玻璃清潔機(jī)器人的研發(fā)擦洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 玻璃清潔機(jī)器人的研發(fā) -擦洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 玻璃清潔機(jī)器人的研發(fā)-擦洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 本課題設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)玻璃清潔機(jī)器人的擦洗機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)市面上各種擦洗機(jī)構(gòu)對(duì)比和分析，本課題提出采用滾筒擦洗擦洗機(jī)構(gòu)的方案。對(duì)玻璃清潔機(jī)器人擦洗機(jī)構(gòu)的減速裝置分析，確定擦洗機(jī)構(gòu)為滾筒，并確定葉輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)。設(shè)計(jì)擦洗機(jī)構(gòu)，畫出它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并確定擦洗機(jī)構(gòu)的工作流程，對(duì)低速軸進(jìn)行有限元分析，選取合適的軸承和聯(lián)軸器，對(duì)擦洗機(jī)構(gòu)的減速裝置的高速軸和低速軸進(jìn)行力學(xué)分析，設(shè)計(jì)合適的軸。最后用三維軟件Solidwork繪制零件圖和裝配

2、圖，用AutoCAD修改裝配圖和零件圖的細(xì)節(jié)。 關(guān)鍵詞：擦洗機(jī)構(gòu)；力學(xué)分析；有限元 Research and development of glass cleaning robot design of scrubbing mechanism Summary The task of this project is to design the scrubbing mechanism and the moving mechanism of the glass cleaning robot. Through

3、 the comparison and analysis of various scrubbing mechanisms on the market， in this paper, the scheme of drum scrubbing mechanism is proposed. Through the analysis of the deceleration device of the scrubbing mechanism of the glass cleaning robot, it is determined that the scrubbing mechanism is a ro

4、ller and the model of the impeller driven motor is determined. Design the scrubbing mechanism, draw its structure diagram, determine the working process of the scrubbing mechanism, carry out the finite element analysis on the low-speed shaft, select the appropriate bearing and coupling, carry out th

5、e mechanical analysis on the high-speed shaft and low-speed shaft of the reduction device of the scrubbing mechanism, and design the appropriate shaft. At last, the 3D software SOLIDWORK is used to draw part drawing and assembly drawing, and AutoCAD is used to modify the details of assembly drawing

6、and part drawing. Keywords: scrubbing mechanism; mechanical analysis; finite element analysis 目 錄 1前言 1 1.1玻璃清潔機(jī)器人的現(xiàn)狀 1 1.1.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 1 1.1.2國(guó)外現(xiàn)狀 2 1.2玻璃清潔機(jī)器人的分類 5 1.2.1按吸附方式分類 5 1.2.2按行走方式分類 5 1.3研究目的與意義 6 1.4功能要求 6 1.5研究?jī)?nèi)容 7 2 清潔機(jī)器人分析 8 2

7、.1機(jī)器人設(shè)計(jì) 8 2.2總體設(shè)計(jì)方案 8 2.2.1吸附功能 9 2.2.2清潔功能 10 3 清潔機(jī)器人擦洗機(jī)構(gòu) 11 3.1清潔機(jī)器人擦洗機(jī)構(gòu) 11 3.2 電機(jī)選擇 13 3.2.1工作總效率 13 3.2.2工作機(jī)所需輸入功率 13 3.2.3確定電動(dòng)機(jī)型號(hào) 13 4清潔機(jī)器人傳動(dòng) 15 4.1 高速軸計(jì)算 15 4.1.1 選擇材料，確定許用應(yīng)力 15 4.1.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 15 4.2 低速軸計(jì)算 20 4.2.1 選擇材料，確定許用應(yīng)力 20 4.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 20 4.3 輸出軸兩端齒輪 26 4.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)

8、算 26 4.5箱體 33 4.6減速裝置建模 35 5.有限元分析 36 5.1建模 36 5.2材質(zhì)選擇 36 5.3固定 37 5.4施加載荷 37 5.5網(wǎng)格設(shè)置 38 5.6算例結(jié)果 39 5.6.1應(yīng)力分析 39 5.6.2位移分析 40 5.6.3應(yīng)變分析 41 6總結(jié) 42 參考文獻(xiàn) 43 謝 辭 44 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1前言 1.1玻璃清潔機(jī)器人的現(xiàn)狀 我國(guó)國(guó)內(nèi)和國(guó)外科技發(fā)展相對(duì)有一定差距，國(guó)外的玻璃清潔機(jī)器人技術(shù)發(fā)展較快，但隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的玻璃清潔機(jī)器人技術(shù)正

9、在追趕國(guó)外的技術(shù)。 1.1.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 我國(guó)的清潔機(jī)器人的研究相較于國(guó)外起步要慢一些，國(guó)內(nèi)的玻璃清潔機(jī)器人不僅價(jià)格昂貴，而且性能相較于國(guó)外要差一些，其主要的核心技術(shù)大多引自國(guó)外，但近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)玻璃清潔機(jī)器人的研發(fā)也取得一定成果。最近幾年中國(guó)的一些理工工業(yè)大學(xué)也在致力研究設(shè)計(jì)新一代的玻璃清潔機(jī)器人。這幾年國(guó)內(nèi)的玻璃清潔機(jī)器人發(fā)展得較快，對(duì)技術(shù)的創(chuàng)新也是國(guó)內(nèi)外有目共睹的，但依舊是缺乏核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)的清潔機(jī)器人對(duì)一些較難清洗的環(huán)境部位就顯得很吃力，我國(guó)現(xiàn)在主要致力于以利用靜態(tài)圖像的分析評(píng)估以及終端特殊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為主，因此國(guó)內(nèi)玻璃清潔機(jī)器人在功能和使用上還有很大的發(fā)展空間 [1]。 國(guó)內(nèi)有較為出

10、名的玻璃清潔機(jī)器人制作企業(yè)科沃斯在玻璃清潔機(jī)器人方面具有顯著成就。如圖1.1為W836擦窗8系機(jī)器人，該機(jī)器由于采用高質(zhì)量材料制作，所以其電機(jī)磨損大幅降低，工作壽命更長(zhǎng)，清潔效果好，可以實(shí)現(xiàn)智能靈敏感應(yīng)，智能斷電。如圖1.2為W83S機(jī)器人，該機(jī)器成本低價(jià)格低，適用于絕大多數(shù)家庭，該機(jī)器人擁有四重循環(huán)擦洗功能，擦洗表面灰塵，刮走污水和頑固污漬，再次走污水和頑固斑點(diǎn)，最后擦干水漬。 圖1.1 W836玻璃清潔機(jī)器人 圖1.2 W83S玻璃清潔機(jī)器人 1.1.2國(guó)外現(xiàn)狀 清潔機(jī)器人最早是在國(guó)外發(fā)展，在上個(gè)世紀(jì)時(shí)的日本開始研究玻璃壁面清潔機(jī)器人，然后歐美國(guó)家才開始進(jìn)行玻璃壁面清潔

