折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作

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Edited by Foxit PDF Editor Copyright (c) by FoHit Software Company, 2003 - 2009 For Evaluation Only. 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 摘 要 本論文是關(guān)于折疊式玻璃自動(dòng)清潔器控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作及裝配調(diào)試。產(chǎn)品 設(shè)計(jì)目的是提供一種完全由室內(nèi)操作，結(jié)構(gòu)合理的清洗高層建筑中玻璃的擦玻璃 器。本論文在大量社會(huì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，相關(guān)專利文獻(xiàn)檔和已成型的高層戶外玻璃自 動(dòng)清潔器實(shí)型進(jìn)行了比較和分析，提出一種新的設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)采用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法， 基于Pro/E軟件，首先對(duì)所要設(shè)計(jì)的零件及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后運(yùn)用 Pro/E的運(yùn)用模擬功能，完成產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)模擬與分析，最終在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則下 最終確定結(jié)構(gòu)尺寸及材料。本論文是首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽參賽題目，樣機(jī)的 制作最為關(guān)鍵，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定的基礎(chǔ)上完成所有零部件的加工和產(chǎn)品裝配調(diào)試。 本論文設(shè)計(jì)合理，產(chǎn)品具有較好實(shí)用性，產(chǎn)品制作價(jià)格低廉，輕便易用，是一種制 的推廣的新型擦玻璃器。 關(guān)鍵詞：高層擦玻璃器，裝配調(diào)試，Pro/E，加工制作 I 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 Abstract This article mainly introduces the design and creation processes of a new type of glass wiping machine. Its purpose is to provide a fUlly operational indoor glass wiping machine, which can be used for higher live building glass cleaning. Based on the studying of reported papers, patent and other information from net, the different type of auto-cleaner and structure characters were compared, and then a new design project were suggested. The main design steps are as follows. Using software Pro/E, the whole structure models were created and according to the actual data the moving stations were analyzed, to make selection of model. At last, to fit the design request, the best model was chosen to paint CAD diagram. Under the principle of optimal design, determining the final size and structure of materials. This paper is the subject of mechanical innovative design contest of the Capital University, and the key is the production of the prototype, completing of all parts of the processing and debugging product assembly based on the determining of the structural design. This paper designed rational, and the products are availability, the products are cheaply, light and easy-to-use. It is a new glass cleaning tool, which should be popularized for more customers. Key words： cleaning tool, assembly debugging, Pro / E, manufacture 4 目 錄 第一章緒論 0 1.1研究意義 1 1.2研究背景 2 1.3主要目標(biāo) 10 1.4所面臨的困難 11 1.5設(shè)計(jì)方法和目標(biāo) 11 第二章方案設(shè)計(jì) 13 2.1支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2.2定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16 2.3滑塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19 2.4擦頭組件的設(shè)計(jì) 22 第三章 零件材料的選取及其制作 24 3.1 支撐結(jié)構(gòu) 24 3.2 定位結(jié)構(gòu) 26 3.3滑塊組件的制作 28 3.4擦頭組件的制作 36 第四章 機(jī)構(gòu)控制方案的設(shè)計(jì) 40 4.1擦頭行走路線的設(shè)計(jì) 40 4.2控制程序的設(shè)計(jì) 41 第五章裝配與調(diào)試 43 5.1裝配過程 43 5.2調(diào)試過程 48 第六章 結(jié)論與展望 50 6.1結(jié)論 50 6.2展望 50 6.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 51 參考文獻(xiàn) 52 致謝 54 附 錄 55 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 第一章緒論 1.1研究意義 1.1.1參賽意義 第三屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的主題為“綠色與環(huán)境”。內(nèi)容為“環(huán)保 機(jī)械、環(huán)衛(wèi)機(jī)械、廚衛(wèi)機(jī)械三類機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作”。本項(xiàng)目即為此次參 賽的設(shè)計(jì)作品。 高層戶外玻璃窗的清潔問題是各種樓宇清潔的重點(diǎn)，北京即將迎來2008年奧 運(yùn)會(huì)，設(shè)計(jì)制作一款使用方便、清潔能力強(qiáng)，住戶可自行操作的玻璃清潔器，具有 廣泛的市場(chǎng)前景。 產(chǎn)品要求：在戶內(nèi)定位操作，玻璃器擦試戶外玻璃，擦拭范圍可調(diào)整，最大范 圍 Imxlm。 1.1.2現(xiàn)實(shí)意義 隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活環(huán)境提出了更高的要求。在建筑業(yè), 由于玻璃的采光性好、保溫防潮性能好，彩色玻璃實(shí)用美觀，高層建筑越來越多地 采用玻璃窗的結(jié)構(gòu)。但是，由于隨著時(shí)間的推移，雨雪天氣以及空氣中的灰塵，就 會(huì)逐漸的蒙上一層厚厚的城市灰塵，使得這些建筑黯然失色，這樣就需要對(duì)玻璃窗 進(jìn)行清洗。為保持建筑整體的清潔美觀，清洗玻璃隨之成為人們?nèi)粘５墓ぷ髦弧?