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全套含CAD图纸、三维模型 玻璃 清洁 机器人 设计 全套 cad 图纸 三维 模型

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压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985XX大学本科毕业设计 玻璃清洁机器人设计压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘要 本文在简单介绍玻璃清洁机器人的国内外研究现状的基础上，基软件CAD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，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用风压吸附方式，利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，降低了控制难度；擦洗机主要由伺服悬吊系统、擦洗主机和由计算机控制系统组成；采用无人化擦洗，自动擦洗，自动供水，自动供擦洗液，单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵擦洗机工作，而且在擦洗过程中，擦洗机能够自动进行边缘识别，可根据建筑楼层的具体情况选择为纵洗或横洗；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，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。本机的擦洗效率较高，擦洗效果良好。关键词：玻璃清洁机器人；风压吸附；齿轮机构；刷洗；ABSTRACTThis 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;IX目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 前 言11.2 清洁设备的分类及工作原理21.2.1 按清洁方式分类21.2.2 按发动机形式分类31.2.3 按除尘系统分类31.3 清洁机械的国内外发展状况及发展趋势31.3.1 国外清洁机械的发展趋势41.3.2 我国清洁机械的发展趋势51.4 课题的研究设想61.5 发现的问题和解决途径61.6 课题需要完成的任务71.6.1 设计主要内容71.6.2 设计工作基本要求8第2章 玻璃清洁机器人总体方案设计92.1 清洁机器人的总体方案92.2 玻璃清洁机器人擦洗系统方案92.3 玻璃清洁机器人爬行系统方案112.4 其它部分方案112.4.1材料选择112.4.2 轮的润滑问题112.4.3 轴承的润滑问题112.5 本章小结12第3章 玻璃清洁机器人主要零件设计133.1 直齿轮副的设计计算133.1.1 齿面接触疲劳强度计算153.1.2 齿根抗弯疲劳强度验算163.1.3 齿面静强度计算173.1.4 齿根（抗弯）静强度验算183.2 锥齿轮副的设计计算193.2.1 基础尺寸确定193.2.2 确定载荷系数K203.2.3 齿面接触疲劳强度计算203.2.4 齿根抗弯疲劳强度计算213.3 本章小结22第4章 玻璃清洁机器人擦洗系统设计234.1 擦洗机器刷洗部分设计234.1.1 盘刷设计234.1.2 滚刷设计244.1.3刷洗部分所用弹簧的设计254.2 内空心轴设计264.3 擦洗机主机滚轮的设计264.4 主机上传感器及行程开关的选择274.5复合缆的结构设计274.6 本章小结28第5章 玻璃清洁机器人吸附系统设计295.1 采用风压吸附的意义295.2 基本原理295.3 气动计算的原始数据与技术要求295.4风压部分力学计算305.5 本章小结31总结32参考文献33致 谢3535第1章 绪论1.1 前 言环保是世界发展的主题，是每个城市关注的焦点，也是每个人的责任。近年来环保设备更是相继而出，玻璃清洁机器人就是其中重要的环卫设备之一。玻璃清洁机器人是一种集清洁、垃圾回收和运输为一体的新型清洁设备。近年来，利用玻璃清洁机器人进行养护已经成为一种潮流，在未来它将成为城市中一道亮丽的风景线。从20世纪60年代我国研制生产清洁机械并投放市场使用的主要是以大型玻璃清洁机器人为主，造价高、费用大、维修困难等原因普遍使用有一定难度，且其造型对城市的美化和宣传环保的作用并没有完全表现出来，也没有突出造型设计的人性化。而中小型玻璃清洁机器人的研制开发则刚刚起步，相对于发达国家，我国玻璃清洁机器人在销售规模、技术水平、清洁效果等方面都存在一定的差距。 随着公共环境卫生、工厂清洁机械市场的迅猛发展，2005年之后，国内清洁机开始呈现快速发展的态势。但与国外相比，国内还停留在市场的初级发展阶段。目前，许多国家研制的小型清洁机器人应时而生。日本、美国、欧洲各大厂商竞相开发，有些产品甚至很超前很微型。例如，有一种具有高效吸尘除灰功能的清洁机器人，可遥控也可自主运作，能转向，躲避障碍物，有很高的实用价值，构造上也很灵巧简单美观，可对家居、厂矿企业等进行清洁，帮助人们从繁杂的劳动中解放出来。