玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),玻璃,清潔,機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書
題 目：玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 t工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
IV
摘 要
由于各種因素的影響，市場上玻璃清潔機(jī)器人的技術(shù)還處于初級(jí)階段，在實(shí)際運(yùn)用中還存在諸多問題。本次設(shè)計(jì)通過研究玻璃清潔機(jī)器人的工作原理及過程，經(jīng)過詳細(xì)的方案規(guī)劃，反復(fù)論證方案，找出一種目前技術(shù)上最成熟、最符合實(shí)際運(yùn)用的運(yùn)動(dòng)方案。
本設(shè)計(jì)介紹了解決目前玻璃幕墻難于清洗這一難題的玻璃清潔機(jī)器人的研究,設(shè)計(jì),運(yùn)用方案,并把其中一種我們認(rèn)為是目前最合理,最具有市場前景的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃及分析,反復(fù)對方案進(jìn)行認(rèn)證,逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化.確定玻璃清潔機(jī)器人以輪式自主移動(dòng)機(jī)器人為載體.最終完成玻璃清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)各種參數(shù)計(jì)算和分析、相關(guān)零件材料的選用及工藝分析。
從玻璃清潔機(jī)器人在玻璃墻壁上的行走機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)向和自動(dòng)避障機(jī)構(gòu),自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)三個(gè)模塊詳細(xì)闡述了機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法.玻璃清潔機(jī)器人的工作原理是利用兩對傳動(dòng)齒輪將驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的力矩傳遞到驅(qū)動(dòng)軸上,從而帶動(dòng)兩個(gè)后輪轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在玻璃墻壁上的自由行走.機(jī)器人的兩個(gè)前輪均采用嵌入式直接驅(qū)動(dòng)裝置,在機(jī)器人正常直線行走時(shí)為機(jī)器人提供一定的牽引力,在機(jī)器人遇到障礙物時(shí)則一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn),一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向.清洗機(jī)構(gòu)為滾桶式,由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力,并且中間無減速機(jī)構(gòu),即滾筒的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。
通過在已有的方案基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)出來的玻璃清潔機(jī)器人更能滿足用戶的需求，以此拓展它的市場前景。
關(guān)鍵詞：輪式；玻璃；滾筒；嵌入式直接驅(qū)動(dòng)裝置；正反轉(zhuǎn)
Abstract
Because of the influence of various factors, glass cleaning robot technology is still in its infancy in the market, there are lots of problems in practice. This design through the study of working principle and process of glass cleaning robot, through the detailed program planning, repeated demonstration project, to find out a kind of the most mature on the technology at present, the most practical use of motion scheme.
Researching, designing, using the scheme of glass cleaning robot to solve the glass curtain wall is difficult to clean are introduced in this paper，and the one we think is the most reasonable, most has the market prospect of detailed planning and analysis has been made to the design, repeated authentication scheme, modify and optimize step by step. Finally determine the glass cleaning robots with wheeled autonomous mobile robot as the carrier, and finishing glass cleaning robot structure design, calculation and analysis of various parameters, material selection of parts and process analysis.
This article from the travel mechanism of glass in glass wall cleaning robot, steering and automatic obstacle avoidance mechanism，automatic cleaning mechanism three modules in detail elaborated the working principle and realization method of the robot system. Glass cleaning robots working principle is to use two pairs of gear drives the torque on the machine, is passed on to the drive shaft to drive the two rear wheels turning, to realize robot walking on the glass wall of freedom. The robot's two front wheels adopts embedded direct drive device, in the robot walking straight and normal provide certain traction force for robot, in the robot meet with obstacles is a motor forward, a motor reversal, realize zero turning radius turn of the robot. Cleaning mechanism is barrel type, provided by the drive motor power, and the middle without retarding mechanism, namely the rattler at the same speed with the speed of the drive motor.
Through innovative designing based on the existing solutions, makes the designed glass cleaning robot can meet the needs of users, to expand its market prospects.
Key words: wheel；glass；rattler；embedded direct drive device；pros and cons go
目 錄
1 引言 1
1.1 課題研究的背景 1
1.2 課題研究的意義 2
1.3 玻璃清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和目前具有的技術(shù)水平 2
2 玻璃清潔機(jī)器人總體運(yùn)動(dòng)方案規(guī)劃 2
2.1 玻璃清潔機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2
2.1.1足式行走機(jī)構(gòu) 3
2.1.2履帶式行走機(jī)構(gòu) 4
