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目 錄
中文摘要及關(guān)鍵詞 I
英文摘要及關(guān)鍵詞 II
第一章 緒論 1
1.1 前 言 1
1.2 清潔設(shè)備的分類及工作原理 3
1.2.1 按清潔方式分類 3
1.2.2 按發(fā)動機(jī)的形式分類 4`
1.2.3 以除塵系統(tǒng)對清洗機(jī)的分類 4
1.3 清潔機(jī)械在國內(nèi)外的發(fā)展情況 5
1.3.1 清潔機(jī)械在外國的發(fā)展情況 5
1.3.2 我國清潔機(jī)械的發(fā)展趨勢 6
1.4 課題的研究設(shè)想 7
1.5 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑 7
1.6 課題需要完成的任務(wù) 8
1.6.1 設(shè)計主要內(nèi)容 8
1.6.2 設(shè)計工作基本要求 8
第二章 自動墻壁清洗機(jī)總體方案設(shè)計 10
2.1 清潔機(jī)器人的總體方案 10
2.2 自動墻壁清洗機(jī)擦洗系統(tǒng)方案 10
2.3 自動墻壁清洗機(jī)爬行系統(tǒng)方案 11
2.4 其它部分方案 12
2.4.1材料選擇 12
2.4.2 輪的潤滑問題 12
2.4.3 軸承的潤滑問題 12
2.5 本章小結(jié) 12
第三章 自動墻壁清洗機(jī)主要零件設(shè)計 13
3.1 直齒輪副的設(shè)計計算 13
3.1.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 15
3.1.2 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗算 17
3.1.3 齒面靜強(qiáng)度計算 18
3.1.4 齒根（抗彎）靜強(qiáng)度驗算 19
3.2 錐齒輪副的設(shè)計計算 19
3.2.1 基礎(chǔ)尺寸確定 20
3.2.2 確定載荷系數(shù)K 21
3.2.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 21
3.2.4 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度計算 22
3.3 本章小結(jié) 23
第四章 清洗機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 24
4.1 擦洗機(jī)器刷洗部分設(shè)計 24
4.1.1 盤刷設(shè)計 24
4.1.2 滾刷設(shè)計 25
4.1.3刷洗部分所用彈簧的設(shè)計 26
4.2 內(nèi)空心軸設(shè)計 27
4.3 擦洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計 27
4.4 主機(jī)上傳感器及行程開關(guān)的選擇 28
4.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計 28
4.6 本章小結(jié) 29
第五章 自動墻壁清洗機(jī)吸附系統(tǒng)設(shè)計 30
5.1 采用風(fēng)壓吸附的意義 30
5.2 基本原理 30
5.3 氣動計算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求 30
5.4風(fēng)壓部分力學(xué)計算 31
5.5 本章小結(jié) 32
第六章 總結(jié) 33
參考文獻(xiàn) 34
致 謝 35
中文摘要及關(guān)鍵詞
