毕业设计（论文）-玻璃幕墙清洗机器人系统设计

III-普通本科毕业设计论文全套图纸加V信153893706或扣3346389411课题名称：玻璃幕墙清洗机器人系统设计学院专业班级学号 姓名指导教师(签字)教研室主任(签字)院长(签字)2023年4月7日

目录TOC\o"1-3"\h\u12693摘要 IV13336Absrtact V12026玻璃幕清洗机器人系统设计 11605第一章绪论 1314861.1课题设计的意义和目的 1301321.2国内外的发展现状和趋势 2248001.2.1国内的发展现状和趋势 270751.2.2国外的发展现状和趋势 330621.3课题主要研究的内容 422746第二章玻璃幕清洗机器人总体设计 5229232.1总体方案的确定 578242.2设计参数的选择 6170662.3各传动部件的结构设计 7254842.3.1玻璃幕清洗机器人安装底座的设计 7259202.3.2涮盘结构设计 8202972.4负压吸盘结构设计 912083第三章玻璃幕清洗机器人的计算校核 10130813.1标准件的选型 10254843.1.1电机的选型 13254843.1.2负压泵的选型 138723.2吸盘吸附驱动力的计算校核 11270483.3机器人丝杆计算 12122403.4机器人丝杆载荷的校验 13141563.5齿轮传动系的设计计算 1412623.5.1确定齿轮传动精度等级 14230333.5.2计算齿轮的许用应力的大小 1488193.5.3按玻璃幕清洗机器人齿面接触疲劳强度确定中心距 14117473.5.4验算齿面接触疲劳强度 1527113总结 1713322参考文献 1920352致谢 20

摘要在本次的设计中，选择设计一款负压吸附式的玻璃幕清洗机器人，通过查阅相关的设计文献，了解其结构原理，主要的任务是完成总体机构的构思和传动部件的布局，完成涮盘结构的设计，主要包括对涮盘结构尺寸的确定绘制、涮盘电机的布局和安装位置的确定、涮盘固定部件确定、涮盘电机轴的计算校核等；机箱结构的三维建模，确定安装孔位及其他部件的结构；齿轮传动结构的三维建模和齿轮传动的设计计算；计算负压工作相关的参数，确定其结构尺寸及结构框架，合理选择电机，选则合适的材料，降低机器人的自身重量，绘制总体结构总图，完成各关键零件的结构设计图，最终撰写设计计算说明书。关键词：玻璃幕、擦拭、机器人、负压泵、涮盘

AbsrtactInthisdesign,anegativepressureadsorptiontypeglasscurtaincleaningrobotwasselectedanddesigned.Byconsultingrelevantdesignliterature,thestructuralprinciplewasunderstood,theoverallstructureconceptandtransmissioncomponentlayoutwerecompleted,andthedesignoftherinsingplatestructurewascompleted.Thismainlyincludesdetermininganddrawingthedimensionsoftherinsingplatestructure,determiningthelayoutandinstallationpositionoftherinsingplatemotor,determiningthefixedcomponentsoftherinsingplate,andcalculatingandverifyingtheaxisoftherinsingplatemotor;3Dmodelingofthechassisstructure,determiningthestructureofinstallationholesandothercomponents;3Dmodelingofgeartransmissionstructureanddesigncalculationofgeartransmission;Calculatetheparametersrelatedtonegativepressurework,determineitsstructuraldimensionsandframework,reasonablyselectthemotor,selectappropriatematerials,reducetheweightoftherobot,drawanoverallstructuraldiagram,completethestructuraldesigndrawingsofeachkeycomponent,andfinallywriteadesigncalculationmanual..Keywords:glasscurtain,wiping,robot,negativepressurepump,rinsingtray玻璃幕清洗机器人系统设计第一章绪论1.1课题设计的意义和目的1.2国内外的发展现状和趋势1.2.1国内的发展现状和趋势在八九十年代，国内在玻璃幕清洗机器人的发展上，有过类似的设计和研究，清华大学的智能机器人的研究中，开始进行了一些基本机械结构传动和运转上的研发。并且在得到国家相关机构的鉴定后，在市场了实现了小批量的生产和运用，只是在后来的发展上，没有更大的进步和提高。上海交通大学在对于机器人的底面传动和运动上的研发过程中，实现了机器人在消防安全上的使用，进行了基本的智能遥控操作系统，为消防试验和消防工作解决了代替人工的方式，填补了我国在消防上的机器人使用的空缺。只有在一些竞赛和比赛上，进行了一些单方向上的设计和研究，没有形成实际的生产控制上的实际，不能更好的进行国内玻璃幕清洗机器人的实际运用和一些短板上的认识。在玻璃幕清洗机器人的发展上技术一直因此停滞不前，主要的研发和投资远远不够达到快速发展的基本需求。在后来的一些先进的研发上，我国将更多的引进机器人，通过学习和拆解一些先进的机器人设备，将智能化的机器人技术不断的进行自我的提升。目前国内的玻璃幕清洗机器人在比赛上的出现首次展览是在长沙的机器人大赛上，玻璃幕清洗项目上的机器人由国内的公司自主的研发和生产，在竞赛上得到了很多人的认可。目前我国在玻璃幕清洗机器人的发展上主要的结构形式如下图1-1，图1-2所示，是我国现有的技术含量较高的玻璃幕清洗机器人的类型。1.2.2国外的发展现状和趋势1.3课题主要研究的内容了解玻璃幕清洗机器人的工作原理，分析影响性能和效率的关键因素。提高智能化的工作特点，实现高空自动化清洗的优势，对重要的结构刮水结构的设计和行走机构进行设计计算。设计吸附机，完成吸附泵等负压力的计算。在设计上考虑材料的选择，设计结构简单，实现成本上的控制，提高制造性能。第二章玻璃幕清洗机器人总体设计2.1总体方案的确定通过对本次设计的玻璃幕清洗机器人的相关文献的查询和了解，选择本次玻璃幕清洗机器人的结构的基本组成形式，设计的步骤如下所示：首先进行清洗装置结构，包括对刮水条、涮盘、涮盘安装安装底座、涮盘电机的选择部分；确定框架的结构形式和尺寸选择，包括对框架安装底座的设计布局、安全罩板、负压安装系统支撑等的设计；负压系统的设计，负压系统主要内容是根据本次设计的结构形式，确定基本总体重量的大小，选择合适的负压泵，设计的内容包括布置负压泵的安装位、负压泵大小的选择、吸附装置的确定、负压系统结构的选择；传动系统的设计，传动系统主要是实现在玻璃面上行走的结构，采用排气喷射的方式实现负压的变化，通过齿轮传动系统实现清洗装置的移动过程，采用丝杆和齿轮组实现行走和清洗一体化的过程。设计过程中对清洗的参数及丝杆传动的参数进行设计计算及校核丝杆传动的参数选择。