2.1.3輪式行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 4
2.2 清洗機(jī)構(gòu) 7
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 8
2.3.1方案一 8
2.3.2方案二 8
2.4 最終選用的總體方案 8
3 電機(jī)選型 9
4 玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要參數(shù)計(jì)算、分析 12
4.1 車輪設(shè)計(jì) 12
4.2 后輪驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.3 后輪驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 18
4.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
4.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 21
4.6 電機(jī)連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
4.7 后輪減速機(jī)構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
4.8 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
4.9 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
4.10 吸附機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合理性分析 29
5 玻璃清潔機(jī)器人穩(wěn)定性分析 30
6 重要零件的材料選用和加工工藝的編寫 31
6.1 軸類零件的材料選用與加工工藝分析 31
6.2 底盤的熱處理與加工工藝分析 37
6.3 減速機(jī)構(gòu)上箱體和機(jī)器人外蓋的加工藝分析 38
6.4 齒輪的加工工藝分析 39
6.5 磁吸盤的加工工藝分析 39
7 裝配干涉分析結(jié)果 39
8 玻璃清潔機(jī)器人總裝配圖 40
9 結(jié)論 41
謝 辭 42
參考文獻(xiàn) 43
附 錄 44
1 引言
1.1 課題研究的背景
在繁華的市中心區(qū)域，高層建筑越來越多，樣式多樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)景。隨著玻璃制作工藝技術(shù)的不斷革新，玻璃的強(qiáng)度不斷提高，并且玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實(shí)用美觀，建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)高層建筑的外壁越來越多地采用鋼化玻璃制作玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。但是由于玻璃沒有自我清潔的能力，時(shí)間一長，空氣中懸浮顆粒就會(huì)吸附于玻璃外墻上，為了保證建筑外觀的整潔美觀，就需要對墻壁進(jìn)行清洗，以美化城市市容市貌。玻璃幕墻難于清洗,清洗成本高昂,清洗工作量大并且清洗工人工作環(huán)境危險(xiǎn)等難題。因此,面對市場對于清洗玻璃建筑的巨大需求, 市場上目前投入使用的少量玻璃清潔機(jī)器人,技術(shù)上仍然存在許多的問題,例如:避障時(shí)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑過大,機(jī)器人無法清洗機(jī)器人邊緣經(jīng)過的玻璃墻面,機(jī)器人輪子傳動(dòng)軸徑向力過大等問題,因此開發(fā)一款用于自動(dòng)清洗玻璃幕墻的滿足市場需求的實(shí)用玻璃清潔機(jī)器人已經(jīng)成為科研人員工作的重點(diǎn)。
目前高層建筑的玻璃幕墻清洗工作主要由專門的清潔公司來完成，清潔公司的清潔方法中最主要的有兩種：一種方式是使用安裝在高樓樓頂?shù)膶Ｓ密壍阑虻跛飨到y(tǒng)將清潔機(jī)器對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動(dòng)擦洗。這種清洗方式初次投資成本較高，而且要求建筑物設(shè)計(jì)之初就必須考慮到擦窗系統(tǒng)的安裝，所以限制了它的使用范圍。另一種方式是使用升降平臺(tái)或者吊籃裝載清潔工進(jìn)行高樓玻璃幕墻的清洗，雖然簡便易行，但清潔工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率又比較低，屬于高空危險(xiǎn)作業(yè)，對工人的人身安全及高樓玻璃幕墻壁面都有很大的威脅，并且中國的經(jīng)濟(jì)正處在轉(zhuǎn)型期，現(xiàn)在和可以預(yù)見的未來清潔工人的用工成本將不斷的上升。所以迫切需要一種能代替人而且又有一定靈活性和適用性的全自動(dòng)機(jī)器裝置來完成這項(xiàng)工作，而且高樓的玻璃幕墻一般情況下面積較大，大多數(shù)處于幾十米甚至位于上百米的高處，而且周圍又無可攀援的支架，這就使得對玻璃幕墻的清洗成為一項(xiàng)繁重、高危險(xiǎn)、耗資的工作。如果讓人去清洗玻璃壁面，不僅花費(fèi)高，而且安全難以得到保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進(jìn)行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。
美日韓及歐洲各國還有最近的中國都相繼推出了各自的玻璃清潔機(jī)器人，這項(xiàng)技術(shù)也在日益走向成熟，但卻并未為大多數(shù)人了解，許多相關(guān)的技術(shù)在外人看來還是遙不可及的，在網(wǎng)絡(luò)及出版物中相關(guān)的文章少之又少，這就需要對這一新型的技術(shù)進(jìn)行一些說明。
1.2 課題研究的意義
高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)分支。它是基于壁面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實(shí)用機(jī)器人，其工作在垂直危險(xiǎn)的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設(shè)備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃外墻表面保潔、清洗服務(wù)的極限作業(yè)機(jī)器人，它可以將人們從危險(xiǎn)的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免事故的發(fā)生，而且能夠美化城市環(huán)境，造福人類，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。
1.3 玻璃清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和目前具有的技術(shù)水平
玻璃清潔機(jī)器人屬于壁面移動(dòng)機(jī)器人的其中一種，它的移動(dòng)承載體的相關(guān)技術(shù)在壁面移動(dòng)的相關(guān)技術(shù)中具有共性的一面。對現(xiàn)有的壁面移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，對本次的設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人移動(dòng)載體具有很好的參考意義。
機(jī)器人如果能夠在壁面上自由地移動(dòng),并且進(jìn)行作業(yè),必須具備三大機(jī)能:吸附功能、轉(zhuǎn)向避障功能和移動(dòng)功能。因此,壁面機(jī)器人主要是按吸附機(jī)能和移動(dòng)機(jī)能來進(jìn)行分類的。
壁面機(jī)器人按照移動(dòng)方式可以分為車輪式、履帶式和足式三類。
不同的吸附方案和移動(dòng)方案的組合最終構(gòu)成了各種各樣的壁面機(jī)器人,例如:履帶式吸附壁面機(jī)器人,輪式吸盤壁面機(jī)器人等。
目前國內(nèi)的清潔機(jī)器人的研究起步較晚，但發(fā)展比較迅速。國外清潔機(jī)器人的運(yùn)用起源早、技術(shù)成熟，有許多非常成熟的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。
2 玻璃清潔機(jī)器人總體運(yùn)動(dòng)方案規(guī)劃
本次設(shè)計(jì)任務(wù)主要求是設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)在玻璃上行走、自動(dòng)轉(zhuǎn)向避障功能和自動(dòng)清潔功能。分析可知這次任務(wù)可以分為三個(gè)模塊，即行走、轉(zhuǎn)向、清洗。我們將對他們分別各自的特點(diǎn)作全面的分析，并從中選擇最適合實(shí)際需求的方案運(yùn)用于設(shè)計(jì)過程中。