11、機(jī)器人的研究。國(guó)外對(duì)玻璃清潔機(jī)器人的研發(fā)的進(jìn)展相對(duì)國(guó)內(nèi)較快，并且已經(jīng)研究出了相對(duì)成熟技術(shù)。 早在上個(gè)世紀(jì)80年代，Walker壁面移動(dòng)機(jī)器人被日本公司化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)株式會(huì)社成功研發(fā)。如圖1.3所示，其中1為機(jī)器人外殼，2為該機(jī)器人的4個(gè)吸盤，11為機(jī)器人側(cè)面外殼，12為機(jī)器人底座。 為這種機(jī)器人的工作原理是通過(guò)利用真空泵排出空氣形成真空狀態(tài)，真空形成負(fù)壓吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附，行走機(jī)構(gòu)滾輪和行走皮帶彼此配合的驅(qū)動(dòng)方式。滾子和皮帶彼此接觸隔離了空氣從而形成了一個(gè)真空腔體。行走機(jī)構(gòu)滾輪加上行走皮帶的驅(qū)動(dòng)方式讓它平穩(wěn)的吸附移動(dòng)。滾子及輪帶將構(gòu)成完真空的腔體。但是其存在一個(gè)頗嚴(yán)重的缺陷，每當(dāng)玻璃平面存在

12、小小的間隙的時(shí)候，它的真空吸附便難以維系。 圖1.3 吸附式玻璃清潔機(jī)器人 1982年日本纜車公司BISOH公司開始研發(fā)縱向升降幕墻清洗機(jī)器人，到了1987年研發(fā)了橫向移動(dòng)玻璃清潔機(jī)器人，1996年成功把全自動(dòng)玻璃清潔機(jī)器人進(jìn)行了商品化 [2]。 1986年名為SKYWASHER玻璃清潔機(jī)器人被美國(guó)的國(guó)際機(jī)器人公司研發(fā)成功了，字母L型的整體框架結(jié)構(gòu)是其特殊的外型，并且該機(jī)器人通過(guò)安裝了多個(gè)位于框架上的真空吸盤吸附玻璃，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)，并且該機(jī)器人可以通過(guò)垂直運(yùn)動(dòng)跨越具有一定高度的障礙物，與此同時(shí)它也可以配置清潔液和清潔布。之后在1990年，俄羅斯的機(jī)械科學(xué)研究院也開發(fā)了擁有獨(dú)

13、立吸盤壁面移動(dòng)功能的機(jī)器人。 2003年日本研發(fā)出來(lái)面向家用的小型玻璃清潔機(jī)器人。之后隨著日本瞄準(zhǔn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，專門設(shè)計(jì)了一款玻璃清潔機(jī)器人，如圖1.4所示。這種小型玻璃清潔機(jī)器人的吸附方式是運(yùn)用真空吸附原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，它包含真空泵和吸盤兩個(gè)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)方式是利用小型減速器帶動(dòng)滾輪來(lái)實(shí)現(xiàn)行走，這種機(jī)器人新增了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以在玻璃邊角90度換向，玻璃清潔機(jī)器人的效率比以往提高了許多。該機(jī)器人造型上保持了日本的一貫作風(fēng)，及其簡(jiǎn)單。由于日本的高智能機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，這款機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)擦窗完成，回到起點(diǎn)的功能。 圖1.4 日本玻璃清潔機(jī)器人 同樣位于韓國(guó)的ILSHIM GLOBAL公司與浦項(xiàng)智慧機(jī)器人

14、研究所也共同研發(fā)了 名為Windoro的自動(dòng)玻璃清潔機(jī)器人。并且隨著科技的發(fā)展，韓國(guó)也開始瞄準(zhǔn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)設(shè)計(jì)一款機(jī)器人，如圖1.5所示。 圖1.5 韓國(guó)自動(dòng)玻璃清潔機(jī)器人 1.2玻璃清潔機(jī)器人的分類 市面上多種多樣玻璃清潔機(jī)器都有著相同的特點(diǎn)，通過(guò)這些特點(diǎn)可以把玻璃清潔機(jī)器人分成不同的類型。 1.2.1按吸附方式分類 現(xiàn)在市面上的絕大部分常用的吸附可大致分為這幾種，負(fù)壓吸附、磁鐵吸附和推力吸附，另外還有膠吸附，壁虎吸附等等。磁吸附又分為電磁鐵和永久磁鐵。永磁吸附的優(yōu)點(diǎn)是不用外加能量就能吸附，小小的體型就可以吸住大塊的磁性物體，使用和安裝都很方便，但缺點(diǎn)也顯而易見，其不能改變

15、磁力強(qiáng)度，一般需要進(jìn)行多次嚴(yán)格的測(cè)試才能運(yùn)用到實(shí)際生活中；電磁吸附的優(yōu)點(diǎn)在于易實(shí)現(xiàn)機(jī)器人主體與壁面的離合，吸附力強(qiáng)且移動(dòng)快，缺點(diǎn)則是需外部施加能量，電磁鐵重量大，因此機(jī)器人笨重。真空吸附優(yōu)點(diǎn)是突破了對(duì)玻璃厚度的限制，使它不用像磁鐵吸附那么繁重，但是它的吸附原理也在某程度限制了它的研發(fā)，其機(jī)構(gòu)較其它機(jī)器人復(fù)雜很多，設(shè)計(jì)所花費(fèi)的時(shí)間金錢成本也很高。真空吸附按吸盤個(gè)數(shù)又分為單吸盤和多吸盤兩種，其中單吸盤的優(yōu)點(diǎn)是允許有一定的泄露量，允許壁面有凹凸，缺點(diǎn)吸盤的泄露量如果超過(guò)極限，本體將會(huì)失去吸附能力；多吸盤的優(yōu)點(diǎn)是吸盤尺寸小，易于實(shí)現(xiàn)輕量化，機(jī)器人更加靈活。推力吸附由于履帶輪的材質(zhì)為柔軟硅膠材質(zhì)的，可以

16、有效防止打滑，因而對(duì)壁面要求低，不存在泄露問(wèn)題，但履帶輪前進(jìn)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)彎速度慢和靈活性差，影響工作效率，并且風(fēng)機(jī)噪聲很大，機(jī)器人重量大，體積笨重，效率低。 磁吸附有幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，其一是磁吸附對(duì)壁面的平整程度要求不高，而且磁吸附清潔機(jī)器人的有效載荷遠(yuǎn)超推力吸附機(jī)器人和真空吸附機(jī)器人，而且不會(huì)出現(xiàn)在作業(yè)過(guò)程中真空漏氣的問(wèn)題 [3]。 1.2.2按行走方式分類 按清潔機(jī)器人的行走方式分類，主要包括分為這4種，分別是輪式移動(dòng)方式、履帶式移動(dòng)方式、框架式移動(dòng)方式、腳步式移動(dòng)方式。最常用的就是輪胎行走的方式，現(xiàn)在市面上絕大部分都是采用負(fù)壓加上輪子驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，樓頂安全保護(hù)裝置的移動(dòng)方式則是它們