現(xiàn)許多國(guó)際性城市如廈門、深圳、香港等地都有規(guī)定：每年應(yīng)對(duì)高樓清洗若干次［1］。 目前對(duì)高層建筑上玻璃的清洗工作主要是由人工完成的。清洗工人搭乘吊籃或腰系 繩索進(jìn)行高空擦洗，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)事故，造成傷亡。除此之外，人工作業(yè)的效 率也很低，清洗一幢大樓有時(shí)要耗時(shí)數(shù)天乃至數(shù)十天，耗資巨大。因此人們都迫切 希望能有一種清洗機(jī)器來代替人工作業(yè)。這種清洗機(jī)器的使用將大大降低高層建筑 的清洗成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。最重要的是，它代替了人工作業(yè)，降低了工人工作 的危險(xiǎn)性，但是對(duì)于個(gè)人用戶來說，不管是雇傭?qū)I(yè)的玻璃清洗工還是使用玻璃清 洗機(jī)器人都是一筆很大的開支。所要設(shè)計(jì)的高層戶外玻璃自動(dòng)清潔器主要是針對(duì)廣 大的個(gè)人用戶，要求既要做到簡(jiǎn)單實(shí)用，又要價(jià)格便宜。高層戶外玻璃自動(dòng)清潔器 的推廣使用必將會(huì)帶來樂觀的經(jīng)濟(jì)效益。 1.2研究背景 1.2. 1擦玻璃器成品介紹 1.2.1.1雙面玻璃擦 雙面玻璃擦又叫做雙面玻璃擦窗器。如圖1-1所示 圖1-1雙面擦玻璃器 ㈠功能介紹： 1、 一面擦，兩面凈； 2、 站在屋里擦窗外玻璃，安全，方便，又省力； 3、 本產(chǎn)品通過磁力相吸的原理，內(nèi)動(dòng)外應(yīng)，從而達(dá)到一次操作；玻璃兩面干 凈的效果； 4、 同時(shí)解決了人們住樓房不便到窗外擦玻璃，極其安全。 ㈡產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)： 安全，干凈，快捷，且可以達(dá)到在室內(nèi)同時(shí)清潔室內(nèi)和室外玻璃的目的，效率 高，還可以避免高樓外面玻璃難于清潔而且人工作業(yè)不安全的問題。 1.2.1.2機(jī)械臂式擦玻璃器 一種手撐式電動(dòng)多功能玻璃清潔器由刷頭裝置、撐桿裝置、電動(dòng)裝置和噴霧裝 置四部分構(gòu)成。圖1-2所示 功能：解決人們?cè)诟邩鞘覂?nèi)清潔窗及玻璃窗外側(cè)面玻璃的難題。撐桿上還裝有 手壓泵，通過軟管可將清洗液送至刷頭噴出，擦頭罩殼內(nèi)壁上有凸棱曲線，具有收 集污液的功能、可避免污染周圍環(huán)境 圖1-2機(jī)械臂式擦玻璃器 1.2.1.3撐桿式擦玻璃器 玻璃擦頭固定在一根長(zhǎng)的不銹鋼管上，一側(cè)是擦玻璃的海綿體，另一側(cè)是清除 玻璃上污水的刮擦。 功能介紹 1、 擦頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸容易，方便清洗； 2、 不銹鋼管可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整長(zhǎng)度，便于人們擦洗不容易擦到的地方。 圖1-3撐桿式擦玻璃器 1.2.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，擦玻璃器主要分為兩大類，第一種類型是趨于大型化和自動(dòng)化，主要用 來清洗大型的玻璃墻或玻璃幕的爬壁機(jī)器人，它的控制裝置以及動(dòng)力結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行 詳細(xì)的設(shè)計(jì)及檢測(cè)。第二種類型是趨于小型化和簡(jiǎn)單化，但是這種類型的擦玻璃器 需要人工去操作，不能自動(dòng)完成相應(yīng)的任務(wù)，而且主要針對(duì)的是個(gè)人用戶。 1.2.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 擦窗機(jī)簡(jiǎn)介：擦窗機(jī)，顧名思義是擦洗窗戶的機(jī)器，但這只是擦窗機(jī)最旱時(shí)的 定義，而今發(fā)展到現(xiàn)在（在國(guó)外，擦窗機(jī)的發(fā)展史已超過了半個(gè)世紀(jì)），擦窗機(jī)已不 局限于此了，它可說是一種對(duì)整個(gè)建筑外墻進(jìn)行維護(hù)的機(jī)械設(shè)備?，F(xiàn)在擦窗機(jī)不僅 可對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行清洗，還可對(duì)整個(gè)外墻進(jìn)行清洗，包括對(duì)破損的外墻進(jìn)行修補(bǔ)及 更換損壞的玻璃幕墻。在整個(gè)擦窗機(jī)種類中，除了全自動(dòng)擦窗機(jī)不需要人員操作， 其他類型的擦窗機(jī)均是擦窗機(jī)提供一下作平臺(tái)，操作人員在該工作平臺(tái)上對(duì)建筑的 玻璃幕墻進(jìn)行清洗，同時(shí)工作平臺(tái)可在玻璃幕墻外的空間上作上下或左右移動(dòng)，以 使操作人員能達(dá)到整個(gè)玻璃幕墻的任何點(diǎn)，從而能進(jìn)行完善的清洗處理［2］o 為了把人們從危險(xiǎn)的工作中緩解出來，對(duì)于發(fā)展各種服務(wù)機(jī)器人的需求日益增 加，例如，清洗摩天大樓的玻璃，消防救援，檢查高壓管道［3］。日本在世界上率先 開展了壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究工作，1966年，日本的西亮教授首次研制成功壁面 移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)，并在大阪府立大學(xué)表演成功。這是一種依靠負(fù)壓吸附的爬壁機(jī)器 人。隨后出現(xiàn)了各種類型的爬壁機(jī)器人，到80年代末期已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。 日本在開發(fā)爬壁機(jī)器人方面發(fā)展最為迅速，主要應(yīng)用在建筑行業(yè)與核工業(yè)。日本清 4 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 水建設(shè)公司開發(fā)了建筑行業(yè)用的外壁涂裝與貼瓷磚的機(jī)器人，他們研制的負(fù)壓吸附 清洗玻璃面的爬壁機(jī)器人，曾為加拿大使館清洗囹。 隨后便出現(xiàn)各種各樣的高空清洗機(jī)器人。其中有兩個(gè)代表性的機(jī)器人：一種叫 做Cleanbot-I爬壁機(jī)器人，是基于移動(dòng)機(jī)械裝置設(shè)計(jì)的。當(dāng)他在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候很難控 制他的姿態(tài)，其基本裝置是一個(gè)框架，一個(gè)滑動(dòng)科。吸盤安放在框架而滑腳的移動(dòng) 使機(jī)器人前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)。還有一種叫做Cleanbot-II的軌道機(jī)械裝置也被開發(fā)應(yīng)用于清 潔玻璃。用一條鏈?zhǔn)宪壍篮?2個(gè)吸盤提供吸附力，Cleanbot II可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)， 跨越告訴小于6mm的障礙，并且通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。這種復(fù)雜的設(shè)備 導(dǎo)致其沒有可靠性。機(jī)器人的吸附方法主要有三種：磁連接，負(fù)壓力吸附和真空吸 盤［5］o由風(fēng)扇，空氣壓縮機(jī)等真空發(fā)生設(shè)備在機(jī)器人和墻壁的接觸面間形成負(fù)壓， 依靠壓差使機(jī)器人吸附在墻壁上。一個(gè)主流的方式就是用吸盤作為機(jī)器人的的動(dòng)力 裝置［6］。單吸盤、多吸盤吸附與真空吸附。單吸盤吸附可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化單吸 盤吸附可實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制，但要求壁面平整，當(dāng)遇到 溝槽或凹凸面時(shí)，吸盤負(fù)壓難以維持。越障能力不強(qiáng)。相對(duì)而言，多吸盤吸附穩(wěn) 定可靠，但其移動(dòng)是間斷的，控制比較復(fù)雜，移動(dòng)速度慢。機(jī)器人依靠車輪、履 帶和腳步機(jī)構(gòu)等多種形式在壁面移動(dòng)。車輪移動(dòng)式速度快、控制簡(jiǎn)單，但當(dāng)壁面不 平整時(shí)，維持吸附較困難，且著地面積小，對(duì)壁面的壓強(qiáng)大；履帶式對(duì)壁面的適應(yīng) 性強(qiáng)、著地面積大，但體積大，不易轉(zhuǎn)彎［7］。