折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作

Edited by Foxit PDF Editor Copyright (c) by FoHit Software Company, 2003 - 2009 For Evaluation Only.折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作摘 要本论文是关于折叠式玻璃自动清洁器控制结构的设计、制作及装配调试。产品 设计目的是提供一种完全由室内操作，结构合理的清洗高层建筑中玻璃的擦玻璃 器。本论文在大量社会调研的基础上，相关专利文献档和已成型的高层户外玻璃自 动清洁器实型进行了比较和分析，提出一种新的设计思想。设计采用先进设计方法， 基于Pro/E软件，首先对所要设计的零件及整体结构进行三维实体建模，然后运用 Pro/E的运用模拟功能，完成产品运动模拟与分析，最终在产品优化设计的原则下 最终确定结构尺寸及材料。本论文是首都高校机械创新设计大赛参赛题目，样机的 制作最为关键，在结构设计确定的基础上完成所有零部件的加工和产品装配调试。 本论文设计合理，产品具有较好实用性，产品制作价格低廉，轻便易用，是一种制 的推广的新型擦玻璃器。关键词：高层擦玻璃器，装配调试，Pro/E，加工制作I折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作AbstractThis 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, manufacture4目 录第一章绪论01.1研究意义11.2研究背景21.3主要目标101.4所面临的困难111.5设计方法和目标11第二章方案设计132.1支撑结构设计132.2定位机构的设计162.3滑块结构的设计192.4擦头组件的设计22第三章 零件材料的选取及其制作243.1 支撑结构 243.2 定位结构 263.3滑块组件的制作283.4擦头组件的制作36第四章 机构控制方案的设计404.1擦头行走路线的设计404.2控制程序的设计41第五章装配与调试435.1装配过程435.2调试过程48第六章 结论与展望506.1结论506.2展望506.3技术经济分析51参考文献52致谢54附 录55折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作第一章绪论1.1研究意义1.1.1参赛意义第三届全国大学生机械创新设计大赛的主题为“绿色与环境”。内容为“环保 机械、环卫机械、厨卫机械三类机械产品的创新设计与制作”。本项目即为此次参 赛的设计作品。高层户外玻璃窗的清洁问题是各种楼宇清洁的重点，北京即将迎来2008年奥 运会，设计制作一款使用方便、清洁能力强，住户可自行操作的玻璃清洁器，具有 广泛的市场前景。产品要求：在户内定位操作，玻璃器擦试户外玻璃，擦拭范围可调整，最大范 围 Imxlm。1.1.2现实意义随着人民生活水平的不断提高，人们对生活环境提出了更高的要求。在建筑业, 由于玻璃的采光性好、保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，高层建筑越来越多地 采用玻璃窗的结构。但是，由于随着时间的推移，雨雪天气以及空气中的灰尘，就 会逐渐的蒙上一层厚厚的城市灰尘，使得这些建筑黯然失色，这样就需要对玻璃窗 进行清洗。为保持建筑整体的清洁美观，清洗玻璃随之成为人们日常的工作之一。 现许多国际性城市如厦门、深圳、香港等地都有规定：每年应对高楼清洗若干次1。 目前对高层建筑上玻璃的清洗工作主要是由人工完成的。清洗工人搭乘吊篮或腰系 绳索进行高空擦洗，稍有不慎就会出现事故，造成伤亡。除此之外，人工作业的效 率也很低，清洗一幢大楼有时要耗时数天乃至数十天，耗资巨大。因此人们都迫切 希望能有一种清洗机器来代替人工作业。这种清洗机器的使用将大大降低高层建筑 的清洗成本，提高劳动生产率。最重要的是，它代替了人工作业，降低了工人工作 的危险性，但是对于个人用户来说，不管是雇佣专业的玻璃清洗工还是使用玻璃清 洗机器人都是一笔很大的开支。所要设计的高层户外玻璃自动清洁器主要是针对广 大的个人用户，要求既要做到简单实用，又要价格便宜。高层户外玻璃自动清洁器 的推广使用必将会带来乐观的经济效益。1.2研究背景1.2. 1擦玻璃器成品介绍1.2.1.1双面玻璃擦双面玻璃擦又叫做双面玻璃擦窗器。如图1-1所示图1-1双面擦玻璃器功能介绍：1、一面擦，两面净；2、站在屋里擦窗外玻璃，安全，方便，又省力；3、本产品通过磁力相吸的原理，内动外应，从而达到一次操作；玻璃两面干 净的效果；4、同时解决了人们住楼房不便到窗外擦玻璃，极其安全。产品优点：安全，干净，快捷，且可以达到在室内同时清洁室内和室外玻璃的目的，效率 高，还可以避免高楼外面玻璃难于清洁而且人工作业不安全的问题。1.2.1.2机械臂式擦玻璃器一种手撑式电动多功能玻璃清洁器由刷头装置、撑杆装置、电动装置和喷雾装 置四部分构成。图1-2所示功能：解决人们在高楼室内清洁窗及玻璃窗外侧面玻璃的难题。