在这方面，国内的研发步伐较慢。我国已逐步进入现代化社会，靠人力扫把、铁锹、小车等陈旧、落后的清洁方式及设备，已不能满足社会进步的需要。特别是现代化的工厂不断建成，机关、小区、医院、学校和公共场的清洁工作也越来越繁重，靠大型玻璃清洁机器人不能解决问题，严重干扰了人们的生活。因此急需开发一种成本低、节约人力物力、清洁效果良好的适应院落、小区、小巷、仓库、走廊等小区域场所的小型清洁设备。由于人们对环境污染问题越来越重视，燃油车在很大程度上受到限制。政府大力提倡绿色能源设备。近日国家出台燃油含税的政策，给电动清洁车带来福音。小型清洁设备因其实用性强、 垃圾清洁率高 、污染小、成本底、结构紧凑、操作简单、维修方便等特点具有广泛的市场前景和实用价值。为了解决人力清洁耗力大、效率低、危险性高、维修困难及汽车清洁费用高等问题而提出了本实用玻璃清洁机器人。该小型玻璃清洁机器人系统地总结了玻璃清洁机器人的发展状况，结合未来的发展方向，以人性化、审美性和环保设计为立足点，基于人机工程学的设计理念，从人性化设计、功能区的布局和总体造型3个方面对玻璃清洁机器人进行了创新设计。其工作效率高，适用于校园、街道广场、较大的院落、仓库、狭窄的小巷、走廊等，可供乡镇以上的城市全能使用，本机自代垃圾箱，在推行时就将上的杂物卷进垃圾箱，方便快捷。 玻璃清洁机器人的有益效果是，利用锥形盘状滚刷与有一定角度将垃圾扫到车体底部的中间，再利用圆柱形滚筒平行相切产生的旋转力，将上的垃圾通过滚筒的传送带送入垃圾箱，完成连续清洁任务。本机制造和使用成本低、投资小、使用广泛、灵活、方便，适用于城市、城乡、广场、场区等非机动；清洁效率高、清洁力度大、操作简单；不但能清洁垃圾，而且还可以对上的空气介质进行除尘净化，既保证了的美观，维护了环境的卫生，延长了的使用寿命，又维持了的良好工作状况，预防了交通事故的发生。本文具体介绍了玻璃清洁机器人的总体设计，并根据现在清洁机发展趋势及我国国情详细说明了设计的过程以及所应用的参考文献，并以图例和数据表格来辅助说明设计的详细内容。此玻璃清洁机器人的设计过程涉及很多方面的知识，由于实践等方面的不足可能会出现很多文字及内容的不够周全，谨请有关老师给予批评指正。1.2 清洁设备的分类及工作原理清洁设备按大小可分为大型清洁设备和中小型清洁设备。大型清洁设备主要是玻璃清洁机器人，由于本课题主要研究的是小型清洁设备，大型的清洁设备在此不再多述。而现有的小型清洁设备主要按清洁方式、发动机形式、除尘系统等分类。1.2.1 按清洁方式分类按清洁方式小型清洁机器可分为纯扫式、纯吸式和吸扫式三类。1、纯扫式小型清洁机器纯扫式小型清洁机器只是依靠位于清洁机器两侧的蝶形刷和位于清洁机器中部的滚筒刷的相互接力完成对的清洁。蝶形刷有很好的压力调节装置，可有效的清除的黏著物，提高清洁质量。刷毛具有很好的强度与弹性，它的设置同时增加了扫路机的清洁宽度，加大了清洁面积。滚筒刷除了清清洁面的垃圾外还有将垃圾扫入车内垃圾箱的作用。此扫路机所需功率小，操作简单，其主要缺点是对尘土特别是细小颗粒的尘土清洁效果差清洁过程产生扬尘。2、纯吸式小型清洁机器纯吸式小型清洁机器的吸扫系统主要由风机、风道、吸尘嘴等组成。作业时发动机直接驱动风机将落尘箱内的空气通过出气管道输送到吸尘罩内，在吸尘罩内产生漩涡气流，罩内的垃圾在气流的冲击下悬浮起来；在吸尘嘴的另一端有吸气管道，在风机的作用下将悬浮的垃圾随气流吸进落尘箱内。此扫路机克服了纯扫式清洁机器对尘土清洁不利的缺点，吸尘率较高，但它的缺点是不利于对马路边沟垃圾清除，在湿地上作业效果不好。3、吸扫式小型清洁机器吸扫式小型清洁机器汲取前两类扫路机的特点，其清洁系统通过由蝶形刷和风机、风管道、吸尘嘴等组成。蝶形刷的设置加强了对马路边沟的清洁，将两侧的垃圾扫到吸尘嘴的工作区域，再由吸尘系统将垃圾吸入车内的垃圾箱。此清洁机器工作效率高，适合任何环境的清洁，但其结构比较复杂，成本较高。1.2.2 按发动机形式分类随着人们环保意识的不断增强，以电瓶为原动力驱动不存在尾气排放问题的电动小型清洁机器近年来越来越受到人们的青睐。此清洁机器采用无级变速系统根据路况自动调整清洁速度，工作效率高，工作时噪音比内燃机要低得多，具有杰出的环保性能。且其传动系统结构非常简单，小巧灵活，有利于整体结构设计。它的主要缺点是连续工作时间受到限制：通常工作一个班次以后（6-8小时），要对电瓶进行充电，因而每次作业后的维护时间比较长。1.2.3 按除尘系统分类本次设计的玻璃清洁机器人是手推式机械湿刷式的，由机架、发动机、传动系统、工作系统、垃圾箱、垃圾传送系统组成。其设置清洁的垃圾装置，能连续清洁垃圾并自动将垃圾传送到垃圾箱。该玻璃清洁机器人解决其技术问题所采用的技术方案是：用一台电动机做动力，通过V带带动锥齿轮、齿轮、机体前面底部的滚刷转动进行清洁；通过V轮带动滚筒垃圾传输装置，将滚刷清洁的垃圾输送到垃圾箱里。其结构是在机架的前车底安装两个可旋转的工业脚轮作支撑，承载电机的重量，同时起到更好的转向作用。前下部左右安装一对大转轮，转轮上安着椎形盘状滚刷。车体的前底面是一块板状底，底板的上半部是铁板、下半部是橡胶板，底板的上部与垃圾传送装置相连，并用一个挡板结构与垃圾箱相接，挡板与接触；垃圾传送装置倾斜一定角度,由数根滚动条滚动带动，其传送带上有数条倒钩，以便更好的传送垃圾，上端与垃圾箱相通。