2.1 玻璃清潔機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
所有的機(jī)器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動(dòng)車體在地面上進(jìn)行移動(dòng)的裝置。配置這些車輪、履帶或者腿足使其發(fā)揮應(yīng)有的功能稱為移動(dòng)系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
不同的移動(dòng)機(jī)器人由于其用途不同，其工作環(huán)境、整體結(jié)構(gòu)都不盡相同，為了達(dá)到讓機(jī)器人平穩(wěn)而準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)這一目的，必須選擇一種合適的行走機(jī)構(gòu)。目前，常用的行走機(jī)構(gòu)有3種:足式行走機(jī)構(gòu)、履帶式走行機(jī)構(gòu)和輪式走行機(jī)構(gòu)。
2.1.1足式行走機(jī)構(gòu)
步行移動(dòng)方式模仿人類或動(dòng)物的行走原，用腿腳走路。它不僅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面行走，甚至可以跨越障礙、上下臺(tái)階，對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，智能程度相對較高，具有輪式機(jī)器人無法達(dá)到的機(jī)動(dòng)性，具有獨(dú)特的優(yōu)越性能。
但對設(shè)計(jì)和制作者來說，步行機(jī)器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點(diǎn)在于各腿之間的協(xié)調(diào)控制、機(jī)身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制、動(dòng)力的有效傳遞和走行機(jī)構(gòu)機(jī)理。足式機(jī)器人的種類很多，一般可以分為兩足機(jī)器人和多足機(jī)器人，如圖2-1、2-2所示。
圖2-1 兩足機(jī)器人 圖2-2 多足機(jī)器人
一般將有兩條腿機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人叫做兩足步行機(jī)器人，兩足步行機(jī)器人基本上是近似或模仿人的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機(jī)器人稱為多足機(jī)器人，主要研究模仿四足和六足動(dòng)物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。
步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，由于其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，控制難度較大。從移動(dòng)的范圍來講，車輪形及履帶形的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，無論它有多么復(fù)雜都只能在二維平面內(nèi)移動(dòng)，雖然能夠應(yīng)付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動(dòng)機(jī)構(gòu)始終保持著固定的位置關(guān)系。而步行機(jī)器人的移動(dòng)卻有著很大的不同，它可以在保持身體姿態(tài)不變的前提下，能前后左右移動(dòng)又能沿著樓梯拾級(jí)而上，從這一點(diǎn)來看步行機(jī)器人的移動(dòng)是三維空間移動(dòng)。另外，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。正因如此，步行移動(dòng)方式在機(jī)構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上還不成熟，不適用于對靈活性和可靠性要求較高的場合中。
2.1.2履帶式行走機(jī)構(gòu)
為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式行走機(jī)構(gòu)被廣泛采用。履帶方式又叫循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。圖2-3所示為履帶式行走機(jī)器人。
機(jī)器人采用履帶式行走方式有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）由于沖角的作用，能登上較高的臺(tái)階
（2）履帶有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，適合在階梯上移動(dòng)
（3）能夠原地旋轉(zhuǎn)，所以適合在狹窄的屋內(nèi)移動(dòng)
(4）因重心低而穩(wěn)定性較好 圖2-3 履帶式機(jī)器人
履帶式行走機(jī)構(gòu)廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。履帶式走行機(jī)構(gòu)的不足之處是轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。在要改變方向時(shí)，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速或制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，或者反向驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車體的原地自轉(zhuǎn)。但這都會(huì)使履帶與路面產(chǎn)生相對橫向滑動(dòng)，不但加大了機(jī)器人主體的能耗，還有可能損壞路面，如果運(yùn)用于玻璃清洗機(jī)器人，在工作過程中會(huì)刮花玻璃，影響墻壁美觀。
2.1.3輪式行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
輪式走行機(jī)構(gòu)由滾動(dòng)代替滑動(dòng)摩擦，主要特點(diǎn)是效率高，適合在平坦的路面上移動(dòng)，定位，而且重量較輕，制作簡單，本次設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)將使用輪式，因此在這里重點(diǎn)進(jìn)行講解，比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選出合適的方案進(jìn)行規(guī)劃、分析，逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化。
絕大多數(shù)輪式機(jī)構(gòu)都是非完整運(yùn)動(dòng)約束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輪式移動(dòng)方式的分類有很多種，按照輪子的數(shù)目劃分有三輪、四輪、五輪。目前機(jī)器人中最常用的是三輪或四輪移動(dòng)方式，在某些特殊應(yīng)用情況下也有五輪以上的機(jī)器人，但這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜。以下分別介紹常用輪式移動(dòng)機(jī)器人走行系統(tǒng)。
⑴三輪移動(dòng)方式
典型三輪移動(dòng)機(jī)器人通常采用一個(gè)中心前輪和兩個(gè)后輪的布置方式，車體配置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性稍差，遇到?jīng)_撞或地面不平時(shí)容易傾倒。在這種移動(dòng)方式下，應(yīng)該將各種元器件放在機(jī)器人的下層，確保機(jī)器人的重心處于比較低的位置，以彌補(bǔ)此結(jié)構(gòu)本身存在的穩(wěn)定性差的問題。
①共軸驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)
最常見的非完整運(yùn)動(dòng)約束機(jī)器人系統(tǒng)是共軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。它們的最基本形式是兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左后、右后兩個(gè)主動(dòng)輪，這樣的機(jī)構(gòu)使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)以自身為圓心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人底盤的前方安裝一個(gè)從動(dòng)輪的前輪系統(tǒng)，用于對本體進(jìn)行支撐。因?yàn)閮蓚€(gè)后輪共用一個(gè)軸，而在實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)車輪的對應(yīng)不一定非常精確。在實(shí)際的應(yīng)用中，通常的做法是將底盤設(shè)計(jì)成梯形，使機(jī)器人轉(zhuǎn)向具有較好的靈活性和穩(wěn)定性。
