 白天自动伸展的功能 关键词关键词 智能衣架 PLC 目目 录录 任务分配 1 摘要 1 目 录 2 第 1 章 绪论 1 1 1 智能衣架的发展 1 1 2 智能系统的材料选择 2 第 2 章 自动晾衣架的机械部分设计 3 2 1 自动晾衣架的机械原理 3 2 2 滚珠丝杠的选择 4 2 2 1 滚珠丝杠的特点 4 2 2 2 滚珠丝杠的支撑 5 2 3 轴承的选择 5 2 3 1 直线轴承 5 2 3 2 深沟球轴承 6 第 3 章自动晾衣架的机械部分计算及校核 8 3 1 设计思想 8 3 2 初选电机减速器系统方案 8 3 3 电动机类型选择 8 3 4 电动机功率的选择 8 3 5 确定电动机型号 9 3 6 V 带的设计计算 9 3 6 1 传动比的分配 9 3 6 2 各轴的转速 功率和转矩 10 3 7 带传动方案的确定 11 3 8 带传动设计计算 11 3 9 带轮的结构设计 13 3 10 机械部分的校核 15 第 4 章 电气部分设计 18 4 1 自动晾衣架的电路图及简介 18 4 2 各元件的介绍及编程 18 4 2 1 压力继电器 18 4 2 2 PLC 的原理介绍及编程 20 4 2 4 光敏传感器 24 4 2 5 湿度传感器 27 结 论 30 附录 31 参 考 文 献 33 致 谢 34 0 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 智能衣架的发展 90 年代以后 各种户内手摇或电动式的晒衣架开始诞生并普及 市场上各种品牌的晾衣架如雨后春笋般悄然步入千家万户 很大的方 便了人们的日常生活 可是 人们在晾晒衣物的过程中还有一个最大 的不便始终没有得到解决 那就是天象万变 而我们又不可能每时每 刻都在家 即使在家也不能时时盯着天空 衣服晒在室内 得不 到足够的阳光的照射 不容易干透 晒到室外 如果突然降雨 而我 们又不能及时赶回家 则又要面临重新洗涤的艰辛与劳累 相信这个 问题每个人都遇到过 十分令人烦恼 所以 当我们因工作 学习 交际 娱乐等等事情出门在外时 对于家中已经晒出去的大量衣物 自然是牵肠挂肚的 一看到天气有变 即不能再安心从事眼前的事务 紧急赶到家时 衣物往往已经被淋成了 落汤鸡 所以能不能发明 一种东西能自己感知天气的变化 感光 感湿材料等组成 智能感应 部件被安装在户外 当感应到阳光时 即发出指令 电机自动驱动 将晾晒在金属支架上的衣物撑出户外 当湿度感应器 应做成面积较 大的凹盘状 即能有效的储存到雨水 感应到有雨水时 即发出另一 指令 电机即把金属支架回缩 衣物即被自动收回室内避雨 从此 衣物的晾晒有了一个全天候保架护航的能手 人们不必再为这种小事 而忧心了 因有时是大雨 衣物即使回收至室内 仍然会遭到飘雨 的侵袭 故完美的设计就是再加装一套防水隔层 比如卷轴式的塑料 雨帘 当衣物被收回室内 雨帘即自动放下 将衣物完全遮挡 防止 这真的是一个非常普遍的问题 带给人们太多的烦恼与不便 能不能 以一种简捷有效的方式来解决这个问题呢 答案当然是肯定的 我设 想 能不能设计一种以电力驱动 具备可以智能感应天晴与下雨 并 及时做出反应的装置 姑且把它命名为 自动晴雨伸缩衣架 它 由金属可伸缩支架 电动马达 滑轮组 以及被雨水溅湿 当天晴 卷轴转动 将雨帘自动收起 然后将衣物自动撑出户外 当然也可以 和窗户联动 衣物收回 和该系统挂接的电动窗户自动闭合 另外应 再加入两个监测器 风力监测器 当风力过大 从而易使衣物 脱钩坠地时 可协助把衣物收回 温度感应器 当室外气温降 到零度左右 而光照度又严重不足时 为防止降雪 温度感应器协助 把衣物收回 盛夏中午 室外气温高过 35 度 烈日当头 光照度过 强时 为保护衣物不被晒坏 而将衣物回收 如果有了它 除了可 1 以免受突然降雨而糟蹋衣物外 还可以实现自动收 晒衣物的功能 特别是在冬季 衣物需要连晒数日的情况下 我们不必再每天傍晚将 衣物收回 次日晨又晒出去 入夜 光线暗淡 该装置的光照度感应 器感受不到充足的光线 