小型自动清扫机器人设计【全套含8张CAD图纸、说明书】
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全套含8张CAD图纸、说明书
小型自动清扫机器人设计【
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小型自动清扫机器人设计
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自动扫地清洁机器人
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第 页 小型自动清扫机器人设计 摘 要 随着社会的进步，家用自主式移动机器人的研究得到了很大的发展。许多应用于 军用机器人上的成功技术已经使用于民用机器人中。自动清扫机器人属于服务机器人， 世界各国尤其是发达国家正致力于研究开发和广泛运用服务机器人，中国许多高等学 府在这方面的研究也取得了不错的成果。如果自动清扫机器人具有优良的性价比，那 么这个产品将具有广阔的市场前景。 本文在比较了国内外多种家用机器人产品的基础上，提出家庭清扫机器人整体设 计方案。介绍了清扫机器人的各个组成部分，侧重介绍了自动清扫机器人的行走机构 部分和吸尘部分。最后通过查阅相关设计手册，并对所设计的自动清扫机器人进行各 部分的校核，结果表明能达到家用自动清扫机器人的设计要求。 关键字：清扫机器人；行走机构；吸尘机构；电源。 第 页 Abstract Along with the social progress, the home study of autonomous mobile robot has been a great development. Used in many military robots on the successful technology has been used in a civilian robot. Automatic cleaning robots are service robots，Serving robot is being researched and developed in the countries all over the world, and which is being used widely in the west developed countries. If the rate of quality and price of the cleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would be prospered. Compared on the basis of a variety of home robot products at home and abroad, household cleaning robot overall design of the program. We describe various components of a cleaning robot and Focuses on the part and vacuum part of the running gear automatic cleaning robot. Finally, refer to the relevant design manual, automatic cleaning robot design and carry out various parts of the check, the results show that to achieve the design requirements for household cleaning robot automatically. Keywords: cleaning robot; running gear; vacuum institutions; power. 第 0 页 共 32 页 目录 引言 .1 1 小型自动清扫机器人总体结构的设计 4 1.1 小型自动清扫机器人行走机构设计 4 1.2 轮式行走机构 4 1.3 自动清扫机器人吸尘机构介绍 5 1.4 自动清扫机器人控制部分 6 1.5 自动清扫机器人电源部分的选择 6 1.6 行走机构整体结构 7 2 确定各部件及零件的结构 9 2.1 步进电机的选用 9 2.2 底座 .11 2.3 驱动轮 .11 2.4 涡轮蜗杆 .12 2.5 从动轮 .15 2.6 轴承 .16 3 自动清扫机器人吸尘机构设计18 3.1 吸尘机构整体设计。 .18 3.2 吸尘机构重要零件设计 .19 3.2.1 电动机的选择 .19 3.2.2 同步带传动机构设计 19 3.2.3 滚动轴承 .23 3.2.4 轴设计 .24 3.2.5 万向轮中轴工艺 .28 4 小结30 谢 辞.31 参考文献.32 第 0 页 共 32 页 引 言 近年来计算机技术、人工智能技术、传感器技术以及清扫机器人技术有了突飞猛进的发展，自 动清扫机器人控制系统的研究和开发已经具备了坚实的基础和良好的发展前景。 （1）研究的背景 清扫机器人属于服务机器人的一种,服务机器人研究工作从九十年代开始越来越受到国际关注， 很多国家尤其是西方发达国家正致力于研制、开发和广泛应用服务机器人。目前，机器人已被美国、 日本等发达国家，用于医疗福利、商场导购、物品移送、家居服务和展厅保安等多个服务领域。服 务机器人给这些国家带来了很大的工作效益，解决了很多人们无法完成的工作项目。随着我国国民 经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，服务机器人也势必会在各个领域广泛、大量地应用。 目前服务机器人应用在很多领域还处于初级阶段，很多工作还需要人力去完成。例如大面积宽 阔地面的清扫工作一直是一项繁重的体力劳动，人工清扫费时、费力且工作效率低，若将机器人用 于清扫服务，将具有广阔的应用前景和市场需求。现在在一些发达国家，已开始采用服务机器人完 成对工厂、车站、机场和办公室等宽阔地面的清扫工作。日本铁路公司、Shink 电器公司和 Howa 工业有限公司联合研制出车站地面清扫机器人，其配有超声测距传感器，通过不断探测机器人与墙 壁的距离来完成对大厅地面的往复清扫；松下和日立公司研制的自动吸尘器可清扫砖地、木质地板 及地毯地面，能自动行驶至充电站进行充电和实现简单的避障功能。此外，法国还开发出了 AutoVacC 系列自主真空吸尘器。但是，清扫机器人对狭窄区域、墙角等死区的清扫以及在拥挤人 群中自主运动仍然是困扰清扫机器人研究和设计人员的问题。 （2）自动清扫机器人的国内研究现状 在我国，随着经济建设的不断开展，人民生活水平的提高，现代制造产业越来越不能满足人民 日益增长的物质需求。许多行业尤其是运输业对在人流量大的宽阔地面实现自动清扫的要求越来越 强烈。为实现适合我国国情的宽阔地面自动清扫，我国在这一领域做了一些探索，并取得了一定的 成果。在 90 年代，哈尔滨工业大学与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机 器人。1999 年初，浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，并成功研究出国内 第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。 目前在我国市场性价比比较高的产品是 KV8。 第 1 页 共 32 页 图 1 国内公司生产的机器人 KV8 如图 1 所示的 KV8 保洁机器人是国内首个产品化清扫机器人。它广泛用于家庭、办公和娱乐场 所，以及其它一些人员不便进入的地方。KV8 能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞 处理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。 （3）研究的目的与意义 清扫机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内环境的半自动或全自动 清洁，替代传统繁重的人工清洁工作。近年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人 的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术， 具有较强的代表性。从市场前景角度讲，清扫机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于 家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市 场前景。 （4）目前清扫机器人存在的问题与分析 目前国内外在清扫机器人研究开发有了一定的基础，但是许多关键技术问题还没有得到解决， 主要体现在一下几方面： 目前,价格过高是严重影响清扫机器人打入家电市场的主要因素,因此如何提高机器人的性价 比成为了许多设计师不断追求的目的。为了大幅度降低其成本,我们必须开发专用运动控制和数字 处理芯片以及微型传感器。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 高的数字处理器成本转移到用户的个人电脑上,则有望在短期内将清扫机器人的成本控制在千元左 右。 未来的清扫机器人将向智能化和自主式发展,因此我们必须结合现有的移动机器人运动规划 和控制技术,研究开发出对环境变化具有良好的自适应性和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,使吸尘机器人完成与人工操作质量相同甚至更好的吸尘工作。 为了有效地提高清洁的质量,还需要对现有的吸尘技术进行改进。根据环境的脏洁程度,采用 模糊逻辑等技术设计合理的吸尘时间以及相协调的机器人运动速度,确保满意的吸尘效果。 电源技术是吸尘机器人的核心之一,除了有效地提高机器人运动和吸尘速度以延长电池的实 际吸尘时间外,还尚需优化自动充电方案,保证机器人能及时进行充电,自动完成对指定环境的吸尘 任务。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,相信根据现有的软硬件条件,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 第 2 页 共 32 页 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。 （5）设计的重点和难点 小型自动清扫机器人行走机构、吸尘机构的设计 确定各零部件的结构并完成结构草图的绘制； 绘制装配图原理图； 第 3 页 共 32 页 1 小型自动清扫机器人总体结构的设计 设计的自动清扫机器人总体结构由四大部分组成：行走机构、吸尘机构、控制部分和电源部分。 1.1 小型自动清扫机器人行走机构设计 自动清扫机器人的移动方式有很多种，主要有轮式的、履带式的。履带式行走机构称为无限轨 道方式，其最大特征是将圆环状得无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。最 适合有故障或凹凸不平、车轮行走困难的环境，它设计困难，增加工艺性，造价要高很多。本设计 环境是家庭平坦的地面，所以不考虑用履带式行走机构。根据当今比较成熟的车轮移动方式，本文 决定采用轮式结构。 1.2 轮式行走机构 轮式行走自由，灵活，是最简单的行走方式，适合于平坦且没有故障物的环境。机器人的运功 控制中要求具备三个参数，坐标和方向角，两个轮机器人只是有两个主动轮，因此是不完全约束， 两个驱动轮最好是设计成前后对称的方案。在两驱动轮机器人中，车体有四点支撑，其中左右各一 个驱动轮，前后各有一个辅助的万向轮，车体也可以有三个点支撑，其中只有一个辅助支撑轮。四 点支撑可以将左右主动轮配置在机器人的中轴线，这样重心容易掌握。 如果旋转半径为 0 的时候， 因为绕着车体的中心点旋转，所以这对于在狭窄的地方能改变方向。 考虑到机器人的重量和成本问题，本设计采用四轮车结构。四轮结构中中间左右两轮分别驱动, 前后的万向轮为随动方式，从而满足转向要求。通过中间的两个步进电机带动涡轮蜗杆运动，再进 一步将运动传递到车轮。由于步进电机是通过改变输入不同的脉冲频率来调速的，因此，对两个步 进电机输入不同的脉冲频率，就可以使得两个驱动轮获得不同的速度，从而使机器人实现直线前进、 后退和转弯等功能。行走机构本体采用铝合金型材料制作，以尽可能减轻其重量。外形采用圆筒形， 以免在屋子里行走时碰坏其他物品。也避免机器人自身受损，行走机构原理示意图如图 2 所示。 第 4 页 共 32 页 图 2 行走结构原理图 1.3 自动清扫机器人吸尘机构介绍 现代吸尘器技术主要包括两类：真空吸尘器和气流滤尘尘器。本设计决定采用气流滤尘器，气 流滤尘器是一个全封闭系统，其原理是利用附壁效应形成抵押涡流气体，最后将沉渣截留在吸尘器 内的气流腔内。根据机器人的本体形状和移动路径以及吸尘效果，我们将吸尘机构的吸嘴设计在机 器人本体的前方，而两个旋转刷子，分别位于机器人的左右两边，这样就可以提高清扫效率又能方 便墙角清扫。