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基于遥控技术的家用吸尘器设计【全套CAD图纸和毕业答辩论文】

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关键词：: 基于遥控技术家用吸尘器设计全套 cad 图纸以及毕业答辩论文

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摘要

利用三维软件，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成吸尘器的结构设计及特定零件的模具设计。主要内容包括吸尘器主题元素的确定、运用Pro/Engineer对产品进行造型、产品渲染、某个零件的模具、运用CAD结合Pro/Engineer绘制加工图纸、设计总结。

关键词：Pro/E CAD 结构设计模具设计吸尘器

Abstract

Using three-dimensional software, integrated use of the basic theory, basic knowledge and mechanical design expertise to complete the structural design of the humidifier and the specific parts of the mold design. The main contents include the determination of the the humidifier theme elements, the use of Pro / Engineer product modeling, product rendering, a part of the mold, the use of CAD combined Pro / Engineer drawing processing drawings, design summary.

Keywords:Pro/E CAD Structural design Mold design Humidifier

摘要 II

Abstract II

目录 III

第1章绪论 6

1.1问题的提出及研究意义 6

1.1.1问题的提出 6

1.1.2研究的意义 6

1.2国内外研究现状 8

第2章吸尘器工作原理 11

2.1吸尘器分类 11

2.2吸尘器原理 12

第3章遥控技术的家用吸尘器外形设计 13

3.1 产品外形设计 13

3.2 外壳设计 13

3.2.1 材料选择 13

3.2.2 结构设计 14

第4章全自动吸尘器结构设计 16

4.1 小车行走结构设计 16

4.1.1车体结构方案的比较与选择 16

4.1.2小车驱动电机功率的确定 17

4.2 蜗杆副的设计计算 20

4.2.1 蜗杆的选型 20

4.2.2 蜗杆副的材料 21

4.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 21

4.2.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸 24

4.2.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 25

4.3 车轮部位电机选择 25

4.4 本章小结 26

总结与展望 28

参考文献 29

致谢 30

总结 32

参考文献 33

致谢 34

第1章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.1.1问题的提出

随着科技的发展，人们的生活越来越好，可是周围的环境却越来越坏，净化空气就变得非常重要了。俗话说凡事要从自己做起，所以应该首先净化我们自己的生活环境，即室内环境。而吸尘器、吸尘器和空调器等家用电器，都是人们用来创造人工气候环境的现代化家庭基本设备。

吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具，传统的用具清扫房间往往不能将家里的微细尘埃清扫干净，尘埃总是从一处转移到另一处，尤其是地毯﹑窗帘等处的灰尘就更难以清除，利用吸尘器来做清洁工作就无此弊。吸尘器不但可以清洁地面，也可以用来清洁一般的器具难以清洁的地方，如沙发，墙壁等。

吸尘器在工作时要经过起尘、吸尘和滤尘三个阶段。吸尘器一般包括吸尘器电机和风机（电机多为串激整流子电动机、风机是离心式风机）、机身、吸尘管（手持式吸尘器的机身和吸尘管常联为一体）控制电路、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的电机工作功率为400-1000W，体积大一些的吸尘器的功率更高一些，而便携式吸尘器的功率则一般为250W 以下，吸尘器工作时靠电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差；在此压差的作用下，吸尘器吸入含灰尘的空气，并经滤尘器过滤，排出清净的空气。负压差越大风量越大，则吸力也越大，而这时的电机工作功率也就越高。所以吸尘器也叫真空吸尘器。真空吸尘器由于应用广泛，特别是为了可以用于不同的场地和场所，需要配置不同规格的吸头，这样可分别用来清除地毯、衣物、沙发、各种物品及电子仪器上的尘屑，使用十分方便。当然，也有一些是专门设计或专用型吸尘器。

