机电一体化系统设计报告

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

指导教师：史丽晨

小组成员：蒋友列120740216

景军军120740217

琪120740219

卢科峰120740220

目录

§1.机电一体化系统概述

§2.机电一体化的系统构成

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、控制与信息处理单元

任务分配

●蒋友列——汇总、传感与检测单元

●景军军——执行与驱动单元、控制与信息处理单元●琪——动力能源单元

●卢科峰——机械本体

机电一体化系统设计报告

——家用全自动洗衣机的系统设计分析§1.机电一体化系统概述

“机电一体化”的英文名词是“mechatronics”，20世纪70年代初起源于日本，由机械学（mechanics）和电子学（electronics）两个次组合而成，表示机械学与电子学两种学科的综合。

机电一体化含有产品与技术两个方面的容。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、使用和发展的技术。其次是机电一体化产品，该产品主要是机械系统与电子系统用相关软件有机结合而构成的新的系统，且赋予其新的功能和性能的新一代产品。

机电一体化系统（或产品）的形式多种多样，功能也各不相同。一个较完善的机电一体化系统，包括以下几个基本要素：机械本体、动力能源、传感与检测、执行与驱动、控制与信息处理等，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的多个子系统。这些基本要素的功能实例如下图：

机电一体化的关键技术有：机械技术、计算机信息处理技术、传感检测技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总成技术。机电一体化技术与相关学科、技术、行业的结合关系图如下：

§2.机电一体化的系统构成

一．动力能源单元

（一）机电一体化系统中的动力源概述

机械运动是将其他形式的能量转换成机械能，动力能源单元的功能是按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供能量和动力，克服各种载荷去驱动执行机

构，完成信息处理使系统正常运行，能源包括电能、气能以及液能等。例如，数控机床的动力主要来自于电能。机电一体化产品的动力部分，就像人体的脏产生能量来维持人的生命、思维和运动一样。机电一体化系统的显著特征之一，是用尽可能小的动力输入获得尽可能大的功能输出，不但要求驱动效率高、反应速度快，而且要求对环境适应性强、可靠性高、方便维修和回收等。

（二）全自动洗衣机的动力源

常用全自动洗衣机（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）机电一体化系统中的传感器概述

机电一体化系统中，传感器与检测单元的功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。测试传感部分的功能一般由专门的传感器和仪表来完成，再通过相应的信号检测装置将其反馈给信息处理与控制单元。检测传感装置相当于人体的感受器官，将外界信息传输给大脑，因此，传感器的精度决定了系统精度的上限，传感器的技术水平制约着整个机电一体化技术的发展。

（二）传感器的性能指标

1.静态特性：是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数

有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

2.动态特性：是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

3.线性度：通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的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的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。迟滞可由传感器部元件存在能量的吸收造成。

5.灵敏度：是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电

压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量围愈窄，稳定性也往往愈差。

6.分辨力：是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。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，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

（三）全自动洗衣机中的传感器

1.水位传感器

水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。对于模糊控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,故常采用谐振式水位传感器。谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC参数的变化,最终以频率参数输出。其工作原理是:将水位的高低通过导管转换成一个测试腔气体变化的压力,驱动腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的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,电感与电容组成的三点式振荡电路经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.水位传感器的测量电路如下图：

2.光传感器

光传感器即洗净程度传感器。人工洗衣时可以随时用眼睛检查衣物是否洗净,但在洗涤桶的衣物不断地进行翻滚运行, 无法直接检测衣物的洗净程度。全自动洗衣机通过采用光传感器检测洗涤液的透光率, 从而间接检测了洗净程度二在

洗衣机排水管两侧分别安装红外发光管和光电接收管。洗涤前、排水管中充满清水, 光电接收管受光导通,以此时光敏三极管输出电压为设定值。洗涤开始后, 衣物的污垢不断地扩散到洗涤液中,洗涤液逐渐变浑浊,致使透光率降低,相应地光

敏三极管的输出电压也随之下降。经过一段时间后, 该输出电压趋于稳定值, 洗涤过程结束，然后进人漂流阶段。光传感器的检测头由发光二极管和光敏三极管组成，分别安装在排水阀之前的排水口左右对称两侧。为了防止天然水中的淡黄色和淡绿色以及自然背景光对检测结果的干扰，用国产砷化镓红外发光二极管，其光谱如下图，接收端用硅光电三极管，其光谱如下图，因为在同样的发光二极管驱动电流作用下，光敏三极管所能接收到的光信号与检测头之间的介质有关。

为了克服发光二极管、光电三极管的老化和不一致以及长期运行之后在检测窗口所存污垢的不利影响，因此用下图所示的接口电路。

光传感器的工作原理为发光二极管发出的光透过洗涤液照射到光敏三极管的基极，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。在将电压的变化传到PLC中从而实现洗涤时间、漂洗时间和脱水时间的长短并自动选择漂洗次数以及自动判断排水是否结束等。

