毕业设计（论文）-自动洗车机设计

摘要-2-绪论研究背景自动洗车机是一种利用机械臂、高压喷头、旋转毛刷等自动化的设备，结合电子控制系统，按预设程序完成车辆清洁的装置，无需人工直接即可实现从喷水、清洗、打泡沫到冲洗和风干的全流程。汽车工业的蓬勃发展，带动了洗车行业的兴起与变革。早期洗车方式简单原始，车主多自行用水桶、毛巾等工具清洗。随着汽车工业的发展，洗车行业逐渐走向专业化、规模化，高压水枪、蓄水池等工具开始应用，营业场所和从业人员也更加固定。21世纪以来，自动化与智能化技术飞速进步，自动洗车机、智能洗车系统等高科技产品应运而生，极大地提高了洗车效率和服务质量REF_Ref19525\r\h[1]。全球范围内，自动洗车机市场总体规模不断扩大，我国国内汽车保有量持续增多，传统人工洗车已难以满足日益增长的洗车需求。在此背景下，全自动洗车机逐步进入国内市场，并凭借其工作效率高、速度快、无接触、吹干效果好、功能齐全等优势，受到广大车主的青睐，市场需求持续增长，产品种类也日益丰富，市场上已出现无接触式洗车机、往复式洗车机以及隧道式洗车机等不同类型，其中往复式洗车机成为市场主流产品REF_Ref19525\r\h[2]。研究目的和意义自动洗车机使得洗车时间大大缩短，效率也提高了。这样一来，排队等洗车的麻烦就少了，车主们能快速洗完车，真是挺方便的。从节省资源和环保的角度来看，自动洗车机通过重复使用清洗水，能有效节省水资源，减少用水量，同时还能把车上的灰尘洗干净，减少环境污染。保护水资源、实现可持续发展。随着人工成本越来越高，传统洗车行业遇到了招人难、员工流动性大的问题。自动洗车机的使用能降低人工成本，提高行业竞争力，推动洗车行业向智能化、自动化方向发展，给行业带来新的发展机会。国内外自动洗车机研究现状国外研究现状欧美国家是自动洗车技术发展早，从机械化到智能REF_Ref3499\r\h[3]。70年代，美国的PDQ和德国的Christ这些公司用隧道式洗车机主导了市场，用链条传动和旋转毛刷技术实现了基础的洗车功能REF_Ref3499\r\h[4]。到了21世纪，欧美的企业开始用激光传感器和PLC控制系统来提升技术，比如德国的WashTec公司开发的DualSens系统，用激光雷达扫描车辆的三维轮廓，精确到毫米级别，然后用自适应算法来规划清洗路径，这样就能更好地清洗复杂车型，比如SUV和卡车REF_Ref3499\r\h[5]。图1-1隧道式洗车机图1-2高压水刀日本，在无接触洗车这块研究比较好。用了好多轴的机械臂，上面装着高压水雾化喷头，用伺服驱动系统来控制水喷的角度和压力。这样一来，不仅能彻底洗掉那些顽固的脏东西，还不会像用传统毛刷那样刮伤车漆REF_Ref4032\r\h[6]。图1-3多轴机械臂搭载高压水雾化喷头国内研究现状我国自动化车辆清洁装备制造业发展历程相对短暂，但是在蓬勃发展汽车市场展现出令人瞩目的追赶势头REF_Ref19525\r\h[7]。以深圳车洗捷为代表的创新型企业，在基础功能单元研发领域取得突破性成果，不仅确保待洗车辆在工位转换过程中保持平稳运行，更实现了前所未有的定位精度；杭州大丰实业则通过对高压喷射系统的创造性重构，采用扇形雾化喷头配合先进的脉宽调节技术，使水流覆盖均匀性获得质的飞跃REF_Ref19525\r\h[8]。在水资源循环利用环节，当前70%的回收率远未达到行业先进水平，加之废液净化技术的严重滞后，使得整个行业在应对日益严格的环保监管要求时显得捉襟见肘REF_Ref19525\r\h[9]。图1-4隧道式洗车机图1-5高压喷淋模洗车国内的研究正在向更高端的方向发展。比如，一些大学和公司合作，研究用机器视觉来识别车辆轮廓的技术；有些厂家试着把柔性毛刷和仿生机械臂结合起来，这样就能更好地适应曲面车身了REF_Ref4433\r\h[10]。自动洗车机的未来研究方向有很多。可以深入研究多传感器融合技术，提高检测车辆尺寸、位置等信息的精度和可靠性REF_Ref4433\r\h[11]。在清洗技术上，新型环保清洗剂和高效清洗方式，研发无污染、可生物降解的洗车液，结合激光清洗等先进技术，提高清洗效果和环保性REF_Ref4668\r\h[12]。主要研究内容传统的自动洗车机洗得不干净，对车漆也有伤害，而且技术有点过时。所以，提出了一种新的设计，用多轴机械臂来让洗车机变得更智能。设计洗车机的整个框架、喷泡沫的装置、清洗的装置和烘干的装置等等。主要的研究内容包括：1.整体架构：确定洗车机整体架构，比如龙门式、隧道式或者往复式等等。然后我们用力学分析，来优化框架结构的强度、刚度和稳定性。降低了成本和占地面积。2.清洗装置设计：能够适应不同车型的外形轮廓，确保清洗得全面又均匀。3.用SolidWorks绘图软件来给做三维建模。绘制洗车机的整体框架、清洗部件、传动系统、支撑结构等各个零部件的三维模型，并且进行装配。自动洗车机需求分析与总体方案设计需求分析传输，把车送到清洗区，保持车不动洗车。水喷淋；给车预湿和冲洗的，全方位地喷水，把车上的脏东西都冲掉，为下一步清洗做好准备。。泡沫喷淋；清洗过程中给车喷上洗车液或者泡沫，让洗车液均匀地覆盖在车身上，软化顽固的脏东西。