毕业设计（论文）-家用擦玻璃机器人设计

摘要目前自动化的发展迅速改变着生活的方方面面，特别对于高空作业人力很难触及或者操作的地方显得尤为重要，本文针对玻璃的清洗清洁方面的应用设计了一款方便自动化的小型擦玻璃机器人的结构设计，用以解决高空玻璃的擦洗工作，首先通过对市场实际结构的查阅以及现有设计资料，确定本次结构的设计方案：主要采用磁吸式结构以及移动转向结构结合，从而完成机器人的整体结构设计，并通过机械设计手册相关计算公式对所设计结构进行计算校核，从而确保具体的结构尺寸以及外形尺寸，确保结构设计能够满足设计要求，最后采用计算机三维软件SolidWorks和二维软件CAD对所设计结构的尺寸进行齿轮绘制和零件的建模，并且进行三维模拟装配，检查其设计的合理性以及结构运动之间是否存在设计干涉想象，直观形象化的对所设计结构有个清楚清晰的展示，通过对擦窗机器人的设计旨在加强自身对知识所学的认识和理解应用，同时也为自动化的发展应用提供一定的理论借鉴。关键词:自动化；擦窗机器人；机械设计；三维软件；CAD；abstractAtpresent,thedevelopmentoftheautomationofrapidlychangingeveryaspectoflife,especiallyfortheworkhighabovethehumanisverydifficulttotouchorplaceisparticularlyimportantfortheoperation,glasscleaningcleaningapplications,thispaperdesignedaconvenientsmallwipeglassrobotstructuredesignautomation,swabtosolvehighglasswork,Firstofall,throughconsultingtheactualstructureofthemarketandexistingdesigndata,determinethedesignschemeofthestructure:Mainlyusingmagneticsuctionstructureandmobilesteeringstructure,soastocompletetheoverallstructuredesignoftherobot,andthroughthemechanicaldesignmanualrelatedcalculationformulatocalculateandcheckthedesignedstructure,soastoensurethespecificstructuresizeandshapesize,toensurethatthestructuredesigncanmeetthedesignrequirements.Finallybyusingthecomputer3dsoftwareSolidWorksand2dCADsoftwareforthedesignofthestructureofthesizeofthegeardrawingandmodelingoftheparts,andthreedimensionalsimulationassembly,checkthemovementexistsbetweentherationalityofthedesignandstructuredesigninterference,intuitivevisualizationofthedesignedstructurehasaclearshowclearly,Throughthedesignofwindowcleaningrobottostrengthentheirknowledgeofknowledgeandunderstandingofapplication,butalsoforthedevelopmentandapplicationofautomationtoprovideacertaintheoreticalreference.Keywords:Automation;Windowcleaningrobot;Mechanicaldesign;Three-dimensionalsoftware;CAD;目录TOC\o"1-2"\h\u32093摘要 