玻璃清潔機器人

《玻璃清潔機器人》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《玻璃清潔機器人（55頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、玻璃清潔機器人的設計 本科生畢業(yè)設計 題目：玻璃清潔機器人的設計 目錄 中文摘要及關鍵詞 英文摘要及關鍵詞I 第一章緒論1 1.1 課題目的、意義1 1.2 相關研究動態(tài)1 1.3 課題的主要內容2 第二章玻璃清潔機器人總體方案設計3 2.1 清潔機器人的總體方案3 2.2 清潔機器人傳動系統方案3 2.3 玻璃清潔機器人清洗系統方案4 2.4 玻璃清潔機器人爬行系統方案5 2.5 其它部分方案8 2.5.1 材料選擇8 2.5.2 輪的潤滑問題8 2.5.3 軸承的潤滑問題8 2.6 本章小結9 第三章玻璃清潔機器人傳動系統設計9 3.1 玻璃清

2、潔機器人電動機的選擇9 3.2 直齒輪副的設計計算11 3.2.1 齒面接觸疲勞強度計算13 3.2.2 齒根抗彎疲勞強度驗算15 3.2.3 齒面靜強度計算16 3.2.4 齒根〔抗彎〕靜強度驗算18 3.3 錐齒輪副的設計計算18 3.3.1 基礎尺寸確定18 3.3.2 確定載荷系數K20 3.3.3 齒面接觸疲勞強度計算19 3.3.4 齒根抗彎疲勞強度計算20 3.4 中心軸管的受力分析21 3.5 中心軸管的強度校核22 3.6 鍵的校核23 3.7 軸承的校核24 3.8 本章小結25 第四章玻璃清潔機器人清洗系統設計26 4.1 清洗機器清洗部

3、分設計29 4.1.1 盤刷設計29 4.1.2 滾刷設計29 4.1.3 清洗部分所用彈簧的設計29 4.2 內空心軸設計35 4.3 清洗機主機滾輪的設計36 4.4 主機上傳感器及行程開關的選擇36 4.5 復合纜的結構設計38 4.6 本章小結38 第五章玻璃清潔機器人吸附系統設計39 5.1 吸附原理39 5.2 吸附方式的實現40 5.2.1 風機推力40 5.2.2 負壓的產生43 5.3 采用風壓吸附的意義43 5.5 氣動計算的原始數據與技術要求44 5.6 風壓部分力學計算44 5.7 本章小結46 結論47 參考文獻48 5

4、0 中文摘要及關鍵詞 摘要:本文在簡單介紹玻璃清潔機器人的國內外研究現狀的基礎上，基軟件CAD對四輪式風壓吸附玻璃清潔機器人的本體機構進行了設計，對一些關鍵部分進行了設計計算及校核計算，重點是玻璃清潔機器人的移動結構、吸附結構和驅動系統的設計計算。采用四輪式小車形狀結構，結構簡單；采用風壓吸附方式，利用螺旋槳對空氣的壓縮所產生的壓力將機器人壓在物體玻璃，防止了清晰機器人對壁面的局限，降低了控制難度；清洗機主要由伺服懸吊系統、清洗主機和由電腦控制系統組成；采用無人化清洗，自動清洗，自動供水，自動供清洗液，單片機系統控制，操作人員只需通過鍵盤即可操縱清洗機工作，而且在清洗過程中，清洗機

5、能夠自動進行邊緣識別，可根據建筑樓層的具體情況選擇為縱洗或橫洗；采用后輪驅動，一個電機驅動兩個后輪，后輪帶動前輪完成機器人的行走，使用直齒圓柱齒輪傳動裝置作為減速器；采用樓頂供電；機器人可以在水平面或者垂直玻璃直線行走。本機的清洗效率較高，清洗效果良好。 關鍵詞：玻璃清潔機器人；風壓吸附；齒輪機構；清洗 玻璃清潔機器人的設計 英文摘要及關鍵詞 Abstract:Thispaperintroducestheresearchstatusofglasscleaningrobot,basedontheCAD-basedsoftwareforthefour-wheelpressureadso

6、rptionglasscleaningrobotbodymechanismisdesigned,someofthekeypartsofthedesigncalculationsandcheckingcalculation,thefocusItisdesignedtomovethestructure,adsorptionstructureanddrivesystemclimbingrobotcalculations.Four-wheel-typecar-shapedstructure,thestructureissimple;usingadsorptionpressure,thepressure

7、ofapropellerofaircompressiongeneratedbytherobotpressedglassobjects,avoidingthelimitationsoftherobotclearthewall,reducingthedifficultyofcontrol;scrubbermainlybytheservosuspensionsystem,scrubandhostcomputercontrolsystem;theuseofunmannedscrub,scrubautomatic,automaticwatersupply,automaticsolutionforscru

8、bbing,single-chipsystemcontrol,theoperatorsimplybymanipulatingthekeyboardtoworkscrubbingmachine,andintheprocessofscrubbing,scrubbingmachinescapableofautomaticedgedetectioncanbeselectedfortheverticalorhorizontalwashwashaccordingtothespecificcircumstancesofthebuildingfloor;rear-wheeldrive,amotordrivin

9、gtherearwheels,rearwheeldrivecompleterobotwalking,usingaspurgeartransmissionasthereducer;usingpoweredroof;therobotcanwalkinastraightlinehorizontalorverticalglass.Highefficiencyofthescrubbingmachine,scrubbingtogoodeffect. Keywords:Glasscleaningrobot;adsorptionpressure;gearmechanism;brushing I 玻璃

10、清潔機器人的設計 9 第一章緒論 1.1 課題目的、意義 隨著時代的進步，人們住的樓層也越來越高，擦玻璃變成了很難辦的事情，在智能機器人如火如荼得發(fā)展過程中，目前具有一定的智能性的清潔機器人也成為研究熱點之一，智能清潔機器人系統的研究在發(fā)達國家受到廣泛的關注，許多高科技應用領域以及實際生產實踐中的特殊應用環(huán)境的強烈需求更成為它不斷發(fā)展的強勁動力。 近年來，都市中的高層建筑越來越多，目前對高層建筑的玻璃窗的清洗工作主要還是由清洗工人搭乘吊籃完成的，傳統的人工清洗方式既危險，效率又低且成本高，但如果自己清洗的話不僅有危險而且費時費力，況且現在更多的人們希望從繁瑣的日常