玻璃清洗機(jī)器人面臨著幾個(gè)技術(shù)難題: （1） 吸附劑密封技術(shù)：面對(duì)復(fù)雜的壁面環(huán)境，要求吸附機(jī)構(gòu)必須要產(chǎn)生一定的吸 附力。 （2） 移動(dòng)技術(shù)：移動(dòng)機(jī)構(gòu)要小型、高效，使機(jī)器人可以在壁立面上移動(dòng)，并可靈 活，自如的調(diào)節(jié)行走的速度和方向。 （3） 控制技術(shù)：必須保證信號(hào)通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各部間的協(xié)調(diào) 配合。 （4） 清洗機(jī)構(gòu)：設(shè)計(jì)安全有效的清洗機(jī)構(gòu)，達(dá)到令人滿意的清洗效果［7］。 （5） 攝像及傳感器的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的探測(cè)。實(shí)施的將機(jī)器人的外界環(huán)境和自 身狀態(tài)信息穿回給控制系統(tǒng)，即使對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制兇。 1.2.2.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 改革開放以后，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有了快速的發(fā)展，高層建筑如雨后春筍，比比 皆是。但由于建筑設(shè)計(jì)配套尚不規(guī)范，長(zhǎng)期以來，高樓大廈的外墻壁清洗，都是“一 桶水、一根繩、一塊板”的作業(yè)方式。洗墻工人腰間系一根繩子，悠蕩在高樓之間， 不僅效率低，而且易出事故。 基于這種情況，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與鐵道部北京 鐵路局科研所為北京西客站合作開發(fā)了一臺(tái)玻璃頂棚（約3000平米）清洗機(jī)器人。 我國(guó)的壁面移動(dòng)機(jī)器人研究起步較晩，但發(fā)展很快，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)在壁面移動(dòng)機(jī)器人這一領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。許多科研單 位也相繼推出了各自的壁面清洗機(jī)器人問。 1. 懸吊式擦玻璃機(jī)器人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所在原有I型的基礎(chǔ)上又 研制開發(fā)出清洗玻璃壁面的CLR-II型清洗爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人的系統(tǒng)總體如圖 1-4所示。它主要由以下幾個(gè)部分組成：（1）本體吸附機(jī)構(gòu)；（2）驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；（3） 清洗作業(yè)系統(tǒng)。 負(fù)壓由高速離心式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，為使吸盤盡快形成負(fù)壓，將風(fēng)機(jī)直接安裝在吸盤 上?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)是通過遙控操縱盒完成。爬壁機(jī)器人在壁面上的吸附、移 動(dòng)控制和清洗作業(yè)控制，采用電力載波通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)卷取電機(jī)由遙控器控制功 能和自治控制功能。 圖1-4清洗爬壁機(jī)器人系統(tǒng)組成 2. 吸附式擦玻璃機(jī)器人：真空吸附系統(tǒng)具有輕量化、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可 靠性高等諸多特點(diǎn)，是壁面清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一，并在多種氣動(dòng)機(jī)器人中得到了廣泛應(yīng)用。由于壁面清洗機(jī)器人的真空吸附系統(tǒng)受到作業(yè)環(huán)境（包括障礙、表面 缺陷、面面轉(zhuǎn)換、曲面度等）、受力狀態(tài)等諸多條件限制，有著不同于其他真空吸 附系統(tǒng)的特殊要求，使用多個(gè)洗盤作為一個(gè)整體，即以吸盤組的形式，來解決單個(gè) 吸盤的工作狀態(tài)的不足之處図。圖1-5所示 圖1-5多吸盤擦玻璃機(jī)器人 3. 輪式永磁式擦玻璃器：滾輪與平角齒輪同軸，縱向軸的兩端各套有一個(gè)齒 輪，其中一個(gè)齒輪與平角齒輪嚙合，角齒輪和刀盤同軸，若干個(gè)刀片沿徑向均 部在刀盤上，刀片與刀盤不在同一個(gè)平面上。使用時(shí)把二盒吸附在玻璃兩側(cè)，里側(cè) 盒體移動(dòng)時(shí)，外側(cè)盒體也隨之移動(dòng)。盒體上的刀片把玻璃擦凈。用它擦玻璃，人體 不必探出窗外，安全可靠，它適合擦玻璃時(shí)使用［1］。圖1-6所示 圖1-6輪式永磁式擦玻璃器 現(xiàn)在我國(guó)國(guó)內(nèi)的戶外擦玻璃器主要有四種類型。其主要都是在普通的玻璃擦頭 上進(jìn)行改進(jìn)屬于發(fā)明創(chuàng)新的形式。但是就是因?yàn)樗暮?jiǎn)單易用給廣大的個(gè)人用戶提 供了擦玻璃的便利工具。我們國(guó)家對(duì)于擦玻璃器的研究早在一九八幾年就已經(jīng)開始 了。綜合各種各樣的擦玻璃器主要可分為下面幾種類型： 第一種：其特點(diǎn)是存水桶和水泵相連，伸縮式拉桿通過軟管和水泵相連，另一 端和擦拭器相連，擦拭器上有電機(jī)通過齒輪使擦拭器轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到清洗玻璃的目的 mi。如圖1-7所示 圖1-7伸縮拉桿擦玻璃器 第二種：這種擦玻璃器包括殼體，殼體旱扁平狀，在殼體的一扁平殼壁上分別 固接著至少兩個(gè)釹鐵硼磁鐵塊，殼體套裝在帶有拉鏈開日的絨布袋內(nèi)。在使用時(shí)要 兩個(gè)配套使用，使一個(gè)殼體位于玻璃內(nèi)側(cè)另一個(gè)殼體位于用一個(gè)殼體位于玻璃內(nèi)側(cè) 另一個(gè)殼體位于玻璃外側(cè)。使用時(shí)將兩殼體分別通過磁鐵塊的磁力吸引安裝在玻璃 的內(nèi)、外兩側(cè)，在室內(nèi)移動(dòng)安裝在內(nèi)側(cè)玻璃上的殼體即可帶動(dòng)玻璃外面的殼體移動(dòng), 從而使其可以方便地擦洗玻璃的外面，而且用其擦玻璃時(shí)安全方便[12]o如圖1-8所 示 圖1-8雙面擦玻璃 第三種：主要由電磁鐵、擺錘、傳動(dòng)桿、清潔工作頭桿、清沽工作頭等構(gòu)成， 其中電磁鐵在交變電流的作用下產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使擺錘隨之?dāng)[動(dòng)，通過傳動(dòng)桿、清 潔工作頭桿將動(dòng)力傳到清潔工作頭，達(dá)到清潔玻璃的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 體積小、重最輕及成本低，便于生產(chǎn)和維修，使用刀片做清潔工作頭時(shí)，清潔過程 不使用水或任何清潔劑；隨著清潔工作頭的更換，可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，達(dá)到一物多 用冋。如圖1-9所示 圖1-9電磁擺動(dòng)式機(jī)器人 第四種：本裝置的工作桿上設(shè)有三個(gè)45斜面換向節(jié)。并有一萬(wàn)向浮頭與清 洗盤連接.所以人站在室內(nèi)手持擦窗器就能對(duì)玻璃進(jìn)行任意角度擦拭。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 使用靈巧、清擦率高、效果顯著，特別適合賓館和高層公共建筑使用卩］。圖1-10 所示 圖1-10萬(wàn)向節(jié)式擦玻璃器 1.3主要目標(biāo) 根據(jù)所調(diào)查的資料顯示，不管是擦玻璃器還是擦玻璃機(jī)器人的開發(fā)比較完備， 無論在功能上，還是材料上，因此這次“折疊式高層戶外玻璃自動(dòng)清潔器的設(shè)計(jì)與 制作”設(shè)計(jì)主要希望實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)： 1、 功能完備化；傳統(tǒng)的擦玻璃器，大都是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要自己動(dòng)手進(jìn)行擦玻 璃活動(dòng)，它的使用只是一定程度上簡(jiǎn)化了人們擦玻璃的過程，但是從根本意義上講 并沒有減輕人們的工作負(fù)擔(dān)，沒有把人們從擦玻璃這項(xiàng)活動(dòng)中完全的解脫出來。