玻璃清潔機(jī)器人

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1、 . 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目： 玻璃清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì) 目 錄 中文摘要及關(guān)鍵詞I 英文摘要及關(guān)鍵詞II 第一章 緒論 1 1.1 課題目的、意義 1 1.2 相關(guān)研究動(dòng)態(tài) 1 1.3 課題的主要容 2 第二章 玻璃清潔機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 3 2.1 清潔機(jī)器人的總體方案 3 2.2 清潔機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)方案 3 2.2 玻璃清潔機(jī)器人清洗系統(tǒng)方案 4 2.3 玻璃清潔機(jī)器人爬行系統(tǒng)方案 5 2.4 其它局部方案 8 8 8 8 2.5 本章小結(jié) 9

2、 第三章 玻璃清潔機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)10 3.1 玻璃清潔機(jī)器人電動(dòng)機(jī)的選擇10 3.2 直齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算12 14 16 17 18 3.3 錐齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 18 20 20 21 3.4 中心軸管的受力分析22 3.5 中心軸管的強(qiáng)度校核23 3.6 鍵的校核24 3.7 軸承的校核25 3.3 本章小結(jié)26 第四章 玻璃清潔機(jī)器人清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)27 4.1 清洗機(jī)器清洗局部設(shè)計(jì) 29 29 30 30 4.2 空心軸設(shè)計(jì)36 4.3 清洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計(jì)37 4.4 主機(jī)上傳感器及行程開關(guān)的選擇37 4.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)

3、設(shè)計(jì) 38 4.6 本章小結(jié) 38 第五章 玻璃清潔機(jī)器人吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì) 39 5.1 吸附原理 39 5.2 吸附方式的實(shí)現(xiàn) 40 43 5.3 采用風(fēng)壓吸附的意義43 5.5 氣動(dòng)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求44 5.6風(fēng)壓局部力學(xué)計(jì)算44 5.7 本章小結(jié)46 結(jié)論 47 參考文獻(xiàn) 48 致 50 49 / 54 中文摘要及關(guān)鍵詞 摘要:本文在簡(jiǎn)單介紹玻璃清潔機(jī)器人的國(guó)外研究現(xiàn)狀的根底上，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)展了設(shè)計(jì)，對(duì)一些關(guān)鍵局部進(jìn)展了設(shè)計(jì)計(jì)算及校核計(jì)算，重點(diǎn)是玻璃清潔機(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)

4、計(jì)計(jì)算。采用四輪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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，防止了清晰機(jī)器人對(duì)壁面的局限，降低了控制難度；清洗機(jī)主要由伺服懸吊系統(tǒng)、清洗主機(jī)和由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成；采用無人化清洗，自動(dòng)清洗，自動(dòng)供水，自動(dòng)供清洗液，單片機(jī)系統(tǒng)控制，操作人員只需通過鍵盤即可操縱清洗機(jī)工作，而且在清洗過程中，清洗機(jī)能夠自動(dòng)進(jìn)展邊緣識(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)的清洗效率較高，清洗效果良

5、好。 關(guān)鍵詞：玻璃清潔機(jī)器人；風(fēng)壓吸附；齒輪機(jī)構(gòu)；清洗 英文摘要及關(guān)鍵詞 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 checkin

6、g 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 gl

7、ass 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-

8、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 fl

9、oor; 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.

10、 Keywords: Glass cleaning robot; adsorption pressure; gear mechanism; brushing 第一章 緒論 1.1 課題目的、意義 隨著時(shí)代的進(jìn)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(jī)器人如火如荼得開展過程中，目前具有一定的智能性的清潔機(jī)器人也成為研究熱點(diǎn)之一,智能清潔機(jī)器人系統(tǒng)的研究在興旺國(guó)家受到廣泛的關(guān)注,許多高科技應(yīng)用領(lǐng)域,以及實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中的特殊應(yīng)用環(huán)境的強(qiáng)烈需求更成為它不斷開展的強(qiáng)勁動(dòng)力。 近年來,都市中的高層建筑越來越多,目前對(duì)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

11、的,傳統(tǒng)的人工清洗方式既危險(xiǎn),效率又低且本錢高，但如果自己清洗的話不僅有危險(xiǎn)而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，況且現(xiàn)在更多的人們希望從繁瑣的日常事務(wù)中解放出來，因此迫切需要一種設(shè)備協(xié)助甚至替代人來完成玻璃的清洗工作。 1.2 相關(guān)研究動(dòng)態(tài) 國(guó)外方面，日本是機(jī)器人開展較為興旺的國(guó)家，其對(duì)智能機(jī)器人的研究實(shí)力雄厚，值得我們學(xué)習(xí)，以下圖的多用途壁面機(jī)器人是一個(gè)日本開發(fā)的清潔機(jī)器人的例：該機(jī)器人自重100kg，同時(shí)可載150kg負(fù)重，小車的車輪上具有磁性設(shè)計(jì)，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(cè)和修復(fù)作業(yè)。 圖1.1 多用途壁面機(jī)器人［1］