撑杆上还装有 手压泵，通过软管可将清洗液送至刷头喷出，擦头罩壳内壁上有凸棱曲线，具有收 集污液的功能、可避免污染周围环境图1-2机械臂式擦玻璃器1.2.1.3撑杆式擦玻璃器玻璃擦头固定在一根长的不锈钢管上，一侧是擦玻璃的海绵体，另一侧是清除 玻璃上污水的刮擦。功能介绍1、擦头结构简单，拆卸容易，方便清洗；2、不锈钢管可以在一定范围内调整长度，便于人们擦洗不容易擦到的地方。图1-3撑杆式擦玻璃器1.2.2国内外研究现状目前，擦玻璃器主要分为两大类，第一种类型是趋于大型化和自动化，主要用 来清洗大型的玻璃墙或玻璃幕的爬壁机器人，它的控制装置以及动力结构都要进行 详细的设计及检测。第二种类型是趋于小型化和简单化，但是这种类型的擦玻璃器 需要人工去操作，不能自动完成相应的任务，而且主要针对的是个人用户。1.2.2.1国外研究现状擦窗机简介：擦窗机，顾名思义是擦洗窗户的机器，但这只是擦窗机最旱时的 定义，而今发展到现在（在国外，擦窗机的发展史已超过了半个世纪），擦窗机已不 局限于此了，它可说是一种对整个建筑外墙进行维护的机械设备。现在擦窗机不仅 可对玻璃幕墙进行清洗，还可对整个外墙进行清洗，包括对破损的外墙进行修补及 更换损坏的玻璃幕墙。在整个擦窗机种类中，除了全自动擦窗机不需要人员操作， 其他类型的擦窗机均是擦窗机提供一下作平台，操作人员在该工作平台上对建筑的 玻璃幕墙进行清洗，同时工作平台可在玻璃幕墙外的空间上作上下或左右移动，以 使操作人员能达到整个玻璃幕墙的任何点，从而能进行完善的清洗处理2o为了把人们从危险的工作中缓解出来，对于发展各种服务机器人的需求日益增 加，例如，清洗摩天大楼的玻璃，消防救援，检查高压管道3。日本在世界上率先 开展了壁面移动机器人的研究工作，1966年，日本的西亮教授首次研制成功壁面 移动机器人样机，并在大阪府立大学表演成功。这是一种依靠负压吸附的爬壁机器 人。随后出现了各种类型的爬壁机器人，到80年代末期已经开始在生产中应用。 日本在开发爬壁机器人方面发展最为迅速，主要应用在建筑行业与核工业。日本清4折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作水建设公司开发了建筑行业用的外壁涂装与贴瓷砖的机器人，他们研制的负压吸附 清洗玻璃面的爬壁机器人，曾为加拿大使馆清洗囹。随后便出现各种各样的高空清洗机器人。其中有两个代表性的机器人：一种叫 做Cleanbot-I爬壁机器人，是基于移动机械装置设计的。当他在运动的时候很难控 制他的姿态，其基本装置是一个框架，一个滑动科。吸盘安放在框架而滑脚的移动 使机器人前进和旋转。还有一种叫做Cleanbot-II的轨道机械装置也被开发应用于清 洁玻璃。用一条链氏轨道和52个吸盘提供吸附力，Cleanbot II可以实现连续运动， 跨越告诉小于6mm的障碍，并且通过复杂的结构进行圆周运动。这种复杂的设备 导致其没有可靠性。机器人的吸附方法主要有三种：磁连接，负压力吸附和真空吸 盘5o由风扇，空气压缩机等真空发生设备在机器人和墙壁的接触面间形成负压， 依靠压差使机器人吸附在墙壁上。一个主流的方式就是用吸盘作为机器人的的动力 装置6。单吸盘、多吸盘吸附与真空吸附。单吸盘吸附可实现小型化、轻量化单吸 盘吸附可实现小型化、轻量化，且结构简单、便于控制，但要求壁面平整，当遇到 沟槽或凹凸面时，吸盘负压难以维持。越障能力不强。相对而言，多吸盘吸附稳 定可靠，但其移动是间断的，控制比较复杂，移动速度慢。机器人依靠车轮、履 带和脚步机构等多种形式在壁面移动。车轮移动式速度快、控制简单，但当壁面不 平整时，维持吸附较困难，且着地面积小，对壁面的压强大；履带式对壁面的适应 性强、着地面积大，但体积大，不易转弯7。玻璃清洗机器人面临着几个技术难题:（1）吸附剂密封技术：面对复杂的壁面环境，要求吸附机构必须要产生一定的吸附力。（2）移动技术：移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁立面上移动，并可灵活，自如的调节行走的速度和方向。（3）控制技术：必须保证信号通讯的实时性、可靠性。实现机器人各部间的协调配合。（4）清洗机构：设计安全有效的清洗机构，达到令人满意的清洗效果7。（5）摄像及传感器的控制，实现对环境的探测。实施的将机器人的外界环境和自身状态信息穿回给控制系统，即使对机器人进行控制凶。1.2.2.2国内研究进展改革开放以后，我国的经济建设有了快速的发展，高层建筑如雨后春笋，比比 皆是。但由于建筑设计配套尚不规范，长期以来，高楼大厦的外墙壁清洗，都是“一 桶水、一根绳、一块板”的作业方式。洗墙工人腰间系一根绳子，悠荡在高楼之间， 不仅效率低，而且易出事故。基于这种情况，北京航空航天大学机器人研究所发挥其技术优势与铁道部北京 铁路局科研所为北京西客站合作开发了一台玻璃顶棚（约3000平米）清洗机器人。 我国的壁面移动机器人研究起步较晩，但发展很快，哈尔滨工业大学、北京航空航 天大学、上海交通大学在壁面移动机器人这一领域处于国内领先地位。许多科研单 位也相继推出了各自的壁面清洗机器人问。1. 