3.布量传感器

布量传感器其原理如下：在波轮空转时，电机要有一定的电流强度。在洗涤桶放人适量的水后，再开动电动机，这时桶的波轮要推动水流翻滚，由于水对波轮的阻力，电动机中的电流会有所增加，但水的阻力是相对均匀的，使电机的电流也是稳定增加的。如果这时我们再加入衣物后，电流的增加就不再是稳定的了。其原因很简单，因为衣物在水中的位置是浮动的，所以波轮对它的推动力是变化的，这样也就导致了电动机所需的动力是变化的，最终使电动机电流值的增加也有一定的波动围。如果所洗的衣物吸水性越强，则水中运动需要的力量就越大，电动机电流的变化围也就越宽，反之，洗衣物的吸水性弱，则电流的变化围就变窄。所以通过测定电动机电流和波动的大小，即可判断出洗衣物的种类及重量。按照这些对应关系，编好程序，程控器即可自动确定洗涤时的水流强弱和确定洗涤时间的长短。

4.其他传感器

(1).水温传感器：可以根据环境温度和

水温，自动决定洗涤时间。

(2).混浊度传感器：该传感器主要通过

检测被洗衣物的赃污程度、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，机械本体主要包括机械传动机构

和机械结构装置。其主要功能是使各

子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，实现在一定的载荷条件下的微小运动和复杂运动，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。

机械本体就像人的身躯骨架，是运动机械实现柔性化和智能化的直观体现。

在全自动洗衣机的设计里面，机械本体主要包括机械支撑系统、洗涤脱水系统、进水排水系统和传动结构。

机械支撑系统:全自动洗衣机采用一种弹性支撑结构，如左图所示；

洗涤脱水系统：它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。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，也称为桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm

左右）的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的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶的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的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，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，洗衣机里的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，洗衣机里的水就流不出去了。

传动结构：传动结构中，波轮轴总成是关键部分。

四．执行与驱动单元

执行与驱动单元包括执行元件及其驱动电路，其功能是根据控制信息和指令完成所要求的动作，将各种形式的能量转换为机械能，带动机械机构完成规定的机械运动。驱动方式按动力源的不同可分为：液压、气压、电动三种，例如数控机床的主轴电机、进给电机及其实现功率放大的驱动电路模块等。执行元件在机械一体化系统或产品中，作用相当于人体中的四肢，可在大脑的控制下完成各种动作。机电一体化系统一方面要求执行与驱动单元具有高效率和快速响应等特性，同时有要求其对水、油、温度、尘埃等外部环境的适应性和可靠性。由于电

子电力技术的高速发展，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。

电机是自动洗衣机的心脏，是整个洗涤工作的动力来源。工业上用的电机各式各样，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。洗衣机上所用到的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的电机输出功率一般150W以上，配12μF以上的电容器。这种电机的特点是启动转矩大，过载能力强，可以充分满足洗衣机负载频繁变化的使用要求。

在洗衣机中使用的电机都要配接电容器。电容器的作用是加大电机的起动转矩和工作转矩，它还起确定旋转方向的作用。在洗衣机中使用的电容器一般都是纸介质或塑料介质的。电容器容量的大小一定要按照电机的要求选配，容量大了，容易使电机升温过高，缩短电机寿命；容量小了，会降低电机的起动转矩和过载能力。电容器的电压也要按照电机标牌的要求选配，一般洗衣机电机对电容器的要求电压为400伏到450伏交流电。

波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，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的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目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，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理如图所示：

电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用V带传动。经第一级减速后大传动带盘得到150r/min的转速。当洗衣机处于洗涤或漂洗状态时，再经离合器部的行星齿轮减速后，使波轮得到175r/min低转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。当洗衣机处于脱水状态时，离合器输出的是未经减速的850r/min的高转速，驱动脱水桶和波轮作同步高速运转。对于使用普通离合器的小波轮套桶洗衣机来说，有区别的仅仅是离合器部没有行星齿轮减速机构，因此在洗涤或漂洗时其波轮的转速与脱水时的转速时相同的。

五．控制与信息处理单元

控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。其功能是将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行元件，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。控制与信息处理单元一般由计算机、逻辑电路、A\D与D\A转换，I/O(输入与输出）和计算机外部设备等组成。例如，数控机床中数控装置的CPU板、CRT显示器、键盘及打印机等，其作用正如人的

大脑一样。机电一体化系统对控制和信息处理单元的基本要：提高信息处理速度和可靠性，增强抗干扰能力，完善系统自诊断能力，实现信息处理智能化和产品小型、轻量、标准化等。

1.控制要求:

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。

（1）按下启动按钮及水位选择开关，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，这样完成一个大循环。

（4）整个洗涤为3次大循环，一次为加洗衣粉，两次净水洗涤，经过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地址分配

根据洗衣机操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC部的输入继电器，每个输出信号对应PLC部的输出继电器。PLC洗衣机控制的I/O地址分配如表所示:

3.全自动洗衣机的工作顺序分析

PLC 投入运行，系统处于初始状态，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的动作; 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即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。若完成了3 次大循环，则进行洗完报警。报警10s 结束全部过程，自动停机。若按下停止按钮，可以手动排水和手动脱水。