波轮式洗衣机 课程设计文档格式.docx
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从控制方式的发展阶段上分：
全自动洗衣机可分为两大类：
第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。
第二类是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。
电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。
随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。
因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与各种控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
第二章基本结构及工作原理
波轮式全自动洗衣机结构比较复杂，采用的零部件也多，看上去像一台体积比普通单桶洗衣机稍大的产品，但其内部结构却有很大的差别。
普通型或半自动型单桶洗衣机内部只有一个洗衣桶，而全自动洗衣机则有两个套在一起的桶。
正是这两个套在一起的桶，以其相应的控制和传动装置，使它既具有洗衣功能，又能自动脱水的作用，这也是单桶及双桶洗衣机无法比拟的功能。
所以，全自动洗衣机又称为套缸洗衣机。
全自动洗衣机的基本结构，主要是由控制台、洗衣机脱水桶、波轮、电机、传动机构、进水和排水系统、安全开关、支撑机构和箱体等部件组成。
如图2-1所示。
图2—1波轮式全自动洗衣机的结构
1—排水管2—溢水管3—吊杆4—脱水桶5—盛水桶6—平衡环7—盖板8—安全开关9—控制面板10—水位控制器11—进水电磁阀12—进水接头13—压力软管14—贮气室15—支架16—电动机17—离合器18—波轮19—脱水轴20—排水电磁阀21—法兰盘22—脱水孔
2.1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。
全自动洗衣机进水、排水装置和箱体的结构，与双桶洗衣机基本相同，只是它的控制部分可以自动进行，不需要人工操作。
支撑机构则是与箱体结合为一体。
它除了起着最基本支承作用外，还有减振、隔振的作用。
支承机构减振作用如图2-2所示。
图2—2波轮式全自动洗衣机的结构
2.1.1水位开关
水位开关又称为压力开关。
洗衣机洗涤桶进水时的水位和洗涤桶排水时的状况是压力开关检测的。
当洗衣机工作在洗涤或漂洗程序时，若桶内无水或水量不够，压力开关则发出供水信号。
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。
如图2—3所示。
图2—3空气压力式水位开关
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；
触点开关由动弹簧8、开关小弹簧7、动静触点组成。
其中公共触点和常闭触点组成动断触点。
公共触点COM和常开触点NO组成动合触点。
动弹簧8是由铍青铜板制成。
（2）工作原理当水注入内桶时间气室封闭，随着水位上升封闭在气室内的空气压力不断提高，压力经过软管传到水位开关气室，水位开关气室内的空气压力向上推动橡胶膜和塑料盘，推动动簧片中的内动簧片向上移动，压力弹簧被压缩。
当注水到选定水位时，此时内动簧片移动到预定的平衡位置开关小弹簧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，常开触点与公共触点闭合从而发出关闭水源的信号。
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。
压力弹簧恢复伸长，推动顶心，使动簧片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对外动片产生一个向外的推力。
使开关的常开触点NO与公共触点COM迅速断开，常闭触点NC与公共触点COM闭合。
从而改变控制电路的通断。
表2-1水位开关的主要技术参数
配用的程序控制器
额定电压
气密性
接触电阻