清洗装置；包括刷子和高压水枪。刷子会把那些顽固的脏东西刷掉，高压水枪强力冲洗。烘干装置；在清洗后把车烘干。设计目标：功能目标：要能全方位无死角地洗车、省水又高效、能适应各种不同车型。技术要求：要能覆盖复杂的车身曲面、高压清洗、用水量要少结构要紧凑（占地面积<10㎡）、还要能适应各种车型。设计的时候要考虑到三种典型的车型，按照ISO612-1978《道路车辆尺寸术语》的标准来。表2.1车辆尺寸规格表车型长(m)宽(m)高(m)微型车3.81.61.5标准轿车4.81.81.5全尺寸SUV5.22.11.9根据GB1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》，设计基准选取市场上95%乘用车的尺寸极值：车长≤5.3m，车宽≤2.1m，车高≤2.0m。2.自动洗车机洗车功能实现环节流程框图汽车进场，龙门架前段360全景影像，获取车辆尺寸，喷淋管路布置在机械手上，双机械手整体喷淋，打泡沫冲洗。整体完成后，机械手前端抹布擦拭。表2.2五轴机械臂自动洗车系统功能实现流程五轴机械臂自动洗车系统功能实现流程1车辆准入检测激光雷达扫描车体尺寸判断是否符合准入标准2车辆进入洗车区域车辆进入洗车区域人，人离开车确认洗车开始3洗车装置动作到车头位置4水喷淋、泡沫喷淋机械手中间为空心管，喷淋，打泡沫并向后移动5清洗机械手端部擦拭6烘干丝杠带动轴流风机前后运动，风干7退场8质量评估与反馈自动洗车机整体方案设计常见洗车方案对比方案1：隧道式滚刷+喷淋系统隧道式滚刷系统在传送带以0.8m/s牵引车辆通过清洗区，依靠12组呈螺旋排列的尼龙刷毛辊筒与32个扇形喷嘴协同作用，能在5分钟内完成基础清洁作业，设备采购成本更是具有显著优势REF_Ref19525\r\h[14]，这种刚性接触式清洗对保时捷等流线型车身的清洁盲区占比达17.7%REF_Ref19525\r\h[15]。图2.1隧道式滚刷+喷淋系统方案2：龙门式XYZ三轴框架龙门式三轴框架的设计，用XYZ直角坐标机器人来提高灵活性。钢结构框架上面装了直线模组驱动喷头执行器[16]，在3.5米乘2.8米的有效运动空间里，可以实现定位精度在±1.5毫米的轨迹控制。结构比隧道式的方案占地面积小多了，只有9.2平方米。图2.2龙门式XYZ三轴框架方案3：多轴机械臂+高压水雾化喷头不同于传统固定式清洗方案，多轴机械臂系统采用6自由度协作机械臂作为核心执行机构，结合高压水射流雾化技术，彻底打破了空间限制的桎梏，无论是轿车还是SUV这类复杂曲面车型，清洗覆盖率均为99.2%，而0.1mm级超精细雾化喷嘴的运用，将单次作业水耗压缩到区区38LREF_Ref19525\r\h[18]。图2.3机械臂+高压水雾化喷头设备尺寸及占地面积对比设备尺寸确定原则：L设备=L车辆+2ΔL(ΔL≥0.8为前安全余量)REF_Ref19525\r\h[19]W设备=W车辆+2ΔW(ΔW≥0.5m为侧向传感器盲区补偿)H设备=H车辆+ΔH(ΔH≥0.6m含顶部喷杆升降行程)表2.3设备尺寸及占地面积方案类型设备本体尺寸(m)总占地面积(m²)场地利用率(%)隧道式15.2×3.4×3.178.565.9龙门式4.8×2.6×3.922.356.1五轴机械臂式2.4×1.8×2.215.652.6方案确定方案决策矩阵评估：方案决策矩阵评估通过加权指标法对三类方案展开量化比选（详见表3），这套评价体系绝非简单的数据堆砌——它从技术性能（40%权重）、经济性（30%权重）及扩展能力（30%权重）三大维度切入，细分为清洗覆盖率、漆面损伤率、能耗效率等12项关键指标，构建起立体的决策框架。多轴机械臂方案以86.5分的绝对优势碾压龙门式（71.2分）与隧道式（63.8分）方案。设备成本权重低于25%门槛，多轴方案便会很有效果REF_Ref19525\r\h[20]。最终方案：多轴机械臂系统设计表2.4核心结构组成模块技术参数功能说明机械臂本体5轴协作机械臂，负载≥10kg搭载清洗终端执行器喷头系统高压雾化喷头（0.1mm孔径，8-12MPa）生成20-50μm级水雾颗粒供水系统柱塞泵+稳压罐（流量30L/min）稳定输出高压水流防护结构IP67防水壳体+安全光幕防止高压水侵入关键部优势总结如下：空间效率：占地面积仅15.6㎡（较隧道式减少43%）节水环保：水循环系统降低60%用水量智能适应：通过视觉系统自动识别车辆轮廓，支持轿车/MPV/SUV等全车型机械手活动范围五轴机械臂运动学模型《RobotModelingandControl》（Spong,Hutchinson,Vidyasagar）第3章详细推导了D-H参数法计算。T（2-1）某型号清洗臂参数：L1=1.2m,L2=0.8m,L3=0.6m，计算得最小设备宽度2.6m（含0.3m安全余量）。根据SAEJ1100标准，设备开口尺寸需覆盖97%车辆外廓：取极限值Lcar=5.3m,