17、當(dāng)中最安全的。 4種行走方式各有優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)。輪式移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡(jiǎn)單，移動(dòng)速度快且轉(zhuǎn)彎靈活 ，機(jī)動(dòng)性要求較為低，缺點(diǎn)在于輪子與壁面為線接觸，因此摩擦阻力偏小。履帶式移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于其與壁面接觸面積較大，可以適應(yīng)各種的復(fù)雜行走面，缺點(diǎn)在于履帶結(jié)構(gòu)尺寸大且轉(zhuǎn)彎緩慢，其機(jī)動(dòng)性差?？蚣苁揭苿?dòng)和腳步式移動(dòng)移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)一樣在于越障能力較好，缺點(diǎn)都是在于速度緩慢且控制復(fù)雜 [4]。 通過(guò)四種行走方式的對(duì)比，考慮多方面的影響，如：設(shè)計(jì)研發(fā)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，機(jī)器人能否保證安全進(jìn)行清洗工作，機(jī)器人是否會(huì)發(fā)生斷電情況，并且發(fā)生斷電時(shí)是否會(huì)造成機(jī)器人本身的完全損壞，是否會(huì)造成機(jī)器人高空墜落的情況。所以本課題決定采

18、用安全保護(hù)系統(tǒng)的移動(dòng)方式。 1.3研究目的與意義 隨著國(guó)家的不斷發(fā)展，人們對(duì)于生活水平要求也開始不斷提高，不少商家從歐美市場(chǎng)引入那些銷售良好的玻璃清潔機(jī)器人，并且隨著國(guó)內(nèi)高樓大廈的修建被不斷的應(yīng)用于高樓玻璃清潔，玻璃清潔機(jī)器人將隨著科技的不斷發(fā)展成為智能家居的一種，像其他智能家居一樣在每個(gè)家庭日常生活必不可少。 隨著4G網(wǎng)發(fā)展及5G網(wǎng)的來(lái)臨，玻璃清潔機(jī)器人逐漸由普通的清潔機(jī)器人過(guò)度為智能家用電器的一種。和其他智能家居一樣，玻璃清潔機(jī)器人以簡(jiǎn)潔現(xiàn)代風(fēng)格的造型，外型精致而且以實(shí)用為主。面對(duì)越來(lái)越高的建筑高度，玻璃清潔機(jī)器人將逐步取代人工清潔。但是我國(guó)現(xiàn)有建筑中的幕墻大多以分隔結(jié)構(gòu)為主，在機(jī)器

19、人移動(dòng)過(guò)程中，難以翻越樓層中間的分隔帶，因此往往需要人工調(diào)整，增加了操作人員的負(fù)擔(dān)，并且在調(diào)整過(guò)程中純真較大的安全隱患。當(dāng)前由于科學(xué)技術(shù)的限制，市場(chǎng)上的玻璃清潔機(jī)器人盡管能夠?qū)ΣＡ粔M(jìn)行自動(dòng)清洗的，但其本身存在較多缺陷，如生產(chǎn)銷售成本高，同人工相比實(shí)用性較差和清洗效果差，玻璃清潔機(jī)器人并沒(méi)有得到人們的廣泛推廣及應(yīng)用 [5]。 面對(duì)著我國(guó)國(guó)內(nèi)的巨大玻璃清潔機(jī)器人的市場(chǎng)，我們決定設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)潔的玻璃清潔機(jī)器人，并通過(guò)運(yùn)用我們四年來(lái)所學(xué)的知識(shí)來(lái)進(jìn)行合理的實(shí)踐。 1.4功能要求 玻璃清潔機(jī)器人在設(shè)計(jì)中需要采用大量先進(jìn)技術(shù)，如高度的智能程序以及不受天氣影響的控制技術(shù)，清潔軌跡完善的電腦規(guī)劃，可以在

20、接觸門窗邊緣后自動(dòng)改變軌跡的新型科技技術(shù)。在真空吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用大功率電機(jī)，并且通過(guò)強(qiáng)力磁鐵內(nèi)外對(duì)吸，從而實(shí)現(xiàn)自由行走在玻璃門窗上的目的。 我國(guó)的玻璃清潔機(jī)器人具有獨(dú)有的液晶顯示技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人工作狀態(tài)，并且假如在使用過(guò)程中面臨突發(fā)問(wèn)題，可以及時(shí)查找原因并解決。通過(guò)我國(guó)全面的4G無(wú)線分布可以讓遙控突破傳統(tǒng)距離限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作;玻璃清潔機(jī)器人本身具有充電電池作為應(yīng)急電源，即使突然斷電也不用怕高空墜落;此外通過(guò)延長(zhǎng)電源傳輸線和安全繩配合使用，大大提高了玻璃清潔機(jī)器人的安全可靠性。 玻璃清潔機(jī)器人主要可以分為三大部分: 充電電源：正常情況下擦窗機(jī)器人工作需要鏈接電源線，同時(shí)機(jī)器人內(nèi)

21、部設(shè)有充電電池，停電時(shí)玻璃清潔機(jī)器人可以使用內(nèi)置充電電池，方便玻璃清潔機(jī)器人回收，避免機(jī)器人高空墜落。 安全組件：雖然玻璃清潔機(jī)器人不會(huì)高空墜落，但是為了避免發(fā)生危險(xiǎn)事件，大多數(shù)生產(chǎn)商都會(huì)配備一個(gè)安全裝置，方便用戶在清潔玻璃時(shí)遇到突發(fā)情況可以避免各種安全隱患。 清潔裝置：一般玻璃清潔機(jī)器人的清潔裝置都可以拆裝，可重復(fù)利用，可以更換，可以清潔。清潔裝置并非越大越好，關(guān)鍵在于清潔裝置是否和玻璃緊湊貼合，通過(guò)提高貼合度可以提高清潔效率。 1.5研究?jī)?nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們將設(shè)計(jì)一款玻璃清潔機(jī)器人。本次設(shè)計(jì)要求運(yùn)用大學(xué)所學(xué)機(jī)械工程知識(shí)，所以我選擇以減速器為主要內(nèi)容。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中最

22、大的問(wèn)題在于減速器傳動(dòng)比大小確定，所以我經(jīng)過(guò)計(jì)算盡可能的使齒輪尺寸緊湊。 2 清潔機(jī)器人分析 2.1機(jī)器人設(shè)計(jì) 當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人是可以自行實(shí)施職責(zé)、取代或者幫助全人類作業(yè)仿人力機(jī)械。一般而言它多運(yùn)用在機(jī)電設(shè)備還有計(jì)算機(jī)程序或者電子線路操控等領(lǐng)域。機(jī)器人范疇之廣，自主的亦或是半自主的都可稱為機(jī)器人?，F(xiàn)在市面上絕大多數(shù)為仿生機(jī)器人，日本對(duì)于人形機(jī)器人的研發(fā)投入了大量的資金，它的發(fā)展也是較快的，而納米機(jī)器人的研究也在不斷進(jìn)行，21世紀(jì)將會(huì)是機(jī)器人發(fā)展的快速時(shí)期，氣動(dòng)清潔機(jī)器人的