绝缘电阻
机气强度
机械式程
序控制器
AC220
3、1.5A
7.6KPA
历时1min
《0.03
>
100
2500V
微电脑式程序控制器
DC6
10MA
2.1.2进水电磁阀
在全自动洗衣机中，进水电磁阀是与程控器、水位控制开关配合使用，根据洗衣程序的需要，起着自动进水及停止进水的作用。
目前全自动洗衣机中普遍是采用无填料函型导阀动作式电磁阀。
其结构如图2-4所示。
主要由两部分组成，上部分为先导阀，下部分为主阀。
当电磁阀线圈断电时，铁心在自重和小弹簧作用下下压，使铁心下端的小橡胶塞堵住泄压逐渐增大，最终使橡胶阀紧张在出水管的上端口，将阀关闭。
同时，因铁心上面空间与控制腔相通，控制腔内水压的增大还会使铁心上面空间气体压强增大，导致橡胶阀更紧地压在泄压孔上，增加了阀关闭的可靠性。
当进水电磁阀线圈通电后，产生的电磁吸力将铁心向上吸起，泄压孔被打开。
控制腔内的从迅速从泄压孔中流入出水管，同时经压孔流入控制腔的水又进行补充。
但由于加压孔比泄压孔小，使控制腔内的压力迅速下降。
当控制腔中的水压降到低于进水腔谁呀时，橡胶阀被进水腔中的水向上推开，水从进水腔直接进入出水管，进而流入盛水桶。
水到位后，由水位开关切断进水电磁阀线圈的电源，进水阀重新关闭。
图2—4进水电磁阀结构图
2.1.3排水电磁阀
排水电磁阀由电磁铁与排水阀组成，如图2-5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连接起来。
图2-5排水阀的结构与电磁铁的装配关系
排水阀是由排水阀座，橡胶阀，内外弹簧，导套和阀盖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。
导套内装有内弹簧，它一端卡在导套左边槽口，另一端钩挂在电磁铁拉杆上，内弹簧处于拉紧状态。
在倒要外装有一个外弹簧，它的刚度比内弹簧小，它的一端与阀盖接触，另一端与导套的基座接触，外弹簧出租压缩变形状态。
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的主要技术参数表。
表2-2交流电磁铁的主要技术参数
额定拉力N
额定行程mm
额定电流A
使用电压V
机电强度
20
14
0.2
187-242
1500V
40
15
0.3
50
16.5
0.48
表2-3直流电磁铁的主要技术参数
额定行程MM
电流A
额定电压V
电压范围V
电气强度
启动
保持
16
1.7
0.06
200
170-220
60
1.9
0.07
其工作原理是，当洗衣机处在进水和洗涤时，排水阀处于关闭状态。
此时主要由外弹簧吧橡胶阀紧压在排水阀座的底部。
排水时，排水电磁铁通电工作，衔铁被吸入，牵动电磁铁拉杆，由于拉杆位移，在它上面的挡套拨动制动装置的刹车扭簧伸出端，使制动装置处于非制动状态。
另一方面随着电磁铁拉杆的左端离开导套，外弹簧被压缩，使排水阀门打开。
正常排水时，橡胶阀离开排水阀座密封面的距离应不小于8mm，排水电磁铁的牵引力约为40N。
2.2传动系统的结构及其工作原理
传动机构主要由皮带、皮带轮、洗涤-脱水离合装置、减速装置和刹车装置组成。
洗涤-脱水离合装置，其作用是用来解决洗衣机在工作时，波轮在洗衣、漂洗时需要较低的转速，而脱水时需要较高的转速的矛盾。
解决波轮和脱水桶在工作时不用转速的矛盾，主要是依靠离合器。
离合器在结构上，一端为输出端，其中内输出轴与波轮固定，外输出轴与脱水桶固定。
另一端为输入端，固定着皮带轮。
在全自动洗衣机中，减速装置的作用是将电动机动力，转换为适合洗涤和脱水衣物时所需要的不同转速。
刹车装置是与离合器结合在一起工作的。
传动系统的工作示意如图2-6所示。
图2-6套桶式全自动洗衣机传动系统示意图
2.2.1离合器结构和工作原理
离合器是动力传动中的一个关键部件，由它实现波轮的正、反转和脱水桶旋转。
早期设计的小波轮全自动动洗衣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。
目前应用最广泛的有两种：
一种是单向轴承式减速离合器。
其结构如图2-7所示。
另一种是带制动式减速离合器。
其结构如图2-8所示。
图2-7单向轴承式减速离合器图2-8带制动式减速离合器