11、事務中解放出來，因此迫切需要一種設備協助甚至替代人來完成玻璃的清洗工作。 1.2 相關研究動態(tài) 國外方面，日本是機器人發(fā)展較為發(fā)達的國家，其對智能機器人的研究實力雄厚,值得我們學習，以下圖的多用途壁面機器人是一個日本開發(fā)的清潔機器人的范例：該機器人自重100kg,同時可載150kg負重，小車的車輪上具有磁性設計，采用磁吸附方式吸附在墻壁上，可直接越過坑洼不平的墻面以及其他墻上的不明障礙物，多用于橋墩底部、玻璃幕墻等檢測和修復作業(yè)。 圖1.1多用途壁面機器人⑴圖1.2雙車體機器人：2： 上圖的雙車體機器人也是由日本人研制，其采用負壓吸盤吸附，在運行過程中吸盤與壁面之間產生有滑動密封效

12、果，強大的大氣壓能夠保證小車不會從墻壁上滑落，由四個高摩擦系數的輪子貼合在墻壁面上，在吸盤保持負壓的過程中，機器人通過控制輪子的正反轉控制機器人的行走方向，輪子的差速保證了機器人的轉彎功能的實現，且由于四個輪子均為獨立控制，所以該機器人控制起來顯得格外靈活。 國內方面，雖然起步較晚，但也已經有了相對成熟的東西，圖1.3為北京航空航 大大學機器人研究所研制的用于清洗國家大劇院玻璃幕墻的樣機，圖上所示為該機器人工作在國家大劇院的場景，具由攀爬機構、俯仰調節(jié)機構、移動機構和清洗機構等部分構成，總長約3m,高0.5m,寬1m,整個機身主體由鋁型材搭建而成，不僅強度高而且相對重量也輕了許多，其在工作

13、過程中把安裝在建筑物上的滑動導桿作為中介，成功防止了機器人對建筑物的直接抓取所可能帶來的損傷以及其他不安全因素。 圖1.3北航清潔機器人， 通過對上述文獻的分析，無論是國外的多用途壁面機器人還是國內的清洗機器人，在體積及重量上都相對較大，多用途壁面機器人本身就重達100kg,顯然這個重量是 普通家庭玻璃難以承受的，而北航機器人研究所所研發(fā)的清潔機器人樣機高度竟然到達了1.9米，這對于比較寬闊的玻璃幕墻來說，清洗起來確實方便、迅速，但是對于一些普通的家庭玻璃窗來說，這明顯是不合適的。 1.3 課題的主要內容 本文設計的玻璃清潔機器人主要是用于清洗城市高層建筑的玻璃幕墻，用于替代

14、人來完成玻璃的清洗工作，首先確定玻璃清潔機器人的整體方案以及詳細機械結構的設計，然后闡述本課題控制系統的設計，最后介紹機器人實體樣機的調試，最后完成玻璃清潔機器人的清洗工作。 設計一套完整實用且效率高的玻璃清潔機器人，首先要了解國內外相關玻璃清潔器的發(fā)展現狀，其次根據現狀擬定數種設計方案，比較優(yōu)劣后得出最正確方案，作為整體方案；進而闡述控制系統，清洗系統，吸附系統，傳動系統等各個系統的設計，最后介紹機器人實體樣機的調試，完成玻璃清潔機器人的清洗工作。 第二章玻璃清潔機器人總體方案設計 2.1 清潔機器人的總體方案 根據玻璃清潔機器人清洗作業(yè)的要求,機器人首先必須具備清洗作業(yè)功能和控制功

15、能，此外玻璃清潔機器人還必須在高層建筑物玻璃進行吸附和移動，因此玻璃清潔機器人系統應該包括機器人清洗系統、爬壁系統和控制系統三大部分。 主機主要由箱體，支撐架，防護罩，刷子，電機，螺旋槳吸附系統，齒輪傳動系統等組成。通過螺旋槳吸附系統使主機吸附在玻璃上，并使刷子壓緊，產生一定的清洗壓力，通過電機帶動刷子轉動，到達清洗的目的。 主機有一懸吊支撐架，具外側與懸吊系統相連，可調吸附系統安裝在懸吊支撐架背后，吸附系統可通過調節(jié)螺旋漿轉速控制清洗力，懸吊支撐架通過一圓導軌和箱體 〔其上安裝兩盤兩滾〕相連，所有的清洗裝置均安裝在該箱體上，清洗系統由固定在 懸吊支撐架上的步進電機通過齒輪傳動系統執(zhí)行

16、以90。為單位的轉動動作以實現橫 洗和縱洗的轉換。箱體上有兩個圓盤形清洗刷，盤刷底部都有十二個清洗液噴射孔，另有兩圓柱形滾刷，在其行走前方有清水噴射孔，并安裝一軟質刮水板，以使清洗過的部位快速風干并防止留下來的清洗液腐蝕玻璃。箱體上還有一電機通過錐形齒輪將轉動傳到其中一個盤型清洗刷上，再通過齒輪傳動系統將轉動傳遞給另一盤刷，所以兩盤刷轉動方向相反，可以到達更好的清洗效果，圓柱形滾刷是由電機尾部的軸通過 V帶驅動的。在懸吊支撐架上有防護罩，防止清洗液四濺。清水，清洗液，電機的供電和控制電纜都是是由復合纜供應的，復合纜連接懸吊系統。在風壓支架上有配重塊,配重塊可以沿光杠絲杠移動。通過調節(jié)配重塊