Wcar=2.1m，得设备框架尺寸6.1m×2.7m。机械手动态空间分析：查资料的某型机械臂仿真结果：V=4.2m3，覆盖车辆表面97.3%区域机械臂距离场模：dmin=min(x自动洗车机关键部件的设计龙门架设计龙门架是龙门式自动洗车机的主体框架，由于洗车时待洗车辆固定停放，因此喷淋系统、刷车系统和风干系统都需要在龙门架的承载和驱动下才能完成各自的功能。考虑到洗车机是大型机器，整机仅机械结构部分就包含数百个零部件，其安装和拆卸需要耗费大量的时间，因此通常采用整件运输的方式，从而缩短机器的交付周期。由设计需求中可知，整机预期设计高度为2.5m，然而，采用上、下两层组装式结构，将龙门架主体分成下层的底座以及上层的立柱、横梁等三个部分进行设计，从而减小整机运输高度。图2.5所示为龙门架设计方案：整机预期设计高度为2.5m，车高度1.9m，静空高2000mm以上不会干涉，本次设计静空搞2250mm。图2.5龙门架移动结构设计如图2.6，移动结构轮子装在龙门架下面，导轨铺在地上，轮子在导轨上走，电机带着链轮让轮子动起来。轮子用了耐磨又防滑的材料，轮子在导轨上就能平滑地走图2.6移动机构风干机构设计风干装置由电机二、丝杠一、螺母一、风机组成，当汽车完成所有清洗工作的时候，启动电机二，通过丝杠一驱动螺母一在汽车高度方向做直线运动，同时由于风机与螺母一刚性连接，故风机也将跟随做直线运动。同时在整机的行走功能的配合下，便可以实现对汽车不同长度不同高度位置的风干功能。图2.7风干机构机械臂设计机械臂构型的对比分析涉及多个方面，包括但不限于机械臂的自由度、工作范围、负载能力、精确度以及成本效益比。通过细致的对比，可以更好地理解每种构型的优势和局限性，从而为特定任务选择最合适的机械臂。表2.5机械臂构型对比类型自由度负载(kg)重复精度(mm)适用场景5轴关节型55-500±0.02-0.1复杂曲面清洗（SUV车顶）SCARA43.20±0.01-0.05侧门快速擦洗（节拍＜30s）Delta31-5±0.005挡风玻璃精细处理区域机械臂洗车系统的关键执行部件，其设计直接关系到的作业能力，故本文将围绕五轴机械臂为主要部件展开设计。图2.8机械臂机构本章小结本章在分析了自动洗车机总体设计需求的基础上，拟定了自动洗车机的总体设计方案，将其划分为移动模块、喷淋打沫模块、清洗装置以及烘干模块等多个不同模块，并对各模块中不同的机构分别详细的方案设计。功能图如图2.9所示​自动洗车机关键部分的计算校核龙门架设计主体框架设计：为了让两台机械臂能一起干活儿，又不互相捣乱，每台机械臂底座宽300mm，安全距离留了50mm。实际距离：1400mm-2×(300mm+50mm)=700mm。这样设计，梁高200mm，基座厚30mm，从地面到横梁底下的净空高度是2455mm。减去横梁和基座的高度，净空高度是2225mm。这个高度足够洗SUV的车顶，材料方面，用Q235B钢材（屈服强度至少235MPa），重要的承重部件用的是Q345（屈服强度至少345MPa），尺寸是长2750mm、宽1400mm、高2455mm。主横梁用的是H型钢，尺寸是200×150×8×12（GB/T11263）。主横梁用的是符合国家标准GB/T11263的H型钢，尺寸是200mm高、150mm宽，壁厚8mm，腹板厚12mm。这种H型钢因为力学性能好、稳定性强，所以在各种建筑结构中都特别受欢迎。图3.1龙门架三维机械臂200kg。一共两个机械臂，总质量200×2=400kg重量G=mg=400*9.8=3920N因为本设计是龙门架是用在洗车行业的，为了安全考虑，取动载荷系数2.5。则计算时候载荷按照2.5G计算，计算总载荷如下F=2.5G=2.5×3920=9,800N单侧载荷是F1=F/2=4900N将龙门架梁的结构进行适当的合理的简化从而方便计算与校核经过简化之后的模型如下图所示：图3.2梁受力简图在最大工作幅度时额定载荷重量所承受的载荷F对梁作用的剪力为F=4900N，先根据最大弯矩对加固钢进行校核，最大弯矩出现在x坐标为0的位置，最大弯矩：(3.1)L宽1400mm由弯曲正应力强度条件，有：(3.2)式中；需用屈服强度，重要的承重部件用的是Q345（屈服强度345MPa）主横梁用的是H型钢，尺寸是200×150×8×12（GB/T11263），选钢的=69200大于3.2计算的值，满足弯曲正应力强度条件，加固钢梁的弯曲强度符合要求。安装步骤：​地基处理：浇筑C30混凝土基座（尺寸3000×1600×400mm），预埋16-M20地脚螺栓结构组装：立柱垂直度偏差≤1.5mm/m（激光经纬仪校准）横梁水平度≤0.2mm/m（框式水平仪校验）机械臂安装：使用API激光跟踪仪校准基座平面（平面度≤0.05mm）螺栓分三次拧紧（30%→70%→100%扭矩）图3.2龙门架移动结构设计移动结构如图3.3所示图3.3移动结构链传动的设计设计移动轮直径150mm，最快移动速度为2m/s牵引力F=umg（3.3）式中；m;整机重量1000kg（含机械手质量400kg），u;导轨滚动摩擦系数为u=0.2带入式（3.3）得F=umg=0.2*1000*10=2000N本设计配备两个电机，左右各一个。则单电机牵引力为F1=F/2=2000/2=1000N所需功率为P=F1V=1000*2=2KW（3.2）此公式出自（高中物理课本）确定传动装置的效率ηa=η2ℎ查机械设计手册表得：滚动轴承的效率：η2=0.99减速机效率：η3=0.94工作机的效率：ηv=0.96链条传动效率：ηL=0.95带入（3.3）η本小节所有公式出自（机械设计手册-链传动设计）1)选择链轮齿数取小链轮齿数z1=21，链轮齿数为z2=22。实际传动比i=1.052)确定计算功率由查得工况系数KA=1.1，由查得主动链轮齿数系数Kz=1.114，单排链，表1工作情况系数KA工作机

