XX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計璃清潔機器人的設(shè)計I摘　要本文在簡單介紹玻璃清潔機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基軟件 CAD 對四輪式風(fēng)壓吸附玻璃清潔機器人的本體機構(gòu)進行了設(shè)計，對一些關(guān)鍵部分進行了設(shè)計計算及校核計算，重點是爬壁機器人的移動結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算。采用四輪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單；采用風(fēng)壓吸附方式，利用螺旋槳對空氣的壓縮所產(chǎn)生的壓力將機器人壓在物體玻璃，避免了清晰機器人對壁面的局限，降低了控制難度；擦洗機主要由伺服懸吊系統(tǒng)、擦洗主機和由計算機控制系統(tǒng)組成；采用無人化擦洗，自動擦洗，自動供水，自動供擦洗液，單片機系統(tǒng)控制，操作人員只需通過鍵盤即可操縱擦洗機工作，而且在擦洗過程中，擦洗機能夠自動進行邊緣識別，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，一個電機驅(qū)動兩個后輪，后輪帶動前輪完成機器人的行走，使用直齒圓柱齒輪傳動裝置作為減速器；采用樓頂供電；機器人可以在水平面或者垂直玻璃直線行走。本機的擦洗效率較高，擦洗效果良好。關(guān)鍵詞：玻璃清潔機器人；風(fēng)壓吸附；齒輪機構(gòu)；刷洗；IIABSTRACTThis 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 checking 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 glass 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-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 floor; 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.Keywords: Glass cleaning robot; adsorption pressure; gear mechanism; brushing;III目 錄摘　 要 .......................................................................................................................................IABSTRACT.............................................................................................................................II第 1 章 緒論 ............................................................................................................................11.1 前 言 ..........................................................................................................................11.2 清潔設(shè)備的分類及工作原理 ....................................................................................21.2.1 按清潔方式分類 ..............................................................................................21.2.2 按發(fā)動機形式分類 ..........................................................................................31.2.3 按除塵系統(tǒng)分類 ..............................................................................................31.3 清潔機械的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢 ................................................................31.3.1 國外清潔機械的發(fā)展趨勢 ..............................................................................41.3.2 我國清潔機械的發(fā)展趨勢 ..............................................................................51.4 課題的研究設(shè)想 ........................................................................................................61.5 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑 ............................................................................................61.6 課題需要完成的任務(wù) ................................................................................................71.6.1 設(shè)計主要內(nèi)容 ..................................................................................................71.6.2 設(shè)計工作基本要求 ..........................................................................................8第 2 章 玻璃清潔機器人總體方案設(shè)計 ................................................................................92.1 清潔機器人的總體方案 ............................................................................................92.2 玻璃清潔機器人擦洗系統(tǒng)方案 ................................................................................92.3 玻璃清潔機器人爬行系統(tǒng)方案 ..............................................................................112.4 其它部分方案 ..........................................................................................................112.4.1 材料選擇 .........................................................................................................112.4.2 輪的潤滑問題 ................................................................................................112.4.3 軸承的潤滑問題 ............................................................................................112.5 本章小結(jié) ..................................................................................................................12第 3 章 玻璃清潔機器人主要零件設(shè)計 ..............................................................................133.1 直齒輪副的設(shè)計計算 ..............................................................................................133.1.1 齒面接觸疲勞強度計算 ................................................................................153.1.2 齒根抗彎疲勞強度驗算 ................................................................................16IV3.1.3 齒面靜強度計算 ............................................................................................173.1.4 齒根（抗彎）靜強度驗算 ............................................................................183.2 錐齒輪副的設(shè)計計算 ..............................................................................................193.2.1 基礎(chǔ)尺寸確定 ................................................................................................193.2.2 確定載荷系數(shù) K............................................................................................203.2.3 齒面接觸疲勞強度計算 ................................................................................203.2.4 齒根抗彎疲勞強度計算 ................................................................................213.3 本章小結(jié) ..................................................................................................................22第 4 章 玻璃清潔機器人擦洗系統(tǒng)設(shè)計 ..............................................................................234.1 擦洗機器刷洗部分設(shè)計 ..........................................................................................234.1.1 盤刷設(shè)計 ........................................................................................................234.1.2 滾刷設(shè)計 ........................................................................................................244.1.3 刷洗部分所用彈簧的設(shè)計 .............................................................................254.2 內(nèi)空心軸設(shè)計 ..........................................................................................................264.3 擦洗機主機滾輪的設(shè)計 ..........................................................................................264.4 主機上傳感器及行程開關(guān)的選擇 ..........................................................................274.5 復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................................................................................274.6 