17、可以調節(jié)系統平衡，以到達減小震動的效果。在清洗機主體的上下部安放超聲波傳感器，以進行邊緣識別。箱體上裝有兩對滾輪，滾輪通過電機驅動，以實現前后移動，而轉向通過箱體的轉動實現。 2.2 清潔機器人傳動系統方案 通過電動機帶動一對錐齒輪實現換向，然后通過齒輪嚙合傳遞給另外一組毛刷機 構，如圖2.1所示 圖2.1機器人傳動系統結構圖 2.3 玻璃清潔機器人清洗系統方案 根據以上提出的技術性能及要求，初步確定清洗方案如下:第一種：結構簡圖如圖22 此種方案采用負壓履帶吸盤式盤滾組合式清洗，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

18、。 圖2.2結構一圖2.3結構二 第二種：結構簡圖如圖2.3: 這種方案采用了風壓式壓緊，盤滾組合式清洗，清洗效率高，可靠性高，可以采 用。但由于中間傳動的需要，結構不對稱，風扇的中心與刷子的中心不重合，清洗壓力不均勻，中心不穩(wěn)定，容易引起震動問題。但可以考慮配重問題。 第三種：結構簡圖如圖2.4: 這種方案吸取了第二種方案的優(yōu)點，傳動的改變，使振動的問題減小，機體尺寸減小。 這種方案為螺旋槳風壓式高層建筑外玻璃清洗機，具優(yōu)點是：①在清洗機外機架背后安裝可調吸附系統來提供連續(xù)均勻的清洗力，螺旋槳可調節(jié)轉速來控制清洗壓力；②機架內采用一清洗系統旋轉裝置，方便的實現了縱橫

19、兩不同清洗方向的調整，減少非作業(yè)時間，增加了工作柔性，大大提高了工作效率；③應用兩盤兩滾相結合的清洗方式，清洗液和清水分別由盤刷和滾刷提供以到達最正確清洗效果。 綜合比較以上三種方案，根據設計要求，由于對于玻璃的壓力要求大，工作穩(wěn)定，結構容易實現，最后決定用第三種方案。 通過螺旋槳吸附系統使主機吸附在玻璃上，并使盤刷和滾刷壓緊，產生一定的清洗壓力，通過電機帶動刷子轉動，到達清洗的目的。旋轉的刷子的軌跡為包絡線，從而清洗干凈玻璃。滾刷噴的是清水，將玻璃沖洗干凈，以防止留下來的清洗機腐蝕玻璃，同時盤刷和滾刷采用一個電機驅動，減小了清洗主機的重量，清潔度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤兩

20、滾結構可減少不必要的回程時間，以到達提高效率的目的。 2.3 玻璃清潔機器人爬行系統方案 目前玻璃清潔機器人吸附方式主要包括磁吸附，負壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現了膠吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蝸牛的濕吸附，類攀巖抓持吸附，該類吸附方式只適合在導磁面上吸附；低真空度負壓吸附采用風機旋轉將負壓腔內的空氣抽出產生負壓來吸附，具有一定的壁面適應能力，但存在噪音大，體積大的缺點；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉產生的推力將機器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點。由于負壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負壓真空吸附的玻璃清潔機器人具有壁面適應能力強和運動速度快等優(yōu)點

21、，因此目前負壓吸附在玻璃清潔機器人中得到廣泛的應用。 真空泵式要帶一個大大的氣泵，且設計要求需要清潔水擦玻璃，固采用水射流式抽氣吸附。這種方案前面已經提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經射流器力射流泵提供的動力，再把水經噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤內外形成負壓，把吸盤吸住。 由于吸盤也是機器人運動時類似于液壓缸機構，具結構圖如下圖： 它是長方形吸盤，工作時最多只有一半用來射流噴水產生吸附，實現機器人的吸附功 臺匕目匕。 導向麥____ 活蹇計1 吸制 圖2.5吸盤結構簡圖 機器人的吸附與運動機構都要水的參與，工作過程如圖2.6所示： 1:

22、2YA通電，工作腔1沖水，滿后，2YA斷電，與此同時，1腔里的水經射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負壓，使得吸盤A吸附在玻璃上。 2:此時，4YA通電，3腔進水，滿后，1YA通電，使2腔進水，推動活塞桿a向前移動，拉動吸盤B往前移動，活塞至中間位置后，壓下行程開關。 3:此時，1YA,4YA斷電，3腔再次水滿，3腔水經水射流發(fā)射器噴水，產生負壓，吸住吸盤B. 4:此時，2YA通電，1腔進滿水后，3YA通電，使4腔進水，推動活塞桿b前進，使其推動吸盤A前進，活塞桿至中間位置后壓下行程開關，2YA,3YA斷電，此 時1再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實現機器人的爬行運動。

23、 圖2.6機器人控制原理圖 本方案如以下圖2,7所示，通過螺旋槳吸附系統使主機吸附在玻璃上，并使盤刷和滾刷壓緊，產生一定的清洗壓力，通過電機帶動刷子轉動，到達清洗的目的。旋轉的刷子的軌跡為包絡線，從而清洗干凈玻璃。滾刷噴的是清水，將玻璃沖洗干凈，以防止留下來的清洗機腐蝕玻璃，同時盤刷和滾刷采用一個電機驅動，減小了清洗主機的重量，清潔度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤兩滾結構可減少不必要的回程時間，以到達提高效率的目的。 圖2.7螺旋槳吸附系統使主機吸附在玻璃上 2.4 其它部分方案 2.4.1 材料選擇 根據課題要求，總體重量越輕越好，由于使用清洗液，耐腐蝕性能也要好

24、而且此產品是輕載荷，故材料首先選用鋁合金材料及非金屬材料。 整個及其涉及到齒輪減速器的地方，齒輪的材料經過篩選與比較采用聚甲醛〔均聚〕］ 本機的各個傳動軸均采用硬質合金LY11。 螺旋槳材料選用尼龍66（聚己二酰己二胺）。 機架的材料采用鋁合金。 其他機件的選擇根據通常材料在重量最輕原則下進行確定。 2.4.2 輪的潤滑問題 由于齒輪的材料已確定為聚甲醛口4，據參考文獻口\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 大空心軸的轉速較低為400r/min,鼓起潤滑方式應為脂潤滑，潤滑脂為鈣機潤滑 注：以上潤滑脂的選擇見文獻” 2.5 本章

