壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
XX大學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
玻璃清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)
壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
摘 要
本文在簡單介紹玻璃清潔機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基軟件CAD對(duì)四輪式風(fēng)壓吸附玻璃清潔機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算及校核計(jì)算，重點(diǎn)是爬壁機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。采用四輪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單；采用風(fēng)壓吸附方式，利用螺旋槳對(duì)空氣的壓縮所產(chǎn)生的壓力將機(jī)器人壓在物體玻璃，避免了清晰機(jī)器人對(duì)壁面的局限，降低了控制難度；擦洗機(jī)主要由伺服懸吊系統(tǒng)、擦洗主機(jī)和由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成；采用無人化擦洗，自動(dòng)擦洗，自動(dòng)供水，自動(dòng)供擦洗液，單片機(jī)系統(tǒng)控制，操作人員只需通過鍵盤即可操縱擦洗機(jī)工作，而且在擦洗過程中，擦洗機(jī)能夠自動(dòng)進(jìn)行邊緣識(shí)別，可根據(jù)建筑樓層的具體情況選擇為縱洗或橫洗；采用后輪驅(qū)動(dòng)，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后輪，后輪帶動(dòng)前輪完成機(jī)器人的行走，使用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)裝置作為減速器；采用樓頂供電；機(jī)器人可以在水平面或者垂直玻璃直線行走。本機(jī)的擦洗效率較高，擦洗效果良好。
關(guān)鍵詞：玻璃清潔機(jī)器人；風(fēng)壓吸附；齒輪機(jī)構(gòu)；刷洗；
ABSTRACT
This paper introduces the research status of glass cleaning robot, based on the CAD-based software for the four-wheel pressure adsorption glass cleaning robot body mechanism is designed, some of the key parts of the design calculations and checking calculation, the focus It is designed to move the structure, adsorption structure and drive system climbing robot calculations. Four-wheel-type car-shaped structure, the structure is simple; using adsorption pressure, the pressure of a propeller of air compression generated by the robot pressed glass objects, avoiding the limitations of the robot clear the wall, reducing the difficulty of control; scrubber mainly by the servo suspension system, scrub and host computer control system; the use of unmanned scrub, scrub automatic, automatic water supply, automatic solution for scrubbing, single-chip system control, the operator simply by manipulating the keyboard to work scrubbing machine, and in the process of scrubbing, scrubbing machines capable of automatic edge detection can be selected for the vertical or horizontal wash wash according to the specific circumstances of the building floor; rear-wheel drive, a motor driving the rear wheels, rear wheel drive complete robot walking, using a spur gear transmission as the reducer; using powered roof; the robot can walk in a straight line horizontal or vertical glass. High efficiency of the scrubbing machine, scrubbing to good effect.
Keywords: Glass cleaning robot; adsorption pressure; gear mechanism; brushing;
IX
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒論 1
1.1 前 言 1
1.2 清潔設(shè)備的分類及工作原理 2
1.2.1 按清潔方式分類 2
1.2.2 按發(fā)動(dòng)機(jī)形式分類 3
1.2.3 按除塵系統(tǒng)分類 3
1.3 清潔機(jī)械的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢 3
1.3.1 國外清潔機(jī)械的發(fā)展趨勢 4
1.3.2 我國清潔機(jī)械的發(fā)展趨勢 5
1.4 課題的研究設(shè)想 6
1.5 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑 6
1.6 課題需要完成的任務(wù) 7
1.6.1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 7
1.6.2 設(shè)計(jì)工作基本要求 8
第2章 玻璃清潔機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 9
2.1 清潔機(jī)器人的總體方案 9
2.2 玻璃清潔機(jī)器人擦洗系統(tǒng)方案 9
2.3 玻璃清潔機(jī)器人爬行系統(tǒng)方案 11
2.4 其它部分方案 11
2.4.1材料選擇 11
2.4.2 輪的潤滑問題 11
2.4.3 軸承的潤滑問題 11
2.5 本章小結(jié) 12
第3章 玻璃清潔機(jī)器人主要零件設(shè)計(jì) 13
3.1 直齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.1.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 15
3.1.2 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算 16
3.1.3 齒面靜強(qiáng)度計(jì)算 17
3.1.4 齒根（抗彎）靜強(qiáng)度驗(yàn)算 18
3.2 錐齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
3.2.1 基礎(chǔ)尺寸確定 19
3.2.2 確定載荷系數(shù)K 20
3.2.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 20
3.2.4 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度計(jì)算 21
3.3 本章小結(jié) 22
第4章 玻璃清潔機(jī)器人擦洗系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23
4.1 擦洗機(jī)器刷洗部分設(shè)計(jì) 23
4.1.1 盤刷設(shè)計(jì) 23
4.1.2 滾刷設(shè)計(jì) 24
4.1.3刷洗部分所用彈簧的設(shè)計(jì) 25
4.2 內(nèi)空心軸設(shè)計(jì) 26
4.3 擦洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計(jì) 26
4.4 主機(jī)上傳感器及行程開關(guān)的選擇 27
4.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
4.6 本章小結(jié) 28
第5章 玻璃清潔機(jī)器人吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29
5.1 采用風(fēng)壓吸附的意義 29
5.2 基本原理 29
5.3 氣動(dòng)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求 29
5.4風(fēng)壓部分力學(xué)計(jì)算 30
5.5 本章小結(jié) 31
