毕业设计（论文）-家用玻璃清洁器虚拟设计及运动仿真.doc

诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目： 家用玻璃清洁器虚拟设计及运动仿真 系部： 机械工程系 专业： 机械电子 学号： 112012112 学生： 李二鹏 指导教师（含职称）： 张爱荣(讲师) 1课题意义及目标 学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解机械产 品的设计过程，材料选择及受力分析计算，零件工作图及装配图的绘制，提高学生 的自主设计能力和对专业知识的运用。为学生在以后从事机械电子工程的工作打好 基础。 2主要任务 （1）查阅资料，对现有清洁住宅窗户玻璃的设备进行分类分析，制定设计方案。 （2）利用三维软件建立玻璃清洁器的三维模型，完成运动仿真 （3）玻璃清洁器的材料选用及校核。对主要部件进行受力分析与计算。 （4）绘制零部件工作图及装配图。 （5) 撰写毕业论文。 3主要参考资料 1 杨可桢，程光蕴机械设计基础M高等教育出版社；2013.06 2 西北工业大学 机械原理M高等教育出版社； 2013.08 3 林江工程材料及机械制造基础M，机械工业出版社； 20139 4进度安排 设计各阶段名称起 止 日 期 1 查阅文献资料，确定制定设计方案。3 月 3 日3 月 23 日 2 利用三维软件建立三维模型，完成运动仿真3 月 24 日4 月 13 日 3 选用材料并对主要部件进行受力分析与计算。 4 月 14 日5 月 4 日 4 绘制所属部件的零件图及装配图。5 月 5 日6 月 1 日 5 撰写毕业论文。 6 月 2 日6 月 22 日 审核人审核人： 年 月 日 家用玻璃清洁器的虚拟设计及运动仿真 摘 要：玻璃清洁一直是人们生活中的一个难题，尤其对于高层住户，它的危险性 很大。所以，本论文设计了一种玻璃清洁器专门解决这种问题，它不仅能把危险性 降低，还能提高擦窗效率。论文先介绍了玻璃清洁器的整体结构和它的工作原理， 然后对整体结构进行了受力分析，对零件进行了材料的选取和强度校核，同时对其 中几个关键结构进行了计算和分析，确保了设计的合理；运用 proe 软件对零件进行 了虚拟设计和装配，最后进行了运动仿真；运用 cad 软件绘制了零件图和装配图。 最终，设计的玻璃清洁器符合设计要求和规范，人们可以安全，高效的完成玻璃内 外窗的清洁工作。 关键词：关键词：玻璃清洁器，Proe，Cad，强度校核 Virtual Design and Movement Simulation of Household Glass Cleaner Abstract：In peoples life, cleaning glass is always a difficult problem, especially for high- level resident, and it is very dangerous. So, this article designs a kind of glass cleaner that can solve this problem. it not only can reduce the danger, but also can improve the efficiency of cleaning windows. Firstly, the article introduces the whole structure of glass cleaner and the working principle of it, then the article introduces the stress analsis of the whole structure , the selection of parts materials and the strength check of parts, at the same time, the article introduces the calculation and analysis of the key structure, it can ensure that the design is