吸尘的主电动机和控制旋转刷子的电动机选用直流电动机。清扫机器人的总体机构如 图 3 所示。 第 5 页 共 32 页 图 3 清扫机器人总体结构示意图 1.4 自动清扫机器人控制部分 自动清扫机器人的控制主要是对小车的驱动电路发热启动、停止、路径识别和自身定位的控制。 主要由驱动电路、驱动器、检测开关、直流稳压电源、控制电路等组成。 随着计算机技术的进步和机器人控制质量的提高，自动清扫机器人的控制系统已经有分布式控 制取代传统的集中式控制。因此本文设计决定采用分布式控制方式。分布式控制就是由上一级主控 计算机负责整个系统的管理以及坐标变换和路径规划运算等，下一级有许多微处理器组成，每一个 微处理器负责传感器数据的处理或机器人关节的驱动，并平行地完成任务，因而提高工作速度和处 理能力。这些微处理器和主控机之间的联系是通过总线形式实现的，这种结构易于系统的扩展和维 护。 1.5 自动清扫机器人电源部分的选择 自动清扫机器人所使用的蓄电池结构必须有良好的充放电特性、耐振动、耐冲击等。目前用得 比较广泛的时铅酸蓄电池和锡镍蓄电池。对于移动式服务机器人移动电源参数的选择应该是多方面 考虑的，而不是一味地追求电源的容量越大越好，或一味地要求体积越小越好。结合自动清扫机器 人的特点，决定采用铅酸蓄电池作为系统的移动电源。综合考虑铅酸蓄电池的参数和特性，决定选 用美国 DECO 公司生产的铅酸蓄电池，其额定电压为 12v,额定容量为 36A 的铅酸蓄电池。 第 6 页 共 32 页 1.6 行走机构整体结构 自动清扫机器人驱动系统由步进电动机，涡轮蜗杆， 驱动轮，万向轮组成，如图 4 所示。在 电动机转动下，涡轮通过联轴器相连接，蜗杆涡轮转动，涡轮通过键将动力传递到轴，从而驱动驱 动轮，在设计时候要注意涡轮和驱动轮要同轴，以具有相同的转速。前轮是万向轮，他具有运动稳 定，转弯灵活等特点。 要对步进电动机进行调速只需要改变脉冲号的频率，就可得到高精度的转速。当电动机正转或 反转即可得到自动机器人前进或后退，当两个电动机输出不同的脉冲频率时，就可得到自动清扫机 器人左转或右转的方向功能。这里才用了涡轮蜗杆传动作为减速设计，这与以往的设计减速方式不 同，以往都是齿轮减速，现在这一设计可以避免了步进电动机因低速出现爬行现象。以下通过公式 说明这点：设电动机转速为 n，驱动轮的半径为 r，驱动轮的行走速度为： (1) 式中 vk左右驱动轮的线速度（k=1,2，3） ； i涡轮蜗杆转动比。 从公式可知道调节 n 的大小和正反就可得到不同的转速，当两个不同的电动机转速不同时候既 可以弯转。 (a) 第 7 页 共 32 页 (b) (c) 图 4 自动清扫机器人驱动系统结构图 1，9六角螺钉；2，19弹簧垫圈；3,6平键；4,13轴套；5传动轴；7底板；8驱动轮； 10六角头螺钉；11电动机上支架；12电动机下支架；14万向轮上支撑板；15螺钉；16 万向轮侧支撑板；17蜗轮；18电动机；20垫圈；21圆锥销；22套筒联轴器；23,28轴 承座；24,27滚动轴承；25涡轮；26万向轮；29轴用弹簧挡圈；30万向轮后支撑板。 第 8 页 共 32 页 2 确定各部件及零件的结构 2.1 步进电机的选用 （1）步进电动机的工作原理和优点 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机转矩大惯性小、响 应频率高。因此具有瞬间启动与急速停止的优越性。步进电机不需要反馈就能对位移或速度进行精 确控制并价格低。 （2）步进电机的选择 选择步进电动机考虑其步距角、静转矩及电流三大要素。 步距角的选择。目前市场五相电动机的步距角一般有 0.36/0.72，二、四相电动机的步距 角一般有 0.9/1.8。 ；三相电动机的为 1.5/3。 静力矩的选择。静力矩的选择由电动机的负载来决定，直接启动时要考虑惯性负载和摩擦负载， 加速启动时考虑惯性负载，恒速运行时只考虑摩擦负载。 电流的选择。静力矩相同的电动机，由于不同的电流参数，运行特性有很大差别。只有依据频 率特性曲线图，来判断电动机的电流。 力矩与功率换算。步进电动机一般在较大范围内调节使用时其功率是变化的，一般只用力矩衡 量。