在机架的后面安装一对可充气的小车轮，方便行走，也可用来调整主刷与的距离；垃圾箱是安装在机架后面，采用抽拉式的结构形式，方便垃圾箱的抽出和垃圾的倾倒，省时省力。前面的侧刷是圆锥型的，接触面与有一定的角度，并与距离可调。清洁时主刷、侧刷、垃圾传送装置同时运转，进行连续清洁。侧刷用来清洁路牙，将垃圾扫到主刷的清洁范围内，并可扩大清洁面积；主刷将垃圾扫到挡板架上，再扫到传送装置上，通过传送装置将垃圾送进垃圾箱。垃圾箱前端开口，以便倾倒垃圾。1.3 清洁机械的国内外发展状况及发展趋势近年来，国内外清洁机械的发展较快。国内有厂家引进了国外先进吸扫式清洁机工作装置的生产技术，与国产汽车底盘配套生产清洁机，大大提高了国产清洁机的技术性能。1.3.1 国外清洁机械的发展趋势国外清洁机起步较早，技术较先进。早在20世纪80年代中期随着国外公路的修建速度趋于平缓，公路养护工作在国外已提到格外重要的位置。为适应养护工作需要，国外工业发达的国家开始将大量的资本和开发能力投向养护机械的研制生产，从而使国外养护机械得到了迅速发展。清洁军的造型设计也是千奇百态，各具特色，大型、中型、小型玻璃清洁机器人的造型设计都得到了快速稳定的发展。国内爬壁机器人的研究虽然起步晚，但发展比较迅速。我国研究和发展机器人始于七十年代初。1975年在北京举办的日本科技展览会上，川崎重工公司首先在中国展出了工业机器人，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。上海大学从1987年开始在上海市科委和国家“863”的支持下，率先从事爬壁机器人的研究，此后，哈尔滨工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学等单位也相继在幕玻璃擦洗、高空检查、锅炉水冷壁检测、大桥拉索涂装和维护等领域开展研究。自1988年以来，上海大学先后研制了玻璃窗玻璃清洁机器人和球形爬壁机器人。前者采用多层框架式机构，真空吸盘吸附，伺服电机驱动，但重量大，且没有装备擦洗系统。后者采用腿足式移动机构，足端为带有裙边的铰接式真空吸盘，设计者从满足稳定性和控制复杂程度的综合，考虑到吸盘稳定性较差，安全性不是很好。此外，他们还在擦洗装备和工艺做了较为深入的研究，并根据玻璃幕玻璃障碍的特点，开发了一种全方位越障机构，大幅度提高了机器人的越障能力。哈尔滨工业大学也是国内壁面移动机器人研究较早的单位，在国家“863”智能机器人的支持下，已经先后开发出两个系列共5个品种的爬壁机器人。较早完成的是轮式负压吸附壁面爬行遥控检查机器人，如图1.3所示。该机器人采用双轮进行驱动。主体下部是一个带有驱动轮的滑动密封式负压吸盘。擦洗机构置于尾部，同时还设有卷扬机，支援小车等附属设施。由于密封装置采用柔性设计，对壁面的适应能力较强，可以在瓷砖壁面或大直径圆柱面上运动，但越障和面面转换能力较差。 图1.3 轮式负压遥控机器人图1.4 CLEANBOT-北京航空航天大学自1996年以来，在国家“863”计划的大力资助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、“灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、 “蓝天洁宝”等系列幕玻璃玻璃清洁机器人样机。前三种均为全自动玻璃清洁机器人，采用十字构型，为自主步行移动机器人，机器人运动和功能统一。其中CLEANBOT-的纵横气缸之间有一能做微小角度转动的腰关节，以实现机器人运动方向的调整，如图1.4所示。之后北航又推出蓝天洁士、型擦窗机器人。2000年发展研制的“灵巧型擦窗机器人”类似于佐藤多秀研制的双车体机器人，但重量小的多，仅有20kg。该机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构，能实现越障和曲面转换功能。2001年研制开发的“吊篮式擦窗机器人”则模拟人手擦窗的作业方式进行作业。“蓝天洁宝”属于被动玻璃清洁机器人，使用大面积负压吸盘吸附，利用风机产生真空，结构简单，工作效率高，具有很高的实用价值。香港大学和内地大学合作，研制了一系列高楼擦洗爬壁机器人。Cleanbot-采用北航机器人原型，Cleanbot-采用了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计。该机器人采用多个转盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构，可以在玻璃幕玻璃和船壳等玻璃上连续爬行，并有一定的越障能力。1.3.2 我国清洁机械的发展趋势我国环卫机械起步较晚，已有的玻璃清洁机器人还是以大型玻璃清洁机器人为主，小型玻璃清洁机器人相对较少，并且有一些还是经过改装的小型玻璃清洁机器人，如将三轮摩托车的后部改装为玻璃清洁机器人的箱体等等 ，其造型没表现出对城市的美化和宣传环保的作用，也没有突出造型设计的人性化。总体而言，目前国内玻璃清洁机器人生产企业还没有专门的小型玻璃清洁机器人技术研发中心，研发资金投入也较少，使得产品设计水平整体不高。目前随着我国经济迅速发展的势头，经济实力和消费能力越来越强，同时对节约成本的要求越来越高，政府把城市的规划、建设、管理和加强环境综合治理纳入城市政府的主要职责，积极推进了环境卫生事业得到了快速发展。