新版机电一体化专业系统设计方案报告.doc

机 电 一 体 化 系 统 设 计 报 告院 系：机电学院专 业：机械电子1202班指引教师：史丽晨小构成员：蒋友列 景军军 刘琪 卢科峰 目 录1.机电一体化系统概述2.机电一体化系统构成一、 动力能源单元二、 传感与检测单元三、 机械本体四、 执行与驱动单元五、 控制与信息解决单元任务分派l 蒋友列汇总、传感与检测单元l 景军军执行与驱动单元、控制与信息解决单元l 刘 琪动力能源单元l 卢科峰机械本体机电一体化系统设计报告家用全自动洗衣机系统设计分析1.机电一体化系统概述“机电一体化”英文名词是“mechatronics”，20世纪70年代初来源于日本，由机械学（mechanics）和电子学（electronics）两个次组合而成，表达机械学与电子学两种学科综合。机电一体化具有产品与技术两个方面内容。机电一体化技术是指其技术原理，即机电一体化系统（产品）得以实现、使用和发展技术。另一方面是机电一体化产品，该产品重要是机械系统与电子系统用有关软件有机结合而构成新系统，且赋予其新功能和性能新一代产品。机电一体化系统（或产品）形式各种各样，功能也各不相似。一种较完善机电一体化系统，涉及如下几种基本要素：机械本体、动力能源、传感与检测、执行与驱动、控制与信息解决等，各要素之间通过接口相联系，也可以说这些基本要素构成了机电一体化系统各种子系统。这些基本要素功能实例如下图：机电一体化核心技术有：机械技术、计算机信息解决技术、传感检测技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总成技术。机电一体化技术与有关学科、技术、行业结合关系图如下： 2.机电一体化系统构成一动力能源单元（一） 机电一体化系统中动力源概述 机械运动是将其她形式能量转换成机械能，动力能源单元功能是按照机电一体化系统控制规定，为系统提供能量和动力，克服各种载荷去驱动执行机构，完毕信息解决使系统正常运营，能源涉及电能、气能以及液能等。例如，数控机床动力重要来自于电能。机电一体化产品动力某些，就像人体内脏产生能量来维持人生命、思维和运动同样。机电一体化系统明显特性之一，是用尽量小动力输入获得尽量大功能输出，不但规定驱动效率高、反映速度快，并且规定对环境适应性强、可靠性高、以便维修和回收等。（二） 全自动洗衣机动力源 惯用全自动洗衣机（如：小天鹅、海尔、西门子等），额定参数为：额定电压-交流220V；额定频率-50HZ；额定功率-300W；洗衣重量-5-7kg。二传感与检测单元：（一）机电一体化系统中传感器概述机电一体化系统中，传感器与检测单元功能是对系统运营过程中所需要自身和外界环境各种参数及状态进行检测，并转换成可辨认信号，传播到控制信息解决单元，通过度析、解决产生相应控制信息。测试传感某些功能普通由专门传感器和仪表来完毕，再通过相应信号检测装置将其反馈给信息解决与控制单元。检测传感装置相称于人体感受器官，将外界信息传播给大脑，因而，传感器精度决定了系统精度上限，传感器技术水平制约着整个机电一体化技术发展。（二） 传感器性能指标1. 静态特性：是指对静态输入信号，传感器输出量与输入量之间所具备互有关系。由于这时输入量和输出量都和时间无关，因此它们之间关系，即传感器静态特性可用一种不含时间变量代数方程，或以输入量作横坐标，把与其相应输出量作纵坐标而画出特性曲线来描述。表征传感器静态特性重要参数有：线性度、敏捷度、辨别力和迟滞等。2.动态特性：是指传感器在输入变化时，它输出特性。在实际工作中，传感器动态特性惯用它对某些原则输入信号响应来表达。这是由于传感器对原则输入信号响应容易用实验办法求得，并且它对原则输入信号响应与它对任意输入信号响应之间存在一定关系，往往懂得了前者就能推定后者。最惯用原则输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，因此传感器动态特性也惯用阶跃响应和频率 响应来表达。3.线性度：普通状况下，传感器实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具备均匀刻度读数，惯用一条拟合直线近似地代表实际特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似限度一种性能指标。