25、小結 本章確定了設計玻璃清潔機器人的總體方案。根據作業(yè)環(huán)境，對機器人從清洗系統、爬壁系統和控制系統三大方面進行設計，選型和參數確實定。最后請教導師對設計的方案進行校正，以確定設計的可行性和穩(wěn)定性。 第三章玻璃清潔機器人傳動系統設計 3.1 玻璃清潔機器人電動機的選擇 為電力拖動系統進行合適的電機選擇，才能保證系統可靠工作和經濟地運行。下文簡要介紹電機選擇的一般內容。電機選擇的主要包括如下內容。 1 .類型的選擇選擇哪種電機類型，一方面要根據生產機械對電機的機械特性、起動性能、調速性能、制動方法、過載能力等方面的要求；在對起動、閱速等性能沒有特殊要求的前提下，優(yōu)先選用三相異步籠型電機。

26、 2 .功率的選擇選擇電機的翻定功率時，應使所選的電機額定功率等于或稍大于生產機械所需要的功率，既不能過載，也不能長期輕載?？刹捎妙惐确?、統計法、實驗法、計算法等確定。 3 .電壓的選擇交流電機額定電壓應選擇和供電電網的電壓一致.并結合電機順定功率考慮。直流電機的額定電壓也要與電源電壓相配合，常用110V或220V。大功率直流電機可提高到600-800V至1000V。 當采用品閘管整流裝置供電時，可選用專門為其配套設計的直流電機.其電壓有功率等級160V（Z3型）,180V,340V（Z2型）及440V（Z2,Z3型）。 4 .轉速的選擇 根據生產機械的轉速和傳動方式.通過經濟技術比

27、較后確定電機的額定轉速。額定功率相同的電動機額定轉速越高，則電動機體積、重復和造價越低，一般飛輪矩 G疝越小，因此選用高速電動機較為經濟。但生產機械速度一定.電動機轉速越高.則傳動機構傳動比越大，機構越復雜.傳動損耗越大。因此.要綜合考慮上面諸因術后才能確定電機的額定轉速。 5 .外形結構的選擇 電機常用的外形結構有開啟式、防護式、封閉式、密封式、防爆式。①開啟式電機定子兩側和端蓋上開有很大的通風孔。它散熱好、價格廉價，但容易進灰塵、水滴和鐵渭等雜物.只能在清潔干燥的環(huán)境中使用：②防護式電機的機座下面有通風口。它散熱好、能防止水滴、沙粒和鐵屑等雜物濺人或落人電動機內，但不能防止潮氣和灰塵

28、浸人.適用于比較干燥、沒有腐蝕性和爆炸性氣體的環(huán)境；③封閉式電機的機座和端蓋完全封閉.它又分自冷式、自扇冷式、他扇冷式、竹道通風式及密封式等。前四可用在潮濕、多腐蝕性灰塵、易受風雨浸蝕等環(huán)境中，第五種可浸在液體中使用.如潛水泵等；④防爆式電機在封閉式基礎上制成隔爆形式，機殼有足夠強度.適用于易燃易爆氣體的場所.如礦并、油庫、煤氣站等。選擇電機的外形結構時，應選擇合適的防護形 工1. 6 .安裝形式的電機選擇 目前生產的電機的安裝形式主要有：①B3（臥式安裝，機座帶底腳.端蓋上無凸緣）②B5（臥式安裝，機座不帶底腳.端蓋上有凸緣）③B35（臥式安裝.機座帶底腳.端蓋上有凸緣）④V1（立式安

29、裝.機座不帶底腳，端蓋上有凸緣）。每種又分單軸伸出和雙軸伸 出兩種。應根據電動機在生產機械中的安裝方式選擇電動機的安裝形式。一般情況選用臥式，立式價格較高，只用于簡化傳動裝置又必須垂直運轉時，如立式深井泵等。 7 .工作制的電機選擇 根據生產機械要求.選樣工作制與實際工作方式相當的電機比較經濟。 8 .型號的電機選擇 根據上述各項的結果，選擇電機的型號和生產廠家。 考慮到該機構工作所需功率不大，初步采用估算的方法，擬采用Y90L-4電動機。 查文獻⑻得： 選擇，其銘牌如下表3.1: 表3.1Y系列三相異步電動機 電動機型號 額定功率KW滿載轉速r/min……、…質量K

30、g 定轉矩額定轉矩 Y90L-4 同步轉速1500r/min, 4級1440 圖3.1三相異步電動機 玻璃清潔機器人的設計 〔a〕三相異步電動機安裝示意圖 〔b〕三相異步電動機外形尺寸示意圖 圖3.2電動機的安裝及外形尺寸示意圖 表3.2電動機的安裝技術參數 /mm 底腳安裝 地腳螺栓 軸 /mm LX〔AC/2+AD0XHD 尺寸AXB 孔直徑K DXE 尺寸FXGD 90 515X345X315 216X178 12 38X80 10X43 3.2 直齒輪副的設計計算 電動機驅動的閉

31、式直齒圓柱齒輪傳動，標稱功率P=1.5kW,小齒輪轉速ni=1500r/min,傳動比i=4.1許有4%的誤差，長時工作，預期壽命五年，每年按200天計。工作有輕微沖擊，齒輪對稱布置。 ii 玻璃清潔機器人的設計 (1) 選材料確定初步參數依據參考文獻⑸表5-5選材料 小齒輪：40Cr調質，平均取齒面硬度為260HBs 大齒輪：45鋼調質，平均取齒面硬度為230HBs (2) 初選齒數取小齒輪齒數為zi=32,則大齒輪齒數為： Z=i4=4.1X32=131.2 園整，為使u為除不盡的數取Z2=129 (3) 齒數比 驗算傳動比誤差, 3.1 4.03義100%=