载荷性质原动机与每天工作小时数空、轻载启动重载启动<1010~16>16<1010~16>16载荷变动很小1.01.11.21.11.21.3载荷变动小1.11.21.31.21.31.4载荷变动较大1.21.31.41.41.51.6载荷变动很大1.31.41.51.51.61.8Pca=KA此公式出自（机械设计原理课本）3)选择链条型号和节距根据Pca=3.6kW，n1=254r/min，查下图，可选16A-1，链条节距p=25.4mm。4)计算链节数和中心距初选中心距a0=30～50×p=取a0=1016mm，相应的链长节数为L=2×取链长节数Lp=102节采用线性插值，计算得到中心距计算系数f1=0.24999，则链传动的最大中心距为a5)计算链速v，确定润滑方式v=（3.6）由v=3m/s和16A-1链号，应采用滴油润滑。6)计算压轴力Fp有效圆周力为Fε=1000×Pv链轮水平布置时的压轴力系数KFp=1.15，则压轴力为F7)主要设计结论链条型号16A-1；链轮齿数z1=21，z2=22；链节数Lp=102，中心距a=1016mm（1）小链轮结构尺寸滚子直径dr=15.88分度圆直径d（3.8）齿顶圆直径d计算damax1d齿根圆直径d由d=170.42mm，查《机械设计手册，链传动篇》得常数K=9.50轮毂厚度ℎ=K+轮毂长度l=3.3h=3.3×轮毂直径d图3.4小链轮三维（2）大链轮结构尺寸滚子直径dr=15.88分度圆直径d（3.9）齿顶圆直径d计算damax2d齿根圆直径d由d=178.48mm，常数K=9.5轮毂厚度ℎ=K+轮毂长度l=3.3ℎ轮毂直径d图3.5大链轮三维链轮轴设计计算本小节所有公式出自（机械设计手册）1)求高速轴上的功率P1、转速n1P1=3kW；n1=254r/min；2)初步确定轴的最小直径：先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，根据表，取A0=120，于是得d（3.10）d最小直径是安装链轮的轴径，由于安装键将轴径增大5%dmin=（1+0.05）×40=44mm（3.11）取45mm轴的结构设计图图3.6轴示意图图3.7轴三维示意图①为了满足半链轮的轴向定位要求，Ⅰ-Ⅱ轴段右端需制出一轴肩，故取Ⅱ-Ⅲ段的直径d23=64。链轮长度L=45mm,为了保证轴端挡圈只压在联轴器上而不压在轴的端面上，故Ⅰ-Ⅱ段的长度应比L略短一些，现取l12=43mm。4)初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用角接触轴承。参照工作要求并根据d23=90mm，由轴承产品目录中选择角接触轴承7213C，其尺寸为d×D×B=64×104×55mm，故d2=d4=64mm。5)由于轮子的直径较答，为了保证轮体的强度，应将轴做大轴。所以l3=205mm，d3=90mm与轴的周向定位是由过渡配合来保证的。表3.1轴的直径和长度轴段1234直径45649045长度435520555链轮所受的圆周力（d1为高速级小齿轮的分度圆直径）Ft1=2×T1d1F链轮所受的径向力Fr1=Ft1tanαcosβF所受的轴向力F第一段轴中点到轴承压力中心距离:l轴承压力中心到轮支点距离:l轮中点到轴承压力中心距离:l已知前面的压轴力为Fq=1768.59N①计算轴的支反力水平支反力FNH1FNH2=Ft1l2垂直支反力FFFF②计算轴的弯矩，并做弯矩图截面C处的水平弯矩MCH1=FNH1lM截面B处的垂直弯矩MM截面C处的垂直弯矩MMMM截面B处的合成弯矩MM截面C处的合成弯矩MC1=MCH12Mc2=Mc1分别作水平面的弯矩图（图b）和垂直面弯矩图（图c）③作合成弯矩图（图d）T1=278.54N∙m作转矩图（图e）图3.8受力及弯矩图10)校核轴的强度因C左侧弯矩大，且作用有转矩，故C左侧为危险剖面抗弯截面系数为W=πd332（W=抗扭截面系数为WT=πd316W最大弯曲应力为σ=MW（3.1σ=危险截面合成弯矩的最大值MC=166n.m剪切应力为τ=T1WT（τ=按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向传动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数α=0.6，则当量应力为σca=σ2+4σ查表得40Cr(调质)处理，抗拉强度极限σB=735MPa，则轴的许用弯曲应力[σ-1b]=70MPa，σca<[σ-1b]，所以强度满足要求。