通过以上的设计步骤，本次设计的玻璃幕清洗机器人的总体结构形式如下图2-1所示：图2-1：玻璃幕清洗机器人总体结构简图对传动负压吸附机械结构的设计中，选择使用连杆和丝杆传动的结构形式，连杆传动在进行传动结构的设计上，具有传动稳定性高，传动的精度高，实现大力矩传动的设计优势。在连杆传动机构的设计上，本次玻璃幕清洗机器人负压吸附机构选择使用的驱动形式是电机驱动，采用丝杆传动安装底座固定连杆传动方式，电机驱动实现丝杆带动滑块组件实现刮水清洗的过程。采用丝杆传动的优势是能够更好的实现对负压吸附力的控制，解决在负压吸附过程中不稳定的缺陷，其设计的优点如下所示：（1）、采用丝杆实现负压吸附和放松的传动形式，更好的实现对玻璃面的负压吸附过程，达到对不规则物体负压吸附的基本设计要求；（2）、采用丝杆传动的方式，在制造上比较简单，丝杆的制造过程便捷成本低；（3）、丝杆传动的负压吸附过程中的精度高，可以达到对玻璃面的抓举的位置更加的准确可靠，实现对玻璃幕清洗过程中的高精度设计要求。通过对玻璃幕清洗机器人的设计过程中的分析和选择，本次玻璃幕清洗机器人总体结构设计的优点和设计的缺点分析，本次玻璃幕清洗机器人的结构设计采用齿轮传动实现安装底座的回转传动的过程，齿轮传动更好更快的实现传动动作的迅速移动，使得整体的反应比较灵敏。在工作上的阻力较低，达到本次对玻璃幕清洗机器人设计的要求。2.2设计参数的选择根据本次玻璃幕清洗机器人的设计要求，在本次的设计上的玻璃清洗机的机器人利用负压工作的原理实现吸附在玻璃幕墙表面上，并在安装框架上安装安全绳进行保护，实现稳定地移动和清洗作业，玻璃幕清洗机器人的总体机构设计基本参数选择如下：、框架的总体设计布局的尺寸大小为473x450x260mm；、最大行进速度100mm/s；、可跨越宽15mm左右的凹槽；、负压吸附力为6-15N（重量<6kg，按照6kg确定），负压泵输出为气体；、线性电机选择220V，功率为180W；在设计上，负压吸附的运行的速度是玻璃幕清洗机器人总体结构生比较重要的一个设计的参数，在实际的吸附和玻璃幕清洗的过程中，负压吸附机器人的运行速度也是玻璃幕清洗机器人传动玻璃幕清洗过程中的一个工作效率的体现，在本次的设计上通过电控的要求，设计负压吸附机构工作过程中的旋转的速度为100mm/s，最大负压吸附后横移上升的速度可以根据负压吸附机构旋转的工作效率进行计算为：v=100x0.8=80mm/s。2.3各传动部件的结构设计2.3.1玻璃幕清洗机器人安装底座的设计玻璃幕清洗机器人的安装底座的结构设计，由于安装底座是一个关键的支撑和实现回转的传动结构，所以在结构设计上的要求中，需要有很强的承载能力来实现对整个机器人结构的支撑，所以在本次的设计中，安装底座的设计采用选择圆柱式焊接壳体结构进行主体部分的设计。安装底座箱体的结构采用钢材进行加工完成，安装底座的结构不需要设计的很复杂，但是需要有足够的强度，满足运行的工作要求和玻璃幕清洗反作用力的承载能力。所以在安装底座的结构设计上，采用螺钉的固定形式进行安装底座的安装和回转轴承结构的安装，满足设计的刚性要求和传动的基本原则要求。在安装底座的材料选择上，本次选择使用TC钛合金进行调质，增加其工作状态下的强度性能，其结构如下图2-2所示。图2-2：安装底座三维结构2.3.2涮盘结构设计机械传动系统上，以及在进行设备的结构设计上，涮盘的种类很多，大部分采用的是型材结构的形式，为了实现更好的强度要求和抗疲劳要求。图2-3：涮盘三维结构很多的设备上采用的涮盘结构多数为304材料，还有316不锈钢等进行涮盘结构的铸造成型。如下图2-3所示为涮盘的结构形式涮盘在实际的使用上，一般是根据设备的总体重量和动载荷的大小，进行涮盘结构的设计，对于一般的涮盘结构形式来时，机械载荷的大小就是涮盘强度设计的基本要求，在动载荷的支撑力作用下，进行合理的参数选择，使得涮盘的强度达到运动及支撑动载荷下的要求即可。