力矩与功率换算如下： (2) (3) (4) 式中 P功率，W; 角速度，rad/s； n转速，r/min M力矩，N.mm 若电动机为半步工作方式，则： （5） 其中，f 为每秒脉冲数（pps） 步进电动机应用中的注意要点： 机应用于转速不超过 1000r/min 的场合，在 1000-3000PPs 间可使电动机工作效率高，噪声 低。 动机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 量大的负载应选择大机座号得电动机。 60 2 60 2 nM P n MP 400 2 fM P 第 9 页 共 32 页 在较高转速或大惯量负载时，一般不在工作速度启动，而采用逐渐升频提速，这样不但电动 机不失步，还可以在减少噪声的同步提高停止的定位精度。 在 600pps 以下工作，应采用小电流，大电感，低电压来驱动。 先选电动机后选择驱动的原则。 根据市场上电动机的参数，我们选用某电动机技术有限公司的 57BYG250E-SAFRML-0152 型两相 混合式步进电动机。其外形尺寸如图 5 所示，参数如表 1 所示。 图 5 57BYG250E-SAFRML-0152 步进电机的外形尺寸 表 1 57BYG250E-SAFRML-0152 步进电机参数 相数2 步距角（）0.9/1.8 静态相电流（A）1.5 相电阻（）1.1 相电感（Mh）6.2 保持转矩（Nm）1.5 定位转矩（Nm）0.04 空载启动频率（半步方式） （KHz）3 重量（Kg）1.5 转动惯量（gc）330 第 10 页 共 32 页 2.2 底座 机器人的底座要求在保证足够刚度的条件下，尽量减轻底座的重量，以提高有效承载重量。其 次底座的外轮廓不应有凸出部分，以防止碰撞其他物体。本文根据去清扫机器人的工作环境和承载 要求采用硬铝作为机器人的底座材料，牌号为 LY11。底座直径 350mm，厚度为 5mm 的圆形硬铝板， 左右两边割两个槽用于安装驱动轮，板上空间装有与驱动直接有关的部件。在板的前后焊接几块小 的硬铝板用于支撑万向轮，这样利于机械结构设计和降低车体重心，机器人底座的结构如图 6 所示。 图 6 机器人底座设计图 2.3 驱动轮 机器人的驱动轮结构采用铸铁橡胶面驱动轮其优点在于承载能力大，与地面的附着系数大，保 证了足够的驱动能力。而且机器人运动时橡胶轮缘有利于减震。轮芯是两个带有凸台的圆形铸铁， 材料选择 HT150。轮缘有相应的凸块和轮芯相啮合。两半轮芯将轮缘夹住，通过螺钉紧固。驱动轮 结构示意图如图 7 所示。 第 11 页 共 32 页 图 7 驱动轮结构示意图 1-轮缘；2-轮芯 ； 3-六角螺母； 4-垫圈； 5-弹性垫圈； 6-六角头螺栓。 2.4 涡轮蜗杆 电动机和驱动轮之间采用蜗轮蜗杆传动，减速比设计为 29。电动机与蜗杆之间通过套筒联轴 器相连，涡轮与驱动轮装在同一轴上，转速相同。蜗杆材料为 45Mn2，蜗杆材料选用铸造铜合金， 牌号为 ZCuSn10Zn2。 （1）蜗杆设计 蜗杆结构设计如图 8 所示 图 8 蜗杆结构示意图 第 12 页 共 32 页 表 2 圆柱蜗杆传到基本参数 基本参数计算公式数值 蜗杆形式阿基米德 蜗杆轴向模数m2 蜗杆头数Z11 变位系数0.100 齿顶高 aa mhh 1 2 顶间系数 mc2 . 0 0.4 中心距a11.2 蜗杆轴向齿距 mP 40 蜗杆导程程 1 mzP 6.28 蜗杆分度圆直径 qmd 1 22.4 蜗杆齿顶圆直径 aa hdd 1 1 26.4 蜗杆齿根圆直径 )(21 1 chdd af 17.6 蜗杆节圆直径 mdqmd2)2( 11 22 蜗杆分度圆导程角 q z d mz 1 1 1 tan 5.1 蜗杆节圆导程角 2 2 tan 1 1 1 q z m d z 5.1 蜗杆齿宽 12 21 zmb 22 渐开线蜗杆基圆直径 b b d d tan tan 1 1 rar nb coscoscos 5.3 蜗杆螺旋线方向右旋 第 13 页 共 32 页 （4）蜗轮设计。涡轮的结构设计如图 9 所示，相关参数如表 3 所示。 图 9 涡轮结构示意图 表 3 涡轮基本参数 基本参数计算公式数值 蜗轮齿数 z229 蜗轮分度圆直径 mzd 2 58 蜗轮齿根圆直径 ） cmhdd af (2 22 52.8 蜗轮喉圆直径 mhdd aa 2 22 61.6 蜗轮咽喉母直径 22 2 1 ag dar 9.2 蜗轮节圆直径 22 dd 58 蜗轮齿宽 15 . 02 2 2 m d mb 16 第 14 页 共 32 页 2.5 从动轮 从动轮不产生力矩，它只起支撑作用，小车在转向时它可以自由转动。