12、 圖1.2 雙車體機(jī)器人［2］ 上圖的雙車體機(jī)器人也是由日本人研制，其采用負(fù)壓吸盤吸附，在運(yùn)行過程中吸盤與壁面之間產(chǎn)生有滑動(dòng)密封效果，強(qiáng)大的大氣壓能夠保證小車不會(huì)從墻壁上滑落，由四個(gè)高摩擦系數(shù)的輪子貼合在墻壁面上，在吸盤保持負(fù)壓的過程中，機(jī)器人通過控制輪子的正反轉(zhuǎn)控制機(jī)器人的行走方向，輪子的差速保證了機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能的實(shí)現(xiàn)，且由于四個(gè)輪子均為獨(dú)立控制，所以該機(jī)器人控制起來顯得格外靈活。 國(guó)方面，雖然起步較晚，但也已經(jīng)有了相對(duì)成熟的東西，圖1.3為航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制的用于清洗國(guó)家大劇院玻璃幕墻的樣機(jī)，圖上所示為該機(jī)器人工作在國(guó)家大劇院的場(chǎng)景，其由攀爬機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、移

13、動(dòng)機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)等局部構(gòu)成，總長(zhǎng)約3m, 高0.5m，寬1m, 整個(gè)機(jī)身主體由鋁型材搭建而成，不僅強(qiáng)度高而且相對(duì)重量也輕了許多，其在工作過程中把安裝在建筑物上的滑動(dòng)導(dǎo)桿作為中介，成功防止了機(jī)器人對(duì)建筑物的直接抓取所可能帶來的損傷以及其他不平安因素。 圖1.3 北航清潔機(jī)器人［3］ 通過對(duì)上述文獻(xiàn)的分析，無論是國(guó)外的多用途壁面機(jī)器人還是國(guó)的清洗機(jī)器人，在體積及重量上都相對(duì)較大，多用途壁面機(jī)器人本身就重達(dá)100kg，顯然這個(gè)重量是普通家庭玻璃難以承受的，而北航機(jī)器人研究所所研發(fā)的清潔機(jī)器人樣機(jī)高度竟然到達(dá)了1.9米,這對(duì)于比擬寬闊的玻璃幕墻來說,

14、清洗起來確實(shí)方便、迅速，但是對(duì)于一些普通的家庭玻璃窗來說,這明顯是不適宜的。 1.3 課題的主要容 本文設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人主要是用于清洗城市高層建筑的玻璃幕墻，用于替代人來完成玻璃的清洗工作，首先確定玻璃清潔機(jī)器人的整體方案以及詳細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后闡述本課題控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后介紹機(jī)器人實(shí)體樣機(jī)的調(diào)試，最后完成玻璃清潔機(jī)器人的清洗工作。 設(shè)計(jì)一套完整實(shí)用且效率高的玻璃清潔機(jī)器人，首先要了解國(guó)外相關(guān)玻璃清潔器的開展現(xiàn)狀，其次根據(jù)現(xiàn)狀擬定數(shù)種設(shè)計(jì)方案，比擬優(yōu)劣后得出最正確方案，作為整體方案；進(jìn)而闡述控制系統(tǒng)，清洗系統(tǒng)，吸附系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后介紹機(jī)器人實(shí)體樣機(jī)的調(diào)試，完

15、成玻璃清潔機(jī)器人的清洗工作。 第二章 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)器人清洗作業(yè)的要求，機(jī)器人首先必須具備清洗作業(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)展吸附和移動(dòng)，因此玻璃清潔機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機(jī)器人清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大局部。 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)生一定的清洗壓力，通過電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)清洗的目的。 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)

16、螺旋漿轉(zhuǎn)速控制清洗力，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，所有的清洗裝置均安裝在該箱體上，清洗系統(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)圓盤形清洗刷，盤刷底部都有十二個(gè)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(zhì)刮水板，以使清洗過的部位快速風(fēng)干并防止留下來的清洗液腐蝕玻璃。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)盤型清洗刷上，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，可以到達(dá)更好的清洗效果，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)

17、罩，防止清洗液四濺。清水，清洗液，電機(jī)的供電和控制電纜都是是由復(fù)合纜供應(yīng)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，以到達(dá)減小震動(dòng)的效果。在清洗機(jī)主體的上下部安放超聲波傳感器，以進(jìn)展邊緣識(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清潔機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)方案 通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一對(duì)錐齒輪實(shí)現(xiàn)換向，然后通過齒輪嚙合傳遞給另外一組毛刷機(jī)構(gòu)，如圖2.1所示 圖2.1 機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.3玻璃清潔機(jī)器人清洗系統(tǒng)方案 根據(jù)以上提出的技術(shù)性能及要求，初步確定清洗方案如下： 第一種：結(jié)

18、構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.2： 此種方案采用負(fù)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?jī)蓧K瓷磚之間都有4～5毫米的縫隙，密封不可靠。 圖2.2 結(jié)構(gòu)一圖2.3 結(jié)構(gòu)二 第二種：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.3： 這種方案采用了風(fēng)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(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，清洗壓力不均勻，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(jiǎn)圖如圖2.4： 圖2.4 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

19、高層建筑外玻璃清洗機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：① 在清洗機(jī)外機(jī)架背后安裝可調(diào)吸附系統(tǒng)來提供連續(xù)均勻的清洗力，螺旋槳可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制清洗壓力；② 機(jī)架采用一清洗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)裝置，方便的實(shí)現(xiàn)了縱橫兩不同清洗方向的調(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)合的清洗方式，清洗液和清水分別由盤刷和滾刷提供以到達(dá)最正確清洗效果。 綜合比擬以上三種方案，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)生一定的清洗壓力，通過電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)清洗的目的。旋轉(zhuǎn)的刷子的軌跡為包絡(luò)線，從而清