还有采用锥形的机构进行涮盘总体结构形式的设计，实现接触地面的位置上处于一个比较宽的范围内，更加可靠的提高了支撑上的性能。2.4负压吸盘结构设计在玻璃幕清洗机器人的负压吸盘的结构上，经过多次的修改和分析，最终选择使用圆形负压吸附的方式对玻璃面进行负压吸附，选择圆盘结构进行两端负压吸附的结构形式，这样设计的主要优点如下：、设计机构上有通用性，达到负压吸附和传动上的灵巧性；、对曲面性的玻璃面来书，这样的行走上更有较强的行走玻璃幕清洗的功能；、对玻璃幕清洗机器人在进行不同方向上的玻璃面进行吸附和行走的时候，能够进行多方面上的吸附工程，达到实用性较强的特点，在不同的吸附和玻璃幕清洗的过程中，能自动进行方向上和角度上的调整，实现对玻璃面行走的效果。负压吸盘结构结构设计如下图2-4所示：图2-4：负压吸盘结构

第三章玻璃幕清洗机器人的计算校核图2-4：负压吸盘结构3.1标准件的选型3.1.1电机的选型本次负压吸附电机的选型和功率的选择上，考虑本次机器人的所受的力的大小为6-10N的负压吸附力，所以选择的电机不易过大，通过查阅现有市场上的电机的特点和优势性。其主要的电机参数如下：其型号系列为YYCJ80，其工作通用的电压为220V，电机可以输出的最大功率为180w，步进的最大转速可以达到1500r/min，变频率为50HZ，工作效率达到70%以上。图3-1：电机简图3.1.2负压泵的选型玻璃幕清洗机器人的设计中，吸附在玻璃幕上面，并实现通过改变负压的大小实现涮盘的旋转，齿轮传动系统的转动，达到清洗和行走同步进行的机构特点，所以在本次的设计中，旋转使用负压泵进行驱动行驶清洗元件的确定。根据本次设计的要求，在负压泵的工作状态下，吸附的负压吸附力为6-15N,按照吸附力的大小，选择12V负压泵，其型号为：70KPA，真空范围：0-98.2kPa，流速：0-23LPM，频率：50Hz，电机与泵描述，无油式旋转泵，声音：＜60dBa，工作周期：非连续性工作。3.2吸盘吸附驱动力的计算校核(1)计算玻璃幕清洗机器人传动结构中驱动臂的转到过程中的负载惯量J。已知玻璃幕清洗过程中的吸盘吸附在材料的选择上采用的是304，可以通过材料的结构性能确定其密度为：=7.810kg/cm，可以通过以下的计算式得:（2）计算涮盘安装底座的工作转动惯量大小JJ=0.7810DL=0.7810(6.6-3)8.2kg/cm=11.62kg/cm（3）折算到玻璃幕清洗机器人在电动机传动过程中的轴上传动机构的传动的惯量大小计算为,可以知道已知玻璃幕清洗机器人在执行工作的情况下，其工作台安装底座及负压吸附机器人的总质量要求为m=5kg，所以在电动机的参数确定后，计算每转一圈的轴向移动的行程，L=1.25cm，通过以下的计算式可以得：(4)所以加在电动机的传动轴上的工作负载的总量转动惯量为：=++J=(21.43+11.62+9.95)=4.3(5)玻璃幕清洗机器人的吸盘吸附的旋转工作中的负载力矩大小的计算T：可以根据玻璃幕清洗机器人的吸盘吸附在转臂过程的轴向负载的大小为F=F=2.969N,则电动机在工作中每转一圈的时候，机器人的回转吸盘吸附执行部件在轴向上移动的距离为L=125mm=0.125m,可以进行进给传动系统工作中的总效率的计算η=0.90，由式得：T===0.648Nm(6)计算玻璃幕清洗过程中的摩擦负载力矩的大小T：已知在不旋转状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的驱动臂摩擦力）F=15.75N，由上述计算可得：T==Nm=2.79Nm3.3机器人丝杆计算（1）计算玻璃幕清洗机器人的负压吸附机器人上的丝杆的旋转力大小根据电机的选择大小进行功率的确定为：=0.18kw，可以进行对负压吸附丝杆的工作中玻璃幕清洗时候的最大力矩进行负压吸附转速的计算为n=30r/min，丝杆的结构形式如下图所示3-2所示：图3-2：丝杆结构图可以根据电机的选择和玻璃幕清洗过程中的最大扭矩进行机器人负压吸附中的速度计算为：可以选取玻璃幕清洗机器人负压吸附中的传递机械工作的效率为：，可以计算出旋转力的大小为：（2）计算玻璃幕清洗机器人在两个负压吸附连杆传动上的负压吸附力的大小：纵向的负压吸附力为Y,以及横向的工作的负压吸附力为X，可以分别计算出其大小为：3.4机器人丝杆载荷的校验可以根据传动过程中的丝杆的传动临界转速的大小，进行丝杆长度尺寸的计算，长度=217mm。