23、構(gòu)造包括機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。 機(jī)器人又因?yàn)樵诓煌墓ぷ鲌?chǎng)因而會(huì)產(chǎn)生不同的設(shè)計(jì)方法，本文的設(shè)計(jì)理念為高效率、簡(jiǎn)單易操作、較高的安全性，還有機(jī)器人本體輕質(zhì)量的特點(diǎn)，從而避免對(duì)玻璃產(chǎn)生過(guò)大的力。 2.2總體設(shè)計(jì)方案 玻璃清潔機(jī)器人的基本功能包括：吸附功能、移動(dòng)功能和清潔功能，本課題設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。它由3部分組成，分別是安裝在樓頂?shù)陌踩Ｗo(hù)系統(tǒng)、玻璃清潔機(jī)器人本體、控制器。其中玻璃清潔機(jī)器人利用負(fù)壓吸附緊貼在玻璃面上，于自身重力的作用下滑并且清潔玻璃，而安全保護(hù)系統(tǒng)中的卷?yè)P(yáng)機(jī)則通過(guò)鋼繩與玻璃清潔機(jī)器人主體互相連接著，這樣如果機(jī)器

24、人發(fā)生故障時(shí)，安全保護(hù)系統(tǒng)就可以拉著它。從而防止發(fā)生意外事故。針對(duì)現(xiàn)有玻璃清潔機(jī)器人產(chǎn)品的尺寸和特征，單吸盤玻璃清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)如下： (1) 機(jī)器人外觀尺寸：300x300x150mm (2) 機(jī)器人本體質(zhì)量：50kg (3) 安全系統(tǒng)質(zhì)量：180kg 2.2.1吸附功能 圖 2.1 機(jī)器人總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 單吸附玻璃清潔機(jī)器人主要運(yùn)用于高層寫字樓、居民住宅樓、高層花園樓和大型購(gòu)物商樓，因而本課題考慮到其在工作環(huán)境和工作效率及安全性這幾個(gè)問(wèn)題，需具備以下幾個(gè)功能： (1)吸附功能。吸附機(jī)構(gòu)必須要保證玻

25、璃清潔機(jī)器人能正常的貼在玻璃上面，并且在機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中不能過(guò)多的影響速度，所以對(duì)吸附機(jī)構(gòu)的控制要合適到位。 (2)移動(dòng)功能。玻璃清潔機(jī)器人的移動(dòng)應(yīng)該具有平穩(wěn)、持續(xù)的良好運(yùn)行能力。 (3)對(duì)玻璃厚度的適應(yīng)能力。當(dāng)今的建筑用的玻璃種類型號(hào)繁多，本課題設(shè)計(jì)的玻璃清潔機(jī)器人應(yīng)具有較為強(qiáng)的適應(yīng)能力，去適應(yīng)不同的玻璃壁面，使其盡量的運(yùn)用在不同的高樓建筑。 (4)清潔能力。玻璃清潔機(jī)器人應(yīng)該具備良好的清洗玻璃功能，清潔裝置要求自動(dòng)化快速高效地清洗玻璃。 (5)安全保護(hù)功能。玻璃清潔機(jī)器人必須要有防止墜落的功能，這種功能可以保護(hù)機(jī)器人本身，還可以防止因機(jī)器人墜樓發(fā)生傷人的意外，安全保護(hù)這一功能是當(dāng)代

26、清潔機(jī)器人所必備的。 2.2.2清潔功能 常用的玻璃清潔機(jī)器人采用的清潔方法有: (1) 高壓噴氣清潔。通過(guò)氣泵對(duì)空氣壓縮，同時(shí)與清潔液一同通過(guò)預(yù)留空噴出，從而實(shí)現(xiàn)清潔目的 (2) 掃盤清潔。機(jī)器人擺臂上設(shè)立掃盤，通過(guò)擺臂擺動(dòng)以及掃盤旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)清潔目的。 (3) 滾筒清潔。在機(jī)器人上安裝滾筒，通過(guò)滾筒滾動(dòng)以及機(jī)器人移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)清潔目的。 (4) 滑塊清潔。在機(jī)器人上安裝滑塊，通過(guò)渦輪，蝸桿以及繩索實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，再用壓緊輪壓緊，從而實(shí)現(xiàn)清潔目的。 (5) 清潔帶清潔。在機(jī)器人上安裝傳動(dòng)帶傳動(dòng)，在傳動(dòng)帶上設(shè)置清潔材質(zhì)，通過(guò)移動(dòng)傳動(dòng)帶以及傳動(dòng)帶本身傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)清潔目的。 經(jīng)過(guò)

27、思考，本次設(shè)計(jì)采用滾筒清潔的方式來(lái)清潔。 圖2.2玻璃清潔機(jī)器人簡(jiǎn)圖 如圖2.2所示，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖采用減速器和滾筒相結(jié)合的方案。 清潔機(jī)器人受力F=250 N,滾筒轉(zhuǎn)速V=0.25 m/s，滾筒直徑為D=100 mm，選用電機(jī)為100W。 清潔抹布的材料選用超細(xì)纖維。 3 清潔機(jī)器人擦洗機(jī)構(gòu) 3.1清潔機(jī)器人擦洗機(jī)構(gòu) （1）擦洗滾筒 根據(jù)本次設(shè)計(jì)方案，采取滾筒結(jié)構(gòu)來(lái)清潔，如圖3.1： 圖3.1滾筒 在滾筒上增加掛鉤結(jié)構(gòu)和粘貼結(jié)構(gòu)，如圖3.2： 圖3.2掛鉤結(jié)構(gòu)和粘貼結(jié)構(gòu) 為了使?jié)L筒運(yùn)動(dòng)，在滾筒兩邊增加齒輪，使?jié)L筒受力轉(zhuǎn)動(dòng)。

28、（2）擦洗選擇 常用的清潔物有海綿，橡膠，超細(xì)纖維等。經(jīng)過(guò)選擇后選用超細(xì)纖維作為擦洗材料。 ① 橡膠 橡膠是通過(guò)加工橡膠樹膠乳制成，主要成分為異戊二烯。橡膠具有良好的耐磨性、很高的彈性、扯斷強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率。橡膠的優(yōu)點(diǎn)在于彈性好，耐酸堿。。橡膠的缺點(diǎn)則是在空氣中易老化，遇熱變粘，在礦物油或汽油中易膨脹和溶解，耐堿但不耐強(qiáng)酸不耐熱。橡膠可以用于制作膠帶、膠管、膠鞋，并可以用于制作減震零件、汽車剎車油、乙醇等液體。 橡膠最大的缺點(diǎn)在于橡膠會(huì)出現(xiàn)老化的現(xiàn)象。橡膠老化的表現(xiàn)為龜裂、發(fā)粘、硬化、軟化、粉化、變色、長(zhǎng)霉等現(xiàn)象。 ② 超細(xì)纖維 超細(xì)纖維表面性狀為均勻、緊湊、柔軟、高彈的細(xì)微絨團(tuán)，其主

29、要性能有極強(qiáng)的去污、吸水性能。超細(xì)纖維的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)損傷被擦拭表面，不會(huì)產(chǎn)生棉織物常見的纖毛脫落，而且易洗，耐用。與傳統(tǒng)的純棉材料比較，超細(xì)纖維材料主要有六大特點(diǎn)。 超細(xì)纖維由于其本身的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其對(duì)水分的吸收和排放速度極快。超細(xì)纖維的特殊的橫斷面結(jié)構(gòu)能更有效地捕獲非常細(xì)小的塵埃顆粒。因此使用超細(xì)纖維去除污垢，去除油漬的效果十分明顯。超細(xì)纖維的合纖長(zhǎng)絲強(qiáng)度較高，使用時(shí)不易斷裂。同時(shí)，在編織超細(xì)纖維時(shí)采用獨(dú)特的精細(xì)編織法，通過(guò)這種編織法后超細(xì)纖維極其牢固，不易抽絲，不易從制品表面脫落。 而且由于超細(xì)纖維本身具備的強(qiáng)大韌性，極高的強(qiáng)度，導(dǎo)致它的不易損壞，因此超細(xì)纖維制品的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普