玻 璃清潔器的發(fā)展方向有兩個(gè)：一種是趨于大型化和自動(dòng)化的玻璃墻（幕）的清洗機(jī) 器人，這是一個(gè)機(jī)、液、電的綜合組成的綜合設(shè)備。他需要很多的先進(jìn)技術(shù)以及嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)理論為指導(dǎo)。這種設(shè)備雖好但也有自身的缺點(diǎn)，就是造價(jià)太高，一般的家 庭承擔(dān)不起。另一種是趨于簡(jiǎn)單，便宜的人工手動(dòng)擦玻璃器（主要應(yīng)用于擦洗個(gè)人 家庭的玻璃），它給人們帶來了便利，但是其自身也有不可避免的缺點(diǎn)，它不能達(dá) 到人們想要的便利，還不能讓人們從手動(dòng)擦玻璃中解脫出來。因此要設(shè)計(jì)的擦玻璃 器是介于擦玻璃機(jī)器人和普通的擦玻器之間的擦玻璃器既要有擦玻璃機(jī)器人的自 動(dòng)化又要兼有不同玻璃的簡(jiǎn)單化。 2、 降低高空擦玻璃機(jī)器人的成本；由于玻璃的采光性好、保溫防潮性能好， 彩色玻璃實(shí)用美觀，高層建筑越來越多地采用玻璃窗的結(jié)構(gòu)，但是由于隨著時(shí)間的 推移，雨雪天氣以及空氣中的灰塵，為了隨時(shí)保持建筑整體的美觀，清洗玻璃隨之 成為人們?nèi)粘５墓ぷ?。為了保持清潔，許多國(guó)際性城市如廈門，深圳，香港等地都 有規(guī)定，每年應(yīng)對(duì)高樓清洗若干次。目前對(duì)高層建筑的清洗工作主要是由人工完成 的，不僅危險(xiǎn)而且工作效率低，而且耗資巨大。如果應(yīng)用壁面機(jī)器人來進(jìn)行擦洗對(duì) 于辦公樓這樣的地方其成本也是相當(dāng)昂貴的，所以要設(shè)計(jì)的高層戶外玻璃窗的清潔 問題是各種樓宇清潔的重點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)制作一款使用方便、清潔能力強(qiáng)，價(jià)格便宜, 住戶可自行操作的玻璃清潔器，具有廣泛的市場(chǎng)前景。 1.4所面臨的困難 從擦玻璃器的出現(xiàn)到現(xiàn)在，無論從擦玻璃器的類型、尺寸、造型、外觀上的設(shè) 計(jì)都已經(jīng)成熟，所以要想在擦玻璃器上再添加一些新的想法并不容易。另外一條路 徑是設(shè)計(jì)一個(gè)壁面清洗機(jī)器人，它需要很豐富的知識(shí)，包括機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，控制得設(shè) 計(jì)，運(yùn)動(dòng)分析，材料的選擇以及實(shí)體制作對(duì)我們來說還有著很大的難度。以我們現(xiàn) 有的時(shí)間和知識(shí)還不可能做出一個(gè)完整的能夠自由移動(dòng)的壁面清洗機(jī)器人。 在設(shè)計(jì)的過程中這種矛盾經(jīng)常出現(xiàn)，而且這次設(shè)計(jì)由于參加比賽是和幾個(gè)同學(xué) 一塊完成，有時(shí)自己添加的功能沒有和原有結(jié)構(gòu)矛盾，卻和其他同學(xué)添加的功能存 在沖突，最后還要進(jìn)行改進(jìn)，甚至有時(shí)之前的工作有可能都白費(fèi)了。 還有一個(gè)困難就是工具的有限性。本著機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的宗旨中的一條“加 強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練”，指導(dǎo)老師要求我們盡可能自己動(dòng)手完 成，實(shí)在困難或是工具有限的情況下，才可以請(qǐng)金工車間的師傅幫忙。所以在這次 成品制造的過程中，鋸子是我們最主要的制造工具。這就造成成品制造進(jìn)度比較慢, 以及做出來的東西美觀度有限等問題。 1.5設(shè)計(jì)方法和目標(biāo) 通過在網(wǎng)上、實(shí)地進(jìn)行調(diào)查、收集到已經(jīng)發(fā)布的專利文檔或者已做出的折疊式 高層戶外玻璃自動(dòng)清潔器實(shí)型。然后對(duì)資料整理研究、對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行 了總結(jié)。借鑒現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案及其控制技術(shù)，提出一種新的設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)思路是: 用一對(duì)磁鐵分別放在兩個(gè)擦頭上，即擦玻璃器的內(nèi)擦頭（放在玻璃內(nèi)側(cè)）和外擦頭 （放在玻璃外側(cè)）。內(nèi)擦頭裝有傳感器，當(dāng)傳感器觸碰到玻璃窗的四周時(shí)，將信息 隨時(shí)傳回給主控制箱。主要通過控制內(nèi)擦頭從而帶動(dòng)外擦頭在玻璃上 自由運(yùn)動(dòng)，在內(nèi)擦頭和控制箱之間用運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，達(dá)到對(duì)擦頭的控制目的。室內(nèi) 放置的支撐結(jié)構(gòu)來承受所有的控制設(shè)備和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量達(dá)到減輕擦頭重量的目 的，從而減少兩個(gè)擦頭間的吸附力達(dá)到節(jié)省材料的目的。根據(jù)現(xiàn)在的問題確定自己 的研究思路和方向，該產(chǎn)品可以完全替代毛巾、抹布擦玻璃的傳統(tǒng)方式，并且能把 人們從擦玻璃的勞動(dòng)中解脫出來，徹底解決了以往擦玻璃在外高空做業(yè)令人生畏、 頭痛的一大難題。根據(jù)參考文獻(xiàn)，我們將要設(shè)計(jì)一種半自動(dòng)或者全自動(dòng)的高空擦玻 璃器，滿足廣大用戶的需求。 12 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 第二章方案設(shè)計(jì) 2.1支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 支撐機(jī)構(gòu)作為擦玻璃其設(shè)計(jì)中的最重要的結(jié)構(gòu)，它對(duì)玻璃擦頭的運(yùn)動(dòng)以及整個(gè) 機(jī)構(gòu)的安裝位置都確定有著很大的影響，這個(gè)機(jī)構(gòu)也是設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)?？紤]到其 重要性，我們?cè)谧畛踉O(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)了兩套方案。 2.1. 1設(shè)計(jì)方案一 圖2-1方案1支撐結(jié)構(gòu)在一般位置時(shí)的狀態(tài) 1：固定桿件，2：套筒，3：玻璃擦頭，4：引導(dǎo)桿，5：主動(dòng)桿，6：齒輪 圖2-2方案1支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 此方案的設(shè)計(jì)主要是從汽車擋風(fēng)玻璃上的雨刷的運(yùn)動(dòng)過程得到一些靈感，根據(jù)現(xiàn) 實(shí)情況而設(shè)計(jì)出來的。主要過程如下：通過齒輪之間的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)（齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由電 機(jī)帶動(dòng)）從而帶動(dòng)主動(dòng)桿在水平面上做一定范圍內(nèi)的擺動(dòng)，這樣就達(dá)到了玻璃擦頭 在水平方向的運(yùn)動(dòng)。通過滑塊在固定桿件上下運(yùn)動(dòng)（其上下運(yùn)動(dòng)由另外一個(gè)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)），使其在豎直方向上運(yùn)動(dòng)。這樣通過滑塊和主動(dòng)件的間歇運(yùn)動(dòng)就可以達(dá)到擦洗 整個(gè)玻璃的目的。 2.1.2設(shè)計(jì)方案二 圖2-3方案2支撐結(jié)構(gòu)在一般位置時(shí)的狀態(tài) 1：定滑輪，2：豎直桿，3：玻璃擦頭組件，4：滑塊組件，5：橫梁，6：定位組件 20 圖2-4方案2支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 玻璃擦頭的運(yùn)動(dòng)方式是分別由水平方向和豎直方向的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水平和豎直 方向的滑塊運(yùn)動(dòng)，然后帶動(dòng)玻璃擦頭在水平與豎直方向上間歇運(yùn)動(dòng)，直到把整塊的 玻璃擦完為止。