摘 要：本文結(jié)合國內(nèi)和國外對機(jī)器人的研究狀況的基礎(chǔ)上，介紹了，對于自動墻壁清洗機(jī)的設(shè)計，它具有風(fēng)壓吸附和四個輪子。對齒輪部分進(jìn)行了設(shè)計計算，對軸進(jìn)行校核計算。然而重點是爬壁機(jī)器人的移動結(jié)構(gòu)要怎么設(shè)計，要采取怎樣的驅(qū)動系統(tǒng)，使清洗機(jī)運動，還有它的吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。下面簡單介紹下，擦洗主機(jī)是采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)和懸吊系統(tǒng)組成，它是自動擦洗，不需要人工，且可以自動供水。該機(jī)構(gòu)采用單片機(jī)系統(tǒng)控制，我們只要按按鍵就可以實現(xiàn)功能。因為用了此功能，它還可以對邊緣進(jìn)行識別，進(jìn)行識別后得出數(shù)據(jù)，我們就可以選擇是縱洗或橫洗。它用四個輪子進(jìn)行移動，小車形狀。這樣設(shè)計使之結(jié)構(gòu)簡單，可以降低成本。在吸附方式上采用的是風(fēng)壓吸附方式，它是用螺旋槳瘋狂的抽空氣，然后就形成了壓強(qiáng)，可以使機(jī)器人壓在墻上或玻璃上。這種方式有著極大的好處，降低了控制難度，避免了機(jī)器人對壁面的局限。在樓頂上供電；清洗機(jī)一共有四個輪子，由后輪帶動前輪運動，機(jī)器人就可以行走了。還有它的減速器采用的是直齒圓柱齒輪傳動。該機(jī)器人可以在任意的水平面行走，也可以在垂直面行走。它的擦洗效率也是極高的，刷子帶有許多毛，可以廣泛的進(jìn)行清洗，根本不用擔(dān)心留有死角或清洗不到的地方。
關(guān)鍵詞：自動墻壁清洗機(jī)，風(fēng)壓吸附，齒輪機(jī)構(gòu)，刷洗，單片機(jī)系統(tǒng)。
英文摘要及關(guān)鍵詞
Abstract: based on the research status of robots at home and abroad, this paper introduces the design of automatic wall cleaning machine, which has wind pressure adsorption and four wheels. The gear part is designed and calculated, and the shaft is checked and calculated. However, the key point is how to design the moving structure of the wall climbing robot, what kind of driving system should be adopted to move the cleaning machine, and the design and calculation of its adsorption structure. In the following brief introduction, the scrubbing main machine is composed of advanced control system and suspension system. It is automatic scrubbing, does not need manpower, and can supply water automatically. The mechanism is controlled by a single chip microcomputer system, and we can realize the function by pressing the key. Because of using this function, it can also identify the edge, and after identifying the data, we can choose whether to wash vertically or horizontally. It uses four wheels to move, in the shape of a car. This design makes it simple in structure and can reduce the cost. The adsorption method is wind pressure adsorption, which uses propeller to pump air madly and then forms pressure, which can make