可以明确，借这些机会，全国范围内将掀起环卫机械化市场快速发展的高潮。我们将在之前的技术基础之上进行改进，把玻璃清洁机器人车型变得简单轻便美观，在增大承载容积和载荷能力的同时，降低清洁机的重量，提高使用寿命，减少噪声，降低成本，使玻璃清洁机器人更加的人性化智能化，更加方便人们的使用，使其更加适应时代的发展和人们的需求。因此，玻璃清洁机器人在国内的发展前景是远大的。由于擦洗工作环境及任务的特殊性，擦洗爬壁机器人的总体设计要求相当苛刻。其总的设计原则是：减轻重量，降低造价，安全可靠，能适应多种建筑物玻璃，且要有足够高的擦洗效率。从擦洗机的工作环境来看，其主机可能有两个发展方向：其一：适用于平整瓷砖和玻璃幕玻璃擦洗，它结构简单，易于控制，属小型轻量化。其二：适用于复杂玻璃，如阶梯玻璃，壁面多窗户的壁面擦洗，它的结构、动作、控制都很复杂。其三：以壁面机器人为载体，配以专用的擦洗机构，可以适应不同壁面机构。1.4 课题的研究设想参阅相关产品的技术资料，高层建筑外玻璃擦洗机主要由伺服悬吊系统、擦洗主机和由计算机控制系统组成，设计中应考虑为擦洗提供足够的压玻璃力、刷洗部件设计、擦洗液的喷洒和脏液体的收集、对左右边缘和上下行程的识别、行走机构和转位机构的设计，进行必要的设计计算。1.5 发现的问题和解决途径本课题要求是设计一种简单，经济实用的玻璃清洁机器人，其关键问题就在于如何很好的实现清洁功能。尤其使传动系统、整体结构、工作装置的设计。由于清洁器是一种出现比较晚的机械产品，因此在其设计过程中，不可避免的出现了很多未解决得难点疑点，总结其难点如下：由于玻璃清洁机器人是一新兴产品，清洁功能的实现结构还不成熟，很难查到相关的资料。因此清洁功能的实现是设计工作的一个很大的难点。对扫盘高度固定不能很好地适应不同的作业，垃圾体积的大小也受限；而且盘上安装的小扫把的毛太硬，与直接接触，这样会增大车与之间的摩擦力，如果是人力驱动，会使人觉得很费力，如果是电力驱动， 会增大能源的浪费， 都会使扫把和蓄电池的寿命减少。玻璃清洁机器人工作时所产生的二次扬尘污染、漏垃圾、噪音大和产品可靠性等方面也较难解决的问题。清洁范围的大小不仅与玻璃清洁机器人的各部分的尺寸有关，并与它的总体设计构形式有关。机构太小工作效率就会降低，清洁范围也就变小满足不了要求，机构太大则设备就会太大，从而增加转弯半径，使玻璃清洁机器人在城市中转弯困难。还有防滑问题，因为该清洁车是通过轮子的转动来带动整个轮系的转动来产生作用。但是一旦光滑，轮子产生打滑的现象，那么车内的轮系就根本不会转动，这样清洁车就完全失去了作用。因此合理的选择机构的大小及机构布置极为重要且比较困难。为了更好的了解所作题目，查阅已有文献资料是十分重要的，由于玻璃清洁机器人的资料很少的。因此，在设计过程中，广泛的搜集资料，并借鉴了清洁机器人的一些数据资料对我的设计工作起了很大的帮助。在这些文献综述中，详细的介绍了清洁机器人的一般设计思路，如外形的设计，机器人的驱动方式如何，具体结构等等，都对我即将所作的设计提供了很大的帮助，此外，为了更好的设计玻璃清洁机器人的内部结构，在轴、带、齿轮等重要元件的设计过程中保证其结构的准确性，又对机械设计等专业课本进行了系统的复习，但还是有很多关键技术是专利项目，不会公布在资料之中的。所以，我参考用的资料并不能解决我在设计过程中所遇到的所有难点，有许多的问题是根据我自己的想法来做的。因为我的这些想法并不成熟，没有太多的实践性，所以，在解决一些棘手问题时并不能够很好的解决。在今后的设计中，还需要通过实践，对其一步一步的进行改进。1.6 课题需要完成的任务1.6.1 设计主要内容本课题要求设计出的玻璃清洁机器人能完成普通清洁的功能。完成玻璃清洁机器人的方案设计以及结构组成，并对玻璃清洁机器人结构进行受力计算，使其结构布局和受力更加合理。其主要设计内容为：1、电机驱动系统的设计（电机电池的选择与安装）；2、传动系统的设计；3、带传动的选择与设计；4、齿轮的选择与设计；5、轴和轴承的设计；6、机架的设计；7、绘制玻璃清洁机器人的零件图及装配图；8、完成设计说明书。1.6.2 设计工作基本要求1、结合设计题目，在老师的指导下广泛查阅文献，并拟定一份合理的设计任务书；2、根据参考文献和课题要求，提出自己拟定的可行性方案，并写出开题报告；3、按要求对玻璃清洁机器人设计的结构与零件进行受力计算，使其结构布局和受力更加合理；4、和老师充分研讨，列出论文编写大纲；5、翻译英文文献；6、认真撰写论文，按时完成任务，准备答辩；总的要求就是毕业设计结束后，能够达到预定的目标。第2章 玻璃清洁机器人总体方案设计2.1 清洁机器人的总体方案根据玻璃清洁机器人擦洗作业的要求，机器人首先必须具备擦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该包括机器人擦洗系统、爬壁系统和控制系统三大部分。主机主要由箱体，支撑架，防护罩，刷子，电机，螺旋桨吸附系统，齿轮传动系统等组成。通过螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上，并使刷子压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。