（1）单向轴承式减速离合器
1）总体结构输入轴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固定在输入轴1上，由于方轴与方孔的紧密配合，从而带轮3、输入轴1和离合套30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输入轴1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和离合套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，可以就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。
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。
2）工作原理
①脱水状态减速离合器脱水时的状态及装配关系如图2-9所示，脱水状态下，排水电磁铁通电吸合，牵引拉杆移动约13mm，使排水阀开启。
拉杆在带动阀门开启的同时，一方面拨动旋松刹车弹簧，使其松开刹车装置外罩，这时刹车盘随脱水轴5一起转动，刹车不起作用；
另一方面又推动拨叉旋转，致使棘爪18脱开棘轮4，棘轮被放松，方丝离合弹簧3在自身的作用力下回到自由旋紧状态，这时也就抱紧了离合套2。
大带轮l在脱水时是顺时针旋转的，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。
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。
图2-9脱水工作状态示意图图2-10洗涤工作状体示意图
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。
③内桶跟转现象的解决方案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，其工作原理如图2-11所示。
图2-11刹车装置工作原理示意图
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13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）带制动式减速离合器带制动式减速离合器是由排水阀电磁铁来切换高低速状态。
洗涤时，排水阀电磁铁断电，排水阀关闭，由制动杆21通过棘爪拨叉25，使棘爪27卡住棘轮3，棘轮内的方丝离合弹簧4松开，带轮的动力无法传给上半轴15。
同时制动带6刹住制动轮16，避免上半轴15因波轮轴转动而跟转。
方丝离合弹簧4外部同轴安装棘轮3，上端处于自由状态，下端插入棘轮3内壁孔中。
方丝离合弹簧4内部套住方孔离合套29和上半轴28，为柔性接触，旋紧时使两者联为一体。
脱水时，排水阀电磁铁得电，排水阀处于排水状态，电磁铁带动制动杆21移动一个距离，刹车带6放松，制动轮16可自由转动。
同时，棘爪拨叉25随制动杆转过一个角度，棘爪和棘轮3分开，方丝离合弹簧4旋紧，方孔离合套29和下半轴28两者联动。
大带轮2的扭矩由方孔离合套29、方丝离合弹簧4、下半轴28、制动轮16传给上半轴15，为高速脱水提供动力。
2.3洗衣脱水桶设计
洗衣脱水桶是由两个桶套制作而成，里面实际上是一个脱水桶，外面的一个则是盛水桶。
在整台洗衣机结构上，洗衣脱水洗是由四条带有避震弹簧的吊杆悬吊在箱体内，以减少洗衣机在工作过程中产生的振动。
由于脱水桶是用来洗涤衣物，又兼脱水作用，这样，它的结构比较独特。
在套桶里面的内壁上，设有很多小孔，脱水时这个内桶会进行高速旋转，利用离心力作用将衣物上的水通过小孔，经排水管流出机外。
同时，由于波轮在套桶里面旋转，产生一定的洗涤水流，因此这个内桶又有循环水装置，用以过滤水中的残渣。
为了防止衣物在放置时不不均匀而引起洗衣脱水桶不平衡，造成洗衣机工作时产生不良后果，在这个洗衣脱水桶上方还设有一内注有比重较大溶液的平衡环，或叫液体平衡器。
这样，当洗涤或脱水时，该平衡环内的液体可起到平衡的作用使桶尽量保持平衡，减少机械振动和噪音，保护机件免受损坏。
在洗衣脱水桶上，还设有漂白剂撒布器、柔顺剂注入口。