reasonable; Conducting virtual design and assembly of parts by using proe software, finally to carry on the movement simulation; Drawing the part drawing and assembly drawing by using cad software. In the end, the design of glass cleaner can comply with the design requirements and specifications, people can finish the cleaning work of glass window safeiy and efficiently. Keywords: Glass cleaner ，Proe ，Cad ，Strength check I 目 录 1 前言.1 1.1 设计的目的及意义.1 1.2 国内外研究进展.1 2 方案设计.4 2.1 结构组成和工作原理.4 2.1.1 结构组成.4 2.1.2 工作原理.4 2.1.3 结构设计优点.5 2.2 结构设计计算.5 2.2.1 电动机的选择.5 2.2.2 伸缩杆受力分析和强度校核.6 2.2.3 伸缩结构的设计与计算.9 2.2.4 伸缩杆与电动机连接结构.12 2.2.5 电动机与清洁盘连接结构.14 2.2.6 清洁盘及清洁布的设计.15 2.2.7 电源的选择.17 2.2.8 本章小结.18 3 产品造型与运动仿真.19 3.1 pro/e 软件简介.19 3.2 产品造型.20 3.3 零件装配.28 3.4 运动仿真.33 3.5 本章小结.33 4 结论.34 参考文献.35 致 谢.36 太原工业学院毕业设计 1 1 1 前言前言 1.11.1 设计的目的及意义设计的目的及意义 随着人们生活水平的提高，人对生活的要求也不断提高。目前来看，各类玻璃 窗在家庭中得到了广泛的应用，但是，随着时间的加长，空气中的灰尘和风吹雨打， 玻璃窗就蒙上了一层灰尘，所以需要人们对其进行清洗。但由于工作的繁忙、生活 节奏的不断加快，玻璃外窗的清洗越来越成为一大生活问题。目前对于高层建筑玻 璃的清洁主要是靠人工操作，有清洗工人乘坐吊篮进行高空作业。一不小心就会出 现事故，危险性很大。而且人工的工作效率很差，时间很长。而家庭的玻璃清洁工 作，主要是靠人把手伸出窗外或者直接站在窗外进行擦洗，发生以外的可能性很大， 所以急需一种玻璃清洁器。为此，在分析总结现有的产品的基础上，我准备设计玻 璃清洁器。可以帮助人们实现玻璃窗清洁工作，降低人们的劳动强度，减少了危险 性，尤其是对居住在高层建筑的家庭。其既要简单实用，又要结构合理，经济实惠。 通过本次毕业设计，使我对大学四年所学的专业知识有了充分的应用，加强了 对专业知识的掌握。对产品的设计过程和步骤有了一些了解，学会了对产品整体结 构进行了分析，各部分零件材料的选取和零件的强度的校核，并且通过零件三维造 型及运动仿真，使我对 pro/e 的使用更加熟练。这次设计最重要的是让我明白了产 品设计的方法，对我以后的工作会有很大帮助。 1.2 国内外研究进展国内外研究进展 目前市场上主要有撑杆式玻璃清洁器和磁性双面玻璃清洁器。玻璃清洁器有两 种发展方向；一种是大型化和自动化，主要用于清洗大面积的玻璃幕和玻璃墙的爬 壁机器人，其动力结构和控制装置都需要精密设计。14另一种是小型化和简易化， 这类需要人工操作，不能自动工作，抓哟用于家庭个人使用。6 国外研究进展： 擦窗机：人们用来擦窗户的机器。但是现在它已经有了很大的变化，不在是简 单的擦洗玻璃，而是代表擦洗整个建筑外墙的大型机器的统称。还可以进行外墙的 太原工业学院毕业设计 2 修补和玻璃幕的更换。全自动擦窗机可以自动工作，不需要人工操作，而其它类型 的擦窗机都只是提供一个擦窗平台，需要工人在上面清洗玻璃。5 为了把人从清洗玻璃劳动中解救出来，壁面清洁机器人应运而生。 1966 年日本首次成功研制壁面机器人，随后出现各种爬壁机器人，到 80 年代末 期，开始开始在产品中应用，日本清水建设公司将其应用于玻璃清洗行业，随后出 现离各种各样的壁面清洗机器人，其中有两种最有代表性，一种为基于移动机械装 置设计的，另一种是基于轨道机械装置设计的。