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内容简介：: XX 大学毕业设计 (论文 )基于遥控技术的家用吸尘器设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日II摘要利用三维软件，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成吸尘器的结构设计及特定零件的模具设计。主要内容包括吸尘器主题元素的确定、运用 Pro/Engineer 对产品进行造型、产品渲染、某个零件的模具、运用 CAD 结合Pro/Engineer 绘制加工图纸、设计总结。关键词：Pro/E CAD 结构设计模具设计吸尘器IIAbstractUsing three-dimensional software, integrated use of the basic theory, basic knowledge and mechanical design expertise to complete the structural design of the humidifier and the specific parts of the mold design. The main contents include the determination of the the humidifier theme elements, the use of Pro / Engineer product modeling, product rendering, a part of the mold, the use of CAD combined Pro / Engineer drawing processing drawings, design summary.Keywords:Pro/E CAD Structural design Mold design HumidifierIII目录摘要 IIABSTRACT.II目录 .III第 1 章绪论 .61.1 问题的提出及研究意义 .61.1.1 问题的提出 .61.1.2 研究的意义 61.2 国内外研究现状 .8第 2 章吸尘器工作原理 .112.1 吸尘器分类 .112.2 吸尘器原理 .12第 3 章遥控技术的家用吸尘器外形设计 .133.1 产品外形设计 133.2 外壳设计 133.2.1 材料选择 .133.2.2 结构设计 .14第 4 章全自动吸尘器结构设计 .164.1 小车行走结构设计 164.1.1 车体结构方案的比较与选择 .164.1.2 小车驱动电机功率的确定 .174.2 蜗杆副的设计计算 204.2.1 蜗杆的选型 204.2.2 蜗杆副的材料 214.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 214.2.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸 24IV4.2.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 254.3 车轮部位电机选择 254.4 本章小结 26总结与展望 .28参考文献 .29致谢 .30总结 .32参考文献 .33致谢 .346第 1 章绪论1.1 问题的提出及研究意义1.1.1 问题的提出随着科技的发展，人们的生活越来越好，可是周围的环境却越来越坏，净化空气就变得非常重要了。俗话说凡事要从自己做起，所以应该首先净化我们自己的生活环境，即室内环境。而吸尘器、吸尘器和空调器等家用电器，都是人们用来创造人工气候环境的现代化家庭基本设备。吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具，传统的用具清扫房间往往不能将家里的微细尘埃清扫干净，尘埃总是从一处转移到另一处，尤其是地毯窗帘等处的灰尘就更难以清除，利用吸尘器来做清洁工作就无此弊。吸尘器不但可以清洁地面，也可以用来清洁一般的器具难以清洁的地方，如沙发，墙壁等。吸尘器在工作时要经过起尘、吸尘和滤尘三个阶段。吸尘器一般包括吸尘器电机和风机（电机多为串激整流子电动机、风机是离心式风机）、机身、吸尘管（手持式吸尘器的机身和吸尘管常联为一体）控制电路、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的电机工作功率为 400-1000W，体积大一些的吸尘器的功率更高一些，而便携式吸尘器的功率则一般为 250W 以下，吸尘器工作时靠电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差；在此压差的作用下，吸尘器吸入含灰尘的空气，并经滤尘器过滤，排出清净的空气。负压差越大风量越大，则吸力也越大，而这时的电机工作功率也就越高。所以吸尘器也叫真空吸尘器。真空吸尘器由于应用广泛，特别是为了可以用于不同的场地和场所，需要配置不同规格的吸头，这样可分别用来清除地毯、衣物、沙发、各种物品及电子仪器上的尘屑，使用十分方便。当然，也有一些是专门设计或专用型吸尘器。1.1.2 研究的意义近年来，每到换季的时候， “流感”就像“瘟疫”一样悄然而至，使许多人“弱不禁风” ，在流感病毒的袭击下病倒了。于是人们想方设法预防流感。但效果总是不尽如人意。为什么流感发病率呈逐年上升趋势？如何能防患于未然呢？7医学工作者对流感的发病原因和预防作了长期、深入的调查研究。