圖2-4 共軸驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)
實(shí)際的應(yīng)用中，因?yàn)橹挥?個(gè)車輪，該機(jī)器人在行走時(shí)易發(fā)生傾覆，所以在很多復(fù)雜條件下，它是不能正常完成任務(wù)的。
②全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)
全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種比較特殊的車輪，如圖2-5所示，3個(gè)主輪互相之間成600
圖2-5 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)
夾角，軸線與中線重合。之所以選擇3個(gè)萬向輪正三角組合，是因?yàn)檎切谓M合方式有它獨(dú)特的優(yōu)勢。因?yàn)槿c(diǎn)確定一個(gè)平面，無論怎樣，3個(gè)點(diǎn)總是在同一平面上，即無論什么情況，3個(gè)多向輪都必然著地，不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)輪懸空的情況，這是四輪或更多輪的行走機(jī)構(gòu)無法做到的。但是該機(jī)構(gòu)所使用的輪子較特殊，制作復(fù)雜不適于實(shí)際的廣泛運(yùn)用。
⑵ 四輪移動(dòng)方式
①四輪驅(qū)動(dòng)方式
該驅(qū)動(dòng)方式是通過前部轉(zhuǎn)向輪的朝向確定行走方向，如圖2-6所示。這種方式非常適合于戶外應(yīng)用，特別是在崎嶇地形，然而這樣的機(jī)器人比傳統(tǒng)的差速驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人制作起來復(fù)雜一些。
圖2-6 四輪驅(qū)動(dòng)方1
內(nèi)側(cè)的輪子將沿著一個(gè)比外側(cè)的輪子軌跡更小的圓周進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，那么就可以得到更好的轉(zhuǎn)向精度和更大的牽引力，這種技術(shù)叫做阿克曼轉(zhuǎn)向。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)向方式可以使輪胎產(chǎn)生更大的牽引力，具有更小的摩擦損耗，所以大部分汽車都采用這種轉(zhuǎn)向方式。因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向方式轉(zhuǎn)向半徑在所有方案中最大，所以這種轉(zhuǎn)向技術(shù)在機(jī)器人上的應(yīng)用并不多。
②四輪驅(qū)動(dòng)方式2
如圖2-7所示為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域常見的一種四輪移動(dòng)方式。前輪是兩個(gè)萬向輪，后
圖2-7 四輪驅(qū)動(dòng)方式2
輪是兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是遇到?jīng)_撞或地面不平時(shí)穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是機(jī)器人的行走過程只有三個(gè)輪著地，因此在行走時(shí)必須保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪著地，否則會(huì)影響機(jī)器人行走的定位精度。
③四輪移動(dòng)方式3
如圖2-8所示，前后輪為萬向輪，左右輪為驅(qū)動(dòng)輪，其自轉(zhuǎn)重心在車體中間，
圖2-8 四輪驅(qū)動(dòng)方式3
便于在狹窄場所改變行走方向。但前后輔助的萬向輪有時(shí)不能同時(shí)著地支撐，在高速啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生俯仰和前沖，或者在加速度很大時(shí)不走直線。應(yīng)盡量將機(jī)器人重心配置在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線的附近，以減少慣性的影響。
2.2 清洗機(jī)構(gòu)
玻璃清潔機(jī)器人由于是在墻壁玻璃上行走，重量和體積均有很大的限制，所以在選擇清洗機(jī)構(gòu)時(shí)需要考慮這兩方面。
方案一：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
圖2-9 曲柄滑塊清潔機(jī)構(gòu)
如圖2-9所示，該機(jī)構(gòu)所需要的零件簡單,加工方便,成本低,但是連桿所占的空間較大,使得機(jī)器人的總體尺寸無法滿足任務(wù)要，而且會(huì)降低機(jī)器人的靈活性。要實(shí)現(xiàn)往復(fù)的清洗功能,軸的力矩傳遞需要轉(zhuǎn)向,使用錐齒輪傳遞效率低，加工難度大，成本高。
方案二:滾筒式清洗機(jī)構(gòu)
滾筒清洗機(jī)構(gòu)是通過滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)清洗玻璃墻壁的功能，機(jī)構(gòu)本身的構(gòu)件不需要除本身尺寸以外的運(yùn)動(dòng)空間，使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時(shí)，滾筒的旋轉(zhuǎn)是用正齒輪傳動(dòng)，加工難度小，成本低，傳動(dòng)效率高,如圖2-10所示。
圖2-10 滾筒清潔機(jī)構(gòu)
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)部分使用電機(jī)作為動(dòng)力源，通過D軸、齒輪將轉(zhuǎn)矩傳遞到后輪，實(shí)現(xiàn)后輪共軸驅(qū)動(dòng)。兩種方案如下所述，比較兩者優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)用的要求，最終確定選用方案一。
2.3.1方案一
使用直齒輪、D型軸將轉(zhuǎn)矩傳遞到后輪軸，結(jié)構(gòu)比較簡單，直齒輪為標(biāo)準(zhǔn)件方便采購，成本低，裝配難度不大，傳遞效率高，如圖2-11所示。
缺點(diǎn)：直接使用齒輪帶動(dòng)后車軸，兩后車輪轉(zhuǎn)速始
終相同，在車體過彎時(shí)動(dòng)力傳遞效率有所降低。 圖2-11 傳動(dòng)方案一
2.3.2方案二
使用錐齒輪、D型軸傳動(dòng)，在后輪車軸上增加一個(gè)差速器，使車體在過彎時(shí)能自動(dòng)根據(jù)兩側(cè)后輪不同的阻力比調(diào)整動(dòng)力的輸出配比，減小后輪在轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)力損耗, 如圖2-12所示。
缺點(diǎn)：錐齒輪傳動(dòng)效率低，由于錐齒輪軸與后輪車軸垂直，會(huì)增加整個(gè)機(jī)器人長度方向的尺寸，清洗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)必須再次傳動(dòng)換向，不利于清洗機(jī)構(gòu)的安裝。差速器不是標(biāo)準(zhǔn)
件，市場上的的差速器尺寸不能滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要，無 圖2-12 傳動(dòng)方案二
法購買。
2.4 最終選用的總體方案
經(jīng)過反復(fù)對以上方案進(jìn)行論證，逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化，最終本次設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人方案使用的是輪式行走機(jī)構(gòu)、嵌入式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置、滾筒式清洗機(jī)構(gòu)、真空吸盤式或磁吸附式。
如前面圖2-4所示，后輪為共軸驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，前輪由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，為機(jī)器人前行提供牽引力，也可以一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的
圖2-13 機(jī)器人總體方案
轉(zhuǎn)向功能。并且前輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用嵌入式安裝方式，電機(jī)被置于前輪輪轂中，對電機(jī)尺寸的要求較高,最終確定的總體方案如圖2-13所示。