20、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(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)，減小了清洗主機(jī)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(jié)構(gòu)可減少不必要的回程時(shí)間，以到達(dá)提高效率的目的。 2.3 玻璃清潔機(jī)器人爬行系統(tǒng)方案 目前玻璃清潔機(jī)器人吸附方式主要包括磁吸附，負(fù)壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現(xiàn)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(dǎo)磁面上吸附；低真空度負(fù)壓吸附采用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔的空氣抽出產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，具有一定的壁面適應(yīng)能力，但存在噪音大，體積大的缺點(diǎn)；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋

21、槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機(jī)器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點(diǎn)。由于負(fù)壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附的玻璃清潔機(jī)器人具有壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此目前負(fù)壓吸附在玻璃清潔機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。 真空泵式要帶一個(gè)大大的氣泵，且設(shè)計(jì)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(jīng)提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經(jīng)射流器力射流泵提供的動(dòng)力，再把水經(jīng)噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤外形成負(fù)壓，把吸盤吸住。 由于吸盤也是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)類似于液壓缸機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如下圖： 它是長(zhǎng)方形吸盤，工作時(shí)最多只有一半用來射流噴水產(chǎn)生吸附，實(shí)

22、現(xiàn)機(jī)器人的吸附功能。 圖2.5 吸盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 機(jī)器人的吸附與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都要水的參與，工作過程如圖2.6所示： 1：2YA通電，工作腔1沖水，滿后，2YA斷電，與此同時(shí)，1腔里的水經(jīng)射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負(fù)壓，使得吸盤A吸附在玻璃上。 2：此時(shí)，4YA通電，3腔進(jìn)水，滿后，1YA通電，使2腔進(jìn)水，推動(dòng)活塞桿a向前移動(dòng)，拉動(dòng)吸盤B往前移動(dòng)，活塞至中間位置后，壓下行程開關(guān)。 3：此時(shí)，1YA，4YA斷電，3腔再次水滿，3腔水經(jīng)水射流發(fā)射器噴水，產(chǎn)生負(fù)壓，吸住吸盤B. 4：此時(shí)，2YA通電，1腔進(jìn)滿水后，3YA通電，使4腔進(jìn)水，推動(dòng)活塞桿b前進(jìn)，使其推動(dòng)吸盤A前

23、進(jìn)，活塞桿至中間位置后壓下行程開關(guān)，2YA，3YA斷電，此時(shí)1再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)。 圖2.6 機(jī)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(tǒng)使主機(jī)吸附在玻璃上，并使盤刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的清洗壓力，通過電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)清洗的目的。旋轉(zhuǎn)的刷子的軌跡為包絡(luò)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(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)，減小了清洗主機(jī)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(jié)構(gòu)可減少不必要的回程時(shí)間，以到達(dá)提高效率的目的。 圖2.7 螺旋槳吸附系統(tǒng)使主機(jī)吸

24、附在玻璃上 2.4 其它局部方案 材料選擇 根據(jù)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)過篩選與比擬采用聚甲醛〔均聚〕［17］。 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那么下進(jìn)展確定。 2.4.2 輪的潤(rùn)滑問題 由于齒輪的材料已確定為聚甲醛［14］，據(jù)參考文獻(xiàn)［1］，其工作要求少潤(rùn)滑或無潤(rùn)滑，故不考慮齒輪的潤(rùn)滑問題。 2.4.3 軸承的潤(rùn)滑

25、問題 大空心軸的轉(zhuǎn)速較低為400r/min,鼓起潤(rùn)滑方式應(yīng)為脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑脂為鈣機(jī)潤(rùn)滑脂。 注：以上潤(rùn)滑脂的選擇見文獻(xiàn)［10］。 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)器人從清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大方面進(jìn)展設(shè)計(jì)，選型和參數(shù)確實(shí)定。最后請(qǐng)教誨師對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)展校正，以確定設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性。 第三章 玻璃清潔機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 玻璃清潔機(jī)器人電動(dòng)機(jī)的選擇 為電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)展適宜的電機(jī)選擇，才能保證系統(tǒng)可靠工作和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。下文簡(jiǎn)要介紹電機(jī)選擇的一般容。電機(jī)選擇的主要包括如下容。??? 1.類型的選擇選擇哪種電機(jī)類型,一

26、方面要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性、起動(dòng)性能、調(diào)速性能、制動(dòng)方法、過載能力等方面的要求;在對(duì)起動(dòng)、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(jī)。 2. 功率的選擇?選擇電機(jī)的翻定功率時(shí)，應(yīng)使所選的電機(jī)額定功率等于或稍大于生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率，既不能過載，也不能長(zhǎng)期輕載。可采用類比法、統(tǒng)計(jì)法、實(shí)驗(yàn)法、計(jì)算法等確定。 3.電壓的選擇 交流電機(jī)額定電壓應(yīng)選擇和供電電網(wǎng)的電壓一致.并結(jié)合電機(jī)順定功率考慮。直流電機(jī)的額定電壓也要與電源電壓相配合，常用110 V或220 V。大功率直流電機(jī)可提高到600 - 800 V至1000V。 當(dāng)采用晶閘管整流裝置供電時(shí)，可選用專門為其配套設(shè)計(jì)的直