總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 35
35
第1章 緒論
1.1 前 言
環(huán)保是世界發(fā)展的主題，是每個(gè)城市關(guān)注的焦點(diǎn)，也是每個(gè)人的責(zé)任。近年來環(huán)保設(shè)備更是相繼而出，玻璃清潔機(jī)器人就是其中重要的環(huán)衛(wèi)設(shè)備之一。玻璃清潔機(jī)器人是一種集清潔、垃圾回收和運(yùn)輸為一體的新型清潔設(shè)備。近年來，利用玻璃清潔機(jī)器人進(jìn)行養(yǎng)護(hù)已經(jīng)成為一種潮流，在未來它將成為城市中一道亮麗的風(fēng)景線。
從20世紀(jì)60年代我國研制生產(chǎn)清潔機(jī)械并投放市場使用的主要是以大型玻璃清潔機(jī)器人為主，造價(jià)高、費(fèi)用大、維修困難等原因普遍使用有一定難度，且其造型對(duì)城市的美化和宣傳環(huán)保的作用并沒有完全表現(xiàn)出來，也沒有突出造型設(shè)計(jì)的人性化。而中小型玻璃清潔機(jī)器人的研制開發(fā)則剛剛起步，相對(duì)于發(fā)達(dá)國家，我國玻璃清潔機(jī)器人在銷售規(guī)模、技術(shù)水平、清潔效果等方面都存在一定的差距。 隨著公共環(huán)境衛(wèi)生、工廠清潔機(jī)械市場的迅猛發(fā)展，2005年之后，國內(nèi)清潔機(jī)開始呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。但與國外相比，國內(nèi)還停留在市場的初級(jí)發(fā)展階段。
目前，許多國家研制的小型清潔機(jī)器人應(yīng)時(shí)而生。日本、美國、歐洲各大廠商競相開發(fā)，有些產(chǎn)品甚至很超前很微型。例如，有一種具有高效吸塵除灰功能的清潔機(jī)器人，可遙控也可自主運(yùn)作，能轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，有很高的實(shí)用價(jià)值，構(gòu)造上也很靈巧簡單美觀，可對(duì)家居、廠礦企業(yè)等進(jìn)行清潔，幫助人們從繁雜的勞動(dòng)中解放出來。在這方面，國內(nèi)的研發(fā)步伐較慢。我國已逐步進(jìn)入現(xiàn)代化社會(huì)，靠人力掃把、鐵鍬、小車等陳舊、落后的清潔方式及設(shè)備，已不能滿足社會(huì)進(jìn)步的需要。特別是現(xiàn)代化的工廠不斷建成，機(jī)關(guān)、小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校和公共場的清潔工作也越來越繁重，靠大型玻璃清潔機(jī)器人不能解決問題，嚴(yán)重干擾了人們的生活。因此急需開發(fā)一種成本低、節(jié)約人力物力、清潔效果良好的適應(yīng)院落、小區(qū)、小巷、倉庫、走廊等小區(qū)域場所的小型清潔設(shè)備。
由于人們對(duì)環(huán)境污染問題越來越重視，燃油車在很大程度上受到限制。政府大力提倡綠色能源設(shè)備。近日國家出臺(tái)燃油含稅的政策，給電動(dòng)清潔車帶來福音。小型清潔設(shè)備因其實(shí)用性強(qiáng)、 垃圾清潔率高 、污染小、成本底、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、維修方便等特點(diǎn)具有廣泛的市場前景和實(shí)用價(jià)值。為了解決人力清潔耗力大、效率低、危險(xiǎn)性高、維修困難及汽車清潔費(fèi)用高等問題而提出了本實(shí)用玻璃清潔機(jī)器人。該小型玻璃清潔機(jī)器人系統(tǒng)地總結(jié)了玻璃清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合未來的發(fā)展方向，以人性化、審美性和環(huán)保設(shè)計(jì)為立足點(diǎn)，基于人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念，從人性化設(shè)計(jì)、功能區(qū)的布局和總體造型3個(gè)方面對(duì)玻璃清潔機(jī)器人進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。其工作效率高，適用于校園、街道廣場、較大的院落、倉庫、狹窄的小巷、走廊等，可供鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上的城市全能使用，本機(jī)自代垃圾箱，在推行時(shí)就將上的雜物卷進(jìn)垃圾箱，方便快捷。
玻璃清潔機(jī)器人的有益效果是，利用錐形盤狀滾刷與有一定角度將垃圾掃到車體底部的中間，再利用圓柱形滾筒平行相切產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，將上的垃圾通過滾筒的傳送帶送入垃圾箱，完成連續(xù)清潔任務(wù)。本機(jī)制造和使用成本低、投資小、使用廣泛、靈活、方便，適用于城市、城鄉(xiāng)、廣場、場區(qū)等非機(jī)動(dòng)；清潔效率高、清潔力度大、操作簡單；不但能清潔垃圾，而且還可以對(duì)上的空氣介質(zhì)進(jìn)行除塵凈化，既保證了的美觀，維護(hù)了環(huán)境的衛(wèi)生，延長了的使用壽命，又維持了的良好工作狀況，預(yù)防了交通事故的發(fā)生。
本文具體介紹了玻璃清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，并根據(jù)現(xiàn)在清潔機(jī)發(fā)展趨勢及我國國情詳細(xì)說明了設(shè)計(jì)的過程以及所應(yīng)用的參考文獻(xiàn)，并以圖例和數(shù)據(jù)表格來輔助說明設(shè)計(jì)的詳細(xì)內(nèi)容。此玻璃清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程涉及很多方面的知識(shí)，由于實(shí)踐等方面的不足可能會(huì)出現(xiàn)很多文字及內(nèi)容的不夠周全，謹(jǐn)請有關(guān)老師給予批評(píng)指正。
1.2 清潔設(shè)備的分類及工作原理
清潔設(shè)備按大小可分為大型清潔設(shè)備和中小型清潔設(shè)備。大型清潔設(shè)備主要是玻璃清潔機(jī)器人，由于本課題主要研究的是小型清潔設(shè)備，大型的清潔設(shè)備在此不再多述。而現(xiàn)有的小型清潔設(shè)備主要按清潔方式、發(fā)動(dòng)機(jī)形式、除塵系統(tǒng)等分類。
1.2.1 按清潔方式分類
按清潔方式小型清潔機(jī)器可分為純掃式、純吸式和吸掃式三類。
1、純掃式小型清潔機(jī)器
純掃式小型清潔機(jī)器只是依靠位于清潔機(jī)器兩側(cè)的蝶形刷和位于清潔機(jī)器中部的滾筒刷的相互接力完成對(duì)的清潔。蝶形刷有很好的壓力調(diào)節(jié)裝置，可有效的清除的黏著物，提高清潔質(zhì)量。刷毛具有很好的強(qiáng)度與彈性，它的設(shè)置同時(shí)增加了掃路機(jī)的清潔寬度，加大了清潔面積。滾筒刷除了清清潔面的垃圾外還有將垃圾掃入車內(nèi)垃圾箱的作用。此掃路機(jī)所需功率小，操作簡單，其主要缺點(diǎn)是對(duì)塵土特別是細(xì)小顆粒的塵土清潔效果差清潔過程產(chǎn)生揚(yáng)塵。
2、純吸式小型清潔機(jī)器
純吸式小型清潔機(jī)器的吸掃系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、吸塵嘴等組成。作業(yè)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)將落塵箱內(nèi)的空氣通過出氣管道輸送到吸塵罩內(nèi)，在吸塵罩內(nèi)產(chǎn)生漩渦氣流，罩內(nèi)的垃圾在氣流的沖擊下懸浮起來；在吸塵嘴的另一端有吸氣管道，在風(fēng)機(jī)的作用下將懸浮的垃圾隨氣流吸進(jìn)落塵箱內(nèi)。此掃路機(jī)克服了純掃式清潔機(jī)器對(duì)塵土清潔不利的缺點(diǎn)，吸塵率較高，但它的缺點(diǎn)是不利于對(duì)馬路邊溝垃圾清除，在濕地上作業(yè)效果不好。
3、吸掃式小型清潔機(jī)器
吸掃式小型清潔機(jī)器汲取前兩類掃路機(jī)的特點(diǎn)，其清潔系統(tǒng)通過由蝶形刷和風(fēng)機(jī)、風(fēng)管道、吸塵嘴等組成。蝶形刷的設(shè)置加強(qiáng)了對(duì)馬路邊溝的清潔，將兩側(cè)的垃圾掃到吸塵嘴的工作區(qū)域，再由吸塵系統(tǒng)將垃圾吸入車內(nèi)的垃圾箱。此清潔機(jī)器工作效率高，適合任何環(huán)境的清潔，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。
1.2.2 按發(fā)動(dòng)機(jī)形式分類
隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以電瓶為原動(dòng)力驅(qū)動(dòng)不存在尾氣排放問題的電動(dòng)小型清潔機(jī)器近年來越來越受到人們的青睞。此清潔機(jī)器采用無級(jí)變速系統(tǒng)根據(jù)路況自動(dòng)調(diào)整清潔速度，工作效率高，工作時(shí)噪音比內(nèi)燃機(jī)要低得多，具有杰出的環(huán)保性能。且其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，小巧靈活，有利于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它的主要缺點(diǎn)是連續(xù)工作時(shí)間受到限制：通常工作一個(gè)班次以后（6-8小時(shí)），要對(duì)電瓶進(jìn)行充電，因而每次作業(yè)后的維護(hù)時(shí)間比較長。?
