超聲波洗碗機的結構設計含9張CAD圖,超聲波,洗碗機,結構設計,cad 人工神經網(wǎng)絡超聲波測試電阻點焊的質量控制 óscar Martín*, Manuel López, Fernando Martín 西班牙巴利亞多利德大學 摘 要 人工神經網(wǎng)絡通過脈沖反射波的方法來解釋超聲波波形圖的獲得問題。人工神經網(wǎng)絡分類根據(jù)在幾個不同性質階段其焊接處斑點耐性超聲波示波圖來決定?；贛ATLAB?計劃的幫助下，投入人工神經網(wǎng)絡的載體在每個超聲波波形圖中通用。人工神經網(wǎng)絡的培訓利用監(jiān)督學習的機制，因此每個輸入都對應各自的輸出(目標)。有四個目標，一是審議質量水平?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)集隨機分為訓練集(更新權重值)和一個驗證子集(以防止過度的方式交叉驗證)。在一些神經元的隱層考慮選擇過度的現(xiàn)象。這項研究工作的目的是促進自動化，在質量控制過程中保障電阻點焊的質量。 ? 2006 Elsevier B.V. 版權所有。 關鍵詞：電阻點焊；無損檢測；超聲波示波圖；質量控制；人工智能網(wǎng)絡 22 1. 導言 電阻點焊(RSW)廣泛應用于汽車行業(yè)焊接加工鋼板[1,2]。利用可靠的質量控制系統(tǒng)的最優(yōu)化和精致調諧可以大量減少焊接斑點， 脈沖回波法是一種超聲波非破壞性測試技術適用于質量控制的RSW[5,6]。通過這個方法獲得每個點焊超聲波波形。估算質量水平的上述點焊。超聲波波形有時很難解釋，由一個人或幾個專家很長一段時間的研究一再解釋示波圖。 自動化的解釋超聲波示波圖將提高科技應用質量?？刂菩阅艿腞SW 。人工神經網(wǎng)絡(ANN) 這是數(shù)學模型的行為模仿人類中樞神經系統(tǒng)，從而有一個平行的，分散性和適應性，加工能力映射的非線性和復雜系統(tǒng)，其中回歸方法有其局限性[8-10]。出于這個原因，人工神經網(wǎng)絡被廣泛應用于模式識別任務[11-15]。解釋每個超聲波形，以各自的分類點焊某質量水平，是一個模式識別問題，因此神經網(wǎng)絡建議進行自動化的解釋超聲波示波圖。 一個人工神經網(wǎng)絡，就像一個人，學習的方式培訓。 有監(jiān)督學習機制中使用的培訓人工神經網(wǎng)絡在其中一組輸入/目標對利用(一的目標是所需輸出各自有一定的輸入)。在培訓， 突觸權重(每一個環(huán)節(jié)有一個神經元之間突觸重量附加)不斷調整，以減少錯誤。實驗之間的產出和各自的目標，直到一定值的誤差不在實現(xiàn)[16]。 2. 實驗程序 2.1 材料和設備 化學成分和力學性能的鋼板分別顯示在表1和表2。板厚度為1毫米。在電阻點焊進程中的參數(shù)(單相交流50赫茲設備)： 表1化學組成鋼板(wt.％) 表2力學性能的鋼板 ?電流強度變化在4到8KA RMS[17,8]之間。記錄的作用圍繞五個理論上的值(4，5，6，7和8KA RMS)。 ?焊接時間變化在4到20周期[17,18]。該記錄的值圍繞九個理論值(4，6，8，10，12，14，16，18和20周期)。 ?電極排序取決于銅合金分類及用于合金的熱/機械治療。選用兩個銅合金種類(Cu-Cr合金和銅-鋇[18])三個熱/機械治療[19,20]，因此有6個電極種類。 ?電極力穩(wěn)定在980.7 N。 超聲波點焊檢測傳感器采用延遲圈養(yǎng)水柱和一個替換用的橡膠膜，以對焊縫表面提供良好的耦合。傳感器頻率為20MHz，直徑為4.5毫米。 2.2 投入的人工神經網(wǎng)絡 二進制信號與每個超聲波波形圖之間的轉化在輸入的人工神經網(wǎng)絡通過一個基于MATLAB?計劃[4]。輸入的人工神經網(wǎng)絡必須代表各自的超聲波波形[15]，因此，轉型計劃必須考慮主要因素的特點，即描述超聲波波形圖[5]： 衰減的超聲波和一個層回聲是最主要的回聲(超聲波束引起的反映是發(fā)生在接口兩張薄板之間)。另一方面，輸入絕不能太復雜，以避免人工神經網(wǎng)絡復雜化和使用冗余數(shù)據(jù)。 對超聲波波形的決定，取決于投入大小是多少。少于6個回波，則太少不具有代表性。超過六個的回聲，則沒有研究的意義。因此，折中的解決辦法是取前6個超聲回波波形和投入人工神經網(wǎng)絡的10部分矢量。見圖1)： 圖1 輸入的 ANN與其各自的超聲波波形圖 ?首五個組成部分的相對高度的回聲：在第n個組件。 ?在過去的五年組件之間的距離連續(xù)回聲：在第n個組成部分(n=6，…，10)之間的距離(n-4)次回聲在(n-5)次回聲的dn-5次。 2.3 現(xiàn)場焊接的分類和鑒定的超聲檢測 質量水平的點焊估計其各自的超聲波形。估計是基于效果的焊核的位置焊縫的超聲波。兩個參數(shù)的焊核被認為是[5]： ?焊核的組織。阿焊核是鑄態(tài)組織與粗顆粒比母材，因此，焊核生產高衰減比母材。熱影響區(qū)(HAZ組織)是一個小區(qū)域之間的焊核及家長金屬。是的熱影響區(qū)再結晶組織與罰款和等軸晶，生產低衰減。的影響，在各自的焊接超聲波波形可以忽略不計。 ?焊核的大小。單層回聲之間似乎主要反映如果焊核直徑小于寬度的超聲束，以便思考的一部分，發(fā)生在兩圖之間的接口表。厚焊核產生更高的衰減比薄焊核?，F(xiàn)場焊接分為四種可能的質量水平[5,21]和目標(一雙組分載體)是分配給每一個[22]： ?良好的焊接：(11)； ?焊縫尺寸不足：(01)； ?棒焊縫：(10)； ?無需焊接：(00)。 2.3.1 良好的焊接 (1) 焊核。在鑄態(tài)組織的焊核呈粗顆粒狀。焊核的密度足以產生高度的衰減。焊縫塊直徑大于超聲束的寬度(圖2和3)。 圖2 良好焊接橫截面顯微顯示 圖3 良好焊接橫截面顯微顯示 (2) 超聲波波形。連續(xù)的回聲很短，這是因為高級聲音衰減的鑄態(tài)顯微結構的厚焊核，在連續(xù)回波之間的距離是兩層的合并厚度，因為超聲波束反射發(fā)生在兩層回聲的外表面(圖4)。 圖4 良好焊接的超聲波波形圖(左)及各自的人工神經網(wǎng)絡輸入值(右) 2.3.2根據(jù)大小焊接 (1) 焊核。焊縫塊是鑄態(tài)顯微結構。焊縫塊直徑小于寬度的超聲束(圖5和圖6)。 圖5 小尺寸焊接橫截面顯微顯示 圖6 小尺寸焊接橫截面顯微顯示 (2) 超聲波波形圖。發(fā)生在兩層主要回聲上升一層次回聲的接口的超聲波束的反映(圖7)。 圖7 小尺寸焊接超聲波波形圖(左)及其各自人工神經網(wǎng)絡輸入值(右) 2.3.3 棒狀焊縫 (1) 焊核。焊核是鑄態(tài)顯微組織，它比焊核的良好的焊縫更薄。焊核直徑大于超聲束的寬度(圖8和9)。 圖8 棒狀焊縫橫截面顯微顯示 圖9 棒狀焊縫橫截面顯微顯示 (2) 超聲波波形。在良好的焊接中連續(xù)的回聲相對更長這是因為其衰減較慢?；芈曋g的距離為這兩層的厚度(圖10)。 圖10 棒狀焊接超聲波波形圖(左)及其各自人工神經網(wǎng)絡輸入值(右) 2.3.4 無焊縫 (1) 焊核。沒有溶化所以它的顯微組織不是那么的粗糙(圖11和12)。 圖11 無焊縫橫截面顯微顯示 圖12 無焊縫橫截面顯微顯示 (2) 超聲波波形圖?；夭ㄐ蛄惺亲铋L的，因為聲音衰減非常低。因為兩層中間的斷痕回聲之間的距離等于厚波層厚。 圖13 無焊縫示波圖及其輸入值 2.4 人工神經網(wǎng)絡模型 2.4.1訓練算法 神經網(wǎng)絡工具箱在MATLAB? 6.1軟件包用于模擬人工神經網(wǎng)絡[23,24]。 在目前的工作，用于反向傳播的多層前饋神經網(wǎng)絡。 對于一支M層人工神經網(wǎng)絡(包括輸入層)，輸出層神經元/層k+1是[25]： 其中，a1=i, aM=o Sk是k層神經元的數(shù)目，ωk+1(l,j)是突觸的重量，fk+1是k+1層轉移功能，i和o分別是人工神經網(wǎng)絡的投入和輸出。 Levenberg - Marquardt算法(在MATLAB?稱為trainlm)是用來訓練人工神經網(wǎng)絡[16,23,24]。