1999 年，日本名古屋大学健康环境医学系教授须藤千春发表了一份关于空气湿度与人体健康的关系的研究报告，在学术界引起广泛的关注。该研究发现：近 30 年来，随着全球气温的逐年升高，空气湿度在逐年下降，流感、支气管哮喘、过敏性皮炎、肺气肿等疾病的发病率比 30 年前提高 30以上；这些疾病高发是人们自幼年起，长期生活在湿度较低的环境里，肌体免疫力低下造成的。肌体免疫力下降会使人处于一种“亚健康状态” 。 “亚健康”是一种处于健康与生病之间的状态，这种状态不易引起人们的注意，但是医学研究表明，亚健康状态的人较之健康的人身体抵抗力弱，更易受到病毒和细菌的侵害。近年流感多发与空气湿度较低有着密切的关系。温暖、干燥易于细菌、病毒的滋生和传播，抗流感应以预防为主，营造健康的室内湿度，提高人体的免疫力，是切实可行的预防流感的方式。人们可采用吸尘器改善室内空气湿度，创造健康的生活环境。因此本设计是有一定的使用价值的。今年来,随着中国工业的快速发展,吸尘器的产销量也大幅增加,在我国市场具有旺盛的生命力。随着设会的进步和发展,人们的物质和精神生活质量的提高,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁,因此具有广阔的市场前景。目前在欧美日等发达国家,吸尘机器人开发较早,应用范围也较广,近两年来,已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。澳大利亚某公司研制出可自动行驶并打扫房间的型机器人这种全自动吸尘器表面光滑,体积很小,呈圆形,内置搜索雷达,可以搜索各种房间里的每一处,不会碰撞家具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。只要将全自动吸尘器放在地面上,它便可自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽;然后再不规则地来回移动于房间的其它位置,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围配备了障碍物传感器,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面;当打扫完可以行驶的场所后,机器人就自动关闭电源。不管房间的外形及面积的大小、导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作,因为机器人导航沿房间的周围,所以它要创建自己的空间参考图,机8器人不需要任何编程“教它应该去哪里” 。该机器人操作简单,仅有个按钮:开始、结束以及暂停,人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中,按下开始按钮即可。国内目前也已开始有关的研究开发工作,特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取得了一定的成就,为研究开发吸尘机器人奠定了技术基础。吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此,该吸尘机器人如能大批量生产使成本降低,以低价格进入市场,将会具有巨大的市场前景,有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的是服务机器人。1.2 国内外研究现状湿度传感器产品及湿度测量属于 90 年代兴起的行业。随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水分值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。工业吸尘器在中国的发展是在改革开放之后，真正的大发展是上世纪 90 年代后期。目前，常用的吸尘器有挥发式、蒸发式和雾化式三大类。它们的核心部件分别为离心电动机、电热元件和超声波发生器。挥发式吸尘器通过离心电动机的高速旋转所产生的负压将水吸到旋转的扩散盘上，并且靠离心力将扩散盘上的水扩散到空气中。蒸发式吸尘器是利用电热元件将水加热至 60 以上使水分子能够克服水面张力的束缚而蒸发到空气中。超声波吸尘器则利用具有压电效应的换能器把高频脉动电信号转换成高频机械振动，产生 1.72MHz 的高频振动，用以造成剧烈的水滴撕裂，将水雾化成超微细粒，并且被电风机吹散到空气中去，以便调节有限空间的湿度。然而，这些吸尘器的加湿度还没有直观的定量指示和报讯装置，只能依靠人体感观的经验去手工调控加湿度。尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果,但成本过高和许多关键技术问题急待解决。目前,价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素,为了大幅度降低其成本,必须开发智能传感器、专用运动控制的数字处理芯片;其次,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理成本转移到用户的个人电脑上,则有望在短期内将吸尘机器人的成本降低在千元左右。未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展,因此必须结合现有的基于9自适应控制、预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术,研究对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法,是在现实环境中实现具有良好的自适应性和鲁棒性行为的机器人的关键。