1.2.3 按除塵系統(tǒng)分類
本次設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人是手推式機(jī)械濕刷式的，由機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、垃圾箱、垃圾傳送系統(tǒng)組成。其設(shè)置清潔的垃圾裝置，能連續(xù)清潔垃圾并自動(dòng)將垃圾傳送到垃圾箱。該玻璃清潔機(jī)器人解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)做動(dòng)力，通過V帶帶動(dòng)錐齒輪、齒輪、機(jī)體前面底部的滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行清潔；通過V輪帶動(dòng)滾筒垃圾傳輸裝置，將滾刷清潔的垃圾輸送到垃圾箱里。其結(jié)構(gòu)是在機(jī)架的前車底安裝兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的工業(yè)腳輪作支撐，承載電機(jī)的重量，同時(shí)起到更好的轉(zhuǎn)向作用。前下部左右安裝一對(duì)大轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪上安著椎形盤狀滾刷。車體的前底面是一塊板狀底，底板的上半部是鐵板、下半部是橡膠板，底板的上部與垃圾傳送裝置相連，并用一個(gè)擋板結(jié)構(gòu)與垃圾箱相接，擋板與接觸；垃圾傳送裝置傾斜一定角度,由數(shù)根滾動(dòng)條滾動(dòng)帶動(dòng)，其傳送帶上有數(shù)條倒鉤，以便更好的傳送垃圾，上端與垃圾箱相通。在機(jī)架的后面安裝一對(duì)可充氣的小車輪，方便行走，也可用來調(diào)整主刷與的距離；垃圾箱是安裝在機(jī)架后面，采用抽拉式的結(jié)構(gòu)形式，方便垃圾箱的抽出和垃圾的傾倒，省時(shí)省力。前面的側(cè)刷是圓錐型的，接觸面與有一定的角度，并與距離可調(diào)。清潔時(shí)主刷、側(cè)刷、垃圾傳送裝置同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行連續(xù)清潔。側(cè)刷用來清潔路牙，將垃圾掃到主刷的清潔范圍內(nèi)，并可擴(kuò)大清潔面積；主刷將垃圾掃到擋板架上，再掃到傳送裝置上，通過傳送裝置將垃圾送進(jìn)垃圾箱。垃圾箱前端開口，以便傾倒垃圾。
1.3 清潔機(jī)械的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢
近年來，國內(nèi)外清潔機(jī)械的發(fā)展較快。國內(nèi)有廠家引進(jìn)了國外先進(jìn)吸掃式清潔機(jī)工作裝置的生產(chǎn)技術(shù)，與國產(chǎn)汽車底盤配套生產(chǎn)清潔機(jī)，大大提高了國產(chǎn)清潔機(jī)的技術(shù)性能。
1.3.1 國外清潔機(jī)械的發(fā)展趨勢
國外清潔機(jī)起步較早，技術(shù)較先進(jìn)。早在20世紀(jì)80年代中期隨著國外公路的修建速度趨于平緩，公路養(yǎng)護(hù)工作在國外已提到格外重要的位置。為適應(yīng)養(yǎng)護(hù)工作需要，國外工業(yè)發(fā)達(dá)的國家開始將大量的資本和開發(fā)能力投向養(yǎng)護(hù)機(jī)械的研制生產(chǎn)，從而使國外養(yǎng)護(hù)機(jī)械得到了迅速發(fā)展。清潔軍的造型設(shè)計(jì)也是千奇百態(tài)，各具特色，大型、中型、小型玻璃清潔機(jī)器人的造型設(shè)計(jì)都得到了快速穩(wěn)定的發(fā)展。
國內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國研究和發(fā)展機(jī)器人始于七十年代初。1975年在北京舉辦的日本科技展覽會(huì)上，川崎重工公司首先在中國展出了工業(yè)機(jī)器人，以此為起點(diǎn)，我國掀起了第一個(gè)研制機(jī)器人的浪潮。上海大學(xué)從1987年開始在上海市科委和國家“863”的支持下，率先從事爬壁機(jī)器人的研究，此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也相繼在幕玻璃擦洗、高空檢查、鍋爐水冷壁檢測、大橋拉索涂裝和維護(hù)等領(lǐng)域開展研究。
自1988年以來，上海大學(xué)先后研制了玻璃窗玻璃清潔機(jī)器人和球形爬壁機(jī)器人。前者采用多層框架式機(jī)構(gòu)，真空吸盤吸附，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但重量大，且沒有裝備擦洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤，設(shè)計(jì)者從滿足穩(wěn)定性和控制復(fù)雜程度的綜合，考慮到吸盤穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。此外，他們還在擦洗裝備和工藝做了較為深入的研究，并根據(jù)玻璃幕玻璃障礙的特點(diǎn)，開發(fā)了一種全方位越障機(jī)構(gòu)，大幅度提高了機(jī)器人的越障能力。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國內(nèi)壁面移動(dòng)機(jī)器人研究較早的單位，在國家“863”智能機(jī)器人的支持下，已經(jīng)先后開發(fā)出兩個(gè)系列共5個(gè)品種的爬壁機(jī)器人。較早完成的是輪式負(fù)壓吸附壁面爬行遙控檢查機(jī)器人，如圖1.3所示。該機(jī)器人采用雙輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主體下部是一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng)密封式負(fù)壓吸盤。擦洗機(jī)構(gòu)置于尾部，同時(shí)還設(shè)有卷揚(yáng)機(jī)，支援小車等附屬設(shè)施。由于密封裝置采用柔性設(shè)計(jì)，對(duì)壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運(yùn)動(dòng)，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。
圖1.3 輪式負(fù)壓遙控機(jī)器人 圖1.4 CLEANBOT-Ⅰ
北京航空航天大學(xué)自1996年以來，在國家“863”計(jì)劃的大力資助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機(jī)器人”、“吊籃式擦窗機(jī)器人”、 “藍(lán)天潔寶”等系列幕玻璃玻璃清潔機(jī)器人樣機(jī)。前三種均為全自動(dòng)玻璃清潔機(jī)器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和功能統(tǒng)一。其中CLEANBOT-Ⅰ的縱橫氣缸之間有一能做微小角度轉(zhuǎn)動(dòng)的腰關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)整，如圖1.4所示。之后北航又推出藍(lán)天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機(jī)器人。
2000年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機(jī)器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機(jī)器人，但重量小的多，僅有20kg。該機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動(dòng)密封負(fù)壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動(dòng)的雙車體結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機(jī)器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進(jìn)行作業(yè)?！八{(lán)天潔寶”屬于被動(dòng)玻璃清潔機(jī)器人，使用大面積負(fù)壓吸盤吸附，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
香港大學(xué)和內(nèi)地大學(xué)合作，研制了一系列高樓擦洗爬壁機(jī)器人。Cleanbot-Ⅰ采用北航機(jī)器人原型，Cleanbot-Ⅱ采用了一種仿坦克的爬壁機(jī)器人原型設(shè)計(jì)。該機(jī)器人采用多個(gè)轉(zhuǎn)盤組成的吸附機(jī)構(gòu)和單鏈條爬行及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以在玻璃幕玻璃和船殼等玻璃上連續(xù)爬行，并有一定的越障能力。
1.3.2 我國清潔機(jī)械的發(fā)展趨勢