拟合直线选用有各种办法。如将零输入和满量程输出点相连理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差平方和为最小理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。4.迟滞特性：表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-输入特性曲线不一致限度，通惯用这两条曲线之间最大差值MAX与满量程输出FS比例表达。迟滞可由传感器内部元件存在能量吸取导致。5.敏捷度：是指传感器在稳态工作状况下输出量变化y对输入量变化x比值。它是输出一输入特性曲线斜率。如果传感器输出和输入之间显线性关系，则敏捷度 S是一种常数。否则，它将随输入量变化而变化。敏捷度量纲是输出、输入量量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其敏捷度应表达为200mV/mm。当传感器输出、输入量量纲相似时，敏捷度可理解为放大倍数。提高敏捷度，可得到较高测量精度 。但敏捷度愈高，测量范畴愈窄，稳定性也往往愈差。6.辨别力：是指传感器也许感受到被测量最小变化能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器输出不会发生变化，即传感器对此输入量变化是辨别不出来。只有当输入量变化超过辨别力时，其输出才会发生变化。（三）全自动洗衣机中传感器1.水位传感器水位检测精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。对于模糊控制洗衣机,规定水位检测必要是持续,故常采用谐振式水位传感器。谐振式水位传感器是运用电磁谐振电路LC作为传感器敏感元件,将被测物体变化转变为LC参数变化,最后以频率参数输出。其工作原理是:将水位高低通过导管转换成一种测试内腔气体变化压力,驱动内腔上方一块隔膜移动,带动隔膜中心磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路固有频率随水位变化。水位测量电路如下图所示,为便于与单片机接口,水位传感器采用数字振荡电路,电感与电容构成三点式振荡电路经C2耦合接入数字式谐振放大器A1,随着水位变化,谐振频率作相应变化,放大器在a点输出,经A2整形,由c点输出,此时即可将数字量接到单片机.水位传感器测量电路如下图：2.光传感器 光传感器即洗净限度传感器。人工洗衣时可以随时用眼睛检查衣物与否洗净,但在洗涤桶内衣物不断地进行翻滚运营，无法直接检测衣物洗净限度。全自动洗衣机通过采用光传感器检测洗涤液透光率，从而间接检测了洗净限度二在洗衣机排水管两侧分别安装红外发光管和光电接受管。洗涤前、排水管中布满清水，光电接受管受光导通,以此时光敏三极管输出电压为设定值。洗涤开始后，衣物污垢不断地扩散到洗涤液中,洗涤液逐渐变浑浊,致使透光率减少,相应地光敏三极管输出电压也随之下降。通过一段时间后，该输出电压趋于稳定值，洗涤过程结束，然后进人漂流阶段。光传感器检测头由发光二极管和光敏三极管构成，分别安装在排水阀之前排水口左右对称两侧。为了防止天然水中淡黄色和淡绿色以及自然背景光对检测成果干扰，用国产砷化镓红外发光二极管，其光谱如下图，接受端用硅光电三极管，其光谱如下图，由于在同样发光二极管驱动电流作用下，光敏三极管所能接受到光信号与检测头之间介质关于。 为了克服发光二极管、光电三极管老化和不一致以及长期运营之后在检测窗口所存污垢不利影响，因而用下图所示接口电路。 光传感器工作原理为发光二极管发出光透过洗涤液照射到光敏三极管基极，使光敏三极管基极电流、集电极电流发生变化、再将电流变化转换成电压变化。在将电压变化传到PLC中从而实现洗涤时间、漂洗时间和脱水时间长短并自动选取漂洗次数以及自动判断排水与否结束等。3.布量传感器 布量传感器其原理如下：在波轮空转时，电机内要有一定电流强度。