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擦洗力，悬吊支撑架通过一圆导轨和箱体（其上安装两盘两滚）相连，所有的擦洗装置均安装在该箱体上，擦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90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擦洗刷，盘刷底部都有十二个擦洗液喷射孔，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，以使擦洗过的部位快速风干并避免留下来的擦洗液腐蚀玻璃。箱体上还有一电机通过锥形齿轮将转动传到其中一个盘型擦洗刷上，再通过齿轮传动系统将转动传递给另一盘刷，所以两盘刷转动方向相反，可以达到更好的擦洗效果，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，防止擦洗液四溅。清水，擦洗液，电机的供电和控制电缆都是是由复合缆供给的，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。在擦洗机主体的上下部安放超声波传感器，以进行边缘识别。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。2.2 玻璃清洁机器人擦洗系统方案根据以上提出的技术性能及要求，初步确定擦洗方案如下：第一种：结构简图如图2.1：此种方案采用负压履带吸盘式盘滚组合式擦洗，由于受到玻璃玻璃材料的影响较大，一般情况下，每两块瓷砖之间都有45毫米的缝隙，密封不可靠。 图2.1 结构一 图2.2 结构二第二种：结构简图如图2.2：这种方案采用了风压式压紧，盘滚组合式擦洗，擦洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中间传动的需要，结构不对称,风扇的中心与刷子的中心不重合，刷洗压力不均匀，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：结构简图如图2.3：图2.3 结构三这种方案吸取了第二种方案的优点，传动的改变，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擦洗机，其优点是： 在擦洗机外机架背后安装可调吸附系统来提供连续均匀的擦洗力，螺旋桨可调节转速来控制擦洗压力； 机架内采用一擦洗系统旋转装置，方便的实现了纵横两不同擦洗方向的调整，减少非作业时间，增加了工作柔性，大大提高了工作效率； 应用两盘两滚相结合的擦洗方式，擦洗液和清水分别由盘刷和滚刷提供以达到最佳擦洗效果。综合比较以上三种方案，根据设计要求，由于对于玻璃的压力要求大，工作稳定，结构容易实现，最后我决定用第三种方案。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，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而擦洗干净玻璃。滚刷喷的是清水，将玻璃冲洗干净，以避免留下来的擦洗机腐蚀玻璃，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了擦洗主机的重量，清洁度提高，擦洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构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本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，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而擦洗干净玻璃。滚刷喷的是清水，将玻璃冲洗干净，以避免留下来的擦洗机腐蚀玻璃，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了擦洗主机的重量，清洁度提高，擦洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。2.4 其它部分方案2.4.1材料选择根据课题要求，总体重量越轻越好，由于使用擦洗液，耐腐蚀性能也要好而且此产品是轻载荷，故材料首先选用铝合金材料及非金属材料。整个及其涉及到齿轮减速器的地方，齿轮的材料经过筛选与比较采用聚甲醛（均聚），见金属机械加工工艺人员手册P.244。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。其他机件的选择根据通常材料在重量最轻原则下进行确定。2.4.2 轮的润滑问题由于齿轮的材料已确定为聚甲醛，据机械工程手册（第二版）2-369，其工作要求少润滑或无润滑，。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400r/min,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非标准设备设计手册P.582。2.5 本章小结本章确定了设计玻璃清洁机器人的总体方案。