30、通紡織品使用壽命。超細(xì)纖維制品的特殊結(jié)構(gòu)使得其制品可以多次水洗，不用擔(dān)心制品性質(zhì)改變。同時(shí)，超細(xì)纖維具有的高分子聚合纖維不會(huì)發(fā)生蛋白質(zhì)水解，因此它不像棉纖維那樣使用后不晾曬，會(huì)出現(xiàn)發(fā)霉，腐爛的情況，故而其使用壽命超高。 普通毛巾使用時(shí)，由于其本身的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)將被擦物表面的灰塵、油脂、污垢等直接吸收到纖維內(nèi)部，使得毛巾使用后殘留于纖維之中，即使多次清潔依然會(huì)有殘余，并且使用時(shí)間較長(zhǎng)后纖維結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致失去彈性變硬。 3.2 電機(jī)選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)可得清潔機(jī)器人受力F=250 N,滾筒轉(zhuǎn)速V=0.25 m/s，滾筒直徑為D=100 mm，選用電機(jī)為100W。本章節(jié)通過(guò)參考《

31、機(jī)械設(shè)計(jì)》，《機(jī)械設(shè)計(jì)教程》等書的計(jì)算方法，并查取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。 3.2.1工作總效率 由所選方案有： 聯(lián)軸器2個(gè)，傳動(dòng)效率一般為0.99，取0.99 軸承3對(duì)，傳動(dòng)效率范圍為0.98～0.99，取0.99 齒輪嚙合３對(duì)，選用８級(jí)精度，直齒圓柱齒輪單級(jí)傳動(dòng)效率=0.96～0.98，取0.97。 則計(jì)算總效率： η=η1 2η23 η33=0.877 3.2.2工作機(jī)所需輸入功率 電機(jī)輸入功率為：，其中 式中：Pd----工作機(jī)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率，KW； Pw----工作機(jī)所需輸入功率，KW； η-----電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率

32、。 所以71.26ｗ 考慮到安全問(wèn)題，使電動(dòng)機(jī)的額定功率Ped＝（1～1.3）P ，由查表得電動(dòng)機(jī)的額定功率P ＝（1～1.3）Pd=92.628 W　。 3.2.3確定電動(dòng)機(jī)型號(hào) 計(jì)算滾筒工作轉(zhuǎn)速 47.75r/min 三級(jí)圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)比的范圍必須符合規(guī)定，經(jīng)過(guò)查表可得：27～216。故電機(jī)的可選轉(zhuǎn)速為： 1289～10314 r/min 故選用電機(jī)5730AIOH電機(jī)，如表3.1和圖3.3 表3.1電機(jī)參數(shù) 型號(hào)參數(shù) 5730AIOH 電源 電壓 24~36VDC 電流 4.4A 電機(jī)參數(shù) 扭矩 0.48NM 額定轉(zhuǎn)速

33、 2500RPM 最大轉(zhuǎn)速 3000RPM 功率 100W 圖3.3電機(jī)簡(jiǎn)圖 4清潔機(jī)器人傳動(dòng) 本章節(jié)通過(guò)參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》，《機(jī)械設(shè)計(jì)教程》，《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》，《機(jī)械課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》等書的計(jì)算方法，并查取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。 4.1 高速軸計(jì)算 通過(guò)從材料選擇，齒數(shù)估算，確定傳動(dòng)比后計(jì)算齒輪分度圓直徑，齒輪模數(shù)，實(shí)際的齒輪齒數(shù)，最終得出高速軸參數(shù)。 4.1.1 選擇材料，確定許用應(yīng)力 （1）選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，壓力角為20。 （2）減速器為一般工作機(jī)器，查表10-6可得選用7級(jí)精度。 （3）查表10-1，選擇小齒輪材

34、料45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBS；大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBS。 （4）選小齒輪齒數(shù)z1=23，大齒輪z2=uz1=51，取51，齒數(shù)互質(zhì)。 4.1.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1） 由式（10-11）試算小齒輪分度圓直徑，即 1） 確定公式中的各參數(shù)值 ①試選 ②計(jì)算小齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩 P1=P0η1=99W n1=n0=2500 r/min T1=9.55106 P/n1 ㎜=3.78104 N?㎜ ③由表10-7選取齒寬系數(shù)。 ④由圖10-20查得區(qū)域系數(shù)。 ⑤由表10-5查得材料的彈性影響系數(shù)。 ⑥由式（10-9）計(jì)算解除疲勞

35、強(qiáng)度用重合度系數(shù)。 30.172 20.28 1.675 0.88 ⑦計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 由圖10-25d查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為 =550MPa、=550MPa。 由式（10-15）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 1.081010 4.78109 由圖（10-23）查取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.95 KHN2=0.95。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-14）得 [σH]1=KHN1σHlim1S=523MPa [σH]2=KHN2σHlim2S=523MPa 取兩者中的較小者作為該齒輪副的解除疲勞許用應(yīng)力，即 2） 試計(jì)算

36、小齒輪分度圓直徑 =44.964mm （2） 調(diào)整小齒輪分度圓直徑 1）計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 ①圓周速度v 5.98M/S ②齒寬b 44.964mm 2） 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù) ①由表10-2查得使用系數(shù)。 ②根據(jù)V=5.98m/s、7精度級(jí)，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)。 ③齒輪的圓周力。 1681N 37.4N/mm<100N/mm 查表10-3得齒間載荷分配系數(shù)。 ④由表10-4用插值法查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，得齒向載荷分布系數(shù)KHβ=1.417。 由此，得實(shí)際載荷系數(shù)1.87 3） 由式（10-12），可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑

37、50.757mm 及相應(yīng)的齒輪模數(shù) 2.207mm （3）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按式10-7試算模數(shù)： 1）確定參數(shù)。 ①選KFt=1.3。 ②按式計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)。 Yε=0.25+0.75εα=0.698 ③計(jì)算YFaYsa[σF] 查圖10-17得齒形系數(shù)YFa1=2.33、YFa2=2.33。 查圖10-18得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.76、Ysa2=1.76。 查圖10-24c得大小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為： σFlim1=380MPa、σFlim2=380MPa 查圖10-22得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.88、KFN2=0.88

38、 N1=1.081010 N2=4.78109 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1，由式10-14得： [σF]1=KFN1σFlim1S=334.4MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=334.4MPa YFaYsa[σF]1=0.0117 YFaYsa[σF]2=0.0117 ?。篩FaYsa[σF]=0.117 2）試算模數(shù) =1.517 （2）調(diào)整齒輪模數(shù) 1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 ① 圓周速度v d1=mtZ1=34.891 V=πd1n1601000=4.57m/s ② 齒寬 b=?dd1=4.891mm ③寬高比b/h h=2ha*+c*mt=3