16926abstract 2112341绪论 520761.2课题的目的与意义 586991.3国内外爬墙机器人的研究现状 6308911.4本次设计研究的内容 8143032玻璃清洁机器人的方案设计 9245492.1玻璃清洁机器人的方案分析 9304482.2擦玻璃机器人的结构 1045172.3自动调节转向机构设计 1229469配图 13293453行走机构设计计算 1477433.1电机选择 1469363.2减速器参数设计 14273643.3轴的设计计算 226184第4章擦拭装置传动设计 24110924.1带传动设计计算 2436032.选择V带带型 2424287.带轮设计 257684.2锥齿轮设计计算 2538831、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 2532563、按齿根弯曲疲劳强度设计 27187694、计算锥齿轮传动其他几何尺寸 28249524.3齿轮上作用的力 2897581、齿轮传动的作用力 2830774.4传动轴的设计与校核 2927958第5章玻璃擦洗机三维建模运动仿真 33178275.1Solidworks软件简介 33272155.2主要零部件建模 33196245.2.1带轮的特征建模 34260985.2.2主轴的建模 3612165.3装配过程 369541第6章结论与展望 37220376.1总结 37125396.2论文创新之处 37110026.3存在不足与展望 3725818参考文献 3810197致谢 391绪论捷克的剧作家卡雷尔·凯培尔最先提出了爬壁机器人一词，其思想理念主要体现设计一种能够实现对竖直墙面的爬行，并且能够实现自主的路径规划，机器人的发展在工业中的应用非常广泛，目前对于机器人的应用不仅体现在对固定路径的操作工作，而是涌现出更多的自主规划的路径移动比如送餐机器人、物流机器人，扫地机器人、擦窗机器人等，其主要借用人工智能控制理论以及人体仿生学的操作设计完成对路径的越障、避险、路径自主规划等，其能够使用能够最大限度减少人工的操作，并且提高对特定工序的生产作业效率，某种意义上机器人的应用能够更好的反映一个国家的工业生产以及制造能力的水平以及对智能控制方面的应用，其不能能够最大限度的改变传统作业的生产方式也能够改变传统的生活方式，尤其扫地机器人、擦窗机器人以及目前国外设计的自动叠衣服机器人，其不仅能够提高家庭生活的方式，也能匹配人工不能触及的地方。本文介绍的擦窗机器人其即可称之为爬壁机器人，其生产作业对象主要针对高空玻璃的擦拭工作，传统的高空玻璃采用吊装吊篮人工高空辅助作业，其危险性比较大，因此擦窗机器人的应用能够很好的弥补高空玻璃擦拭作业的不足，并且能够提高玻璃擦拭工作的精准性，目前对于爬壁机器人的理念应用方式也是多种多样，在工业自动化中主要应用到以下几个行业:(l）核工业:能够对危险性比较大的储料罐进行密封性检查以及焊缝检查；(2）石化工业:对防腐要求比较高的化工罐子进行罐内防腐和防锈的材料检查等；(3）建筑行业:主要能够实现高空墙面的喷涂、玻璃擦拭、瓷砖贴面；(4)救援部门:能够实现物资传送和人工救援；(5）造船行业:能够实现对船体结构的焊接喷涂；(6）电力行业:能够实现对锅炉的水位高低测量以及高温下作业；本次设计的擦窗机器人能够实现对玻璃的擦拭清洁工作，应用场景广泛，能够实现家庭使用以及高空玻璃的擦拭清洁工作。1.2课题的目的与意义如今随着国家基建行业的不断发展，我国居民小区的楼层也是越来越高，同时得益于建筑设计师的才能我国现如今房屋结构中玻璃的占据比重越来越大，然而对于家住高层的居民来说对玻璃的擦拭擦拭越来越麻烦，并且十分的不安全，特别是对外部玻璃的擦拭过程中，一不小心就会危及生命安全，因此为了保护人们生命财产安全，设计一款可自动擦拭玻璃的机器人势在必行。擦窗机器人的应用能够实现对高空玻璃擦拭不到的补足，能够减少人工作业的危险性。