移动电机选型选择电动机容量：电动机所需额定功率:P（3.22）P工作机轴转速：nn查表课程设计手册，使用推荐的传动比范围，齿轮传动比范围为：1～8，所以合理的总传动比范围为：1～2688。可选择的电动机转速范围为nd=ia×nw=(1～2688)×254=325～872729r/min。进行综合考虑价格、重量、传动比等因素，选定电机型号为：Y100L2-4的三相异步电动机，额定功率Pen=3kW，满载转速为nm=1420r/min。图3.9Y100L2-4的三相异步电动机风干部分设计风干部分设计结构如图3.10所示。图3.10风干部分结构通过建立的三维模型评估重量，安装板三、安装板四、筋板三以及垫块二的质量分别为50.5kg，57kg，6kg,2.2kg，查风机生产厂家资料，同大小，总质量为12.6kg，故所有总质量为,其最大速度为取风干轴最大转速为本小节所有公式出自（机械设计手册）其中风干轴为丝杠轴由于风干轴最大转速为①确定风干轴的导程初算风干轴的导程：（3.24）查手册确定风干轴导程为：②确定风干轴的当量转速以及当量载荷则风干轴的当量转速为：（3.25）确定风干轴的当量载荷：③确定风干轴的预期额定动载荷则风干轴的额定动载荷为：（3.26）其中上式中：风干轴的载荷系数：风干轴的预期工作寿命/h风干轴的精度系数：风干轴的可靠性系数：查手册可得：则有：④确定风干轴最小螺纹底径估算风干轴最大轴向变形:取定位精度以及重复定位精度均为0.5mm，则：估算风干轴底径：（3.27）--风干轴支撑方式系数，由于风干轴两端铰止的时候为0.039，且L为风干轴两端支撑点之间的距离：取则（3.28）选择型号4010-4确定风干轴的预紧力：计算风干轴补偿值C：又：，现取：则计算风干轴预伸拉力：确定风干轴副临界转速：查手册得f：为风干轴计算长度，由手册可得：所以：（3.29）风干轴稳定性计算：由于故失稳现象不会发生在风干轴，故不用验算额定静载荷验算：（3.30）其中：滚珠丝杆副基本轴向额定静载荷，单位为N,查机械手册可得：静态安全系数，取：风干轴最大轴向载荷故：现校核抗拉强度：远远小于材料的许用应力五轴机械臂结构设计机构选型采用关节型机器人手臂由动力关节和连接杆件构成，用以调整手腕和末端执行器的位置。由于本设计要求能达到工作空间的任意位置，因此采用2自由度手臂。机座则采用固定机座。手腕是连接手臂和末端执行器的部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。由于本机器人对要求的动作多样，灵活性高，故选用三自由度手腕。三自由度手腕由B关节和R关节组成，可实现翻转、俯仰和旋转功能。B关节和R关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，因此其结构形式也多种多样，如图3.11所示：图3-11三自由度手腕的几种形式B关节是一种俯仰、摆动关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直，旋转角度小；R关节是一种回转关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式，这种关节旋转角度大，可达到360°以上。BBR结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，BRR、RBR与前者相比结构紧凑。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但过多的自由度也会使得设计与结构复杂化。考虑到本机器人的实际用途，故采用五自由度，依次为大臂俯仰，小臂俯仰，手腕回转，手腕俯仰，手腕侧摆。传动方案的初步设计1.腕关节的传动结构设计图3-12手腕传动机构如图3-12所示，采用的是三自由度手腕，也被叫做万向型手腕，它一部分与小臂相连，随小臂转动而转动，中间锥齿轮Z4，Z5带动手腕做俯仰运动，轴1则带动手爪转动。为了使手腕能实现三个自由度并减轻手腕重量，必须用远距离传动，故将电动机装在小手臂的关节处。2.小臂传动机构图3-13小臂结构小臂关节的传动机构简图如图3-13所示。小臂做+130º至-90º范围内的俯仰运动，从而调节整个腕部的空间位置。其驱动电机装在驱动臂座上，即大手臂的关节处，通过大臂底部的通孔，使用两根连杆与小手臂座相连。通过连杆的动作，实现小手臂座的俯仰动作。底部使用平键连接，大臂与底杆则使用涨紧套连接。3.大臂传动机构图3-14大臂结构如图3-14所示，大臂和小臂的俯仰动作将共同决定手腕在平面中的位置，其底部有通孔，大臂与减速器通过通孔相连，电动机在减速器旁边并列安装。。表3-3方案信息工艺描述五轴动作顺序动作范围最大速度驱动功率1轴（大臂俯仰）—130°160°/s—2轴（小臂俯仰）—220°220°/s—3轴（手腕回转）—360°500°/s—4轴（手腕俯仰）—220°330°/s—5轴（手腕偏转）—220°330°/s—传动方案的确定前三个轴的传动机构并不复杂，第1轴和第2轴则是用摆线针轮行星齿轮传动。四五六轴皆为手腕部分，都是采用远距离传动，将电机装在小臂关节处，通过同轴套筒接到手腕关节处，减轻手腕重量。五轴机械臂设计要求1.洗车作业中机械臂末端载荷包括（ISO10218-1标准）：Ft=FFn:清洗喷枪重量（典型值3.5kg）Ft1​:高压水反作用力（最大15MPa时