39、.413mm bh=10.22 2）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF ①根據(jù)v=2.07m/s，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.12 ②由Ft1=2T1d1=2.167103N,KAFt1b=62Nmm<100N/mm查表10-3得齒間載荷分配系數(shù)KFα=1 ③由表10-4查得 KHβ=1.417 ，結(jié)合 b/h=10.67查圖10-13得KFβ=1.34 載荷系數(shù)為：KF=KAKvKFαKFβ=1.501 3)由式10-13，可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù) m=mt3KFKFt=1.591mm 取整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm，可由接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得出的分度圓直徑d1=50.75

40、7mm，算出小齒輪齒數(shù)Z1=d1m=25.22取z1=26，則大齒輪齒數(shù)z2=uz1=57.642，取 z2=59，z1與z2互質(zhì)。 4.幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 ｄ1=ｚ1m=262㎜=52㎜ ｄ2=ｚ2m=592㎜=108㎜ （2）計(jì)算中心距 a =（ｄ1＋ｄ2）/2=85㎜ (3)計(jì)算齒輪寬度 b=Φdｄ1=175=75㎜ 為了保證設(shè)計(jì)齒寬 b和節(jié)省材料，一般將小齒輪略為加寬（5~10）mm，即取 取b2=57㎜，b1=52㎜ 5. 圓整中心距后的強(qiáng)度校核 （1）齒面接觸強(qiáng)度校核

41、 =517MPa<[σH] 齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。 （2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 =87MPa<[σF]1 =87MPa<[σF]2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。 4.2 低速軸計(jì)算 通過(guò)從材料選擇，齒數(shù)估算，確定傳動(dòng)比后計(jì)算齒輪分度圓直徑，齒輪模數(shù)，實(shí)際的齒輪齒數(shù)，最終得出低速速軸參數(shù)。 4.2.1 選擇材料，確定許用應(yīng)力 （1）選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，壓力角為20。 （2）減速器為一般工作機(jī)器，查表10-6可得選用7級(jí)精度。 （3）查表10-1，選擇小齒輪材料45鋼（

42、調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBS；大齒輪材料45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBS。 （4）選小齒輪齒數(shù)z1=25（20~40），大齒輪z2=uz1=57，取57，齒數(shù)互質(zhì)。 4.2.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）由式（10-11）試算小齒輪分度圓直徑，即 1）確定公式中的各參數(shù)值 ①試選 ②計(jì)算小齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩 P2=P1η2η3=97W n2=n1i1=1096 r/min T2=9.55106P2n2=8.452104N?mm ③由表10-7選取齒寬系數(shù)。 ④由圖10-20查得區(qū)域系數(shù)。 ⑤由表10-5查得材料的彈性影響系數(shù)。 ⑥由式（10-9）計(jì)算解除疲勞強(qiáng)度

43、用重合度系數(shù)。 29.531 24.791 1.693 0.877 ⑦計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 由圖10-25d查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為 =550MPa =550MPa 由式（10-15）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 4.7109 2.07109 由圖（10-23）查取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.95 KHN2=0.95。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-14）得 523MPa 523MPa 取兩者中的較小者作為該齒輪副的解除疲勞許用應(yīng)力，即 （2）試計(jì)算小齒輪分度圓直徑 =27.15mm （3） 調(diào)整小齒輪分度圓直徑

44、 1）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。 ①圓周速度v 1.56M/S ②齒寬b 27.15mm 4） 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù) ①由表10-2查得使用系數(shù)。 ②根據(jù)V=5.98m/s、7精度級(jí)，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.05。 ③齒輪的圓周力。 622.6N 229.3N/mm<100N/mm 查表10-3得齒間載荷分配系數(shù)。 ④由表10-4查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，得齒向載荷分布系數(shù)KHβ=1.417。 由此，得實(shí)際載荷系數(shù)1.488。 5） 由式（10-12），可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的分度圓直徑 28.399mm 及相應(yīng)的齒輪模數(shù) 1.1

45、36mm （3）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按式10-7試算模數(shù)： 1）確定公式中的各參數(shù)。 ①試選KFt=1.3。 ②按式10-5計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)。 Yε=0.25+0.75εα=0.693 ③計(jì)算YFaYsa[σF] 查圖10-17得齒形系數(shù)YFa1=2.33、YFa2=2.33。 查圖10-18得應(yīng)力修正系數(shù)Ysa1=1.76、Ysa2=1.76。 查圖10-24c得大小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為： σFlim1=380MPa、σFlim2=380MPa 查圖10-22得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.88、KFN2=0.88 N1=4.7109 N

46、2=2.07109 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1，由式10-14得： [σF]1=KFN1σFlim1S=334.4MPa [σF]2=KFN2σFlim2S=334.4MPa YFaYsa[σF]1=0.0117 YFaYsa[σF]2=0.0117 取：YFaYsa[σF]=0.117 2）試算模數(shù) =1.418 （2）調(diào)整齒輪模數(shù) 1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 ① 圓周速度v d1=mtZ1=35.448 V=πd1n1601000=2.03m/s ② 齒寬 b=?dd1=35.448mm ③寬高比b/h h=(2h

47、a*+c*) mt=3.191mm bh=11.11 2）計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF ①根據(jù)v=2.03m/s，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.12 ②由Ft1=2T1d1=476.9N,KAFt1b=134.5N/mm>100N/mm查表10-3得齒間載荷分配系數(shù)KFα=1 ③由表10-4用插值法查得 KHβ=1.417 ，結(jié)合 b/h=10.67查圖10-13得KFβ=1.34 載荷系數(shù)為：KF=KAKvKFαKFβ=1.5 (3)由式10-13，可得按實(shí)際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù) m=mt3KFKFt=1.826 取整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2mm，可由接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得出的

48、分度圓直徑d1=35.448mm，算出小齒輪齒數(shù)Z1=d1m=17.724取z1=25，則大齒輪齒數(shù)z2=uz1=57，取 z2=57，z1與z2互質(zhì)。 (4).幾何尺寸計(jì)算 1）計(jì)算分度圓直徑 ｄ1=ｚ1m=252㎜=50㎜ ｄ2=ｚ2m=572㎜=114㎜ 2）計(jì)算中心距 a =（ｄ1＋ｄ2）/2=82㎜ 3）計(jì)算齒輪寬度 b=Φdｄ1=150=50㎜ 考慮安裝誤差，為了保證設(shè)計(jì)齒寬 b和節(jié)省材料，一般將小齒輪略為加寬（5~10）mm，即取 取b2=55㎜，b1=50㎜ （5）.圓整中心距后的強(qiáng)度校核 1）齒面接觸強(qiáng)度校核

49、=114.5MPa<[σH] 齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求 2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 =107MPa<[σF]1 =107MPa<[σF]2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求 4.3 輸出軸兩端齒輪 為了降低輸出軸的輸出，兩個(gè)齒輪選用比輸出軸上的齒輪略大。 ｚ2=57 ｄ2=ｚ2m=572㎜=130㎜ b=36mm 4.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4.1 圖4.1軸 1）初步確定軸的最小直徑 查表15-1初步估算軸的最小直徑,選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理硬度217-255HBS，查表15-3取A=110 d1≥A3P1n1=