根据作业环境，对机器人从擦洗系统、爬壁系统和控制系统三大方面进行设计，选型和参数的确定。最后请教导师对设计的方案进行校正，以确定设计的可行性和稳定性。第3章 玻璃清洁机器人主要零件设计3.1 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=1.5kW,小齿轮转速n1=1500r/min，传动比i=4.1许有4%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） 选材料确定初步参数 依据参考文献5表5-5选材料小齿轮：40Cr调质，平均取齿面硬度为260HBS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 =129（3） 齿数比验算传动比误差，100%=1.7%允许（4） 选择齿宽系数d和传动精度等级 查参考文献5表5-8得齿宽系数d=0.275初估小齿轮直径则齿宽齿轮圆周速度： ,查参考文献5表5-4可选择精度等级为7级,（5） 计算小齿轮转矩(5.1)定重合度系数、 (5.2)由公式(5.2)定重合度 =1.88-3.2（1/32+1/129）=1.755分别由机械设计手册(第5版)中公式得=0.865=0.25+（6） 确定载荷系数、 (5.3)1) 使用系数 由参考文献6表10-2查表，取=1.352) 动载系数 由参考文献6图10-8可查得，=1.143) 齿向载荷分布系数,由参考文献6图10-4可取=1.294) 齿间载荷分配系数、根据条件查参考文献6表10-3得 =1/ Y=1/0.677=1.485) 载荷系数 、 由公式(5.3)可算得3.1.1 齿面接触疲劳强度计算（1） 确定许用应力1) 总工作时间：2) 应力循环次数N、N由参考文献6公式(10-13)及参考文献6表10-18可计算查得：3) 寿命系数、 由机械设计手册(第5版)图8.2-17取=1 =14) 接触疲劳极限 ： 由机械设计手册(第5版)图8.2-13取=630MPa，=490MPa5) 安全系数 ： 参照机械设计手册(第5版)照表8.2-13，取=16) 许用应力、：由机械设计手册(第5版)式(8.2-15)=（2） 弹性系数： 由机械设计手册(第5版)表8.2-11，取=190（3） 节点区域系数 ： 由机械设计手册(第5版)图8.2-12，取=2.5（4） 求所需小齿轮直径 由机械设计手册(第5版)式（8.2-11）=符合初估数值（5） 确定中心距、模数等主要几何参数1) 中心距a 初算中心距园整取中心距a =200mm2) 模数m 由中心距a及初选齿数、得按标准取m=2.5mm3) 分度圆直径、=m z=2.532=80mm=m =2.5129=322.5mm 取为=320mm4) 确定齿宽 取大齿轮齿宽=b=22mm,小齿轮齿宽=32mm3.1.2 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= =1 3) 极限应力 、 由图9-21取：=220MPa =170MPa4) 尺寸系数 由机械设计手册(第5版)图8.2-26，取=15) 安全系数 参照机械设计手册(第5版)表8.2-13，取=1.56) 许用应力、 由机械设计手册(第5版)式(8.2-20)，许用弯曲应力：=（2） 齿形系数、 由机械设计手册(第5版)图9-19，取： =2.5=2.15（3） 应力修正系数、 由机械设计手册(第5版)图9-20，取：=1.63 =1.82（4）校核齿根抗弯曲疲劳强度 由机械设计手册(第5版)式（8.2-17），齿根弯曲应力 抗弯疲劳强度足够。3.1.3 齿面静强度计算(1) 确定许用接触应力：参照机械设计手册(第5版)表8.2-13，取静强度安全系数由机械设计手册(第5版)图8.2-17，取寿命系数于是由机械设计手册(第5版)式(8.2-21)，许用接触应力（大轮较低）(2) 校核齿面静强度 根据过载条件，由机械设计手册(第5版)式(8.2-21)，齿面最大接触应力齿面静强度足够。3.1.4 齿根（抗弯）静强度验算（1）确定许用弯曲应力 参照机械设计手册(第5版)表8.2-13，取静强度安全系数由机械设计手册(第5版)图8.2-25，取寿命系数于是由机械设计手册(第5版)式(8.2-22)，许用弯曲应力（2）求最大弯曲应力并校核强度 由机械设计手册(第5版)式(8.2-22)，最大弯曲应力 静强度满足要求。带动两个盘刷的齿轮对称布置3.2 锥齿轮副的设计计算根据机械工程设计手册第二版2-369，材料选择聚甲醛（均聚），参照机械工程手册第6卷3.2.1 基础尺寸确定由小锥齿轮所传递转距为,根据图2.4-14和图2.4-15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b=24mm齿顶高：齿根高：齿高：大端齿顶圆直径：(5.4)齿根角：齿顶角：顶锥角：根锥角：冠顶距：确定传动的精度等级初选平均切线速度由机械设计手册(第5版)Pg159 表8.2-5，选择传动等级为8级3.2.2 确定载荷系数K使用系数,由已知条件查表8.2-9，取动载荷系数,由图8.2-6，取齿向载荷分布系数,按小锥齿轮悬臂考虑取载荷系数3.2.3 