本章小結(jié) ..................................................................................................................28第 5 章 玻璃清潔機器人吸附系統(tǒng)設(shè)計 ..............................................................................295.1 采用風(fēng)壓吸附的意義 ..............................................................................................295.2 基本原理 ..................................................................................................................295.3 氣動計算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求 ..........................................................................295.4 風(fēng)壓部分力學(xué)計算 ...................................................................................................305.5 本章小結(jié) ..................................................................................................................31總結(jié) ........................................................................................................................................32參考文獻 ................................................................................................................................33致 謝 ....................................................................................................................................351第 1 章 緒論1.1 前 言環(huán)保是世界發(fā)展的主題，是每個城市關(guān)注的焦點，也是每個人的責(zé)任。近年來環(huán)保設(shè)備更是相繼而出，玻璃清潔機器人就是其中重要的環(huán)衛(wèi)設(shè)備之一。玻璃清潔機器人是一種集清潔、垃圾回收和運輸為一體的新型清潔設(shè)備。近年來，利用玻璃清潔機器人進行養(yǎng)護已經(jīng)成為一種潮流，在未來它將成為城市中一道亮麗的風(fēng)景線。從20世紀(jì)60年代我國研制生產(chǎn)清潔機械并投放市場使用的主要是以大型玻璃清潔機器人為主，造價高、費用大、維修困難等原因普遍使用有一定難度，且其造型對城市的美化和宣傳環(huán)保的作用并沒有完全表現(xiàn)出來，也沒有突出造型設(shè)計的人性化。而中小型玻璃清潔機器人的研制開發(fā)則剛剛起步，相對于發(fā)達國家，我國玻璃清潔機器人在銷售規(guī)模、技術(shù)水平、清潔效果等方面都存在一定的差距。 隨著公共環(huán)境衛(wèi)生、工廠清潔機械市場的迅猛發(fā)展，2005年之后，國內(nèi)清潔機開始呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。但與國外相比，國內(nèi)還停留在市場的初級發(fā)展階段。目前，許多國家研制的小型清潔機器人應(yīng)時而生。日本、美國、歐洲各大廠商競相開發(fā)，有些產(chǎn)品甚至很超前很微型。例如，有一種具有高效吸塵除灰功能的清潔機器人，可遙控也可自主運作，能轉(zhuǎn)向，躲避障礙物，有很高的實用價值，構(gòu)造上也很靈巧簡單美觀，可對家居、廠礦企業(yè)等進行清潔，幫助人們從繁雜的勞動中解放出來。在這方面，國內(nèi)的研發(fā)步伐較慢。我國已逐步進入現(xiàn)代化社會，靠人力掃把、鐵鍬、小車等陳舊、落后的清潔方式及設(shè)備，已不能滿足社會進步的需要。特別是現(xiàn)代化的工廠不斷建成，機關(guān)、小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校和公共場的清潔工作也越來越繁重，靠大型玻璃清潔機器人不能解決問題，嚴(yán)重干擾了人們的生活。因此急需開發(fā)一種成本低、節(jié)約人力物力、清潔效果良好的適應(yīng)院落、小區(qū)、小巷、倉庫、走廊等小區(qū)域場所的小型清潔設(shè)備。由于人們對環(huán)境污染問題越來越重視，燃油車在很大程度上受到限制。政府大力提倡綠色能源設(shè)備。近日國家出臺燃油含稅的政策，給電動清潔車帶來福音。小型清潔設(shè)備因其實用性強、 垃圾清潔率高 、污染小、成本底、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、維修方便等特點具有廣泛的市場前景和實用價值。為了解決人力清潔耗力大、效率低、危險性高、維修困難及汽車清潔費用高等問題而提出了本實用玻璃清潔機器人。該小型玻璃清潔機器人系統(tǒng)地總結(jié)了玻璃清潔機器人的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合未來的發(fā)展方向，以人性化、審美性和環(huán)保設(shè)計為立足點，基于人機工程學(xué)的設(shè)計理念，從人性化設(shè)計、功能區(qū)的布局和總體造型3個方面對玻璃清潔機器人進行了創(chuàng)新設(shè)計。其工作效率高，適用于校園、街道廣場、較大的院落、倉庫、狹窄的小巷、走廊等，可供鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上的2城市全能使用，本機自代垃圾箱，在推行時就將上的雜物卷進垃圾箱，方便快捷。玻璃清潔機器人的有益效果是，利用錐形盤狀滾刷與有一定角度將垃圾掃到車體底部的中間，再利用圓柱形滾筒平行相切產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，將上的垃圾通過滾筒的傳送帶送入垃圾箱，完成連續(xù)清潔任務(wù)。