7玻璃清洁机器人有几个技术难题， 第一是，面对复杂的壁面环境，吸附技术不完善。第二是，在壁面上的自由灵活移 动达不到要求。第三是，清洗机构效果不是很好。第四是，传感控制系统不是很精 确。这些都是需要克服的难题。10 国内研究进展： 随着城市的不断发展，各种各样的高楼不断建起，但是对于高层玻璃的清洗却 没有同步发展，导致成为一个问题。基本上是清洗工人通过垂吊进行清洗。危险性 很大，而且清洗效率非常低。 基于这种现状，北京航空航天大学率先研发了一款玻璃棚顶清洁机器人。我国 的清洁机器人虽然起步晚，但是发展很迅速。哈工大，北航，上交大在这方面一直 处于领先地位。许多科研机构都研发了自己的清洁机器人。 （1）.悬吊式擦玻璃机器人。它由哈工大研发，有三部分组成。本体吸附机构、 驱动控制系统和清洗作业机构。这个机器人类似于擦窗机，通过把机器人悬吊在窗 外，然后吸附在玻璃上进行擦玻璃。 （2）吸附式擦玻璃机器人。9真空吸附机构和系统具有体积小，结构轻，可靠 性高和结构紧凑等特点，是爬壁机器人的关键技术。这种机器人主要就是依靠这种 系统才能实现，并连接清洁结构，通过驱动进行擦洗窗户。 （3）轮式永磁式擦玻璃器。11这个安全性能高，不必人把手伸出窗外。适合家 庭个人擦窗使用。其结构是类似于轮子在在玻璃上滚动，轮子外层是清洁布，通过 在玻璃上运动进行擦洗玻璃。 我国的擦窗器现在分为四类，都是在擦头上进行创新。 第一种是伸缩拉杆擦玻璃器。它的特点是，伸缩拉杆与水箱相连，水箱与水泵 相连，擦头与伸缩拉杆相连。其伸缩拉杆可以调节长度，水泵提供动力使水箱供水， 摇动杆件进行擦洗玻璃。 太原工业学院毕业设计 3 第二种是磁性双面玻璃擦。这是目前市场上高层住户擦玻璃外窗最常用的清洁 器，它是用磁性材料的吸力达到相互吸引，玻璃窗内外各一块，移动里面带动外面 达到擦双面的目的，但是这种玻璃擦，磁性不稳定，磁力不够大，运动过程中会掉 落，很不安全，而且现在很多楼层都是中控玻璃，磁性双面擦基本不起作用。 第三种是电磁摆动机器人。由电磁铁产生的磁力磁场变化带动杆的摆动，转头 也随之转动，是整个玻璃都可以擦到，这种机器人虽然简单，效率高，但是相对价 钱高，一般人很难负担的起，而且市面上很难见到。 第四种是万向节式擦玻璃器。12这种是人可以站在室内调节转头方向进行各个 方向清洗，并且转头可以伸出窗外，调整方向，进行擦玻璃。它的特点是方便，节 省体力，清洁效率高，而且还安全，但是不适合普通高层住户使用，适合一些办公 楼使用。 太原工业学院毕业设计 4 2 2 方案设计方案设计 2.1 结构结构组成和工作原理组成和工作原理 2.1.1 结构组成结构组成 根据设计要求和设计目的，玻璃清洁器的其整体三维造型图如下： 图2.1 玻璃清洁器整体结构 1 清洁盘 2 电机 3 螺栓 4 伸缩杆2 5弧形手柄和伸缩杆1 6手柄外套 除了各部件的设计，还有几个重点连接结构需要设计：4和5伸缩杆之间的伸缩 机构设计、4伸缩杆与2电动机螺栓连接结构设计（这是一个可调节转头方向的旋转 结构） 、2电动机与1清洁盘连接结构设计（这是采用紧定螺钉连接） 。 2.1.2 工作原理工作原理 太原工业学院毕业设计 5 在使用玻璃清洁器前，清洁盘上需要安装清洁布，固定好清洁布后，调节合适 转头的方向，使转盘方向朝向玻璃窗，然后双手拿起玻璃清洁器，一手握住弧形手 柄，另一手握住手柄与伸缩杆连接处当做支撑点，现在开启电动机，电动机转动带 动清洁盘转动，通过移动伸缩杆把清洁盘靠近窗户，手摇动手柄，清洁盘通过杆件 也随之运动，开始进行擦玻璃。当遇到距离太远，擦不到时，可以通过调节伸缩杆， 使其达到适合的距离，然后继续进行擦玻璃，使用完毕后，关闭电机，并取下清洁 布进行清洗，保证其干净整洁，确保下次可以再用。 2.1.3 结构设计优点结构设计优点 玻璃清洁器的设计主要有三个优点; （1）弧形手柄与伸缩杆连接，对于居住在高层的住户，擦玻璃外窗一直是个难 题，这个连接结构可以使人们站在室内就可以擦窗户外窗，避免了传统的把手伸出 窗外或者站在窗外擦窗的危险性，使人更加安全，而且设计简单，使用方便。 （2）伸缩杆的设计，伸缩杆由一节60cm 杆和一节80cm 的杆组成，再加上清洁 盘的直径为20cm，最大可擦到150cm 的高度，而且可以调节杆的长度，根据使用情 况，自由调节，基本保证了可以擦到窗户的任何地方，非常方便便利。 （3）电动机的加入，使人们不必用力擦拭窗户，只需摇动手柄既可以擦拭窗户， 省却了人力，降低了人的工作强度，缩短了工作时间，提高了擦窗的效率，玻璃也 能擦得更加干净。 2.2 结构设计计算结构设计计算 2.2.1 电动机的选择电动机的选择 电动机的选择，首先得知道负载转矩，及必须知道负载的质量和转动半径，才 能求出负载转矩，其次的知道需要多大的电动机转速，由这两个条件进行选择计算， 求出电动机的功率和电压参数，就可以确定电动机了。 首先确定电动机负载转矩。 电动机负载为清洁盘，其质量为 500 克，半径 R 为 0.1m。 太原工业学院毕业设计 6 Md=mg*R=0.5*9.8*0.1=0.49N*m (2-1) 根据公式 T=9550*p/n 可求得电动机功率 p。T 等于 Md。 (2-2) 其中转速 n，根据我的设计要求，其转速不宜太大，范围在 240-300r/min 即可。 选取 300 进行计算。 则 p=T*n/9550=0.49*300/9550=0.015kw=15w （2- 3） 所以选取电动机功率为 15w。从而选取电压为 12v。 表 2.1 电动机选择参数表： 电动机参数 额定功率 额定电压 额定转速 大小 15w 12v 240-300r/min 2.2.2 伸缩杆受力分析伸缩杆受力分析和强度校核和强度校核 （1）受力分析4 玻璃清洁器在工作过程中，主要是伸缩杆受力，主要受转头的重力和手摇动手 柄的力，其在水平位置，同时伸缩杆拉伸到最大距离时，重力对点 O 的力矩最大。 所以以这种情况分析杆的受力。 整体结构受力可以简化为如下图; 图 2.2 杆件整体受力图 玻璃清洁器整体整体以 O 为支点，受转头重力 Fa，和手给手柄的力 Fb。 重力 Fa 对支点 O 的力矩 m（Fa）=Fa*OA (2-4) OA 为伸缩杆最长为 150 厘米，最短为 70 厘米。转头的重量为 1 千克 所以 m（Fa）最大为 1.5N*m，最小为 0.7N*m。 太原工业学院毕业设计 7 而手给手柄的力 Fb 对 O 点的力矩 m（Fb）=Fb*OB (2-5) OB 的长度等于=64 22 4050 所以 m（Fb）=0.64*Fb。 由于整个杆件受力平衡，所以 m（Fa）=m(Fb) Fb=Fa*OA/OB (2-6) 因此求出 Fb 最大为 2.343N，最小为 1.093N。 所以，此力在人的承受范围，可以轻松使用其进行清洁玻璃。 （2）强度校核 伸缩杆在受转头重力和手给的拉力作用下，会产生弯曲应力，同时还存在剪切 应力，需对其进行校核。3 表 2.2 常用材料的在常温下的许用应力 根据常用材料的许用应力和各种材料的重量，选取铝合金管常用材料硬铝 2A11。 图 2.3 杆件受力图 根据分析，伸缩杆受转头重力 Fa，手的拉力 Fa 和支点的向上的力 F。 (1) 弯曲正应力强度校核 材料不锈钢 304工程塑料 ABS硬铝 2A11硬铝 2A12硬铝 2A13 许用应力 137MPa 24.5MPa370MPa390-420MPa315-345MPa 太原工业学院毕业设计 8 此杆是受集中载荷作用的杆。要对其进行强度校核，须先求出杆产生最大弯矩 的位置，即工作最不利情况。作出杆的弯矩图。 图 2.4 伸缩杆受力弯矩图 可以从弯矩图中看见，在 B 点时达到最大弯矩。 Mmax=Fa*AB=11N*m (2-7) 伸缩杆的抗弯截面系数 Wz=D/32(1-4) 伸缩杆外径 D 为 40mm，内径 d 为 37mm。 则抗弯截面系数 Wz=6.28 立方厘米。 根据强度条件 max=Mmax/Wz=11/6.28=1.75MPa （2- 8） 硬铝 2A11 的许用弯曲应力为 370MPa。 则最大正应力远远小于其许用应力 370MPa。 (2) 弯曲切应力强度校核 杆的受力通常不是纯弯曲，在弯曲截面上还存在剪力，还要进行切应力强度校 核。 伸缩杆的最大切应力作用在 B 点 杆件 B 点受力分析图如下 太原工业学院毕业设计 9 图 2.5 杆件应力图 max =KFq/A （2- 9） 其中 K 是根据截面形状进行选取，因为是空心管，所以截面为环形，K 选取 2. 