本次設(shè)計(jì)可以分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既可以提高設(shè)計(jì)的效率，也可以避免在設(shè)計(jì)清潔機(jī)器人各部分之間相互的干擾，減小設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也可以使得機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)用中的維護(hù)更加方便,各模塊的移植性較好。因此機(jī)器人的設(shè)計(jì)和計(jì)算我們將分步、分塊進(jìn)行。
3 電機(jī)選型
玻璃清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中常用電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，它們的特點(diǎn)、構(gòu)造與工作原理和控制方式如下表3-1所示。
表3-1 三種電機(jī)的主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與工作原理、控制方式
電機(jī)類型
主要特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)與工作原理
控制方式
直流伺服電機(jī)
接通直流電即可工作，控制簡單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、 重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短、
噪聲大。
由永磁體定子、線圈
轉(zhuǎn)子、電刷和換向器
構(gòu)成。通過電刷和換
向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式,兩者也成正比。
交流伺服電機(jī)
沒有電刷和換向器，無需維護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路
復(fù)雜，價(jià)格高。
按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
分為電壓控制和頻率控制兩種方式。 異步電機(jī)常采用電壓控制。
步進(jìn)電機(jī)
直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡單，沒有電刷，維護(hù)方便，壽命長。缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過載能力弱。
按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為:永磁式， 反應(yīng)式和混合式。混合式能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
永磁式是單向勵(lì)磁， 精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低； 混合式是單-雙向勵(lì)磁,分辨率高, 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
本次設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人所用電機(jī)的基本性能要求：
⑴ 啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行,具有良好的響應(yīng)特性.
⑵ 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同,且運(yùn)行特性穩(wěn)定.
⑶ 良好的抗干擾能力,對輸出來說,體積小、重量輕.
⑷ 維修容易，不用保養(yǎng).
①前面表3-1中我們比較分析了三種不同電機(jī)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與工作原理和控制方式從中我們知道步進(jìn)電機(jī)具有精度高，控制性能強(qiáng)，容易控制的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)具有以上所有優(yōu)點(diǎn)，但是前輪是使用嵌入驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)向，步進(jìn)電機(jī)的外型尺寸不滿足條件，所以我們最后選擇直流電機(jī)。
前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是利用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)一個(gè)正轉(zhuǎn)、一個(gè)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向的。因?yàn)闄C(jī)器人的重量不能超過2kg，所以它受的最大摩擦力不會(huì)超過20N。因?yàn)檐囍睆綖?0mm,則每個(gè)前輪所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：
T=Fd=10N×0.035m=0.35N.m （3-1）
所以玻璃清潔機(jī)器人選用“森創(chuàng)”步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為：A15K-S545(W)-G10，詳細(xì)參數(shù)如下表3-2所示。
表3-2 步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)
型號(hào)
A/相（A）
最大保持轉(zhuǎn)矩(kgf.cm)
最大允許轉(zhuǎn)矩(kgf.cm)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣性(g.cm2)
線組抗
電機(jī)長度（mm）
A15K-S545(W)-G10
0.75
-
15
68
2.2
47
②機(jī)器人的兩個(gè)后輪是驅(qū)動(dòng)輪，要求控制性好且精度高，能耗低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式及清潔機(jī)器人的移動(dòng)性能要求、受力性情況、傳動(dòng)特點(diǎn)，最終選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
所需電機(jī)的功率計(jì)算.玻璃清潔機(jī)器人的受力簡圖如圖3-1所示，分析可知機(jī)器人垂直向上行走時(shí)所受的阻力最大。
圖3-1 機(jī)器人受力簡圖
機(jī)器人所受的最大牽引力：
F牽 = G + Ff
F牽在墻壁上行走需要的最大牽引力
Ff機(jī)器人在墻壁上受到的摩擦阻力：
Ff=u F吸 （3-2）
u為摩擦因數(shù)，一般玻璃與橡膠取0.2-0.3
則玻璃清潔機(jī)器人需要的最大牽引力為:
F牽=G + Ff =20N+0.2×100N=40N （3-3）
設(shè)定機(jī)器人在墻上行走的速度為:V=1m/s
則機(jī)器人在墻壁上運(yùn)動(dòng)的功率為：
P= F牽·V=40×1=40W （3-4）
傳動(dòng)裝置的總效率為：
η=η1.η2=0.97×0.97=0.941 （3-5）
所需直流電機(jī)的最小功率:
PW=P/η=40/0.941=42.5W （3-6）
通過以上的比較和計(jì)算，最終選擇博山電機(jī)的90SZ01，其技術(shù)參數(shù)如表3-3所示：
表3-3 直流伺服電機(jī)的技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
轉(zhuǎn)矩（mN.m）
轉(zhuǎn)速（r/min）
功率(W)
電壓(V)
電流(A)
允許順逆轉(zhuǎn)速差(r/min)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(mN.m.s2)
電樞
激磁
電樞
激磁
90SZ01
323
1500
50
110
110
0.66
0.200
100
0.18
4 玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要參數(shù)計(jì)算、分析
4.1 車輪設(shè)計(jì)
圖4-1 后輪結(jié)構(gòu)圖
后輪采用尼龍加工而成，為減輕質(zhì)量，設(shè)計(jì)成腹板式結(jié)構(gòu)，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)輪的輪緣包裹一定厚度的橡膠材料，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4-1所示。
輪子的直徑為d=70mm,轉(zhuǎn)一圈機(jī)器人移動(dòng)的距離為：
S=π×d=3.14×0.07=0.22m （4-1）
所以，輪子的最大轉(zhuǎn)速為：
n=1500/4=375r/min=6.25r/s （4-2）
則清潔機(jī)器人的最大行走速度為：
V=S×n=0.22×6.25=1.375m/s （4-3）
從面前的計(jì)算我們已知機(jī)器人所受的摩擦力為：
Ff=20N
則可知電機(jī)在機(jī)器人豎直向上時(shí)其轉(zhuǎn)矩并不滿足條件，所以必須在機(jī)器人豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)減少磁吸附力，即可滿足運(yùn)動(dòng)條件。