即自动把衣物收回 次日早晨光线充足时 又自动晒出 当然 也可以加入程控芯片 由人们自由设定几点钟晒 出 几点钟收回 这种装置真的可以极大的方便人们的生活 定会得 到广泛的喜爱 所以自动晾衣架得到了飞速的发展 也取得了很好的 经济效益 1 2 智能系统的材料选择 衣架的材料采用最常用的 304 不锈钢 他的优点有 作为一种不 锈钢的材料 有得天独厚的优势 其无毒 质轻 耐压且耐腐蚀 管 子之间完全融合到了一起 所以一旦安装打压测试通过 可以达到不 结垢 不生锈 不渗漏 是绿色高级的不锈材料 非常适合一般家庭 装修使用 304 不锈钢典型用途大多数的使用要求是长期保持建筑物 的原有外貌 主要考虑的是所要求的审美标准 所在地大气的腐蚀性 以及要采用的清理制度 然而 其它应用越来越多的只是寻求结构的 完整性或不透水性 表面不很干净也可以 在干燥的室内环境中使用 304 不锈钢效果相当好 但要获得户外环境中的审美效果 就需采用 含镍 304 不锈钢板 所以 304 不锈钢板广泛用于幕墙 侧墙 屋顶 及其它建筑用途 现在 人们已充分认识到了在结构应用中使用 304 不锈钢板的优越性 304 不锈钢有着特别高的抗渗碳能力和抗热震性 由于衣架经常置于户外 而且有风吹雨淋 如果生锈还有可能把锈水 滴到衣服上既不卫生也不干净 所以材料选择了 304 不锈钢 2 第 2 章 自动晾衣架的机械部分设计 2 1 自动晾衣架的机械原理 自动晾衣架顾名思义就是能自动的收晾衣服 本发明是一种自动 感应伸缩的晾衣架 在晾衣架机构的最上层两侧装有两个轨道 并与 电动机相连 电动机带动丝杠旋转 拐弯处装有滑轮 两侧支撑杆的 一端分别与墙体相连 另一端伸出 支撑杆内部有供挂衣横杆滑动的 滑槽 支撑杆滑槽之间装有挂衣横杆 支撑杆滑槽外端分别装有电动 销 支撑架分别位于各自支撑杆下面 支撑架的一端与墙体相连 支 撑架的另一端分别与各自支撑杆相连 一根支撑杆的前端装有行程开 关 通过外界湿度及光线变化 能自动收拢衣物并用雨布裹住 这样 使衣物不在因为各种原因被弄湿 给人们生活带来方便 工作原理如 下图 2 1 电机 滑槽 4 个行程开关 晾衣架 丝杠 3 图 2 1 工作原理 2 2 滚珠丝杠的选择 滚珠丝杠是把旋转的运动转化成高精度的直线运动 滚珠丝杠螺 母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置 它以滚 珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动 摩擦力小 具有良好的性能 滚 珠丝杠的组成及工作原理 图 2 2 滚珠丝杠螺母副的结构原理图 滚珠丝杠的组成 主要由丝杆 螺母 滚珠和滚道 回珠器 螺母座等组成 滚珠丝杠的工作原理 在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽 当它 们套装在一起时便形成螺旋滚道 并在滚道内装满滚珠 而滚珠则沿 滚道滚动 并经回珠管作周而复始的循环运动 回珠管两端还起挡珠 的作用 以防滚珠沿滚道掉出 2 2 12 2 1 滚珠丝杠的特点 滚珠丝杠的特点 传动效率高 机械效率可高达 92 98 摩擦力小 主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动 轴向间隙可消除 也是由于滚珠的作用 提高了系统的刚性 经 预紧后可消除间隙 使用寿命长 制造成本高 主要采用优质合金材 料 表面经热处理后获得高的硬度 4 2 2 22 2 2 滚珠丝杠的支撑滚珠丝杠的支撑 滚珠丝杠的支撑形式有很多种 最常用的如下图所示 图 2 3 滚珠丝杠两端支撑形式 2 3 轴承的选择 2 3 12 3 1 直线轴承直线轴承 直线运动球轴承其结构是在外圈之内装有保持器 保持器装有多 个钢球 并作无限循环运动 保持器的两端以内弹簧挡圈固定 在各 钢球受力工作的直线轨道方设有缺口窗 此部分是使受载荷的钢球与 轴作滚动接触 用非常低的磨擦系数相对移动 