剪切力 Fq=F=2.343N,截面面积 A=（40-37）=28.26mm 则 max =2*2.343/28.26=0.166MPa 而材料的许用弯曲切应力=0.8=0.8*370=296MPa 而 max （2- 10） 所以，选择硬铝 2A11，弯曲正应力和弯曲切应力都符合设计要求。 2.2.3 伸缩结构的设计伸缩结构的设计与计算与计算 伸缩杆的伸缩结构设计思路，在细杆中安装圆柱螺旋压缩弹簧，在弹簧末端加 一个圆柱键，当细杆在粗杆中滑动时，圆柱键遇到粗杆壁上的孔弹出，从而固定。 粗杆上在不同距离有三个孔，可以调节不同的距离。其具体结构如下。 图 2.6 伸缩结构示意图 (1) 弹簧的设计 首先要求弹簧中径 D=8mm，外径 D2 小于等于 10mm。在一般载荷下工作。 在最大压力下 Fmax=20N,最大压缩距离为 max=15mm。 太原工业学院毕业设计 10 选用材料并确定其许用应力 因其在一般情况下工作，可以选类弹簧，其受载荷作用次数在 10以下。选用 碳素弹簧钢丝 C 级。并根据弹簧钢丝的直径 d=D2-D2mm，先取弹簧丝直径 d 为 1mm。根据下表 2.3 选拉伸许用应力为 1960MPa，根据表 2.4 选取许用切应力 =0.8*0.5*1960=784MPa。 表 2.3 弹簧钢丝的拉伸许用应力 B 钢丝直径 d/mm B C D 0.70 1710-2110 2060-2450 2450-2840 0.80 1710-2060 2010-2400 2400-2840 0.901710-2060 2010-2350 2350-2750 1.00 1660-2010 1960-2360 2300-2690 1.20 1620-1960 1910-2250 2250-2550 1.40 1620-1910 1860-2210 2150-2450 1.60 1570-1860 1810-2160 2110-2400 1.80 1520-1810 1760-2110 2010-2300 2.00 1470-1760 1710-2010 1910-2200 表 2.4 弹簧材料及其许用应力 材料及 代号 许用切应力 /MPa 许用弯曲切应力 b/MPa 类 弹簧 II 类 弹簧 类 弹簧 II 类 弹簧 类弹 簧 弹性模量 E/MPa切变模量 G/HBC 碳素弹 簧钢丝 B、C、D 级 0.3B0.4B0.5B0.5B0.625B0.5d4 207500-20500 d4 200000 0.5d4 83000-80000 D4 80000 根据强度条件计算弹簧钢丝直径 根据表 3.5 选取旋绕比 C=6， 表 2.5 常用旋绕比 C 太原工业学院毕业设计 11 d/mm 0.2-0.4 0.45-1 1.1-2.2 2.5-6 7-16 18-42 C 7-14 5-12 5-10 4-9 4-8 4-6 则根据 K=(4C-1)/(4C-4)+0.615/C=1.25 (2-11) 根据得； (2-12)1.6 MAX FKC d d0.699 所以，选取 d=0.7mm，通过查表，不变，所以 D=8mm，C=11.4，计算 K=1.1 则 d0.6，符合原值。 所以 d=0.7mm，D=8mm 则外径 D2=8.7mm10mm。符合题中限制条件。 确定弹簧几何参数。 根据设计要求弹簧自由高度 H=20mm。节距 p=0.3D=2.4mm。 根据式 H=pn+2d 得 弹簧圈数 n=（H-2d）/p=(20-1.4)/2.4=7.75 圈 （2- 13） 具设计情况，8 圈也符合情况。 弹簧的螺旋升角 =arctanp/d=6 度。 （2- 14） 验算稳定性 对于压缩弹簧，其长度较大时，则受力容易失去稳定，造成失稳现象。 所以当弹簧一端固定，另一端自由时，弹簧的长细比 b 应小于 3.7 b=H/D=2.43.7 所以，本弹簧稳定，不会出现失稳现象。 （2- 15） 疲劳强度及应力计算 本设计的弹簧载荷作用次数 N 小于等于 10，载荷变化不大，所以只用计算静应 力强度计算，不用进行疲劳强度计算。疲劳强度计算只有在循环次数较多，在变应 力情况下进行计算。 