齿面接触疲劳强度计算1 确定许用应力 寿命系数,由已知条件取安全系数,参照表8.2-13，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,由机械设计手册(第5版)式(8.2-44) 5 验算速度平均直径： 平均线速度：6 确定模数m: 3.2.4 齿根抗弯疲劳强度计算（1） 确定许用弯曲应力 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) 由机械设计手册(第5版)图8.2-19，取,4) 应力修正系数 由机械设计手册(第5版)图8.2-20 取，5) 校核齿根抗弯疲劳强度由机械设计手册(第5版)式8.2-46 (5.5) (5.6) (5.7)三式联立求得满足要求3.3 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，使之满足传动要求。由于材料有限，设计时采用的是45号钢以取代聚乙醛，方便材料的强度计算。第4章 玻璃清洁机器人擦洗系统设计4.1 擦洗机器刷洗部分设计假设擦洗速度0.2m2/s。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擦洗玻璃，同时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214，有毛半径208，刷毛长度为50，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，其结构如图4.1：图4.1 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，用机械方法把刷毛植进去。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成了。根据上述原理，盘刷也可以采用这种方法制作，其技术要求：毛孔直径：2.5mm间距：5mm孔深：10 mm每孔刷毛密度：五根滚刷原理与上面相同4.1.2 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方法做成，可通过调换橡胶套的方法调换滚刷，滚刷半径为106，有刷毛部分长度为940。滚刷结构如图4.2：图4.2 滚刷为了控制的方便，减轻主机的重量，应尽量减轻电机的数量，所以盘刷、滚刷共用一双输出轴电机，中间用齿轮和V带传动；从经济的角度考虑，采用普通的三相电机，带动两盘两滚共四个擦洗刷。依据实际实验，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0.10.2，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：所需总的刷洗力矩：2) 初定盘刷转速：360r/min根据刷洗力矩，型号为Y2-802-6，额定功率550W,转速900r/min,平键420，保持转矩为9.8N.m(查GBM)4.1.3刷洗部分所用弹簧的设计1）弹簧的种类：采用圆柱螺旋压缩弹簧;2) 弹簧的材料：根据机械设计手册选用碳素弹簧钢；3）弹簧的设计计算1 根据机械设计手册取弹簧的工作圈数2 根据机械设计手册取弹簧丝直径：，允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：3 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：允许极限负载时弹簧高度：弹簧旋向：左旋右旋均可4.2 内空心轴设计为了在盘刷中心喷擦洗液，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，其结构如图4.3：图4.3 空心轴工作时擦洗液从中间的孔流出，喷到玻璃上，几乎不受外力弯矩、扭矩，所以略去刚度、强度的计算。4.3 擦洗机主机滚轮的设计当擦洗机工作时，风机向后吹出强大的高速气流，把擦洗机压向玻璃，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，所以大部分压力应由滚轮来承担，同时也增大了滚轮与玻璃之间的摩擦力。当电机驱动时，擦洗机横向行走。所以滚轮与玻璃之间应有良好的接触 ，不可打滑。结构设计如下图4.4：图4.4 擦洗机主机滚轮结构图4.4 主机上传感器及行程开关的选择为了增强擦洗机的自动化程度，实现远程控制，在擦洗机主机上安装传感器，以识别玻璃的材料，来确定擦洗机的进退预停止。通过查手册传感器技术,选用德国TURCK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、周围环境无关，具有开关量和模拟量两种输出，有利于控制。在擦洗机主体的上下部安放超声波传感器，为了安全，在下边缘安装行程开关，结构可见总装配图,该行程开关型号为：LX32-SS , 它具有弹性环节，可以缓冲猛烈的冲击，并给单片机控制系统一个输入信号，单片机经过识别后，处理中断，加强自动化，保护主机。