为了使小车转向灵活， 从动轮的结构设计为双轴承形式的万向轮。车轮与转向轴中心线之间有 8mm 的偏心距。其结构示意 图如图 10 所示。 图 10 万向轮的结构示意图 01六角螺钉；02弹簧垫圈；03中轴；04,11轴套；05连接板； 06推力球轴承；07上板；08滚动球轴承；09轮缘；10侧板； 12连接轴 万向轮的工作原理和动力学分析。这种万向轮的轮架通过竖直的连接轴与连接板采用螺母相连， 连接板通过螺钉与机器人的底座相连。万向轮上面的一个推力轴承承受机器人的总体压力，并通过 万向轮轮架的两侧板、下面的一个向心球轴承、中轴传动到车轮上，上面的推力球轴承和下面的向 心轮球轴承用以实现转向。主要是向心球轴承承受轮心偏离连接轴心所造成的弯力矩，载重时推力 球轴承也承受一部分该力矩。轮心和轮架轴即连接轴偏离是造成一定的力矩使万向轮随机器人驱动 轮的转向而转动。下面的向心球轴承除传递压力外，还可以实现轮体转动。通常偏心距与轮半径之 比为 1/4 左右为宜。本设计万向轮的设计中，偏心距不应该大于上面推力球轴承钢球所在圆的半径。 万向轮的材料选用和热处理。设计万向轮轮体的轮架用三块材料为 HT150 的平板焊接而成。连 接轴用 45 钢，热处理 35-40HRC。轮轴即中轴，也用 45 钢，热处理 38-42HRC。本文万向轮的特点 和应用环境。本文中的万向轮成本比较低，适合承受中载荷和小弯矩，合适于路面状况很平坦，没 有大的凹凸环境。 第 15 页 共 32 页 2.6 轴承 滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件 的。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小。功率消耗少，起动容易等优点。 有用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并由工业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。滚 动轴承的基本结构如图 11，内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。内圈用来和轴颈装配。 外圈用来和轴承座装配。通常是内圈随轴颈回转，外圈固定，但是也可以用于外圈回转而内圈不动。 或是内、外圈同时回转的场合。当内、外圈相对转动是，滚动体即在内，外圈的滚道间滚动。常用 的滚动体，有球；滚柱滚子；滚针；圆锥滚子；球面滚子等。轴承内、外圈上的滚道，有限制滚动 体侧向位移的作用。 图 11 承的基本结构与常用的滚动体 滚动轴承选择型号：本次行走机构使用的轴承代号为 6303 和 6200，如图 11 所示。它们为深 沟球轴承，该轴承性能主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向轴向载荷。在转速较高，不宜 用推力轴承时候，可承受较轻纯轴向载荷。轴承的内、外圈和滚动体，一般是用轴承铬钢制造的， 热处理后硬度一般不低于 60HRC。由一般轴承的一些元件都经过 150的回火出来，所以通常当轴 承的工作温度不高于 120时，元件的硬度不会下降。选择的轴承代号 6203 和 6200 查表 4 如下： 图 12 深沟球轴承(摘自 GB/T276-1994) 第 16 页 共 32 页 表 4 轴承参数 第 17 页 共 32 页 3 自动清扫机器人吸尘机构设计 本自动清扫机器人吸尘机构由直流电动机，同步带，同步带轮，清扫刷组成。 3.1 吸尘机构整体设计。 吸尘机构整体结构如图 12 所示。 图 12 吸尘机构整体结构 01-电动机； 02-同步带轮； 03-同步带； 04-同步带轮； 05-清扫机器外盖主刷； 06-垃圾 盒； 07-主刷。 清扫机器人工作原理：在车辆底装置了一个滚柱式的主刷，在电动机驱动下，通过同步带传动， 前述的滚刷子便会将地面上的垃圾和沙土直接 滚送到车辆上的垃圾盒子中。 第 18 页 共 32 页 3.2 吸尘机构重要零件设计 3.2.1 电动机的选择 ZYT 系列永磁直流电动机采用铁氧体永久磁铁激磁，系封闭自冷式。作为小功率直流电动机， 可在各种装置中用作驱动元件。本设计是小型机构，功率小，ZYT 系列永磁直流电动机符合设计要 求。 