静应力强度计算 太原工业学院毕业设计 12 max=8KDFmax/d=473MPa （2- 16） Ssca=s/max=1.65 （2- 17） 静应力强度设计的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的力学性精确时， 取 Ss=1.3-1.7，当精确性低时，取 Ss=1.8-2.2. 取 Ss=1.5，则 SscaSs。 所以弹簧的静应力强度符合要求。 弹簧的工作结构设计 如伸缩结构示意图所示，虽然弹簧的稳定性已经过验算，但是为了固定弹簧， 还是在其外部加了一个圆柱套筒，更加保证了其稳定性，弹簧的一端固定在套筒上， 另一端自由，整个弹簧就在其中自由伸缩。 终上所述，整个弹簧的设计就已经设计完成，弹簧的各个部分都进行了充分的 考虑和设计。 （2）伸缩固定键的强度校核 固定键的受力分析图如下; 图 2.7 固定键应力图 此键受剪切力作用，在剪切面产生了内力，如图沿剪切面假想的将键分为两部 分，并取左边部分作为研究对象对象。在剪切面上合力必然为 0，受力平衡。 物体的重量为 1 千克， 得 F-Fq=0，则 F=Fq=G=mg=10N （2- 18） 切应力在剪切平面上是均匀分布的，则有 =Fq/A （2- 19） 太原工业学院毕业设计 13 固定键的直径为 d=5mm，则 A=（d/2）=3.14*2.5=19.625mm 则剪切力 =10/19.625=0.50MPa 选取固定键的材料，以下为几种材料的许用应力。 表 2-6 常用材料许用应力 材料碳素钢 Q215 碳素钢 Q235 碳素钢 Q275 45 号钢 许用应力 100MPa 110MPa 120MPa 175MPa 通过表格，选取 45 号钢，其许用应力为 175MPa。 而 175MPa，所以选取 45 号钢符合设计要求。 2.2.4 伸缩杆与电动机连接结构设计伸缩杆与电动机连接结构设计 此连接结构，采用螺栓连接。螺栓连接两个零件，因为是螺栓连接，所以必须 考虑预紧力，还有螺栓所受的剪切力和挤压力。1这个连接结构是可以经常松紧， 以调节转头的方向，以便擦拭各个方向的窗户。 其连接结构示意图如下; 图 2.8 连接结构示意图 (1) 预紧力的计算 螺栓连接属于螺纹连接的一种，在装配时必须拧紧，在工作之前，预先受到预 紧力。预紧可以增强连接的牢固性，避免连接松动，不紧固。15 所以在装配时，必须控制预紧力不得超过材料屈服极限的 80%， F00.6sA （2- 20） 太原工业学院毕业设计 14 选取材料为 45 号钢，其 s=175MPa，A=（d/2）=3.14*5=78.5mm。 则 F0=0.6*175*78.5=8242.5MPa 螺栓在拧紧过程中，预紧力产生的为拉伸应力， 所以螺栓的预紧拉伸应力为 =F0/(d/2)=842.5/78.5=105MPa （2- 21） 则螺栓在预紧状态下还受扭转切应力 所以总的计算应力 ca=1.3= 1.3*105=136.5MPa (2-22) 而材料的许用应力=175MPa ca. 所以此预紧力作用下，符合材料的强度极限。 (2) 剪切力和挤压力作用的强度校核 螺栓连接连接两个零件，两个零件给螺栓以剪切作用的剪切力，和分别对其的 挤压作用下的挤压力。其受力示意图如下： 图 2.9 螺栓所受应力图 剪切力的强度校核 剪切力在剪切面上是平均分配的，剪切力来源为物体重力。 重力为 G=10N,A=78.5mm 其剪切应力 =G/A=0.127MPa （2- 23） 太原工业学院毕业设计 15 材料的许用应力为 175MPa，则剪切许用应力为=0.8*175=140MPa 而 ,符合材料的剪切强度条件。 挤压力的强度校核 挤压力的作用是半圆柱面，展开面是长方形，面积 A=hd=9*3.14*10=282.6mm 挤压力同样来源于重力，F=G=10N 则挤压应力 =F/A=10/282.6=0.035MPa (2-24) 所以同样符合材料的挤压强度条件。 2.2.5 电动机与清洁盘连接结构电动机与清洁盘连接结构 首先，因为选择的电动机功率较小，属于微型电机，电动机主轴较短，所以在 主轴要作长一点，然后主轴与清洁盘连接，连接结构是通过紧定螺钉固定两个零件 的外置，使其固定，不滑动，因为电机功率较小，所以传递的力矩不大，可以选择 紧定螺钉连接。 