悬吊式擦玻璃机器人：哈尔滨工业大学机器人研究所在原有I型的基础上又 研制开发出清洗玻璃壁面的CLR-II型清洗爬壁机器人，该机器人的系统总体如图 1-4所示。它主要由以下几个部分组成：（1）本体吸附机构；（2）驱动控制系统；（3） 清洗作业系统。负压由高速离心式风机产生，为使吸盘尽快形成负压，将风机直接安装在吸盘 上。控制系统的主要任务是通过遥控操纵盒完成。爬壁机器人在壁面上的吸附、移 动控制和清洗作业控制，采用电力载波通讯模块可以实现卷取电机由遥控器控制功 能和自治控制功能。图1-4清洗爬壁机器人系统组成2. 吸附式擦玻璃机器人：真空吸附系统具有轻量化、体积小、结构紧凑、可 靠性高等诸多特点，是壁面清洗机器人关键技术之一，并在多种气动机器人中得到了广泛应用。由于壁面清洗机器人的真空吸附系统受到作业环境（包括障碍、表面 缺陷、面面转换、曲面度等）、受力状态等诸多条件限制，有着不同于其他真空吸 附系统的特殊要求，使用多个洗盘作为一个整体，即以吸盘组的形式，来解决单个 吸盘的工作状态的不足之处図。图1-5所示图1-5多吸盘擦玻璃机器人3. 轮式永磁式擦玻璃器：滚轮与平角齿轮同轴，纵向轴的两端各套有一个齿 轮，其中一个齿轮与平角齿轮啮合，角齿轮和刀盘同轴，若干个刀片沿径向均 部在刀盘上，刀片与刀盘不在同一个平面上。使用时把二盒吸附在玻璃两侧，里侧 盒体移动时，外侧盒体也随之移动。盒体上的刀片把玻璃擦净。用它擦玻璃，人体 不必探出窗外，安全可靠，它适合擦玻璃时使用1。图1-6所示图1-6轮式永磁式擦玻璃器现在我国国内的户外擦玻璃器主要有四种类型。其主要都是在普通的玻璃擦头 上进行改进属于发明创新的形式。但是就是因为它的简单易用给广大的个人用户提 供了擦玻璃的便利工具。我们国家对于擦玻璃器的研究早在一九八几年就已经开始 了。综合各种各样的擦玻璃器主要可分为下面几种类型：第一种：其特点是存水桶和水泵相连，伸缩式拉杆通过软管和水泵相连，另一 端和擦拭器相连，擦拭器上有电机通过齿轮使擦拭器转动，以达到清洗玻璃的目的 mi。如图1-7所示图1-7伸缩拉杆擦玻璃器第二种：这种擦玻璃器包括壳体，壳体旱扁平状，在壳体的一扁平壳壁上分别 固接着至少两个钕铁硼磁铁块，壳体套装在带有拉链开日的绒布袋内。在使用时要 两个配套使用，使一个壳体位于玻璃内侧另一个壳体位于用一个壳体位于玻璃内侧 另一个壳体位于玻璃外侧。使用时将两壳体分别通过磁铁块的磁力吸引安装在玻璃 的内、外两侧，在室内移动安装在内侧玻璃上的壳体即可带动玻璃外面的壳体移动, 从而使其可以方便地擦洗玻璃的外面，而且用其擦玻璃时安全方便12o如图1-8所 示图1-8双面擦玻璃第三种：主要由电磁铁、摆锤、传动杆、清洁工作头杆、清沽工作头等构成， 其中电磁铁在交变电流的作用下产生交变磁场，使摆锤随之摆动，通过传动杆、清 洁工作头杆将动力传到清洁工作头，达到清洁玻璃的目的。其优点在于结构简单、 体积小、重最轻及成本低，便于生产和维修，使用刀片做清洁工作头时，清洁过程 不使用水或任何清洁剂；随着清洁工作头的更换，可应用于多种场合，达到一物多 用冋。如图1-9所示图1-9电磁摆动式机器人第四种：本装置的工作杆上设有三个45斜面换向节。并有一万向浮头与清 洗盘连接.所以人站在室内手持擦窗器就能对玻璃进行任意角度擦拭。且结构简单, 使用灵巧、清擦率高、效果显着，特别适合宾馆和高层公共建筑使用卩。图1-10 所示图1-10万向节式擦玻璃器1.3主要目标根据所调查的资料显示，不管是擦玻璃器还是擦玻璃机器人的开发比较完备， 无论在功能上，还是材料上，因此这次“折叠式高层户外玻璃自动清洁器的设计与 制作”设计主要希望实现两个目标：1、功能完备化；传统的擦玻璃器，大都是结构简单，需要自己动手进行擦玻 璃活动，它的使用只是一定程度上简化了人们擦玻璃的过程，但是从根本意义上讲 并没有减轻人们的工作负担，没有把人们从擦玻璃这项活动中完全的解脱出来。玻 璃清洁器的发展方向有两个：一种是趋于大型化和自动化的玻璃墙（幕）的清洗机 器人，这是一个机、液、电的综合组成的综合设备。他需要很多的先进技术以及严 谨的科学理论为指导。这种设备虽好但也有自身的缺点，就是造价太高，一般的家 庭承担不起。另一种是趋于简单，便宜的人工手动擦玻璃器（主要应用于擦洗个人 家庭的玻璃），它给人们带来了便利，但是其自身也有不可避免的缺点，它不能达 到人们想要的便利，还不能让人们从手动擦玻璃中解脱出来。因此要设计的擦玻璃 器是介于擦玻璃机器人和普通的擦玻器之间的擦玻璃器既要有擦玻璃机器人的自 动化又要兼有不同玻璃的简单化。2、降低高空擦玻璃机器人的成本；由于玻璃的采光性好、保温防潮性能好， 彩色玻璃实用美观，高层建筑越来越多地采用玻璃窗的结构，但是由于随着时间的 推移，雨雪天气以及空气中的灰尘，为了随时保持建筑整体的美观，清洗玻璃随之 成为人们日常的工作。为了保持清洁，许多国际性城市如厦门，深圳，香港等地都 有规定，每年应对高楼清洗若干次。目前对高层建筑的清洗工作主要是由人工完成 的，不仅危险而且工作效率低，而且耗资巨大。如果应用壁面机器人来进行擦洗对 于办公楼这样的地方其成本也是相当昂贵的，所以要设计的高层户外玻璃窗的清洁 问题是各种楼宇清洁的重点，因此设计制作一款使用方便、清洁能力强，价格便宜, 住户可自行操作的玻璃清洁器，具有广泛的市场前景。