玻璃清洁机器人

本科生毕业设计 题 目： 玻璃清洁机器人的设计 目 录中文摘要及核心词英文摘要及核心词I第一章 绪论1.1课题目的、意义1.2 有关研究动态11.3 课题的重要内容第二章 玻璃清洁机器人总体方案设计321 清洁机器人的总体方案2.2清洁机器人传动系统方案32.2 玻璃清洁机器人清洗系统方案4. 玻璃清洁机器人爬行系统方案52.4 其他部分方案8.41材料选择4.2 轮的润滑问题2.43 轴承的润滑问题82.5 本章小结9第三章玻璃清洁机器人传动系统设计13. 玻璃清洁机器人电动机的选择103.2 直齿轮副的设计计算32.1 齿面接触疲劳强度计算4.2 齿根抗弯疲劳强度验算63.2.3 齿面静强度计算13.2.4 齿根（抗弯)静强度验算133 锥齿轮副的设计计算183.3.1 基本尺寸拟定1833 拟定载荷系数K203.3.齿面接触疲劳强度计算2033 齿根抗弯疲劳强度计算213.4中心轴管的受力分析223. 中心轴管的强度校核233.6 键的校核43.7轴承的校核253.3 本章小结6第四章玻璃清洁机器人清洗系统设计24.1 清洗机器清洗部分设计291 盘刷设计2941.2 滚刷设计30413清洗部分所用弹簧的设计3042 内空心轴设计64 清洗机主机滚轮的设计374. 主机上传感器及行程开关的选择3745复合缆的构造设计8.6 本章小结8第五章 玻璃清洁机器人吸附系统设计395.1吸附原理395.2 吸附方式的实现405.2. 风机推力40522负压的产生435.3 采用风压吸附的意义5.5 气动计算的原始数据与技术规定45.6风压部分力学计算5.7 本章小结46结论4参照文献48致 谢50中文摘要及核心词摘要：本文在简朴简介玻璃清洁机器人的国内外研究现状的基本上，基软件CA对四轮式风压吸附玻璃清洁机器人的本体机构进行了设计，对某些核心部分进行了设计计算及校核计算，重点是玻璃清洁机器人的移动构造、吸附构造和驱动系统的设计计算。采用四轮式小车形状构造，构造简朴;采用风压吸附方式,运用螺旋桨对空气的压缩所产生的压力将机器人压在物体玻璃,避免了清晰机器人对壁面的局限，减少了控制难度；清洗机重要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统构成;采用无人化清洗，自动清洗,自动供水,自动供清洗液，单片机系统控制,操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作,并且在清洗过程中，清洗机可以自动进行边沿辨认，可根据建筑楼层的具体状况选择为纵洗或横洗；采用后轮驱动,一种电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完毕机器人的行走,使用直齿圆柱齿轮传动装置作为减速器；采用楼顶供电；机器人可以在水平面或者垂直玻璃直线行走。本机的清洗效率较高,清洗效果良好。核心词:玻璃清洁机器人;风压吸附;齿轮机构;清洗英文摘要及核心词Abstrct:This paper inroducs threeachstatuf las aning robo, aseo the CADased softwarefor the fo-wheeprssue asorption gascleaig robo body mechansm ideig, ome o hey asof thdeig clcutionand chcking lculaion, the focu I isdesigned tomoe h srctue,adrpton stutue nd die systm cimbingrobot caculain. Fu-weel-tye car-shaped structe, te strutu i ml; using adsortion resur， th preu f a propeler f air opressiogenrate bteobotpressd lassobjcts, avoidng the limtts fherobotlar the wll,redung the dificultof contrl; scrubber mainly bthe srvoupesionstem, scrub adst computectol system; thse ofunanned scr, scru auomati，atoaicwter pp, utmatic soutinf scug， snghip sem cntl, te opraor implyb anpulatn th ebad to workcrubingachine, and in pces o scrubing, scrubbing macnes capbe ofatomatc edg tctin canbeeeced forthericl r hrzontal wa wash acoring to the pcfic cicumstnces of he blg loo; rer-whel drve,a mor driving the ar wels, rar el dive oplete robot waing,usinas ear transmssonas th reduer; ui powreof; the roo ca al in strah ne horizntal oertcal glas. Hghefficiecy of the scrubin achine, subinto goodffetKeyword:Glas canin ro; dsorpon esure;geamechans； ruhng第一章 绪论11 课题目的、意义随着时代的进步 ,人们住的楼层也越来越高，擦玻璃变成了很难办的事情，在智能机器人如火如荼得发展过程中，目前具有一定的智能性的清洁机器人也成为研究热点之一，智能清洁机器人系统的研究在发达国家受到广泛的关注，许多高科技应用领域,以及实际生产实践中的特殊应用环境的强烈需求更成为它不断发展的强劲动力。