连街连接结构示意图如下： 图 2.10 连接结构示意图 紧定螺钉连接属于螺栓连接的一种，所以也要计算预紧力，防止装的太紧，损 伤零件，降低零件的强度，装的太松，则会装配不牢固，在运动过程中脱落。2 (1)紧定螺钉预紧力计算 首先选取紧定螺钉的材料为 45 号钢，其许用应力=175MPa，预紧力作用下 的作用平面面积为 A=（d/2）=7.065mm 太原工业学院毕业设计 16 则预紧力 F0=0.6*A=0.6*175*7.065=741.825N （2- 25） 预紧力产生的效果拉伸效果，拉伸应力 =0.6=105MPa 则预紧力状态下中的应力 ca =1.3=136.5MPa （2- 26） ca 所以预紧力作用下，符合材料的强度极限。 紧定螺钉同时还受剪切力和挤压力的作用，此时剪切力和挤压力都等于清洁盘 重力，G=mg=0.5*10=5N (2)剪切力的强度校核计算 =G/A=5/7.065=0.708MPa （2- 27） 而剪切许用应力=0.8=140MPa 很明显 (3)挤压力的强度校核计算 挤压力的作用面积为半圆柱面 A=d=3.14*5=15.7mm =G/A=5/15.7=0.318MPa （2- 28） 所以，材料在剪切力和挤压力作用下，都符合强度要求。 2.2.6 清洁盘及清洁布的设计清洁盘及清洁布的设计 清洁盘形状的确定 清洁盘选择圆形，在上面镂空以保证质量最轻，减小工作时电机的负荷，使人 更省力，其直径为 20cm，保证了清洁面积不是太小，确保了清洁效率。 清洁盘材料的选择 清洁盘材料和电机外壳以及手柄的材料都选择 ABS 工程塑料，这是一种无毒无 害，同时材料的刚度和韧性都很好，坚固，耐磨，耐腐蚀，其它各种性能都很好， 一般塑料外壳都选择这种材料。 太原工业学院毕业设计 17 图 2.11 工程塑料 ABS 清洁布的选择 清洁布得有两部分组成，海绵和百洁布。选择优质吸水海绵，细孔吸附清洁力 强，耐用易洗涤，外部套百洁布，清洁布四周连接 6 个塑料小圆柱。主要是里面的 海绵储存水分，外面的百洁布擦拭玻璃。 清洁布和清洁盘的连接 清洁海绵可以直接连在清洁盘正面，清洁布覆盖清洁海绵包住清洁盘，塑料小 圆柱插到清洁盘背部的圆柱孔以固定。 图 2.12 优质海绵 太原工业学院毕业设计 18 图 2.13 百洁布 2.2.7 电源的选择电源的选择 因为玻璃清洁器设计中要涉及电动机的选择，而其功率和电压都较小，所以需 要选择电源，转换电压到电动机适合的电压。 电源有两个选择 第一个是选择电源适配器，它可以很方便的完成电流的转换，很多电器都选用 电源适配器，它的缺点是擦窗时不方便，需要拉很长的电线，而且成本比较高。 第二种是选择充电电池，电池可以很方便的安装，玻璃清洁器工作时，也可以 很舒适的使用，由于是充电电池可以很方便充电，而且成本很低。 通过比较，最终选择了充电电池，电动机的额定电压为 12v，选择 12v 的电池， 就可以确保电动机正常工作了。 太原工业学院毕业设计 19 图 2.14 充电电池 2.2.8 本章小结本章小结 本章是设计很重要的一部分，首先对对整体结构进行了设计，说明了产品的工 作原理和产品的设计优点，然后进行了电动机的选择，整体杆件的受力分析，伸缩 杆的内力强度校核，伸缩装置的设计和其中的部件校核，还有伸缩杆和电动机连接 结构的设计和强度校核，电动机和清洁盘连接结构的设计和强度校核，清洁盘和清 洁布的设计和电源适配器的选择。 通过本章的设计，是我对结构有了更加清晰地认识，通过一系列的材料选择和 强度校核，确保了结构的强度和稳定性，是玻璃清洁器在工作过程中不会出现差错， 保证了其正常工作。 本章对整体和部分结构都进行了设计，为下一章的的 pro/e 三维建模打下了良 好的基础，下一步的设计工作将会省力很多，节省时间，加快了设计进程，确保了 设计可以及时完成。 3 产品造型与运动仿真产品造型与运动仿真 3.1 pro/e 软件简介软件简介 Pro/ENGINEER 软件是我们机电专业学生产品造型和运动仿真常用到的一种软件， 已经得到了业界普遍的认可和使用。而我在设计过程中使用的版本是 pro/e 野火版5.0 版本。 