設(shè)減小摩擦后機(jī)器人所受摩擦力為：
Ff=10N
則此時(shí)機(jī)器人的功率為：
Pw=(Ff+G)×V=30×1.375=41.25W （4-4）
其最大加速度為：
a=Fa/m=30/2=15m/s2 （4-5）
前輪為轉(zhuǎn)向輪，本次設(shè)計(jì)使用的是嵌入式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，它的原理是電機(jī)固定不動(dòng)，由電機(jī)機(jī)芯驅(qū)動(dòng)法蘭盤和前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)與輪子之間安裝有軸承和大、小套筒，以此保證它們之間的相對運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。它結(jié)構(gòu)精簡，體積小，穩(wěn)定性高和緊密度高，如圖4-2和圖4-3所示。相對于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案而方，該裝置具有顯著優(yōu)點(diǎn)，包括：
圖4-2 前輪爆炸圖
⑴電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，同步輸出，無中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，避免了傳動(dòng)帶來的累計(jì)轉(zhuǎn)角誤差，定位準(zhǔn)確。
⑵無相對摩擦，減少不必要的磨損和功率損失。
⑶嵌入式結(jié)構(gòu)使電機(jī)和連接結(jié)構(gòu)嵌入車輪，體積縮小、同樣的體積上可以選擇功率更大的電機(jī)，使用此裝置的機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度快、力量大。
圖4-3 前輪結(jié)構(gòu)圖
⑷嵌入輪內(nèi)的短柱狀結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的細(xì)長輪軸，無需聯(lián)軸器，同時(shí)保護(hù)了電機(jī)，抗沖擊性好。
⑸該裝置采取模塊化設(shè)計(jì)，各元件連接好后成獨(dú)立模塊，接上機(jī)器人車體即實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能，移植性很強(qiáng)。
車輪的相關(guān)參數(shù)如表4-1所示。
表4-1車輪相關(guān)參數(shù)
參數(shù)
數(shù)據(jù)/mm
參數(shù)
數(shù)據(jù)/mm
車輪最大外徑
70
腹板厚度
2
輪心孔直徑
4
腹板大孔直徑
10
車輪寬度
20
腹板小孔直徑
5
4.2 后輪驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在前面選電機(jī)部分，我們選擇的是直流電機(jī)作為后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速一般都較高，不能直接連接到車輪軸上，需要用減速箱來降速，同時(shí)提高了轉(zhuǎn)距。減速裝置的形式多種多樣，一般很難買到適合機(jī)器人使用的減速箱，所以只能自己設(shè)計(jì)減速裝置，選擇一種合適的減速裝置對機(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。
齒輪傳動(dòng)：工作可靠，使用壽命長；易于維護(hù)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；
結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。所以，本次設(shè)計(jì)選用齒輪作為減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)件。
根據(jù)本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高噪音小等條件，我們采用兩
級(jí)齒輪傳動(dòng)，減速比為4:1。安裝主動(dòng)齒輪的輸入軸與電機(jī)相聯(lián)的一端設(shè)計(jì)D型孔，不是用聯(lián)軸器，降低了生產(chǎn)成本，使結(jié)構(gòu)更簡單。既提高了精度又減輕了重量。輪轂和二級(jí)傳動(dòng)的被動(dòng)齒輪安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。中間軸上安裝有大小兩個(gè)齒輪，它們的齒數(shù)比為2：1。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，屬于通用標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接購買，使得加工工作量減小，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。減速機(jī)構(gòu)如圖4-4所示。
圖4-4 減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
選用的齒參數(shù)如下：
第一級(jí)減速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm
第二級(jí)減速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm
減速機(jī)構(gòu)的齒輪計(jì)算：（因?yàn)榈谝患?jí)減速和第二級(jí)減速相同，所以只選擇一級(jí)作較核計(jì)算。）
a．選擇齒輪齒數(shù)、材料及精度等級(jí)
⑴玻璃清潔機(jī)器人為精密機(jī)器，要求運(yùn)動(dòng)精度高，故選用5級(jí)精度。
⑵材料選擇?？紤]到清潔機(jī)器人傳遞的功率不大，所以齒輪采用軟齒面。由機(jī)械設(shè)計(jì)191頁表10-1選擇小齒輪為40Cr調(diào)質(zhì)，齒面硬度為280HBS。大齒輪選用45鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度240HBS，二者材料硬度相差為40HBS。
⑶選小齒輪齒數(shù)z1=20,大齒輪齒數(shù)z2=40,傳動(dòng)比i=2:1
b．按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由d1t≥2.32[(kT1(u±1)/ φdu（ZE/ [σH]) 2]1/3 (4-5)
I、 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
⑴試選載荷系數(shù)Kt=1.3
⑵計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。
T=9.55×106 PⅤ/n4=9.55×106×0.0425/1500=271N·mm （4-6）
⑶由機(jī)械設(shè)計(jì)205頁表10-7選取齒寬系數(shù)φd=1
⑷由機(jī)械設(shè)計(jì)201頁表10-6查得材料彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa1/2
⑸由機(jī)械設(shè)計(jì)209頁圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=750 MPa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=700MPa。
⑹由機(jī)械設(shè)計(jì)206頁式10—13計(jì)算應(yīng)循環(huán)，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
N1=60n1jLh=60×1500×1×1×8×300×8=2.88×107 （4-7）
因?yàn)閭鲃?dòng)比：i=2
N2=N1/2=1.44×107
⑺由機(jī)械設(shè)計(jì)207頁圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.94;KHN2=0.98;
⑻計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。
取失效概率為1％，安全系數(shù)S=1，由機(jī)械設(shè)計(jì)205頁式（10—12）得
[σH]1=σHlim1KHN1/S=750×0.94/1.0Mpa
=705Mpa
[σH]2=σHlim2 KHN2/S=700×0.98/1.0Mpa
=686Mpa
II、計(jì)算
⑴試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入[σH]中較小的值。
d1t≥d1≥2.32[(ktT1(u+1) /φdu (ZE/[σH])2]1/3
=2.32[1.3×271×(2+1)×(189.82/686)2] 1/3mm=10mm
⑵計(jì)算圓周速度v.