32、1.7%允許 4.1 (4) 選擇齒寬系數 d和傳動精度等級 查參考文獻㈤表5-8得齒寬系數 d=0.275 初估小齒輪直徑 d1估 80 mm 則齒寬 d1 0.275 80 22mm 齒輪圓周速度: dm 60 100 80 1500 m/s 6.28m/s, 60 1000 查參考文獻［5］表5-4可選擇精度等級為7級, (5) 計算小齒輪轉矩 T1 — 6 P T1 9.55 106 — 小 (3.1) 9.55 106 衛(wèi)Nmm 1500 _ _ 3 _ _ 955 10 N mm 定重合度系數Z、Y &

33、1.88 3.2 Z Z2 (3.2) 由公式(5.2)定重合度 =1.88-3.2X〔1/32+1/129〕=1.755  Z = 4 1.755 [ 3 分別由參考文獻113」中公式得 =0.865 0.750.75 Y=0.25+——0.250.677 1.755 （6）確定載荷系數Kh、Kf (3.3) K=KaKvKh°Kb 1）使用系數Ka由參考文獻”3'表10-2查表，取Ka=1.35 2）動載系數Kv由參考文獻"3'圖10-8可查得，Kv=1.14 3）齒向載荷分布系數K，由參考文獻"3】圖10-4可取K=1.29 4）齒間載荷分配

34、系數Kh、Kf根據條件 K aE 2K aTi b bd1 2 1.35 9.55 103 22. 80 N/mm 14.65N/mm 100 N/mm 22 查參考文獻”3】表10-3得Kh—1.34 z0.865 KF=1/Y=1/0.677=1.48 5)載荷系數Kh、Kf由公式(5.3)可算得 K=KaKvKh°Kf1.35X1.14M.29X1.34=2.66 KHa1351.141.291.342.66 KfKhKf/Kh2.661.48/1.342.94 3.2.1齒面接觸疲勞強度計算 （1）確定許用應力[h] 1）總工作時間：th82005

35、8000h 2）應力循環(huán)次數N1、N2由參考文獻1131公式（10-13）及參考文獻6表10-18可計 算查得： 21 Ni=60tnht601150080007.2108 N2 Ni u 7.2108 4.03 1.79108 3)壽命系數Zn1、Zn2 由參考文獻"3】圖8.2-17取Zn1=1Zn2=1 4)接觸疲勞極限 Hlim1> Hlim2 : 由參考文獻口3'圖 8.2-13 取 Hiim1=630MPa, Hiim2=490MPa 5)安全系數Sh 參照參考文獻03】照表8.2-13,取Sh=1 6)許用應

36、力［H1］、［ H2］： 由參考文獻口3】式(8.2-15) ［H1］= HlimZN1 630」630MPa Sh 1 H lim Zn 490 1 ［H2］= 490MPa Sh 1 (2) 彈性系數Ze : 由參考文獻表8.2-11, 取Ze =190jMPa (3) 節(jié)點區(qū)域系數Zh : 由參考文獻"3］圖8.2-12,取Zh=2.5 (4) 求所需小齒輪直徑d1由參考文獻"3」式〔8.2-11〕 32KHTi(u 1)(ZeZhZ )2 、d U H22 2 2.66 9.55 103 (4.03 1)(190 2.5 0.865)2 2 0.2

37、75 4.03 4902 mm 64.5mm 符合初估數值 （5）確定中心距、模數等主要幾何參數 1）中心距a初算中心距 a0d1min（u1）166.9mm 2 園整取中心距a=200mm 2）模數m由中心距a及初選齒數乙、Z2得 2a2200 m2.48mm z1z232129 按標準取m=2.5mm 3）分度圓直徑d1、d2 d1=mz1=2.5X32=80mm d2=mz2=2.5X129=322.5mm取為d2=320mm 4）確定齒寬 取大齒輪齒寬b2=b=22mm,小齒輪齒寬b1=32mm 3.2.2齒根抗彎疲勞強度驗算（1）求許用彎曲應

38、力昨 1）應力循環(huán)次數Nf1Nf2由以上計算可得 NF172108Nf2=1.79X10 2）壽命系數Yn1、Yn2取Yn1=Yn2=1 3）極限應力Flim1、Flim2 由圖9-21?。篎im1=220MPaFim2=170MPa 4）尺寸系數Yx由參考文獻.圖8.2-26,取Yx=1 5）安全系數Sf參照參考文獻口s表8.2-13,取Sf=1.5 6）許用應力fi、F2由參考文獻03,式（8.2-20）,許用彎曲應力: 2FlimYN1Y ~~SF~~ 222011 293MPa F1 F2 (2)齒形系數YFai、YFa2 由參考文獻1何圖9

39、-19,取：YFai=2.5 YFa2=2.15 (3)應力修正系數Ysa「Ysa2 由參考文獻"3】圖9-20,?。篩sai=1.63 2FlimYN2Yx~~sF 1.5 217011,227MPa 1.5 Ysa2=1.82 〔4〕校核齒根抗彎曲疲勞強度由參考文獻“3」式〔8.2-17〕，齒根彎曲應力 fi2^^1工一22.949.55102.51.630.67735.2MPafi b&m22802.5 YFa2Ysa22.151.82 0F2bF135.233.8M

40、Pa阡2 YFa1Ysa12.51.63 抗彎疲勞強度足夠。 1.1.3 齒面靜強度計算 (1)確定許用接觸應力Hmax： 參照參考文獻口3］表8.2-13,取靜強度安全系數SH1.1 由參考文獻：13：圖8.2-17,取壽命系數ZniZn21.6 于是由參考文獻J?式(8.2-21),許用接觸應力〔大輪較低〕 Zn2sH1.61 中max中2^7^490--712.7MPa Zn2Sh11.1 (2)校核齒面靜強度 根據過載條件，由參考文獻“3」式(8.2-21),齒面最大接觸應力 2Ti 1 H max H 2 1 \[KaKv 490 M MPa 5

41、58.6MPa \1.35 1.14 H max 齒面靜強度足夠。 1.1.4 齒根〔抗彎〕靜強度驗算 〔1〕確定許用彎曲應力 參照參考文獻口s表8.2-13, 取靜強度安全系數 Sf 1.6 由參考文獻口31圖8.2-25,取壽命系數 YN1 YN2 2.5 于是由參考文獻“3」式(8.2-22),許用彎曲應力 YN1SF F1 max F1 ~ Y niSf 293 2.5 1.5 MPa 686.7MPa 1.6 F 2 max F 2 YN2SF YN2SF 227 2.5 1.5 532 MPa 1 1.6