在洗涤桶放人适量水后，再开动电动机，这时桶内波轮要推动水流翻滚，由于水对波轮阻力，电动机中电流会有所增长，但水阻力是相对均匀，使电机内电流也是稳定增长。如果这时咱们再加入衣物后，电流增长就不再是稳定了。其因素很简朴，由于衣物在水中位置是浮动，因此波轮对它推动力是变化，这样也就导致了电动机所需动力是变化，最后使电动机内电流值增长也有一定波动范畴。如果所洗衣物吸水性越强，则水中运动需要力量就越大，电动机内电流变化范畴也就越宽，反之，洗衣物吸水性弱，则电流变化范畴就变窄。因此通过测定电动机电流和波动大小，即可判断出洗衣物种类及重量。按照这些相应关系，编好程序，程控器即可自动拟定洗涤时水流强弱和拟定洗涤时间长短。4. 其她传感器(1).水温传感器：可以依照环境温度和水温，自动决定洗涤时间。(2).混浊度传感器：该传感器重要通过检测被洗衣物赃污限度、赃污性质来决定洗涤时间、漂洗次数等参数。三机械本体 机电一体化产品中一定有运动机械，机械本体重要涉及机械传动机构和机械构造装置。其重要功能是使各子系统、零部件按照一定空间和时间关系安顿在一定位置上，实当前一定载荷条件下微小运动和复杂运动，它是机电一体化基本，起着支撑系统中其她功能单元、传递运动和动力作用。 机械本体就像人身躯骨架，是运动机械实现柔性化和智能化直观体现。 在全自动洗衣机设计里面，机械本体重要涉及机械支撑系统、洗涤脱水系统、进水排水系统和传动构造。 机械支撑系统:全自动洗衣机采用一种弹性支撑构造，如左图所示；洗涤脱水系统：它重要有盛水桶，洗涤桶和波轮构成。盛水桶又称为外桶，重要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它重要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完毕洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用重要部件。按波轮形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。 排水进水系统：波轮式全自动洗衣机进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多水位开关是空气压力式开关，重要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3某些构成，用来监视水位高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上自动进水开关，它受水位开关动断触点控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上自动排水装置，同步还起变化离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里水就流不出去了。 传动构造：传动构造中，波轮轴总成是核心某些。四 执行与驱动单元 执行与驱动单元涉及执行元件及其驱动电路，其功能是依照控制信息和指令完毕所规定动作，将各种形式能量转换为机械能，带动机械机构完毕规定机械运动。驱动方式按动力源不同可分为：液压、气压、电动三种，例如数控机床主轴电机、进给电机及其实现功率放大驱动电路模块等。执行元件在机械一体化系统或产品中，作用相称于人体中四肢，可在大脑控制下完毕各种动作。机电一体化系统一方面规定执行与驱动单元具备高效率和迅速响应等特性，同步有规定其对水、油、温度、尘埃等外部环境适应性和可靠性。由于电子电力技术高速发展，高性能步进电机、直流和交流伺服驱动电机将大量应用于机电一体化系统。电机是自动洗衣机心脏，是整个洗涤工作动力来源。工业上用电机各式各样，规格型号数不胜数，其中按使用电源可以分为交流电机和直流电机两种。交流电机又分为异步电机和同步电机。洗衣机上所用到电机是单相电容起动运转式异步电机，使用220v交流电源。全自动洗衣机上使用电机输出功率普通150W以上，配12F以上电容器。这种电机特点是启动转矩大，过载能力强，可以充分满足洗衣机负载频繁变化使用规定。在洗衣机中使用电机都要配接电容器。