本機制造和使用成本低、投資小、使用廣泛、靈活、方便，適用于城市、城鄉(xiāng)、廣場、場區(qū)等非機動；清潔效率高、清潔力度大、操作簡單；不但能清潔垃圾，而且還可以對上的空氣介質(zhì)進行除塵凈化，既保證了的美觀，維護了環(huán)境的衛(wèi)生，延長了的使用壽命，又維持了的良好工作狀況，預(yù)防了交通事故的發(fā)生。本文具體介紹了玻璃清潔機器人的總體設(shè)計，并根據(jù)現(xiàn)在清潔機發(fā)展趨勢及我國國情詳細說明了設(shè)計的過程以及所應(yīng)用的參考文獻，并以圖例和數(shù)據(jù)表格來輔助說明設(shè)計的詳細內(nèi)容。此玻璃清潔機器人的設(shè)計過程涉及很多方面的知識，由于實踐等方面的不足可能會出現(xiàn)很多文字及內(nèi)容的不夠周全，謹(jǐn)請有關(guān)老師給予批評指正。1.2 清潔設(shè)備的分類及工作原理清潔設(shè)備按大小可分為大型清潔設(shè)備和中小型清潔設(shè)備。大型清潔設(shè)備主要是玻璃清潔機器人，由于本課題主要研究的是小型清潔設(shè)備，大型的清潔設(shè)備在此不再多述。而現(xiàn)有的小型清潔設(shè)備主要按清潔方式、發(fā)動機形式、除塵系統(tǒng)等分類。1.2.1 按清潔方式分類按清潔方式小型清潔機器可分為純掃式、純吸式和吸掃式三類。1、純掃式小型清潔機器純掃式小型清潔機器只是依靠位于清潔機器兩側(cè)的蝶形刷和位于清潔機器中部的滾筒刷的相互接力完成對的清潔。蝶形刷有很好的壓力調(diào)節(jié)裝置，可有效的清除的黏著物，提高清潔質(zhì)量。刷毛具有很好的強度與彈性，它的設(shè)置同時增加了掃路機的清潔寬度，加大了清潔面積。滾筒刷除了清清潔面的垃圾外還有將垃圾掃入車內(nèi)垃圾箱的作用。此掃路機所需功率小，操作簡單，其主要缺點是對塵土特別是細小顆粒的塵土清潔效果差清潔過程產(chǎn)生揚塵。2、純吸式小型清潔機器純吸式小型清潔機器的吸掃系統(tǒng)主要由風(fēng)機、風(fēng)道、吸塵嘴等組成。作業(yè)時發(fā)動機直接驅(qū)動風(fēng)機將落塵箱內(nèi)的空氣通過出氣管道輸送到吸塵罩內(nèi)，在吸塵罩內(nèi)產(chǎn)生漩渦氣流，罩內(nèi)的垃圾在氣流的沖擊下懸浮起來；在吸塵嘴的另一端有吸氣管道，在風(fēng)機的作用下將懸浮的垃圾隨氣流吸進落塵箱內(nèi)。此掃路機克服了純掃式清潔機器對塵土清潔不利的缺點，吸塵率較高，但它的缺點是不利于對馬路邊溝垃圾清除，在濕地上作業(yè)效果不好。33、吸掃式小型清潔機器吸掃式小型清潔機器汲取前兩類掃路機的特點，其清潔系統(tǒng)通過由蝶形刷和風(fēng)機、風(fēng)管道、吸塵嘴等組成。蝶形刷的設(shè)置加強了對馬路邊溝的清潔，將兩側(cè)的垃圾掃到吸塵嘴的工作區(qū)域，再由吸塵系統(tǒng)將垃圾吸入車內(nèi)的垃圾箱。此清潔機器工作效率高，適合任何環(huán)境的清潔，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。1.2.2 按發(fā)動機形式分類隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，以電瓶為原動力驅(qū)動不存在尾氣排放問題的電動小型清潔機器近年來越來越受到人們的青睞。此清潔機器采用無級變速系統(tǒng)根據(jù)路況自動調(diào)整清潔速度，工作效率高，工作時噪音比內(nèi)燃機要低得多，具有杰出的環(huán)保性能。且其傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，小巧靈活，有利于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。它的主要缺點是連續(xù)工作時間受到限制：通常工作一個班次以后（6-8小時），要對電瓶進行充電，因而每次作業(yè)后的維護時間比較長。 1.2.3 按除塵系統(tǒng)分類本次設(shè)計的玻璃清潔機器人是手推式機械濕刷式的，由機架、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、垃圾箱、垃圾傳送系統(tǒng)組成。其設(shè)置清潔的垃圾裝置，能連續(xù)清潔垃圾并自動將垃圾傳送到垃圾箱。該玻璃清潔機器人解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：用一臺電動機做動力，通過V帶帶動錐齒輪、齒輪、機體前面底部的滾刷轉(zhuǎn)動進行清潔；通過V輪帶動滾筒垃圾傳輸裝置，將滾刷清潔的垃圾輸送到垃圾箱里。其結(jié)構(gòu)是在機架的前車底安裝兩個可旋轉(zhuǎn)的工業(yè)腳輪作支撐，承載電機的重量，同時起到更好的轉(zhuǎn)向作用。前下部左右安裝一對大轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪上安著椎形盤狀滾刷。車體的前底面是一塊板狀底，底板的上半部是鐵板、下半部是橡膠板，底板的上部與垃圾傳送裝置相連，并用一個擋板結(jié)構(gòu)與垃圾箱相接，擋板與接觸；垃圾傳送裝置傾斜一定角度,由數(shù)根滾動條滾動帶動，其傳送帶上有數(shù)條倒鉤，以便更好的傳送垃圾，上端與垃圾箱相通。在機架的后面安裝一對可充氣的小車輪，方便行走，也可用來調(diào)整主刷與的距離；垃圾箱是安裝在機架后面，采用抽拉式的結(jié)構(gòu)形式，方便垃圾箱的抽出和垃圾的傾倒，省時省力。前面的側(cè)刷是圓錐型的，接觸面與有一定的角度，并與距離可調(diào)。清潔時主刷、側(cè)刷、垃圾傳送裝置同時運轉(zhuǎn)，進行連續(xù)清潔。側(cè)刷用來清潔路牙，將垃圾掃到主刷的清潔范圍內(nèi)，并可擴大清潔面積；主刷將垃圾掃到擋板架上，再掃到傳送裝置上，通過傳送裝置將垃圾送進垃圾箱。垃圾箱前端開口，以便傾倒垃圾。41.3 清潔機械的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢近年來，國內(nèi)外清潔機械的發(fā)展較快。國內(nèi)有廠家引進了國外先進吸掃式清潔機工作裝置的生產(chǎn)技術(shù)，與國產(chǎn)汽車底盤配套生產(chǎn)清潔機，大大提高了國產(chǎn)清潔機的技術(shù)性能。1.3.1 國外清潔機械的發(fā)展趨勢國外清潔機起步較早，技術(shù)較先進。早在 20 世紀(jì) 80 年代中期隨著國外公路的修建速度趨于平緩，公路養(yǎng)護工作在國外已提到格外重要的位置。為適應(yīng)養(yǎng)護工作需要，國外工業(yè)發(fā)達的國家開始將大量的資本和開發(fā)能力投向養(yǎng)護機械的研制生產(chǎn)，從而使國外養(yǎng)護機械得到了迅速發(fā)展。清潔軍的造型設(shè)計也是千奇百態(tài)，各具特色，大型、中型、小型玻璃清潔機器人的造型設(shè)計都得到了快速穩(wěn)定的發(fā)展。國內(nèi)爬壁機器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國研究和發(fā)展機器人始于七十年代初。