27、流電機(jī).其電壓有功率等級(jí)160 V (Z3型),180 V,340 V?(Z2型)及440 V (Z2 ,Z3型)。??? 4.轉(zhuǎn)速的選擇?????? 5.外形結(jié)構(gòu)的選擇? 電機(jī)常用的外形結(jié)構(gòu)有開啟式、防護(hù)式、封閉式、密封式、防爆式。①開啟式電機(jī)定子兩側(cè)和端蓋上開有很大的通風(fēng)孔。它散熱好、價(jià)格廉價(jià)，但容易進(jìn)灰塵、水滴和鐵渭等雜物.只能在清潔枯燥的環(huán)境中使用;②防護(hù)式電機(jī)的機(jī)座下面有通風(fēng)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(dòng)機(jī)，但不能防止潮氣和灰塵浸人.適用于比擬枯燥、沒有腐蝕性和爆炸性氣體的環(huán)境;③封閉式電機(jī)的機(jī)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

28、風(fēng)式及密封式等。前四可用在潮濕、多腐蝕性灰塵、易受風(fēng)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??? 6.安裝形式的電機(jī)選擇? 目前生產(chǎn)的電機(jī)的安裝形式主要有:①B3(臥式安裝，機(jī)座帶底腳.端蓋上無凸緣)②B5(臥式安裝，機(jī)座不帶底腳.端蓋上有凸緣)③④V1(立式安裝.機(jī)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(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)機(jī)械中的安裝方式選擇電動(dòng)機(jī)的安裝形式。一般情況選用臥式，立式價(jià)格較高，只用于簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置又必須垂直運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如立式深井泵等。??? 7.工作制的電機(jī)選擇??? 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械要求.選樣工作制與實(shí)

29、際工作方式相當(dāng)?shù)碾姍C(jī)比擬經(jīng)濟(jì)。?? 8.型號(hào)的電機(jī)選擇?? 根據(jù)上述各項(xiàng)的結(jié)果，選擇電機(jī)的型號(hào)和生產(chǎn)廠家。 考慮到該機(jī)構(gòu)工作所需功率不大，初步采用估算的方法，擬采用Y90L-4電動(dòng)機(jī)。 查文獻(xiàn)［8］得： 選擇，其銘牌如下表3.1： 表3.1 Y系列三相異步電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率 KW 滿載轉(zhuǎn)速 r/min 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量 Kg 　Y90L-4 　1.5 同步轉(zhuǎn)速1500 r/min, 4級(jí)1440 2.2 2.2 　27 圖3.1 三相異步電動(dòng)機(jī) 〔a〕三相異步電動(dòng)機(jī)安裝示意圖 〔b〕三相

30、異步電動(dòng)機(jī)外形尺寸示意圖 圖3.2 電動(dòng)機(jī)的安裝及外形尺寸示意圖 表3.2 電動(dòng)機(jī)的安裝技術(shù)參數(shù) 中心高/mm 外型尺寸/mm L×〔AC/2+AD〕×HD 底腳安裝 尺寸A×B 地腳螺栓 孔直徑K 軸伸尺寸D×E 裝鍵部位 尺寸F×GD 90 515× 345× 315 216 ×178 12 38× 80 10 ×43 3.2 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(zhǎng)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，

31、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，那么大齒輪齒數(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 那么齒寬 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

32、 (3.1) 定重合度系數(shù)、 (3.2) 由公式(5.2)定重合度 =1.88-3.2×〔1/32+1/129〕=1.755 分別由參考文獻(xiàn)［13］中公式得 ===0.865 =0.25+ （6） 確定載荷系數(shù)、 (3.3) 1) 使用系數(shù) 由參考文獻(xiàn)［13］表10-2查表，取=1.35 2) 動(dòng)載系數(shù) 由參考文獻(xiàn)［13］圖10-8可查得，=1.14 3) 齒向載荷分布系數(shù),由參考文獻(xiàn)［13］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)［13］表10-3得 =1/ Y=1/0.677=1.48 5)

33、載荷系數(shù) 、 由公式(5.3)可算得 3.2.1 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)［13］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)、 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-17 取=1 =1 4) 接觸疲勞極限 ： 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-13 取=630MPa，=490MPa 5) 平安系數(shù) ： 參照參考文獻(xiàn)［13］照表8.2-13，取=1 6) 許用應(yīng)力[]、[]： 由參考文獻(xiàn)［13］式(8.2-15) []= []= （2）

34、彈性系數(shù)： 由參考文獻(xiàn)［13］表8.2-11， 取=190 （3） 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ： 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-12，取=2.5 （4） 求所需小齒輪直徑 由參考文獻(xiàn)［13］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,

35、小齒輪齒寬=32mm 3.2.2 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取：=220MPa =170MPa 4) 尺寸系數(shù) 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-26，取=1 5) 平安系數(shù) 參照參考文獻(xiàn)［13］表8.2-13，取=1.5 6) 許用應(yīng)力、 由參考文獻(xiàn)［13］式(8.2-20)，許用彎曲應(yīng)力： = = （2） 齒形系數(shù)、 由參考文獻(xiàn)［13］圖9-19，取： =2.5 =2.15 （3） 應(yīng)力修正系數(shù)、 由參考文獻(xiàn)［13］圖9-