通过对擦窗机器人的设计研究，能够提高我国对机器人设计理念的应用和实践，对我国机器人事业的研究发展提供一定的理论参考依据，并且通过对擦窗机器人具体结构设计计算以及绘图建模过程的动手实践，也能够增加自身对结构设计的技术累积，能够将所学知识内容进行很好的设计应用，增加自身的知识储备。1.3国内外爬墙机器人的研究现状1.3.1国内研究国内对于机器人的应用研究比较少，发展前期主要对国外的设备的引进研究，早起国外对于机器人的应用主要集中在大型的重工企业军工企业等，其能够满足的功能比较简单，对特定工序的重复替代，并且其动作过程能够满足机床、流水线等的物料搬运和货物转向，其智能化和自动化程度不高，在上世纪八九十年代才开始进行自主路径规划机器人的研究，国内也是基于对传统机器人的应用自主研发的智能化路径规划机器人的设计。针对擦窗机器人的发展哈尔滨工业大学首先设计的多工能履带式结构机器人以及呲吸式的结构机器人，其能够实现对化工行业的油管，并且对于移动行走主要采用齿轮转速以及差速之间的运动从而时间对小车的移动转向，其结构提交小负载不大，控制系统采用微机单片机集成控制，其控制系统核心比较简单，并且集成性比较高，控制方式灵活，外形体积占用比较小，能够实现对作业面积比较小的地方的操作和控制。图SEQ图\*ARABIC1-1哈尔滨工业大学研制的CLR-II随后在哈尔滨研究的履带式爬壁机器人的基础上，香港大学基于此结构设计了一款小型的真空吸附式移动机器人，其结构比较轻、外形简单采用真空吸附式能够提高机器人的吸附能力，并且对于其路径上的规划其首次采用了智能相机进行视觉的采集，对路径上的障碍进行规划控制，从而完成避障工作，其对于行走移动结构采用关节型连杆设计能够仿生动物的四足进行交互配合动作，每个足脚采用多组吸盘能够减少因墙面凹凸不平所造成吸附不准确的影响，最大限度的提高吸附的可靠性。目前国内对于爬壁机器人的外观功能上比较丰富，并且控制形式比较灵活，但强度刚度以及设备的长久维修使用上比较麻烦，设备使用寿命比较低，因此未来对于机器人的发展研究还有着较长的路要走，机器人的应用正在改变人们的生活方式，使得人们的生活更加丰富智能化，目前智能机器人的应用在智能家居上发挥这重要作用，能够代替人工进行传统的家庭作业，智能化的生活方式是未来城市建设发展的必然之路，基于此的市场需求比将促进者国内对于智能化的机器人的研究和应用，其也是符合目前疫情下人工劳动力短缺的时代要求。图1-3十字架构的全气动式爬壁机器人1.3.2国外研究国外对于机械人的研究主要即源于对手工劳作的仿生设计，最初的机器人结构比较简单主要用来在工业自动化中满足机床使用的上小料，以及物流生产线上的物料输送和取料等，对于智能化的机器人其主要在上世纪初期90年代由日本设计研究院设计的第一代NANAJ小型化的吸附式爬壁机器人，其主要采用气压的负压差保证结构能够吸附到相应的作业生产面，其能够实现对墙面的吸附功能上满足擦窗、墙体彩绘、喷涂等功能，后期在其基础上进行二次升级，升级后的结构稳定性和负载能力得到了加强，但是其主要的爬壁功能还是采用真空吸盘，结构紧凑适应性比较好。吸附。图1-4日本东京工业大学研制的NINJIA欧美对于擦窗机器人或者其他的爬壁机器人的设计主要采用磁吸式结构，并且配备了视觉相机采集，能够实现对路径内容的规划，合理的规划路径从而实现避障效果，其结构上小巧并且负载力矩比较大，其吸附作用采用磁力结构能够实现更高的抓取力，控制方式能够实现单片机与远程控制终端手机或者电脑的远程通信，能够进行实时控制和调节，方便对机器人的控制操作，未来对于机器人的结构和控制必将更加智能化，其结构也不仅仅在于固定的四壁式结构，更加倾向于可变径可伸缩的多工能结构设计，其适应能力和功能性更加的丰富多样。