4.5复合缆的结构设计由于本机的复杂性，管线较多（包括清水管，擦洗液管，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，且方便控制，决定采用分开复合的方法，结构如图4.5：图4.5复合揽结构图钢丝绳是起重机上应用最广的挠性构件，其优点是：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，即使在卷绕速度高的情况下也无噪声，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突然断裂，工作时比较安全可靠。在本复合缆中选用的型号：GB1102-74所选钢丝绳的破断拉力应满足下面的条件： (3.1)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，工作类型及载荷情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，所以选绳N=5。考虑整个擦洗机，由于体积较小，重量较轻，最大的静拉力为400公斤。由公式(3.1)：所以选用的钢丝绳强度足够。4.6 本章小结本章确定了刷洗部件(盘刷、洗刷)的尺寸及其他部件的设计，应用双刷系统，有利于对水的利用效率。第5章 玻璃清洁机器人吸附系统设计5.1 采用风压吸附的意义采用风压作为洗刷压力，可以避免因外玻璃材料和形状的变化对稳定性和可靠性的影响，即有障碍物，或者有突起，对压力影响不大，提高了可靠性，对建筑物外形形状的适应性也更强。5.2 基本原理采用正压与负压相结合，利用偏心压紧，使擦洗机的轮的一端先接触玻璃，形成一个相对小的腔体，再利用悬吊系统，使擦洗机逐渐靠近玻璃同时，风机电扇的旋转，会使空气流动，与外界大气产生一定的压力差，从而产生一定的负压，使擦洗机压紧玻璃。空气流经由进口导流器、收敛器、进入风扇，在离心力的作用下，流出蜗壳，与机体相碰撞，会产生一定的压力，以减小空气流的速度。随着腔体的越来越小，和擦洗液的涂抹，机体内的压强会越来越小，产生负压，使擦洗机压紧玻璃。当腔体很大时，空气会流通畅快，产生正压，使机体压紧玻璃。随着腔体变小，空气流速度减小，正压减小，负压增强，调整电机转速，可得到所需的压力，使擦洗机具有一定压力的贴在玻璃体玻璃，提供连续均匀的擦洗力，通过调节螺旋桨的转速可以调节擦洗力的大小 ，以达到最佳擦洗效果。如对于玻璃玻璃，采用低转速，对于砖玻璃，采用高转速，调速由电机的星三角转换完成。5.3 气动计算的原始数据与技术要求原始数据给定为：箱体的长宽高=9451080540其中的充气体积为 V=2408033527=9451080540-2408033527=377460000mm3 =0.377m3螺旋桨初定选用参数：1. 螺旋桨直径D的选择：D约为1000mm.2. 所选电机：选用普通的三相电机，由于螺旋桨的要求转速较高，故选用风扇电机的功率为2.2103W，额定电压为380V，转速为780r/min3. 电机轴与螺旋桨直接用键和轴连接，轮毂和电机轴过盈配合由定位销定位。因螺旋桨的洗刷压力始终使螺旋桨压向电机，不会甩脱。4. 被压缩气体进口条件下的容积效率为v =10%流量进口气体参数为：P0=1.01105Pa；T1=293K； C1=0.22m/s技术要求为：1.高效率；2.尺寸小，重量轻；3.变工况特性好；4.使用寿命要求在8000小时以上；5.结构合理，运行安全可靠。5.4风压部分力学计算风压部分的吸附物体玻璃的力源，其中进口导流器的作用是使气流以轴线方向或以所需方向进入下一级或固定容器，起着整流作用。收敛器的作用是使利用气体自中心向外缘流动过程中有效流动面积的增加和减小；来达到增压的目的，减小空气流的速度。风扇的作用是产生离心力，使空气向四周流动，增大空气流的动能，使其对机体产生较大的冲击力。假设有1/10V的气体被抽出腔体，由气体连续性方程： (4.1)气体进口即进入导流器时的速度为：(4.2)忽略中间的损失，由气体连续方程公式(4.1)可得： (4.3)2即为气体进入风扇的进口速度。气体质量流率为：1 小时内的气体质量为电机功率为2.2kW由动能定理可得：(4.4)气体出口处与大气相通，速度一般为10-15m/s,取由流体力学动量定理知，单位时间内流出控制面的动量与流入控制面的动量的差值，等于作用于控制面内流体的全部外力之和，即：(4.5)所产生的总的压力为：5.5 本章小结本章确定了吸附系统的可行性，对整体系统进行受力分析，确保螺旋叶所产生的风力可以将机器主体紧压在壁面上，有助于洗刷部件对壁面的有效接触。总结时间就在弹指间流逝，经过近三个月的的刻苦奋战，我完成了毕业设计，也就是完成了一个比较系统的专业知识的温习与归纳。虽然在整个设计过程中遇到了很多的困难，但在指导老师以及同学的帮助下都能最终解决了问题，我终于顺利的完成了毕业设计，再一次的从理性认识上巩固了专业知识，提升了自住学习的能力，思维也得到了充分的开拓。在这次毕业设计中，能力得到提升主要是通过以下的工作得以体现：1、首先是复习和系统归纳的归纳专业知识，让我对它再次进行了全新的学习，发挥学习的主观能动性。2、这次设计我在图书馆和网络上查阅了大量国内外文献，搜集资料，从而让我学到了很多新的知识，拓宽了自己的视野，具有了一定的创新思维能力，使我的思维更加严谨而科学。3、对设计过程中遇到的问题，通过自己思考，并得到老师和同学的帮助而得以解决。这让我懂得了要敢于面对困难，同时也懂得了互助合作