1975 年在北京舉辦的日本科技展覽會上，川崎重工公司首先在中國展出了工業(yè)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研制機器人的浪潮。上海大學(xué)從1987 年開始在上海市科委和國家“863”的支持下，率先從事爬壁機器人的研究，此后，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)等單位也相繼在幕玻璃擦洗、高空檢查、鍋爐水冷壁檢測、大橋拉索涂裝和維護等領(lǐng)域開展研究。自 1988 年以來，上海大學(xué)先后研制了玻璃窗玻璃清潔機器人和球形爬壁機器人。前者采用多層框架式機構(gòu)，真空吸盤吸附，伺服電機驅(qū)動，但重量大，且沒有裝備擦洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動機構(gòu)，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤，設(shè)計者從滿足穩(wěn)定性和控制復(fù)雜程度的綜合，考慮到吸盤穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。此外，他們還在擦洗裝備和工藝做了較為深入的研究，并根據(jù)玻璃幕玻璃障礙的特點，開發(fā)了一種全方位越障機構(gòu)，大幅度提高了機器人的越障能力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國內(nèi)壁面移動機器人研究較早的單位，在國家“863”智能機器人的支持下，已經(jīng)先后開發(fā)出兩個系列共 5 個品種的爬壁機器人。較早完成的是輪式負壓吸附壁面爬行遙控檢查機器人，如圖 1.3 所示。該機器人采用雙輪進行驅(qū)動。主體下部是一個帶有驅(qū)動輪的滑動密封式負壓吸盤。擦洗機構(gòu)置于尾部，同時還設(shè)有卷揚機，支援小車等附屬設(shè)施。由于密封裝置采用柔性設(shè)計，對壁面的適應(yīng)能力較強，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運動，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。5圖 1.3 輪式負壓遙控機器人 圖 1.4 CLEANBOT-Ⅰ北京航空航天大學(xué)自 1996 年以來，在國家“863”計劃的大力資助下，先后研制成功了 WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機器人”、“吊籃式擦窗機器人”、 “藍天潔寶”等系列幕玻璃玻璃清潔機器人樣機。前三種均為全自動玻璃清潔機器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動機器人，機器人運動和功能統(tǒng)一。其中 CLEANBOT-Ⅰ的縱橫氣缸之間有一能做微小角度轉(zhuǎn)動的腰關(guān)節(jié)，以實現(xiàn)機器人運動方向的調(diào)整，如圖 1.4 所示。之后北航又推出藍天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機器人。2000 年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機器人，但重量小的多，僅有 20kg。該機器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動密封負壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動的雙車體結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001 年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進行作業(yè)?！八{天潔寶”屬于被動玻璃清潔機器人，使用大面積負壓吸盤吸附，利用風(fēng)機產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，具有很高的實用價值。香港大學(xué)和內(nèi)地大學(xué)合作，研制了一系列高樓擦洗爬壁機器人。Cleanbot-Ⅰ采用北航機器人原型，Cleanbot- Ⅱ采用了一種仿坦克的爬壁機器人原型設(shè)計。該機器人采用多個轉(zhuǎn)盤組成的吸附機構(gòu)和單鏈條爬行及轉(zhuǎn)向機構(gòu)，可以在玻璃幕玻璃和船殼等玻璃上連續(xù)爬行，并有一定的越障能力。1.3.2 我國清潔機械的發(fā)展趨勢我國環(huán)衛(wèi)機械起步較晚，已有的玻璃清潔機器人還是以大型玻璃清潔機器人為主，小型玻璃清潔機器人相對較少，并且有一些還是經(jīng)過改裝的小型玻璃清潔機器人，如將三輪摩托車的后部改裝為玻璃清潔機器人的箱體等等 ，其造型沒表現(xiàn)出對城市的美化和宣傳環(huán)保的作用，也沒有突出造型設(shè)計的人性化。總體而言，目前國內(nèi)玻璃清潔機器人生產(chǎn)企業(yè)還沒有專門的小型玻璃清潔機器人技術(shù)研發(fā)中心，研發(fā)資金投入也6較少，使得產(chǎn)品設(shè)計水平整體不高。目前隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展的勢頭，經(jīng)濟實力和消費能力越來越強，同時對節(jié)約成本的要求越來越高，政府把城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理和加強環(huán)境綜合治理納入城市政府的主要職責(zé)，積極推進了環(huán)境衛(wèi)生事業(yè)得到了快速發(fā)展。可以明確，借這些機會，全國范圍內(nèi)將掀起環(huán)衛(wèi)機械化市場快速發(fā)展的高潮。我們將在之前的技術(shù)基礎(chǔ)之上進行改進，把玻璃清潔機器人車型變得簡單輕便美觀，在增大承載容積和載荷能力的同時，降低清潔機的重量，提高使用壽命，減少噪聲，降低成本，使玻璃清潔機器人更加的人性化智能化，更加方便人們的使用，使其更加適應(yīng)時代的發(fā)展和人們的需求。因此，玻璃清潔機器人在國內(nèi)的發(fā)展前景是遠大的。由于擦洗工作環(huán)境及任務(wù)的特殊性，擦洗爬壁機器人的總體設(shè)計要求相當(dāng)苛刻。其總的設(shè)計原則是：減輕重量，降低造價，安全可靠，能適應(yīng)多種建筑物玻璃，且要有足夠高的擦洗效率。從擦洗機的工作環(huán)境來看，其主機可能有兩個發(fā)展方向：其一：適用于平整瓷磚和玻璃幕玻璃擦洗，它結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，屬小型輕量化。其二：適用于復(fù)雜玻璃，如階梯玻璃，壁面多窗戶的壁面擦洗，它的結(jié)構(gòu)、動作、控制都很復(fù)雜。其三：以壁面機器人為載體，配以專用的擦洗機構(gòu)，可以適應(yīng)不同壁面機構(gòu)。