1.4所面临的困难从擦玻璃器的出现到现在，无论从擦玻璃器的类型、尺寸、造型、外观上的设 计都已经成熟，所以要想在擦玻璃器上再添加一些新的想法并不容易。另外一条路 径是设计一个壁面清洗机器人，它需要很丰富的知识，包括机构的设计，控制得设 计，运动分析，材料的选择以及实体制作对我们来说还有着很大的难度。以我们现 有的时间和知识还不可能做出一个完整的能够自由移动的壁面清洗机器人。在设计的过程中这种矛盾经常出现，而且这次设计由于参加比赛是和几个同学 一块完成，有时自己添加的功能没有和原有结构矛盾，却和其他同学添加的功能存 在冲突，最后还要进行改进，甚至有时之前的工作有可能都白费了。还有一个困难就是工具的有限性。本着机械创新设计大赛的宗旨中的一条“加 强学生动手能力的培养和工程实践的训练”，指导老师要求我们尽可能自己动手完 成，实在困难或是工具有限的情况下，才可以请金工车间的师傅帮忙。所以在这次 成品制造的过程中，锯子是我们最主要的制造工具。这就造成成品制造进度比较慢, 以及做出来的东西美观度有限等问题。1.5设计方法和目标通过在网上、实地进行调查、收集到已经发布的专利文档或者已做出的折叠式 高层户外玻璃自动清洁器实型。然后对资料整理研究、对现有产品的优、缺点进行 了总结。借鉴现有的设计方案及其控制技术，提出一种新的设计思想。设计思路是: 用一对磁铁分别放在两个擦头上，即擦玻璃器的内擦头（放在玻璃内侧）和外擦头 （放在玻璃外侧）。内擦头装有传感器，当传感器触碰到玻璃窗的四周时，将信息 随时传回给主控制箱。主要通过控制内擦头从而带动外擦头在玻璃上 自由运动，在内擦头和控制箱之间用运动机构连接，达到对擦头的控制目的。室内 放置的支撑结构来承受所有的控制设备和运动机构的重量达到减轻擦头重量的目 的，从而减少两个擦头间的吸附力达到节省材料的目的。根据现在的问题确定自己 的研究思路和方向，该产品可以完全替代毛巾、抹布擦玻璃的传统方式，并且能把 人们从擦玻璃的劳动中解脱出来，彻底解决了以往擦玻璃在外高空做业令人生畏、 头痛的一大难题。根据参考文献，我们将要设计一种半自动或者全自动的高空擦玻 璃器，满足广大用户的需求。12折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作第二章方案设计2.1支撑结构设计支撑机构作为擦玻璃其设计中的最重要的结构，它对玻璃擦头的运动以及整个 机构的安装位置都确定有着很大的影响，这个机构也是设计的一个重点。考虑到其 重要性，我们在最初设计时设计了两套方案。2.1. 1设计方案一图2-1方案1支撑结构在一般位置时的状态1：固定杆件，2：套筒，3：玻璃擦头，4：引导杆，5：主动杆，6：齿轮图2-2方案1支撑结构简图此方案的设计主要是从汽车挡风玻璃上的雨刷的运动过程得到一些灵感，根据现 实情况而设计出来的。主要过程如下：通过齿轮之间的啮合转动（齿轮的转动由电 机带动）从而带动主动杆在水平面上做一定范围内的摆动，这样就达到了玻璃擦头 在水平方向的运动。通过滑块在固定杆件上下运动（其上下运动由另外一个电机驱 动），使其在竖直方向上运动。这样通过滑块和主动件的间歇运动就可以达到擦洗 整个玻璃的目的。2.1.2设计方案二图2-3方案2支撑结构在一般位置时的状态1：定滑轮，2：竖直杆，3：玻璃擦头组件，4：滑块组件，5：横梁，6：定位组件20图2-4方案2支撑结构简图玻璃擦头的运动方式是分别由水平方向和竖直方向的电动机驱动水平和竖直 方向的滑块运动，然后带动玻璃擦头在水平与竖直方向上间歇运动，直到把整块的 玻璃擦完为止。这种设计方案中不存在所谓的死点，所以说机构在实际中是可以实 现的。上面的两种设计方案各有各自的优缺点，正如上面所描述的。对于方案1来说 最主要的驱动部件就是电动机带动齿轮转动，与固定在主动杆上的齿轮啮合转动， 从而是主动杆件带动玻璃擦头转动，由于有引导杆的限制使得玻璃擦头只能在水平 方向的运动，所以就把玻璃擦头由平面内的转动变成了平动，与此同时通过滑块在 竖直方向的运动，就能够达到擦洗整块玻璃的目的。理论上这样的设计是可以实现 的，但是如果考虑到实际情况，方案1的设计存在着很多的问题，问题一，要把玻 璃擦头的圆周运动转换成水平运动，就要考虑到擦头与引导杆之间的摩擦问题，摩 擦力的大小将直接导致驱动杆的强度是否能够达到要求，还有驱动齿轮转动的电机 的选择，如果其扭矩太大那么就必须选用大型电机，这样不仅会是增加制作成本而 且也会给用户带来安全隐患。问题二，当擦头在水平运动时，驱动杆还要有一个最 重要的功能，当玻璃擦头向左运动时其必须缩短，当擦头向右运动时其必须伸长， 而其在整个的运动过程中驱动杆不仅要起到传输力的作用还要保证其有足够的强 度。因此驱动杆的设计难度太大，即使通过我们的努力，也未必能够制作出想要得 到的满足设计要求的驱动杆。问题三：当擦头即将要运动到右侧的极点位 置时，擦头在水平上的分力将会很小，竖直分力变大，考虑现实情况由于摩擦力的 作用，很有可能使作用在擦头上的水平方向的力很小甚至为0,这样就达到设计要 求。即使水平方向的力不为0,就需要引导杆来提供巨大的动力。