the robot press on the wall or glass. This method has great benefits, reduces the control difficulty and avoids the limitation of the robot to the wall. Power supply on the roof; There are four wheels in the cleaning machine, and the rear wheels drive the front wheels to move, so the robot can walk. And its reducer uses straight cylindrical gear transmission. The robot can walk in any horizontal plane or vertical plane. Its scrubbing efficiency is also extremely high. The brush has many hairs and can be widely cleaned. There is no need to worry about leaving dead corners or places that cannot be cleaned.
Key words: automatic wall cleaner， wind pressure adsorption， gear mechanism，scrubbing，Single chip microcomputer system
II
自動墻壁清洗機(jī)的設(shè)計
第一章 緒論
1.1 前 言
當(dāng)前世界發(fā)展的主題是環(huán)保，所以我們每個人的責(zé)任就是要注意身邊的衛(wèi)生，每個城市關(guān)注的焦點也是環(huán)保。每個城市都開展一系列的活動，叫我們來保護(hù)自己身邊的環(huán)境。我的家鄉(xiāng)環(huán)保也是不咋地，隨著活動的開展，意識的提高，都重視自個家門口的衛(wèi)生和自己屋子里的，特別是房子里墻上的衛(wèi)生極難處理。也有許多有錢人，都覺得搞衛(wèi)生浪費時間，還不如花錢請別人搞衛(wèi)生。外墻的衛(wèi)生也難搞，如果是樓房高點的話，就存在一定的危險系數(shù)。萬一出了事，就得不償失了。正是因為這樣，越來越多的人開始注重于機(jī)器清洗，因為有它不存在什么危險系數(shù)，有了它自己都不用動手了或者雇傭他人。所以清洗機(jī)環(huán)保設(shè)備更是相繼而出，做的也是越來越完善了。自動墻壁清洗機(jī)就成了人們的喜愛。自動墻壁清洗機(jī)對墻壁有著非常好的清理效果，現(xiàn)在它只是剛剛起步，隨著發(fā)展，功能也會更加的齊全，最終也會離不開我們，它已經(jīng)成為了一種潮流，在以后的以后，它就是一道亮麗的風(fēng)景線。
最開始我國生產(chǎn)的清潔機(jī)械是以自動墻壁清洗機(jī)為主，一開始，由于我國不太發(fā)達(dá)，設(shè)計的清洗機(jī)體積也是非常巨大的[1]，這一點就造成了費用非常高，況且從外觀上看，也是長得非常丑的。你認(rèn)為誰會買一個體積大，又不美觀的清洗機(jī)。它體積大，占用面積也大，城市的住房空間本來就不大。沒人會購買的，還有一點也是價格非常昂貴且功能也不齊全。在它的形狀上，也是不符合環(huán)保主題的。參考外國，他們的起步比我們快，技術(shù)也比較成熟，反正各方面都可能好點。我們就可以向他們學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，看看哪里需要改進(jìn)或者去除的。我國的中小型自動墻壁清洗機(jī)才冒出個頭來，外國就已經(jīng)研發(fā)出來了。但我們也不甘心落后，奮起反追。終不負(fù)眾望，中小型自動墻壁清洗機(jī)已初步成型。相比外國，我國在銷售方面、產(chǎn)品的功能、清洗的效率和效果等方面，還是存在著一丟丟差距?？偠灾覈鴮τ谶@方面的研究還是有點欠缺，仍處于初級發(fā)展階段。我相信在以后，我國的自動墻壁清洗機(jī)也會越來越完善，超過其他國家。