≈120N）Fdy:运动惯性力（加速度2m/s²时

≈20N）结论：需选择额定负载≥15kg的机械臂（ISO10218-1标准）。2.重复定位精度验证建立精度补偿模型：​δactual=δer某品牌机械臂参数：δe：编码器误差（单位：mm，典型±0.02mm）δt：热变形误差（单位：mm，温差10℃时约0.15mm）δlo：负载形变误差（单位：mm，满载时约0.08mm）实际精度：δact​≈0.17mm，满足清洗路径精度要求（目标值≤0.3mm）。3.工作空间匹配度基于车辆几何约束（长×宽×高=5.3m×2.1m×2m），机械臂需满足：Ho≥\dfracLcar+0.82=3.05mVe≥​水平伸展≥(5.3+0.8)/2=3.05m垂直行程≥2.0+0.6=2.6m手腕自由度≥±180∘(绕Z轴)​选择机械臂型号KUKAKR20R1810（工作半径3.1m）覆盖率达98.7%。开发基于车辆轮廓的轨迹生成系统：为车身关键点云，w为权重向量。实测该系统使通用化编程时间缩短76%。案例：ABBIRB6700在清洗天窗凹槽时，单点求解时间＜0.1ms。4.法规兼容性验证​安全标准：

需满足ISO10218-2:2011对协作空间（CollaborativeWorkspace）的力/功率限制：​防水等级：

外壳防护至少IP67（GB/T4208-2017），电路板三防涂层处理（MIL-I-46058C）。​电磁兼容：

通过EN61000-6-4工业环境发射测试，确保不影响车载电子设备。5.实证选型案例某智能洗车机厂商配置方案：主臂：FanucM-20iD/25（负载25kg，半径3.1m，±0.03mm）辅臂：EPSONC12XL（SCARA，12kg，节拍0.35s）传感器：SICKOD2000（安全激光扫描仪）运行效果：清洗覆盖率提升至99.1%MTBF（平均无故障时间）达8500小时能耗成本降低至1.8元/车次机械手结构如图3.3所示。图3.15机械臂五轴机械手大臂部分结构设计臂部部件是关节机械手的主要部件。它的作用是支承手部，并带动它们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)关节，则臂部自由度加以实现。图3.16机械手大臂部分大臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。1.大臂电机及减速器选型假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg，M3=4KgJ2=M2L42+M3L52=1×0.0972+4×0.1942=0.16kg.m2（3.34）大臂速度为10r/min，则旋转开始时的转矩可表示如下：式中：T-旋转开始时转矩N.mJ–转动惯量kg.m2-角加速度rad/s2使机械手大臂从到所需的时间为：则：(3.35)若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为：(3.36)选择谐波减速器：⑴型号：XB3.50-120（XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m减速比：i1=120设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为：（3.37）选择BF反应式步进电机：型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.5°2.减速器参数的计算刚轮、柔轮均为锻钢，小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS刚轮材料为45钢（调质），硬度为220HBS。1.齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数：已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：重载时，为了增大柔轮的刚性，允许将δ1计算值增加20%，即柔轮筒体壁厚：为了提高柔轮的刚度，取轮齿宽度：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：轮齿过渡圆角半径：为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取3.