玻璃清洁机器人

1、玻璃清洁机器人的设计 本科生毕业设计 题 目： 玻璃清洁机器人的设计 目 录中文摘要及关键词I英文摘要及关键词II第一章 绪论11.1 课题目的、意义11.2 相关研究动态11.3 课题的主要内容2第二章 玻璃清洁机器人总体方案设计32.1 清洁机器人的总体方案32.2 清洁机器人传动系统方案32.2 玻璃清洁机器人清洗系统方案42.3 玻璃清洁机器人爬行系统方案52.4 其它部分方案82.4.1材料选择82.4.2 轮的润滑问题82.4.3 轴承的润滑问题82.5 本章小结9第三章 玻璃清洁机器人传动系统设计103.1 玻璃清洁机器人电动机的选择103.2 直齿轮副的设计计算123.2.1

2、齿面接触疲劳强度计算143.2.2 齿根抗弯疲劳强度验算163.2.3 齿面静强度计算173.2.4 齿根（抗弯）静强度验算183.3 锥齿轮副的设计计算183.3.1 基础尺寸确定183.3.2 确定载荷系数K203.3.3 齿面接触疲劳强度计算203.3.4 齿根抗弯疲劳强度计算213.4 中心轴管的受力分析223.5 中心轴管的强度校核233.6 键的校核243.7 轴承的校核253.3 本章小结26第四章 玻璃清洁机器人清洗系统设计274.1 清洗机器清洗部分设计294.1.1 盘刷设计294.1.2 滚刷设计304.1.3清洗部分所用弹簧的设计304.2 内空心轴设计364.3 清洗

3、机主机滚轮的设计374.4 主机上传感器及行程开关的选择374.5复合缆的结构设计384.6 本章小结38第五章 玻璃清洁机器人吸附系统设计395.1 吸附原理395.2 吸附方式的实现405.2.1 风机推力405.2.2 负压的产生435.3 采用风压吸附的意义435.5 气动计算的原始数据与技术要求445.6风压部分力学计算445.7 本章小结46结论47参考文献48致 谢50玻璃清洁机器人的设计中文摘要及关键词摘要: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，重点是玻璃清洁

4、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；清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成；采用无人化清洗，自动清洗，自动供水，自动供清洗液，单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作，而且在清洗过程中，清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

5、直线行走。本机的清洗效率较高，清洗效果良好。关键词：玻璃清洁机器人；风压吸附；齿轮机构；清洗英文摘要及关键词Abstract：This 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 a

6、nd 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

7、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 scrubbin

8、g, 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 b

9、uilding 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 goo

10、d effect.Keywords: Glass cleaning robot; adsorption pressure; gear mechanism; brushing49第一章 绪论1.1 课题目的、意义随着时代的进步 ,人们住的楼层也越来越高，擦玻璃变成了很难办的事情，在智能机器人如火如荼得发展过程中，目前具有一定的智能性的清洁机器人也成为研究热点之一,智能清洁机器人系统的研究在发达国家受到广泛的关注,许多高科技应用领域,以及实际生产实践中的特殊应用环境的强烈需求更成为它不断发展的强劲动力。近年来,都市中的高层建筑越来越多,目前对高层建筑的玻璃窗的清洗工作主要还是由清洗工人搭乘吊篮完成

11、的,传统的人工清洗方式既危险,效率又低且成本高，但如果自己清洗的话不仅有危险而且费时费力，况且现在更多的人们希望从繁琐的日常事务中解放出来，因此迫切需要一种设备协助甚至替代人来完成玻璃的清洗工作。1.2 相关研究动态国外方面，日本是机器人发展较为发达的国家，其对智能机器人的研究实力雄厚，值得我们学习，下图的多用途壁面机器人是一个日本开发的清洁机器人的范例：该机器人自重100kg，同时可载150kg负重，小车的车轮上具有磁性设计，采用磁吸附方式吸附在墙壁上，可直接越过坑洼不平的墙面以及其他墙上的不明障碍物，多用于桥墩底部、玻璃幕墙等检测和修复作业。 图1.1 多用途壁面机器人1 图1.2 双车体