而在我的毕业设计中所用到的包括 proe 的产品造型设计和装配，以及运动仿真 功能。 （1） 产品设计 首先，我们要确定我们所要设计的产品的结构和个部分组成，然后对各个零件 太原工业学院毕业设计 20 进行造型设计，要熟悉 proe 产品设计的各个功能和命令，对常用的拉伸，旋转，扫 描，螺纹扫描等命令要掌握。对各种命令的不同用法也要熟悉。 （2） 产品装配 其次，当我们把产品的各个零件设计完成后，要对其进行装配。装配时，要选 择装配命令，要对要装配的零件进行约束，有对齐，匹配，插入等约束条件，满足 约束条件后，才能装配成功。 （3） 运动仿真 最后，当我们把零件装配成产品后，我们可以对其进行运动仿真，可以演示产 品工作效果。运动仿真需要对要相对运动的两个零件进行连接定义，然后根据情况， 进行定义伺服电机，产生运行效果，然后保存仿真动画。 以上是产品设计和运动仿真所用到的功能，proe 还具有其它的特点和功能，它 有几个特点：基于特征的，关联的，参数化的，构造曲面，在装配图中构造实体； 同时还具有逆向设计，自动测量，有限元分析，产品数据库管理等功能，广泛应用 于电子，机械，模具，工业设计，汽车，航天，家电，玩具等行业，大大缩短了产 品开发设计的时间和简化了开发的流程，设计的质量和速度也大大提高，尤其是结 合快速还原技术，可以大大缩短产品设计生产上市的时间。 总之，随着 proe 的不断完善和发展，越来越多的问题将被解决，越来越多的理 想将会被实现，工业生产水平也会不断提高，各种各样的产品也会被设计生产出来， 将会对我们的生活有很大的帮助。 3.2 产品造型产品造型 (1)伸缩杆和手柄 首先，打开 pro/e 软件，新建文件，选择类型为零件，同时选择缺省模板。 现在，开始零件设计，先用拉伸命令，选取 top 平面，进入草绘平面，画一个 40的圆，完成草绘，拉伸长度为600，拉伸出一个圆柱。再用扫描命令，扫描伸出项， ，选择 front 为草绘平面，先画扫描轨迹，在圆柱右一端画一条半径400的弧，再接 100的直线段做手柄部分，再画扫描图形直径40的圆，然后选择合并端点，确定，扫 描出弧形手柄，再用壳命令，选择厚度为3，选中杆件，确定，抽壳完成，在伸缩杆 右端拉伸命令，把杆拉空，再用拉伸命令拉伸一个2的凹槽，以保证另一根杆件不滑 出，然后再在杆上 front 平面上的200.400.588位置拉伸3个直径为4的孔，这是伸缩 太原工业学院毕业设计 21 杆调节距离的三个点。最后对连接处进行倒圆角，进行渲染染色，使零件效果明亮。 图3.1 手柄和伸缩杆1 其次另一根伸缩杆的设计，新建文件，选择类型为零件，同时选择缺省模板。 开始设计零件，选择拉伸命令，选择 TOP 平面进行草绘，草绘一个直径30的圆， 然后选择拉伸长度为800，确定，拉伸出800的圆柱杆；在选择拉伸命令，选择先前 平面，草绘一个直径24的圆，设拉伸长度为750，选择切除材料，确定，在杆中拉伸 出一个圆柱孔；然后把圆柱实心端设计成连接端，先用拉伸命令，选择 TOP 平面， 草绘留下圆中间9的距离，拉伸把其它切除，把留下的两端弧形也切除，就成为一个 长方体平台；在其上用拉伸命令，选择圆与三边相切，把多出部分切除，再以其圆 心拉伸一个直径10的孔；最后在杆另一端拉伸一个伸缩杆固定键，进行渲染着色。 太原工业学院毕业设计 22 图3.2 伸缩杆2 最后再加一个手柄塑料外套，方便手握。 新建文件，选择类型为零件，同时选择缺省模板。 进入零件设计工作环境，选择拉伸命令，在 TOP 平面，进行草绘，草绘一个直 径46的圆，拉伸长度为110，确定，拉伸出一个圆柱；在用拉伸命令，使用先前草绘 平面，画一个直径10的圆，选择切除材料，拉伸长度为100，了在圆柱中拉伸出一个 孔,；最后利用旋转命令，选择 right 平面进行草绘，先以轴线画一条中心线为旋转 中心，再在圆柱边上画3*1的小矩形，间隔3画满一条边，然后确定，选择切除材料， 旋转角度360度，确定，旋转出一圈圈凹槽，增加摩擦。最后进行渲染染色。 太原工业学院毕业设计 23 图3.3 手柄外套 （2）弹簧 首先，打开 pro/e 软件，新建文件，选择类型为零件，同时选择缺省模板。 进入零件设计工作环境，选择螺纹扫描，伸出项选项，选择可变的节距，穿过 轴，右手定则，点击完成，选择 TOP 平面进行草绘，先画