50、37.49mm d1=50mm d2≥A3P2n2=49.02mm d2=50mm d3≥A3P3n3=63.31mm d3=65mm 2）初選軸承 高速軸選軸承為 6028 中間軸選軸承為6206 低速軸選軸承為 6206 各軸承參數(shù)見下表4.1 表4.1軸承表 軸承代號(hào) 基本尺寸/mm d D B 動(dòng)載荷Cr 靜載荷Cor 6028 140 210 33 116 108 6206 30 62 16 19.5 11.3 3）初選軸承 高速軸：采用直齒齒輪傳動(dòng)，使用深溝球軸承承載，一軸端連接電動(dòng)機(jī)，采

51、用彈性柱銷聯(lián)軸器HL3型。 中間軸：高速級(jí)采用直齒齒輪傳動(dòng)，采用上端用套筒固定，下端用軸肩固定，使用深溝球軸承承載。 低速軸：采用直齒齒輪傳動(dòng)，齒輪上端用軸肩固定，下端用套筒固定，使用深溝球軸承承載。 4）聯(lián)軸器 輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑,為了使所選的軸與聯(lián)軸器彼此吻合,故需選取合適聯(lián)軸器。查課本表14-1 選取 Tca=KAT1=491.4N?mm 按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》99頁(yè)選取LX4型彈性柱銷聯(lián)軸器其公稱轉(zhuǎn)矩為630Nmm,半聯(lián)軸器的孔徑 d1=38mm，故取，半聯(lián)軸器的長(zhǎng)度L=62mm。 5）軸尺寸計(jì)算 ①輸入軸 d

52、min=26mm h=(0.07～0.1)dmin d1=dmin+2h=27mm d2=28mm d3=d2+(2～3)=35mm h=(0.07～0.1)d3 d4=d3+2h=56mm d5=35mm d5=27mm L=1.5～2dmin l1=L-2～3=55mm l2=36mm l3=L軸承寬度+2～3+10+2～3=30mm Lh=1.2～1.5d3 l4=Lh-2～3=38mm h=(0.07～0.1)d l5=1.4h=35mm l6=10+2～3-l5=7mm l7=L軸承寬度=20mm l總=191mm ②中間軸 d1=d

53、min+2h=30mm d2=d軸承+(2～3)=35mm h=(0.07～0.1)d2 d3=d2+2h=45mm d4=d2=35mm d5=30mm l1=30mm Lh=1.2～1.5d3 l2=Lh-2～3=35mm h=(0.07～0.1)d l3=1.4h=7mm l4=l2=35mm l5=l1=30mm l總=137mm ③輸出軸 dmin=28mm h=(0.07～0.1)dmin d1=dmin+2h=39mm d2=30mm d3=d2+(2～3)=35mm h=(0.07～0.1)d3 d4=d3+2h=45mm d5=

54、38mm d5=30mm l1=36mm l2=L軸承寬度+2～3+10+2～3=30mm Lh=1.2～1.5d3 l3=Lh-2～3=35mm h=(0.07～0.1)d l4=1.4h=5mm l5=10+2～3-l4=35mm l6=L軸承寬度=25mm 為了不影響齒輪傳動(dòng)故在輸出軸右端安放輸出軸大齒輪，并取半徑dmin=64mm，兩齒輪齒厚b=?dd1=36mm，取長(zhǎng)度l=42mm。 l總=208mm (2)軸的校核計(jì)算 取高速軸和低速軸方向相同。 1)輸入軸 ?由教材表15-1得=60Mpa ?求作用在軸上的作用力： 由于選擇的是直齒輪和深溝球軸

55、承，所以只有徑向力。 且已知高速級(jí)齒輪的分度圓直徑為 d=52mm 齒輪作用在軸上的水平力即周向力： 145.3N 齒輪作用在軸上的鉛垂力即徑向力： 52.9N ?在垂直面上： 左側(cè)： FNH2=Ftl2l1+l2=35.3N 右側(cè)：110N 彎矩: MH1=FNH260=21.18N?m ④水平面上： 左側(cè)： FNH2=Frl2l1+l2=12.9N 右側(cè)：40N 彎矩: MH2=FNH260=7.74N?m ⑤總彎矩：22.55N?m 如圖4.2： 圖4.2 ⑥進(jìn)行校核時(shí)候，通常只是校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度根據(jù)式及上面的數(shù)據(jù)

56、，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，取0.3，軸的計(jì)算應(yīng)力。 由教材表15-4得：W= ⑦ 其中T為軸輸出扭矩。 2)輸出軸 ?由教材表15-1得=60Mpa ?求作用在軸上的作用力： 由于選擇的是直齒輪和深溝球軸承，所以只有徑向力。 且已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為 d=114mm 齒輪作用在軸上的水平力即周向力： Ft=2T3d=323.86N 齒輪作用在軸上的鉛垂力即徑向力： 117.88N ?在垂直面上： 左側(cè)： FNH2=Ftl2l1+l2=45.7N 右側(cè)：278.16N 彎矩: MH1=FNH277=35.19N?m ④水平面上： 左

57、側(cè)： FNH2=Frl2l1+l2=16.6N N 右側(cè)：101.28N 彎矩: MH2=FNH277=12.78N?m ⑤ 總彎矩：37.44N?m 如圖4.3： 圖4.3 ⑥進(jìn)行校核時(shí)候，通常只是校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度根據(jù)式及上面的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，取0.3，軸的計(jì)算應(yīng)力。 由教材表15-4得：W= ⑥ 其中T軸輸出扭矩。 P3=P2η2η3=93W n3=n2i2=481r/min T3=9.55106P3n3=1846N?m T=T3 所以是安全的。 4.5箱體 箱體是減速器中保證所有零件

58、可以傳動(dòng)的基座，是減速器上的重要零件。為了貼合本次設(shè)計(jì)，在減速器低速軸原先安裝聯(lián)軸器部分改為安裝齒輪，使輸出軸側(cè)齒輪帶動(dòng)清潔滾筒，設(shè)計(jì)減速器的具體結(jié)構(gòu)尺寸如下表6.1： 表6.1 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 名稱 符號(hào) 結(jié)果 箱體壁厚 5 箱蓋凸緣厚度 8 箱座凸緣厚度 8 箱座底凸緣厚度 13 地腳螺釘直徑 14 地腳螺釘數(shù)目 4 軸承旁聯(lián)接螺栓直徑 11 機(jī)蓋與機(jī)座聯(lián)接螺栓直徑 7 軸承端蓋螺釘直徑 7 ，，至外機(jī)壁距離 26、22

59、、16 ，，至凸緣邊距 24、20、14 大齒輪頂圓與內(nèi)機(jī)壁距離 6 齒輪端面與內(nèi)機(jī)壁距離 5 外機(jī)壁至軸承座端面距離 52 4.6減速裝置建模 參考《機(jī)械制圖》對(duì)擦洗機(jī)構(gòu)中的減速裝置進(jìn)行建模，如圖4.4，4.5。 圖4.4減速裝置 圖4.5減速裝置 5.有限元分析 對(duì)低速軸進(jìn)行有限元分析。 5.1建模 有限元分析第一步對(duì)低速軸進(jìn)行建模，如圖5.1低速軸。 5.1低速軸 5.2材質(zhì)選擇 有限元分析第二步選擇低速軸的材質(zhì)，由于材質(zhì)庫(kù)中無(wú)45號(hào)鋼，所以選用近似的普通碳素鋼。材質(zhì)屬性參數(shù)如表5.1所示，圖5.2為低