1.4 課題的研究設(shè)想?yún)㈤喯嚓P(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，高層建筑外玻璃擦洗機主要由伺服懸吊系統(tǒng)、擦洗主機和由計算機控制系統(tǒng)組成，設(shè)計中應(yīng)考慮為擦洗提供足夠的壓玻璃力、刷洗部件設(shè)計、擦洗液的噴灑和臟液體的收集、對左右邊緣和上下行程的識別、行走機構(gòu)和轉(zhuǎn)位機構(gòu)的設(shè)計，進行必要的設(shè)計計算。1.5 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑本課題要求是設(shè)計一種簡單，經(jīng)濟實用的玻璃清潔機器人，其關(guān)鍵問題就在于如何很好的實現(xiàn)清潔功能。尤其使傳動系統(tǒng)、整體結(jié)構(gòu)、工作裝置的設(shè)計。由于清潔器是一種出現(xiàn)比較晚的機械產(chǎn)品，因此在其設(shè)計過程中，不可避免的出現(xiàn)了很多未解決得難點疑點，總結(jié)其難點如下：由于玻璃清潔機器人是一新興產(chǎn)品，清潔功能的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)還不成熟，很難查到相關(guān)的資料。因此清潔功能的實現(xiàn)是設(shè)計工作的一個很大的難點。對掃盤高度固定不能很好地適應(yīng)不同的作業(yè)，垃圾體積的大小也受限；而且盤上安裝的小掃把的毛太硬，7與直接接觸，這樣會增大車與之間的摩擦力，如果是人力驅(qū)動，會使人覺得很費力，如果是電力驅(qū)動， 會增大能源的浪費， 都會使掃把和蓄電池的壽命減少。玻璃清潔機器人工作時所產(chǎn)生的二次揚塵污染、漏垃圾、噪音大和產(chǎn)品可靠性等方面也較難解決的問題。清潔范圍的大小不僅與玻璃清潔機器人的各部分的尺寸有關(guān)，并與它的總體設(shè)計構(gòu)形式有關(guān)。機構(gòu)太小工作效率就會降低，清潔范圍也就變小滿足不了要求，機構(gòu)太大則設(shè)備就會太大，從而增加轉(zhuǎn)彎半徑，使玻璃清潔機器人在城市中轉(zhuǎn)彎困難。還有防滑問題，因為該清潔車是通過輪子的轉(zhuǎn)動來帶動整個輪系的轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生作用。但是一旦光滑，輪子產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象，那么車內(nèi)的輪系就根本不會轉(zhuǎn)動，這樣清潔車就完全失去了作用。因此合理的選擇機構(gòu)的大小及機構(gòu)布置極為重要且比較困難。為了更好的了解所作題目，查閱已有文獻資料是十分重要的，由于玻璃清潔機器人的資料很少的。因此，在設(shè)計過程中，廣泛的搜集資料，并借鑒了清潔機器人的一些數(shù)據(jù)資料對我的設(shè)計工作起了很大的幫助。在這些文獻綜述中，詳細的介紹了清潔機器人的一般設(shè)計思路，如外形的設(shè)計，機器人的驅(qū)動方式如何，具體結(jié)構(gòu)等等，都對我即將所作的設(shè)計提供了很大的幫助，此外，為了更好的設(shè)計玻璃清潔機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在軸、帶、齒輪等重要元件的設(shè)計過程中保證其結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，又對機械設(shè)計等專業(yè)課本進行了系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，但還是有很多關(guān)鍵技術(shù)是專利項目，不會公布在資料之中的。所以，我參考用的資料并不能解決我在設(shè)計過程中所遇到的所有難點，有許多的問題是根據(jù)我自己的想法來做的。因為我的這些想法并不成熟，沒有太多的實踐性，所以，在解決一些棘手問題時并不能夠很好的解決。在今后的設(shè)計中，還需要通過實踐，對其一步一步的進行改進。1.6 課題需要完成的任務(wù)1.6.1 設(shè)計主要內(nèi)容本課題要求設(shè)計出的玻璃清潔機器人能完成普通清潔的功能。完成玻璃清潔機器人的方案設(shè)計以及結(jié)構(gòu)組成，并對玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)進行受力計算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力更加合理。其主要設(shè)計內(nèi)容為：1、電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計（電機電池的選擇與安裝） ；2、傳動系統(tǒng)的設(shè)計；3、帶傳動的選擇與設(shè)計；4、齒輪的選擇與設(shè)計；5、軸和軸承的設(shè)計；6、機架的設(shè)計；7、繪制玻璃清潔機器人的零件圖及裝配圖；88、完成設(shè)計說明書。1.6.2 設(shè)計工作基本要求1、結(jié)合設(shè)計題目，在老師的指導(dǎo)下廣泛查閱文獻，并擬定一份合理的設(shè)計任務(wù)書；2、根據(jù)參考文獻和課題要求，提出自己擬定的可行性方案，并寫出開題報告；3、按要求對玻璃清潔機器人設(shè)計的結(jié)構(gòu)與零件進行受力計算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力更加合理；4、和老師充分研討，列出論文編寫大綱；5、翻譯英文文獻；6、認(rèn)真撰寫論文，按時完成任務(wù)，準(zhǔn)備答辯；總的要求就是畢業(yè)設(shè)計結(jié)束后，能夠達到預(yù)定的目標(biāo)。9第 2 章 玻璃清潔機器人總體方案設(shè)計2.1 清潔機器人的總體方案根據(jù)玻璃清潔機器人擦洗作業(yè)的要求，機器人首先必須具備擦洗作業(yè)功能和控制功能，此外玻璃清潔機器人還必須在高層建筑物玻璃進行吸附和移動，因此玻璃清潔機器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機器人擦洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。主機主要由箱體，支撐架，防護罩，刷子，電機，螺旋槳吸附系統(tǒng)，齒輪傳動系統(tǒng)等組成。通過螺旋槳吸附系統(tǒng)使主機吸附在玻璃上，并使刷子壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉(zhuǎn)動，達到刷洗的目的。主機有一懸吊支撐架，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)螺旋漿轉(zhuǎn)速控制擦洗力，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，所有的擦洗裝置均安裝在該箱體上，擦洗系統(tǒng)由固定在懸吊支撐架上的步進電機通過齒輪傳動系統(tǒng)執(zhí)行以 90°為單位的轉(zhuǎn)動動作以實現(xiàn)橫洗和縱洗的轉(zhuǎn)換。