12、机器人2上图的双车体机器人也是由日本人研制，其采用负压吸盘吸附，在运行过程中吸盘与壁面之间产生有滑动密封效果，强大的大气压能够保证小车不会从墙壁上滑落，由四个高摩擦系数的轮子贴合在墙壁面上，在吸盘保持负压的过程中，机器人通过控制轮子的正反转控制机器人的行走方向，轮子的差速保证了机器人的转弯功能的实现，且由于四个轮子均为独立控制，所以该机器人控制起来显得格外灵活。国内方面，虽然起步较晚，但也已经有了相对成熟的东西，图1.3为北京航空航天大学机器人研究所研制的用于清洗国家大剧院玻璃幕墙的样机，图上所示为该机器人工作在国家大剧院的场景，其由攀爬机构、俯仰调节机构、移动机构和清洗机构等部分构成，总长约

13、3m, 高0.5m，宽1m, 整个机身主体由铝型材搭建而成，不仅强度高而且相对重量也轻了许多，其在工作过程中把安装在建筑物上的滑动导杆作为中介，成功避免了机器人对建筑物的直接抓取所可能带来的损伤以及其他不安全因素。图1.3 北航清洁机器人3通过对上述文献的分析，无论是国外的多用途壁面机器人还是国内的清洗机器人，在体积及重量上都相对较大，多用途壁面机器人本身就重达100kg，显然这个重量是普通家庭玻璃难以承受的，而北航机器人研究所所研发的清洁机器人样机高度竟然达到了1.9米,这对于比较宽阔的玻璃幕墙来说,清洗起来确实方便、迅速，但是对于一些普通的家庭玻璃窗来说,这明显是不合适的。1.3 课题的主

14、要内容本文设计的玻璃清洁机器人主要是用于清洗城市高层建筑的玻璃幕墙，用于替代人来完成玻璃的清洗工作，首先确定玻璃清洁机器人的整体方案以及详细机械结构的设计，然后阐述本课题控制系统的设计，最后介绍机器人实体样机的调试，最后完成玻璃清洁机器人的清洗工作。设计一套完整实用且效率高的玻璃清洁机器人，首先要了解国内外相关玻璃清洁器的发展现状，其次根据现状拟定数种设计方案，比较优劣后得出最佳方案，作为整体方案；进而阐述控制系统，清洗系统，吸附系统，传动系统等各个系统的设计，最后介绍机器人实体样机的调试，完成玻璃清洁机器人的清洗工作。第二章 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

15、机器人清洗作业的要求，机器人首先必须具备清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清洗系统、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，产生一定的清洗压力，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。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清洗力，悬吊支撑架通过一圆导轨和箱体（其上安装两盘两滚）相连，所有的清洗装置均安装在该箱体上，清洗系统由固定

16、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清洗刷，盘刷底部都有十二个清洗液喷射孔，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，以使清洗过的部位快速风干并避免留下来的清洗液腐蚀玻璃。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清洗刷上，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，可以达到更好的清洗效果，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，防止清洗液四溅。清水，清洗液，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

17、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。在清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 清洁机器人传动系统方案 通过电动机带动一对锥齿轮实现换向，然后通过齿轮啮合传递给另外一组毛刷机构，如图2.1所示图2.1 机器人传动系统结构图2.3玻璃清洁机器人清洗系统方案根据以上提出的技术性能及要求，初步确定清洗方案如下：第一种：结构简图如图2.2：此种方案采用负压履带吸盘式盘滚组合式清洗，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

18、。 图2.2 结构一 图2.3 结构二第二种：结构简图如图2.3：这种方案采用了风压式压紧，盘滚组合式清洗，清洗效率高，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，清洗压力不均匀，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2.4：图2.4 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清洗机，其优点是： 在清洗机外机架背后安装可调吸附系统来提供连续均匀的清洗力，螺旋桨可调节转速来控制清洗压力； 机架内采用一清洗系统旋转装置，方便的实现了纵横两不同清洗方向的

19、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清洗方式，清洗液和清水分别由盘刷和滚刷提供以达到最佳清洗效果。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，产生一定的清洗压力，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净玻璃。滚刷喷的是清水，将玻璃冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀玻璃，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清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

20、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目前玻璃清洁机器人吸附方式主要包括磁吸附，负压吸附，螺旋桨推压等，今年来又出来现了胶吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蜗牛的湿吸附，类攀岩抓持吸附，该类吸附方式只适合在导磁面上吸附；低真空度负压吸附采用风机旋转将负压腔内的空气抽出产生负压来吸附，具有一定的壁面适应能力，但存在噪音大，体积大的缺点；螺旋桨推压靠合理布置螺旋桨的角度，利用螺旋桨旋转产生的推力将机器人贴附在壁面上，但也存在噪音大的缺点。由于负压吸附具有适用面广，不受壁面材料限制，而且低负压真空吸附的玻璃清洁机器人具有壁面适应能力强和运动速度快等优点，因此目前负压吸附在玻璃清洁机器人