电容器作用是加大电机起动转矩和工作转矩，它还起拟定旋转方向作用。在洗衣机中使用电容器普通都是纸介质或塑料介质。电容器容量大小一定要按照电机规定选配，容量大了，容易使电机升温过高，缩短电机寿命；容量小了，会减少电机起动转矩和过载能力。电容器电压也要按照电机标牌规定选配，普通洗衣机电机对电容器规定电压为400伏到450伏交流电。 波轮式全自动套桶洗衣机电动机及传动系统重要由电动机和离合器构成，离合器又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮转速和脱水时离心桶转速相似，当前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮转速较慢，而脱水时离心桶转速较快。电动机同步作为洗涤和脱水时动力源，普遍采用主，副绕组完全对称电容式电动机。由于普通全自动套桶洗衣机额定洗涤容量较大，因而电动机功率较大。采用减速离合器全自动套桶洗衣机传动系统原理如图所示：电动机与固定在离合器下端大传动带盘之间用V带传动。经第一级减速后大传动带盘得到150r/min转速。当洗衣机处在洗涤或漂洗状态时，再经离合器内部行星齿轮减速后，使波轮得到175r/min低转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。当洗衣机处在脱水状态时，离合器输出是未经减速850r/min高转速，驱动脱水桶和波轮作同步高速运转。对于使用普通离合器小波轮套桶洗衣机来说，有区别仅仅是离合器内部没有行星齿轮减速机构，因而在洗涤或漂洗时其波轮转速与脱水时转速时相似。五控制与信息解决单元 控制与信息解决单元是机电一体化系统核心单元。其功能是将来自各传感器检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，依照信息解决成果，按照一定程序发出相应控制信号，通过输出接口送往执行元件，控制整个系统有目运营，并达到预期性能。控制与信息解决单元普通由计算机、逻辑电路、AD与DA转换，I/O(输入与输出）和计算机外部设备等构成。例如，数控机床中数控装置CPU板、CRT显示屏、键盘及打印机等，其作用正如人大脑同样。机电一体化系统对控制和信息解决单元基本规定是：提高信息解决速度和可靠性，增强抗干扰能力，完善系统自诊断能力，实现信息解决智能化和产品小型、轻量、原则化等。1.控制规定:PLC投入运营，系统处在初始状态，准备好启动。（1） 按下启动按钮及水位选取开关，开始进水加洗衣粉，水满（即水位到达高低）时停止进水，开始洗涤。（2） 洗涤时，正转20秒后暂停，暂停3秒后开始反转洗涤，反转洗涤20秒后暂停，暂停3秒。（3） 如此循环3次，洗涤结束。然后排水，当水位下降到低位时进行脱水并继续排水。脱水时间是10秒，这样完毕一种大循环。（4） 整个洗涤为3次大循环，一次为加洗衣粉， 两次净水洗涤，通过3次大循环后洗衣结束，并且报警。（5） 报警10秒结束全过程，自动停机。（6） 此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按钮可停止进水、排水、脱水及报警。2.I/O地址分派依照洗衣机操作工艺过程及对控制系统规定，一方面归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后依照PLC输入点和输出点进行I/O地址分派，使每个输入信号相应PLC内部输入继电器，每个输出信号相应PLC内部输出继电器。PLC洗衣机控制I/O地址分派如表所示:3.全自动洗衣机工作顺序分析 PLC 投入运营，系统处在初始状态，准备好启动。按下启动按钮时开始进水，水满(即水位到达高水位)时停止进水，2s后开始正转洗涤。正转洗涤20s后暂停，暂停3s后开始反转洗涤。反转洗涤20s 后暂停，暂停3s 后，若正、反洗涤未满3次，则返回从正转洗涤开始动作；若正、反洗涤满3 次时，则开始排水。排水水位若下降到低水位时，开始脱水并继续排水。脱水10s即完毕一次从进水到脱水工作循环过程。若完毕了3 次大循环，则进行洗完报警。报警10s结束所有过程，自动停机。若按下停止按钮，可以手动排水和手动脱水。