箱體上有兩個圓盤形擦洗刷，盤刷底部都有十二個擦洗液噴射孔，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，以使擦洗過的部位快速風(fēng)干并避免留下來的擦洗液腐蝕玻璃。箱體上還有一電機通過錐形齒輪將轉(zhuǎn)動傳到其中一個盤型擦洗刷上，再通過齒輪傳動系統(tǒng)將轉(zhuǎn)動傳遞給另一盤刷，所以兩盤刷轉(zhuǎn)動方向相反，可以達到更好的擦洗效果，圓柱形滾刷是由電機尾部的軸通過V 帶驅(qū)動的。在懸吊支撐架上有防護罩，防止擦洗液四濺。清水，擦洗液，電機的供電和控制電纜都是是由復(fù)合纜供給的，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。通過調(diào)節(jié)配重塊可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡，以達到減小震動的效果。在擦洗機主體的上下部安放超聲波傳感器，以進行邊緣識別。箱體上裝有兩對滾輪，滾輪通過電機驅(qū)動，以實現(xiàn)前后移動，而轉(zhuǎn)向通過箱體的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。2.2 玻璃清潔機器人擦洗系統(tǒng)方案根據(jù)以上提出的技術(shù)性能及要求，初步確定擦洗方案如下：第一種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.1：此種方案采用負壓履帶吸盤式盤滾組合式擦洗，由于受到玻璃玻璃材料的影響較大，一般情況下，每兩塊瓷磚之間都有 4～5 毫米的縫隙，密封不可靠。10圖 2.1 結(jié)構(gòu)一 圖 2.2 結(jié)構(gòu)二第二種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.2：這種方案采用了風(fēng)壓式壓緊，盤滾組合式擦洗，擦洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中間傳動的需要，結(jié)構(gòu)不對稱,風(fēng)扇的中心與刷子的中心不重合，刷洗壓力不均勻，中心不穩(wěn)定，容易引起震動問題。但可以考慮配重問題。第三種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.3：圖 2.3 結(jié)構(gòu)三這種方案吸取了第二種方案的優(yōu)點，傳動的改變，使振動的問題減小，機體尺寸減小。這種方案為螺旋槳風(fēng)壓式高層建筑外玻璃擦洗機，其優(yōu)點是：① 在擦洗機外機架背后安裝可調(diào)吸附系統(tǒng)來提供連續(xù)均勻的擦洗力，螺旋槳可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制擦洗壓力；② 機架內(nèi)采用一擦洗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)裝置，方便的實現(xiàn)了縱橫兩不同擦洗方向的調(diào)整，減少非作業(yè)時間，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)合的擦洗方式，擦洗液和清水分別由盤刷和滾刷提供以達到最佳擦洗效果。綜合比較以上三種方案，根據(jù)設(shè)計要求，由于對于玻璃的壓力要求大，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，最后我決定用第三種方案。通過螺旋槳吸附系統(tǒng)使主機吸附在玻璃上，并使盤刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉(zhuǎn)動，達到刷洗的目的。旋轉(zhuǎn)的刷子的軌跡為包絡(luò)線，從而擦洗干凈玻璃。滾刷噴的是清水，將玻璃沖洗干凈，以避免留下來的擦洗機腐蝕玻11璃，同時盤刷和滾刷采用一個電機驅(qū)動，減小了擦洗主機的重量，清潔度提高，擦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間，以達到提高效率的目的。2.3 玻璃清潔機器人爬行系統(tǒng)方案本方案通過螺旋槳吸附系統(tǒng)使主機吸附在玻璃上，并使盤刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉(zhuǎn)動，達到刷洗的目的。旋轉(zhuǎn)的刷子的軌跡為包絡(luò)線，從而擦洗干凈玻璃。滾刷噴的是清水，將玻璃沖洗干凈，以避免留下來的擦洗機腐蝕玻璃，同時盤刷和滾刷采用一個電機驅(qū)動，減小了擦洗主機的重量，清潔度提高，擦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間，以達到提高效率的目的。2.4 其它部分方案2.4.1 材料選擇根據(jù)課題要求，總體重量越輕越好，由于使用擦洗液，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)過篩選與比較采用聚甲醛（均聚） ，見《金屬機械加工工藝人員手冊》P.244。本機的各個傳動軸均采用硬質(zhì)合金 LY11。螺旋槳材料選用尼龍 66 (聚己二酰己二胺)。機架的材料采用鋁合金。其他機件的選擇根據(jù)通常材料在重量最輕原則下進行確定。2.4.2 輪的潤滑問題由于齒輪的材料已確定為聚甲醛，據(jù)《機械工程手冊》 （第二版）2-369，其工作要求少潤滑或無潤滑， 。故不考慮齒輪的潤滑問題。2.4.3 軸承的潤滑問題大空心軸的轉(zhuǎn)速較低為 400r/min,鼓起潤滑方式應(yīng)為脂潤滑，潤滑脂為鈣機潤滑脂。注：以上潤滑脂的選擇見《非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計手冊》P.582。122.5 本章小結(jié)本章確定了設(shè)計玻璃清潔機器人的總體方案。根據(jù)作業(yè)環(huán)境，對機器人從擦洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大方面進行設(shè)計，選型和參數(shù)的確定。最后請教導(dǎo)師對設(shè)計的方案進行校正，以確定設(shè)計的可行性和穩(wěn)定性。13第 3 章 玻璃清潔機器人主要零件設(shè)計3.1 直齒輪副的設(shè)計計算電動機驅(qū)動的閉式直齒圓柱齒輪傳動，標(biāo)稱功率 P=1.5kW,小齒輪轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，傳動比 i=4.1 許有 4%的誤差,長時工作，預(yù)期壽命五年，每年按 200天計。工作有輕微沖擊，齒輪對稱布置。（1） 選材料確定初步參數(shù) 依據(jù)參考文獻[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，則大齒輪齒數(shù)為：1z23142.=×. i?園整，為使 u 為除不盡的數(shù)取 =129z（3） 齒數(shù)比 03.4219?z?