我國環(huán)衛(wèi)機(jī)械起步較晚，已有的玻璃清潔機(jī)器人還是以大型玻璃清潔機(jī)器人為主，小型玻璃清潔機(jī)器人相對(duì)較少，并且有一些還是經(jīng)過改裝的小型玻璃清潔機(jī)器人，如將三輪摩托車的后部改裝為玻璃清潔機(jī)器人的箱體等等 ，其造型沒表現(xiàn)出對(duì)城市的美化和宣傳環(huán)保的作用，也沒有突出造型設(shè)計(jì)的人性化。總體而言，目前國內(nèi)玻璃清潔機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)還沒有專門的小型玻璃清潔機(jī)器人技術(shù)研發(fā)中心，研發(fā)資金投入也較少，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平整體不高。
目前隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的勢頭，經(jīng)濟(jì)實(shí)力和消費(fèi)能力越來越強(qiáng)，同時(shí)對(duì)節(jié)約成本的要求越來越高，政府把城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理和加強(qiáng)環(huán)境綜合治理納入城市政府的主要職責(zé)，積極推進(jìn)了環(huán)境衛(wèi)生事業(yè)得到了快速發(fā)展?？梢悦鞔_，借這些機(jī)會(huì)，全國范圍內(nèi)將掀起環(huán)衛(wèi)機(jī)械化市場快速發(fā)展的高潮。我們將在之前的技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，把玻璃清潔機(jī)器人車型變得簡單輕便美觀，在增大承載容積和載荷能力的同時(shí)，降低清潔機(jī)的重量，提高使用壽命，減少噪聲，降低成本，使玻璃清潔機(jī)器人更加的人性化智能化，更加方便人們的使用，使其更加適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和人們的需求。因此，玻璃清潔機(jī)器人在國內(nèi)的發(fā)展前景是遠(yuǎn)大的。
由于擦洗工作環(huán)境及任務(wù)的特殊性，擦洗爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求相當(dāng)苛刻。其總的設(shè)計(jì)原則是：減輕重量，降低造價(jià)，安全可靠，能適應(yīng)多種建筑物玻璃，且要有足夠高的擦洗效率。
從擦洗機(jī)的工作環(huán)境來看，其主機(jī)可能有兩個(gè)發(fā)展方向：
其一：適用于平整瓷磚和玻璃幕玻璃擦洗，它結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，屬小型輕量化。
其二：適用于復(fù)雜玻璃，如階梯玻璃，壁面多窗戶的壁面擦洗，它的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作、控制都很復(fù)雜。
其三：以壁面機(jī)器人為載體，配以專用的擦洗機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)不同壁面機(jī)構(gòu)。
1.4 課題的研究設(shè)想
參閱相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，高層建筑外玻璃擦洗機(jī)主要由伺服懸吊系統(tǒng)、擦洗主機(jī)和由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮為擦洗提供足夠的壓玻璃力、刷洗部件設(shè)計(jì)、擦洗液的噴灑和臟液體的收集、對(duì)左右邊緣和上下行程的識(shí)別、行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算。
1.5 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑
本課題要求是設(shè)計(jì)一種簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的玻璃清潔機(jī)器人，其關(guān)鍵問題就在于如何很好的實(shí)現(xiàn)清潔功能。尤其使傳動(dòng)系統(tǒng)、整體結(jié)構(gòu)、工作裝置的設(shè)計(jì)。由于清潔器是一種出現(xiàn)比較晚的機(jī)械產(chǎn)品，因此在其設(shè)計(jì)過程中，不可避免的出現(xiàn)了很多未解決得難點(diǎn)疑點(diǎn)，總結(jié)其難點(diǎn)如下：
由于玻璃清潔機(jī)器人是一新興產(chǎn)品，清潔功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)還不成熟，很難查到相關(guān)的資料。因此清潔功能的實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)工作的一個(gè)很大的難點(diǎn)。對(duì)掃盤高度固定不能很好地適應(yīng)不同的作業(yè)，垃圾體積的大小也受限；而且盤上安裝的小掃把的毛太硬，與直接接觸，這樣會(huì)增大車與之間的摩擦力，如果是人力驅(qū)動(dòng)，會(huì)使人覺得很費(fèi)力，如果是電力驅(qū)動(dòng)， 會(huì)增大能源的浪費(fèi)， 都會(huì)使掃把和蓄電池的壽命減少。玻璃清潔機(jī)器人工作時(shí)所產(chǎn)生的二次揚(yáng)塵污染、漏垃圾、噪音大和產(chǎn)品可靠性等方面也較難解決的問題。清潔范圍的大小不僅與玻璃清潔機(jī)器人的各部分的尺寸有關(guān)，并與它的總體設(shè)計(jì)構(gòu)形式有關(guān)。機(jī)構(gòu)太小工作效率就會(huì)降低，清潔范圍也就變小滿足不了要求，機(jī)構(gòu)太大則設(shè)備就會(huì)太大，從而增加轉(zhuǎn)彎半徑，使玻璃清潔機(jī)器人在城市中轉(zhuǎn)彎困難。還有防滑問題，因?yàn)樵撉鍧嵻囀峭ㄟ^輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)整個(gè)輪系的轉(zhuǎn)動(dòng)來產(chǎn)生作用。但是一旦光滑，輪子產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象，那么車內(nèi)的輪系就根本不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣清潔車就完全失去了作用。因此合理的選擇機(jī)構(gòu)的大小及機(jī)構(gòu)布置極為重要且比較困難。
為了更好的了解所作題目，查閱已有文獻(xiàn)資料是十分重要的，由于玻璃清潔機(jī)器人的資料很少的。因此，在設(shè)計(jì)過程中，廣泛的搜集資料，并借鑒了清潔機(jī)器人的一些數(shù)據(jù)資料對(duì)我的設(shè)計(jì)工作起了很大的幫助。在這些文獻(xiàn)綜述中，詳細(xì)的介紹了清潔機(jī)器人的一般設(shè)計(jì)思路，如外形的設(shè)計(jì)，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式如何，具體結(jié)構(gòu)等等，都對(duì)我即將所作的設(shè)計(jì)提供了很大的幫助，此外，為了更好的設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在軸、帶、齒輪等重要元件的設(shè)計(jì)過程中保證其結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，又對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課本進(jìn)行了系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，但還是有很多關(guān)鍵技術(shù)是專利項(xiàng)目，不會(huì)公布在資料之中的。所以，我參考用的資料并不能解決我在設(shè)計(jì)過程中所遇到的所有難點(diǎn)，有許多的問題是根據(jù)我自己的想法來做的。因?yàn)槲业倪@些想法并不成熟，沒有太多的實(shí)踐性，所以，在解決一些棘手問題時(shí)并不能夠很好的解決。在今后的設(shè)計(jì)中，還需要通過實(shí)踐，對(duì)其一步一步的進(jìn)行改進(jìn)。
1.6 課題需要完成的任務(wù)
1.6.1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
本課題要求設(shè)計(jì)出的玻璃清潔機(jī)器人能完成普通清潔的功能。完成玻璃清潔機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)組成，并對(duì)玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力更加合理。
其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：
1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（電機(jī)電池的選擇與安裝）；
2、傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
3、帶傳動(dòng)的選擇與設(shè)計(jì)；
4、齒輪的選擇與設(shè)計(jì)；
5、軸和軸承的設(shè)計(jì)；
6、機(jī)架的設(shè)計(jì)；
7、繪制玻璃清潔機(jī)器人的零件圖及裝配圖；
8、完成設(shè)計(jì)說明書。
1.6.2 設(shè)計(jì)工作基本要求