V=d1tn1/(60×1000)=×10×1500/(60×1000)=0.8m/s
⑶計(jì)算齒寬b
b= φd×d1t=10mm
⑷計(jì)算齒寬與齒高之比b/h.
模數(shù)
mt= d1t /z1 =10/20=0.5mm
齒高
h=2.25mt=2.25×0.5=1.125mm
b/h=10/1.125=8.9
⑸計(jì)算載荷系數(shù)。
根據(jù)v=0.8m/s, 5級(jí)精度，由機(jī)械設(shè)計(jì)194頁圖10—8查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.03
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課本P195表10-3直齒輪，KH=KF=1;
由機(jī)械設(shè)計(jì)193頁表10—2查得使用系數(shù)KA=1；
由機(jī)械設(shè)計(jì)表10—4用插值法查得5級(jí)精度、小齒輪相對支承對稱布置時(shí)
KHΒ=1.30
由b/h=8, KHΒ=1.30,查機(jī)械設(shè)計(jì)198頁圖10—13得KFΒ=1.26;故載荷系數(shù)：
K=KAKV KHαKHΒ=1×1.03×1.30×1.26=1.687 （4-8）
⑹按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10—10a）得
（4-9）
⑺計(jì)算模數(shù)m
m =d1/z1=10.91/20=0.55 （4-10）
c.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由機(jī)械設(shè)計(jì)201頁式10-5得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
（4-11）
⑴確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
①由機(jī)械設(shè)計(jì)208頁圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
σFE1=450Mpa；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限σFE2=420Mpa。
②由機(jī)械設(shè)計(jì)206頁圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.9，KFN2=0.94
③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全疲勞系數(shù)S=1.4,由機(jī)械設(shè)計(jì)205頁式（10-12）得：
④計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KAKVKFαKFβ=1×1.03×1×1.26=1.30 （4-12）
⑤查得齒形系數(shù)
由機(jī)械設(shè)計(jì)200頁表10-5查得 YFa1=2.80 YFa2=2.40
⑥查得應(yīng)力校正系數(shù)
由機(jī)械設(shè)計(jì)200頁表10-5查得 Ysa1=1.55 Ysa2=1.68
⑦計(jì)算大小齒輪的并加以比較。
小齒輪的數(shù)值較大
⑵設(shè)計(jì)計(jì)算
（2×1.30×271×0.02323/1×400）/3=0.041
對比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)0.041,并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=0.5,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=10.91mm,算出小齒輪齒數(shù)
z1=d1/m=10.91/0.5=20
大齒輪齒數(shù):z2=2×20=40
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
d．幾何尺寸計(jì)算
⑴計(jì)算分度圓直徑
d1=z1×m=10mm
d2=z2×m=20mm
為了方便設(shè)計(jì)，最后取d1=20 mm， d2=40mm
⑵計(jì)算中心距
a=(d1+d2)/2=30mm
⑶計(jì)算齒輪寬度
b=dd1=1×10mm=10mm
實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)我們最后取B1=B2=12mm
e．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制齒輪零件圖如圖4-5所示：
圖4-5 大小齒輪結(jié)構(gòu)圖
f．齒輪傳動(dòng)的潤滑方式的選擇
開式及半開式齒輪傳動(dòng)，或速度較低的閉式齒輪傳動(dòng)，通常用人工周期性加油潤滑，所用潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。
本次設(shè)計(jì)因?yàn)闇p速部分的齒輪箱體并不完全是密閉的，所以使用鈣鈉基潤滑脂作為潤滑劑，其適用于80-1000C，有水分或較潮濕的環(huán)境中工作的齒輪傳動(dòng)，但不適于低溫工作情況，所以滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用要求。
4.3 后輪驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
后輪驅(qū)動(dòng)軸連接兩個(gè)后輪，是減速部分的最后執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是主要的承重軸，所以要求它有很高的強(qiáng)度和抗彎、抗扭性能。同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人有重量限制，因此選用硬質(zhì)鋁合金作為驅(qū)動(dòng)軸的材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖4-6所示。
圖4-6 后輪驅(qū)動(dòng)軸
I．求輸出軸上的功率P3和轉(zhuǎn)矩T3
設(shè)取每級(jí)齒輪傳動(dòng)的效率η=0.97,則
P3=Pη2=50×0.972=47.05W
前面我們已知：n3=375r/min，所以：
T3=9550×47.05/375N.mm=1198N.mm
II. 求作用在齒輪上的力
因已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為
d2=40mm
而 （4-13）
Fr= Fttan200=60×0.325=19.5N （4-14）
Fn= Ft/cos200=60N/0.95=63N （4-15）