36、20，?。?1.63 =1.82 〔4〕校核齒根抗彎曲疲勞強(qiáng)度 由參考文獻(xiàn)［13］式〔8.2-17〕，齒根彎曲應(yīng)力 抗彎疲勞強(qiáng)度足夠。 3.2.3 齒面靜強(qiáng)度計(jì)算 (1) 確定許用接觸應(yīng)力： 參照參考文獻(xiàn)［13］表8.2-13，取靜強(qiáng)度平安系數(shù) 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-17，取壽命系數(shù) 于是由參考文獻(xiàn)［13］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，由參考文獻(xiàn)［13］式(8.2-21)，齒面最大接觸應(yīng)力 齒面靜強(qiáng)度足夠。 3.2.4 齒根〔抗彎〕靜強(qiáng)度驗(yàn)算 〔1〕確定許用彎曲應(yīng)力

37、 參照參考文獻(xiàn)［13］表8.2-13，取靜強(qiáng)度平安系數(shù) 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-25，取壽命系數(shù) 于是由參考文獻(xiàn)［13］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 由參考文獻(xiàn)［13］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 3.3 錐齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)參考文獻(xiàn)［13］第二版2-369，材料選擇聚甲醛〔均聚〕，參照參考文獻(xiàn)［13］第6卷 3.3.1 根底尺寸確定 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)。 那么齒數(shù)：

38、 軸交角 分錐角 外錐距： 齒寬系數(shù)取0.3，那么齒寬： 取b=24mm 齒頂高： 齒根高： 齒高： 大端齒頂圓直徑： (3.4) 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 由參考文獻(xiàn)Pg159 表8.2-5，選擇傳動(dòng)等級(jí)為8級(jí) 3.3.2 確定載荷系數(shù)K 使用系數(shù),由條件查表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) 3.3.3 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),由條件取 平安系數(shù),參

39、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,由參考文獻(xiàn)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: 3.3.4 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) 平安系數(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) 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-19，取, 4) 應(yīng)力修正系數(shù) 由參考文獻(xiàn)［13］圖8.2-2

40、0 取， 5) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度由參考文獻(xiàn)［13］式8.2-46 (3.5) (3.6) (3.7) 三式聯(lián)立求得 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,得 為負(fù)值說明方向與假設(shè)方向相反。 由,得 2 做彎矩和轉(zhuǎn)矩圖 1〕齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖 齒輪的作用力在垂直平面的彎矩圖 由于齒輪作用力在D截面做出的最大合成彎矩 2) 做轉(zhuǎn)矩圖 圖3.3 轉(zhuǎn)矩圖 3.5 中心軸管的強(qiáng)度校核 1〕確定危險(xiǎn)截面 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎

41、矩圖，轉(zhuǎn)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(yīng)力集中，故屬于危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)對(duì)D截面進(jìn)展強(qiáng)度校核。 2〕平安系數(shù)校核計(jì)算 由于該減速器機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩引起對(duì)稱循環(huán)的應(yīng)力，彎矩引起的為脈動(dòng)循環(huán)的切應(yīng)力。 彎曲應(yīng)力幅為： 式中 W——抗斷面系數(shù)，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.3-15查得 由于式對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力 根據(jù)參考文獻(xiàn)中的式〔19.3-2〕 式中——45鋼彎曲對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的疲勞極限，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.1-1查得=270MPa; ——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.3-6，并根據(jù)

42、配合查得=2.62； ——外表質(zhì)量系數(shù)，軸經(jīng)車削加工，按參考文獻(xiàn)［13］中的表19-3-8查得=0.92； ——尺寸系數(shù)，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.3-11查得=0.81. 切應(yīng)力幅為： 式中 W——抗斷面系數(shù)，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.3-15查得 由于式對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，故平均應(yīng)力 式中 ——45鋼扭轉(zhuǎn)疲勞極限，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.1-1查得=155MPa; ——切應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.3-6，并根據(jù)配合查得=1.89； ，——同正應(yīng)力情況； ——平均應(yīng)力折算系數(shù)，由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.3-13查得=0.2

43、1. 軸D截面的平安系數(shù)由式〔19.3-1〕確定 由參考文獻(xiàn)［13］中的表19.3-5可知，[S]=1.3～1.4，故S＞[S]，該軸D截面是平安的。 同理可驗(yàn)證輸出軸也符合強(qiáng)度要求。 3.6 鍵的校核 鍵和軸的材料都是鋼，查參考文獻(xiàn)［13］ 得許用擠壓應(yīng)力,取其中間值，。鍵的工作長(zhǎng)度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度?？傻? 可見連接的擠壓強(qiáng)度足夠了，鍵的標(biāo)記為： 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，其根本額定負(fù)荷為19.5KN,所以齒輪越小越靠近軸承，對(duì)軸承的要求越高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該對(duì)Ⅰ軸未端的滾子軸承進(jìn)展校核。 ②軸傳遞的轉(zhuǎn)矩

44、受力 受力 根據(jù)圖3.12受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為: 圖3.4受力分析和受力圖 在水平面： 在水平面： ∴ ④因軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)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(shù)，取，那么有： ⑤軸承的壽命計(jì)算:所以按軸承的受力大小計(jì)算壽命 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(jié) 本章對(duì)傳動(dòng)部件的直齒圓柱齒輪和錐齒輪進(jìn)展強(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。 第四章 玻璃清潔機(jī)器人清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中想到了