因此直线运动球轴承 为机械设备 自动化设备 节能设备等最合适选用的轴承 直线运 动轴承 目前被越来越广泛的运用到电子 机械 仪器 机器人 工 具机械 食品机械 包装机械 医疗机械 印刷机械 纺织机械 数 控机床 汽车等一般或特殊机械行业之中 使用直线运动球轴承的 优点 1 由于流动接触可使起动磨擦阻力及动磨擦阻力为极小 因 此可以节省能源 容易得到较高运动速度 2 对负荷增大 但磨擦 系数无敏感变化 因此重负荷下 磨擦系数极小 并且长期保持精度 不变 可得机械使用寿命长期保持 3 直线运动轴承互换性好 5 安装使用方便省时 并使机械结构新颖 小型 量轻之特点 4 节 省给油手续 达到简化润滑保养的目的 5 两侧附加油封的轴承还 适用与灰尘较多或 异物容易侵入的场所 直线运动球轴承的分类 标准型使用最广泛的系列有三种不同尺寸系列 LM 系列 公制尺寸 系列 东南亚国家用 LME 系列 公制尺寸系列 美国用 l 微型适应轻 薄 短小 时代需求之系列 超小直径尺寸 内径有 3 4 5MM l 不锈钢型外圈 钢球两端封盖均为不锈钢 保 持 器采用塑料制造 S SL UU l 开放型 切除一列钢球 而对应外 圈 可获得高 刚性 并防止轴翘曲的引导机构 同时可得 到间隙可 调性 无松动配合状态 LM OP LME OP l 间隙调整型在外圈 上沿长轴向开有一单缝型式 以 调整固定轴承的外壳达到配合 无 松动状态 2 3 22 3 2 深沟球轴承深沟球轴承 深沟球轴承 Deep Groove Ball Bearings 是滚动轴承中最为 普通的一种类型 基本型的深沟球轴承由一个外圈 一个内圈 一组 钢球和一组保持架构成 深沟球轴承类型代号为 6 深沟球轴承主 要用于承受纯径向载荷 也可同时承受径向载荷和轴向载荷 当其仅 承受纯径向载荷时 接触角为零 当深沟球轴承具有较大的径向游隙 时 具有角接触轴承的性能 可承受较大的轴向载荷 深沟球轴承 的摩擦系数很小 极限转速也很高 特别是在轴向载荷很大的高速 运转工况下 深沟球轴承比推力球轴承更有优越性 深沟球轴承结构简单 与别的类型相比易于达到较高的制造精度 所以便于成系列大批量生产 制造成本也较低 使用极为普遍 深 沟球轴承除基本型外 还有各种变型结构 如 带防尘盖的深沟球 轴承 带橡胶密封圈的深沟球轴承 有止动槽的深沟球轴承 有装球 缺口的大载荷容量的深沟球轴承 双列深沟球轴承 深沟球轴承是最具代表性的滚动轴承 用途广泛 适用于高转速 甚至极高转速的运行 而且非常耐用 无需经常维护 该类轴承摩擦 系数小 极限转速高 结构简单 制造成本低 易达到较高制造精 度 尺寸范围与形式变化多样 应用在精密仪表 低噪音电机 汽 车 摩托车及一般机械等行业 是机械工业中使用最为广泛的一类轴 承 主要承受径向负荷 也可承受一定量的轴向负荷 选取较大的径向游隙时轴向承载能力增加 承受纯径向力时接触 角为零 有轴向力作用时 接触角大于零 一般采用冲压浪形保持架 车制实体保持架 有时也采用尼龙架 深沟球轴承装在轴上后 在轴承的轴向游隙范围内 可限制轴或 6 外壳两个方向的轴向位移 因此可在双向作轴向定位 此外 该类轴 承还具有一定的调心能力 当相对于外壳孔倾斜 2 10 时 仍能 正常工作 但对轴承寿命有一定影响 深沟球轴承保持架多为钢板冲 压浪形保持架 大型轴承多采用车制金属实体保持架 用途 深沟球轴承可用于变速箱 仪器仪表 电机 家用电器 内燃机 交通车辆 农业机械 建筑机械 工程机械等 二条滚道的内圈和滚道为球面的外圈之间 装配有鼓形滚子的轴 承 外圈滚道面的曲率中心与轴承中心一致 所以具有与自动调心 球轴承同样的调心功能 在轴 外壳出现挠曲时 可以自动调整 不 增加轴承负担 调心滚子轴承可以承受径向负荷及二个方向的轴向负 荷 径向负荷能力大 适用于有重负荷 冲击负荷的情况 内圈内径 是锥孔的轴承 可直接安装 或使用紧定套 拆卸筒安装在圆柱轴上 保持架使用钢板冲压保持架 聚酰胺成形保持架及铜合金车制保持架 7 第 3 章自动晾衣架的机械部分计算及校核 