42、〔2〕求最大彎曲應力并校核強度 由參考文獻 池 式(8.2-22), 最大彎曲應力 F1 max F2max 2Ti F1TiKaK c c 2 35.2 45.7 MPa 1.35 1.14 F1 max 2Ti F2 TiKaKv 33.8 2——43.9MPa 1.35 1.14 F 2 max 靜強度滿足要求。 帶動兩個盤刷的齒輪對稱布置 3.3 錐齒輪副的設計計算 根據參考文獻：13：第二版2-369, 材料選擇聚甲醛〔均聚〕，參照參考文獻 [13]給 弟 3.3.1 基礎尺寸確定 由小錐齒輪所傳

43、遞轉距為T106.4NM,根據圖2.4-14和圖2.4-15選擇小齒輪大 端分度圓直徑為d160mm,取大端模數me d12.5o Zi 則齒數: Zi24Z224i242.560 d2602.5150mm 軸交角900 分錐角 iarctgZ_21.802168.20 乙 外錐距： Rd1/2sin@d2/2sin§81 齒寬系數RM0.3,則齒寬：bRR24.3mm取b=24mm 齒頂高：ha13.475mm,ha21.525mm 齒根高：hf12.0mm,hf24mm 齒高：hh1h25.5mm 大端齒頂圓直徑: (3.4) da

44、1d12ha1cos1 da16023.475cos18.43066.45mm da2 d22h2cos215021.525cos71.570151mm2a22 齒根角: f1 一一hf1 arctanR 1.40 f2 一」hf2 arctanR 2.90 齒頂角： a1 a2 f1 1.40 頂錐角： a1 1 f2 24.70 a2 2f1 69..60 根錐角： f1 1 f1 20.40 f2 2f2 65.30  冠頂距: AK1 d2 萬 150 hai sin i A

45、K2 73.5 3.475sin21.80 di 萬 60 22 ha2sin 2 1.525sin68.20 28.5mm 確定傳動的精度等級 初選平均切線速度Vmtdn/(601000)3.3m/s 由參考文獻Pg159表8.2-5,選擇傳動等級為8級 3.3.2 確定載荷系數K 使用系數Ka,由已知條件查表8.2-9,取Ka1.25 動載荷系數Kv，由圖8.2-6,取Kv1.16 齒向載荷分布系數K，按小錐齒輪懸臂考慮取K1.8 載荷系數KKAKKV1.251.161.82.61 3.3.3 齒面接觸疲勞強度計算 [1] 確定許用應力[h]

46、 安全系數Sh,參照表8.2-13,取Sh1 SH21 接觸疲勞極限 Hlim1 Hiim235MPa [2] 彈性系數Ze [3] 節(jié)點區(qū)域系數 [4] [H1][ 1 56.4MPa2 Zh2.5 小齒輪所需大端分度圓直徑 H2]Hiim1Zn1/Sh135MPa d1,由參考文獻式(8.2-44) 玻璃清潔機器人的設計2 ,J4KT1ZE” d13237mm R10.5Ru[H] [5]驗算速度Vmt 平均直徑： dmidi1R3710.50.331.4

47、56m/s 平均線速度： Vmtdm1n1/6010003.1m/s [6]確定模數m: md1/Z12.5 3.3.4 齒根抗彎疲勞強度計算 （1）確定許用彎曲應力[F』[F2] 1）壽命系數Yn1Yn21 2）安全系數Sf1Sf21.3 3）尺寸系數Yx1 4）極限應力Flim1,Flim2取Flim1Flim230MPa 5）許用彎曲應力 [F1][F2]2F]Yn1Yx2301146.154MPa Sf1.3 （2）齒形系數YFa1,Yf92 1）分錐角121.8268.2 2）當量齒數：ZV1乙/cos123.8ZV2Z2/cos259.6 3）由參

48、考文獻口3'圖8.2-19,取丫尸記2.78,匕？2.13 4）應力修正系數 由參考文獻口3】圖8.2-20取YS11.56,YSa21.88 23 玻璃清潔機器人的設計 (3.5) (3.6) Ft 2Ti zm1 0.5 R (3.7) 4KT1YFa1YSa1 1Fa1sa1 39.6MPa [ F1 2 3 . _ 2 :―2 Zi m3 r 1 0.5 r . u2 1 F1] F2 一2一3 z2 m 4KTYFa2YSa2 R 1 0.5 R 2 , U2 -16.7MPa [ 1 F2] 5)校核齒根抗彎疲勞強度由參考文獻

49、口3」式8.2-46 KFtYFaYSa F1；：―F~ bm10.5R bmz 47 滿足要求 3.4 中心軸管的受力分析 1在水平平面的支反力，由 Rbz lAB Fr lAB Fx Ma 0,得 dc c 0 2 Fr lAB Fx 生 2 7230.47 0.057 9619.69 0.177 2 l AB 0.057 7705.36N 為負值說明方向與假設方向相反。 由Mz0,得 RAzFrRBz7230.47(770536)N14935.83N 2做彎矩和轉矩圖 1〕齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖 MdzRazl

50、AB14935.830.057N851.34Nm MDzMDzFxd1851.349619.6901770Nm 22 齒輪的作用力在垂直平面的彎矩圖 MdvRavlAB3615.2350.057N206.07Nm 由于齒輪作用力在D截面做出的最大合成RAyRBy1Ft7230.47N3615.235N 22 彎矩 MDM；zM；y851.342206.072Nm875.93Nm 2）做轉矩圖 T2800N.m 圖3.3 轉矩圖 Md W 式中W——抗斷面系數，由參考文獻 ：13：中的表19.3-15查得W 16.6375 3.5中心軸