电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一,除了为机器人运动、吸尘及控制电路提供能量外,还需优化自动充电方案,保证机器人能及时进行充电,能够自动完成对指定环境的吸尘任务。在研究提高化学电池使用寿命、缩小体积的同时,一种新兴的质子交换膜燃料电池具有功率大、能量高、寿命长和体积小等优点,为移动电源提供了一种合适的电源,目前,上海某大学燃料电池研究所在这方面进行着有益的尝试。随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进,相信在现有的软硬件条件的基础上,未来几年内就会推出价格适中的全自动吸尘机器人产品,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。11第 2 章吸尘器工作原理2.1 吸尘器分类吸尘器从使用方面来讲可分为工业用吸尘器和家用吸尘器两个大类。按工作原理可分为超声波式吸尘器、直接蒸发式吸尘器、电热式吸尘器、电极式吸尘器、光波式吸尘器、离心式吸尘器和复合式吸尘器。1.按形状大小分类（1）立式：呈圆桶形或方形居多，分上、下两部分，上部装有电机，是动力部分，下部为集尘箱。（2）卧式：长方形或车型状，有前后两部分，前部为集尘箱，后部为电机部分。（3）便携式，它一般有五种形式1) 肩式：体积较小，使用时背在肩上，小功率输出。2) 杆式：形状似杆，上端为把手，下端为吸嘴，小功率输出。3) 手提式：体积更小，可直接握在手中使用，小功率输出通常用干或蓄电池做电源。4) 微型式：多用电池供电，体积更小，多用于清洁衣物、仪器等，微功率。5) 无绳式: 吸尘器拖着长长的电线 , 极易纠缠不清。倘若是无绳式的吸尘器，则可以避免上述情况的发生。2.按功能分类按功能大致有以下种：干式干湿两用式地毯式及打蜡吸尘式。干式吸尘器就是上面介绍的几种吸尘器。干湿两用式吸尘器具有与干式吸尘器相同的性能和用途，此外还能吸取肥皂之类的液体或多水性泡沫污物。地毯式主要用于地毯的清洁。打蜡式吸力较差，主要以打蜡为主。3.按电器安全分类（1）类吸尘器，额定电压超过 42 伏，只有基本绝缘。（2）类吸尘器，额定电压超过 42 伏，全部为双重绝缘，当基本绝缘破坏时，还有一层补充绝缘作用。（3）类吸尘器，额定电压低于 42 伏，避免了触电危险。122.2 吸尘器原理1吸尘原理。吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。这样不妨与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。2、吸尘器的原件。所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯使用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。3喉管：所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管及附件。4电动刷：内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件。5圆刷头：也较小吸嘴，可做 360*回转，方便清洁家具、精细网织物等。6扁吸嘴：又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴。特别适用于清洁墙边、辐射式暖片、角落及浅窄地方。7扫尘刷：用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为 400-1000W 或更高，便携式吸尘器的功率一般为 250W 及其以下。吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒 500 圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，再由机体尾部排出。吸尘器的工作原理是吸尘器电机高速旋转,从吸入口吸入空气,使尘箱产生一定的真空,灰尘通过地刷、接管、手柄、软管、主吸管进入尘箱中的滤尘袋,灰尘被留在滤尘袋内,过滤后的空气再经过一层过滤片进入电机,这层过滤片是防止尘袋破裂灰尘吸入电机的一道保护屏障,进入电机的空气经电机流出,由于电机运行中碳刷不断的磨损,因此流出吸尘器前又加了一道过滤。过滤材料越细密就可以将空气过滤得越干净,但透气度就越差,这样影响了电机吸入的风量,降低了吸尘器效率。但是对用户而言,舒适干净是主要的,因此近年来流行叫“海帕”的过滤器。海帕是外来名,它是一种高效过滤器,可以将极小的灰尘挡住,效率达到99.97%。它的透气度是较低的,因此都做成波浪形以增加透气面积。这种过滤材料有的还可以反复清洗。任何过滤材料都有“寿命”,也就是长期使用后过滤材料的微孔已被小颗粒灰尘堵死。因此纸质的尘袋是比较理想的,用后即弃,卫生又方便。布质滤尘袋清洗后纤维会板结,影响过滤效果和透气效果。SMS 三层复合过滤材料耐洗,但透气度稍低。13第 3 章遥控技术的家用吸尘器外形设计3.1 产品外形设计本次设计的为空气吸尘器，采用超声波吸尘器。此种吸尘器通过换能片产生的超声能量直接作用于水，而水在强烈的超声空化作用下被雾化。