1.4本次设计研究的内容本次设计主要针对高空的玻璃清洁设计的一款擦玻璃机器人，能够实现对高空玻璃的擦拭清洁工作以及能够实现一定的高空攀爬，为了完成本次设计内容结构上应完成以下方案设计：（1）擦玻璃机器人主要结构设计:（2）擦玻璃机器人的运动系统选择与计算:（3）机构中主要零部件的设计计算；（4）擦玻璃机器人的建模与装配；（5）工程图纸及说明书的撰写；2玻璃清洁机器人的方案设计2.1玻璃清洁机器人的方案分析对本次设计的功能需求进行本次，本次擦窗机器人的结构上应包括：前进移动行走机构设计、清洗装置设计、吸附结构设计等三个方面，其行走主要采用直流电机并且配合相应的齿轮减速机构进行控制，清洗装置结构固定夹持的布料，吸附机构采用磁力吸附简单可靠，本次结构设计的重要方面为行走机构和吸附机构的设计，因保证能够在玻璃上完成相应的输出动作，以下通过常用的行走和吸附结构进行比较选择，选择适合本次设计的功能方案，表2.1玻璃移动机器人的各种移动方式比较移动方式优点缺点车轮式移动速度快，行走控制简单着地面积小，维持吸附力较困难履带式对玻璃适应能力强，着地面积大体积大，结构复杂，转弯比较困难，重量较大脚步式对玻璃适应能力、越障能力和带载能力均较强体积大，结构复杂，转弯比较困难，重量较大移动速度慢，动作有间歇性，结构复杂，控制难度大框架式结构简单，刚性较好﹐控制方便，越障能力和带载能力均较强移动速度慢，有间歇性通过以上结构设计分析，玻璃吸附清洗结构需求其移动速度快，结构紧凑简答的场景，并且外形尺寸简单后期维修使用性价比比较高，因此本次行走机构采用车轮式结构。表2.2玻璃移动机器人的各种吸附方式比较吸附方式优点缺点单吸盘真空吸附式容易实现小型化、轻量化且结构简单、容易控控制，要求玻璃有一定的平滑度，越障能力低，不适应复杂玻璃环境，遇到裂缝或凹凸面负压难维持多吸盘真空吸附式吸盘尺寸小，密封性较好，吸附稳定可靠，越障能力和带载能力较强吸盘的增多会带来结构的复杂化，控制的难度也增加磁吸式磁吸附式能产生较大的吸附力，不受玻璃凹凸或裂缝的限制，不消耗电能，不受断电的影响只能在导磁玻璃上爬行，步行时磁体与玻璃脱离需要较大的力电磁体磁吸附式能产生较大的吸附力，不受玻璃凹凸或裂缝的响，控制比较方便只能在导磁玻璃上爬行,维持吸附力需要耗能，电磁体本身重量很大推力吸附式无泄漏问题，对玻璃形状、材料适应能力强负载小，难以控制，噪音很大，体积大效率低根据对吸附方式的结构分析，为了减少对控制结构的设计，首先排除吸盘式结构，并且为了增加负载吸附力和减少擦玻璃机器人在使用过程中突然没电或者突然断电而导致机器吸附供能丧失从玻璃上掉了导致机器损坏的问题，本次设计采用磁吸式结构设计，吸附稳定对吸附表面的适应能力比较强。2.2擦玻璃机器人的结构通过对以上功能分析本次设计的移动和吸附结构采用：车轮式和磁吸式设计，为了完成具体的功能在玻璃两端布置两个对应的擦玻璃机器人，在连个擦玻璃机器人底部都布置有强力磁铁，从而可以通过两个磁铁的吸附功能将两端的擦玻璃机器人紧紧的依靠在玻璃两面，即是工作过程中突然断电也不会导致擦玻璃机器人掉了损坏的现象发生，移动结果具体表现为前端两个动力轮，后方一个转向万向轮，整体结构上采用三角支撑式结构，能够起到移动稳定性的同时，又能减少对结构空间上的使用，使得外形提交比较小，结构更加紧凑，玻璃机器人结构简图如下图2-1所示：图2-1擦玻璃机器人简图1.抹布固定轮2.锥齿轮传动3.轴4.无动力支撑轮5.带传动6.擦拭电机7.底盘8.行走驱动轮9.减速机构10.行走驱动电机11.强力磁铁13电池从结构简图2-1中可以看出，此次擦玻璃机器人的结构主要可分为四个部分，即玻璃擦拭机构、吸附机构、驱动行走转向机构和机架机构。玻璃擦拭机构：玻璃擦拭机构是整个擦玻璃机器人的主要工作机构，起到的具体作用就是对玻璃进行擦拭。工作原理是采用电机作为动力源带动抹布固定轮进行旋转，从而带动固定在轮上的抹布与玻璃之间有相对运动。从而起到抹布擦拭玻璃的目的。由于在结构设计中考虑到擦玻璃机器人的工作效率问题，此次设计了两个抹布固定轮，可支持两个抹布同事工作。而为了尽可能高效的利用机器人内部空间，采用一个电机对两个抹布固定轮进行驱动。因而设计了两对锥齿轮结构和一个带传动系统配合，从而达到所需目的。磁铁吸附机构：吸附机构是为了保证擦玻璃机器人可以在竖直玻璃上稳定工作而设计的。此次擦玻璃机器人采用的是对立磁铁吸附式结构。如上图2-1所示在玻璃的内外两侧分别布置一个玻璃擦洗机器人，通过其底部的磁铁11相互的吸引力使得两端的玻璃擦洗机器人均能稳定的依附在玻璃两侧。为机器人的工作提供稳定的状态保证。行走驱动和转向机构：此次设计的擦玻璃机器人的行走机构和转向机构都是由两个行走主动轮完成的，两个行走主动轮采用两个电机分别控制，同时因电机转速过大以及为了增加车轮扭矩和降低电机速度，采用了齿轮减速机构。