2.4波轮设计
目前，国产全自动洗衣机一般都采用大波轮或偏置波轮。
考虑到全自动洗衣机是自动脱水，为了减少脱水时衣物的不均匀性和衣物的缠绕，波轮在工作时的转速都比较慢。
各种形状的波轮，基本上都是采用塑料注塑成型的，表面都有几条突起或凹入的筋。
均匀分布。
2.5安全开关及脱水不平衡自动复位系统
安全开关结构和工作原理如图2-9.通常状态（水桶盖关闭时），安全开关的接点处于接通状态。
脱水启动时，若水桶内的衣物偏挤一边时，脱水桶之振动将会加大，而当碰触到安全开关的接触转换棒，使开关接点瞬时转换至断开位置。
在机电程控的全自动洗衣机中，遇到这种情况就断开电源，等待操作人员将衣物放置均匀，重新接通电源工作。
在微电脑控制的全自动洗衣机中，接点断开为20-140毫秒时，微电脑将会以不平衡的情况处理。
当安全开关接点的断开信号传至微电脑时，由微电脑控制停止脱水操作，并自动开始漂洗程序的进水操作。
图2-9安全开关结构工作原理图
第三章波轮式全自动洗衣机电气控制部分
3.1电动机功能及其选择
电动机是整个洗衣机工作的动力来源。
全自动洗衣机电动机运转通过散热论、减速器带波轮和内桶运转，实现洗涤和脱水。
双桶洗涤电机运转通过散热轮、减速器或皮带轮带动运转，实现洗涤。
双桶脱水电机直接带动脱水桶运转。
我国现阶段生产的套筒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所示。
表3-1XD型洗衣机电动机技术参数
XDL—90
XDS—90
XDL—120
XDS—120
XDL—180
XDS—180
XDL—250
XDS—250
额定功率/W
90
120
180
250
额定电压/V
220
额定频率/Hz
满
载
时
电流/A
0.88
1.1
1.54
2.0
转速/（r·
min-1）
1370
效率（%）
49
52
56
59
功率因数
0.95
堵转电流/A
2.5
4.0
5.5
堵转转矩/Nm：
额定转矩/Nm
0.9
0.8
0.7
最大转矩/Nm：
3.2控制台设计
全自动洗衣机的控制台，一般都包括有仪表板、仪表板底座、装饰面板、程序控制器或电脑组合控制板、水位选择旋钮、洗涤方式选择键开关或按钮、蜂鸣器等。
整个控制台是洗衣机电气系统控制总成。
当接通水，电源后，选择好程序并让程序器开始工作，洗衣机就会按照编排的程序来控制水位开关、进水电磁阀、排水电磁阀和电动机等在规定的时间内动作，自动完成整个洗衣过程。
当洗涤全过程完毕后，控制台的蜂鸣器则鸣响并自动停机。
电动控制洗衣机和电脑控制洗衣机主要区别在于控制器。
一个是采用步进电机，控制凸轮组、换向凸轮组和相应簧片组组成机电合一的程控器。
而另一个是采用集成模块组成的电子线路的程控器。
3.3传感器功能及使用
传感器即相当于上一章所述的压力开关。
当设定好一个压力值后，注水后产生水压，达到压力值后就自动通电，达到了开关的作用。
洗衣机的水位开关分为电子式和开关式两种。
它们都是通过水位上升时所产生的空气压力通过管道传递到传感器使电阻发生变化或内部开关接通来使电脑产生动作。
它损坏后会产生注水不稳等现象。
3.4控制电路的设计
随着数字技术的发展，单片机作为控制领域最典型的嵌入式系统，在现代电子系统中得以空前的应用和发展，在家用电器、仪器仪表、自动化设备、通讯产品等领域成为最重要的智能化工具。
波轮式全自动洗衣机是家用电器领域的重要一员，在全自动洗衣机市场中占有很大的比例，其中的绝大多数产品是用单片机来控制的。
本文试用与8051单片机兼容的AT89C51芯片来实现对波轮式全自动洗衣机的控制。
设计系统方框图如图3-1所示。
3-1设计系统方框图
3.4.1设计方法
洗衣机控制系统是由51单片机控制，其主要控制的对象包括：
进水阀、排水阀、电机及数码管显示。
这些被控刘象是需要根据不同的洗衣程序来设定它们的不同工作状况和工作时间的，进水阀和排水阀的控制还需要水位检测，同时需要数码管显示洗衣的次第和每次洗衣电机正反转的次第及电机正反转所用的时间。
发光二极管用来指示工作状态。
部分电路简析如下：
（1）复位电路此电路的作用是
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