該算法的過程如下[25-27]： (I) 所有投入I q的人工神經網(wǎng)絡和計算各自的輸出oq和錯誤eq都有各自的對象tq： eq =tq-oq, q=1,…,Q (3) (II) 計算錯誤值的平方和V(x)，其中x是突觸權重和偏見： (III) 計算Jacobian矩陣的J(x)： (IV) 取得△x： (V) 重復計算V(x)使用x+△x。如果這一新的V(x)小于步驟一的計算值，然后系數(shù)β劃分μ，設△x=x+△x回到步驟一，如果V(x)沒有減少，那么μ乘以β并返回步驟四(μ=10-3作為出發(fā)點和β=10)。 (VI) 同理，當V( x )減少到某些錯誤目標或當規(guī)范梯度小于一些預定值。得到如下公式： 2.4.2 人工神經網(wǎng)絡結構式樣 執(zhí)行點焊接的數(shù)目是438超聲波示波圖來源于每個點焊。 人類專家解釋438波形圖并指派了一個目標，驗證拉伸剪切試驗[28-30]抽樣的10點為焊接的質量水平，分別是： ?良好的焊接：100％(圖14，曲線(a))。 ?尺寸不足焊縫：100％(圖14，曲線(b))。 ?棒狀焊縫：80％。有時從棒狀焊縫很難區(qū)分焊接的好壞。事實上，這兩個錯誤是兩個很好的焊接(圖14，曲線(c))。 ?無焊縫：100％(圖14，曲線(d))。 圖14 荷載與位移曲線獲得拉伸剪切試驗 (a)良好的焊接，(b)小尺寸焊接，(c)棒狀焊接，和(d)無縫焊接。 過度的現(xiàn)象可能會出現(xiàn)在訓練時，人工神經網(wǎng)絡記憶功能部分的訓練數(shù)據(jù)，而不是建設投入產出映射。因此，過度的現(xiàn)象能夠引起向下拉的能力的人工神經網(wǎng)絡的推廣。這些數(shù)據(jù)組織輸入/目標。總數(shù)據(jù)有438組并且隨意的分布在兩組子集中： ?培訓子集。通過376輸入/目標訓練的人工神經網(wǎng)絡(Q=376)。在培訓中，突觸重量不斷更新，以減少錯誤功能。 ?驗證子集。通過62輸入/目標避免過度和實現(xiàn)良好的泛化方式的交叉驗證。如果錯誤則培訓停止，對驗證集開始增加(早期停止)。這一程序運行與培訓程序，但突觸權重不更新。 在一些神經元的輸入和輸出層的人工神經網(wǎng)絡，分別為10和2(S1=10; S4= 2)。有兩種隱層(M= 4)在每一個同樣數(shù)量的神經元中。傳遞函數(shù)(f2,f3)的隱藏層(圖15)是雙曲正切函數(shù)(在MATLAB?中稱為tansig)，傳遞函數(shù)f4為輸出層(圖15)的身份功能(在MATLAB?中稱為purelin)[23,24]。為了確定隱層神經元數(shù)目，有必要考慮如果太少，神經元用人工神經網(wǎng)絡是不是能夠符合輸入輸出映射，但如果太多，可能會發(fā)生許多神經元的過度使用[26]。均方誤差(均方差)是減少單調與越來越多的隱層神經元。驗證微型和小型企業(yè)減少最初越來越多神經細胞中的隱層，只有在一定的價值達到時才審定微型和小型企業(yè)增加由于過度的現(xiàn)象[24]。表3顯示，某些核心價值的神經元的隱層是7(S2=7；S3=7)。 表3 隱層神經元的測定數(shù)目 圖15 雙曲線正切函數(shù)和恒等函數(shù) 3. 實驗結果 這樣做的目的是讓一支訓練有素的人工神經網(wǎng)絡能夠進行專家的職能和從各自超聲波波形圖分類現(xiàn)場焊接的質量，因此人工神經網(wǎng)絡必須有一個合適的功能進行推廣。 62輸入向量用于交叉驗證，用以推廣以前訓練的人工神經網(wǎng)絡。 實驗結果是雙組分載體。一個組成部分值在1 ±δ區(qū)間被視為1和一個組成部分的值在0 ±δ區(qū)間被視為0。其他值的組成部分被視為無效[22](圖16)。 圖16 有效性間隔組成部分輸出載體 62輸入向量顯示人工神經網(wǎng)絡每個實驗輸出向量與其各自的目標比較(表4顯示每一比較，它的成功，√，或失敗，×)。在這些比較中，成功率取決于它的準確程度，因此，依賴于區(qū)間半徑(δ)(圖17)。如果δ>0.25，成功率為100％(圖17)。 一個明確的人工神經網(wǎng)絡的分類是非常重要的，它比一個好的成功率更重要。人工神經網(wǎng)絡能夠區(qū)分實驗輸出載體是0和1之間的值。以及遠離其各自的目標值≥ 0.5的情況。δ =0.5時毫不含糊的人工神經網(wǎng)絡的成功率為100％(圖17)。 有時候專家很難區(qū)分無縫焊接的好壞。這個問題可能會導致嚴重挫折。人工神經網(wǎng)絡能夠區(qū)分不同質量水平的兩個類似的現(xiàn)場焊接(一個很好的焊縫和棒狀焊接)，顯示了良好的容錯性。 圖17 成功率與間隔半徑 表4 人工神經網(wǎng)絡中62輸入向量訓練數(shù)據(jù)分類 4. 實驗結論 這項工作是實現(xiàn)超聲波無損檢測，質量控制，電阻點焊。神經元模型已經顯示出其作為一種工具來進行自動化分類有效性，電阻點焊焊接通過各自波形圖獲得超聲檢測進行質量控制： ?通過人工神經網(wǎng)絡能獲得良好的結果的分類。人工神經網(wǎng)絡適應性強，具有高度的健全性，因此它能夠推廣。 ?選擇的重要性在人工神經網(wǎng)絡的輸入中顯得尤為重要，通過10個組分載體作為超聲波波形圖的代表，包含相對高度的回聲和連續(xù)之間回聲的距離，是適當?shù)摹? 參 考 文 獻 [1] M.Jou. 實時監(jiān)測焊接質量的電阻點焊制造, J.Mater出版社, 132 (2003) 102-113 [2] S.Agashe, H.Zhang. 選擇的基礎上熱平衡點焊. J.82 (7) (2003) 197s-183s [3] E. Bayraktar, D. Kaplan, M. Grumbach. 應用影響拉伸測試點焊表. J. Mater. 出版社, 153-154 (2004) 80-86 [4] O.Mart′?n, PhD Thesis. Ciencia de los Materiales e Ingenier′?a Metal′urgica. 巴利亞多利德大學, 2004 [5] T.Mansour. 超聲波檢測現(xiàn)場焊接. 美國工業(yè)的無損檢測. 美國，1991, pp. 557-568 [6] D.J.Spinella, J.R.Brockenbrough, J.M. Fridy. 趨勢鋁電阻點焊的汽車業(yè), 焊接. J.84 (1) (2005) 34-40 [7] R.Jordan, F.Feeney, N.Nesbitt, J.A.Evertsen. 分類樹種的神經網(wǎng)絡分析的超聲波信號. 超聲波, 36 (1998) 219-222 [8] K.Hornik, M.Stinchcombe, H.White. 多層前饋網(wǎng)絡神經, 2 (1989) 359-366 [9] N.S.Reddy, A.K.P.Rao, M.Chakraborty, B.S.Murty. 預測中的晶粒尺寸對Al-7Si合金的神經網(wǎng)絡. 材料, Sci. Eng. A 391 (2005) 131-140 [10] A.Jiahe, X.Jiang, G.Huiju, H.Yaohe, X.Xishan. 人工神經網(wǎng)絡預測的微觀結構60Si2MnA棒根據(jù)其控軋控冷工藝參數(shù). 材料, Sci.Eng.A 344 (2003) 318-322 [11] R.H.Silverman, A.S. Noetzel. 圖像處理和模式識別神經, 3 (1990) 593-603 [12] A.Roy, P.Barat, S.K. De. 材料的分類. 通過神經網(wǎng)絡. 超聲波, 33 (1995) 175-180 [13] R.Wendel, J.Dual. 應用神經網(wǎng)絡在定量無損評價. 超聲波, 34 (1996) 461-465 超聲波洗碗機的結構設計 THE STRUCTURE DESIGN OF ULTRASONIC DISHWASHER 摘要 在科學技術不斷提升和經濟快速發(fā)展的現(xiàn)代社會，各種各樣的新式電器開始出現(xiàn)在人們的生活中，它們也在逐漸融入現(xiàn)代家庭，為人們帶來便利。