這種設(shè)計(jì)方案中不存在所謂的死點(diǎn)，所以說機(jī)構(gòu)在實(shí)際中是可以實(shí) 現(xiàn)的。 上面的兩種設(shè)計(jì)方案各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，正如上面所描述的。對(duì)于方案1來說 最主要的驅(qū)動(dòng)部件就是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與固定在主動(dòng)桿上的齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而是主動(dòng)桿件帶動(dòng)玻璃擦頭轉(zhuǎn)動(dòng)，由于有引導(dǎo)桿的限制使得玻璃擦頭只能在水平 方向的運(yùn)動(dòng)，所以就把玻璃擦頭由平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)變成了平動(dòng)，與此同時(shí)通過滑塊在 豎直方向的運(yùn)動(dòng)，就能夠達(dá)到擦洗整塊玻璃的目的。理論上這樣的設(shè)計(jì)是可以實(shí)現(xiàn) 的，但是如果考慮到實(shí)際情況，方案1的設(shè)計(jì)存在著很多的問題，問題一，要把玻 璃擦頭的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成水平運(yùn)動(dòng)，就要考慮到擦頭與引導(dǎo)桿之間的摩擦問題，摩 擦力的大小將直接導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)桿的強(qiáng)度是否能夠達(dá)到要求，還有驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī) 的選擇，如果其扭矩太大那么就必須選用大型電機(jī)，這樣不僅會(huì)是增加制作成本而 且也會(huì)給用戶帶來安全隱患。問題二，當(dāng)擦頭在水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿還要有一個(gè)最 重要的功能，當(dāng)玻璃擦頭向左運(yùn)動(dòng)時(shí)其必須縮短，當(dāng)擦頭向右運(yùn)動(dòng)時(shí)其必須伸長(zhǎng)， 而其在整個(gè)的運(yùn)動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)桿不僅要起到傳輸力的作用還要保證其有足夠的強(qiáng) 度。因此驅(qū)動(dòng)桿的設(shè)計(jì)難度太大，即使通過我們的努力，也未必能夠制作出想要得 到的滿足設(shè)計(jì)要求的驅(qū)動(dòng)桿。問題三：當(dāng)擦頭即將要運(yùn)動(dòng)到右側(cè)的極點(diǎn)位 置時(shí)，擦頭在水平上的分力將會(huì)很小，豎直分力變大，考慮現(xiàn)實(shí)情況由于摩擦力的 作用，很有可能使作用在擦頭上的水平方向的力很小甚至為0,這樣就達(dá)到設(shè)計(jì)要 求。即使水平方向的力不為0,就需要引導(dǎo)桿來提供巨大的動(dòng)力。 方案2的分析：其主要根據(jù)玻璃擦頭在玻璃上的運(yùn)動(dòng)方式而設(shè)計(jì)其支撐結(jié)構(gòu)， 通過在X，Y兩個(gè)水平方向上交替運(yùn)動(dòng)達(dá)到擦洗玻璃的目的。方案二很好了避免了 一些需要特殊要求的零部件，他的主要部件簡(jiǎn)單易于制作。水平方向上的桿主要的 作用是承擔(dān)豎立在其上的豎直干的重力，因此對(duì)它的強(qiáng)度要求不是太高，豎直桿的 作用也只是起到一個(gè)引導(dǎo)擦頭運(yùn)動(dòng)的作用，對(duì)其要去也不是太高。當(dāng)擦頭處于各個(gè) 極值位置時(shí)也不會(huì)遇到像方案一中的分力不足問題，而其不存在死點(diǎn)。存在的問題: 當(dāng)玻璃擦頭在玻璃表面上做上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，如何通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使其能正常運(yùn)行，電 動(dòng)機(jī)位置的確定是一個(gè)難點(diǎn)。 通過小組的討論，決定選取第二種方案，并且確定了電機(jī)在機(jī)架上的位置， 電動(dòng)機(jī)1可以放在滑塊上保證擦頭能過上下運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)2放在支撐機(jī)構(gòu)的一端， 實(shí)現(xiàn)擦頭的左右運(yùn)動(dòng)。另外把橫梁拆分成兩端，在中間設(shè)置連接件，這樣就可以根 據(jù)玻璃窗的長(zhǎng)度不同，自行選用不同長(zhǎng)度的橫梁進(jìn)行組裝。這樣設(shè)計(jì)使擦玻璃器的 適用范圍更廣。 2.2定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 支撐機(jī)構(gòu)需要固定在玻璃窗框上才能進(jìn)行擦洗工作，在起初我們想用兩個(gè)吸盤 來固定支撐結(jié)構(gòu)的位置（圖2-5, 2-6所示），但是這樣設(shè)計(jì)就要考慮到滑塊要制作 成如何的形狀才能在橫梁上的自由的滑動(dòng)同時(shí)又不影響定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。但是這樣 就要使滑塊機(jī)構(gòu)扣在橫梁上，而不是套在橫梁上，滑塊機(jī)構(gòu)在整個(gè)的結(jié)構(gòu)中是運(yùn)動(dòng) 的中樞，所有的運(yùn)動(dòng)輸出都要通過它，因此滑塊的位置必須是相對(duì)最穩(wěn)定的。 Z_A 圖2-5定位機(jī)構(gòu)示意圖 圖2-6定位機(jī)構(gòu)零件圖 圖2-6所示零件圖的作用是使支撐結(jié)構(gòu)在空間上能夠定位，能夠固定在玻璃窗 框旁邊，它與橫梁焊接在一起 在老師的建議下我們通過晾衣服用的漲桿的固定原理（通過旋轉(zhuǎn)兩端的旋轉(zhuǎn) 頭，旋轉(zhuǎn)頭會(huì)向外轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生向外的水平力，應(yīng)用這種向外的水平力把漲桿頂在兩墻 之間），再聯(lián)系實(shí)際要求，通過我們的思考和實(shí)驗(yàn)最后確定出支撐結(jié) 構(gòu)。如下圖所示： 圖2-7定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 零件1：橫梁 零件2：連接螺釘 零件3：螺紋套筒 圖2-8定位機(jī)構(gòu)裝配圖 圖2-9螺紋套筒 圖2-10連接螺釘 圖2-11螺紋套筒零件圖 140 圖2-12連接螺釘零件圖 連接螺釘?shù)囊活^與橫梁連接另一頭與螺紋套筒連接，螺紋套筒通過螺紋的作用 向外旋出時(shí)也會(huì)用產(chǎn)生向外的水平作用力。不僅如此，它還可以在小范圍內(nèi)調(diào)整衡 量長(zhǎng)度的作用，使得擦玻璃器的適用范圍更寬。 2.3滑塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 滑塊機(jī)構(gòu)在整個(gè)的結(jié)構(gòu)中起到中心樞紐的作用，滑塊上裝載有電動(dòng)機(jī)，通過連 接電動(dòng)機(jī)與玻璃擦頭的引導(dǎo)線，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)擦頭的上下運(yùn)動(dòng)，因此滑塊在橫梁 上要具有穩(wěn)定性。當(dāng)水平的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滑塊左右運(yùn)動(dòng)，因此又要確?；瑝K和 橫梁表面的粗糙度不能太大，要有利于滑動(dòng)。另外，豎直桿件也要固定在滑塊上， 因此還要考慮到豎直桿的安裝以及安裝位置，確保機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，豎直桿不會(huì) 因?yàn)楣潭ǖ膹?qiáng)度不夠而傾倒或不能滿足設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)設(shè)好的橫梁的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過討論其初步設(shè)計(jì)方案是：把滑塊做成套 筒的結(jié)構(gòu)，再在套筒的上面做一個(gè)圓形套筒，并且在圓形套筒上一個(gè)通孔，作用是 把豎直桿件插入到圓形套筒中，再用螺絲螺母把豎直桿與套筒連接固定，加強(qiáng)豎直 桿與套筒的連接，滿足其穩(wěn)定性的要求。