近年来,都市中的高层建筑越来越多，目前对高层建筑的玻璃窗的清洗工作重要还是由清洗工人搭乘吊篮完毕的,老式的人工清洗方式既危险,效率又低且成本高,但如果自己清洗的话不仅有危险并且费时费力，况且目前更多的人们但愿从繁琐的平常事务中解放出来,因此迫切需要一种设备协助甚至替代人来完毕玻璃的清洗工作。1. 有关研究动态国外方面,日本是机器人发展较为发达的国家,其对智能机器人的研究实力雄厚,值得我们学习,下图的多用途壁面机器人是一种日本开发的清洁机器人的范例:该机器人自重10kg,同步可载150g负重,小车的车轮上具有磁性设计,采用磁吸附方式吸附在墙壁上,可直接越过坑洼不平的墙面以及其她墙上的不明障碍物，多用于桥墩底部、玻璃幕墙等检测和修复作业。 图1.1 多用途壁面机器人1 图1. 双车体机器人2上图的双车体机器人也是由日本人研制，其采用负压吸盘吸附,在运营过程中吸盘与壁面之间产生有滑动密封效果，强大的大气压可以保证小车不会从墙壁上滑落，由四个高摩擦系数的轮子贴合在墙壁面上，在吸盘保持负压的过程中,机器人通过控制轮子的正反转控制机器人的行走方向,轮子的差速保证了机器人的转弯功能的实现,且由于四个轮子均为独立控制，因此该机器人控制起来显得格外灵活。国内方面,虽然起步较晚，但也已有了相对成熟的东西,图.3为北京航空航天大学机器人研究所研制的用于清洗国家大剧院玻璃幕墙的样机,图上所示为该机器人工作在国家大剧院的场景,其由攀爬机构、俯仰调节机构、移动机构和清洗机构等部分构成,总长约3m, 高0.5m，宽1m, 整个机身主体由铝型材搭建而成,不仅强度高并且相对重量也轻了许多,其在工作过程中把安装在建筑物上的滑动导杆作为中介，成功避免了机器人对建筑物的直接抓取所也许带来的损伤以及其她不安全因素。图1.3 北航清洁机器人3通过对上述文献的分析,无论是国外的多用途壁面机器人还是国内的清洗机器人，在体积及重量上都相对较大，多用途壁面机器人自身就重达1g，显然这个重量是一般家庭玻璃难以承受的，而北航机器人研究所所研发的清洁机器人样机高度居然达到了1米,这对于比较宽阔的玻璃幕墙来说,清洗起来的确以便、迅速,但是对于某些一般的家庭玻璃窗来说，这明显是不合适的。1.3 课题的重要内容本文设计的玻璃清洁机器人重要是用于清洗都市高层建筑的玻璃幕墙，用于替代人来完毕玻璃的清洗工作,一方面拟定玻璃清洁机器人的整体方案以及具体机械构造的设计,然后论述本课题控制系统的设计，最后简介机器人实体样机的调试，最后完毕玻璃清洁机器人的清洗工作。设计一套完整实用且效率高的玻璃清洁机器人，一方面要理解国内外有关玻璃清洁器的发呈现状，另一方面根据现状拟定数种设计方案，比较优劣后得出最佳方案,作为整体方案；进而论述控制系统,清洗系统,吸附系统，传动系统等各个系统的设计，最后简介机器人实体样机的调试,完毕玻璃清洁机器人的清洗工作。第二章 玻璃清洁机器人总体方案设计.1 清洁机器人的总体方案根据玻璃清洁机器人清洗作业的规定,机器人一方面必须具有清洗作业功能和控制功能,此外玻璃清洁机器人还必须在高层建筑物玻璃进行吸附和移动,因此玻璃清洁机器人系统应当涉及机器人清洗系统、爬壁系统和控制系统三大部分。主机重要由箱体，支撑架，防护罩,刷子,电机,螺旋桨吸附系统,齿轮传动系统等构成。通过螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上，并使刷子压紧，产生一定的清洗压力,通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。主机有一悬吊支撑架，其外侧与悬吊系统相连,可调吸附系统安装在悬吊支撑架背后,吸附系统可通过调节螺旋浆转速控制清洗力,悬吊支撑架通过一圆导轨和箱体（其上安装两盘两滚)相连，所有的清洗装置均安装在该箱体上，清洗系统由固定在悬吊支撑架上的步进电机通过齿轮传动系统执行以9为单位的转动动作以实现横洗和纵洗的转换。箱体上有两个圆盘形清洗刷,盘刷底部均有十二个清洗液喷射孔,另有两圆柱形滚刷，在其行走前方有清水喷射孔,并安装一软质刮水板，以使清洗过的部位迅速风干并避免留下来的清洗液腐蚀玻璃。箱体上尚有一电机通过锥形齿轮将转动传到其中一种盘型清洗刷上,再通过齿轮传动系统将转动传递给另一盘刷,因此两盘刷转动方向相反,可以达到更好的清洗效果,圆柱形滚刷是由电机尾部的轴通过V带驱动的。在悬吊支撑架上有防护罩，避免清洗液四溅。清水，清洗液,电机的供电和控制电缆都是是由复合缆供应的，复合缆连接悬吊系统。在风压支架上有配重块,配重块可以沿光杠丝杠移动。