转向机构是通过控制两个行走主动轮具有不同的速度完成的，若擦玻璃机器人需要向左转，则只需右边的主动轮速度大于左边的主动轮速度即可。其他方向转向原理相同。机架机构：机架机构主要是对以上机构进行支撑和定位的，此次参考市场决定采用主要工程塑料进行主题结构设计。5.磁铁调节机构：磁铁调节机构是使用手动调节方式，通过将磁铁与螺柱相连，螺柱与上方壳体通过螺纹副进行配合，因此在工作之前可以通过手动旋动调节旋钮进而改变磁铁的高度。通过改变两个（玻璃两侧主副擦洗机的）磁铁的距离来调质吸附力。2.3自动调节转向机构设计配图玻璃机器人设计了自动调节转向机构，此机构设计是为了让机器人在工作过程中遇到玻璃界限（墙壁或型材等）可以自动转向，从而避开障碍物。进而向着还未擦的区域运动。自动转向原理是通过感应片碰触微动开关然后通过处理器对这一信号进行处理后调节两侧主动轮的转速，从而实现倒退或者转向。自动转向机构主要由卫东开关、复位弹簧和触碰架组成。在运动过程中机器人触碰架在两侧复位弹簧的作用下处于平衡位置，此时触碰架两侧侧板不会碰到微动开关，机器人向着既定方向运行。若在运动过程中触碰架碰到障碍物回使得其触碰侧的侧板压缩复位弹簧，复位弹簧被压缩后导致侧板接触微动开关，从而传递信号，使得控制器控制车轮转速完成转向工作。3行走机构设计计算3.1电机选择车轮直径68mm，速度v>0.3m/s，取v=1.5m/s根据具体的结构设计以及机器人的工况使用条件，电机的功率计算根据相关的经验值以及具体的计算功率可得：电机输出轮的转速：n(r/min)根据玻璃的工作摩擦系数f=0.1，设备运动过程的最大加速度，在具体擦玻璃过程其摩擦系数会发生不同变化的影响，根据设计手册查表为了保证工作可靠其具体系数k=1.2。则有阻力转矩功率3.2减速器参数设计电机的转速车轮的转速减速系统的总传动比为了减少直流电机转速，内部采用开式齿轮减速转动设计：高速级：低速级：根据电机的功率输出以及扭矩等计算可的其相应的各级转速表，具体如下表3-2所示表3-2功率p（W）转矩（N·mm）转速r/min传动比效率入出入出电动机轴69219.6538033.10.950.95输入轴6965.55219.691407.46127输出轴64.24601407.465791.7342通过上诉参数可选择电机型号为57BLY70-24S型电机：57BLY70-24S电机性能参数表57BLY70-24S电机尺寸电池根据电机型号进行选用，确保其可对电机进行稳定驱动，此次电池选用如下：电池外观图3.2.1高速级齿轮传动具体的传动机构采用齿轮传动，其具体材料和机械加工精度等级以及相应的齿数如下：1）选择直齿圆柱齿轮传动2）玻璃机器人其传动过程对精度要求不高因此齿轮的加工等级选择7级；3）为了减少齿轮移动过程对玻璃的损伤轮子采用采用尼龙等塑性材料；4）选小齿轮齿数，大齿轮齿数按齿面接触强度设计，由确定供室内的隔计算数值试选动载荷系数计算小齿轮传递的转矩选取齿宽系数弹性影响系数根据材料小齿轮的的疲劳硬度值为：，大齿轮计算应力循环次数（工作5年，每年300天，每天2小时）取接触疲劳寿命系数计算接触疲劳许用应力取失效率为1%，安全系数S=1计算计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的计算圆周速度计算齿宽b计算齿宽与齿高之比，b/h模数齿高计算载荷系数根据v=2m/s，7级精度，动载荷系数，直齿轮使用系数；小齿轮相对支撑对称布置时，由b/h=10.67，，查得故载荷系数按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径计算模数按齿根弯曲强度设计1）差的小齿轮的玩去疲劳强度极限2）弯曲疲劳寿命系数3）计算疲劳许用应力取疲劳安全系数S=1.44）计算载荷系数k5）查取齿形校正系数6）查取应力校正系数7）计算大小齿轮，并加以比较大齿轮的值大设计计算通过计算我们可以知道，在我们对于相应的齿轮的校核中，齿面疲劳强度的是经得出整个齿轮工作时受到了疲劳强度的，所以可以对于整个齿轮的模数进行计算，得出整个齿轮的模数为0.446，并且取整为m=0.5，所以可以根据齿轮模数来对整个齿轮的具体参数进行设计。