雾化的微细水颗粒，经过独特的风道吹送至增湿空间，水雾粒子与流动空气进行热湿交换，达到等焓加湿空气的目的。3.2 外壳设计3.2.1 材料选择塑件的选材应考虑以下几个方面，以判断其是否能满足使用要求。（1）、塑件的力学性能，如强度、刚性、韧性、弹性、弯曲性能、冲击性能以及对应力的敏感性。（2）、塑料的物理性能，如对使用环境温度变化的适应性、光学特性、绝热或电气绝缘的程度、精加工和外观的完美程度等。（3）、塑料的化学性能，如对接触物（水、溶剂、油、药物）的耐性、卫生程度以及使用上的安全性等。（4）、必要的精度，如收缩率的大小及各向收缩率的差异。（5）、成型工艺性，如塑料的流动性、结晶性、热敏性等。本次设计外壳塑件材料选用 ABS，ABS 是一种具有良好综合性能的工程塑料，它具有聚苯乙烯的良好塑性、聚丁二烯的韧度、聚苯烯腈的化学稳定性和表面硬度，其抗拉强度可达 3550MPa。ABS 的耐候性是它的另一个优点，一般 ABS 塑件的使用温度范围为-40100C，这正是本塑件最适宜的使用温度范围。ABS 塑料具有一定的吸湿性（含水量为 0.30.8），成型时会在制件上产生斑痕、云纹、银丝、气泡等缺陷，故在注射成型之前应进行干燥处理。ABS 熔体中具有中等黏度特性，流动性好。设定料温在 200240C 之间，模温在 60C 左右。塑料密度 1.021.16 g/cm ，弹性模量 E=1.4 10 MPa，成型收缩率 140.40.7，泊松比 0.35。3.2.2 结构设计塑料的总体尺寸主要取决于塑料品种的流动性。塑料外形尺寸还受成型设备的限制。从能源，模具制造成本和成型工艺条件出发，只要能满足塑件的使用要求，应将塑件设计的尽量紧凑，尺寸小巧一些。影响塑料尺寸精度的因素很多，如模具制造精度及其使用后的磨损，塑料收缩率的波动，成型工艺条件的变化，塑件的形状，飞边厚度的波动，脱模斜度及成型后塑件尺寸变化等。一般来讲，为了降低模具的加工难度和模具制造成本。在满足塑件使用要求的前提下应尽量把塑件尺寸精度设计的低一些。塑料制件的表面质量包括表面粗糙度和表观质量。塑件表面粗糙度的高低，主要与模具型腔表面的粗糙度有关。目前，注射成型塑件的表面粗糙度通常为R 0.021.25 m，模腔表壁的表面粗糙度应为塑件的 1/2，即 R 0.010.63 m。塑件应有一定的厚度才能满足使用时的强度和刚度要求，而且壁厚在脱模时还需承受脱模推力。壁厚应设计合理，壁太薄熔料充满型腔时的流动阻力大，会出现缺料的现象；壁太厚塑件内部会产生气泡，外部易产生凹陷等缺陷，同时增加了成本；壁厚不均匀造成收缩不一致，导致塑件变形或翘曲，在可能的条件下应使壁厚尽量均匀一致。塑件的壁厚一般取 14mm 大型塑件的壁厚可达 8mm，本次设计塑件壁厚取 2mm。加强筋的主要作用是在不增加壁厚的情况下，加强塑件的强度核刚度，避免塑件变形翘曲。此外，合理布局加强筋还可以改善充模流动性，减少内应力，避免气孔、缩孔和凹陷等缺陷。加强筋的壁厚应小于塑件壁厚，并与壁厚圆弧过渡。加强筋端部不应与塑件支撑面平齐，而应缩进 0.5 mm 以上，如果一个制件上需要设置许多加强筋，除应注意加强筋之间的中心距必须大于制件壁厚的两倍以上之外，还要使各条加强筋的排列互相错开，易防止收缩不均匀引起制品破裂。此外，各条加强筋的厚度应尽量相同或相近，这样可以防止因融体流动局部集中而引起缩孔和气泡。对于塑件来说，除使用要求需要尖角之外，其余所有内外表面转弯处都应尽能采用圆角过渡，以减少应力集中。采用圆角过渡不但使塑件强度高，塑件在型腔中流动性好，而且美观，模具型腔也不易产生内应力和变形。圆角半径15的大小主要取决于塑件的壁厚。塑件上的螺纹即可以直接用模具成型，也可以在成型后用机械加工获得，对于需要经常装拆和受力较大的螺纹，应采用金属螺纹嵌件。塑件上的螺纹，一般直径要求不小于 2 mm，精度不小于 IT7 级，并选用螺距较大者。细牙螺纹尽量不采用直接成型，而是采用金属螺纹嵌件。为了增加螺纹的强度，防止最外圈螺纹崩裂或变形，其始端和末端均不应突然开始和结束，应有一定过渡段。塑件螺纹与金属螺纹的配合长度应不大于螺纹直径的 1.5 倍。在同一螺纹型芯或螺纹型环上有前后两种螺纹时，应使两端螺纹的旋向和螺距相同。吸尘部位的设计全自动吸尘器对墙壁等障碍的判断主要是通过超声波传感器来完成的，超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。1. 超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各有不相同的地方。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2.压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 2-3 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并（图 2-3 超声波传感器结构）图）16带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成了超声波接收装置。全自动吸尘器选用了压电陶瓷式超声波传感器，在超声波信号发射侧使用T40-16，在信号接受侧使用 R40-16，发射信号侧由 40HZ 的通信电路、控制ON-OFF 及驱动电路组成，接收信号侧由放大、比较和积分电路组成，图 2-4 是超声波传感器的电路。超声波传感器为了容易反射声波，对测定物体成直角安装。由于每一个超声波探头都有一定的指向性（即发射或接受的空间范围），所以在测量时必然存在盲区（如图 2）。