通过调节配重块可以调节系统平衡,以达到减小震动的效果。在清洗机主体的上下部安放超声波传感器,以进行边沿辨认。箱体上装有两对滚轮，滚轮通过电机驱动，以实现前后移动，而转向通过箱体的转动实现。.清洁机器人传动系统方案 通过电动机带动一对锥齿轮实现换向,然后通过齿轮啮合传递给此外一组毛刷机构，如图2.所示图.1 机器人传动系统构造图2.玻璃清洁机器人清洗系统方案根据以上提出的技术性能及规定，初步拟定清洗方案如下:第一种：构造简图如图.2:此种方案采用负压履带吸盘式盘滚组合式清洗，由于受到玻璃玻璃材料的影响较大，一般状况下,每两块瓷砖之间均有4毫米的缝隙，密封不可靠。 图2.2构造一 图2.3 构造二第二种：构造简图如图2.：这种方案采用了风压式压紧,盘滚组合式清洗,清洗效率高,可靠性高,可以采用。但由于中间传动的需要，构造不对称,电扇的中心与刷子的中心不重叠,清洗压力不均匀，中心不稳定,容易引起震动问题。但可以考虑配重问题。第三种：构造简图如图24:图2.4 构造三这种方案吸取了第二种方案的长处，传动的变化，使振动的问题减小，机体尺寸减小。这种方案为螺旋桨风压式高层建筑外玻璃清洗机,其长处是： 在清洗机外机架背后安装可调吸附系统来提供持续均匀的清洗力,螺旋桨可调节转速来控制清洗压力; 机架内采用一清洗系统旋转装置,以便的实现了纵横两不同清洗方向的调节，减少非作业时间，增长了工作柔性，大大提高了工作效率; 应用两盘两滚相结合的清洗方式,清洗液和清水分别由盘刷和滚刷提供以达到最佳清洗效果。综合比较以上三种方案，根据设计规定，由于对于玻璃的压力规定大，工作稳定,构造容易实现，最后决定用第三种方案。通过螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上，并使盘刷和滚刷压紧，产生一定的清洗压力，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线,从而清洗干净玻璃。滚刷喷的是清水,将玻璃冲洗干净,以避免留下来的清洗机腐蚀玻璃,同步盘刷和滚刷采用一种电机驱动，减小了清洗主机的重量,清洁度提高,清洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚构造可减少不必要的回程时间,以达到提高效率的目的。2.3 玻璃清洁机器人爬行系统方案目前玻璃清洁机器人吸附方式重要涉及磁吸附，负压吸附,螺旋桨推压等,今年来又出来现了胶吸附，仿壁虎足的干吸附,仿蜗牛的湿吸附，类攀岩抓持吸附,该类吸附方式只适合在导磁面上吸附；低真空度负压吸附采用风机旋转将负压腔内的空气抽出产生负压来吸附，具有一定的壁面适应能力,但存在噪音大,体积大的缺陷；螺旋桨推压靠合理布置螺旋桨的角度,运用螺旋桨旋转产生的推力将机器人贴附在壁面上,但也存在噪音大的缺陷。由于负压吸附具有合用面广，不受壁面材料限制,并且低负压真空吸附的玻璃清洁机器人具有壁面适应能力强和运动速度快等长处，因此目前负压吸附在玻璃清洁机器人中得到广泛的应用。真空泵式要带一种大大的气泵,且设计规定需要清洁水擦玻璃,固采用水射流式抽气吸附。这种方案前面已经提到,它的工作形式重要是用水泵把水抽到吸盘里后，经射流器力射流泵提供的动力，再把水经喷头往外喷,把里面的空气带走，喷完后，吸盘内外形成负压，把吸盘吸住。由于吸盘也是机器人运动时类似于液压缸机构，其构造图如图所示:它是长方形吸盘,工作时最多只有一半用来射流喷水产生吸附，实现机器人的吸附功能。 图25 吸盘构造简图机器人的吸附与运动机构都要水的参与，工作过程如图6所示: 1:2YA通电，工作腔1冲水，满后，2A断电，与此同步，1腔里的水经射流发射器喷出，带走里面的空气，形成负压，使得吸盘A吸附在玻璃上。 2：此时，4A通电,3腔进水，满后，1YA通电,使2腔进水，推动活塞杆a向前移动,拉动吸盘B往前移动,活塞至中间位置后，压下行程开关。3：此时，1YA，4Y断电,3腔再次水满，3腔水经水射流发射器喷水,产生负压,吸住吸盘B. 4:此时,2YA通电，腔进满水后，3YA通电，使4腔进水,推动活塞杆b迈进,使其推动吸盘A迈进,活塞杆至中间位置后压下行程开关,2YA，3A断电，此时1再次布满水，再射流,如此循环下去，实现机器人的爬行运动。图2.6机器人控制原理图本方案如下图2所示，通过螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上，并使盘刷和滚刷压紧,产生一定的清洗压力，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净玻璃。滚刷喷的是清水，将玻璃冲洗干净,以避免留下来的清洗机腐蚀玻璃，同步盘刷和滚刷采用一种电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清洗效率也提高了一倍;由于采用两盘两滚构造可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。图2. 螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上.4 其他部分方案2.4.