经过考察，初步选定电动机转速为 3000min/r，考虑到电池的选定，所以选电动机为 24v，以 下是 ZYT 系列永磁直流电动机数据表 5，型号 55ZYT01。 表 5 ZYT 系列永磁直流电动机数据表 型号：55 ZY T01 机座号 55，其机座为 55mm 表示永磁式直流电动机 表示短铁芯产品 3.2.2 同步带传动机构设计 同步带传动是等间距齿的封闭环行转动带和具有相应齿的带轮组合，它结构图如图 13 所示。 工作原理是依靠的凸齿和带轮齿槽相啮合，来传动运动和动力，这是新型的机械传动，它的特点与 普通的 V 带轮相比有如下特点： 具有传动比准确，传动效率高，传动稳定； 第 19 页 共 32 页 机构简单，质量小，厚度薄而均匀： 有一定寿命，挠性好，不产生打滑； 维护方便，运转费用低 同步带应用日益广泛，印刷、食品、医疗机器，清扫机器等设备多处用到了同步带传动，同 步带传动代替原有的齿轮，链、V 带传动，取得了节能，无润滑油污染，噪声小的等良好效果，同 步带传动的应用不断快速发展。正是以上同步带的优点，本设计清扫机器人应用在家庭环境，要求 噪音小，传动效率高，不容易出现打滑，这与长距离传动（一般选用 V 带传动）弥补了 V 带传动长 时间工作容易出现打滑现状。 图 13 同步带传动结构 一般传动用同步带通常用橡胶（包括聚氨酯弹性体）做背胶和齿胶，抗拉体所以芯绳为玻璃纤 维绳、钢丝绳或合成纤维绳等，齿面包布用锦纶布或其他织物聚氯酯带无包布。如图 14（a） 、 （b）所示。 （a）梯形齿结构 （b）圆弧齿结构 1带背；2包布；3带齿；4芯绳。 图 14 同步带 第 20 页 共 32 页 （1）选定初始条件 由永磁直流电动机，型号为：55ZYT01，电动机额定功率 P=0.04kW，电动机转速输出轮转速 n1=3000r/min，同步带的传动比 3.5，工作时间每天普通使用 8 小时。 选用节距制度圆弧齿同步带传动。同步带由厂家提供的氯胺酯橡胶基体，玻璃纤维承载绳，尼 龙包布组成；带轮采用 45（调质） 。 （2）几何尺寸 设计功率 Pd 由表 5 查得：KA=1.4，则 Pd= KAP=0.056kW (6) (7)min/857 5 . 3 3000 2 rn 选定带型和节距 根据 Pd 和 n1，设计带型号为 XL，节距为 Pb=2.032 小带轮齿数 Z1 根据带型 XL 和小带轮转速 n1.由表 6 得小带轮的最小齿数，此次取带轮 Z1=12，小带轮节圆直 径 d1。 表 6 小带轮相关参数 mm (8)77.8 1 1 b pZ d 大带轮齿数 Z2 (9)321/ 12 iiZZ 大带轮节圆直径 d2 (10)mmPZd b 58.18/ 22 验证带速 v 对 XL 型同步带，合格 max11max /22 . 1 60000/,/5040vsmndvsmv 第 21 页 共 32 页 初步中心距 a0 ，取 a0=41mm68.472497.167 . 0 21021 ddadd 带长及其齿数 (11) 由新编机械设计手册表 5 得，应选用长度代号 80 的 XL 型同步带，其节线长 Lp=203.2， 同步带齿数为 Z=40。 实际中心 a (12)925.432/ 00 LLaa p 校核小带轮啮合齿数 Zm 10 (13)422/122/1aZZPbZentZm 基本额定功率 P0 11 由表 7 得 Ta=50.1N，m=0.022kg/m，得 (14)kWvmvTP a 071 . 0 1000/ 2 0 表 7 带的相关参数 带型T/N m/(Kg/m) MXL XXL XL L H XH XXH 27 31 50.17 244.46 2 100.86 4 048.90 6 398.03 0.007 0.010 0.022 0.025 0.484 1.484 2.473 35.1974/ 2 2 0 2 2100 addaL 第 22 页 共 32 页 所需带宽度 bs 12 由表 8 得 XL 型带 bs0=9.5，Kz=0.6 得 ，满足要求，由新编机械设计手册表 8，选带宽代 0 14 . 1 /1 00 89 . 6 / ssdss bPKPbb 号为 37 的 XL 型带，其 bs=7.5 表 8 带宽的相关参数 节 距 代 号基准宽度 0s b MXL6.4 XXL6.4 XL9.5 L25.4 H76.2 XH101.6 XXH 127 3.2.3 滚动轴承 滚动轴承，滚动轴承具有摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便和易于互换等优点，所以 获得广泛应用。 