21、中得到广泛的应用。真空泵式要带一个大大的气泵，且设计要求需要清洁水擦玻璃，固采用水射流式抽气吸附。这种方案前面已经提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盘里后，经射流器力射流泵提供的动力，再把水经喷头往外喷，把里面的空气带走，喷完后，吸盘内外形成负压，把吸盘吸住。由于吸盘也是机器人运动时类似于液压缸机构，其结构图如图所示：它是长方形吸盘，工作时最多只有一半用来射流喷水产生吸附，实现机器人的吸附功能。 图2.5 吸盘结构简图 机器人的吸附与运动机构都要水的参与，工作过程如图2.6所示： 1：2YA通电，工作腔1冲水，满后，2YA断电，与此同时，1腔里的水经射流发射器喷出，带走里面的空气，形成负

22、压，使得吸盘A吸附在玻璃上。 2：此时，4YA通电，3腔进水，满后，1YA通电，使2腔进水，推动活塞杆a向前移动，拉动吸盘B往前移动，活塞至中间位置后，压下行程开关。 3：此时，1YA，4YA断电，3腔再次水满，3腔水经水射流发射器喷水，产生负压，吸住吸盘B. 4：此时，2YA通电，1腔进满水后，3YA通电，使4腔进水，推动活塞杆b前进，使其推动吸盘A前进，活塞杆至中间位置后压下行程开关，2YA，3YA断电，此时1再次充满水，再射流，如此循环下去，实现机器人的爬行运动。图2.6 机器人控制原理图本方案如下图2.7所示，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，产生一定的清洗压力

23、，通过电机带动刷子转动，达到清洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净玻璃。滚刷喷的是清水，将玻璃冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀玻璃，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清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。图2.7 螺旋桨吸附系统使主机吸附在玻璃上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，由于使用清洗液，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）17。本机的各个传动轴均

24、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14，据参考文献1，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文献10。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，对机器人从清洗系统、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

25、稳定性。玻璃清洁机器人的设计第三章 玻璃清洁机器人传动系统设计3.1 玻璃清洁机器人电动机的选择为电力拖动系统进行合适的电机选择，才能保证系统可靠工作和经济地运行。下文简要介绍电机选择的一般内容。电机选择的主要包括如下内容。 1.类型的选择选择哪种电机类型,一方面要根据生产机械对电机的机械特性、起动性能、调速性能、制动方法、过载能力等方面的要求;在对起动、阅速等性能没有特殊要求的前提下，优先选用三相异步笼型电机。2. 功率的选择选择电机的翻定功率时，应使所选的电机额定功率等于或稍大于生产机械所需要的功率，既不能过载，也不能长期轻载。可采用类比法、统计法、实验法、计算法等确定。3.电压的选择 交

26、流电机额定电压应选择和供电电网的电压一致.并结合电机顺定功率考虑。直流电机的额定电压也要与电源电压相配合，常用110 V或220 V。大功率直流电机可提高到600 - 800 V至1000V。当采用晶闸管整流装置供电时，可选用专门为其配套设计的直流电机.其电压有功率等级160 V (Z3型),180 V,340 V(Z2型)及440 V (Z2 ,Z3型)。4.转速的选择 根据生产机械的转速和传动方式.通过经济技术比较后确定电机的额定转速。额定功率相同的电动机额定转速越高，则电动机体积、重夏和造价越低，一般飞轮矩GD也越小，因此选用高速电动机较为经济。但生产机械速度一定.电动机转速越高.则传动

27、机构传动比越大，机构越复杂.传动损耗越大。因此.要综合考虑上面诸因术后才能确定电机的额定转速。5.外形结构的选择电机常用的外形结构有开启式、防护式、封闭式、密封式、防爆式。开启式电机定子两侧和端盖上开有很大的通风孔。它散热好、价格便宜，但容易进灰尘、水滴和铁渭等杂物.只能在清洁干燥的环境中使用;防护式电机的机座下面有通风口。它散热好、能防止水滴、沙粒和铁屑等杂物溅人或落人电动机内，但不能防止潮气和灰尘浸人.适用于比较干燥、没有腐蚀性和爆炸性气体的环境;封闭式电机的机座和端盖完全封闭.它又分自冷式、自扇冷式、他扇冷式、竹道通风式及密封式等。前四可用在潮湿、多腐蚀性灰尘、易受风雨浸蚀等环境中，第五