相比于老式電器新型電器更高效，更節(jié)能，更環(huán)保。在這個大環(huán)境下，中國也在大力發(fā)展家用電器行業(yè)，在不斷的競爭淘汰之后留下了一批具有國際影響力的企業(yè)。Haier就是其中的佼佼者?，F(xiàn)在中國的大部分家庭中都有一兩臺電視機、洗衣機或冰箱，但是人們對于家用洗碗機還是處于一種比較陌生的狀態(tài)。洗碗機在中國的家用電器行業(yè)可以說是一片還沒開發(fā)好的新領域。其實我們不難發(fā)現(xiàn)其中的原因，人們印象中的洗碗機都是用噴臂渦輪進行水流沖洗，這對中式餐具的特殊結構并不適用。這直接造成了洗碗機清洗效果差，效率低下，能耗較高，不受消費者的歡迎。為了改變洗碗機人們腦海中的尷尬印象，提高洗碗機的清洗能力我們需要更好的清洗機構，超聲波洗碗機的概念從此而生。超聲波洗碗機能在三個方面對傳統(tǒng)洗碗機進行改良。在結構上超聲波洗碗機的清洗槽選用不銹鋼等不易磨損產生異味的材料，而噴臂輔助清洗裝置，進排水系統(tǒng)和超聲波清洗系統(tǒng)來提升清洗效果和優(yōu)化整體結構。在清洗工藝上，設定合理的的參數(shù)來保證清洗效果。 關鍵詞 超聲波；洗碗機；結構設計 Abstract Improve the science and technology and rapid economic development of modern society, all kinds of new electrical began to appear in people's life, they are gradually integrated into the modern family, bring convenience for people. It is more efficient, more energy efficient, and more environmentally friendly than the new electric appliances. In this environment, China is also vigorously developing the household appliance industry, leaving behind a batch of internationally influential enterprises after the continuous competition. Haier is one of the best. Most families in China now have one or two TV sets, washing machines or refrigerators, but people are still in a strange state about the household dishwasher. Dishwasher in China's household appliances industry is a new area that has not been developed. It is not hard to see why, as the impression of dishwashers is washed with the spray arm, which is not suitable for the special structure of Chinese tableware. This directly results in poor cleaning effect, low efficiency and high energy consumption, which is not popular with consumers. In order to change the embarrassing impression of the dishwasher, we need better cleaning mechanism and the concept of ultrasonic dishwasher is born. The ultrasonic dishwasher can improve the traditional dishwasher in three ways. On the structure of ultrasonic dishwasher cleaning trough selects produce peculiar smell not easy to wear and tear of material such as stainless steel, spray cleaning device for auxiliary arm, into the drainage system and ultrasonic cleaning system to improve the cleaning effect and optimize the whole structure. In the cleaning process, set reasonable parameters to ensure the cleaning effect. Keywords ultrasonic dishwasher the design of overall structure ; IV 目 錄 摘要 I Abstract II 1 前言 1 1.1 超聲波洗碗機簡介 1 1.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3國內發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.4國內主流產品 3 2超聲波清洗原理及方案設計 4 2.1超聲波清洗原理 4 2.1.1概述 4 2.1.2超聲清洗的工作機制 4 2.1.3 超聲空化閥值 6 2.2 超聲波洗碗機方案設計 7 3超聲波清洗參數(shù) 9 3.1 聲強 9 3.2頻率 9 3.3 清洗液 9 4超聲場相對空化強度 10 4.1空化強度測量方法原理 10 4.2空化強度測量 10 4.2.1數(shù)據(jù)擬定 11 4.2.2實驗結論 11 5超聲波重要參數(shù)確定 13 5.1 清洗溫度，超聲波換能器功率，清洗時間 13 5.2 餐具的合理擺放 15 5.3 總結 15 6洗碗機整體結構設計 16 6.1 整體方案 16 6.2 外殼和碗籃 16 6.3 清洗槽 17 6.4 進排水系統(tǒng) 17 6.4.1 水位感應系統(tǒng) 18 6.5 加熱系統(tǒng) 18 6.6 門開關電路 19 6.7 噴臂系統(tǒng) 19 6.8 超聲清洗系統(tǒng) 20 6.8.1 超聲波發(fā)生器 20 6.8.2 超聲波換能器 21 6.9 總結 22 結論 23 致謝 24 參考文獻 25 1 前言 1.1 超聲波洗碗機簡介 餐后洗碗是大家每天都要做的一項家務，然而經濟的不斷發(fā)展，使餐桌上的食物越發(fā)豐富，洗碗似乎就成了一件必須做卻又讓人厭煩的事情。過多的油漬使得人們需要耗費更多的時間，這在如今快節(jié)奏的生活中所不能接受的。洗碗機能夠解放人們的雙手，使日常的生活變得更加愉悅舒適。然而普通的洗碗機費水又費電且需要專業(yè)的洗滌劑，清洗的結果有時又不讓人特別滿意，這無形中加大了人們的生活負擔。這種洗滌方式難以被人們所接受。 超聲波其實也是一種聲波，只不過它的頻率比較高，一般都在2000赫茲以上。它具有良好的方向性能，能夠穿透固液體，能夠很容易的得到聚集在一起的聲能量。超聲波能夠在液體體中廣泛傳播，且能傳到很遠的地方。這使它能在工農業(yè)上用來做很多事情，像是測距離，測速度、清洗物品等。因為超聲波具有很好的穿透能力，而且清潔沒有太大的污染，所以人們創(chuàng)新式的將超聲波作為洗碗機的清洗機構。超聲波洗碗機的概念就這么來了。 