1、結(jié)合設(shè)計(jì)題目，在老師的指導(dǎo)下廣泛查閱文獻(xiàn)，并擬定一份合理的設(shè)計(jì)任務(wù)書；
2、根據(jù)參考文獻(xiàn)和課題要求，提出自己擬定的可行性方案，并寫出開題報(bào)告；
3、按要求對(duì)玻璃清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與零件進(jìn)行受力計(jì)算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力更加合理；
4、和老師充分研討，列出論文編寫大綱；
5、翻譯英文文獻(xiàn)；
6、認(rèn)真撰寫論文，按時(shí)完成任務(wù)，準(zhǔn)備答辯；
總的要求就是畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束后，能夠達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。
第2章 玻璃清潔機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
2.1 清潔機(jī)器人的總體方案
根據(jù)玻璃清潔機(jī)器人擦洗作業(yè)的要求，機(jī)器人首先必須具備擦洗作業(yè)功能和控制功能，此外玻璃清潔機(jī)器人還必須在高層建筑物玻璃進(jìn)行吸附和移動(dòng)，因此玻璃清潔機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機(jī)器人擦洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。
主機(jī)主要由箱體，支撐架，防護(hù)罩，刷子，電機(jī)，螺旋槳吸附系統(tǒng)，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。通過螺旋槳吸附系統(tǒng)使主機(jī)吸附在玻璃上，并使刷子壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到刷洗的目的。
主機(jī)有一懸吊支撐架，其外側(cè)與懸吊系統(tǒng)相連，可調(diào)吸附系統(tǒng)安裝在懸吊支撐架背后，吸附系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)螺旋漿轉(zhuǎn)速控制擦洗力，懸吊支撐架通過一圓導(dǎo)軌和箱體（其上安裝兩盤兩滾）相連，所有的擦洗裝置均安裝在該箱體上，擦洗系統(tǒng)由固定在懸吊支撐架上的步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行以90°為單位的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)橫洗和縱洗的轉(zhuǎn)換。箱體上有兩個(gè)圓盤形擦洗刷，盤刷底部都有十二個(gè)擦洗液噴射孔，另有兩圓柱形滾刷，在其行走前方有清水噴射孔，并安裝一軟質(zhì)刮水板，以使擦洗過的部位快速風(fēng)干并避免留下來的擦洗液腐蝕玻璃。箱體上還有一電機(jī)通過錐形齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)傳到其中一個(gè)盤型擦洗刷上，再通過齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給另一盤刷，所以兩盤刷轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，可以達(dá)到更好的擦洗效果，圓柱形滾刷是由電機(jī)尾部的軸通過V帶驅(qū)動(dòng)的。在懸吊支撐架上有防護(hù)罩，防止擦洗液四濺。清水，擦洗液，電機(jī)的供電和控制電纜都是是由復(fù)合纜供給的，復(fù)合纜連接懸吊系統(tǒng)。在風(fēng)壓支架上有配重塊，配重塊可以沿光杠絲杠移動(dòng)。通過調(diào)節(jié)配重塊可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡，以達(dá)到減小震動(dòng)的效果。在擦洗機(jī)主體的上下部安放超聲波傳感器，以進(jìn)行邊緣識(shí)別。箱體上裝有兩對(duì)滾輪，滾輪通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)，而轉(zhuǎn)向通過箱體的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
2.2 玻璃清潔機(jī)器人擦洗系統(tǒng)方案
根據(jù)以上提出的技術(shù)性能及要求，初步確定擦洗方案如下：
第一種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.1：
此種方案采用負(fù)壓履帶吸盤式盤滾組合式擦洗，由于受到玻璃玻璃材料的影響較大，一般情況下，每兩塊瓷磚之間都有4～5毫米的縫隙，密封不可靠。
圖2.1 結(jié)構(gòu)一 圖2.2 結(jié)構(gòu)二
第二種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.2：
這種方案采用了風(fēng)壓式壓緊，盤滾組合式擦洗，擦洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中間傳動(dòng)的需要，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,風(fēng)扇的中心與刷子的中心不重合，刷洗壓力不均勻，中心不穩(wěn)定，容易引起震動(dòng)問題。但可以考慮配重問題。
第三種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.3：
圖2.3 結(jié)構(gòu)三
這種方案吸取了第二種方案的優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)的改變，使振動(dòng)的問題減小，機(jī)體尺寸減小。
這種方案為螺旋槳風(fēng)壓式高層建筑外玻璃擦洗機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：① 在擦洗機(jī)外機(jī)架背后安裝可調(diào)吸附系統(tǒng)來提供連續(xù)均勻的擦洗力，螺旋槳可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制擦洗壓力；② 機(jī)架內(nèi)采用一擦洗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)裝置，方便的實(shí)現(xiàn)了縱橫兩不同擦洗方向的調(diào)整，減少非作業(yè)時(shí)間，增加了工作柔性，大大提高了工作效率；③ 應(yīng)用兩盤兩滾相結(jié)合的擦洗方式，擦洗液和清水分別由盤刷和滾刷提供以達(dá)到最佳擦洗效果。
綜合比較以上三種方案，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由于對(duì)于玻璃的壓力要求大，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，最后我決定用第三種方案。
通過螺旋槳吸附系統(tǒng)使主機(jī)吸附在玻璃上，并使盤刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到刷洗的目的。旋轉(zhuǎn)的刷子的軌跡為包絡(luò)線，從而擦洗干凈玻璃。滾刷噴的是清水，將玻璃沖洗干凈，以避免留下來的擦洗機(jī)腐蝕玻璃，同時(shí)盤刷和滾刷采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減小了擦洗主機(jī)的重量，清潔度提高，擦洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤兩滾結(jié)構(gòu)可減少不必要的回程時(shí)間，以達(dá)到提高效率的目的。
2.3 玻璃清潔機(jī)器人爬行系統(tǒng)方案
本方案通過螺旋槳吸附系統(tǒng)使主機(jī)吸附在玻璃上，并使盤刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到刷洗的目的。旋轉(zhuǎn)的刷子的軌跡為包絡(luò)線，從而擦洗干凈玻璃。滾刷噴的是清水，將玻璃沖洗干凈，以避免留下來的擦洗機(jī)腐蝕玻璃，同時(shí)盤刷和滾刷采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減小了擦洗主機(jī)的重量，清潔度提高，擦洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤兩滾結(jié)構(gòu)可減少不必要的回程時(shí)間，以達(dá)到提高效率的目的。
2.4 其它部分方案
2.4.1材料選擇
根據(jù)課題要求，總體重量越輕越好，由于使用擦洗液，耐腐蝕性能也要好而且此產(chǎn)品是輕載荷，故材料首先選用鋁合金材料及非金屬材料。
整個(gè)及其涉及到齒輪減速器的地方，齒輪的材料經(jīng)過篩選與比較采用聚甲醛（均聚），見《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》P.244。
本機(jī)的各個(gè)傳動(dòng)軸均采用硬質(zhì)合金LY11。
螺旋槳材料選用尼龍66 (聚己二酰己二胺)。
機(jī)架的材料采用鋁合金。