轴的计算校核画轴的受力分析图，轴的受力分析分析图如图所示：图3.17轴的受力分析图已知：作用在刚轮上的圆周力径向力法相力求垂直面的支撑反力：水平面的支撑反力：F在支撑点产生的反力：外力F作用方向与传动的布置有关，在具体位置尚未确定前，可按最不利的情况考虑，见（7）的计算绘垂直面的弯矩图：绘水平面的弯矩图：F产生的弯矩图：a-a截面F力产生的弯矩为：求合成弯矩图：考虑最不利的情况，把与直接相加MA=+MAF=+41.1=70.1N.mM'A=+MAF=+41.1=62.57N.m求轴传递的转矩：N.mm求危险截面的当量转矩如图所示，a-a截面最危险，其当量转矩为：如认为轴的扭切应力是脉动循环应变力，取折合系数a=0.6，带入上式可得：计算危险截面处轴的直径轴的材料选用45钢，调质处理，由表14-1查得δB=650Mp,由表14-3查得[δ-1b]=60Mpa,则：考虑到键槽对轴的消弱，将d值加大5%，故：d=22.8*1.05=24mm<32mm满足条件因a-a处剖面左侧弯矩大，同时作用有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面其弯曲截面系数为：抗扭截面系数为：弯曲应力为：扭切应力为：按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向转动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数a=0.6则当量应力为：由表查得45钢调质处理抗拉强度极限=640Mpa，则由表查得轴的许用弯曲应力[δ-1b]=60Mpa,<[δ-1b],强度满足要求五轴机械臂小臂部分结构设计五轴机械臂小臂部分结构如图3.18所示图3.18五轴机械臂小臂部分1.腕部设计腕部能够连接机器人的臂部和手部，支撑并且改变手部的姿态。腕部设计的要求有：结构紧凑、质量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；所用材料强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的结构合理，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。按自由度分类可将工业机器人手腕分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据工业机器人实际使用的工作性能要求来确定。本课题所设计的机器人手腕具有摆动和转动两个自由度。图3.15ＢＢ型手腕示意图本课题研究设计的机器人广泛用于进行汽车车身等喷涂作业，腕部作用于工作空间的最前端，有时需伸入狭窄的空间进行作业，所以为了满足手腕部分结构紧凑、质量轻、动作灵活等要求将其外形和尺寸设计成如图3.16所示。图3.16手腕外形尺寸示意图2.手腕偏转驱动计算（1）选择步进电机手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和腕部启动时的惯性力矩。根据转矩的计算公式[15]：（3.38）（3.39）（3.40）（3.41）（3.42）（3.43）（3.44）（3.45）式中：—手腕偏转所需力矩（N·m）；—摩擦阻力矩（N·m）；—负载阻力矩（N·m）；—手腕偏转启动时惯性阻力矩（N·m）；—工件负载对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m2）；—手腕部分对回转轴线的转动惯量（kg·m2）；—手腕偏转角速度（rad/s）；—手腕质量（kg）；—负载质量（kg）；—启动时间（s）；—手腕部分材料密度（kg/m3）；—手腕部分外径和内径（m）；—手腕的长度（m）；—手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得：kgr/skg·m2kg·m2N·mN·mN·m因为腕部传动是通过两级带轮和一级锥齿轮实现的，所以查取手册[15]得：弹性联轴器传动效率；滚子链传动效率；滚动轴承传动效率（一对）；锥齿轮传动效率；计算得传动的装置的总效率。电机在工作中实际要求转矩：N·m（3.46）根据计算得出的手腕偏转所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的90系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。五轴机械臂前端作业结构设计机械臂前端作业结构设计主要由：万向管接头回转连接杆、清洗支撑、水管、泡沫管、抹布及抹布支撑平台组成。万向管接头是水管、泡沫管的一部分，主要是防止水管缠绕所使用的接头。回转连接杆是机械臂末端的连接件，可随着机械收末端回转，同时随着机械手轨迹运动。水管是高压水冲洗时候水流的管子泡沫管冲洗时候泡沫水流的管子。抹布和套在抹布支撑平台上，随着机械臂末端在车上运动擦拭，机械臂前端作业结构如下图所示图3.19机械臂前端作业结构9图3.20机械臂前端作业结构三维五轴机械臂螺栓连接设计螺栓规格选型是机械设计和装配过程中非常重要的一个环节，它涉及到连接件的强度、尺寸以及使用环境等多个方面。