，算出小齿轮齿数大齿轮齿数取通过计算可以得到齿轮的齿数，整体结构是合理的。几何尺寸计算（1）计算分度圆直径计算中心距计算齿轮宽度取3.2.2低速级齿轮传动选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选择直齿圆柱齿轮传动2）机器人为一般工作及其，速度不高，故选用7级精度3）材料选择，大、小齿轮材料选用尼龙。4）选小齿轮齿数，大齿轮齿数按齿面接触强度设计由确定供室内的隔计算数值试选动载荷系数计算小齿轮传递的转矩选取齿宽系数弹性影响系数根据齿面硬度查得小齿轮的解除疲劳强度极限，大齿轮具体工况环境：5年，300天/年，2小时/天取接触疲劳寿命系数计算接触疲劳许用应力取失效率为1%，安全系数S=1计算计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的计算圆周速度计算齿宽b计算齿宽与齿高之比，b/h模数齿高计算载荷系数根据v=2.94m/s，7级精度，动载荷系数，直齿轮使用系数；小齿轮相对支撑对称布置时，由b/h=10.67，，查得故载荷系数按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径计算模数按齿根弯曲强度设计1）差的小齿轮的玩去疲劳强度极限2）弯曲疲劳寿命系数3）计算疲劳许用应力取疲劳安全系数S=1.44）计算载荷系数k5）查取齿形校正系数6）查取应力校正系数7）计算大小齿轮，并加以比较大齿轮的值大设计计算通过计算我们可以知道，在我们对于相应的齿轮的校核中，齿面疲劳强度的是经得出整个齿轮工作时受到了疲劳强度的，所以可以对于整个齿轮的模数进行计算，得出整个齿轮的模数为0.446，并且取整为m=1，所以可以根据齿轮模数来对整个齿轮的具体参数进行设计。，算出小齿轮齿数大齿轮齿数通过计算可以得到齿轮的齿数，整体结构是合理的。几何尺寸计算（1）计算分度圆直径计算中心距计算齿轮宽度取3.3轴的设计计算(1)求输出轴上的功率由表3-2可知(2)求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮分度圆直径而（3）初步确定轴的最小直径轴的材料45刚（调质），取轴的最小直径为输出端，其与相应的齿轮或者带轮进行配合安装，其直径尺寸为最小尺寸：轮胎设计直径68mm，轴长20mm，轮面20，孔径10mm，重1kg，用螺母固定，有10mm的螺纹，所以本次结构设计的轴承根据其具体的受力方式可知径向力比较大轴向力比较小，可选择6200，故由滚动轴承的安装尺寸，齿轮宽度20mm，在IV-V段长度应略短于轮长度，齿轮左边端采用轴肩定位，轴肩高度h>=0.07d=2mm，取h=2mm轴环宽度，第4章擦拭装置传动设计4.1带传动设计计算1.确定计算功率据[2]表8-7查得工作情况系数=1.1。故有：=2.选择V带带型据和n有[2]图8-11选用A带。3.确定带轮的基准直径并验算带速（1）根据设计手册标准小带轮具体尺寸大小：有[2]表8-6和8-8，取=26mm。（2）验算带速v，有：v=因为4.1在3~30之间，故带速合适。（3）计算大带轮基准直径4.确定V带的中心距a和基准长度(1)据[2]式8-20初定中心距=70mm(2)计算带所需的基准长度由[2]表8-2选带的基准长度=270mm（3）计算实际中心距5.验算小带轮上的包角6.计算带的根数z（1）计算单根V带的额定功率由和查[2]表8-4a得P=0.046KW据，i=2和A型带，查[2]8-4b得P=0.027KW查[2]表8-5得K=0.97，K=0.93，于是：P=(P+P)KK=（1.064+0.17）0.970.93=1.11KW（2）计算V带根数zz===0.9故取1根。7.带轮设计（1）小带轮设计直流无刷电机，直径为d=8mm，小带轮的轴孔直径d=8mm。结构为实心轮。（2）大带轮设计大带轮轴孔取8mm。