晴雨自动晾衣架的设计.doc
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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：
智能衣架；PLC
目录
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
3.6V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
4.2.2PLC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
第1章绪论
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：
１。
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；２。
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。
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
电机
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
4个行程开关
滑槽
晾衣架
丝杠
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。
2.2.1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。
2.2.2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
2.3.1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，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……UUl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……OPLME……OPl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。
2.3.2深沟球轴承
深沟球轴承（DeepGrooveBallBearings）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。
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效率。
电动机到带传动机构总传动效率
式中：
为V带的传动效率，为闭式齿轮的传动效率，为圆锥滚子轴承的传动效率，为联轴器的传动效率，为链传动效率。
查表：
，，，=0.99，=0.96
代入上式：
所以电动机的有效功率
所选电动机的额定功率须满足。
3.5确定电动机型号
根据已知条件本装置的输送速度为：
式中为节距，为小带轮齿数，取=17
选取电动机型号为Y2-90S-8，同步转速为750,对应额定功率为0.37KW，外伸轴直径24mm
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
1
Y2-90S-8
0.37
750
700
50
3.6V带的设计计算
3.6.1传动比的分配
1.计算总的传动比i===50
2.传动比的分配取,=16.66
3.低速级传动比：
3.6.2各轴的转速、功率和转矩
转速：
功率：
KW
扭矩：
转速：
功率：
扭矩：
=
转速：
功率：
扭矩：
转速：
功率：
=
扭矩：
表3.1各轴的运动与动力参数
轴号
转速
（r/min）
功率
（KW）
扭矩
（N．m）
1
233.33
0.0826
3.8
2
46.66
0.078
15.96
3
14
0.074
50.478
4
14
0.07
47.75
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：
（1）、查文献[10]表9-6得工作情况系数
（2）查得
式（4.1）
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
（1）、查文献[10]表3-5得选取小带轮直径
=82.5（电机中心高符合要求）
（2）、验算带速，求得：
式（4.2）
（3）、从动带轮直径
查文献[10]表3-6得取
2、确定中心距
（1）、初定中心距a和带长
式（4.3）
取
（2）、带的计算长度
式（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（4.5）
（4）、确定中心距调整范围
式（4.6）
3、验算小带轮包角，根据文献[10]图3-13
式（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（4.8）
式中：
为单根V带的基本额定功率，为时单根V带额定功率增量，为带长修正系数，为小带轮包角修正系数。
查文献[11]表8-1-33，，查表8-1-27，查表8-1-29，
代入上式：
取
5、确定（单根带）初拉力
式（4.9）
由文献[11]表8-1-28查得0.06kg/m
6、计算对轴的压力，得：
式（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。
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+210=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=1.824=43.2mm式（4.12）
轮毂外直径：
=1.9d=1.924=45.6mm
带轮外径：
=+2=50+22.75=55.5mm式（4.13）
式中为基准线下槽深，查文献[9]表8-10得=2.75
轮缘宽：
=8mm
基准线下槽深：
=10mm
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=150mm<300mm，故可采用腹板式结构。
查文献[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+210=35mm
轮毂宽：
L=（1.5—2）d=1.8d=1.815=27mm
轮毂外直径：
=1.9d=1.915=28.5mm
带轮外径：
=+2=224+22.75=155.5mm
轮缘宽：
=8mm
基准线下槽深：
=10mm
由以上数据，大带轮结构简图如下：
图3.3大带轮结构简图
3.10机械部分的校核
本部分主要对晾衣杆的横梁进行校核，因为他最有可能断裂，具体的校核如下：
1．画杆的空间受力图
将所受载荷简化为集中力，并通过轮毂中截面作用于轴上。
杆的支点反力也简化为集中力通过载荷中心作用于轴上；
2．作垂直平面受力图和水平平面受力图求出作用于杆上的载荷。
并确定可能的危险截面。
图3.4晾衣杆的弯矩图
将计算出的危险截面处的的值列入下表：
表3.2输出轴各危险面处的载荷值
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F
弯矩M
总弯矩
扭矩
3．按弯扭合成应力校核轴的强度
已知材料为304，由文献[12]表15—1查得，由已知条件，对轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度进行校核。
根据式15-5以上表中的数据，并取，轴的计算应力：
结论：
按弯矩合成应力校核杆的强度，杆的强度足够。
第4章电气部分设计
4.1自动晾衣架的电路图及简介
本课题主要是设计一个自动控制系统，控制自动晾衣架，具体电路图如下
图4.1控制自动晾衣架电路图
原理介绍：
光敏传感器，湿度传感器采集到相应的信号传给PLC，PLC控制电机转动，通过电机的正反转来实现衣服的收晾。
当行走到尾部时活动杆触动行程开关，行程开关把信号发给PLC，实现电机停止。
电机用的是强电，PLC用的是弱电，不能实现控制，所以用PLC控制继电器的开断，来实现控制电机。
4.2各元件的介绍及编程
4.2.1压力继电器
由于电机用的是强电不能用PLC控制，所以要加个继电器来实现自控控制，电路原理图如下
图4.2电路原理图
1主触头2自由脱扣器3过电流脱扣机器
4分励磁脱扣器5热脱扣器6失压脱扣器7按钮
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
一、电磁继电器的工作原理和特性
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
1、热敏干簧继电器的工作原理和特性
热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。
它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。
热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。
恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。
2、固态继电器（SSR）的工作原理和特性
固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离，固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。
按开关型式可分为常开型和常闭型。
按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。
.
二、继电器主要产品技术参数
1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。
根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。
3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。
在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。
而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。
这时的电流远远小于吸合电流。
5、触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
4.2.2PLC的原理介绍及编程
PLC起到中央控制的作用，类似CPU，是整个电路中的集中控制部分，PLC的实物图如下
图4.3PLC的外观结构
图4.4PLC的内部结构
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为
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