其他機(jī)件的選擇根據(jù)通常材料在重量最輕原則下進(jìn)行確定。
2.4.2 輪的潤滑問題
由于齒輪的材料已確定為聚甲醛，據(jù)《機(jī)械工程手冊》（第二版）2-369，其工作要求少潤滑或無潤滑，。故不考慮齒輪的潤滑問題。
2.4.3 軸承的潤滑問題
大空心軸的轉(zhuǎn)速較低為400r/min,鼓起潤滑方式應(yīng)為脂潤滑，潤滑脂為鈣機(jī)潤滑脂。
注：以上潤滑脂的選擇見《非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊》P.582。
2.5 本章小結(jié)
本章確定了設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人的總體方案。根據(jù)作業(yè)環(huán)境，對(duì)機(jī)器人從擦洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，選型和參數(shù)的確定。最后請教導(dǎo)師對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行校正，以確定設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性。
第3章 玻璃清潔機(jī)器人主要零件設(shè)計(jì)
3.1 直齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉式直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，標(biāo)稱功率P=1.5kW,小齒輪轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，傳動(dòng)比i=4.1許有4%的誤差,長時(shí)工作，預(yù)期壽命五年，每年按200天計(jì)。工作有輕微沖擊，齒輪對(duì)稱布置。
（1） 選材料確定初步參數(shù) 依據(jù)參考文獻(xiàn)[5]表5-5選材料
小齒輪：40Cr調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為260HBS
大齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為230HBS
（2） 初選齒數(shù) 取小齒輪齒數(shù)為=32，則大齒輪齒數(shù)為：
園整，為使u為除不盡的數(shù)取 =129
（3） 齒數(shù)比
驗(yàn)算傳動(dòng)比誤差，×100%=1.7%允許
（4） 選擇齒寬系數(shù)d和傳動(dòng)精度等級(jí) 查參考文獻(xiàn)[5]表5-8得齒寬系數(shù)d=0.275
初估小齒輪直徑
則齒寬
齒輪圓周速度：
,
查參考文獻(xiàn)[5]表5-4可選擇精度等級(jí)為7級(jí),
（5） 計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
(5.1)
定重合度系數(shù)、
(5.2)
由公式(5.2)定重合度
=1.88-3.2×（1/32+1/129）=1.755
分別由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》中公式得
===0.865
=0.25+
（6） 確定載荷系數(shù)、
(5.3)
1) 使用系數(shù) 由參考文獻(xiàn)[6]表10-2查表，取=1.35
2) 動(dòng)載系數(shù) 由參考文獻(xiàn)[6]圖10-8可查得，=1.14
3) 齒向載荷分布系數(shù),由參考文獻(xiàn)[6]圖10-4可取=1.29
4) 齒間載荷分配系數(shù)、根據(jù)條件
查參考文獻(xiàn)[6]表10-3得
=1/ Y=1/0.677=1.48
5) 載荷系數(shù) 、 由公式(5.3)可算得
3.1.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
（1） 確定許用應(yīng)力[]
1) 總工作時(shí)間：
2) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、N由參考文獻(xiàn)[6]公式(10-13)及參考文獻(xiàn)[6]表10-18可計(jì)算查得：
3) 壽命系數(shù)、
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-17 取=1 =1
4) 接觸疲勞極限 ：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-13 取=630MPa，=490MPa
5) 安全系數(shù) ：
參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》照表8.2-13，取=1
6) 許用應(yīng)力[]、[]：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式(8.2-15)
[]=
[]=
（2） 彈性系數(shù)：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》表8.2-11， 取=190
（3） 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-12，取=2.5
（4） 求所需小齒輪直徑 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式（8.2-11）
=
符合初估數(shù)值
（5） 確定中心距、模數(shù)等主要幾何參數(shù)
1) 中心距a 初算中心距
園整取中心距a =200mm
2) 模數(shù)m 由中心距a及初選齒數(shù)、得
按標(biāo)準(zhǔn)取m=2.5mm
3) 分度圓直徑、
=m z=2.5×32=80mm
=m =2.5×129=322.5mm 取為=320mm
4) 確定齒寬
取大齒輪齒寬=b=22mm,小齒輪齒寬=32mm
3.1.2 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算
（1） 求許用彎曲應(yīng)力
1) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由以上計(jì)算可得
2) 壽命系數(shù)、 取= =1
3) 極限應(yīng)力 、
由圖9-21?。?220MPa =170MPa
4) 尺寸系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-26，取=1
5) 安全系數(shù) 參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》表8.2-13，取=1.5
6) 許用應(yīng)力、 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式(8.2-20)，許用彎曲應(yīng)力：
=
=
（2） 齒形系數(shù)、
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖9-19，?。?=2.5
=2.15
（3） 應(yīng)力修正系數(shù)、
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖9-20，?。?1.63
=1.82
（4）校核齒根抗彎曲疲勞強(qiáng)度 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式（8.2-17），齒根彎曲應(yīng)力
抗彎疲勞強(qiáng)度足夠。
3.1.3 齒面靜強(qiáng)度計(jì)算
(1) 確定許用接觸應(yīng)力：
參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》表8.2-13，取靜強(qiáng)度安全系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-17，取壽命系數(shù)
于是由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式(8.2-21)，許用接觸應(yīng)力（大輪較低）
(2) 校核齒面靜強(qiáng)度
根據(jù)過載條件，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式(8.2-21)，齒面最大接觸應(yīng)力
齒面靜強(qiáng)度足夠。
3.1.4 齒根（抗彎）靜強(qiáng)度驗(yàn)算
（1）確定許用彎曲應(yīng)力
參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》表8.2-13，取靜強(qiáng)度安全系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-25，取壽命系數(shù)
于是由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式(8.2-22)，許用彎曲應(yīng)力
（2）求最大彎曲應(yīng)力并校核強(qiáng)度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式(8.2-22)，最大彎曲應(yīng)力
靜強(qiáng)度滿足要求。
帶動(dòng)兩個(gè)盤刷的齒輪對(duì)稱布置