28、种可浸在液体中使用.如潜水泵等;防爆式电机在封闭式基础上制成隔爆形式，机壳有足够强度.适用于易燃易爆气体的场所.如矿并、油库、煤气站等。选择电机的外形结构时，应选择合适的防护形式. 6.安装形式的电机选择 目前生产的电机的安装形式主要有:B3(卧式安装，机座带底脚.端盖上无凸缘)B5(卧式安装，机座不带底脚.端盖上有凸缘)B35(卧式安装.机座带底脚.端盖上有凸缘)V1(立式安装.机座不带底脚，端盖上有凸缘)。 每种又分单轴伸出和双轴伸出两种。应根据电动机在生产机械中的安装方式选择电动机的安装形式。一般情况选用卧式，立式价格较高，只用于简化传动装置又必须垂直运转时，如立式深井泵等。 7.工作制

29、的电机选择 根据生产机械要求.选样工作制与实际工作方式相当的电机比较经济。 8.型号的电机选择根据上述各项的结果，选择电机的型号和生产厂家。考虑到该机构工作所需功率不大，初步采用估算的方法，拟采用Y90L-4电动机。查文献8得：选择，其铭牌如下表3.1：表3.1 Y系列三相异步电动机电动机型号额定功率 KW满载转速 r/min堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩质量 KgY90L-41.5同步转速1500 r/min,4级14402.22.227 图3.1 三相异步电动机（a）三相异步电动机安装示意图（b）三相异步电动机外形尺寸示意图 图3.2 电动机的安装及外形尺寸示意图表3.2 电动机的安

30、装技术参数中心高/mm外型尺寸/mm L（AC/2+AD）HD 底脚安装尺寸AB地脚螺栓 孔直径K轴伸尺寸DE 装键部位尺寸FGD90515 345 315216 1781238 8010 433.2 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

31、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(3.1)定重合度系数、 (3.2)由公式(5.2)定重合度 =1.88-3.2（1/32+1/129）=1.755分别由参考文献13中公式得=0.865=0.25+（6） 确定载荷系数、 (3.3)1) 使用系数 由参考文献13表10-2查表，取=1.352) 动载系数 由参考文献13图10-8可

32、查得，=1.143) 齿向载荷分布系数,由参考文献13图10-4可取=1.294) 齿间载荷分配系数、根据条件查参考文献13表10-3得 =1/ Y=1/0.677=1.485) 载荷系数 、 由公式(5.3)可算得3.2.1 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13公式(10-13)及参考文献6表10-18可计算查得：3) 寿命系数、 由参考文献13图8.2-17取=1 =14) 接触疲劳极限 ： 由参考文献13图8.2-13取=630MPa，=490MPa5) 安全系数 ： 参照参考文献13照表8.2-13，取=16) 许用应力、：由

33、参考文献13式(8.2-15)=（2） 弹性系数： 由参考文献13表8.2-11，取=190（3） 节点区域系数 ： 由参考文献13图8.2-12，取=2.5（4） 求所需小齿轮直径 由参考文献13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=32mm3.2.2 齿根抗弯疲劳强度验算（1） 求许用弯曲应

34、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 由参考文献13图8.2-26，取=15) 安全系数 参照参考文献13表8.2-13，取=1.56) 许用应力、 由参考文献13式(8.2-20)，许用弯曲应力：=（2） 齿形系数、 由参考文献13图9-19，取： =2.5=2.15（3） 应力修正系数、 由参考文献13图9-20，取：=1.63 =1.82（4）校核齿根抗弯曲疲劳强度 由参考文献13式（8.2-17），齿根弯曲应力 抗弯疲劳强度足够。3.2.3 齿面静强度计算(1) 确定许用接

35、触应力：参照参考文献13表8.2-13，取静强度安全系数由参考文献13图8.2-17，取寿命系数于是由参考文献13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，由参考文献13式(8.2-21)，齿面最大接触应力齿面静强度足够。3.2.4 齿根（抗弯）静强度验算（1）确定许用弯曲应力 参照参考文献13表8.2-13，取静强度安全系数由参考文献13图8.2-25，取寿命系数于是由参考文献13式(8.2-22)，许用弯曲应力（2）求最大弯曲应力并校核强度 由参考文献13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3.3 锥齿轮副的设

36、计计算根据参考文献13第二版2-369，材料选择聚甲醛（均聚），参照参考文献13第6卷3.3.1 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：(3.4)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参考文献Pg159 表8.2-5，选择传动等级为8级3.3.2 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