51、管的強度校核 1〕確定危險截面根據軸的結構尺寸及彎矩圖，轉矩圖，截面B處彎矩較大，且有軸承配合引起的引力集中；截面D處彎矩最大，且有齒輪配合引起的應力集中，故屬于危險截面?，F對D截面進行強度校核。 2〕安全系數校核計算由于該減速器機軸轉動，彎矩引起對稱循環(huán)的應力，彎矩引起的為脈動循環(huán)的切應力。 彎曲應力幅為: 52.65Pa 875.9310「 Pa 16.6375 由于式對稱循環(huán)彎曲應力，故平均應力m0 根據參考文獻中的式〔19.3-2〕 1.46 270106 2.62____._6_ 52.651060 0.920.81 由參考文獻：13：中的表19.1-

52、1 ：13：中的表19.3-6 ,并根據配 式中1——45鋼彎曲對稱循環(huán)應力時的疲勞極限,查得1=270MPa; K——正應力有效應力集中系數，由參考文獻 合查得K=2.62; ——外表質量系數，軸經車削加工，按參考文獻“3」中的表19-3-8查得 =0.92; ——尺寸系數，由參考文獻池中的表19.3-11查得=0.81. 切應力幅為： 800 m a 2WP 2 33.275 式中W——抗斷面系數，由參考文獻 由于式對稱循環(huán)彎曲應力，故平均應力 Pa 12.02MPa “3］中的表19.3-15查得W 33.275 4.70 15510 18966

53、 m12.021060.2112.02106 0.920.81 式中1——45鋼扭轉疲勞極限，由參考文獻113］中的表19.1-1查得1=155MPa; K—一切應力有效應力集中系數，由參考文獻：13：中的表19.3-6,并根據 配合查得K=1.89; ,——同正應力情況； ——平均應力折算系數，由參考文獻心中的表19.3-13查得=0.21. 軸D截面的安全系數由式［19.3-1〕確定 cSS1.464.70(2 S-1.39 S2S2.1.4624.702 由參考文獻：13：中的表19.3-5可知，［S］=1.3?1.4,故S＞［S］,該軸D截面是安全的。 同理可驗

54、證輸出軸也符合強度要求。 3.6鍵的校核 鍵和軸的材料都是鋼，查參考文獻［何得許用擠壓應力［D］100~120MPa,取其p 中間值，［p］110MPa。鍵的工作長度lLb22mm8mm16mm,鍵與輪轂鍵 槽的接觸高度k0.5h0.57mm3.5mm?？傻? — 3 2T 10 kld 3 28610 MPa102.3MPa[p]110MPa 3.51630p 式中: T傳遞的轉矩，Nm; k鍵與輪轂鍵槽的接觸高度,k0.5h,此處h為鍵的高度，mm mm; l鍵的工作長度，mm,圓頭平鍵lLb,L為鍵的公稱長度，mm,b為鍵的寬度,d鍵的直徑，mm; [p

55、]鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，MPa,鍵4表62; 可見連接的擠壓強度足夠了，鍵的標記為：鍵108GB/T10962003 3.7 軸承的校核 ⑴、軸軸承的校核 I軸選用的是深溝球軸承6205,其基本額定負荷為19.5KN,所以齒輪越小越靠近 軸承，對軸承的要求越高。 ②軸傳遞的轉矩 受力 受力 根據設計要求，應該對I軸未端的滾子軸承進行校核。 P T 9550- n 7.5 0.96 9550 86N m 800 2T 2 86 1535.7N d 112 10 3 根據圖3.12受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為

56、 圖3.4受力分析和受力圖 在水平面: 1410N Frl31535.7426 l2l338426 在水平面: Fo (li I2 I3) l2 l3 1563.26 546 38 426 1839.5N :Fa.fAhfAv141021839.522317.7N ④因軸承在運轉中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，［4］表13-6查得載荷系數 fp,取fp1.2,則有： PfpFA1.22317.72781.24N ⑤軸承的壽命計算：所以按軸承的受力大小計算壽命 106195003 ()371803.8h58400h 608002781.24

57、故該軸承6205能滿足要求。 ⑵、其他軸的軸承校核同上，均符合 3.8 本章小結 本章對傳動部件的直齒圓柱齒輪和錐齒輪進行強度校核，使之滿足傳動要求。由于材料有限，設計時采用的是45號鋼以取代聚乙醛，方便材料的強度計算。 第四章玻璃清潔機器人清洗系統設計 在清洗機構的設計中想到了五種方案，如圖4.1,4.2,4.3,4.4,4.5 (1)電機帶動斜齒輪1,斜齒輪1帶動斜齒輪2,斜齒輪帶動斜齒輪3,斜齒輪上的軸連接滾刷，進而實現清洗； 圖4.1清洗機構一 (2)電機帶動錐齒輪1,錐齒輪1帶動錐齒輪2,由錐齒輪2上的軸連接滾刷，進而實現清洗； 圖4.2清洗機構二

58、 (3)電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪的軸上分別接刷子，從而實現清洗； (4)電機帶動蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接 刷子，從而實現清洗 圖4.4清洗機構四 圖4.5清洗機構五 5為清洗機構 以上5種方案通過比照以及由設計的要求所限制，最終選擇方案 4.1清洗機器清洗部分設計 假設清洗速度0.2m2/s。 4.1.1盤刷設計 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清洗玻璃，同時假設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

59、長度為50,盤刷與聯刷體可通過螺栓來裝配連接。 2〕聯刷體 采用聯刷體的目的： [1]使電機與盤刷連接起來； [2]使盤刷具有可換性； [3]可調節(jié)盤刷與玻璃的距離； 聯刷體保證與電機連接處的強度、材料應盡量輕，其結構如圖4.6: 圖4.6聯刷體 3〕盤刷的工藝性 根據資料可知：刷類的刷毛是用制毛器植上的，具基本原理如下： 在殼體剛注塑完時，趁著殼體還為硬化，用機械方法把刷毛植進去。把一撮毛〔約四至五根〕折彎，在根部裝上一韌性卡子，用專門植毛機把毛插入未硬化的殼體內，卡子插入后，待殼體凝固，便把刷毛固定下來，這樣整個植毛工藝就完成了。 根據上述原理，盤刷也可以采用這種