因此，三对传感器必然以一定的尺寸分布在吸尘器的前端，从而使传感器测量的范围包含整个吸尘器所必须经过的空间，同时又避免探测死角（既使盲区落在须测量的范围之外）。第 4 章本章标题17第 4 章全自动吸尘器结构设计全自动吸尘器的驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮（后轮），从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应用非常广泛的万向转轮这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径（即绕轴中点原地施转）。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。由于智能吸尘器是边行走边工作的，所以要求速度很低，一般要求 3mmin 左右，这样能够保证全自动吸尘器行走平稳，而且有很高的效率. 4.1 小车行走结构设计这里主要是做了三方面的工作：对小车行走机构的结构方案的比较与选择；对电机功率的估计并选择出小车的驱动电机；对根据结构设计的齿轮、齿条传动的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度校核。4.1.1 车体结构方案的比较与选择根据一些移动机器人本体设计的研究文献及直动关节的知识可获得两个车体结构方案。这两个方案的示意图如图所示：方案 1：其中传动顺序为：电机齿轮箱车轮轴上齿轮（通过车轮轴）驱动轮。这也是在移动机器人本体结构设计上较为常用的一种车体结构方案，布置比较对称合理。方案 2：其中传动顺序为：电机圆柱齿轮固定齿条（通过反推动）车体结构。这里的设计有借鉴将旋转运动转化为直线运动里有齿轮、齿条这么一种传动方式，结构比较简单，设计比较容易。方案间的比较：表 1 两车体机构方案的比较左侧步进电机右侧步进电机自带电源18方案比较方案 1 方案 2设计方面较复杂较简单结构方面稍复杂稍简单布置方面对称点有点偏移效率方面较低较高精度方面高稍差用材方面一般有长齿条根据实际的工作条件：希望设计能够比较简单，结构比较简单，焊接小车的移动效率高一点，精度要求并不是很高，。故可从表 1 可选择出方案 2 作为该小车的设计结构方案。4.1.2 小车驱动电机功率的确定(1) 电机功率的估计根据重量、小车运行速度、轮胎直径来确定驱动电机的功率。假定小车在轨道上行走，不考虑小车行驶中的空气阻力，分析小车的受力情况，以便估计小车所需的驱动力矩。此时，应把轮胎看成一个弹性体来考虑。前面也提到了，在这里，由于电机的驱动是通过齿轮、齿条的啮合来驱动，故该小车的四轮都为从动轮。这里先分析车轮的受力情况：第 4 章本章标题19vPXmgUN图 3.1 车轮受力简图假设在运动过程中，轮子做纯滚动。设小车运动时的加速度为，相应的车轮角加速度为。dvt dwt根据可推得：vwr1dt其中 v 为小车速度，w 为车轮角速度，r 为车轮的半径。图 3.1 画出了该小车的车轮在运动过程中的受力简图，图中P 车轮上的载荷，m 车轮的质量，N 地面对车轮的法向反作用力，U 为车轮的切向反作用力，X 车轮轴的车轮的推力。根据平衡条件有dvXUmt（3.1）fwrMJdt（3.2）20为车轮滚动阻力矩，其值为；J 为车轮的转动惯量。fMN根据式（3.1）、（3.2）有2fMJdvXmrt（3.3）由此可知，推动车轮前进要克服两种阻力，即车轮的滚动阻力和车轮的加速阻力。而后者又由平移质量产生的加速阻力和由旋转质量产生的加速阻力所组成。dvmt 2Jdvrt齿轮、齿条传动作为该小车的驱动机构，故驱动力矩设为，进而可将理dMdr解为小车的实际驱动力，为齿轮的半径。r故以小车车体做分析对象，在水平方向上，应用牛顿第二定律可得：04()ddvXmrt（3.4）其中为机器人总质量。0m将式（3.4）中的 X 带入上式得；0244fdMJdvmrtr（3.5）由上式可得出结论为：小车的驱动力用来克服车轮的滚动阻力和机器人的平移质量的加速阻力和车轮的旋转阻力。可根据式（3.5）粗估出驱动力矩：其中：车轮半径，（查理论力学 P120 表 5.2 滚动摩阻系60rm2数。），； 4rt估为 40kg ,车轮质量估计为 0.8kg ,J 估计为，0m 2-4mkg10.6N；(0.8)1944gN第 4 章本章标题21由于这里的焊接速度为，故可一定程度上估出。min2.1 2dvmst将上述数据带入式（3.5）得：29.4MdN进而根据要求的运行速度为 v ,初步确定电机的功率 P：（3.6）dvPKr其中：K 为估计系数，考虑到该焊接机器人其上的关节的运动，可取为 5。解之得： P =645w(2) 电机的选择前面已初步估计出了驱动力矩，电机的功率。在实际的操作中，机器人的驱动，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。考虑到步进电机通过改变脉冲频率来调速。能够快速启动、制动，有较强的阻碍偏离稳定的抗力。又由于这里的位置精度要求并不高，而步进电机在机器人无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。这里选定步进电机为驱动电机，考虑到在实际的选择中应考虑到一定的裕度。