目前，清潔機(jī)器人的競爭是異常的激烈，很多國家自己研發(fā)了很多的小型清潔機(jī)器人，各種各樣的款式，千奇百怪。某些產(chǎn)品出乎我們的想象，做的非常還。比如，有一款清潔機(jī)器人，它的吸塵除灰的功能非常強(qiáng)大，效率亦是極高。除了可以手動操作之外，它竟然可以遙控操作，這就給我們帶來了許多的便捷。它能夠360°旋轉(zhuǎn)，無死角清潔。它能輕松的越過障礙，對于我們具有很高的借鑒價值。它在構(gòu)造上輕巧簡單，美觀上毋庸置疑[2]。由于它的輕巧簡單，體積小，深受人們的喜愛。其實該清潔機(jī)器人最重要是可以幫助人們從繁雜的工作中解放出來，對于勞動強(qiáng)度高，還存在危險的清潔工作來說，真是深受我們的喜愛。在這一方面，我國的研發(fā)還是有點慢。從最開始的人力清掃，已經(jīng)滿足不了社會的需要了。況且隨著發(fā)展，房屋建的高了，建造了大批的廣場，還有很多公園等娛樂悠閑場所，一些社會服務(wù)機(jī)構(gòu)。這些就需要大量的人力、財力去進(jìn)行清潔。勞動強(qiáng)度高，效率低下，依靠以往的大型自動墻壁清洗機(jī)已經(jīng)不能滿足了，處于這種形勢之下，急需要開發(fā)一種能節(jié)約勞動力的、效率高的、成本低的小型清潔設(shè)備。
現(xiàn)在天氣也是不怎么好，霧霾、沙塵暴出現(xiàn)幾率也加大，人們也開始對環(huán)境的問題重視起來了。焚燒塑料，燃油車釋放的尾氣對空氣造成了影響，政府就大力提倡使用清潔環(huán)保的設(shè)備，給我們的自動墻壁清洗機(jī)帶來了幫助。小型清潔設(shè)備不燒油，阻止了對環(huán)境的污染。因其輕巧簡單，造價低，維修成本也低[3]。它還操作簡單，老少都能學(xué)會，維修起來也方便。有了以上的種種特點，小型清潔設(shè)備具有了很好的發(fā)展前景。本課題設(shè)計的自動墻壁清洗機(jī)，綜合過去的種種，為了解決人力財力消耗太大和人力的清潔效率低，特別是高樓壁面危險性高而提出的。該墻壁自動清洗機(jī)結(jié)合了以前大型清洗機(jī)的優(yōu)點和現(xiàn)在小型清洗機(jī)的優(yōu)點及機(jī)器人技術(shù)，結(jié)合了社會發(fā)展的主題，設(shè)計什么樣的結(jié)構(gòu)形狀。在總體的造型、功能等方面進(jìn)行了創(chuàng)新的設(shè)計，使其利用范圍廣泛，工作效率高。適用于公園、高樓大廈的壁面、廣場、街道等地方。而且在這個機(jī)器上還自帶了一個垃圾箱，當(dāng)垃圾裝滿時，它會停下來處于報警狀態(tài)，這樣我們就能聽到并及時的倒垃圾。
自動墻壁清洗機(jī)的制造成本不貴，可以廣泛吸引投資商。最主要的特點是它靈活方便且使用范圍大，可以促進(jìn)資本的回流。不管是城里的，還是鄉(xiāng)下的都可以使用。它的工作原理是由滾刷清潔壁面或路面，再由那個圓柱形滾筒帶入垃圾箱[4]。連續(xù)完成清潔工作。該自動墻壁清洗機(jī)還可以編程，進(jìn)行區(qū)域式清潔，不過此功能的實用性可能不太高。自動墻壁清洗機(jī)有許多優(yōu)點，比如：具有良好的工作狀況，可以預(yù)防交通事故且使用壽命長，不但可以對以上的空氣介質(zhì)進(jìn)行除塵凈化，而且還能清潔垃圾，維護(hù)了環(huán)境的衛(wèi)生，也保證了其美觀性。
本文具體介紹了自動墻壁清洗機(jī)的設(shè)計，結(jié)合了我國的國情，再根據(jù)人們的需要，比較全面的說明了設(shè)計過程，本文上面還有我應(yīng)用的一些參考文獻(xiàn)。本文里面有圖例和一些表格數(shù)據(jù)，該自動墻壁清洗機(jī)涉及很多知識，困難比較大，由于我的能力一般般，還有實踐方面的不足，可能造成文字及計算部分不夠周全。如果有錯誤，請老師給予批評并加以指正。
1.2 清潔設(shè)備的分類及工作原理
清潔設(shè)備有大型清潔設(shè)備、中型清潔設(shè)備和小型清潔設(shè)備。大型清潔設(shè)備體積大、復(fù)雜程度高、制造成本昂貴，使用范圍也不怎么廣泛，不加以考慮。本課題研究的是自動墻壁清洗機(jī)，它屬于小型清潔設(shè)備，符合設(shè)計的要求[5]。現(xiàn)在設(shè)計的小型清潔設(shè)備，可以從怎么清潔、采用什么除塵系統(tǒng)、什么樣的發(fā)動機(jī)等方面進(jìn)行分類。