材料选择根据课题规定，总体重量越轻越好,由于使用清洗液，耐腐蚀性能也要好并且此产品是轻载荷，故材料一方面选用铝合金材料及非金属材料。整个及其波及到齿轮减速器的地方，齿轮的材料通过筛选与比较采用聚甲醛(均聚)7。本机的各个传动轴均采用硬质合金LY11。螺旋桨材料选用尼龙66 (聚己二酰己二胺)。机架的材料采用铝合金。其她机件的选择根据一般材料在重量最轻原则下进行拟定。2.42轮的润滑问题由于齿轮的材料已拟定为聚甲醛14，据参照文献1，其工作规定少润滑或无润滑，故不考虑齿轮的润滑问题。2.4.3 轴承的润滑问题大空心轴的转速较低为400rmi,鼓起润滑方式应为脂润滑，润滑脂为钙机润滑脂。注：以上润滑脂的选择见文献10。2.5 本章小结本章拟定了设计玻璃清洁机器人的总体方案。根据作业环境，对机器人从清洗系统、爬壁系统和控制系统三大方面进行设计,选型和参数的拟定。最后请教导师对设计的方案进行校正,以拟定设计的可行性和稳定性。第三章玻璃清洁机器人传动系统设计3.1 玻璃清洁机器人电动机的选择为电力拖动系统进行合适的电机选择,才干保证系统可靠工作和经济地运营。下文简要简介电机选择的一般内容。电机选择的重要涉及如下内容。 1.类型的选择选择哪种电机类型,一方面要根据生产机械对电机的机械特性、起动性能、调速性能、制动措施、过载能力等方面的规定;在对起动、阅速等性能没有特殊规定的前提下,优先选用三相异步笼型电机。2. 功率的选择选择电机的翻定功率时，应使所选的电机额定功率等于或稍不小于生产机械所需要的功率，既不能过载，也不能长期轻载。可采用类比法、记录法、实验法、计算法等拟定。3.电压的选择 交流电机额定电压应选择和供电电网的电压一致.并结合电机顺定功率考虑。直流电机的额定电压也要与电源电压相配合，常用110 或20。大功率直流电机可提高到6- 80 V至00V。当采用晶闸管整流装置供电时,可选用专门为其配套设计的直流电机.其电压有功率级别10 V （Z3型),80 V，340 （Z型)及440 V(Z2 ，Z3型)。4.转速的选择 根据生产机械的转速和传动方式通过经济技术比较后拟定电机的额定转速。额定功率相似的电动机额定转速越高，则电动机体积、重夏和造价越低，一般飞轮矩D也越小，因此选用高速电动机较为经济。但生产机械速度一定.电动机转速越高.则传动机构传动比越大，机构越复杂传动损耗越大。因此要综合考虑上面诸因术后才干拟定电机的额定转速。外形构造的选择电机常用的外形构造有启动式、防护式、封闭式、密封式、防爆式。启动式电机定子两侧和端盖上开有很大的通风孔。它散热好、价格便宜，但容易进灰尘、水滴和铁渭等杂物.只能在清洁干燥的环境中使用；防护式电机的机座下面有通风口。它散热好、能避免水滴、沙粒和铁屑等杂物溅人或落人电动机内，但不能避免潮气和灰尘浸人.合用于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境；封闭式电机的机座和端盖完全封闭.它又分自冷式、自扇冷式、她扇冷式、竹道通风式及密封式等。前四可用在潮湿、多腐蚀性灰尘、易受风雨浸蚀等环境中,第五种可浸在液体中使用.如潜水泵等；防爆式电机在封闭式基本上制成隔爆形式，机壳有足够强度.合用于易燃易爆气体的场合.如矿并、油库、煤气站等。选择电机的外形构造时,应选择合适的防护形式. 6.安装形式的电机选择 目前生产的电机的安装形式重要有：B3（卧式安装，机座带底脚.端盖上无凸缘)B5(卧式安装,机座不带底脚.端盖上有凸缘)B35（卧式安装.机座带底脚.端盖上有凸缘）V1(立式安装机座不带底脚,端盖上有凸缘)。 每种又分单轴伸出和双轴伸出两种。应根据电动机在生产机械中的安装方式选择电动机的安装形式。一般状况选用卧式,立式价格较高,只用于简化传动装置又必须垂直运转时，如立式深井泵等。 7.工作制的电机选择 根据生产机械规定.选样工作制与实际工作方式相称的电机比较经济。 8.型号的电机选择根据上述各项的成果,选择电机的型号和生产厂家。考虑到该机构工作所需功率不大，初步采用估算的措施,拟采用Y9L-电动机。查文献8得：选择，其铭牌如下表3.1：表. Y系列三相异步电动机电动机型号额定功率W满载转速 r/min堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩质量 Kg90L-4 .5同步转速0r/n,4级14402.22.2 27 图31 三相异步电动机(a）三相异步电动机安装示意图(b）三相异步电动机外形尺寸示意图图3.2 电动机的安装及外形尺寸示意图表3.2 电动机的安装技术参数中心高/mm外型尺寸/mm L（AC/2+D）HD 底脚安装尺寸AB地脚螺栓 孔直径轴伸尺寸DE 装键部位尺寸G9051 34 31516 18123800433直齿轮副的设计计算电动机驱动的闭式直齿圆柱齿轮传动,标称功率P=1.5W,小齿轮转速1=1500rin,传动比i=41许有的误差，长时工作,预期寿命五年,每年按200天计。工作有轻微冲击,齿轮对称布置。（1） 选材料拟定初步参数根据参照文献表5-5选材料小齿轮：0C调质，平均取齿面硬度为260BS大齿轮：45钢调质,平均取齿面硬度为230HBS（2） 初选齿数 取小齿轮齿数为32，则大齿轮齿数为:园整,为使u为除不尽的数取=19（3） 齿数比验算传动比误差,10=1.