这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机：型号：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；电压：120-310v相数：2 ；电流：6 A;静转矩：270 ；cmkg空载运行频率：；18转动惯量：；2224.2 蜗杆副的设计计算4.2.1 蜗杆的选型根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线，所以相当于少一个齿数。4.2.2 蜗杆副的材料由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等 ,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZcusnlOP1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。4.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计根据工作要求和条件 : 功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，异步电动机取转速为 1400r/min。由要求 :自锁力Q=1000 kgf500 kgf,此处取 Q=1000kgf 。螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自锁。梯形螺纹的牙型角= ,则牙型半角 P= ,且有f=0.080.10。由于本刀架锁紧系30o15o统中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过 3 ,其摩擦系数比一aMP般23倍,取螺杆中径d=85mm.a.求当量摩擦角 : ，/costgf/cos1.7artgf为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺母传动必须满足自锁条件:,)1.5(所以 max=11.7-1=10.7，由实验表明=46 有满意效果,故取 =5 。b.螺杆的转速 n1=28r/min（设计任务书给出）可得出传动比：（3-01/4/2850In1）第 4 章本章标题23计算电机容量：（3-2） /dwaPp其中 ,Pd 为电机所需功率 :Pw 为工作机所需工作功率；是由电a动机至工作机主动端的总效率：（3-3） 1*/950wPTn（3-4）42345a其中分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取1234，，，，=0.98, =0.45( 自锁时传动效率 ), ,12 30.94.6（设计任务书给出）0dPwW （3-5）4/12/.80.59.6482wdaPc. 计算螺杆上的扭矩 :（3-6）1950/95./13.wTnNmd. ，选取150BF002 电机，其技术参数如下：120dPe. 各轴的运动动力参数各轴转速I 轴 ( 蜗杆轴 ) =1400(r/min)1nII 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 ) =1400/28=50(r/min)2 各轴输入功率I 轴（3-7）II*10.918.dPwII 轴 w （3-8）22045.3I输出功率电压输出功率转速输入功率质量380V 120w 1400r/min 150w 3.0kg额定电流起动转矩/:额定转矩最大转矩/额定转矩起动电流0.47(A) 2.2 2.4 624I 轴（3-9） 2*0.9814.IPwII 轴（3-10） 2530.984.3II 根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯曲强度应有 : (4 1）232EPHZaKTa.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则1Z0.7(4 2)366 422 18.079.59.52.8104/5PT Nmnb.确定载荷系数K：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数由表 11-5( 机械设计第七版 ) K中选取使用系数 =1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数 1.05VK则（4-3）1.2AVc.确定弹性影响系数： EZ由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 故 (4-160EaZMP4）d.确定接触系数: PZ先假设蜗杆分度圆直径为和中心距 a 的比值从图 11-18( 机械设1d1/0.32da计第七版 ) 中可查得 =2.75Pe.确定许用接触应力： H根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10Pi金属模铸造,蜗杆硬度大于45HRC可以从 11-7( 机械设计第六版 ) 中查得涡轮的基本许用应力 =268HaMP应力循环次数设计要求寿命为 12000h 则(涡轮每转一转,每个轮齿啮260nNjL合的次数) (4-5)714021.9805第 4 章本章标题25寿命系数： 7810.98.HNk则 (4-6)0.918*264.1HN aKMPf.计算中心距 :19 (4-7)2431

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