如圖2-13所示： 圖2-13套筒立體圖 套筒2-14零件圖 在理論設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)計(jì)各種復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)，但是一旦考慮到實(shí)際中的加工 問題，理論設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)模型就不可能完全實(shí)現(xiàn)，甚至可能無法實(shí)現(xiàn)。通過老師的 指導(dǎo)，滑塊的制作將會(huì)非常的麻煩，應(yīng)用到的制作工序和工具也相當(dāng)多，考慮到圓 形套筒與水平上表面連接的強(qiáng)度問題。加工這個(gè)零件需要用一整塊的材料通過數(shù)控 銑床，把材料中多余的部分挖去，然后還用特殊的卡盤裝卡在車床上再加工位于套 筒頂部的圓柱，這樣做不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)料而且增加了制造成本，因此我們決定放棄 此方案。 我們吸取套筒設(shè)計(jì)方案失敗的教訓(xùn)，對(duì)滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：決定用一塊塊的板 材切割成合適的尺寸，然后在進(jìn)行組裝拼接，再用螺釘螺母對(duì)其進(jìn)行加固，從而達(dá) 到設(shè)計(jì)的要求。這樣制作不僅可以節(jié)省時(shí)間還原材料，而且也減輕了整個(gè)滑塊的重 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 量，降低了制造成本。如圖2-15所示: 圖2-15滑塊組件立體圖 圖2-16滑塊側(cè)面零件圖 改進(jìn)后的滑塊機(jī)構(gòu)加入了滾輪這一新的結(jié)構(gòu)，加入滾輪的目的是把滑塊與橫梁 之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減小摩擦阻力；另外，還是為了避免滑塊被電動(dòng)機(jī) 在水平方向拽動(dòng)時(shí)因?yàn)槭芰Σ痪鴮?dǎo)致滑塊的上蓋板與橫梁卡死現(xiàn)象的產(chǎn)生。另 外，對(duì)如何確定豎直桿的安裝問題，也進(jìn)行了新的修改，首先用緊固螺釘把固定圓 柱與支撐板相連接，然后再用上蓋板壓緊在支撐板上，加強(qiáng)對(duì)于固定圓柱的固定。 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)解決了如下的問題： （1） 零件加工的復(fù)雜性； （2） 加工供需得到了簡(jiǎn)化； （3） 節(jié)省了原材料； （4） 加入新的結(jié)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)更加容易實(shí)現(xiàn)； （5） 去掉多余的材料減輕了機(jī)構(gòu)的重量。 滑塊組件的主要零件：滑塊的側(cè)板X2,滾輪軸X4,滾輪X4, M3X2螺釘, M3螺母X10，支撐板，上蓋板固定圓柱。 2.4擦頭組件的設(shè)計(jì) 由于兩個(gè)玻璃擦頭是用磁鐵之間的吸引力，使其吸附在玻璃表面上，因此擦頭 的設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)就是要輕便。玻璃擦頭設(shè)計(jì)成一個(gè)盒子狀，里面裝有磁鐵，清洗 液存儲(chǔ)空間等。在盒子的表面貼有擦玻璃布，刮水板。制作這樣一個(gè)盒子，首先需 要制作模具，然后才能做出塑料的玻璃擦頭來。但是模具制作相當(dāng)?shù)陌嘿F，對(duì)于實(shí) 驗(yàn)階段來說沒有必要使用這種方法進(jìn)行制作。對(duì)方案進(jìn)行修改，把結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化， 只保留最基本的構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。 另外還需要考慮的問題： （1） 磁鐵位置的確定：應(yīng)給盡量把磁鐵均勻的分布在玻璃擦頭上，避免擦頭在移 動(dòng)過程中，由于磁鐵位置擺放的不均勻，使得擦頭受力不均勻造成擦頭的翻 轉(zhuǎn)，導(dǎo)致玻璃擦頭從玻璃面上掉落。 （2） 玻璃擦頭的連接：擦頭要運(yùn)動(dòng)起來，就必須與豎直桿的滑塊相連。而且它們 之間的連接必須是剛性連接，不能產(chǎn)生滑塊的移動(dòng)擦頭滯后移動(dòng)的現(xiàn)像。這 個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)起來并不算困難，參照豎直桿固定在滑塊組件上的方法。 經(jīng)過小組成員的討論，在盡量減少擦頭重量的前提下，設(shè)計(jì)擦頭零件。如圖 2-17所示 圖2-17擦頭立體圖 擦頭組件主要零件：擦頭底板X2,磁鐵X8,加固板（確保擦頭連接件與擦頭 底板之間的強(qiáng)度要求），擦頭連接件（用于擦頭組件與豎直桿的連接），擦玻璃布X 2, 玻璃刮板X4。 玻璃外側(cè)擦頭組件的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)基本與內(nèi)側(cè)擦頭的設(shè)計(jì)基本相同，其結(jié)構(gòu)圖 如2-18圖所示 圖2-18外側(cè)擦頭的立體圖 28 第三章零件材料的選取及其制作 3.1支撐結(jié)構(gòu) 根據(jù)不銹鋼管規(guī)格表（表3-1）,我們進(jìn)行了初步的選取 表3-1不銹鋼規(guī)格表 壁厚 mm 0.6- 0.9- 1.3- 1.7- 2.3- 3- 4.6- 5.6- 7.6- 9.1- 12.1- 16.1- 外徑 mm 0.8 1.2 1.6 2.2 2.9 4.5 5.5 7.5 9 12 16 24 5-7 8-10 11-16 17-25 26-35 36-45 46-56 57-65 66-76 77-100 L01-104 備注：1灰色表示處表示有貨2定尺關(guān)加8%-10%；范圍定尺加5%o 再根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行選擇，不銹鋼材料表面光潔度高，擦玻璃器在使用過程中 與水接觸，為了增加其使用壽命。另外選擇的材料一定要輕便。 3.1.1橫梁 考慮到滑塊組件在橫梁上的定位，以及不能發(fā)生左右擺動(dòng)的情況，因此選擇 16X16的不銹鋼方管。 技術(shù)要求：方鋼兩端口去除毛刺。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求：擦洗1mX1m的玻璃。用電鋸從6000mm長(zhǎng)的不銹鋼方鋼上鋸下 長(zhǎng)800mm的方鋼作為橫梁，再用半圓形小銼刀去除方剛端口毛刺。實(shí)物圖3-1 圖3-1橫梁實(shí)物圖 考慮到實(shí)際情況：可以把橫梁分為兩段，中間設(shè)計(jì)一個(gè)連接兩段橫梁的零件， 把橫梁拼接起來，這樣就可以根據(jù)不同規(guī)格的玻璃窗框選用不同長(zhǎng)度的橫梁。如圖 3-2所示: 圖3-2橫梁組裝件 3.1.2豎直桿件 豎直桿在設(shè)計(jì)中要求比較小，沒有特殊的要求，只是起到引導(dǎo)的作用。選擇016 的不銹鋼管。 技術(shù)要求：圓管兩端去除毛刺。 用電鋸從長(zhǎng)6000mm的不銹鋼圓管上切下1100mm長(zhǎng)的圓管，用半圓銼去除兩端 的毛刺。然后用小型鉆床(MINI DRILL-1H )在距豎直桿底端850mm處打小4的圓 孔，依次間隔6mm繼續(xù)打24個(gè)4的圓孔。其作用是用來固定豎直桿上定滑輪的位置。 如圖3-3所示。 圖3-3豎直桿實(shí)際圖 3.2定位結(jié)構(gòu) 因?yàn)闄M梁的尺寸應(yīng)經(jīng)確定，連接螺紋要插入到衡量之中，所以其設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)給 依照橫梁尺寸。詳細(xì)設(shè)計(jì)尺寸見CAD圖。 3.2.1連接螺釘?shù)闹谱? 連接螺釘材料：選取45#18*18的方鋼 連接螺釘?shù)墓に嚵鞒蹋? 1. 銑出16*16直四棱柱140mm換用四抓卡盤裝卡四棱柱一端； 2. 平端面車倒角為1*1； 3. 車直徑為10.5的外圓，長(zhǎng)度50mm； 4. 換用尖刀粗車螺紋； 5. 精車螺紋； 7.距端面50mm處銑長(zhǎng)度為40mm，棱長(zhǎng)為13mm。 圖3-4連接螺釘實(shí)物圖 3.2.2螺紋套筒的制作 螺紋套筒材料：選取45#直徑為18mm的材料。 螺紋套筒的工藝流程： 1 .平端面。 2.粗車外圓直徑為16.5mm。長(zhǎng)度為53mm 3 .