%容许（4） 选择齿宽系数d和传动精度级别 查参照文献5表5-8得齿宽系数d=0.75初估小齿轮直径则齿宽齿轮圆周速度: ,查参照文献5表54可选择精度级别为7级,（5） 计算小齿轮转矩(.1）定重叠度系数、 (32）由公式(5.2)定重叠度 1.883.2（1/3+1/12）=1.755分别由参照文献3中公式得=0.865=.2+（6） 拟定载荷系数、（3.3）1) 使用系数 由参照文献13表0-2查表,取=1.32) 动载系数 由参照文献13图10-8可查得，=.143）齿向载荷分布系数,由参照文献13图1-4可取=294） 齿间载荷分派系数、根据条件查参照文献13表103得 =1/ Y=1.677=1.85) 载荷系数、 由公式(3)可算得.1 齿面接触疲劳强度计算（1） 拟定许用应力1) 总工作时间:2) 应力循环次数、N由参照文献13公式(1013)及参照文献表1-18可计算查得:3) 寿命系数、 由参照文献1图8-17取=1 4) 接触疲劳极限 : 由参照文献3图8.213取=3MPa，4Pa5) 安全系数 : 参照参照文献13照表8.2-13，取16) 许用应力、:由参照文献13式(8.2-15）=（2） 弹性系数：由参照文献13表.2-11，取=190（3） 节点区域系数 ： 由参照文献图8.2,取.5（4） 求所需小齿轮直径 由参照文献式(82-1)=符合初估数值（5） 拟定中心距、模数等重要几何参数1) 中心距 初算中心距园整取中心距a 20mm2) 模数 由中心距a及初选齿数、得按原则取=2.5m3) 分度圆直径、 z=2.532=80m= =.5129=3225 取为=320mm4) 拟定齿宽 取大齿轮齿宽=22m，小齿轮齿宽32m.2. 齿根抗弯疲劳强度验算（1） 求许用弯曲应力 1) 应力循环次数 由以上计算可得 2) 寿命系数、 取= =13) 极限应力 、 由图-1取：20Ma =170MPa4) 尺寸系数 由参照文献3图8.26,取15) 安全系数 参照参照文献1表8.-13,取=1.56) 许用应力、由参照文献13式(8-2），许用弯曲应力：=（2） 齿形系数、 由参照文献3图9-19，取: =2.5=215（3） 应力修正系数、 由参照文献1图9-20，取：=1.63 =82（4）校核齿根抗弯曲疲劳强度 由参照文献1式(2-7)，齿根弯曲应力 抗弯疲劳强度足够。3.2.3齿面静强度计算() 拟定许用接触应力：参照参照文献13表8.-13,取静强度安全系数由参照文献13图82-17,取寿命系数于是由参照文献3式(.221），许用接触应力(大轮较低）(2)校核齿面静强度 根据过载条件，由参照文献3式(8.-21)，齿面最大接触应力齿面静强度足够。3.2.4 齿根(抗弯)静强度验算()拟定许用弯曲应力 参照参照文献3表8.2-13,取静强度安全系数由参照文献1图2-25,取寿命系数于是由参照文献3式(.2-22),许用弯曲应力（2）求最大弯曲应力并校核强度 由参照文献13式(822),最大弯曲应力静强度满足规定。带动两个盘刷的齿轮对称布置3. 锥齿轮副的设计计算根据参照文献第二版269,材料选择聚甲醛(均聚)，参照参照文献3第卷3.3.1 基本尺寸拟定由小锥齿轮所传递转距为,根据图24-14和图24-15选择小齿轮大端分度圆直径为，取大端模数。则齿数： 轴交角 分锥角 外锥距：齿宽系数取0.3,则齿宽: 取=4m齿顶高：齿根高：齿高:大端齿顶圆直径：(3.4）齿根角:齿顶角:顶锥角:根锥角:冠顶距:拟定传动的精度级别初选平均切线速度由参照文献P1 表82-5，选择传动级别为8级3.3.2拟定载荷系数K使用系数,由已知条件查表82-9，取动载荷系数,由图8.26，取齿向载荷分布系数,按小锥齿轮悬臂考虑取载荷系数3.3. 齿面接触疲劳强度计算1 拟定许用应力 寿命系数,由已知条件取安全系数，参照表82-13，取接触疲劳极限2 弹性系数3 节点区域系数4 小齿轮所需大端分度圆直径,由参照文献式(8.244)5 验算速度平均直径: 平均线速度：6 拟定模数m： 3.3.4 齿根抗弯疲劳强度计算（1） 拟定许用弯曲应力 1) 寿命系数2) 安全系数3)尺寸系数4) 极限应力,取5）许用弯曲应力（2） 齿形系数, 1）分锥角 2) 当量齿数: 3) 由参照文献13图8.-19，取,) 应力修正系数 由参照文献1图8.2-20 取,5)校核齿根抗弯疲劳强度由参照文献13式.2-4 （.) （3.6） （37）三式联立求得满足规定3.4中心轴管的受力分析1 在水平平面的支反力,由，得为负值阐明方向与假设方向相反。由,得2做弯矩和转矩图1)齿轮的作用力在水平平面的弯矩图齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图由于齿轮作用力在D截面做出的最大合成弯矩2） 做转矩图 图3.3 转矩图3 中心轴管的强度校核1）拟定危险截面 根据轴的构造尺寸及弯矩图，转矩图,截面B处弯矩较大，且有轴承配合引起的引力集中；截面D处弯矩最大,且有齿轮配合引起的应力集中，故属于危险截面。现对D截面进行强度校核。2)安全系数校核计算 由于该减速器机轴转动,弯矩引起对称循环的应力,弯矩引起的为脉动循环的切应力。弯曲应力幅为:式中 W抗断面系数,由参照文献13中的表19.