超聲波的清洗會受到許多的方面的影響。超聲波清洗的條件之一就是清洗的聲波強度必須要比空化閥（液體產生空化反應的最小聲壓）大，而且被清洗物品的材料也是影響清洗結果的一大因素。材料對聲強的反應越強，聲波清洗的效果就會越好，像金屬、玻璃一類的物品就比較適合用超聲波進行清洗。相對的，材料對聲強的反應越弱，聲波清洗的效果就越差，像布料膠質物品就不適合用超聲波進行清洗。由于我們是將超聲波利用在洗碗這件事上，清洗的主要物品都是大家常用的餐具像碗、碟一類的的東西。多數(shù)碗碟都是陶瓷，金屬和塑料的，它們的材料都是對聲強反應十分強烈的。用超聲波來對它們進行清洗理論上是十分有效的，清洗的成果是能夠保證的。清洗的介質也會對清洗成果造成影響。一般的清洗介質為水和化學清洗劑。其中化學清洗劑清洗效果好但對環(huán)境污染嚴重。水作為清洗劑有粘度小，利于清洗，對環(huán)境無污染等優(yōu)點。在水溫達到45攝氏度的時候，水作為清洗介質產生的空化作用最為強烈。 超聲波清洗將液體介質的空化作用發(fā)揮到極致，液體空化產生的沖擊力會對清洗物品的外表污物進行不斷撞擊，直至污物剝離。這樣的清洗過程十分快速，高效。更為重要的是超聲波清洗對于孔狀幾何形狀的物體的清洗效果也一樣出眾，清洗無死角。將超聲波應用在洗碗機上的這一想法是十分有用的。它作為健康環(huán)保的新型家用電器能夠解放人們的雙手，幫助人們更好的適應這個快節(jié)奏的社會。 超聲波洗碗機較常規(guī)洗碗機的幾大優(yōu)勢： 1、節(jié)約水電資源，低噪音。 2、清洗過程無死角，清洗過程快速高效。 3、無需專業(yè)的化學清洗劑，環(huán)保。 4、超聲波洗碗機的結構穩(wěn)定不復雜，經濟耐用 1.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 “德國的米勒公司于1929年制造出歐洲的第一臺家用洗碗機。隨后美國GE公司在1954年研制出第一臺電動洗碗機，其電動式的工作模式有效的提高了洗碗機的清洗效果，而且它在整機結構方面也有明顯提升，使得人機關系大為親密，更好的體現(xiàn)了洗碗機的實用性。洗碗機在西方開始流行開來。其中日本作為第一個研究洗碗機的亞洲國家，在經歷了一系列的研究之后于90年代末成功研制出了全自動洗碗機，進一步推動了洗碗機發(fā)展。在日本不斷研究提升洗碗機的性能的同時，歐洲的洗碗機市場已經發(fā)展的十分成熟，洗碗機正式成為歐美國家廚房的寵兒。”隨著國外的洗碗機市場發(fā)展的不斷完善，洗碗機開始成為國外家庭的必備廚房電器。日漸提高的市場需求使得企業(yè)研發(fā)生產新型洗碗機的熱情越發(fā)高昂。市場氛圍好，企業(yè)之間的不斷相互競爭使西方的洗碗機產業(yè)朝著好的方向持續(xù)前進。 在國外市場大規(guī)模流行的洗碗機多數(shù)是噴臂和渦輪式的，這兩種洗碗機由于技術的不斷成熟以及市場持續(xù)增長其生產成本比較穩(wěn)定，其售價也在大多數(shù)家庭所能接受的范圍內，而且這兩種洗碗機很適合西方餐具的清洗，清洗效果也能得到保證。21世紀的人們開始注重對環(huán)境的保護以及資源的節(jié)約，在這種觀念的推動下，西方國家已經研制出了超聲波洗碗機。這種洗碗機較傳統(tǒng)洗碗機有許多新技術上的優(yōu)勢，其消耗資源少且清洗的效率很高，最重要的是它十分環(huán)保不會產生二次污染，對于資源的節(jié)約和環(huán)境的保護具有十分很遠的影響。 1.3國內發(fā)展現(xiàn)狀 我國由于工業(yè)起步晚且底子較西方國家比較薄在80年代才開始研究生產家用洗碗機，然而由于技術的不成熟加之產品的定位不準確洗碗機沒能在國內流行開來。國內洗碗機的普及率遠遠低于其他家用生活電器。這其中有著許多的原因，我們可以分析一下。首先，我們國家的一些企業(yè)只看到國外洗碗機的龐大市場和高額利潤而盲目的將國外的品牌洗碗機的流水線引進中國，短時間內生產量達到了但是忽略了西方餐具與中國餐具的結構差異。即使在洗碗機結構上做出了一些改進，效果卻依然不明顯。其次是由于洗碗機的清洗效果達不到預期，效果差。為了達到清洗標準提高洗滌時間，這直接導致洗碗機的運行成本激增，已經不再是適合大眾家庭的經濟型家電，不被市場所歡迎。最后，傳統(tǒng)洗碗機的結構較為復雜，其體積都比較大，在當前經濟飛速發(fā)展房價日增的中國很難為其騰出安放空間。當然我國現(xiàn)在還在生產洗碗機的企業(yè)還有許多，其中Haier的洗碗機已經在市場上占據(jù)了一定份額。然而中國的電器市場是極為龐大的，這只是很少的一部分，大部分的洗碗機市場尚未被開發(fā)，亟待發(fā)展[2]。 1.4國內主流產品 在這里我們用Haier的洗碗機來作為代表進行研究。既然是選擇代表那我們就應該選擇在市場上相對來說比較受歡迎的機型來講解，如Haier6和4系列。? Haier4系列???Haier4系列包括了WQP4—2、WQP4—2000A和WQP4—3三個型號。這三種型號都采用了上下雙噴淋器結構，這種結構能夠使餐具上下部清洗同步，噴臂能夠噴射出高速的水流對餐具進行沖洗，這種設計在一定程度上能夠提高清洗效果，且因為是噴臂的直接沖洗清洗時間也會變短。Haier4的這三種型號的洗碗機都采用了外置過濾網(wǎng)的新式結構來方便使用者的操作。這種人性化的設計還額外加上了消毒功能。在安全性能上這三種型號的洗碗機也是很出色的，其警報系統(tǒng)會在運行過程出問題或是門存在異常的時候發(fā)出警報聲。? Haier6系列???Haier6系列包括WQP6—3、WQP6—2B、WQP6—2三個型號。這三種型號的洗碗機的外形都比較大，其高度達到了800毫米。這三種型號的洗碗機均采用方形內膽，噴臂系統(tǒng)在這種形狀的內膽中能夠發(fā)揮很高的作用。三款洗碗機創(chuàng)新式地設計出分離式的上下餐具架，且兩個餐架可以獨立工作。其干燥系統(tǒng)采用的是內循環(huán)式，通過空氣的不斷循環(huán)解決了餐具上冷凝水的殘留問題。6系列洗碗機利用新型磁化技術，防止油污堆積，而且能夠清除污跡。且清洗槽頂部設有水位感知系統(tǒng)防止水流溢出，提高安全性能。 從我國市場上流行的幾款家用洗碗機的性能上來看，大部分的企業(yè)已經意識到了中式餐具與西方餐具在清洗上的不同。??????? 但是我們依然能夠發(fā)現(xiàn)國內市場上洗碗機存在的問題。雖然企業(yè)在洗碗機的結構和性能上已經進行了一定的改良，但從總體上來說這些洗碗機還是不符合中式餐具的清洗特點，其清洗的結果還是不能讓中國廣大的消費者滿意。這就是國內的洗碗機市場久久不能快速發(fā)展的原因。其次就是因為洗碗機的水耗和電耗比較高。洗碗機的一次標準清洗過程時間過長。洗碗機的功率也較其它家用電器來說偏高，這種程度的能耗若長時間進行則不符合大多數(shù)家庭的消費水平。而且由于市場的未開發(fā)程度比較高各種品牌混雜，良莠不齊，消費者難以決斷。洗碗機在中國作為家用電器的新星價格不太親民，而且利用洗碗機清洗需要配合使用其專用清潔劑這也在另一方面提高了使用成本。而且這些化學清洗劑不僅價格高，對環(huán)境污染巨大。洗碗機的結構設計和它的內部材料也是其不受歡迎的一大原因。市場上的洗碗機的清洗內膽多為塑料所制，這種材料的洗碗機若經長時間的使用后油污不斷積累會變得十分油膩，十分難以清洗。這直接導致了“洗碗機洗碗，人洗洗碗機”這種本末倒置的奇怪現(xiàn)象[1]。所以綜上所述，我們需要更好的清洗機構。 2超聲波清洗原理及方案設計 2.1超聲波清洗原理 2.1.1概述 聲波是一種能夠被人耳聽到的一種縱波。聲波的頻率一般會在16到16000HZ范圍內。然而當聲波的頻率超過16000HZ的時候，人耳就無法感受到了，它已經超出一般人耳的聽范圍，此時它就被稱為超聲波。超聲波和聲波擁有同樣的特質，它們都可以在氣體，液體和固體中傳播[3]。 超聲波的主要特質如：（1）我們可以利用超聲波將能量進行運輸，超聲波承載能量得同時會對它所路過的東西上產生壓力。產生的壓力的數(shù)值越大代表超聲波承載的能量越大，相應的如果超聲波的頻率越高產生的壓力越大。