3.2 錐齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械工程設(shè)計(jì)手冊》第二版2-369，材料選擇聚甲醛（均聚），參照《機(jī)械工程手冊》第6卷
3.2.1 基礎(chǔ)尺寸確定
由小錐齒輪所傳遞轉(zhuǎn)距為,根據(jù)圖2.4-14和圖2.4-15選擇小齒輪大端分度圓直徑為，取大端模數(shù)。
則齒數(shù)：
軸交角
分錐角
外錐距：
齒寬系數(shù)取0.3，則齒寬： 取b=24mm
齒頂高：
齒根高：
齒高：
大端齒頂圓直徑：
(5.4)
齒根角：
齒頂角：
頂錐角：
根錐角：
冠頂距：
確定傳動(dòng)的精度等級(jí)
初選平均切線速度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》Pg159 表8.2-5，選擇傳動(dòng)等級(jí)為8級(jí)
3.2.2 確定載荷系數(shù)K
使用系數(shù),由已知條件查表8.2-9，取
動(dòng)載荷系數(shù),由圖8.2-6，取
齒向載荷分布系數(shù),按小錐齒輪懸臂考慮取
載荷系數(shù)
3.2.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
[1] 確定許用應(yīng)力
壽命系數(shù),由已知條件取
安全系數(shù),參照表8.2-13，取
接觸疲勞極限
[2] 彈性系數(shù)
[3] 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
[4] 小齒輪所需大端分度圓直徑,由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式(8.2-44)
[5] 驗(yàn)算速度
平均直徑：
平均線速度：
[6] 確定模數(shù)m:
3.2.4 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度計(jì)算
（1） 確定許用彎曲應(yīng)力
1) 壽命系數(shù)
2) 安全系數(shù)
3) 尺寸系數(shù)
4) 極限應(yīng)力,取
5) 許用彎曲應(yīng)力
（2） 齒形系數(shù),
1) 分錐角
2) 當(dāng)量齒數(shù):
3) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-19，取,
4) 應(yīng)力修正系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》圖8.2-20 取，
5) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第5版)》式8.2-46
(5.5)
(5.6)
(5.7)
三式聯(lián)立求得
滿足要求
3.3 本章小結(jié)
本章對(duì)傳動(dòng)部件的直齒圓柱齒輪和錐齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核，使之滿足傳動(dòng)要求。由于材料有限，設(shè)計(jì)時(shí)采用的是45號(hào)鋼以取代聚乙醛，方便材料的強(qiáng)度計(jì)算。
第4章 玻璃清潔機(jī)器人擦洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 擦洗機(jī)器刷洗部分設(shè)計(jì)
假設(shè)擦洗速度0.2m2/s。
4.1.1 盤刷設(shè)計(jì)
1）盤刷
采用在塑料體上在塑料毛的盤刷，其具有一定的彈性和剛度，可保證一定的壓緊力來擦洗玻璃，同時(shí)若玻璃有一定高度的凸出物，塑料毛有一定的彈性可以退讓，順利通過。刷子半徑214，有毛半徑208，刷毛長度為50，盤刷與聯(lián)刷體可通過螺栓來裝配連接。
2）聯(lián)刷體
采用聯(lián)刷體的目的：
[1] 使電機(jī)與盤刷連接起來;
[2] 使盤刷具有可換性；
[3] 可調(diào)節(jié)盤刷與玻璃的距離；
聯(lián)刷體保證與電機(jī)連接處的強(qiáng)度、材料應(yīng)盡量輕，其結(jié)構(gòu)如圖4.1：
圖4.1 聯(lián)刷體
3）盤刷的工藝性
根據(jù)資料可知：刷類的刷毛是用制毛器植上的，其基本原理如下：
在殼體剛注塑完時(shí)，趁著殼體還為硬化，用機(jī)械方法把刷毛植進(jìn)去。把一撮毛（約四至五根）折彎，在根部裝上一韌性卡子，用專門植毛機(jī)把毛插入未硬化的殼體內(nèi)，卡子插入后，待殼體凝固，便把刷毛固定下來，這樣整個(gè)植毛工藝就完成了。
根據(jù)上述原理，盤刷也可以采用這種方法制作，其技術(shù)要求：
毛孔直徑：2.5mm
間距：5mm
孔深：10 mm
每孔刷毛密度：五根
滾刷原理與上面相同
4.1.2 滾刷設(shè)計(jì)
采用在鋼軸外面加套橡膠軸套，在橡膠軸上栽刷毛的方法做成，可通過調(diào)換橡膠套的方法調(diào)換滾刷，滾刷半徑為106，有刷毛部分長度為940。滾刷結(jié)構(gòu)如圖4.2：
圖4.2 滾刷
為了控制的方便，減輕主機(jī)的重量，應(yīng)盡量減輕電機(jī)的數(shù)量，所以盤刷、滾刷共用一雙輸出軸電機(jī)，中間用齒輪和V帶傳動(dòng)；從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，采用普通的三相電機(jī)，帶動(dòng)兩盤兩滾共四個(gè)擦洗刷。
依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，取洗刷的壓強(qiáng)為螺旋槳工作壓力為20公斤力。四個(gè)角輪 分別承受3公斤力。盤滾刷均承受兩公斤力
刷毛與玻璃的摩擦系數(shù)為0.1～0.2，取μ=0.15
對(duì)盤刷求積分轉(zhuǎn)矩為 :
1) 洗力矩：
盤刷：
兩個(gè)刷子的轉(zhuǎn)矩：
滾刷：
所需總的刷洗力矩：
2) 初定盤刷轉(zhuǎn)速：360r/min
根據(jù)刷洗力矩，型號(hào)為Y2-802-6，額定功率550W,轉(zhuǎn)速900r/min,平鍵4×20，保持轉(zhuǎn)矩為9.8N.m(查GBM)
4.1.3刷洗部分所用彈簧的設(shè)計(jì)
1）彈簧的種類：采用圓柱螺旋壓縮彈簧;
2) 彈簧的材料：根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選用碳素彈簧鋼；
3）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
[1] 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》取彈簧的工作圈數(shù)
[2] 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》取彈簧絲直徑：，
允許極限負(fù)荷下的單圈變形：
單圈剛度：
彈簧節(jié)距：
最大工作載荷：
極限工作載荷：
彈簧每圈展開長度：
[3] 計(jì)算數(shù)據(jù)
彈簧中徑：
彈簧內(nèi)徑：
彈簧間隙：
彈簧總展開長度：
螺旋角：
彈簧自由高度：
允許極限負(fù)載時(shí)彈簧高度：
彈簧旋向：左旋右旋均可
4.2 內(nèi)空心軸設(shè)計(jì)
為了在盤刷中心噴擦洗液，并使噴嘴不隨盤刷轉(zhuǎn)動(dòng)，需在盤刷內(nèi)用滾動(dòng)軸承固定?？招妮S的一端連接盤刷體，另一端與水管相連，在盤刷體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空心軸固定不動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4.3：
圖4.3 空心軸
工作時(shí)擦洗液從中間的孔流出，噴到玻璃上，幾乎不受外力彎矩、扭矩，所以略去剛度、強(qiáng)度的計(jì)算。
4.3 擦洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計(jì)
當(dāng)擦洗機(jī)工作時(shí)，風(fēng)機(jī)向后吹出強(qiáng)大的高速氣流，把擦洗機(jī)壓向玻璃，與玻璃接觸的盤刷和滾刷都為柔性件，太大的壓力會(huì)使刷毛彎曲過多，損壞加劇，所以大部分壓力應(yīng)由滾輪來承擔(dān)，同時(shí)也增大了滾輪與玻璃之間的摩擦力。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，擦洗機(jī)橫向行走。所以滾輪與玻璃之間應(yīng)有良好的接觸 ，不可打滑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖4.4：
圖4.4 擦洗機(jī)主機(jī)滾輪結(jié)構(gòu)圖
4.4 主機(jī)上傳感器及行程開關(guān)的選擇
為了增強(qiáng)擦洗機(jī)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在擦洗機(jī)主機(jī)上安裝傳感器，以識(shí)別玻璃的材料，來確定擦洗機(jī)的進(jìn)退預(yù)停止。通過查手冊《傳感器技術(shù)》,選用德國TURCK公司生產(chǎn)的超聲波傳器，其特點(diǎn)：有效作用距離大，與被測物的顏色、周圍環(huán)境無關(guān)，具有開關(guān)量和模擬量兩種輸出，有利于控制。
在擦洗機(jī)主體的上下部安放超聲波傳感器，為了安全，在下邊緣安裝行程開關(guān)，結(jié)構(gòu)可見總裝配圖,該行程開關(guān)型號(hào)為：LX32-SS , 它具有彈性環(huán)節(jié)，可以緩沖猛烈的沖擊，并給單片機(jī)控制系統(tǒng)一個(gè)輸入信號(hào)，單片機(jī)經(jīng)過識(shí)別后，處理中斷，加強(qiáng)自動(dòng)化，保護(hù)主機(jī)。