-查得由于式对称循环弯曲应力，故平均应力根据参照文献中的式（1.3-2）式中45钢弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由参照文献中的表19.1-查得=7MPa； 正应力有效应力集中系数,由参照文献3中的表9-,并根据配合查得2.62； 表面质量系数，轴经车削加工,按参照文献13中的表9查得=.92； 尺寸系数,由参照文献1中的表9.311查得=0.81切应力幅为：式中 W抗断面系数，由参照文献3中的表.3-查得由于式对称循环弯曲应力,故平均应力式中 45钢扭转疲劳极限,由参照文献3中的表1911查得1MPa; 切应力有效应力集中系数，由参照文献3中的表19.-6，并根据配合查得 =19； ,同正应力状况； 平均应力折算系数,由参照文献13中的表193-1查得=0.2.轴D截面的安全系数由式（193-1）拟定由参照文献13中的表1935可知，S=1.1.4,故SS,该轴D截面是安全的。同理可验证输出轴也符合强度规定。3.6键的校核键和轴的材料都是钢，查参照文献13 得许用挤压应力，取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。可得可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：37轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承05,其基本额定负荷为9.5KN，因此齿轮越小越接近轴承，对轴承的规定越高。根据设计规定，应当对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 受力 受力 根据图312受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:图3.4受力分析和受力图在水平面:在水平面： 因轴承在运转中有中档冲击载荷，又由于不受轴向力,表6查得载荷系数,取，则有：轴承的寿命计算：因此按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承65能满足规定。、其她轴的轴承校核同上,均符合3.8 本章小结本章对传动部件的直齿圆柱齿轮和锥齿轮进行强度校核,使之满足传动规定。由于材料有限,设计时采用的是45号钢以取代聚乙醛,以便材料的强度计算。第四章 玻璃清洁机器人清洗系统设计在清洗机构的设计中想到了五种方案，如图4.1，4.2,43，44,4.5(）电机带动斜齿轮,斜齿轮带动斜齿轮，斜齿轮带动斜齿轮3,斜齿轮上的轴连接滚刷，进而实现清洗；图1 清洗机构一（2) 电机带动锥齿轮1,锥齿轮带动锥齿轮2,由锥齿轮2上的轴连接滚刷，进而实现清洗;图4.2清洗机构二(3) 电机带动蜗杆,蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮的轴上分别接刷子,从而实现清洗；图4.3 清洗机构三 (4） 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮,皮带轮上的轴接刷子，从而实现清洗。图4.4 清洗机构四图 清洗机构五以上5种方案通过对比以及由设计的规定所限制，最后选择方案5为清洗机构。 .1清洗机器清洗部分设计假设清洗速度02m2s。4.1.1 盘刷设计1)盘刷采用在塑料体上在塑料毛的盘刷,其具有一定的弹性和刚度,可保证一定的压紧力来清洗玻璃,同步若玻璃有一定高度的凸出物，塑料毛有一定的弹性可以退让,顺利通过。刷子半径24，有毛半径08，刷毛长度为5,盘刷与联刷体可通过螺栓来装配连接。2)联刷体采用联刷体的目的:1 使电机与盘刷连接起来;2 使盘刷具有可换性;3 可调节盘刷与玻璃的距离;联刷体保证与电机连接处的强度、材料应尽量轻,其构造如图4:图.6 联刷体3）盘刷的工艺性根据资料可知:刷类的刷毛是用制毛器植上的，其基本原理如下:在壳体刚注塑完时,趁着壳体还为硬化,用机械措施把刷毛植进去。把一撮毛(约四至五根）折弯，在根部装上一韧性卡子,用专门植毛机把毛插入未硬化的壳体内，卡子插入后,待壳体凝固,便把刷毛固定下来，这样整个植毛工艺就完毕了。根据上述原理,盘刷也可以采用这种措施制作，其技术规定：毛孔直径：2.5m间距:mm孔深: 每孔刷毛密度：五根滚刷原理与上面相似.1.滚刷设计采用在钢轴外面加套橡胶轴套,在橡胶轴上栽刷毛的措施做成，可通过调换橡胶套的措施调换滚刷，滚刷半径为10,有刷毛部分长度为940。滚刷构造如图47：图 滚刷为了控制的以便，减轻主机的重量，应尽量减轻电机的数量,因此盘刷、滚刷共用一双输出轴电机,中间用齿轮和带传动;从经济的角度考虑,采用一般的三相电机，带动两盘两滚共四个清洗刷。根据实际实验，取洗刷的压强为螺旋桨工作压力为20公斤力。四个角轮 分别承受3公斤力。盘滚刷均承受两公斤力刷毛与玻璃的摩擦系数为0.0.2,取=0.15对盘刷求积分转矩为： 1) 洗力矩:盘刷：两个刷子的转矩：滚刷:所需总的清洗力矩：2) 初定盘刷转速:30r/min根据清洗力矩，型号为Y2026,额定功率550W,转速00r/min,平键42，保持转矩为9.8N.