60、方法制作，其技術要求： 毛孔直徑：2.5mm 間距：5mm 孔深：10mm 每孔刷毛密度：五根 滾刷原理與上面相同 4.1.2滾刷設計 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，可通過調換橡膠套的方法調換滾刷，滾刷半徑為106,有刷毛部分長度為940。滾刷結構如圖4.7: 為了控制的方便，減輕主機的重量，應盡量減輕電機的數量，所以盤刷、滾刷共用一雙輸出軸電機，中間用齒輪和V帶傳動；從經濟的角度考慮，采用普通的三相電機，帶動兩盤兩滾共四個清洗刷。 依據實際實驗，取洗刷的壓強為螺旋槳工作壓力為20公斤力。四個角輪分別承 受3公斤力。盤滾刷均承受兩公斤力 刷毛

61、與玻璃的摩擦系數為0.1?0.2,取^=0.15 對盤刷求積分轉矩為：F200153Nm 1）洗力矩： 盤刷： M1然rF4.2Nm 兩個刷子的轉矩： T2M18.4Nm 滾刷： M20.206780.050.8034Nm 所需總的清洗力矩： M2M1M28.40.80349.2034Nm 2）初定盤刷轉速：360r/min 根據清洗力矩，型號為Y2-802-6,額定功率550W,轉速900r/min,平鍵4X20,保持轉矩為9.8N.m（查GBM） 4.1.3清洗部分所用彈簧的設計 圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧受載時的應力及變形 現就以下圖＜圓柱螺旋壓縮彈簧的受力

62、及應力分析＞所示的圓形截面彈簧絲的壓縮彈簧承受軸向載荷P的情況進行分析。 由圖＜圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應力分析a＞（圖中彈簧下部斷去，末示出）可知，由于彈簧絲具有開角a,故在通過彈簧軸線的截面上，彈簧絲的截面A-A呈橢 T=F-" 圓形，該截面上作用著力F及扭矩三。因而在彈簧絲的法向截面B-B上則作 用有橫向力Fcosa、軸向力Fsina、彎矩M=Tsina及扭矩T，=Tcosa。由于彈簧的螺旋升角一般取為a=5°?9°,故Sina=0；COSa=1（以下圖＜圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應力分析b＞）,則截面B-B上的應力（以下圖＜圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應力分析c＞）可近似地取為 北

63、1 d2 2C FD F224F2D2 片21 d24d316dd 式中C=D2/d稱為旋繞比（或彈簧指數）。為了使彈簧本身較為穩(wěn)定，不致顫抖和過軟，C值不能太大；但為防止卷繞時彈簧絲受到強烈彎曲，C值又不應太小。C值的范圍為4?16（表＜常用旋繞比C值＞）,常用值為5?8。 圖4.8圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應力分析 表4.1常用旋繞比C值 d(mm) 0.2?0.4 0.45?1 1.1?2.2 2.5?6 7?16 18?42 C=D2/d 7?14 5?12 5?10 4?9 4?8 4?6 為了簡化計算，通常在上式中取1+

64、202c（因為當C=4?16時，2c＞＞l,實質上即為略去了pp）,由于彈簧絲開角和曲率的影響，彈簧絲截面中的應力分布將如圖＜圓 柱螺旋壓縮彈簧的受力及應力分析“中的粗實線所示。由圖可知，最大應力產生在彈簧絲截面內側的m點。實踐證明，彈簧的破壞也大多由這點開始。為了考慮彈簧絲的開角和曲率對彈簧絲中應力的影響，現引進一個補償系數K（或稱曲度系數），則彈簧 絲內側的最大應力及強度條件可表示為 r KrT 8CF K 中 式中補償系數K,對于圓截面彈簧絲可按下式計算: 4c10.615 4C4C 圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧受載后的軸向變形量 入可根據材料力學關于圓柱螺旋

65、 彈簧變形量的公式求得 8FD23n8FC3n 4 Gd4Gd 式中：n一彈簧的有效圈數; GL彈簧材料的切變用K量，見前一節(jié)表＜彈簧常用材料及其許用應力＞o如以 Pmax代替P則最大軸向變形量為: 1）對于壓縮彈簧和無預應力的拉伸彈簧: max 3 8FmaxC n Gd 2〕對于有預應力的拉伸彈簧: max 一，— — . 一 3 8( Fmax - F0) C n Gd 拉伸彈簧的初拉力（或初應力）取決于材料、彈簧絲直徑、彈簧旋繞比和加工方法。用不需淬火的彈簧鋼絲制成的拉伸彈簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力時，各圈間應 有間隙。經

66、淬火的彈簧，沒有初拉力。當選取初拉力時，推薦初應力p0'值在以下圖 的陰影區(qū)內選取。 初拉力按下式計算: Fo d3 0 8KD2 使彈簧產生單位變形所需的載荷kp 稱為彈簧剛度，即 kFGdGd4 p—8C3n8D23n DM 圖4.9彈簧初應力的選擇范圍 彈簧剛度是表征彈簧性能的主要參數之一。它表示使彈簧產生單位變形時所需的力，剛度愈大，需要的力愈大，則彈簧的彈力就愈大。但影響彈簧剛度的因素很多，由于kp與C的三次方成反比，即C值對kp的影響很大。所以，合理地選擇C值就能控制彈簧的彈力。另外，kp還和Gd、n有關。在調整彈簧剛度時，應綜合考慮這些因素的影響。 承受靜載荷的圓柱螺旋壓縮（拉伸）彈簧的設計 彈簧的靜載荷是指載荷不隨時間變化，或雖有變化但變化平穩(wěn)，且總的重復次數不超過〔也次的交變載荷或脈動載荷而言。在這些情況下，彈簧是按靜載強度來設計的。 在設計時，通常是根據彈簧的最大載荷、最大變形、以及結構要求（例如安裝空間對彈簧尺寸的限制）等來決定彈簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數、彈簧的螺旋升角和長度等。 具體設計方法和步驟如下： 1）根據工作情況及