3 1 设计思想 本课题是以机器经济性好 人性化设计 环境友好性好 可靠性 高 寿命长 结构简单 易于维修等为设计思想 3 2 初选电机减速器系统方案 系统方案图如下 图 3 1 电机减速器系统方案 3 3 电动机类型选择 根据动力源和工作条件 选用交流电机 Y 系列三相异步电动机 3 4 电动机功率的选择 根据传输机构的布置由已知条件带传动机构承受 10 公斤力 即 100N 带的运动速度为 3m min 由已知条件得电动机有效功率 式中为系统总的传动 d PP 效率 电动机到带传动机构总传动效率 26 12345 式中 为 V 带的传动效率 为闭式齿轮的传动效率 为 1 2 3 8 圆锥滚子轴承的传动效率 为联轴器的传动效率 为链传动效 4 5 率 查表 0 99 0 96 1 97 0 2 98 0 3 4 5 代入上式 0 723 所以电动机的有效功率 0 087 d PPKW 所选电动机的额定功率须满足 ed PP 3 5 确定电动机型号 根据已知条件本装置的输送速度为 1w nvzp 式中为节距 为小带轮齿数 取 17 p 1 z 1 z w nr mim 选取电动机型号为 Y2 90S 8 同步转速为 750 对应额 r mim 定功率为 0 37KW 外伸轴直径 24mm 3 6 V 带的设计计算 3 6 13 6 1 传动比的分配传动比的分配 1 计算总的传动比 i 50 w m n n 70014 2 传动比的分配取 16 66 3 1 i 231 iii i 方案电动机型号额定功率 KW 同步转速 r min 满载转速 r min 总传动比 i 1Y2 90S 80 3775070050 9 3 低速级传动比 3 3 33i 3 6 23 6 2 各轴的转速 功率和转矩各轴的转速 功率和转矩 转速 1 700 3233 33 minnr 功率 KW 41 d PP 0 087 0 950 0826 扭矩 1 1 1 95509550 0 0826 3 8 233 33 P TN M n 转速 2 233 33 546 66 minnr 功率 2123 0 0826 0 97 0 980 078PPKW 扭矩 2 2 2 9550 n P T 9550 0 078 15 96 46 66 N M 转速 3 46 66 3 3314 minnr 功率 3223 0 078 0 97 0 980 074PPKW 扭矩 3 3 3 95509550 0 074 50 478 14 P TN M n 转速 43 14 minnnr 功率 4315 PP 0 074 0 99 0 960 07KW 扭矩 4 4 4 95509550 0 07 47 75 14 P TN M n 表 3 1 各轴的运动与动力参数 10 轴号 转速 r min 功 率 KW 扭 矩 N m 1233 330 08263 8 246 660 07815 96 3140 07450 478 4140 0747 75 3 7 带传动方案的确定 外传动带选为 普通 V 带传动 1 确定计算功率 caP 1 查文献 10 表 9 6 得工作情况系数 1 1 AK 2 查得 式 4 1 1 1 0 0870 0957 caAw P kPK 2 选择 V 带型号 查文献 10 图 3 12 得 选 A 型 V 带 3 8 带传动设计计算 1 确定带轮直径 1dd2dd 1 查文献 10 表 3 5 得选取小带轮直径 1 50 a mm d 82 5 电机中心高符合要求 1 2 ad H 2 验算带速 求得 111 1 70050 1 8325 60 100060 1000 dnd m s Vm s 式 4 2 3 从动带轮直径 2ad 21 3 50150 aa mm di d 查文献 10 表 3 6 得 取 2 150 a mm d 11 2 确定中心距 1 初定中心距 a 和带长 dL 式 12012 0 72 ddddddadd 4 3 取 0 140400 a 0 