圓周力Ft，徑向力，及軸向力的方向如圖4-7所示：
圖4-7 齒輪受力示意圖
查資料得：[T]=45MPa
因此，軸的最小直徑是
根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，最后我們?nèi)=4.5mm
III.確定各段軸的直徑和長度
在能夠滿足強(qiáng)度和剛度要求的同時(shí)，為了滿足與其他各部分零件的裝配需要，以及軸的加工工藝的要求，機(jī)器人后輪驅(qū)動(dòng)軸的整體尺寸設(shè)計(jì)如開始的圖4-3-1所示。
IV．驅(qū)動(dòng)軸的較核
⑴按抗扭強(qiáng)度條件來進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核
（4-16）
⑵按彎矩轉(zhuǎn)矩合成條件校核的強(qiáng)度
①畫出力學(xué)模型簡圖。因?yàn)榍鍧崣C(jī)器人的吸附力為100N，主要承重在驅(qū)動(dòng)輪上，所以取極限情況進(jìn)行計(jì)算。軸的受力分析如圖4-8所示：
圖4-8 力學(xué)模型簡圖
清潔機(jī)器人在工作時(shí)，受到的最大吸附力為100N，所以每個(gè)輪子受到的支持力為
F=F吸/4=25N
軸受到齒輪的徑向力為
Fr= Fttan200=60×0.325=19.5N
支反力為
F’=(F+Fr)/2=22.25N
②作出彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖。
圖4-9 彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖
驅(qū)動(dòng)軸彎矩和轉(zhuǎn)矩分析如圖4-9所示,由圖可以明顯看出，驅(qū)動(dòng)軸的危險(xiǎn)截面是在安裝齒輪的軸截面上，這里所受的彎矩和轉(zhuǎn)矩都是最大的。
其中，危險(xiǎn)截面的彎矩為：
M=F’L=22.25×70.5=1568.6mN.m
轉(zhuǎn)矩為
T=u F吸D/4=0.2×100×0.07/4=0.35N.m
軸所承受的最大的輸出轉(zhuǎn)矩是由電動(dòng)機(jī)提供的最大轉(zhuǎn)矩來決定的，本機(jī)器人采用的是博山電機(jī)的90SZ01，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為0.323N.m,減速比為4，因此電動(dòng)機(jī)最大的輸出轉(zhuǎn)矩為1.292N. m,所以取T=1.292N.m。
⑶校核軸的強(qiáng)度
軸的抗彎截面系數(shù)為
(4-17)
所以軸的計(jì)算應(yīng)力
（4-18）
選定軸的材料為鋁合金，經(jīng)查[]=60MPa,因此滿足設(shè)計(jì)要求，故安全。
4.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸上零件的定位方式如下:軸向定位主要靠軸肩、擋圈定位；周向定位主要靠平鍵連接和過盈配合來定位。因此，必須對這些關(guān)鍵部位時(shí)行細(xì)致的設(shè)計(jì)和校核。鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是玻璃清潔機(jī)器人，總體尺寸較小，如果使用鍵來進(jìn)行齒輪的周向定位，會(huì)大大削弱軸的強(qiáng)度，所以這里，我們使用四驅(qū)車常用的D型軸來進(jìn)行齒輪的周向定位。其結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。
圖4-10 后輪驅(qū)動(dòng)軸
與之配合的齒輪，我們也把其的軸孔設(shè)計(jì)成為D型孔，該段軸的直徑為6mm,D型的切面與軸截面圓心的距離為2.5mm，它能能實(shí)現(xiàn)把轉(zhuǎn)矩從齒輪傳遞給軸。如圖4-11所示：
圖4-11 D型軸段截面圖
4.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
中間軸是減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)中的中間環(huán)節(jié)，上面安裝有一個(gè)大齒輪和一個(gè)小齒輪，齒數(shù)分別為z1=40和z2=20。同樣，為了減輕重量，我們選擇用硬質(zhì)鋁合金作為中間軸的材料。
I．中間軸的設(shè)計(jì)
⑴中間軸的最小直徑
中間軸傳遞的功率：
P2= Pη=50×0.97=48.5W
傳遞的轉(zhuǎn)矩:
T2=9550×48.5/750=618mN.m
查得鋁合金的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力[]=45MPa，中間軸的最小直徑：
從安全的角度考慮，結(jié)合設(shè)計(jì)的需要，我們?nèi)。?
d =5mmm
大齒輪的的受力計(jì)算
Ft=2T2/d2=2×618/40=31N
Fr=Fttan200=31×0.325=10N
Fn= Ft/cos200=31/0.95=32N
小齒輪的受力計(jì)算
Ft=2T2/d1=2×618/20=61.8N
Fr=Fttan200=61.8×0.325=20N
Fn= Ft/cos200=61.8/0.95=65N
⑵確定各段軸的直徑和長度
①擬定軸上零件的裝配方案
根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和裝配要求，合理的規(guī)規(guī)各零件的安裝位置，現(xiàn)選用如圖4-12所示的裝配方案。
圖4-12 中間軸裝配方案圖
②根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
(a)為了滿足軸承的定位要求，從左到右第一段需制出一軸肩，故第一段直徑d1=5mm,每二段的直徑d2=6mm.
(b)初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承只受有徑向力作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)d1=5mm,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙、4級(jí)公差的深溝球軸承。其尺寸為d×D×T=5mm×12mm×5mm.
圖4-13 中間軸結(jié)構(gòu)圖
(c)前面我們已經(jīng)確定第二段的直徑d2=6mm，齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為12 mm，而第二段軸的長度取的是28 mm，所以套筒的長度取16 mm，其厚度為1 mm，而同樣的如前面的一樣，我們用D型軸來傳遞轉(zhuǎn)矩，軸
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