37、3.3.3 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,由参考文献式(8.2-44) 5 验算速度平均直径： 平均线速度：6 确定模数m: 3.3.4 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) 由参考文献13图8.2-19，取,4) 应力修正系数 由参考文献13图8.2-20 取，5) 校核齿根抗弯疲劳强度由参考文献13式8.2-46 (

38、3.5) (3.6) (3.7)三式联立求得满足要求3.4 中心轴管的受力分析1 在水平平面的支反力，由,得为负值说明方向与假设方向相反。由,得2 做弯矩和转矩图1）齿轮的作用力在水平平面的弯矩图齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图由于齿轮作用力在D截面做出的最大合成弯矩2) 做转矩图 图3.3 转矩图3.5 中心轴管的强度校核1）确定危险截面 根据轴的结构尺寸及弯矩图，转矩图，截面B处弯矩较大，且有轴承配合引起的引力集中；截面D处弯矩最大，且有齿轮配合引起的应力集中，故属于危险截面。现对D截面进行强度校核。2）安全系数校核计算 由于该减速器机轴转动，弯矩引起对称循环的应力，弯矩引起的为脉动循环的切

39、应力。弯曲应力幅为：式中 W抗断面系数，由参考文献13中的表19.3-15查得由于式对称循环弯曲应力，故平均应力根据参考文献中的式（19.3-2）式中45钢弯曲对称循环应力时的疲劳极限，由参考文献13中的表19.1-1查得=270MPa; 正应力有效应力集中系数，由参考文献13中的表19.3-6，并根据配合查得 =2.62； 表面质量系数，轴经车削加工，按参考文献13中的表19-3-8查得=0.92； 尺寸系数，由参考文献13中的表19.3-11查得=0.81.切应力幅为：式中 W抗断面系数，由参考文献13中的表19.3-15查得由于式对称循环弯曲应力，故平均应力式中 45钢扭转疲劳极限，由参

40、考文献13中的表19.1-1查得=155MPa; 切应力有效应力集中系数，由参考文献13中的表19.3-6，并根据配合查得 =1.89； ，同正应力情况； 平均应力折算系数，由参考文献13中的表19.3-13查得=0.21.轴D截面的安全系数由式（19.3-1）确定由参考文献13中的表19.3-5可知，S=1.31.4，故SS，该轴D截面是安全的。同理可验证输出轴也符合强度要求。3.6 键的校核键和轴的材料都是钢，查参考文献13 得许用挤压应力,取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。可得可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：3.7 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承62

41、05，其基本额定负荷为19.5KN,所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 受力 受力 根据图3.12受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:图3.4受力分析和受力图在水平面：在水平面： 因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，4表13-6查得载荷系数，取，则有： 轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6205能满足要求。、其他轴的轴承校核同上，均符合3.8 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。第四章

42、 玻璃清洁机器人清洗系统设计在清洗机构的设计中想到了五种方案，如图4.1，4.2，4.3，4.4，4.5(1) 电机带动斜齿轮1，斜齿轮1带动斜齿轮2，斜齿轮带动斜齿轮3，斜齿轮上的轴连接滚刷，进而实现清洗；图4.1 清洗机构一(2) 电机带动锥齿轮1，锥齿轮1带动锥齿轮2，由锥齿轮2上的轴连接滚刷，进而实现清洗；图4.2 清洗机构二 (3) 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮的轴上分别接刷子，从而实现清洗；图4.3 清洗机构三 (4) 电机带动蜗杆，蜗杆两端接蜗轮，两个蜗轮分别接皮带轮，皮带轮上的轴接刷子，从而实现清洗。图4.4 清洗机构四图4.5 清洗机构五以上5种方案通过对比以及由设

43、计的要求所限制，最终选择方案5为清洗机构。 4.1 清洗机器清洗部分设计假设清洗速度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清洗玻璃，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4.6：图4.6 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

44、，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4.7：图4.7 滚刷为了控制的方便，减轻主机的重量，应尽量减轻电机

45、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清洗刷。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：所需总的清洗力矩：2) 初定盘刷转速：360r/min根据清洗力矩，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清洗部分所用弹簧的设计圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载时的应力及变形现

46、就下图所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷P的情况进行分析。 由图(图中弹簧下部断去，末示出)可知，由于弹簧丝具有升角，故在通过弹簧轴线 的截面上，弹簧丝的截面A-A呈椭圆形，该截面上作用着力F及扭矩。因而在弹簧 丝的法向截面B-B上则作用有横向力Fcos、轴向力Fsin、弯矩M=Tsin及扭矩T= Tcos。 由于弹簧的螺旋升角一般取为=59，故sin0；cos1(下图)，则截面B-B上的应力(下图)可近似地取为式中C=D2/d 称为旋绕比(或弹簧指数)。为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小。C值的范围为416(表),