60、速軸。 表5.1材質(zhì) 模型參考 屬性 圖5.2 低速軸 名稱 普通碳素鋼 中抗剪模量 7.9e+010N/m^2 質(zhì)量密度 7800N/m^3 張力強(qiáng)度 399826000N/m^2 壓縮強(qiáng)度 2.1e+11 N/m^2 屈服強(qiáng)度 220594000N/m^2 熱膨脹系數(shù) 1.3e-005/K 熱導(dǎo)率 43W/(mK) 比熱 440 J/(kgK) 5.3固定 有限元分析第三步選擇低速軸的固定，所以選擇軸承固定，軸承共兩個(gè)。 固定參數(shù)如表5.2所示，圖5.3為固定圖。 表5.2 夾具固定 夾具名稱 夾具圖像 夾具細(xì)節(jié) 軸承固定

61、 圖5.3軸承固定圖 實(shí)體：2面 類型：固定幾何體 5.4施加載荷 有限元分析第四步對(duì)低速軸施加載荷，需確定低速軸受到扭矩，參數(shù)如表5.3所示，圖5.4為施力圖。 表5.3載荷 載荷名稱 加載圖像 負(fù)載細(xì)節(jié) 扭矩 圖5.4施力圖 實(shí)體:2 面 參考:齒輪面，聯(lián)軸器面 類型:扭矩 值: 30N.m 5.5網(wǎng)格設(shè)置 有限元分析第五步對(duì)低速軸生成網(wǎng)格，網(wǎng)格參數(shù)如表5.4和表5.5所示，圖5.5為低速軸網(wǎng)格圖。 表5.4網(wǎng)格參數(shù) 網(wǎng)格類型 實(shí)體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格 自動(dòng)過(guò)渡: 關(guān)閉 包括網(wǎng)格自動(dòng)環(huán)

62、: 關(guān)閉 雅可比點(diǎn) 4 點(diǎn) 單元大小 4.8817mm 公差 0.244085mm 網(wǎng)格品質(zhì)圖解 高 表5.5 低速軸網(wǎng)格參數(shù) 圖5.5低速軸網(wǎng)格圖 節(jié)點(diǎn)總數(shù) 16660 單元總數(shù) 10658 最大高寬比例 18.301 單元 (%),其高寬比例 < 3 98.2 單元 (%),其高寬比例 > 10 0.403 扭曲單元（雅可比）的 % 0 完成網(wǎng)格的時(shí)間(時(shí);分;秒): 00:00:03 5.6算例結(jié)果 有限元分析第六步對(duì)低速軸的算例結(jié)果，可求得三種分析，應(yīng)力分析，位移分析和應(yīng)變分析。 5.6.1應(yīng)力分析 應(yīng)力分析結(jié)果如表

63、5.6所示，圖5.6為低速軸應(yīng)力圖。 表5.6應(yīng)力分析 名稱 類型 最小 最大 應(yīng)力 VON: von Mises 應(yīng)力 1.528e+03N/m^2 2.927e+07 N/m^2 圖5.6 低速軸應(yīng)力圖 從分析結(jié)果來(lái)看，低速軸受到最大的應(yīng)力為29MPa，需用最大應(yīng)力為220MPa，在安全范圍內(nèi)。 5.6.2位移分析 位移分析結(jié)果，如表5.7所示，圖5.6為低速軸位移圖。 表5.7位移分析 名稱 類型 最小 最大 位移 URES: 位移 3.789e+04 mm 3.179e+08 mm

64、 圖5.6 低速軸位移圖 從分析結(jié)果來(lái)看，槽鋼受到最大的位移量為3.179e+08 mm，在安全范圍內(nèi)。 5.6.3應(yīng)變分析 應(yīng)變分析結(jié)果，如表5.8所示，圖5.7為低速軸應(yīng)變圖。 表5.8應(yīng)變分析 名稱 類型 最小 最大 應(yīng)變 ESTRN : 對(duì)等應(yīng)變 6.591e-05 9.570e-05 圖5.7 低速軸應(yīng)變圖 從分析結(jié)果來(lái)看，低速軸最大的應(yīng)變?yōu)?.570e-05，在安全范圍內(nèi)。 低速軸在電機(jī)作用下承受的最大應(yīng)力、位移和應(yīng)變均在安全范圍內(nèi)，本課題選取45號(hào)鋼，其綜合力學(xué)

65、性能優(yōu)秀，還具有良好的機(jī)械性能，常常被用于各種機(jī)械設(shè)備和建筑業(yè)上，選用45號(hào)鋼作為低速軸是再合適不過(guò)了。 6總結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)開始于2019年10月，在最初我們構(gòu)思了設(shè)計(jì)主題玻璃清潔機(jī)器人。由于準(zhǔn)備考研，所以耽誤了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的真正開始時(shí)間應(yīng)該在12月份的考研結(jié)束之后。正在考研結(jié)束后僅僅來(lái)得及和組員一起劃分任務(wù)結(jié)果又遇上了疫情。受限于疫情的嚴(yán)重影響，今年取消了上學(xué)計(jì)劃，因此我們不得不在家準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)。所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)受到了非常嚴(yán)重的影響，畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度緩慢。 大約在3月份時(shí)我受到了汽車的影響，于是選擇減速器和滾筒相搭配組成了玻璃清潔機(jī)器

66、人的清潔機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)將近一個(gè)月的資料查詢，我最終構(gòu)思了汽車變速裝置，減速器和滾筒三者合一的清潔機(jī)構(gòu)。在不停的查找資料后，我構(gòu)思了多種變速裝置，可惜最終由于難度大的原因，我放棄了設(shè)計(jì)變速裝置，僅僅選擇了減速器和滾筒相結(jié)合的清潔機(jī)構(gòu)，這是我的一個(gè)遺憾。 在設(shè)計(jì)清潔機(jī)構(gòu)的過(guò)程中，我選擇了二級(jí)減速器作為清潔機(jī)構(gòu)的減速裝置。在此過(guò)程中我復(fù)習(xí)了一遍減速器知識(shí)，因?yàn)闇p速器需要應(yīng)用在玻璃清潔機(jī)器人上，所以最困難的在于減速器的大小方面，即齒輪大小方面。最終經(jīng)過(guò)多次選擇計(jì)算，我得到了了最終結(jié)果，設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)合適的減速裝置，得到了一個(gè)大小合適的清潔機(jī)構(gòu)。 經(jīng)過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我深刻的感受到了本專業(yè)機(jī)械工程的魅力所在，當(dāng)一個(gè)機(jī)械裝置在自己手中完成時(shí)，我深深的感受到了一種成就感，這就是機(jī)械的魅力所在。 參考文獻(xiàn) ［1］ 王碩. 智能家居中玻璃窗自動(dòng)清洗裝置的研制[D]. 大連：大連工業(yè)大學(xué)，2012 ［2］ 潘佩霖，韓秀琴，趙言正，等. 日本磁吸附爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀[J]