45、五種方案，如圖4.1，4.2，4.3，4.4，4.5 (1) 電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪1，斜齒輪1帶動(dòng)斜齒輪2，斜齒輪帶動(dòng)斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清洗； 圖4.1 清洗機(jī)構(gòu)一 (2) 電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪1，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2，由錐齒輪2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清洗； 圖4.2 清洗機(jī)構(gòu)二 (3) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪的軸上分別接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清洗； 圖4.3 清洗機(jī)構(gòu)三 (4) 電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸桿兩端接蝸輪，兩個(gè)蝸輪分別接皮帶輪，皮帶輪上的軸接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清洗。 圖4.4 清洗機(jī)構(gòu)四 圖4.5 清洗機(jī)構(gòu)五 以上5種方案通過

46、比照以及由設(shè)計(jì)的要求所限制，最終選擇方案5為清洗機(jī)構(gòu)。 4.1 清洗機(jī)器清洗局部設(shè)計(jì) 假設(shè)清洗速度0.2m2/s。 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(shí)假設(shè)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(zhǎng)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4.6： 圖4.6 聯(lián)

47、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，其根本原理如下： 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，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 滾刷原理與上面一樣 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，有刷毛局部長(zhǎng)度為940

48、。滾刷結(jié)構(gòu)如圖4.7： 圖4.7 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)清洗刷。 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： 所需總的清洗力矩： 2) 初定盤刷轉(zhuǎn)速：360r/min 根據(jù)清洗力矩，型號(hào)為Y2-802-6，額定功

49、率550W,轉(zhuǎn)速900r/min,平鍵4× 4.1.3清洗局部所用彈簧的設(shè)計(jì) 圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧受載時(shí)的應(yīng)力及變形 現(xiàn)就以下圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)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(jìn)展分析。 由圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析a>(圖中彈簧下部斷去，末示出)可知，由于彈簧絲具有升角α，故在通過彈簧軸線 的截面上，彈簧絲的截面A-A呈橢圓形，該截面上作用著力F及扭矩。因而在彈簧 絲的法向截面B-B上那么作用有橫向力Fcosα、軸向力Fsinα、彎矩M=Tsinα及扭矩Tˊ= Tcosα。 由于彈簧的螺旋升角一般取為α=5°～9°，故sinα≈0；

50、cosα≈1(以下圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析b>)，那么截面B-B上的應(yīng)力(以下圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析c>)可近似地取為 式中C=D2/d 稱為旋繞比(或彈簧指數(shù))。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(shí)彈簧絲受到強(qiáng)烈彎曲，C值又不應(yīng)太小。C值的圍為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(yīng)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 

51、7～14 5～12 5～10 4～9 4～8 4～6  為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常在上式中取1+2C≈2C(因?yàn)楫?dāng)C=4～16時(shí)，2C>>l，實(shí)質(zhì)上即為略去了 τp)，由于彈簧絲升角和曲率的影響，彈簧絲截面中的應(yīng)力分布將如圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析>c中的粗實(shí)線所示。由圖可知，最大應(yīng)力產(chǎn)生在彈簧絲截面?zhèn)鹊膍點(diǎn)。實(shí)踐證明，彈簧的破壞也大多由這點(diǎn)開場(chǎng)。為了考慮彈簧絲的升角和曲率對(duì)彈簧絲中應(yīng)力的影響，現(xiàn)引進(jìn)一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)K(或稱曲度系數(shù))，那么彈簧絲側(cè)的最大應(yīng)力及強(qiáng)度條件可表示為  式中補(bǔ)償系數(shù)K，對(duì)于圓截面彈簧絲可按下式計(jì)算： 圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧受載后的軸

52、向變形量λ可根據(jù)材料力學(xué)關(guān)于圓柱螺旋彈簧變形量的公式求得: 式中：n—彈簧的有效圈數(shù)； G—彈簧材料的切變模量，見前一節(jié)表<彈簧常用材料及其許用應(yīng)力>。如以Pmax代替P那么最大軸向變形量為： 1) 對(duì)于壓縮彈簧和無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧： 2〕對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧： 拉伸彈簧的初拉力(或初應(yīng)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(shí)，各圈間應(yīng) 有間隙。經(jīng)淬火的彈簧，沒有初拉力。中選取初拉力時(shí)，推薦初應(yīng)力τ0'值在以下圖的陰影區(qū)選取。 初拉力按下式計(jì)算： 使彈簧產(chǎn)生單位變

53、形所需的載荷kp稱為彈簧剛度，即 圖4.9 彈簧初應(yīng)力的選擇圍 彈簧剛度是表征彈簧性能的主要參數(shù)之一。它表示使彈簧產(chǎn)生單位變形時(shí)所需的力，剛度愈大，需要的力愈大，那么彈簧的彈力就愈大。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(duì)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G、d、n有關(guān)。在調(diào)整彈簧剛度時(shí)，應(yīng)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(shè)計(jì) 彈簧的靜載荷是指載荷不隨時(shí)間變化，或雖有變化但變化平穩(wěn)，且總的重復(fù)次數(shù)不超過次的交變載荷或脈動(dòng)載荷而言。在這些情況下，彈簧是按靜載強(qiáng)度來設(shè)計(jì)的。