300mm a 2 带的计算长度 cL 式 2 21 12 0 0 2 2 24 15050 2 300 50 150 24 300 922 dd dd c dd dd aL a mm mm 4 4 由文献 10 表 3 3 取带的基准长度 Ld 1000mm 3 确定中心距 a 式 0 922 1000 300 261 22 dcLL ammmm a 4 5 4 确定中心距调整范围 式 max 0 03 261 0 03 1000 291 d ammmm aL 4 6 min 0 015 261 0 015 1000 246 d ammmm aL 3 验算小带轮包角 根据文献 10 图 3 13 1 式 21 1 18060157 08120 dddd a 4 7 4 确定 V 带根数 Z 计算 V 带根数 Z 由文献 11 表 8 1 24 式 00 ca L P Z PP K K 4 8 12 式中 为单根 V 带的基本额定功率 为时单根 V 带 0 p 0P 1i 额定功率增量 为带长修正系数 为小带轮包角修正系数 LKK 查文献 11 表 8 1 33 查表 8 1 27 0 0 4kwp 0 0 09 P 查表 8 1 29 0 94 K 0 93 LK 代入上式 取 2Z 5 确定 单根带 初拉力 0F 式 2 0 2 5 500 1 15 ca a P qN vF vz K 4 9 由文献 11 表 8 1 28 查得 0 06kg m q 6 计算对轴的压力 得 pF 式 1 0 157 08 2sin 2 2 15 sin 58 8 22 p ZNN FF 4 10 3 9 带轮的结构设计 1 小带轮设计 因为小带轮基准直径 50mm 300mm 故可采用实心式结构 1dd 由文献 9 图 8 12 中带轮结构参数经验公式 带轮宽 B Z 1 e 2f 2 1 15 2 10 35mm 式 4 11 式中 e 为槽间距 查文献 9 表 8 10 取 e 15mm f 为第一槽对称面至端面的距离 查文献 9 表 8 10 取 e 10m z 为轮槽数 由前面设计可知道取 Z 2 轮毂宽 L 1 5 2 d 1 8d 1 8 24 43 2mm 式 4 12 轮毂外直径 1 9d 1 9 24 45 6mm 1d 带轮外径 2 50 2 2 75 55 5mm 式 adddah 4 13 式中为基准线下槽深 查文献 9 表 8 10 得 2 75 ahah 轮缘宽 8mm 13 基准线下槽深 10mm hf 由以上数据 小带轮结构简图如下 图 3 2 小带轮结构简图 2 大带轮设计 因为基准直径 150mm3800 420030303 10 115 35 GD 66000 11000 8000 100010308 10 115 35 GD 73000 8500 4500451008 10 11 4 2 54 2 5 湿度传感器湿度传感器 湿敏元件是最简单的湿度传感器 湿敏元件主要有电阻式 电容 式两大类 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜 当空 气中的水蒸气吸附在感湿膜上时 元件的电阻率和电阻值都发生变化 利用这一特性即可测量湿度 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成 27 的 常用的高分子材料有聚苯乙烯 聚酰亚胺 酪酸醋酸纤维等 当 环境湿度发生改变时 湿敏电容的介电常数发生变化 使其电容量也 发生变化 其电容变化量与相对湿度成正比 温敏原件的一些特性如 下图 图 4 10 湿敏元件频率转换电路 图 4 11 湿敏元件阻频转换波形 28 图 4 12 湿敏传感器原理图 图 4 13 湿度传感器实物图 把信号输送到显示器 29 结 论 至此 自动晾衣架的设计成功 它是针对市场的需要而设计的 从 而能有效地满足当今市场上对自动晾衣架的需求 它具有如下的优点 传动平稳 传动效率高 生产效率高 劳动强度低 产品质量好