主要缺点：抗冲击能力差，高速时出现噪声，工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承。 滚动轴承类型：10000 调心球轴承；20000C 调心滚子轴承；30000 圆锥滚子轴承； 50000 推 力球轴承；60000 深沟球轴承；70000C (=15)、70000AC (=25)、70000B (=40)角接触球轴 承；80000 推力圆柱滚子轴承。 根据轴的直径 10mm，查表 9,查滚动轴承型号为 61800。 第 23 页 共 32 页 表 9 滚动轴承的相关参数 3.2.4 轴设计 同步带传动装置，同步带的从动轮的转速为 n=857r/min，从动轴传递功率为 P=0.056kw，从动 同步带轮宽度为 12mm（以上数据为前面设计得知） ，工作时双向转动，设计该结构和尺寸。 (1)选取轴的材料和热处理方法，并确定轴材料的许用应力。根据已知，普通用途，小功率， 选用 45 钢正火处理。查表 10 得，查表 11 得MPa b 600 MPa b 55 1 第 24 页 共 32 页 表 10 轴的常用材料及其主要力学性能 表 11 轴材料的许用弯曲应力 （2）估算轴的最小直径 由表 12 查得 A=110，由 (15) 考虑轴端有一键槽，将上述轴颈增大 5%，即 0.88*1.05=0.925mm 表 12 几种材料的 A 值 轴的材料Q235、20354540Cr、40SiMn、42 SiMn、38SiMnMo、20CrMnTi 【r】/MPa122020303040 4052 A 16013513511811810710798 mm n P Ad88.0 857 056.0 110 33 第 25 页 共 32 页 （3）轴的结构设计并绘制结构草图如图 15 所示。 图 15 轴的结构设计 确定轴上的零件的布置方案和固定方式。刷套布置中间，右边同步带轮，对称两端的轴承， 同步带轮和轴套作轴向固定，用平键和过盈配合（H7/r6）作轴向固定，右端轴承用轴套和过渡配 合（H7/k6）固定内套圈；左端轴承用轴套和过渡配（H7/k6）固定内套圈，轴的定位则由两端的轴 承端盖轴向固定轴承的外套圈来实现。 确定轴的各段直径 d1=10（由轴承型号选取，而且考虑到同步带轮。 ） d2=15，d3=d2+2h=15+15*2*0.07=18 L1=5+3=8（轴承宽度和轴套宽度） L2=88(考虑到整个布置，旁边零件剩余的空间) L3=2（轴环宽度为 b1.4h） L4=11+3+5（考虑同步带轮宽度和轴承宽度轴套宽度） 轴受力计算 转矩： (16) 轴向力 F=23N 弯扭组合变形强度条件进行校核计算 a.绘制轴的受力简图 16 所示。 mmN n P T.324 857 056 . 0 1055 . 9 1055 . 9 66 第 26 页 共 32 页 图 16 轴的受力简图 由上知道 l1=93，l2=12,M 为弯矩 b.列平衡方程如下 （17） c.作扭矩图，如图 17 所示。 （18）mmNTMn.324 d.作弯矩图，如图 17 所示。 在 F 作用力处切开分析如图。 Fs=F-FA*93+M=0 M=367N.mm （19） 当量弯矩： （20）mmNMnMMe.415 2 2 mmNMnMC, 4 . 194 （21） 由于有键槽所以 d=7.9X1.05=8.3mmd1=10mm，故轴强度足够的，设计合理。 NF NF B A 20 3 0221 lFllF FFF A BA mm M d b e 9 . 7 14. 355 4153232 3 3 1 第 27 页 共 32 页 图 17 轴的受力图，弯矩图，扭矩图 3.2.5 万向轮中轴工艺 图 18 万向轮中轴，它加工工艺如表 12 所示 图 18 万向轮中轴 第 28 页 共 32 页 表 12 万向轮中轴机械加工艺卡 产品名 称 图号 JQR-00-02-01 桂林航天工业高等专 科学校机械加工工艺卡零件名 称 万向轮中 轴 共一 页 第 1 页 毛皮种类圆钢材料牌号45 钢毛坯尺寸 15mmX80mm 工具序 号 工种工步工序内容
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