54、 在設(shè)計(jì)時(shí)，通常是根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形、以及結(jié)構(gòu)要求(例如安裝空間對(duì)彈簧尺寸的限制)等來決定彈簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、彈簧的螺旋升角和長(zhǎng)度等。 具體設(shè)計(jì)方法和步驟如下: 1) 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料，并查取其機(jī)械性能數(shù)據(jù)。 2) 選擇旋繞比C，通常可取C≈5～8(極限狀態(tài)時(shí)不小于4或超過16)，并算出補(bǔ)償系數(shù) K值。 3) 根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D2，乃根據(jù)C值估取彈簧絲直徑d，并查取彈簧絲的許用應(yīng)力。 4) 試算彈簧絲直徑d ' 必須注意，鋼絲的許用應(yīng)力決定于其σB，而σB是隨著鋼絲的直徑變化的,又因[τ]是按估取的d值查得σB的H計(jì)算

55、得來的，所以此時(shí)試算所得的d '值，必須與原來估取的d值相比擬，如果兩者相等或很接近，即可按標(biāo)準(zhǔn)圓整為鄰近的標(biāo)準(zhǔn)彈簧鋼絲直徑d，并按D2=Cd 以求出 ；如果兩者相差較大，那么應(yīng)參考計(jì)算結(jié)果重估d值，再查其而計(jì)算[τ]，代入上式進(jìn)展試算，直至滿意后才能計(jì)算D2.計(jì)算出的D2，值也要按表<普通圓柱螺旋彈簧尺寸系列>進(jìn)展圓整。 5) 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)： 對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 對(duì)于壓縮彈簧或無預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 6) 求出彈簧的尺寸D、D1、H0,并檢查其是否符合安裝要求等。如不符合，那么應(yīng)改選有關(guān)參數(shù)(例如C值)重新設(shè)計(jì)。 7) 驗(yàn)算穩(wěn)定性。對(duì)于壓縮彈簧，如其長(zhǎng)度較

56、大時(shí)，那么受力后容易失去穩(wěn)定性(如以下圖a)，這在工作中是不允許的。為了便于制造及防止失穩(wěn)現(xiàn)象，建議一般壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比b=H0/D2按以下情況選取： 當(dāng)兩端固定時(shí)，取b<5.3； 當(dāng)一端固定，另一端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b<3.7； 當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b<2.6。 圖4.10 壓縮彈簧失穩(wěn)及對(duì)策 當(dāng)b大于上述數(shù)值時(shí)，要進(jìn)展穩(wěn)定性驗(yàn)算，并應(yīng)滿足  式中：Fc——穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷〔Kg〕； Cu——不穩(wěn)定系數(shù)〔f〕，從以下圖<不穩(wěn)定系數(shù)線圖>中查得； Fmax——彈簧的最大工作載荷〔Kg〕。 如 Fmax>Fc時(shí)，要重新選取參數(shù)，改變b值，提高

57、Fc值，使其大于Fmax值，以保證彈簧的穩(wěn)定性。如條件受到限制而不能改變參數(shù)時(shí)，那么應(yīng)加裝導(dǎo)桿(如上圖b)或?qū)?如上圖c)。導(dǎo)桿(導(dǎo)套)與彈簧間的間隙c值(直徑差)按下表(導(dǎo)桿〔導(dǎo)套〕與彈簧間的間隙表)的規(guī)定選取。 圖4.11不穩(wěn)定系數(shù)線圖 表4.2導(dǎo)桿〔導(dǎo)套〕與彈簧間的間隙 中徑D2/(mm) ≤5 >5～10 >10～18 >18～30 >30～50 >50～80 >80～120 >120～150 間隙c/(mm) 0.6 1 2 3 4 5 6 7 8) 進(jìn)展彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如對(duì)拉伸彈簧確定其鉤環(huán)類型等，并按表<普通圓柱螺旋壓縮及

58、拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸〔mm〕計(jì)算公式>計(jì)算出全部有關(guān)尺寸。 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)參考文獻(xiàn)［13］選用碳素彈簧鋼； 3〕彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)參考文獻(xiàn)［13］取彈簧的工作圈數(shù) 根據(jù)參考文獻(xiàn)［13］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(zhǎng)度： [1] 計(jì)算數(shù)據(jù) 彈簧中徑： 彈簧徑： 彈簧間隙： 彈簧總展開長(zhǎng)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 空心軸設(shè)計(jì) 為了在

59、盤刷中心噴清洗液，并使噴嘴不隨盤刷轉(zhuǎn)動(dòng)，需在盤刷用滾動(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4.12： 圖4.12空心軸 工作時(shí)清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 清洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計(jì) 當(dāng)清洗機(jī)工作時(shí)，風(fēng)機(jī)向后吹出強(qiáng)大的高速氣流，把清洗機(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，所以大局部壓力應(yīng)由滾輪來承當(dāng)，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)，清洗機(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)如以

60、下圖4.13： 圖4.13清洗機(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)清洗機(jī)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在清洗機(jī)主機(jī)上安裝傳感器，以識(shí)別玻璃的材料，來確定清洗機(jī)的進(jìn)退與停止。通過查參考文獻(xiàn)［15］,選用德國(guó)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(cè)物的顏色、周圍環(huán)境無關(guān)，具有開關(guān)量和模擬量?jī)煞N輸出，有利于控制。 在清洗機(jī)主體的上下部安放超聲波傳感器，為了平安，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)

61、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，清洗液管，電纜，數(shù)據(jù)線，控制線等〕，且為了平安性，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4.14： 圖4.14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)比擬平安可靠。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： (4.1)