驗算傳動比誤差， ×100%=1.7%允許1.403?（4） 選擇齒寬系數(shù) d 和傳動精度等級 查參考文獻[5]表 5-8 得齒寬系數(shù) d=0.275? ?初估小齒輪直徑 m8估1?則齒寬 m280751??.db齒輪圓周速度： ,/s.6/s601????n估查參考文獻[5]表 5-4 可選擇精度等級為 7 級,（5） 計算小齒輪轉(zhuǎn)矩 1T(5.1)16105.9nP??14mN1059150936 ??????...定重合度系數(shù) 、?ZY(5.2)????????21.38zε由公式(5.2)定重合度 =1.88-3.2×（1/32+1/129）=1.755?分別由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》中公式得= = =0.865?Z34?75.1=0.25+?Y6.0.20.???（6） 確定載荷系數(shù) 、HKF(5.3)βHαVAK =?1) 使用系數(shù) 由參考文獻[6]表 10-2 查表，取 =1.35A A2) 動載系數(shù) 由參考文獻 [6]圖 10-8 可查得， =1.14v v3) 齒向載荷分布系數(shù) ,由參考文獻[6] 圖 10-4 可取 =1.29?K?K4) 齒間載荷分配系數(shù) 、 根據(jù)條件?HF N/m10/6514N/m8025931231 ????..bdT FAtA查參考文獻[6]表 10-3 得 3.8.022???????????zKH=1/ Y =1/0.677=1.48F5) 載荷系數(shù) 、 由公式(5.3)可算得HK623419351.=×..=K=βHαVA?24.??../86./?HF153.1.1 齒面接觸疲勞強度計算（1） 確定許用應(yīng)力[ ]H?1) 總工作時間： h8052??ht2) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N 、N 由參考文獻[6]公式(10-13)及參考文獻[6]表 10-18 可計1算查得： 81 1027815060????.γnt=h 829.3.47uN3) 壽命系數(shù) 、 1NZ2由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》圖 8.2-17 取 =1 =11NZ24) 接觸疲勞極限 ： 2lim1liH?，由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》圖 8.2-13 取 =630MPa， =490MPa1limH?2limH?5) 安全系數(shù) ： HS參照《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》照表 8.2-13，取 =1HS6) 許用應(yīng)力[ ]、[ ]：1H?2由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》式(8.2-15)[ ]=1HMPaSZN6301lim???[ ]=2H49li（2） 彈性系數(shù) ：EZ由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》表 8.2-11， 取 =190EZMPa（3） 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ：H由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》圖 8.2-12，取 =2.5H16（4） 求所需小齒輪直徑 由《機械設(shè)計手冊 (第 5 版)》式（8.2-11）1d=??3212HdEHuZTK??????m5.64490.275.0)85.)((96.23 2??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 m9.162)(min10??uda園整取中心距 a =200mm2) 模數(shù) m 由中心距 a 及初選齒數(shù) 、 得1z248.93021????am按標(biāo)準(zhǔn)取 m=2.5mm3) 分度圓直徑 、1d2=m z =2.5×32=80mm1d=m =2.5×129=322.5mm 取為 =320mm2z 2d4) 確定齒寬 取大齒輪齒寬 =b=22mm,小齒輪齒寬 =32mm2b1b3.1.2 齒根抗彎疲勞強度驗算（1） 求許用彎曲應(yīng)力 ??Fσ1) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由以上計算可得1N2807??.F ×.=NF107922) 壽命系數(shù) 、 取 = =1 1NY21NY23) 極限應(yīng)力 、 limF?li17由圖 9-21 ?。?=220MPa =170MPa1limF?2limF?4) 尺寸系數(shù) 由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》圖 8.2-26，取 =1xY xY5) 安全系數(shù) 參照《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》表 8.2-13，取 =1.5FS FS6) 許用應(yīng)力 、 由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》式(8.2-20)，許用彎曲應(yīng)??1?2力：=1F MPa2935.1021lim???FxNSY=??2F?7.2liFx（2） 齒形系數(shù) 、 1aY2由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》圖 9-19，?。?=2.51FaY=2.152（3） 應(yīng)力修正系數(shù) 、 1saY2s由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》圖 9-20，?。?=1.631saY=1.822s（4）校核齒根抗彎曲疲勞強度 由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》式（8.2-17） ，齒根彎曲應(yīng)力 ??1311 MPa2.367.01.25.80294.2 FsaFFYmbdTK ??? ?????? ??212 Pa863FsaFF σ...σ ??抗彎疲勞強度足夠。3.1.3 齒面靜強度計算(1) 確定許用接觸應(yīng)力 ：??maxH?參照《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》表 8.2-13，取靜強度安全系數(shù) 1.??HS18由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》圖 8.2-17，取壽命系數(shù) 6.121??NZ于是由《機械設(shè)計手冊(第 5 版)》式(8.2-21) ，許用接觸應(yīng)力（大輪較低）?? MPa7164902max ..SZσHNH????(2) 校核齒面靜強度