47、常用值为58。 图4.8 圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析表4.1 常用旋绕比C值d(mm)0.20.40.4511.12.22.567161842C=D2/d714512510494846为了简化计算，通常在上式中取1+2C2C(因为当C=416时，2Cl，实质上即为略去了 p)，由于弹簧丝升角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力分布将如图c中的粗实线所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进一个补偿系数K(或称曲度系数)，则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为式中补偿系数K，对于圆截面弹簧丝

48、可按下式计算：圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得:式中：n弹簧的有效圈数；G弹簧材料的切变模量，见前一节表。如以Pmax代替P则最大轴向变形量为： 1) 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧：2）对于有预应力的拉伸弹簧： 拉伸弹簧的初拉力(或初应力)取决于材料、弹簧丝直径、弹簧旋绕比和加工方法。用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力时，各圈间应 有间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。当选取初拉力时，推荐初应力0值在下图的阴影区内选取。初拉力按下式计算： 使弹簧产生单位变形所需的载荷kp称为弹簧刚度，即 图4.9 弹簧初

49、应力的选择范围弹簧刚度是表征弹簧性能的主要参数之一。它表示使弹簧产生单位变形时所需的力，刚度愈大，需要的力愈大，则弹簧的弹力就愈大。但影响弹簧刚度的因素很多，由于kp与C的三次方成反比，即C值对kp的影响很大。所以，合理地选择C值就能控制弹簧的弹力。 另外，kp还和G、d、n有关。在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计 弹簧的静载荷是指载荷不随时间变化，或虽有变化但变化平稳，且总的重复次数不超过次的交变载荷或脉动载荷而言。在这些情况下，弹簧是按静载强度来设计的。 在设计时，通常是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构要求(例如安装空间对弹簧尺寸的

50、限制)等来决定弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。 具体设计方法和步骤如下: 1) 根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其机械性能数据。 2) 选择旋绕比C，通常可取C58(极限状态时不小于4或超过16)，并算出补偿系数 K值。 3) 根据安装空间初设弹簧中径D2，乃根据C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力。 4) 试算弹簧丝直径d 必须注意，钢丝的许用应力决定于其B，而B是随着钢丝的直径变化的,又因是按估取的d值查得B的H计算得来的，所以此时试算所得的d 值，必须与原来估取的d值相比较，如果两者相等或很接近，即可按标准圆整为邻近的标准弹簧钢丝直径d，并按D2=C

51、d 以求出 ；如果两者相差较大，则应参考计算结果重估d值，再查其而计算，代入上式进行试算，直至满意后才能计算D2.计算出的D2，值也要按表进行圆整。 5) 根据变形条件求出弹簧工作圈数： 对于有预应力的拉伸弹簧 对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧 6) 求出弹簧的尺寸D、D1、H0,并检查其是否符合安装要求等。如不符合，则应改选有关参数(例如C值)重新设计。 7) 验算稳定性。对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性(如下图a)，这在工作中是不允许的。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比b=H0/D2按下列情况选取： 当两端固定时，取b5.3； 当一端固定，另一端自由

52、转动时，取b3.7； 当两端自由转动时，取b2.6。 图4.10 压缩弹簧失稳及对策 当b大于上述数值时，要进行稳定性验算，并应满足 式中：Fc稳定时的临界载荷（Kg）； Cu不稳定系数（f），从下图中查得； Fmax弹簧的最大工作载荷（Kg）。 如 FmaxFc时，要重新选取参数，改变b值，提高Fc值，使其大于Fmax值，以保证弹簧的稳定性。如条件受到限制而不能改变参数时，则应加装导杆(如上图b)或导套(如上图c)。导杆(导套)与弹簧间的间隙c值(直径差)按下表(导杆（导套）与弹簧间的间隙表)的规定选取。 图4.11不稳定系数线图表4.2导杆（导套）与弹簧间的间隙中径D2/(mm)5510101818303050508080120120150间隙c/(mm)0.612345678) 进行弹簧的结构设计。如对拉伸弹簧确定其钩环类型等，并按表计算出全部有关尺寸。 1）弹簧的种类：采用圆柱螺旋压缩弹簧;2) 弹簧的材料：根据参考文献13选用碳素弹簧钢；3）弹簧的