（查)1.3清洗部分所用弹簧的设计圆柱螺旋压缩(拉伸）弹簧受载时的应力及变形现就下图圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷P的状况进行分析。 由图(图中弹簧下部断去，末示出)可知,由于弹簧丝具有升角,故在通过弹簧轴线 的截面上，弹簧丝的截面A-呈椭圆形,该截面上作用着力F及扭矩。因而在弹簧 丝的法向截面B-上则作用有横向力Fcs、轴向力sin、弯矩M=Tsn及扭矩T=co。由于弹簧的螺旋升角一般取为=59,故sin0；s(下图），则截面-B上的应力(下图圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析c)可近似地取为式中C=/d 称为旋绕比(或弹簧指数)。为了使弹簧自身较为稳定，不致颤抖和过软,值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲,C值又不应太小。C值的范畴为416（表常用旋绕比C值),常用值为58。 图48 圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析表41 常用旋绕比C值d(mm).20.4.451112.22.6716842=D2/d714524986为了简化计算，一般在上式中取1+2C(由于当C416时,2Cl，实质上即为略去了 )，由于弹簧丝升角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力分布将如图圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析c中的粗实线所示。由图可知,最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进一种补偿系数K（或称曲度系数),则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表达为式中补偿系数K，对于圆截面弹簧丝可按下式计算:圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量可根据材料力学有关圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得:式中:弹簧的有效圈数;G弹簧材料的切变模量,见前一节表。如以Pma替代P则最大轴向变形量为： 1) 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧:2)对于有预应力的拉伸弹簧: 拉伸弹簧的初拉力(或初应力)取决于材料、弹簧丝直径、弹簧旋绕比和加工措施。用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧,均有一定的初拉力。如不需要初拉力时,各圈间应 有间隙。经淬火的弹簧,没有初拉力。当选用初拉力时,推荐初应力值在下图的阴影区内选用。初拉力按下式计算: 使弹簧产生单位变形所需的载荷k称为弹簧刚度,即 图49 弹簧初应力的选择范畴弹簧刚度是表征弹簧性能的重要参数之一。它表达使弹簧产生单位变形时所需的力，刚度愈大,需要的力愈大，则弹簧的弹力就愈大。但影响弹簧刚度的因素诸多，由于kp与的三次方成反比，即值对k的影响很大。因此，合理地选择值就能控制弹簧的弹力。此外,kp还和G、d、n有关。在调节弹簧刚度时,应综合考虑这些因素的影响。承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计 弹簧的静载荷是指载荷不随时间变化,或虽有变化但变化平稳,且总的反复次数不超过次的交变载荷或脉动载荷而言。在这些状况下,弹簧是按静载强度来设计的。在设计时，一般是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及构造规定(例如安装空间对弹簧尺寸的限制)等来决定弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。 具体设计措施和环节如下: 1) 根据工作状况及具体条件选定材料,并查取其机械性能数据。 ） 选择旋绕比，一般可取C5（极限状态时不不不小于4或超过6),并算出补偿系数 值。） 根据安装空间初设弹簧中径D2，乃根据C值估取弹簧丝直径d,并查取弹簧丝的许用应力。 4) 试算弹簧丝直径d 必须注意，钢丝的许用应力决定于其B，而是随着钢丝的直径变化的,又因是按估取的d值查得的H计算得来的,因此此时试算所得的d 值，必须与本来估取的d值相比较，如果两者相等或很接近，即可按原则圆整为邻近的原则弹簧钢丝直径d，并按D2=Cd 以求出 ;如果两者相差较大,则应参照计算成果重估d值，再查其而计算，代入上式进行试算，直至满意后才干计算D2计算出的D2,值也要按表一般圆柱螺旋弹簧尺寸系列进行圆整。 5) 根据变形条件求出弹簧工作圈数： 对于有预应力的拉伸弹簧 对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧 6)求出弹簧的尺寸D、1、0,并检查其与否符合安装规定等。如不符合,则应改选有关参数(例如C值)重新设计。7) 验算稳定性。对于压缩弹簧,如其长度较大时,则受力后容易失去稳定性(如下图a)，这在工作中是不容许的。