4.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本機(jī)的復(fù)雜性，管線較多（包括清水管，擦洗液管，電纜，數(shù)據(jù)線，控制線等），且為了安全性，設(shè)計(jì)復(fù)合纜。由于各個(gè)管路的功能不同，且方便控制，決定采用分開復(fù)合的方法，結(jié)構(gòu)如圖4.5：
圖4.5復(fù)合攬結(jié)構(gòu)圖
鋼絲繩是起重機(jī)上應(yīng)用最廣的撓性構(gòu)件，其優(yōu)點(diǎn)是：卷繞性好，承載能力大，對(duì)于沖擊載荷的承受能力也強(qiáng)，卷繞過程中平穩(wěn)，即使在卷繞速度高的情況下也無噪聲，由于繩股各鋼絲斷裂是逐漸發(fā)生的，一般不會(huì)發(fā)生整股鋼絲繩突然斷裂，工作時(shí)比較安全可靠。在本復(fù)合纜中選用的型號(hào)：GB1102-74
所選鋼絲繩的破斷拉力應(yīng)滿足下面的條件：
(3.1)
—鋼絲繩破斷拉力（公斤）
—鋼絲繩工作時(shí)承受的最大靜拉力（公斤）
—根據(jù)機(jī)構(gòu)重要性，工作類型及載荷情況而定的鋼絲繩安全系數(shù)。
所選鋼絲繩為8，由資料查得此型號(hào)鋼絲繩破壞拉力為3130公斤。因此機(jī)構(gòu)為輕級(jí)起重機(jī)構(gòu)，所以選繩N=5。考慮整個(gè)擦洗機(jī)，由于體積較小，重量較輕，最大的靜拉力為400公斤。由公式(3.1)：
所以選用的鋼絲繩強(qiáng)度足夠。
4.6 本章小結(jié)
本章確定了刷洗部件(盤刷、洗刷)的尺寸及其他部件的設(shè)計(jì)，應(yīng)用雙刷系統(tǒng)，有利于對(duì)水的利用效率。
第5章 玻璃清潔機(jī)器人吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 采用風(fēng)壓吸附的意義
采用風(fēng)壓作為洗刷壓力，可以避免因外玻璃材料和形狀的變化對(duì)穩(wěn)定性和可靠性的影響，即有障礙物，或者有突起，對(duì)壓力影響不大，提高了可靠性，對(duì)建筑物外形形狀的適應(yīng)性也更強(qiáng)。
5.2 基本原理
采用正壓與負(fù)壓相結(jié)合，利用偏心壓緊，使擦洗機(jī)的輪的一端先接觸玻璃，形成一個(gè)相對(duì)小的腔體，再利用懸吊系統(tǒng)，使擦洗機(jī)逐漸靠近玻璃同時(shí)，風(fēng)機(jī)電扇的旋轉(zhuǎn)，會(huì)使空氣流動(dòng)，與外界大氣產(chǎn)生一定的壓力差，從而產(chǎn)生一定的負(fù)壓，使擦洗機(jī)壓緊玻璃。空氣流經(jīng)由進(jìn)口導(dǎo)流器、收斂器、進(jìn)入風(fēng)扇，在離心力的作用下，流出蝸殼，與機(jī)體相碰撞，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，以減小空氣流的速度。隨著腔體的越來越小，和擦洗液的涂抹，機(jī)體內(nèi)的壓強(qiáng)會(huì)越來越小，產(chǎn)生負(fù)壓，使擦洗機(jī)壓緊玻璃。當(dāng)腔體很大時(shí)，空氣會(huì)流通暢快，產(chǎn)生正壓，使機(jī)體壓緊玻璃。隨著腔體變小，空氣流速度減小，正壓減小，負(fù)壓增強(qiáng)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，可得到所需的壓力，使擦洗機(jī)具有一定壓力的貼在玻璃體玻璃，提供連續(xù)均勻的擦洗力，通過調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)擦洗力的大小 ，以達(dá)到最佳擦洗效果。如對(duì)于玻璃玻璃，采用低轉(zhuǎn)速，對(duì)于磚玻璃，采用高轉(zhuǎn)速，調(diào)速由電機(jī)的星—三角轉(zhuǎn)換完成。
5.3 氣動(dòng)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求
原始數(shù)據(jù)給定為：
箱體的長×寬×高=945×1080×540
其中的充氣體積為 V=240×80×335×27
=945×1080×540-240×80×335×27
=377460000mm3
=0.377m3
螺旋槳初定選用參數(shù)：
1. 螺旋槳直徑D的選擇：D約為1000mm.
2. 所選電機(jī)：選用普通的三相電機(jī)，由于螺旋槳的要求轉(zhuǎn)速較高，故選用風(fēng)扇電機(jī)的功率為2.2×103W，額定電壓為380V，轉(zhuǎn)速為780r/min
3. 電機(jī)軸與螺旋槳直接用鍵和軸連接，輪轂和電機(jī)軸過盈配合由定位銷定位。因螺旋槳的洗刷壓力始終使螺旋槳壓向電機(jī)，不會(huì)甩脫。
4. 被壓縮氣體進(jìn)口條件下的容積效率為ηv =10%
流量
進(jìn)口氣體參數(shù)為：P0=1.01×105Pa；T1=293K； C1=0.22m/s
技術(shù)要求為：
1.高效率；
2.尺寸小，重量輕；
3.變工況特性好；
4.使用壽命要求在8000小時(shí)以上；
5.結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行安全可靠。
5.4風(fēng)壓部分力學(xué)計(jì)算
風(fēng)壓部分的吸附物體玻璃的力源，其中進(jìn)口導(dǎo)流器的作用是使氣流以軸線方向或以所需方向進(jìn)入下一級(jí)或固定容器，起著整流作用。收斂器的作用是使利用氣體自中心向外緣流動(dòng)過程中有效流動(dòng)面積的增加和減??；來達(dá)到增壓的目的，減小空氣流的速度。風(fēng)扇的作用是產(chǎn)生離心力，使空氣向四周流動(dòng)，增大空氣流的動(dòng)能，使其對(duì)機(jī)體產(chǎn)生較大的沖擊力。
假設(shè)有1/10V的氣體被抽出腔體，由氣體連續(xù)性方程：
(4.1)
氣體進(jìn)口即進(jìn)入導(dǎo)流器時(shí)的速度為：
(4.2)
忽略中間的損失，由氣體連續(xù)方程公式(4.1)可得：
(4.3)
ν2即為氣體進(jìn)入風(fēng)扇的進(jìn)口速度。
氣體質(zhì)量流率為：
1 小時(shí)內(nèi)的氣體質(zhì)量為
電機(jī)功率為2.2kW
由動(dòng)能定理可得：
(4.4)
氣體出口處與大氣相通，速度一般為10-15m/s,取
由流體力學(xué)動(dòng)量定理知，單位時(shí)間內(nèi)流出控制面的動(dòng)量與流入控制面的動(dòng)量的差值，等于作用于控制面內(nèi)流體的全部外力之和，即：
(4.5)
所產(chǎn)生的總的壓力為：
5.5 本章小結(jié)
本章確定了吸附系統(tǒng)的可行性，對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，確保螺旋葉所產(chǎn)生的風(fēng)力可以將機(jī)器主體緊壓在壁面上，有助于洗刷部件對(duì)壁面的有效接觸。
總結(jié)
時(shí)間就在彈指間流逝，經(jīng)過近三個(gè)月的的刻苦奮戰(zhàn)，我完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，也就是完成了一個(gè)比較系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)的溫習(xí)與歸納。雖然在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中遇到了很多的困難，但在指導(dǎo)老師以及同學(xué)的幫助下都能最終解決了問題，我終于順利的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，再一次的從理性認(rèn)識(shí)上鞏固了專業(yè)知識(shí)，提升了自住學(xué)習(xí)的能力，思維也得到了充分的開拓。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，能力得到提升主要是通過以下的工作得以體現(xiàn)：
1、首先是復(fù)習(xí)和系統(tǒng)歸納的歸納專業(yè)知識(shí)，讓我對(duì)它再次進(jìn)行了全新的學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。
2、這次設(shè)計(jì)我在圖書館和網(wǎng)絡(luò)上查閱了大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，搜集資料，從而讓我學(xué)到了很多新的知識(shí)，拓寬了自己的視野，具有了一定的創(chuàng)新思維能力，使我的思維更加嚴(yán)謹(jǐn)而科學(xué)。
3、對(duì)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題，通過自己思考，并得到老師和同學(xué)的幫助而得以解決。這讓我懂得了要敢于面對(duì)困難，同時(shí)也懂得了互助合作的重要性。
4、由設(shè)計(jì)要求和需要，在繪圖軟件（AutoCAD，Proe軟件）和辦公軟件（Word2003）等的運(yùn)用方面得到了很大的提高。
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