（2）當我們利用液體作為超聲波的傳播介質時，由于超聲波承載能量它也會在傳播途徑中產生壓力，這種壓力會是液體介質產生振動。這樣就能夠在液體介質中不斷地形成壓縮區(qū)域和稀疏區(qū)域。在壓力的作用下，所以液體內會出現(xiàn)壓力正，負交變所引起的空化現(xiàn)象。空化現(xiàn)象持續(xù)的時間是很短的，而這樣短的時間內所產生的壓力是很大的。如果這種壓力作用在零件上足以使其遭到破壞。（3）超聲波在傳播的過程中可能會經過不同的傳播介質，而它在每種介質中的傳播速度是不一樣的所以在超聲波經過不同介質時速度會突然變化，這種變化另一方面會對聲波的傳播造成影響，產生波的折射和反射現(xiàn)象。反射聲波所產生的能量大小是可以估算的，它是取決于兩種傳播介質的波阻抗的差異的，當差異越大的時候，能量也就越大。（4）超聲波在傳播的過程中會碰到阻礙，聲波會發(fā)生干涉和共振的現(xiàn)象。目前空化作用被廣泛的應用于超聲波清洗機中[4]。 2.1.2超聲清洗的工作機制 超聲波和聲波是同一種東西，區(qū)別只在于頻率的大小，所以在超聲波通過傳播介質時壓力也會不斷變化。在液體中找到一點并確定它的具體位置，我們持續(xù)的觀察這個已知點所受到的壓力。其壓力的變化曲線如圖A。以一個標準大氣壓作為參考靜壓力，我們會發(fā)現(xiàn)它受到的壓力會產生增大和減小，在聲波強度的不斷增大后這個已知點的所受壓力值的變化會增大，甚至在幅值時會產生負的壓力。 空化作用：超聲波在液體介質中傳播時若果調整頻率使液體介質不斷地受到增壓和減壓兩種力的壓迫，在不斷的作用下液體中會產生數(shù)量眾多的真空氣泡。這些氣泡十分脆弱，若收到再次的壓力就會發(fā)生破裂。破裂時會產生很大的壓力對液體介質產生沖擊，密集的爆炸能夠產生很大的壓力。 圖1液體內部壓力圖 介質被爆炸壓力推動對清洗物進行沖擊將表面的油污沖落，發(fā)生爆炸的氣泡如圖2(A)。由于沖擊力的不斷作用物體表面的污垢層與物體不端產生間隙，眾多的小氣泡持續(xù)的爆炸使得表面的油污一直受到這種沖擊力，圖2(B)展示了這一現(xiàn)象，氣泡不斷爆炸推動，油污最終被沖擊力將其從表面脫離。這就是空化二次效應[5]。 聲波的強度決定了液體中的空化氣泡的爆炸力的強度，當聲波的強度夠大時空化氣泡爆炸的同時彼此劇烈碰撞，極大的增強了爆炸的能量。液體介質被巨大的能量不斷推動沖擊清洗物的表面。油污在受力下不斷脫落，從而達到清洗的目的。而且這種爆炸力產生的沖擊力是遍布在液體內部的，浸沒在液體中的清洗物的任何表面都會受到這種力的沖擊，清洗是沒有盲區(qū)的?？栈谇逑吹耐瑫r也帶來了另一個好處，由于液體介質不斷碰撞會對細菌造成很大的殺害，有很好的消毒的能力。[6]。 直進流作用：超聲波在液體介質中傳播的過程中會在其傳播的路徑上造成液體的流動，這個現(xiàn)象我們稱之為直進流。這種水流也能在一定程度上對清洗物進行沖洗，且清洗劑不斷溶解污物，對提高清洗效果十分有用。 乳化作用：在空化作用下清洗物上的油污分子會受到巨大的沖擊力，在水流的沖洗下被乳化。 空化作用可以被利用在很多的領域。而且洗碗機的主要工作對象是餐具，餐具的材料多為對聲強反應很強烈的材料再配合上合理的清洗劑，可以充分發(fā)揮空化效應的能力。本洗碗機就是利用空化效應的清洗能力[3]。 圖2 空化二次效應 2.1.3 超聲空化閥值 了使清洗液中產生空化效應我們需要調整超聲波的聲強，而能夠使其產生空化效應的最小聲強就叫空化閥值[4]。 空化閥Pc表示為： （1-1） 式中Po——表示液體的靜壓力； Pv——表示蒸汽壓， Ro——表示空氣核半徑， ——表示液體的表面張力系數(shù) 我們由上式不難發(fā)現(xiàn)影響空化閥值的因素有很多。其中靜壓力很程度的決定了空化閥的大小，空化閥和靜壓力同增同減。而且空化閥的數(shù)值是不固定的，在不同情況下空化閥值也會發(fā)生變化[7]。 此外，經驗公式 （1-2） 式中μ——表示沾滯系數(shù) 超聲波的頻率在某種關系上決定了空化閥的大小。當超聲波頻率變大時空化閥也會變大，而當超聲波頻率越小的時候液體就比較容易產生空化效應。而且數(shù)據(jù)表名超聲波清洗在低頻的狀態(tài)下的清洗效果比較好，因為較低的頻率使得液體內產生的空化氣泡可以維持較長的時間，持續(xù)時間越長氣泡體積越大，當氣泡爆炸時產生的威力就越大。但是低頻清洗時容易產生噪音，如果我們需要兼顧清效果和環(huán)境保護的話，選擇合適的超聲波頻率是十分重要的。 2.2 超聲波洗碗機方案設計 利用超聲波的清洗能力對普通的餐具進行清洗[8]。因為超聲波的清洗能力十分出眾，中式餐具上的油污面對空化效應閑的微不足道，超聲清洗結束后已經沒有多少油污殘留，這時再對餐具進行水流清洗，將殘留的污漬完全帶走。而且超聲波洗碗機將噴臂和超聲波結合起來大大加強了清洗的能力。這種組合進一步優(yōu)化了清洗過程，提高了資源的利用效率。我們設計的超聲波洗碗機應該具備的有點有：體積小，結構簡單；清洗的效果好；清洗的效率高，清洗進程快；資源損耗少，造價合理。 清洗過程:電源接通，控制程序控制進水電磁閥接通，自來水經空心軸后從噴臂中噴出。水流從噴臂噴出時由于自身存在的反力矩會推動噴臂圍繞空心軸旋轉。餐具經噴臂的不斷沖洗后初步去除油污。噴臂沖洗進程結束后，控制程序關閉進水電磁閥，然后接通排水電磁閥，污水被排出，關閉排水電磁閥。接著，進水電磁閥接通，噴洗餐具直至達到固定水位后水位感知系統(tǒng)控制進水電磁閥關閉。接著加熱器啟動，在其工作一定時間后自動關閉。此時超聲波換能器啟動，在超聲波的空化作用下餐具上殘留的油污完全從餐具上脫離。在超聲清洗進行一定的時間后，超聲波換能器停止工作。排水電磁閥接通，污水被排出。在污水排盡之后，進水電磁閥開啟，噴臂再次對餐具進行沖洗，將餐具完全清潔。沖洗一定時間后進水電磁閥關閉，污水由排水電磁閥排出。 這種方案下的餐具清洗方式十分合理，將噴臂的水流清洗和超聲波的空化作用有機的結合起來使用，清洗效果達到了最好。這種模式可以有效的節(jié)約水電，而且清洗過程中不用添加化學清洗劑，十分環(huán)保。 圖3清洗方案系統(tǒng)圖 1：超聲波換能器； 2：加熱器； 3：水位感知系統(tǒng)； 4：排水電磁閥； 5：進水電磁閥；6：噴臂 3超聲波清洗參數(shù) 3.1 聲強 聲場的強度和均勻度是評價超聲清洗的效果的可靠依據(jù)9]。聲強的大小影響清洗的效果，太弱的話不能達到清洗效果，如果太強的則會達到反效果，過高的聲強會不斷地破壞清洗物的表面結構，其反射折射的聲波極易在清洗表面形成聲障，阻礙聲波的繼續(xù)傳播。如果不能選擇合適的聲強大小那么清洗的結果就無法保障了。此外由于清洗槽的空間限制，超聲波在狹小的空間里傳播，會碰到很多阻礙，碰到阻礙之后聲波反射，不斷的積累就會產生駐波。它會使自己所處的地區(qū)的聲壓減小，影響空化作用，從而影響清洗效果。因此我們選擇的聲強大小應該在 之間。在面對不同的清洗物品的時候我們可以適當?shù)恼{整聲壓的大小，如面對表面附著很頑固的清洗物的時候我們應選擇比較大的聲強 3.2頻率 超聲波換能器在低頻工作時會產生噪音，且換能器的工作頻率越低它產生的噪聲就越大，一旦換能器的頻率低于20kHz，人耳就無法承受其發(fā)出的高分貝的噪聲了。低頻率會帶來另一個問題，空化作用的發(fā)生條件就是要求聲波頻率達到空化閥值，低頻聲波可能達不到，這在很大程度上影響清洗結果。從知網(wǎng)上的許多專利論文中我們不難發(fā)現(xiàn)選擇超聲波頻率的規(guī)律。滿足工業(yè)要求的精密零件由于其表面附著的金屬氧化層十分難以清理且金屬本身不易被聲波破壞結構，我們需要用較高的頻率對其進行清洗。而生活用的餐具雖說其材料中有金屬，但大多數(shù)的還是陶瓷塑料一類的，而且餐具上的附著污垢沒有金屬膜那么難以去除，所以在這里我們會選用頻率低的超聲波。前面我們也提到了，低頻的超聲波在產生空化作用的時候空化氣泡存在時間較長爆炸的威力也較大，這對提高清洗效果十分有利。頻率在20Khz-40Khz之間的超聲波比較適合于普通的家用餐具的清洗。