4.2锥齿轮设计计算1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数圆锥齿轮减速器工况对精度要求不高，因此零件的加工等级可选择8级，具体加工标准可参照设计手册：（GB10095-88）大、小齿轮材料可选为45，并经过一定的热处理，保证整个齿轮的强度达到要求。2、按齿面接触疲劳强度设计1.齿面接触疲劳强度为： 小齿轮传递的转矩因v值未知，K值不能确定，可初步选载荷系数由表8-19，查得弹性系数直齿轮，由图9-2查得节点区域系数齿数比取齿宽系数许用接触应力可用下式计算查图10-21齿面硬度得小齿轮的接触疲劳强度极限580Mpa大齿轮的接触疲劳极限390Mpa小齿轮与大齿轮的应力循环次数分别为由图8-5查得寿命系数，；由表8-20取安全系数，则有取初算小齿轮的分度圆直径，有设计计算计算载荷系数：由表8-21查得使用系数齿宽中点分度圆直径为故由图8-6降低1级精度，按9级精度查得动载荷系数，由图8-7查得齿向载荷分配系数，则载荷系数。对进行修正：因与有较大的差异，故需对计算出的进行修正，即：确定齿数：选齿数，，取，则，，在允许范围内。大端模数：，查表，取标准模数。大端分度圆直径为：＞9.9锥顶距为：齿宽为：。取3、按齿根弯曲疲劳强度设计 齿根弯曲疲劳强度条件为：同前圆周力为齿形系数和应力修正系数则当量齿数为由图8-8查得，；由图8-9查得，。许用弯曲应力：弯曲疲劳极限应力，。寿命系数，故：4、计算锥齿轮传动其他几何尺寸4.3齿轮上作用的力1、齿轮传动的作用力已知条件：轴传递的转矩，转速，小齿轮大端分度圆直径，，，。锥齿轮1的作用力，圆周力为其方向与力作用点圆周速度方向相反。径向力为：其方向为由力的作用点指向轮1的转动中心。轴向力为：其方向沿轴向从小锥齿轮的小端指向大端。法向力为：锥齿轮的轴向力和径向力大小相等，作用方向相反。4.4传动轴的设计与校核低速轴的功率，转速，锥齿轮，直径。选择轴的材料材料45钢，调制处理。初算最细处轴径查表9-8得，根据结构设计本次设计轴在弯矩结构作用下，其可取较小的结构值：，则结构设计由于机器人整体的结构是较为小巧的，所以本次的传动轴的结构设计上，我们采用的轴承安装方式为两端固定，这样可以保证整个轴上零件的安装以及自身传动的稳定性。由于在本次设计中，驱动轮是通过相应的传动轴进行传动从而完成整个转动的，所以在对于转轴的设计中，需要设计相应的轴承来保证整个主轴在转动时的平稳性，由于在主轴转动的过程中，主轴在转动的时候对于轴承的力来自不同的方向，所以在本次设计中，轴承选择使用圆锥轴承，而轴承座选择为整体式，这样可以保证整个轴体在转动的时候是安全平稳的。齿轮2宽度约为，取，左端轴肩定位，右端套筒固定，使得整个轴在运动时稳定的。轴的长度需要比轮毂略短，由于，故取。轴段III的设计：能够安装低速传动齿轮，并且轴向对其进行定位，其具体的尺寸大小：，取其高度为，故。其宽度为，取，则轴端I与轴端IV的长度：轴承采用一定的润滑处理，因此其与箱体内部之间设置有一定的安装间隙的距离取为，则轴段I的长度为轴段IV的长度为轴承反力的作用点距离，则有图12-7可得轴的支点及受力点间的距离为键连接轴与齿轮之间的固定安装采用平键，根据设计手册选够用A型链接。轴的受力分析画轴的受力简图，轴的受力简图如图所示计算支撑反力，在水平面上为式中负号表示与图中所画方向相反在垂直平面上为轴承1的总支撑反力为轴承2的总支撑反力为画弯矩图弯矩图如图所示在水平面上，a-a剖面左侧为a-a剖面右侧为在垂直平面上为合成弯矩a-a剖面左侧为a-a剖面右侧为b-b剖面左侧为b-b剖面右侧为画转矩图转矩图如图所示，校核轴的强度分别计算a-a剖面的抗弯截面系数抗扭截面系数为a-a剖面左侧弯曲应力为a-a剖面右侧弯曲应力为扭剪应力为按弯扭合成强度进行校核计算则当量应力为，故a-a剖面右侧为危险截面由于强度极限，许用弯曲应力，，强度满足要求。校核键连接的强度齿轮2处键连接的挤压应力为由于，强度足够。校核轴承寿命计算轴承的轴向力，，，，。由表9-10查得30207轴承内部轴向力计算公式，则轴承1、2的内部轴向力分别为外部结构负载：，各轴向力方向如图所示，则则两轴承的轴向力分别为计算轴承1当量动载荷，因，，故只需校核轴承1的寿命。