62、 式中：—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平安系數(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?？紤]整個(gè)清洗機(jī)，由于體積較小，重量較輕，最大的靜拉力為400公斤。由公式(4.1)： 所以選用的鋼絲繩強(qiáng)度足夠。 4.6 本章小結(jié) 本章確定了清洗部件(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。 第五章 玻璃清潔機(jī)器人吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 吸附原理 要保證玻璃清潔機(jī)器人在玻璃外表平安穩(wěn)定地吸附，就必須在氣路殼

63、體產(chǎn)生一個(gè)真空負(fù)壓，這就需要有一個(gè)負(fù)壓產(chǎn)生裝置。采用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)使得機(jī)器人氣路殼體產(chǎn)生真空負(fù)壓，這里要求該裝置重量輕、體積小、噪音小、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單而且安裝方便、排風(fēng)量大、能夠迅速建立真空負(fù)壓，即要求瞬時(shí)響應(yīng)的時(shí)間非常短。 目前使用的通風(fēng)機(jī)按氣流的運(yùn)動(dòng)方向大致有三類，即為離心式、軸流式和混流式。氣體在離心式通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)葉輪帶動(dòng)下，是沿離心方向 (即沿半徑方向) 流動(dòng)的，所以也被稱之為徑流式；氣體在軸流式通風(fēng)機(jī)的腔體部，沿軸線的方向流動(dòng)；氣體在混流式通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)葉輪中帶動(dòng)下，氣體的流動(dòng)方向介于離心式和軸流式通風(fēng)機(jī)之間，也被稱為斜流式。 離心式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)數(shù)比低(通常在ns=2.0~14.5),

64、全壓高，流量小，被應(yīng)用于需要提高壓力而流量小的場(chǎng)合。因?yàn)槠淞髁啃?，所以?duì)裝置的密封性要求嚴(yán)格，對(duì)空氣泄露敏感。當(dāng)壁面與吸盤之間存在間隙時(shí)，隨著吸盤與壁面間隙的擴(kuò)大，吸盤負(fù)壓將會(huì)急劇下降。這對(duì)機(jī)器人在缺乏夠平整的壁面工作極為不利。同時(shí)，為了保證密封性而在吸盤邊緣設(shè)計(jì)的各種密封墊在機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生阻力而且自身由于摩擦也會(huì)產(chǎn)生磨損的問題。因此，這種吸附方式對(duì)于通用建筑外表的清潔機(jī)器人來說并不是非常理想的。 軸流式通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)數(shù)比高(通常在ns=14.5~90) ，全壓低，風(fēng)機(jī)氣體流量大，被應(yīng)用于流量大而風(fēng)壓要求不高的場(chǎng)合。并且由于軸流式風(fēng)機(jī)獨(dú)特的翼型葉片形狀，還可以產(chǎn)生一定的反推力。這

65、樣產(chǎn)生的復(fù)合推力可以被我們所利用。 混流式通風(fēng)機(jī)整體機(jī)構(gòu)比擬復(fù)雜，而且空氣的流向也復(fù)雜，應(yīng)用起來較為困難，所以一般不采用。在本文中玻璃清潔機(jī)器人的負(fù)壓及反推力產(chǎn)生裝置需要流量大，但對(duì)全壓要求不高，故采用軸流風(fēng)機(jī)。 基于復(fù)合吸附方式的玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)根本上由兩局部組成，風(fēng)扇產(chǎn)生的推力和空氣流場(chǎng)產(chǎn)生的負(fù)壓。這兩局部都包括假設(shè)干個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，在這些參數(shù)共同作用下，決定了機(jī)器人的吸附效果。 為了清晰的說明玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)的吸附原理，本文接下來的局部依照以下三個(gè)局部分別論述：風(fēng)機(jī)推力、負(fù)壓的產(chǎn)生以及推力和負(fù)壓的復(fù)合推力。 采用正壓與負(fù)壓相結(jié)合，利用偏心壓緊，使清洗機(jī)的輪的一端先接觸玻璃

66、，形成一個(gè)相對(duì)小的腔體，再利用懸吊系統(tǒng)，使清洗機(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，使清洗機(jī)壓緊玻璃?？諝饬鹘?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，和清洗液的涂抹，機(jī)體的壓強(qiáng)會(huì)越來越小，產(chǎn)生負(fù)壓，使清洗機(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，使清洗機(jī)具有一定壓力的貼在玻璃體玻璃，提供連續(xù)均勻的清洗力，通過調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)清洗力的大小 ，以到達(dá)最正確清洗效果。如對(duì)于玻璃，采用低轉(zhuǎn)速，對(duì)于玻璃，采用高轉(zhuǎn)速，調(diào)速由電機(jī)的星—三角轉(zhuǎn)換完成。 5.2 吸附方式的實(shí)現(xiàn) 5.2.1 風(fēng)機(jī)推力 與其他利用反推作用力的壁面移動(dòng)機(jī)器人類似，本文的吸附方式壁面機(jī)器人同樣是利用螺旋槳的推力將機(jī)器人緊壓向壁面。本文的吸附方式中，螺旋槳推力垂直指向墻面，這樣就防止了對(duì)推力夾角的復(fù)雜控制。由于復(fù)合吸附方式中的推力沒有得到最高效的利用，我們更需