为了便于制造及避免失稳现象,建议一般压缩弹簧的长细比b0/D2按下列状况选用: 当两端固定期，取5; 当一端固定，另一端自由转动时，取b.7;当两端自由转动时,取2.6。图410 压缩弹簧失稳及对策 当b不小于上述数值时，要进行稳定性验算,并应满足 式中:Fc稳定期的临界载荷（K)； Cu不稳定系数(),从下图中查得； Fax弹簧的最大工作载荷（Kg)。 如FmxFc时,要重新选用参数,变化b值,提高Fc值,使其不小于Fx值,以保证弹簧的稳定性。如条件受到限制而不能变化参数时，则应加装导杆(如上图)或导套(如上图c)。导杆（导套)与弹簧间的间隙值(直径差)按下表(导杆（导套）与弹簧间的间隙表)的规定选用。 图.11不稳定系数线图表42导杆（导套)与弹簧间的间隙中径2/(mm)55101813035058080120120150间隙c/(m）0.12345678) 进行弹簧的构造设计。如对拉伸弹簧拟定其钩环类型等，并按表计算出所有有关尺寸。1)弹簧的种类:采用圆柱螺旋压缩弹簧;2） 弹簧的材料：根据参照文献1选用碳素弹簧钢；3）弹簧的设计计算根据参照文献3取弹簧的工作圈数根据参照文献1取弹簧丝直径:，容许极限负荷下的单圈变形：单圈刚度：弹簧节距：最大工作载荷：极限工作载荷:弹簧每圈展开长度：1 计算数据弹簧中径:弹簧内径:弹簧间隙:弹簧总展开长度:螺旋角:弹簧自由高度:容许极限负载时弹簧高度：弹簧旋向:左旋右旋均可4. 内空心轴设计为了在盘刷中心喷清洗液,并使喷嘴不随盘刷转动,需在盘刷内用滚动轴承固定。空心轴的一端连接盘刷体,另一端与水管相连，在盘刷体转动时，空心轴固定不动,其构造如图.1:图4.12空心轴工作时清洗液从中间的孔流出,喷到玻璃上，几乎不受外力弯矩、扭矩，因此略去刚度、强度的计算。4.3 清洗机主机滚轮的设计当清洗机工作时,风机向后吹出强大的高速气流，把清洗机压向玻璃，与玻璃接触的盘刷和滚刷都为柔性件，太大的压力会使刷毛弯曲过多,损坏加剧,因此大部分压力应由滚轮来承当，同步也增大了滚轮与玻璃之间的摩擦力。当电机驱动时，清洗机横向行走。因此滚轮与玻璃之间应有良好的接触 ,不可打滑。构造设计如下图4.13:图413清洗机主机滚轮构造图.4主机上传感器及行程开关的选择为了增强清洗机的自动化限度,实现远程控制,在清洗机主机上安装传感器，以辨认玻璃的材料，来拟定清洗机的进退与停止。通过查参照文献15,选用德国TUCK公司生产的超声波传器，其特点：有效作用距离大，与被测物的颜色、周边环境无关，具有开关量和模拟量两种输出,有助于控制。在清洗机主体的上下部安放超声波传感器，为了安全，在下边沿安装行程开关,构造可见总装配图，该行程开关型号为：LX3-S, 它具有弹性环节,可以缓冲剧烈的冲击,并给单片机控制系统一种输入信号,单片机通过辨认后,解决中断,加强自动化,保护主机。45复合缆的构造设计由于本机的复杂性，管线较多(涉及清水管,清洗液管,电缆，数据线,控制线等），且为了安全性，设计复合缆。由于各个管路的功能不同，且以便控制，决定采用分开复合的措施，构造如图4.1：图复合揽构造图钢丝绳是起重机上应用最广的挠性构件，其长处是：卷绕性好，承载能力大，对于冲击载荷的承受能力也强，卷绕过程中平稳,虽然在卷绕速度高的状况下也无噪声，由于绳股各钢丝断裂是逐渐发生的,一般不会发生整股钢丝绳忽然断裂，工作时比较安全可靠。在本复合缆中选用的型号：G1124所选钢丝绳的破断拉力应满足下面的条件:（4.)式中：钢丝绳破断拉力(公斤)钢丝绳工作时承受的最大静拉力(公斤）根据机构重要性,工作类型及载荷状况而定的钢丝绳安全系数。所选钢丝绳为8,由资料查得此型号钢丝绳破坏拉力为3130公斤。因此机构为轻级起重机构，因此选绳=5。考虑整个清洗机，由于体积较小，重量较轻,最大的静拉力为400公斤。由公式(41)：因此选用的钢丝绳强度足够。46本章小结本章拟定了清洗部件（盘刷、洗刷)的尺寸及其她部件的设计，应用双刷系统，有助于对水的运用效率。第五章 玻璃清洁机器人吸附系统设计.1 吸附原理要保证玻璃清洁机器人在玻璃表面安全稳定地吸附,就必须在气路壳体内产生一种真空负压,这就需要有一种负压产生装置。采用风机抽风使得机器人气路壳体内产生真空负压，这里规定该装置重量轻、体积小、噪音小、机构简朴并且安装以便、排风量大、可以迅速建立真空负压,即规定瞬时响应的时间非常短。目前使用的通风机按气流的运动方向大体有三类，即为离心式、轴流式和混流式。气体在离心式通风机的通风机叶轮带动下，是沿离心方向 (即沿半径方向） 流动的，因此也被称之为径流式；气体在轴流式通风机的腔体内部,沿轴线的方向流动；气体在混流式通风机的通风机叶轮中带动下，气体的流动方向介于离心式和轴流式通风机之间,也被称为斜流式。离心式通风机的特点是转数比低(一般在ns2.045),全压高，流量小，被应用于需要提高压力而流量小的场合。由于其流量小,因此对装置的密封性规定严格，对空气泄露敏感。当壁面与吸盘之间存在间隙时，随着吸盘与壁面间隙的扩大,吸盘内负压将会急剧下降。这对机器人在局限性够平整的壁面工作极为不利。同步,为了保证密封性而在吸盘边沿设计的多种密封垫在机器人移动时，不仅会产生阻力并且自身由于摩擦也会产生磨损的问题。因此,这种吸附方式对于通用建筑表面的清洁机器人来说