因为，轴承1的当量动载荷轴承在高温下其相应的载荷系数可根据设计手册表，查表8-34得。对于减速器，查得载荷系数校核轴承寿命轴承1的寿命为，，故寿命足够。第5章玻璃擦洗机三维建模运动仿真5.1Solidworks软件简介Solidworks是一种能够将二维的CAD平面图设计成一个三维直观的表达图，其操作界面可采用汉字展示，简单好用，并且方便设计人员操作使用，其设计开发的前身是美国公司基于对传统二维设计软件的应用升级到目前为止三维软件其版本已经更新到2022，其功能丰富灵活能够实现对零件的建模，零件装配，工程图的绘制，运动仿真，有限元分析、模具设计、钣金设计等多种功能需求的设计，能够辅助设计人员进行参数化的设计和修改，三维软件的发展离不开计算机的发展应用，在上世界90年代只有，计算机应用计算得到很大提高，相应的三维软件的设计和使用也得到了很大的推广，目前对于三维软件的使用主要集中在三个方面的内容，零件建模、零件装配、零件出图以下对此三个方面进行详细阐述：零件建模：主要通过对所需要建模零件的二维尺寸，结合其三维的外观实际形象，采用特征：拉伸、切除、旋转等处理，从而绘制出零件的实体样式，此外软件还设计开发有相应的钣金模块、型材标准组装痕接模块、模具模块等对零件的建模处理。零件装配：其主要对所建立的零件进行相关的配合组装，其软件能够提供相应的配合关系，将零件按照具体实际设备中的配合进行组装，组装后的整体称之为装配体，可进一步按照实际设备的运动动作对装配体进行运动分析以及受力分析，以保证结构设计的准确性和可靠性。工程图的绘制：在装配体中对所设计的零件检查无误后，可将零件转成二维可用于实际生产加工的平面图纸，并且工程图能够实现与PDF、PPT格式之间的二位转换，并且通过二维图也能够实现工程图与和装配体之间的相互转换。5.2主要零部件建模零件的建模具体过程：首先确定好零件的结构尺寸，在软件中选择零件建模命令，然后通过选定的特定基准面，绘制相应的零件草图，绘制完成后对草图进行特征编辑从而完成建模过程，普通建模规则对于回转体零件可采用一次编辑定义然后通过旋转命令进行特征成型，对于复杂类零件其成型不可能一次成型的零件可采用二次草图编辑在进行相应的特征处理从而完成零件的特征编辑。5.2.1带轮的特征建模图5-1带轮草图编辑图5-2带轮特征旋转图5-3带轮草图编辑图5-3带轮特征拉伸和异形孔5.2.2主轴的建模图5-3主轴的草图编辑和特征旋转通过对以上两个典型零件的建模分析可以看出，对于回转体零件轴类具有一定的回转对称关系的零件，可以采用旋转进行一次成型，成型后的零件可以二次采用倒角或者圆角处理。对上不能一次特征成型的零件可采用从新在特征后的零件表面选择新的基准面进行二次特征编辑然后进行特征处理。5.3装配过程装配过程主要能够将所设计建模的零件按照具体设备的装配位置关系机型配合约束，其具体的步骤首先插入首个零件，其插入后SolidWorks会默认其为固定方式，如需更改则需要进行改变其固定状态，后续插入的零件可采用其位置元件之间的配合关系进行固定安装，其具体安装后的效果图如下：图5-3装配效果图第6章结论与展望6.1总结随着机械化工业的发展，越来越多机械产品进入了我们的日常生活，用以帮助我们日常的生产生活，提高了相关的生产效率。并且由于计算机技术在近些年来非常的火热，物联网的技术水平在不断提高，在现在的整个工业化发展中，整体工业水平的技术化层次也在不断提高，自动化的发展也是随着工业进程的发展而不断加快，对于整个工业水平的发展来说，整体的发展趋势也是技术化和自动化的方向在不断发展，这也是我们在日后发展中需要一直保持的，而这些技术的飞速发展使得人民的物质生活中所含有的高科技的机器人的数量也越来越多，帮助人们大大减轻了相关工作的劳动强度。6.2论文创新之处1）对于整个机器人在运动时的驱动结构进行了改进，利用单片机来控制三轮式的结构可以使得整个机器人在运动的时候有着更好的运动效果，并且使用双电机来对两个主动轮进行控制，使得整个机器人运动的形式更加多样化。2）在结构设计中，将清理机构与机器人进行分离，使得整个机构在工作时可以有着更好的工作效果，能够适应的工作场合也更加多样化。6.3存在不足与展望本次设计的扫地机器人在路线规划