設想洗碗槽的大小為500*500*500MM，此時我們應選擇的超聲波的頻率應該是28或者27Khz. 3.3 清洗液 由前面所述的空化閥值的計算公式我們不難看出清洗液的粘度和空化閥的關系，在清洗液的粘度較大的時候，液體的空化閥值相應的也很大。這就導致在相同的超聲波頻率工作下，液體內部發(fā)生空化反應的幾率降低，直接影響清洗結果。另一方面如果清洗液表面張力大，液體內部的空化反應就越劇烈氣泡產生的沖擊威力也就越大，這也直接的提高了清洗能力。綜上兩點我們可以得出結論，只有低粘度且表面張力比較大的清洗液才適合用于超聲波的清洗。這樣的清洗液其實我們可以在生活中很輕易的找到，就比如生活中的自來水，水是一種常見且應用廣泛的清洗液，它就具有低粘度，表面張力大特點而且它的獲取難度低無環(huán)境污染。經過綜合考慮，我們選擇自來水作為超聲波洗碗機的清洗液。 4超聲場相對空化強度 4.1空化強度測量方法原理 超聲場的空化強度對于超聲波清洗設備來說是其最重要的性能指標。由于技術上的不成熟我們暫時還沒能找到能夠準確測量出聲場絕對空化強度的方法，但是，我們可以利用鋁箔腐蝕法，染色法和統(tǒng)計平均法等的方法來測出聲場的相對空話強度。因為條件的限制我們就只能參考知網(wǎng)的專利論文利用鋁箔腐蝕分析法來測量相對空化強度[7] 。 將面積合適的鋁箔置于清洗液中從而觀察其面對空化作用時所產生的變化，這種方法叫做鋁箔腐蝕分析法。實驗的整個過程：把厚度均勻且面積固定的鋁箔分別置于不同的頻率工作下的超聲波清洗機中。開啟超聲波換能器，過一段時間將其拿出，觀察鋁箔被腐蝕的情況。這個實驗有個注意點，鋁箔試驗的時間不宜過長，鋁箔在長時間的實驗中會慢慢剝壞。通過對鋁箔的觀察我們來判斷不同條件下的空化效果。 4.2空化強度測量 由于本文設計的洗碗機是要能夠符合大眾需求的洗碗機，所以其主要參數(shù)要和人們的生活水平相匹配。我們根據(jù)當前中國普通家庭的組成來看，洗碗機清洗槽的大小應該在420*400*400左右。相應的我們在進行鋁箔分析時要利用這個信息，測試水槽的大小為420*400*400。清洗液我們選擇普通的自來水，超聲波的頻率選擇28Hz。整個試驗處在常溫的狀態(tài)下進行，清洗過程中水面的高度保持一致，且與清洗槽的頂部保持70MM的距離。洗碗機的整機功率為300瓦特，其中超聲波的掃頻為15-30千赫茲，超聲波清洗的時長為3分鐘。 圖4清洗方案系統(tǒng)圖 4.2.1數(shù)據(jù)擬定 主要實驗為超聲作用（B面）、單面超聲掃頻作用（B面）、雙面超聲作用（B和D）、雙面超聲掃頻作用（B和D）。我們將這四個實驗的得出的數(shù)據(jù)匯總并進行比對。這個實驗的目的是測量相對的空化強度，我們可以把鋁箔的腐蝕面積所占的百分比大小作為相對空化強度的大小。實驗的具體內容：首先處理鋁箔，將鋁箔分成大小相等的塊，其中每塊的大小為邊長60毫米的正方形。其次，在每次試驗結束之后用相機記錄實驗結果，利用圖像處理軟件將鋁箔被腐蝕的部分涂黑，未被腐蝕的地方涂白。最后將實驗結果用直方圖表現(xiàn)出來，并把腐蝕部分的百分比分別計算出來。 4.2.2實驗結論 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)我們可以得知： 超聲波的空化強度呈現(xiàn)出一種類似于拋物線式的分布，強度在距離聲源較近的地方逐漸增大，然后在中部的時候達到最高，達到最高值后會隨著距離的增加而衰弱，與拋物線不同的是空化強度的增大減小不是線性的，呈現(xiàn)出一種不規(guī)則的上下波動。這是因為超聲波的聲障作用，聲障阻擋了波的傳播與反射。所以距離聲源越遠空化強度會減弱。 要想保證清洗效率，超聲波的掃頻作用必不可少。超聲波在碰到阻礙時會發(fā)生反射折射影響傳播，而清洗槽內的空間是有限的，這會造成聲壓的不均勻分布，清洗不均勻。在聲波頻率合理的變化區(qū)域內，掃頻可以有效地避免駐波的形成與干擾，保證清洗質量。 實驗數(shù)據(jù)表明，超聲波換能器單面作用時效果比較好。超聲波換能器在雙面作用的時候聲波會相互干擾形成干涉，影響空化作用。 表1 平行A面的相對空化強度 表2 平行C面的相對空化強度 我們根據(jù)上述試驗可以發(fā)現(xiàn)利用單面掃頻的超聲波清洗機效果最好。 5超聲波重要參數(shù)確定 5.1 清洗溫度，超聲波換能器功率，清洗時間 超聲波洗碗機要進行一次完整的清洗進程需要確定幾個重要的參數(shù)。我們必須要設定洗碗機的清洗時間，而且為了保證清洗效果需要設置合理的水溫，最重要的是需要計算出適合餐具清洗的超聲波換能器功率。這里受到條件的限制我們無法直接的做實驗，可以參考知網(wǎng)的相關文獻來找出適合我們的最佳組合[6]。 實驗對象：三個陶瓷制的碗，三個玻璃制的杯子，兩個陶瓷制碟子，三個塑料制勺子，三雙塑料筷子，實驗前將所有的被實驗品上都刷上油污。 評判標準：餐具表層油污完全清潔，觸摸無殘留。 清洗溫度：A1（35℃）、A2（45℃）、A3（55℃）。 清洗時間：B1（6min）、B2（9min）、B3（12min）。 超聲波換能器功率：C1（400w）、C2（300w）、C3（200w）。 實驗方法：因為是多因素正交實驗，所以我們需用正交表。綜合各個因素，設置9個實驗組，見表3 表中參數(shù)因素主次：A-C-B 其中表格里Gf與A/B/C正交的數(shù)據(jù)是該列中所有包含Af/Bf/Cf的和, f的取值為1，2，3； Kf與A/B/C正交的數(shù)值為Gf/該列中f號碼重復的次數(shù), f取1，2，3 根據(jù)實驗的結果我們可以發(fā)現(xiàn)A2-B3-C1是最佳的組合。即本文設計的超聲波洗碗機的最合適的清洗溫度為45攝氏度，單次的清洗時間為12分鐘，超聲波換能器的額定功率為400瓦。 參數(shù)試驗號 A（℃）B（min）C（w） 結果 1 1 1 1 10 2 1 2 2 10 3 1 3 3 10 4 2 1 2 11 5 2 2 3 12 6 2 3 1 10 7 3 1 3 9 8 3 2 2 9 9 3 3 1 12 G1 30 30 32 G2 33 31 30 G3 30 32 31 K1 10 10 10.67 K2 11 10.33 10 K3 10 10.67 10.33 R 1.0 0.67 0.67 表3 多因素正交試驗結果表 5.2 餐具的合理擺放 由于超聲波是一種短波，所以當超聲波遇到障礙時會被削弱甚至被阻礙，故需要合理的擺放餐具以達到清洗效果。我們可以利用上面的實驗結果繼續(xù)測試餐具擺放位置不同對清洗結果的影響。測試結果我們可以看圖表4。測試的結果表明將餐具朝著B面擺放清洗的效果最好[10]。 5.3 總結 經過上面的幾個實驗，本文設計的超聲洗碗機主要的幾個參數(shù)都已經可以確定下來了。這臺超聲波洗碗機的單次清洗時間定為12分鐘，餐具進行超聲波清洗時的水溫為45攝氏度，超聲波的發(fā)射頻率定為28千赫茲且采用單面掃頻的工作模式，整個洗碗機的額定功率為500瓦，且清洗的時候餐具的擺放位置朝著聲波發(fā)射面B面。 洗碗機清洗流程：進水電磁閥進水—噴臂進行旋轉清洗（1min）—排水電磁閥排水—進水電磁閥進水—陶瓷加熱器加熱清洗液直至工作溫度（45℃）—超聲波清洗（12min）—噴臂最后作輔助清洗（1min）. 餐具朝向 合格率 A 0.77 B 0.94 C 0.73 D 0.75 表4 餐具洗滌結果 6洗碗機整體結構設計 6.1 整體方案 在整個洗碗機的結構設計中有幾個問題我們需要特別的注意：1、洗碗機的安全問題，選用零部件是否合適會不會發(fā)生危險。2、作為洗碗機清洗容器的水槽會不會發(fā)生漏水以及進排水管道的密封性問題3、為了達到清洗效果，應該選用什么型號多大功率的超聲波換能器，加熱器，電磁閥等器件。 整個超聲波洗碗機的主要組成分為以下幾個部分：第一部分是進排水系統(tǒng)，它控制這洗碗機的進水機構和排水機構；第二部分是超聲波清洗系統(tǒng)，它是進行超聲波清洗的主要工作系統(tǒng)；第三部分是噴臂輔助清洗系統(tǒng)，它幫助超聲波進行清洗起著查漏補缺的作用；第四部分是加熱系統(tǒng)，負責將清洗液加熱到清洗溫度，提高清洗的效果。 