方案2的分析：其主要根据玻璃擦头在玻璃上的运动方式而设计其支撑结构， 通过在X，Y两个水平方向上交替运动达到擦洗玻璃的目的。方案二很好了避免了 一些需要特殊要求的零部件，他的主要部件简单易于制作。水平方向上的杆主要的 作用是承担竖立在其上的竖直干的重力，因此对它的强度要求不是太高，竖直杆的 作用也只是起到一个引导擦头运动的作用，对其要去也不是太高。当擦头处于各个 极值位置时也不会遇到像方案一中的分力不足问题，而其不存在死点。存在的问题: 当玻璃擦头在玻璃表面上做上下运动时，如何通过电动机驱动使其能正常运行，电 动机位置的确定是一个难点。通过小组的讨论，决定选取第二种方案，并且确定了电机在机架上的位置， 电动机1可以放在滑块上保证擦头能过上下运动，电动机2放在支撑机构的一端， 实现擦头的左右运动。另外把横梁拆分成两端，在中间设置连接件，这样就可以根 据玻璃窗的长度不同，自行选用不同长度的横梁进行组装。这样设计使擦玻璃器的 适用范围更广。2.2定位机构的设计支撑机构需要固定在玻璃窗框上才能进行擦洗工作，在起初我们想用两个吸盘 来固定支撑结构的位置（图2-5, 2-6所示），但是这样设计就要考虑到滑块要制作 成如何的形状才能在横梁上的自由的滑动同时又不影响定位结构的设计。但是这样 就要使滑块机构扣在横梁上，而不是套在横梁上，滑块机构在整个的结构中是运动 的中枢，所有的运动输出都要通过它，因此滑块的位置必须是相对最稳定的。Z_A图2-5定位机构示意图图2-6定位机构零件图图2-6所示零件图的作用是使支撑结构在空间上能够定位，能够固定在玻璃窗 框旁边，它与横梁焊接在一起在老师的建议下我们通过晾衣服用的涨杆的固定原理（通过旋转两端的旋转 头，旋转头会向外转动产生向外的水平力，应用这种向外的水平力把涨杆顶在两墙 之间），再联系实际要求，通过我们的思考和实验最后确定出支撑结 构。如下图所示：图2-7定位机构结构图零件1：横梁 零件2：连接螺钉 零件3：螺纹套筒图2-8定位机构装配图图2-9螺纹套筒图2-10连接螺钉图2-11螺纹套筒零件图140图2-12连接螺钉零件图连接螺钉的一头与横梁连接另一头与螺纹套筒连接，螺纹套筒通过螺纹的作用 向外旋出时也会用产生向外的水平作用力。不仅如此，它还可以在小范围内调整衡 量长度的作用，使得擦玻璃器的适用范围更宽。2.3滑块结构的设计滑块机构在整个的结构中起到中心枢纽的作用，滑块上装载有电动机，通过连 接电动机与玻璃擦头的引导线，电动机转动带动擦头的上下运动，因此滑块在横梁 上要具有稳定性。当水平的电动机转动时带动滑块左右运动，因此又要确保滑块和 横梁表面的粗糙度不能太大，要有利于滑动。另外，竖直杆件也要固定在滑块上， 因此还要考虑到竖直杆的安装以及安装位置，确保机构在运动过程中，竖直杆不会 因为固定的强度不够而倾倒或不能满足设计要求。根据已经设计设好的横梁的结构，经过讨论其初步设计方案是：把滑块做成套 筒的结构，再在套筒的上面做一个圆形套筒，并且在圆形套筒上一个通孔，作用是 把竖直杆件插入到圆形套筒中，再用螺丝螺母把竖直杆与套筒连接固定，加强竖直 杆与套筒的连接，满足其稳定性的要求。如图2-13所示：图2-13套筒立体图套筒2-14零件图在理论设计时，可以设计各种复杂形状和结构，但是一旦考虑到实际中的加工 问题，理论设计出的结构模型就不可能完全实现，甚至可能无法实现。通过老师的 指导，滑块的制作将会非常的麻烦，应用到的制作工序和工具也相当多，考虑到圆 形套筒与水平上表面连接的强度问题。加工这个零件需要用一整块的材料通过数控 铣床，把材料中多余的部分挖去，然后还用特殊的卡盘装卡在车床上再加工位于套 筒顶部的圆柱，这样做不仅费时费力费料而且增加了制造成本，因此我们决定放弃 此方案。我们吸取套筒设计方案失败的教训，对滑块结构进行改进：决定用一块块的板 材切割成合适的尺寸，然后在进行组装拼接，再用螺钉螺母对其进行加固，从而达 到设计的要求。这样制作不仅可以节省时间还原材料，而且也减轻了整个滑块的重折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作量，降低了制造成本。如图2-15所示:图2-15滑块组件立体图图2-16滑块侧面零件图改进后的滑块机构加入了滚轮这一新的结构，加入滚轮的目的是把滑块与横梁 之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小摩擦阻力；另外，还是为了避免滑块被电动机 在水平方向拽动时因为受力不均而导致滑块的上盖板与横梁卡死现象的产生。另 外，对如何确定竖直杆的安装问题，也进行了新的修改，首先用紧固螺钉把固定圆 柱与支撑板相连接，然后再用上盖板压紧在支撑板上，加强对于固定圆柱的固定。改进后的结构解决了如下的问题：（1）零件加工的复杂性；（2）加工供需得到了简化；（3）节省了原材料；（4）加入新的结构是运动更加容易实现；（5）去掉多余的材料减轻了机构的重量。滑块组件的主要零件：滑块的侧板X2,滚轮轴X4,滚轮X4, M3X2螺钉,M3螺母X10，支撑板，上盖板固定圆柱。2.4擦头组件的设计由于两个玻璃擦头是用磁铁之间的吸引力，使其吸附在玻璃表面上，因此擦头 的设计考虑的重点就是要轻便。