表3.1螺栓规格参数​规格螺栓等级10.9级（GB/T3098.1）直径×数量M16×8（每台机械臂4颗）布置方式150×150mm方阵（中心对称）预紧力矩310N·m（液压扭矩扳手）螺栓强度校核：抗剪验算τ=​抗拉验算：σ=α：热膨胀系数（钢取1.2×10⁻⁵/℃）T：环境温度（℃）f_ub：螺栓抗拉强度（10.9级螺栓取1000MPa）A_s：螺栓应力截面积（M16螺栓取157mm²）本章小结本章主要对自动洗车机的龙门架移动机构，风干机构进行参数计算与强度校核，对五轴机械臂及门架进行了设计。三维建模及有限元分析三维软件介绍SolidWorks是由达索系统（DassaultSystèmes）开发的专业三维计算机辅助设计（CAD）软件，广泛应用于机械制造、工业设计、电子工程及教育领域。SolidWorks的装配体管理功能支持大型组件设计，其插件Simulation可以有限元分析，可执行静力学、热力学及疲劳测试，其他插件能输出标准的工程图，并支持尺寸公差与形位公差的标注，显著提升图纸输出效率。建模在之前的章节基础上，进一步完成摆自动洗车机的机械结构三维设计。本部分的设计内容主要包括机架、链轮、机械手、等关键部件的设计。以下是各个部分的具体设计思路和步骤。图4.1.行走机构图4.2机械臂图4.3门架图4.4烘干机图4.5总装有限元分析链传动轴链传动轴是运行部件中的关键零件，对运行机构稳定性直接影响，通过SolidWorks插件Simulation对链轮轴轴进行有限元分析，首先明确实际工作过程中链轮轴的受力情况，添加夹具对链轮轴一端固定约束，其主要受力部位为端处，并对模型进行简化，通过添加转矩T3=278N•m载荷，进行网格划分和求解计算。体采用的材质是45钢[18]。零件如下图5-2所示：图4.6链传动轴如图5-3所示等效应力云图，可以得出链轮轴轴最大的局部应力值约为3.05MPa，而轴采用45钢制成，查表得45(调质)处理，屈服强度325MPa，由此可得，链轮轴最大的应力远远低于材料的屈服力，其强度满足要求。图4.7链轮轴等效应力云图由图5-4可得链轮轴的最大变形量约为0.1673mm，相对于整链轮轴，变形量很小，不影响链轮轴的使用情况，符合设计要求。图5-4链轮轴等效位移云图如图5-5所示等效应变云图，可以得链轮轴最大的局部应变值约为1.09510-4，由此链轮轴符合设计要求。图5-5链轮轴等效变云图机械臂前端作业结构有限元分析机械臂前端作业结构抹布支撑机构采用塑料丙烯酸塑料，能接受较大的冲击力，单丙烯酸塑料结构有较高的脆性，在长期的运用中可能会遭受破坏，故对其进行有限元分析。首先分析等效应力情况，对支撑体添加夹具约束，对抹布支撑体添加等同于擦拭的力，大约5N.可以得局部应力值约为0.0316MPa，而抹布支撑体采用丙烯酸塑料制成，屈服强度45MPa，由此可得，抹布支撑体其强度满足要求。图4.8前端作业结构等效应力云图由图4.9可得前端作业结构最大变形量约为0.00014mm，相对于整前端作业结构，变形量很小，不影响使用情况，符合设计要求。图4.9前端作业结构等效位移云图如图4.10所示等效应变云图，可以得前端作业结构最大的局部应变值约为17.72310-7，由此前端作业结构符合设计要求。图4.10前端作业结构等效变云图本章小结本章基于SolidWorks平台构建了设自动洗车机的三维参数化模型，通过有限元分析对自动洗车机的关键零部件进行有限元分析，以此来保证零部件达到设计要求。针对链传动轴和机械臂前端的动态负载特性，进行静力学与模态分析，提高零件可靠性。总结与展望总结本研究围绕自动洗车机的机械结构设计展开，通过理论分析、方案对比，取得以下成果：（1）在自动洗车机总体设计需求的基础上，拟定了自动洗车机的总体设计方案，将其划分为移动模块、喷淋打沫模块、清洗装置以及烘干模块等多个不同模块，并对各模块中不同的机构分别详细的方案设计，选定5个自由度的仿生机械臂，可以实现三维空间的精准控制，在清洁效果表现出突破性优势。研究重点为机械本体设计、建模、关键部件校核，工作原理为龙门架经过行走机构，负载机械臂到车辆上方，经过电子扫描装置获取车辆轮廓，基于车辆轮廓生成机械臂运动路径，通过机械臂末端的抹布，泡沫，喷淋集成装置，模仿人工洗车过程，完成车辆清洗工作。（2）自动洗车机的龙门架移动机构，风干机构进行参数计算与强度校核，对五轴机械臂及门架进行了设计。（3）基于SolidWorks建立三维模型，对链传动轴和机械臂前端的动态负载特性，进行静力学与模态分析，提高零件可靠性。（5）传统洗车方式操作流程繁琐、本设计主要在自动化洗车设备领域，构建了多轴机械臂洗车的设计方案，机器人采用2自由度手臂，三自由度手腕，共五个自由度，以及洗车架的移动，整体装备共6个自由度。机座则采用固定机座。机械手动作多样，灵活性高，能完成依次为大臂俯仰，小臂俯仰，手腕回转，手腕俯仰，手腕侧摆运动。在设计过程中，机械臂的驱动系统采用了电机和减速器组合，实现精准的位置控制和力量输出，进一步提升了洗车效果。在建模方面，利用三维建模，对机械臂的各个部件进行详细设计，并通过仿真分析，优化关键零件结构和性能。同时，对关键部件进行强度校核，确保其在承受最大工作载荷时仍能保持足够的强度和稳定性。设计还充分考虑了安全性和易用性。创新点（1）采用五轴机械臂与高压雾化喷淋的动态匹配机制洗车。（3）轻量化高刚度结构:主框架以铝材实现减重，静态负载能力达500kg。展望