查阅文献可以选取弹性模量的大小为：E=MPa，丝杆的选择设计上的材料选择为40Cr材质，其密度N/，金属在空气中的重力加速度的大小为9.8，使用中的安全系数的大小为：=0.8。由查看文献查得：。玻璃幕清洗机器人的负压吸附丝杆的运动过程中的最小惯性的力矩为：玻璃幕清洗机器人的负压吸附丝杆工作中的最小的截面积的大小为：所以在玻璃幕清洗机器人的负压吸附丝杆的转动上。根据以上的计算内容，可以计算得：r/min=107.3r/min通过以上的计算和分析，在本次的玻璃幕清洗机器人的负压吸附丝杆的转速的锻造上，根据计算的理论值为107.3r/min，设计碎块的转速不得超过150r/min，所以本次丝杆传动的最大转速选择为120r/min可视为最佳。3.5齿轮传动系的设计计算3.5.1确定齿轮传动精度等级根据估计速度m/s,采用8级精度齿轮。一般齿轮的选择材料中，使用的是40Cr进行表面高频淬火进行使用，整体进行调质处理，因此其；分度圆上设计的压力角的大小为；对于正常齿来说，齿顶高的设计的系数为，齿轮顶隙的系数设计选择为。3.5.2计算齿轮的许用应力的大小玻璃幕清洗机器人主动轮和玻璃幕清洗机器人从动轮齿面硬度为230HBS和170HBS，并查图得，=570Mpa,=520Mpa,查图得，=1.0，=1.14,=1.0,=1.0,=1.0,=0.92,=1.0。3.5.3按玻璃幕清洗机器人齿面接触疲劳强度确定中心距玻璃幕清洗机器人小齿轮转距：初取，取：查表得，确定玻璃幕清洗机器人传动齿轮的中心距：取a=95mm估计模数：m=(0.007～0.02)a=(0.007～0.02)×155=1.085～3.1mm,取m=3mm.各轮齿数：取玻璃幕清洗机器人齿轮传动实际传动比：玻璃幕清洗机器人齿轮传动比误差：玻璃幕清洗机器人齿轮许用分度圆直径：则可以确定本次设计的玻璃幕清洗机器人齿轮选择8级精度的齿轮合适。3.5.4验算齿面接触疲劳强度因玻璃幕清洗机器人齿轮由电机驱动，载荷平稳，查表，，由于玻璃幕清洗机器人齿轮传动的速度v=3.17m/s,8级精度齿轮，查图得，轴上轴承不对称分布，且，查图得，齿宽b=。取b=54mm,。查表得载荷系数计算玻璃幕清洗机器人齿轮端面和纵向重合度：由查图得，，取u=2.7=1.58MP所以通过以上的设计和计算的内容，对玻璃幕清洗机器人齿轮进行校核设计，可以确定本次设计的玻璃幕清洗机器人齿轮选择的参数和设计的内容在使用上是可行的。齿轮组的结构形式如下图3-3所示：图3-3：齿轮组传动系统

总结本文通过对玻璃幕清洗机器人的结构设计，完成玻璃幕清洗机器人的安装底座结构的设计，传动方式的选择，吸盘吸附传动结构形式的设计，负压吸附机构的设计和电机的选择。完成玻璃幕清洗机器人的相关设计的计算和分析。在毕业设计的过程中，确实是一个比较累的过程，但是在解决了遇到的问题后，收获的很多都是成就感，在这次的设计过程中，也是自己在四年以来的一次对所学知识的运用的过程，同时让自己在整个过程中不断的成长，更好的为毕业后的工作做准备，培养了自己在独立自主未来事情上的信心，提升独立能力。谢辞参考文献[1]闻邦椿,机械设计手册[M],北京:机械工业出版社,2010.[2]卢秉恒,机械制造基础[M],北京:机械工业出版社,2008.[3]吕庸厚，沈爱红,组合机构设计与应用创新[M],北京:机械工业出版社,2008.[4]姚云英,公差配合与测量技术[M],北京:机械工业出版社