玻璃擦头设计成一个盒子状，里面装有磁铁，清洗 液存储空间等。在盒子的表面贴有擦玻璃布，刮水板。制作这样一个盒子，首先需 要制作模具，然后才能做出塑料的玻璃擦头来。但是模具制作相当的昂贵，对于实 验阶段来说没有必要使用这种方法进行制作。对方案进行修改，把结构进行简化， 只保留最基本的构件，实现设计要求。另外还需要考虑的问题：（1）磁铁位置的确定：应给尽量把磁铁均匀的分布在玻璃擦头上，避免擦头在移 动过程中，由于磁铁位置摆放的不均匀，使得擦头受力不均匀造成擦头的翻 转，导致玻璃擦头从玻璃面上掉落。（2） 玻璃擦头的连接：擦头要运动起来，就必须与竖直杆的滑块相连。而且它们 之间的连接必须是刚性连接，不能产生滑块的移动擦头滞后移动的现像。这 个设计实现起来并不算困难，参照竖直杆固定在滑块组件上的方法。经过小组成员的讨论，在尽量减少擦头重量的前提下，设计擦头零件。如图 2-17所示图2-17擦头立体图擦头组件主要零件：擦头底板X2,磁铁X8,加固板（确保擦头连接件与擦头 底板之间的强度要求），擦头连接件（用于擦头组件与竖直杆的连接），擦玻璃布X2, 玻璃刮板X4。玻璃外侧擦头组件的设计以及结构基本与内侧擦头的设计基本相同，其结构图如2-18图所示图2-18外侧擦头的立体图28第三章零件材料的选取及其制作3.1支撑结构根据不锈钢管规格表（表3-1）,我们进行了初步的选取表3-1不锈钢规格表壁厚 mm0.6-0.9-1.3-1.7-2.3-3-4.6-5.6-7.6-9.1-12.1-16.1-外径 mm0.81.21.62.22.94.55.57.591216245-78-1011-1617-2526-3536-4546-5657-6566-7677-100L01-104备注：1灰色表示处表示有货2定尺关加8%-10%；范围定尺加5%o再根据现实情况进行选择，不锈钢材料表面光洁度高，擦玻璃器在使用过程中与水接触，为了增加其使用寿命。另外选择的材料一定要轻便。3.1.1横梁考虑到滑块组件在横梁上的定位，以及不能发生左右摆动的情况，因此选择16X16的不锈钢方管。技术要求：方钢两端口去除毛刺。根据设计要求：擦洗1mX1m的玻璃。用电锯从6000mm长的不锈钢方钢上锯下长800mm的方钢作为横梁，再用半圆形小锉刀去除方刚端口毛刺。实物图3-1图3-1横梁实物图考虑到实际情况：可以把横梁分为两段，中间设计一个连接两段横梁的零件， 把横梁拼接起来，这样就可以根据不同规格的玻璃窗框选用不同长度的横梁。如图3-2所示:图3-2横梁组装件3.1.2竖直杆件竖直杆在设计中要求比较小，没有特殊的要求，只是起到引导的作用。选择016 的不锈钢管。技术要求：圆管两端去除毛刺。用电锯从长6000mm的不锈钢圆管上切下1100mm长的圆管，用半圆锉去除两端 的毛刺。然后用小型钻床(MINI DRILL-1H )在距竖直杆底端850mm处打小4的圆 孔，依次间隔6mm继续打24个4的圆孔。其作用是用来固定竖直杆上定滑轮的位置。 如图3-3所示。图3-3竖直杆实际图3.2定位结构因为横梁的尺寸应经确定，连接螺纹要插入到衡量之中，所以其设计尺寸应给 依照横梁尺寸。详细设计尺寸见CAD图。3.2.1连接螺钉的制作连接螺钉材料：选取45#18*18的方钢连接螺钉的工艺流程：1. 铣出16*16直四棱柱140mm换用四抓卡盘装卡四棱柱一端；2. 平端面车倒角为1*1；3. 车直径为10.5的外圆，长度50mm；4. 换用尖刀粗车螺纹；5. 精车螺纹；7.距端面50mm处铣长度为40mm，棱长为13mm。图3-4连接螺钉实物图3.2.2螺纹套筒的制作螺纹套筒材料：选取45#直径为18mm的材料。 螺纹套筒的工艺流程：1 .平端面。2.粗车外圆直径为16.5mm。长度为53mm3 .精车直径为16mm4.打直径为11.5的孔5 .粗车直径为12mm的内螺纹6. 车倒角1*17. 换刀，距端面50mm处切断8. 掉头装卡，车倒角1*1图3-5连接螺钉与螺纹套筒连接的实物图3.3滑块组件的制作根据实验室现有材料，选择既能满足强度要求又轻便的有机玻璃为原材料。因 为滑块组建需要进行组装，所以零件在制作上有一定的精度要求。在老师的帮助下, 使用北京精雕雕刻机。3.3.1应用雕刻机加工滑块侧板零件图3-6滑块侧板折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作根据已经设计好的尺寸在精雕软件上画图。1. 打开精雕软件JDPaint V5.20；2. 在工具栏选择“绘制”选项中的“直线”功能键，如图3-7所示:文件(E)视图绘制(囚编辑旧|变换(引专业功能G咨Q.点回直綾(DCtrl+QIII I 1 1 1副瞄)Ctrl+Aii80Iii样条Ctrl+P原多义賤(力Ctrl+Wabc圆(QCtrl+L椭圆E()8矩形Ctrl+T0正多边形(句星形A:双蛔珞箭头(此公式曲綾(E)E曲面上賤(U)电:三雜曲賤(也0图3-7选取软件中的直线功能3.在画直线时，分别输入直线的端点和起点：(0, 0) (68, 0) (68, 35) (46,35) (46, 31) (22, 31) (22, 35) (0, 35) (0, 0),通过输入坐标点， 画出零件的外轮廓图。