進排水系統(tǒng)：進水系統(tǒng)是由進排水電磁閥，水位感應開關，過濾芯等器件組成的。 噴臂系統(tǒng)：噴臂系統(tǒng)由電磁閥和噴臂組成的。 加熱系統(tǒng)：陶瓷電阻加熱器。 超聲清洗系統(tǒng)：超聲波發(fā)生器和超聲波換能器組成。 其他：整機外殼、金屬清洗槽、金屬碗籃、金屬碗籃支架，整機底座等。 6.2 外殼和碗籃 本文所設計的超聲波洗碗機主要是是面向眾多的普通消費者的，作為一般的家用電器它體積小巧整機外形為540*500*540的長方體，十分適合空間資源緊缺的當代中國家庭。在選材上也是貫徹了既實用又好看的原則，外殼采用不拉絲工藝處理的不銹鋼，簡約大方且不易變形。洗碗機內的金屬部分經過丙烯的特殊處理，不容易留下印記而且看起來干凈整潔。由于加工誤差的存在，難免會有些小的瑕疵，因此我們將整個控制面板進行PET絲印貼膜，美觀的同時也大大延長了面板的使用壽命避免了水漬油污的侵蝕。11]。 本洗碗機采用了當前比較流行的前開門的設計，門柜上的觀察窗采用的是高透鋼化玻璃，外形美觀而且方便了使用者，令其能夠隨時觀察機器內的清洗情況。為了提升洗碗機的外觀等級滿足現(xiàn)在人的審美體驗，我們還需在外殼上加涂新型UV固化涂料。它能夠形成漂亮的裝飾層且具有高硬度，高耐磨等優(yōu)點[7]；而且的新型鍍層工藝更為可靠，能夠極大地美化表層，一般的塑料材質經過鍍層之后能夠整體呈現(xiàn)出更為細致美觀的金屬質感[12]。 本洗碗機的碗籃外形如圖5所示。整個碗籃由不銹鋼制成，因為碗籃作為餐具承載工具需長時間的暴露在水、油和超聲波的空化作用下極易受到侵蝕，為了解決這一問題，我們可以在碗籃的外層涂上強度高的疏水涂料從而加快水分蒸發(fā)延長碗籃的使用壽命而且水分蒸發(fā)的迅速還能夠節(jié)約電能。碗籃容量足以將一家人所需的餐具放入，而像筷子勺子一類的的細小餐具可以裝入筷籠中在放入。碗籃采用開放式結構，可以自由的取出放入，使用者只需根據(jù)需求將餐具放去其中即可。 圖5 碗籃的三維圖 6.3 清洗槽 考慮到本設計的洗碗機的體積小巧，但是為了能夠盡可能多的容納餐具清洗，充分利用洗碗機內的空間清洗槽的大小為360*400*360mm。因為水槽的使用性質，其材料應具有防水，安全，抗腐蝕等特點。201不銹鋼板由于具有抗腐蝕不易磨損等優(yōu)點成為制作清洗槽的最佳材料。清洗槽作為清洗的容器長時間的被水，油侵蝕，而且超聲波在清洗餐具的同時，空化作用也在時刻侵蝕洗碗槽。為了讓洗碗槽能夠擁有較長時間的使用壽命，我們需要提高它的耐腐蝕性和耐磨性，提高槽壁的厚度可以有效地解決這個問題。而3mm厚度的鋼板足以保證清洗槽的使用要求[12]。清洗槽內排水口有攔網(wǎng)，清洗殘留物可手工清理。 6.4 進排水系統(tǒng) 進排水系統(tǒng)是超聲波洗碗機的基本組成機構，在清洗過程中是極其重要的環(huán)節(jié)，可以說進排水系統(tǒng)的好壞直接影響洗碗機的整體性能。本文設計的超聲波洗碗機的進排水系統(tǒng)主要是由進排水管，進排水電磁閥，過濾芯和水位感知系統(tǒng)等組成[8]。電源接通，洗碗機的主控制電路接通后進水電磁閥打開，自來水經噴臂噴送到清洗槽中。水位感應系統(tǒng)在清洗槽內的水位達到一定高度后自動關閉進水電磁閥。超聲波清洗結束后污水經排水電磁閥從排水口流出。選用PVC管作為進水管材料。 6.4.1 水位感應系統(tǒng) 選用連桿式浮球液位開關作為液面感應開關，結構見圖7。連桿式浮球液位開關是將具有磁性系統(tǒng)的小球放置在一個封閉的管中，小球會隨著液面浮動，當其觸碰到管內預設的磁簧開關時會使開關閉合或打開從而控制液面的高低。利用干簧管作為開關。干簧管是一種利用磁場控制的特殊的常開開關，它能夠感知帶有磁性系統(tǒng)的小球從而控制開關。 帶有磁性的小球在膠管中會跟著水面的起落在一定范圍內上下的浮動。水面的變化由干簧管（如圖6）來傳達，當槽內水面高度達標時，磁球上浮高位上干簧管受到磁球的影響而閉合閉合，加熱系統(tǒng)啟動待水溫達標開始超聲波清洗。當水槽內的水面高度比較低的時候，磁球位置下降，處在低位上的干簧管受到磁球的影響而閉合，進水電磁閥開啟，噴臂的水流沖洗進程開始。 圖6 干簧管 6.5 加熱系統(tǒng) 加熱器位于清洗槽的中下位置，這樣便于加熱從使水溫達到清洗標準。當噴臂進水后，水面達到清洗高度，水位感應系統(tǒng)關閉進水電磁閥，控制程序啟動加熱器，當水溫達到預設溫度后自動關閉。 在這里我們選用陶瓷加熱器作為超聲波洗碗機的加熱元件。陶瓷加熱器具有的優(yōu)點有：熱傳導快加熱效率高，陶瓷材質抗腐蝕能力強，且結構簡單是由陶瓷包裹電阻絲形成。 23 圖7 水位感應器結構圖 6.6 門開關電路 超聲波洗碗機作為家用生活的電器拋開它的使用性能不說，其安全性能是極其重要的，在其運行的過程中必須有安全保障措施[13]，所以洗碗機必須要有童鎖功能即開門保護措施。它的原理我們可以參照家用電表中的保險絲，將保護電路置于主電路中并與其串聯(lián)，當保護電路感應斷開時主電路也被切斷。 6.7 噴臂系統(tǒng) 洗碗機的噴臂系統(tǒng)（見圖7）選用聚丙烯制的PP管。PP管具有：安全，耐腐蝕，耐熱性能好。為了提高噴臂系統(tǒng)的密封性能我們需要利用PVC膠來連接管道，使其完全密封不漏液。而且PVC作為一種粘合劑價格低廉且安全衛(wèi)生。洗碗機的進排水系統(tǒng)由二位二通電磁閥來控制。電磁閥是一種利用電磁控制從而來控制流體的自動化零件。由于其結構簡單穩(wěn)定所以在工業(yè)上它的運用十分廣泛。電磁閥應用最廣的途徑就是用來控制液體的速度大小和流量大小而且它還可以用來調節(jié)液體的流向。而且電磁閥適用性能好，在不同的電路中可以搭配相應的輔助電路達到控制效果，十分方便靈活。其中最常用的電磁閥有方向控制閥、安全閥、速度調節(jié)閥等。 洗碗機的工作性質決定了選用的電磁閥的種類，而且電磁閥在洗碗機內的工作條件遠低于工業(yè)制造，所以只需要選用能夠控制水的接通與切斷的簡單電磁閥就好。綜上，上海承信自動閥門有限公司的2W-200-20是理想的電磁閥的選擇。 為了超聲波的清洗效果更好，餐具經超聲波清洗之前必須先經由噴臂系統(tǒng)的清洗。利用高速水流的沖擊力先將餐具表較容易清洗的污跡沖洗干凈，然后再進行超聲清洗，清洗效果可明顯提升。噴臂清洗時，水從噴臂出水孔以較高的速度噴出，高速水流的射出使得水流本身存在的反力矩推動噴臂進行旋轉，噴臂在旋轉狀態(tài)下能夠對餐具進行更為強力的清洗。為使噴臂能夠穩(wěn)定旋轉且因為洗碗機的進水管與噴臂相連接，所以我們采用噴臂與進水管間隙配合的方案，這樣的話噴臂旋轉的同時就不影響進水。為了防止噴臂在旋轉過程中脫落，在其上方加上一個螺母來穩(wěn)定它從而限制它的自由度。同時為了防止噴臂在旋轉過程中向下滑落，我們在噴臂管道上設置了一個凸臺。為了簡化結構和優(yōu)化清洗過程進水管和整個上蓋板之間我們選擇采用螺栓作為連接裝置。 圖8噴臂 6.8 超聲清洗系統(tǒng) 超聲波洗碗機我們可以直接從字面上來進行理解這個定義，那就是利用超聲波來進行洗碗這個工作。既然是利用超聲波進行洗碗的機器，那么超聲波清洗系統(tǒng)毫無疑問的就是整個機器的核心了[10]。我們不難發(fā)現(xiàn)一臺超聲波洗碗機是否具有高性能有很大的程度上是取決于其配置的超聲波清洗系統(tǒng)的優(yōu)劣的，清洗系統(tǒng)是評價洗碗機能力的重要指標。超聲波洗碗機的超聲清洗系統(tǒng)一般是由兩個部分組成的，它們分別是超聲波發(fā)生器和超聲波換能器。超聲波發(fā)生器顧名思義就是發(fā)出超聲波的機器，它的原理也是十分簡單的，通過機器的運行把普通的居民用電變成一種穩(wěn)定的頻率信號。而超聲波換能器就是一種與超聲波發(fā)生器相配合使用的電器件。它倆是超聲波清洗必不可少器件，相互依存密不可分。換能器與發(fā)生器不同的是，它不是把電能轉為信號而是把電力轉為聲能。兩臺機器獨立工作，當二者的工作頻率同步的時候就會產生共鳴，發(fā)生振動產生聲波。 