精車直徑為16mm 4.打直徑為11.5的孔 5 .粗車直徑為12mm的內(nèi)螺紋 6. 車倒角1*1 7. 換刀，距端面50mm處切斷 8. 掉頭裝卡，車倒角1*1 圖3-5連接螺釘與螺紋套筒連接的實(shí)物圖 3.3滑塊組件的制作 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有材料，選擇既能滿足強(qiáng)度要求又輕便的有機(jī)玻璃為原材料。因 為滑塊組建需要進(jìn)行組裝，所以零件在制作上有一定的精度要求。在老師的幫助下, 使用北京精雕雕刻機(jī)。 3.3.1應(yīng)用雕刻機(jī)加工滑塊側(cè)板零件 圖3-6滑塊側(cè)板 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的尺寸在精雕軟件上畫圖。 1. 打開精雕軟件JDPaint V5.20； 2. 在工具欄選擇“繪制”選項(xiàng)中的“直線”功能鍵，如圖3-7所示: 文件(E)視圖① 繪制(囚編輯舊|變換(引專業(yè)功能G □ 咨Q .點(diǎn)回 直綾(D Ctrl+Q III I 1 1 1 副瞄) Ctrl+A ii80Iii 樣條? Ctrl+P 原 多義賤(力 Ctrl+W abc 圓(Q Ctrl+L 橢圓E (□) 8 矩形⑧ Ctrl+T 0 正多邊形(句 星形⑤ A : 雙蛔 珞 箭頭(此 公式曲綾(E) E 曲面上賤(U) ? 電 : 三雜曲賤(也 ? 0 圖3-7選取軟件中的直線功能 3. 在畫直線時(shí)，分別輸入直線的端點(diǎn)和起點(diǎn)：(0, 0) (68, 0) (68, 35) (46, 35) (46, 31) (22, 31) (22, 35) (0, 35) (0, 0),通過輸入坐標(biāo)點(diǎn)， 畫出零件的外輪廓圖。如圖3-8所示： 圖3-8滑塊側(cè)板外輪廓 37 4. 在工具欄選擇“繪制”選項(xiàng)中的“圓”功能鍵； 5. 在畫圓時(shí)，分別輸入圓的圓心坐標(biāo)和圓的半徑：(6, 5)半徑為1.5, (24, 5) 半徑為1.5, (44, 5)半徑為1.5, (62, 5)半徑為1.5, (6, 30)半徑為 1.5,(62, 30)半徑為1.5,畫出零件重要進(jìn)行鉆孔的。圖形如圖3-9所示: 圖3-9滑塊側(cè)板外輪廓以及鉆孔位置 6. 把整個(gè)圖形選中，拖動(dòng)到藍(lán)色框體的左下角，鼠標(biāo)左鍵選中所畫圖形的 外輪廓，然后選擇工具欄“刀具路徑”中“路徑向?qū)А边x項(xiàng)。如圖所示: 圖3-10道具路徑的選擇 7. 選擇“輪廓切割”，左邊復(fù)選框中“半徑補(bǔ)償”選擇“向外偏移”，“雕刻深 度”輸入4 (因?yàn)橛袡C(jī)玻璃板的厚度為4mm,需要把整塊板切下來，所以 雕刻深度選擇4mm),其它選項(xiàng)均為默認(rèn)值。如圖3-11所示： 圖3-11雕刻參數(shù)的設(shè)制 8. 單擊下一步，選擇平底刀型號(hào)為JD-3.00，其它選項(xiàng)為默認(rèn)值； 9. 單擊下一步，選擇材料為有機(jī)玻璃板，主軸轉(zhuǎn)速12000,進(jìn)給速度1.2,吃 刀深度1（對(duì)于吃刀深度的設(shè)定一定要注意，深度越大對(duì)于刀具的負(fù)荷越大 越容易降低其使用壽命）其它選項(xiàng)為默認(rèn)值； 圖3-12切削參數(shù)的設(shè)制 10.單擊下一步，然后選擇完成。出現(xiàn)如圖3-13所示的圖形; 圖3-13滑塊側(cè)板外輪廓走刀路徑圖 11. 選擇工具欄“刀具路徑”中“輸出刀具路徑”選項(xiàng)（選中圖中的藍(lán)色路徑）, 然后保存在任意的位置。系統(tǒng)后彈出提示對(duì)話框，選擇“拾取二維點(diǎn)”， 其坐標(biāo)點(diǎn)應(yīng)該選取圖形的左下角（如圖3-14所示）。選取完畢后，提示雕 刻此圖形的路徑條數(shù)，點(diǎn)擊確定完成繪圖。 圖3-14選取二維點(diǎn) 12. 雙擊打開剛剛保存的文件，程序啟動(dòng)后先選擇“渲染”再選“仿真”。軟 件就會(huì)對(duì)所畫的圖形進(jìn)行仿真操作，檢驗(yàn)是否有錯(cuò)誤，生成仿真圖形。如 圖3-15所示： 圖3-15滑塊側(cè)板外輪廓仿真圖 13. 選擇圖形中所畫的五個(gè)圓圈（按住Shift連續(xù)選?。缓筮x擇工具欄“刀 具路徑”中“路徑向?qū)А边x項(xiàng)，選擇“區(qū)域粗雕刻”雕刻深度4。如圖3-16 所示: 圖3-16鉆孔雕刻參數(shù) 14. 單擊下一步，選擇平底刀型號(hào)為JD-1.50,其它選項(xiàng)為默認(rèn)值; 15. 單擊下一步，以下步驟與3-10步驟相同。其仿真圖如圖3-17。 圖3-17滑塊側(cè)板鉆孔仿真圖 注明：制作這個(gè)零件需要選取不同的加工方法，要分步加工，所以就要編寫 兩部分的程序。 3.3.2雕刻機(jī)操作流程 1 .開機(jī)預(yù)熱40分鐘（ALT+H）選擇打開界面上的自動(dòng)預(yù)熱功能。 2. 進(jìn)入EN3D6.40，打開剛才已經(jīng)存儲(chǔ)好的文件，用鼠標(biāo)全選文件，選擇菜 單中的加工按鈕，選擇路經(jīng)光順處理選項(xiàng)，然后按F1加選，選擇加工。 3. 設(shè)置加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速（12000r/m）,進(jìn)給速度（1.4m/min）,落刀速度 （1.2m/min）o 4. 然后在加工材料上校對(duì)起刀點(diǎn)的位置：①左、右鍵調(diào)節(jié)X方向；②上、 下鍵調(diào)節(jié)Y方向；③Alt+D調(diào)節(jié)-Z方向；④Alt+u調(diào)節(jié)Z方向；⑤PgUp增大X、Y 方向步長(zhǎng);⑥PgDn減小X、Y方向步長(zhǎng);⑦Ctrl+PgUp增大Z方向步長(zhǎng);⑧Ctrl+PgDn 減小Z方向步長(zhǎng)；⑨在對(duì)軸進(jìn)行對(duì)刀時(shí)，當(dāng)?shù)毒呓咏牧媳砻鏁r(shí)應(yīng)減小Z方向的 步長(zhǎng)以免撞刀：F8拾取Z軸起刀點(diǎn)，選取當(dāng)前位置；F9拾取X、Y軸起刀點(diǎn)，選 取當(dāng)前位置。 5. 為了保證加工的正確以及安全，首先要進(jìn)行一次試加工即先調(diào)整一下雕 刻深度為-5使走到路徑在材料的上方進(jìn)行一次試走刀。 6. 當(dāng)所走路徑和預(yù)期的效果一樣此時(shí)在進(jìn)行真正的加工，雕刻深度改為0， 擇開始按鈕然后再談出的對(duì)話框中按回車（繼續(xù)加功）等到加工完成為止。 應(yīng)用相同的方法制作支撐板，上蓋板以及側(cè)板滑塊組件。 圖3-18滑塊側(cè)板實(shí)物圖 圖3-19滑塊側(cè)板實(shí)物圖 圖3-20滑塊側(cè)板零件圖 3.3.4固定圓柱制作 固定圓柱材料：選取45#直徑為18mm的材料。 1 .平端面； 2.粗車外圓直徑為13.5mm。長(zhǎng)度為23mm； 3 .精車直徑為13mm； 4. 車倒角1*1； 5. 換刀，距端面20mm處切斷； 6. 掉頭裝卡，車倒角1*1； 7. 在鉆床上打直徑為4的孔。 3.3.3滾輪的制作 滾輪材料：選取45#直徑為18mm的材料。 滾輪的工藝流程： 1 .平端面； 2.粗車外圓直徑為8.5mm。長(zhǎng)度為20mm； 3 .精車直徑為8mm； 4. 車倒角1*1； 5. 換刀，距端面17mm處切斷； 6. 掉頭裝卡，車倒角1*1； 7 .在鉆床上打直徑為3的孔。 圖3-21滾輪零件圖 3.4擦頭組件的制作 3.4.1擦頭底板的制作 在擦玻璃器的組裝和實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)之前設(shè)計(jì)的擦頭組件中磁鐵位置的 設(shè)計(jì)不夠理想，其磁力不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此對(duì)擦頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在擦頭 底板的中間位置另行設(shè)計(jì)了安放磁鐵的位置，其結(jié)構(gòu)如圖所示： 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 46 圖3-23安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)圖 圖3-22擦頭底板結(jié)構(gòu)圖 圖3-24擦頭正面總體裝配圖 圖3-25擦頭底板零件圖 1. 應(yīng)用雕刻機(jī)軟件制作擦頭底板的外形 圖3-26擦頭底板的凹槽仿真圖 2. 應(yīng)用雕刻機(jī)加工出實(shí)際的零件； 3. 應(yīng)用小型鉆床(MINI DRILL-1H)在擦頭底板的中心位置鉆中4孔; 4. 在擦頭底板上安裝磁鐵； 5. 在擦頭地板上安裝刮擦以及擦玻璃布。 