如图3-8所示：图3-8滑块侧板外轮廓374. 在工具栏选择“绘制”选项中的“圆”功能键；5. 在画圆时，分别输入圆的圆心坐标和圆的半径：(6, 5)半径为1.5, (24, 5)半径为1.5, (44, 5)半径为1.5, (62, 5)半径为1.5, (6, 30)半径为1.5,(62, 30)半径为1.5,画出零件重要进行钻孔的。图形如图3-9所示:图3-9滑块侧板外轮廓以及钻孔位置6. 把整个图形选中，拖动到蓝色框体的左下角，鼠标左键选中所画图形的外轮廓，然后选择工具栏“刀具路径”中“路径向导”选项。如图所示:图3-10道具路径的选择7. 选择“轮廓切割”，左边复选框中“半径补偿”选择“向外偏移”，“雕刻深 度”输入4 (因为有机玻璃板的厚度为4mm,需要把整块板切下来，所以 雕刻深度选择4mm),其它选项均为默认值。如图3-11所示：图3-11雕刻参数的设制8. 单击下一步，选择平底刀型号为JD-3.00，其它选项为默认值；9. 单击下一步，选择材料为有机玻璃板，主轴转速12000,进给速度1.2,吃 刀深度1（对于吃刀深度的设定一定要注意，深度越大对于刀具的负荷越大 越容易降低其使用寿命）其它选项为默认值；图3-12切削参数的设制10.单击下一步，然后选择完成。出现如图3-13所示的图形;图3-13滑块侧板外轮廓走刀路径图11. 选择工具栏“刀具路径”中“输出刀具路径”选项（选中图中的蓝色路径）, 然后保存在任意的位置。系统后弹出提示对话框，选择“拾取二维点”， 其坐标点应该选取图形的左下角（如图3-14所示）。选取完毕后，提示雕 刻此图形的路径条数，点击确定完成绘图。图3-14选取二维点12. 双击打开刚刚保存的文件，程序启动后先选择“渲染”再选“仿真”。软 件就会对所画的图形进行仿真操作，检验是否有错误，生成仿真图形。如 图3-15所示：图3-15滑块侧板外轮廓仿真图13. 选择图形中所画的五个圆圈（按住Shift连续选取），然后选择工具栏“刀具路径”中“路径向导”选项，选择“区域粗雕刻”雕刻深度4。如图3-16所示:图3-16钻孔雕刻参数14. 单击下一步，选择平底刀型号为JD-1.50,其它选项为默认值;15. 单击下一步，以下步骤与3-10步骤相同。其仿真图如图3-17。图3-17滑块侧板钻孔仿真图注明：制作这个零件需要选取不同的加工方法，要分步加工，所以就要编写 两部分的程序。3.3.2雕刻机操作流程1 .开机预热40分钟（ALT+H）选择打开界面上的自动预热功能。2. 进入EN3D6.40，打开刚才已经存储好的文件，用鼠标全选文件，选择菜 单中的加工按钮，选择路经光顺处理选项，然后按F1加选，选择加工。3. 设置加工参数：主轴转速（12000r/m）,进给速度（1.4m/min）,落刀速度（1.2m/min）o4. 然后在加工材料上校对起刀点的位置：左、右键调节X方向；上、下键调节Y方向；Alt+D调节-Z方向；Alt+u调节Z方向；PgUp增大X、Y 方向步长;PgDn减小X、Y方向步长;Ctrl+PgUp增大Z方向步长;Ctrl+PgDn 减小Z方向步长；在对轴进行对刀时，当刀具接近材料表面时应减小Z方向的 步长以免撞刀：F8拾取Z轴起刀点，选取当前位置；F9拾取X、Y轴起刀点，选 取当前位置。5. 为了保证加工的正确以及安全，首先要进行一次试加工即先调整一下雕 刻深度为-5使走到路径在材料的上方进行一次试走刀。6. 当所走路径和预期的效果一样此时在进行真正的加工，雕刻深度改为0， 择开始按钮然后再谈出的对话框中按回车（继续加功）等到加工完成为止。应用相同的方法制作支撑板，上盖板以及侧板滑块组件。图3-18滑块侧板实物图图3-19滑块侧板实物图图3-20滑块侧板零件图3.3.4固定圆柱制作固定圆柱材料：选取45#直径为18mm的材料。1 .平端面；2.粗车外圆直径为13.5mm。长度为23mm；3 .精车直径为13mm；4. 车倒角1*1；5. 换刀，距端面20mm处切断；6. 掉头装卡，车倒角1*1；7. 在钻床上打直径为4的孔。3.3.3滚轮的制作滚轮材料：选取45#直径为18mm的材料。滚轮的工艺流程：1 .平端面；2.粗车外圆直径为8.5mm。长度为20mm；3 .精车直径为8mm；4. 车倒角1*1；5. 换刀，距端面17mm处切断；6. 掉头装卡，车倒角1*1；7 .在钻床上打直径为3的孔。图3-21滚轮零件图3.4擦头组件的制作3.4.1擦头底板的制作在擦玻璃器的组装和实验过程中，我们发现之前设计的擦头组件中磁铁位置的 设计不够理想，其磁力不能满足设计要求。因此对擦头的结构进行了改进，在擦头 底板的中间位置另行设计了安放磁铁的位置，其结构如图所示：折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作46图3-23安装磁铁的结构图图3-22擦头底板结构图图3-24擦头正面总体装配图图3-25擦头底板零件图1. 应用雕刻机软件制作擦头底板的外形图3-26擦头底板的凹槽仿真图2. 应用雕刻机加工出实际的零件；3. 应用小型钻床(MINI DRILL-1H)在擦头底板的中心位置钻中4孔;4. 