6.8.1 超聲波發(fā)生器 要提高超聲波發(fā)生器的最大頻率從而提高其工作的效率我們可以從幾個方面來考慮這個問題[14]：（1）發(fā)生器頻率的配合調節(jié)過問題，由于發(fā)生器和換能器是協(xié)同工作的二者需要時時刻刻一起配合，換能器由于其工作的特質其諧振頻率會發(fā)生變化，這就要求發(fā)生器能夠察覺這種變化并自動的調節(jié)自身的頻率來與之配合。（2）超聲波發(fā)生器產生的電信號是比較微小的，而微小的電信號不容易被電器所察覺。所以超聲波發(fā)生器需要末級放大器從而將微弱的電信號放大。（3）當信號的強度過小的時候，單單只用一個信號放大器是難以起到作用的，所以這時候我們就需要將單個放大信號疊加起來達到使用要求，這就叫做功率的合成。（4）因為添加了信號放大器這這種比較脆弱的元器件，電路的保護就顯得尤其重要，電路中必須加入過載和短路保護。（5）超聲波發(fā)生器要與換能器相適應，二者要能夠很好的配對。一、超聲波發(fā)生器的頻率輸出在不與換能器配對時是不穩(wěn)定的，為了能夠向換能器輸出穩(wěn)定的電功率。而若要輸出額定的功率超聲波發(fā)生器需要最佳的負載，同時也將換能器阻抗選為最佳負載。而這種相互聯(lián)系相互穩(wěn)定的作用就是阻抗變換作用;二、一旦二者達成匹配這就意味著超聲波發(fā)生器已經能夠達到其最大的工作效率。因為超聲波換能器存在靜阻抗的干擾它的輸出電壓和電流都會被減小，進而影響其整個的工作效率。為了減小這種靜阻抗帶來的影響，我們可以在發(fā)生器的端口上并或串上一個與換能器相反的阻抗，可以在一定程度上進行抵消。我們可以把這個方法稱之為諧調作用[4]。我們可以發(fā)現(xiàn)超聲源的的功率大小質量高低有很大程度上是取決于發(fā)生器和換能器的匹配優(yōu)劣上的[15]。 超聲波洗碗機對超聲波發(fā)生器的功能要求：（1）其輸出頻率具有自我調節(jié)能力：換能器諧振頻率變化的時候發(fā)生器也能夠自動調節(jié)頻率與之匹配（2）發(fā)生器的額定功率：800w。（3）掃頻：為了避免在有限空間內形成駐波影響清洗效果。（4）電路保護功能：當電路發(fā)生過載短路時能夠立即切斷電源保護元器件。 經過綜合考慮之后我們可以選擇深圳好時代科技有限公司的HSD-A型作為本洗碗機的超聲波發(fā)生器。 6.8.2 超聲波換能器 超聲波換能器作為聲能的轉換裝置是極其重要的。超聲波發(fā)生器在其工作時會產生頻率很高的電信號，這種高頻率的電信號能夠影響磁場。超聲波換能器中的磁場受到影響后會不斷變化從而引起換能器中的機械振動部分開始振動，機械振動的同時會連帶著接觸介質振動。在二者振動的同時聲波由此產生。換能器一般由換能器材料部分和機械振動放大部分這兩大部分組成。其中機械振動部分又叫做變幅桿，它能夠把機械振動幅度放大使小的機械振動幅度變大。因此它能夠大大提高換能器的振速比，而且變幅桿的存在還能夠降低換能器的諧振阻抗，而諧振阻抗的降低減少了換能器在輸出電壓電流上的相位差這也直接的提高了整體的工作效率。重要的是變幅桿保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定并且使得換能器能夠免受外界環(huán)境的干擾。 換能器的種類和規(guī)格有很多，像有電磁式、電動式和電容式等。其中應用最為廣泛的是壓電式超聲波換能器，因為它具有較高的電能和機械能轉換效率，容量大及結構形狀能夠自選等優(yōu)點。因為我們設計的是體積較小的超聲波洗碗機所以其換能器的功率不用太大，在這里我們可以選用北京晴暉世創(chuàng)科技發(fā)展中心的QHQ-4GL-5028型超聲波換能器。這款超聲波換能器的諧振頻率為28±0.5大小適中，它的絕緣阻抗為1000MΩ，整機的功率為100w。本洗碗機的的整機大小為540*500*540（mm）清洗槽底面積為360*400（mm）=144000mm2=1440cm2,超聲波振子功率為100w*4=400w；則功率密度應為400/1440=0.28W/ cm2 本文所設計的超聲波洗碗機結構是適合普通家庭的，所以它的振動系數(shù)不大且根據(jù)前面的實驗結果我們最終將換能器安置在清洗槽的B面，數(shù)量4個。 6.9 總結 超聲波洗碗機的整體結構：進排水系統(tǒng)、噴臂系統(tǒng)、超聲波清洗系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)。以上結構均已設計完成。本文設計的家用超聲波洗碗機具有體積小，效率高，健康環(huán)保等優(yōu)點，能夠滿足大多數(shù)家庭的洗碗需求。 結論 本文的研究課題為超聲波洗碗機的整體結構設計。當代的中國經濟發(fā)展飛速，而且生活節(jié)奏不斷加快，人們需要更方便快捷的家用電器。洗碗機由于其方便，快捷，省時的優(yōu)點出現(xiàn)在了現(xiàn)代家庭的廚房。洗碗機在西方的家庭已經十分常見。而由于中式餐具與西式餐具的不同，傳統(tǒng)的噴臂式和渦輪式洗碗機難以應對中式餐具大而深的結構特點。而且中式菜肴油膩重，需要專用的清洗劑，再加上清洗效果的不穩(wěn)定性所以洗碗機在中國并未很好的普及開來。市場處于新生的狀態(tài)，十分具有前景。如果將傳統(tǒng)洗碗機進行改造，使其適應中國人的清洗特點，就能讓它走進更多數(shù)人的家庭。超聲波清洗技術的出現(xiàn)給了當前的尷尬局面一條光明的道路，我們可以將超聲波清洗技術應用在洗碗機上。新型的超聲波洗碗機具有清洗效率高，清洗無死角，無需專用清洗劑節(jié)，能環(huán)保等特點。本設計就是研究超聲波洗碗機的整體結構，從而設計出結構合理清洗效果好的新型超聲波洗碗機。 本設計的優(yōu)點： （1）本文所設計的洗碗機結構簡單穩(wěn)固，成品不占用很大空間，方式使用。其具有的門電路保護系統(tǒng)能夠在意外開門時快速切斷電源，大大加強了洗碗機工作時的安全性能。 （2）噴臂的位置選擇，本超聲波洗碗機的噴臂位于底部，這能夠全面的進行清洗，提高清洗效率，避免沖洗時的死角。 （3）選材新穎。采用不銹鋼作為清洗槽的材料，不會產生異味且使用壽命長。 本設計的不足： （1）由于洗碗機的結構簡單所以整機的運行模式比較單一，無法滿足使用者的個性化清洗需求。 （2）洗碗機清洗結束后留下的食物殘渣需要使用者手動清理，并未能夠實現(xiàn)完全的自動化。 （3）洗碗機沒有配置相應的消毒烘干機構。 洗碗機作為家用電器如果不能被大多數(shù)的消費者所認可就不能走進大家的廚房。中國的洗碗機市場很大，且又具有很好的前景。消費者在觀望的同時也在期待洗碗機能夠擁有更好的清洗效果，更好的操作體驗和更親民的價格。新穎的結構加上高效的清洗方式無疑使超聲波洗碗機具有更好的前景。 致謝 本設計是在毛瑞卿老師的悉心指導和熱情關懷下完成的，毛瑞卿老師在我的畢業(yè)設計寫作過程中，嚴格要求，精心指導，對我不清楚的問題進行了認真的解答，并為我指出更正了設計中的不當之處，使我在整個過程中少走了很多彎路，在這里，對毛瑞卿老師表示特別感謝。另外，在畢業(yè)設計寫作過程中，各位同學也給予了我很大的幫助，使我感受到了合作和信息共享的重要性。還要感謝的是家用電器商城的工作人員，銷售人員們，他們對我的熱情介紹，使我充分地了解了市面上的傳統(tǒng)洗碗機的優(yōu)劣之處，對我的畢業(yè)設計的完成有很大的幫助，其余未提到的對我有幫助的人員，在此一并感謝。 參考文獻 [1]. 王向紅、毛漢領．超聲波洗碗機的設計構想[J] ．廣西民族學院學報，2003，5（2）：33-35． [2]. 孫嘉燕，李保紅，王述洋.洗碗機現(xiàn)狀及實現(xiàn)中國洗碗機普及新探索[J].現(xiàn)代科學儀器，2012:137-141. [3]. 袁易全．近代超聲原理與應用[M] ．南京：南京大學出版社，1996：55-64． [4]. 席細平，馬重芳等.超聲波技術應用現(xiàn)狀[J]. 山西化工，2007,27（1）25-29 [5]. 任建新．物理清洗[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2000：322-383． [6].