3.4.2滑塊套筒的制作 材料的選擇：016和小19的不銹鋼管。 制作過程： 1. 分別用電鋸鋸長(zhǎng)019圓管70mm和016圓管55mm； 2. 用電動(dòng)砂輪把016圓管的一端打磨一個(gè)圓??； 3. 用氬弧焊將兩個(gè)圓管焊接在一起。 圖3-27滑塊套筒實(shí)物圖 圖3-28滑塊套筒實(shí)物圖 第四章機(jī)構(gòu)控制方案的設(shè)計(jì) 4.1擦頭行走路線的設(shè)計(jì) 方案一：在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)基本確定了電動(dòng)機(jī)的安裝位置，因此擦頭的行走路 線基本已經(jīng)確定。其行走路線如圖4-1，擦頭呈S型行走路線，這樣可以節(jié)省擦頭的 行走長(zhǎng)度，減少電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，節(jié)省時(shí)間。不僅如此，對(duì)于控制程序的設(shè)計(jì)也 可簡(jiǎn)便許多，易于設(shè)計(jì)。但是這樣設(shè)計(jì)也存在著一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)擦頭在玻璃的最上邊 移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)力全部由橫梁上的滑塊的移動(dòng)來提供，滑塊與擦頭之間最大距離約 為900mm,這樣就會(huì)對(duì)橫梁上的滑塊產(chǎn)生相當(dāng)大的力臂，因此會(huì)對(duì)滑塊的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 影響，可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的功率不夠，無法達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。 方案二：擦頭行走路線如下圖所示： 擦頭的行走路線相比于方案一的路線稍微復(fù)雜了一些，擦頭從玻璃的下方行走 到上方時(shí)并不進(jìn)行橫向的移動(dòng)而是按照原來的路線再次返回到下方，然后再經(jīng)行橫 向的移動(dòng)。這樣做雖然增加了擦頭的行走長(zhǎng)度，增加了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，延長(zhǎng)工 作時(shí)間。但是這樣的設(shè)計(jì)卻能消除方案一中存在的問題，因?yàn)槊看尾令^的橫向移動(dòng) 都是在距離橫上的滑塊最近的地方進(jìn)行的移動(dòng)，只見的距離約為100mm,對(duì)滑塊所 產(chǎn)生的力矩僅僅是方案一中力矩的1 /9，所受的力也會(huì)大大減小，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的要 求也就會(huì)降低了。 圖4-2擦頭行走路線圖 相比于兩種設(shè)計(jì)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案一路徑簡(jiǎn)單，節(jié)省時(shí)間，控制程序易于 編寫。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)受力較大，對(duì)于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有很高的要求，不利與機(jī)構(gòu)運(yùn)功。 方案二行走路徑復(fù)雜，不易于控制程序的編寫，但是改進(jìn)了結(jié)構(gòu)的受力，減小對(duì)于 整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。本設(shè)計(jì)選擇方案二的設(shè)計(jì)方案。 4.2控制程序的設(shè)計(jì) 根據(jù)已經(jīng)確定的行走路線，確定控制程序的編寫?？刂葡到y(tǒng)要完成的功能是： （1） 自動(dòng)控制玻璃擦頭在水平方向及豎直方向的位置； （2） 根據(jù)玻璃框的大小自動(dòng)感知不需要提前設(shè)定擦頭運(yùn)動(dòng)的極限位置； （3） 自動(dòng)控制擦頭在極限位置，玻璃的邊緣位置的運(yùn)動(dòng)； （4） 完成玻璃清洗任務(wù)后自動(dòng)控制擦頭停止運(yùn)行。 采用行程開關(guān)作為傳感器，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn) 中，將行程開關(guān)安裝在相應(yīng)的位置，當(dāng)行程開關(guān)被碰觸時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電 器，它的作用原理與按鈕類似。根據(jù)它的工作原理，其返回控制器的信號(hào)只有0和1 這兩個(gè)信號(hào)，因此就可以作為對(duì)電動(dòng)機(jī)的正反運(yùn)動(dòng)的控制。應(yīng)用LLWIN V3.0軟件進(jìn) 行編程?？刂瞥绦驁D（見附錄1） 第五章裝配與調(diào)試 5.1裝配過程 5.1.1滑塊組件的裝配 圖5-1滑塊的側(cè)板 圖5-2安裝滾輪軸 圖5-3安裝滾輪 圖5-4安裝固定側(cè)板的螺釘 圖5-5安裝滑塊另一側(cè)板 圖5-6安裝支撐板 47 512擦頭組件的裝配圖59安裝固定圓柱 圖5-1擦頭底板 圖5-11安裝仿形磁鐵 折疊式玻璃自動(dòng)清潔器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作 56 圖5-12擦頭磁鐵固定板 圖5-13安裝螺母以及固定圓柱 圖5-14安裝擦頭刮擦 圖5-15安裝海面擦頭 5.1.3電動(dòng)機(jī)位置的安放 電機(jī)的固定位置也是一個(gè)難題，首先，要考慮電機(jī)的安裝位置不能與擦玻璃器 的機(jī)構(gòu)相干涉，其次，電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)要穩(wěn)定，可靠。最后經(jīng)過思考和討論，決定 了電機(jī)的固定方法。 本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，就是用鐵皮包裹電機(jī)在用螺絲固定到已有 的機(jī)構(gòu)上，這種固定方法可以滿足設(shè)計(jì)的要求，也能夠承受電機(jī)的扭矩。選用二個(gè) 步進(jìn)電機(jī)，電壓為9V，選取兩個(gè)行程過程開關(guān)分別放安裝于擦頭的上下兩側(cè)。兩 個(gè)電機(jī)位置的確定：根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)的位置也就基本確定了。為了 便于電動(dòng)機(jī)的布線、固定以及容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，就是用鐵皮包裹電機(jī)在用螺絲固定到已有的機(jī)構(gòu)上，這種固定方法可以滿足 設(shè)計(jì)的要求，也能夠承受電機(jī)的扭矩。 具體固定方法如下圖所示： 1、三角支撐板，2、方形固定板，3、滑塊，4、三角支撐板，5、方形支撐板，6、電機(jī)1 圖5-16 電機(jī)1的固定 以上就是電機(jī)1的支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，考慮到支撐強(qiáng)度和電機(jī)的扭矩問題，所以 設(shè)計(jì)了方形固定板，而且三角支撐板也設(shè)計(jì)了凹槽，具體如圖所示。 圖5-17三角支撐板  圖5-18三角支撐板零件圖 這樣不僅可以加強(qiáng)支撐的穩(wěn)定性，而且支撐的強(qiáng)度也提高了。 5.1.4整體結(jié)構(gòu)的裝配 裝配過程：1.支撐結(jié)構(gòu)，2.固定結(jié)構(gòu)，3.滑塊組件，4擦頭結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)主要 是依靠滑塊組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此滑塊組件是首先安裝的實(shí)物。在滑塊的基礎(chǔ)上安 裝衡量與豎直桿，然后再安裝固定裝置，再在原來的基礎(chǔ)上安裝擦頭組件和電動(dòng)機(jī) 以及相應(yīng)的布線。如下圖所示： 圖5-19擦玻璃器總裝配圖 5.2調(diào)試過程 5.2.1零件裝配過程的調(diào)試 零件裝配過程中的調(diào)試是本次設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要過程，雖然在起初零件的設(shè)計(jì) 階段已經(jīng)考慮了到加工過程以及實(shí)際應(yīng)用中的因素。但是，還有很多想不到的因素 只