在擦头底板上安装磁铁；5. 在擦头地板上安装刮擦以及擦玻璃布。3.4.2滑块套筒的制作材料的选择：016和小19的不锈钢管。制作过程：1. 分别用电锯锯长019圆管70mm和016圆管55mm；2. 用电动砂轮把016圆管的一端打磨一个圆弧；3. 用氩弧焊将两个圆管焊接在一起。图3-27滑块套筒实物图图3-28滑块套筒实物图第四章机构控制方案的设计4.1擦头行走路线的设计方案一：在机构设计中已经基本确定了电动机的安装位置，因此擦头的行走路 线基本已经确定。其行走路线如图4-1，擦头呈S型行走路线，这样可以节省擦头的 行走长度，减少电动机的转动次数，节省时间。不仅如此，对于控制程序的设计也 可简便许多，易于设计。但是这样设计也存在着一个缺点，当擦头在玻璃的最上边 移动时，其移动力全部由横梁上的滑块的移动来提供，滑块与擦头之间最大距离约 为900mm,这样就会对横梁上的滑块产生相当大的力臂，因此会对滑块的运动产生 影响，可能会导致电动机的功率不够，无法达到预期的结果。方案二：擦头行走路线如下图所示：擦头的行走路线相比于方案一的路线稍微复杂了一些，擦头从玻璃的下方行走 到上方时并不进行横向的移动而是按照原来的路线再次返回到下方，然后再经行横 向的移动。这样做虽然增加了擦头的行走长度，增加了电动机的转动次数，延长工 作时间。但是这样的设计却能消除方案一中存在的问题，因为每次擦头的横向移动 都是在距离横上的滑块最近的地方进行的移动，只见的距离约为100mm,对滑块所 产生的力矩仅仅是方案一中力矩的1 /9，所受的力也会大大减小，对于电动机的要 求也就会降低了。图4-2擦头行走路线图相比于两种设计方案各有优缺点，方案一路径简单，节省时间，控制程序易于 编写。缺点是：结构受力较大，对于结构的强度有很高的要求，不利与机构运功。 方案二行走路径复杂，不易于控制程序的编写，但是改进了结构的受力，减小对于 整个结构的强度要求。本设计选择方案二的设计方案。4.2控制程序的设计根据已经确定的行走路线，确定控制程序的编写。控制系统要完成的功能是：（1）自动控制玻璃擦头在水平方向及竖直方向的位置；（2）根据玻璃框的大小自动感知不需要提前设定擦头运动的极限位置；（3）自动控制擦头在极限位置，玻璃的边缘位置的运动；（4）完成玻璃清洗任务后自动控制擦头停止运行。采用行程开关作为传感器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产 中，将行程开关安装在相应的位置，当行程开关被碰触时，行程开关的触点动作， 实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电 器，它的作用原理与按钮类似。根据它的工作原理，其返回控制器的信号只有0和1 这两个信号，因此就可以作为对电动机的正反运动的控制。应用LLWIN V3.0软件进 行编程。控制程序图（见附录1）第五章装配与调试5.1装配过程5.1.1滑块组件的装配图5-1滑块的侧板图5-2安装滚轮轴图5-3安装滚轮图5-4安装固定侧板的螺钉图5-5安装滑块另一侧板图5-6安装支撑板47512擦头组件的装配图59安装固定圆柱图5-1擦头底板图5-11安装仿形磁铁折叠式玻璃自动清洁器机械结构的设计及制作56图5-12擦头磁铁固定板图5-13安装螺母以及固定圆柱图5-14安装擦头刮擦图5-15安装海面擦头5.1.3电动机位置的安放电机的固定位置也是一个难题，首先，要考虑电机的安装位置不能与擦玻璃器 的机构相干涉，其次，电机的传动系统要稳定，可靠。最后经过思考和讨论，决定 了电机的固定方法。本设计采用了一个相对简单的方法，就是用铁皮包裹电机在用螺丝固定到已有 的机构上，这种固定方法可以满足设计的要求，也能够承受电机的扭矩。选用二个 步进电机，电压为9V，选取两个行程过程开关分别放安装于擦头的上下两侧。两 个电机位置的确定：根据已经设计好的结构，电动机的位置也就基本确定了。为了 便于电动机的布线、固定以及容易实现电动机的传动本设计采用了一个相对简单的方法，就是用铁皮包裹电机在用螺丝固定到已有的机构上，这种固定方法可以满足 设计的要求，也能够承受电机的扭矩。具体固定方法如下图所示：1、三角支撑板，2、方形固定板，3、滑块，4、三角支撑板，5、方形支撑板，6、电机1图5-16 电机1的固定以上就是电机1的支撑结构的设计，考虑到支撑强度和电机的扭矩问题，所以 设计了方形固定板，而且三角支撑板也设计了凹槽，具体如图所示。图5-17三角支撑板图5-18三角支撑板零件图这样不仅可以加强支撑的稳定性，而且支撑的强度也提高了。5.1.4整体结构的装配装配过程：1.支撑结构，2.固定结构，3.滑块组件，4擦头结构。支撑结构主要 是依靠滑块组件结构的设计，因此滑块组件是首先安装的实物。在滑块的基础上安 装衡量与竖直杆，然后再安装固定装置，再在原来的基础上安装擦头组件和电动机 以及相应的布线。如下图所示：图5-19擦玻璃器总装配图5.2调试过程5.2.1零件装配过程的调试零件装配过程中的调试是本次设计中的一个重要过程，虽然在起初零件的设计 阶段已经考虑了到加工过程以及实际应用中的因素。但是，还有很多想不到的因素 只