1.2.1 按清潔方式分類
自動墻壁清洗機(jī)按清潔方式可以分為三類：分別是吸掃式、純掃式和純吸式
1、純掃式的自動墻壁清洗機(jī)
我們先來說下純掃式的自動墻壁清洗機(jī)的工作原理，純掃式的自動墻壁清洗機(jī)依靠的機(jī)構(gòu)是蝶形刷和滾筒刷，它們兩相互接力來實現(xiàn)清潔工作。蝶形刷位于清洗機(jī)器的兩側(cè)，滾筒刷位于清洗機(jī)器的中部。它們有這各自的優(yōu)點，滾筒刷除了清潔地面的垃圾，它還有另外一個重要的功能，就是可以從地面清潔的垃圾收入車內(nèi)的垃圾箱之中。蝶形刷具有數(shù)量極多的刷毛，可以提高清潔質(zhì)量。它的刷毛強(qiáng)度高，耐磨性好，蝶形刷的刷毛分布面積廣，加大了路面清潔的面積，提高了工作效率。蝶形刷有一個裝置，名為壓力調(diào)節(jié)裝置，對于一些黏著物有著很強(qiáng)的清理作用[6]。此自動墻壁清洗機(jī)所需功率小，操作起來簡單。它也存在著缺點，如果塵土顆粒細(xì)小，就達(dá)不到理想的清潔效果，在清潔過程中也非常容易產(chǎn)生揚塵。
2、純吸式的自動墻壁清洗機(jī)
純吸式的自動墻壁清洗機(jī)的工作原理和吸塵機(jī)的原理比較類似。純吸式的自動墻壁清洗機(jī)它主要由吸氣管道、風(fēng)機(jī)、吸塵嘴等組成，它的工作原理就是風(fēng)機(jī)通過吸氣管道吸氣，在兩邊形成一定的壓強(qiáng)差，再由吸塵嘴吸收垃圾，最終進(jìn)入垃圾箱內(nèi)。它需要風(fēng)機(jī)的功率大，才能吸得起垃圾。吸塵嘴也要大，這樣就可以提高它的工作效率。上面提到的純吸式的自動墻壁清洗機(jī)對于塵土顆粒細(xì)小的，無法達(dá)到理想效果。而它就克服了純吸式的自動墻壁清洗機(jī)的缺點。但它也存在了一定的缺點，在濕地上達(dá)不到理想的效果，對于一些馬路邊上的溝槽也是不好清理的。
3、吸掃式的自動墻壁清洗機(jī)
吸掃式的自動墻壁清洗機(jī)汲取了純吸式的自動墻壁清洗機(jī)和純掃式的自動墻壁清洗機(jī)的特點，它是由風(fēng)機(jī)、蝶形刷、吸塵嘴和管道等組成[7]，有了前面兩種清洗機(jī)的機(jī)構(gòu)，它可以對馬路上的溝槽進(jìn)行清理了，也可以對顆粒小的塵土進(jìn)行清理了，補(bǔ)足了這兩者的缺點。沒有什么機(jī)構(gòu)是完美的，它也有一些缺點。它擁有前兩者的機(jī)構(gòu)零件，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)在復(fù)雜程度上升了一個檔次，造就了成本比較高。
1.2.2 按發(fā)動機(jī)的形式分類
隨著發(fā)展，我們越來越關(guān)注自己身邊的環(huán)境問題。以前的大型自動墻壁清洗機(jī)用的是內(nèi)燃機(jī)作為發(fā)動機(jī)，它一工作起來，就會產(chǎn)生尾氣，對環(huán)境造成影響，而且它的噪音也是相當(dāng)之大。人們對以內(nèi)燃機(jī)為發(fā)動機(jī)的清洗機(jī)并不感冒，而是喜歡以電瓶為發(fā)動機(jī)的小型自動墻壁清洗機(jī)。小型自動墻壁的優(yōu)點可是比大型的多，起碼在發(fā)動機(jī)上，電瓶工作的聲音比內(nèi)燃機(jī)工作的聲音要小得多。工作時不產(chǎn)生尾氣，非常的環(huán)保。由于它的小巧靈活，傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，減低了設(shè)計的復(fù)雜程度。在外形上，也是符合我們的設(shè)計觀念的。它采用的是無級變速系統(tǒng)，通過傳感器對路面的感知，來調(diào)節(jié)清潔速度。既然有優(yōu)點，缺點也是有的。它的發(fā)動機(jī)用的是電瓶，電瓶需要充電，它的工作時間就受到了一定的限制。
1.2.3 以除塵系統(tǒng)對清洗機(jī)的分類
本次設(shè)計的自動墻壁清洗機(jī)，它的組成部分是由垃圾收集箱、垃圾運輸系統(tǒng)、機(jī)器框架、發(fā)動機(jī)還有傳動系統(tǒng)等構(gòu)成。自動墻壁清洗機(jī)它的造型是一個方形的小車模樣，它擁有四個輪子，用來支撐它的重量，前面兩個輪子是固定的，只可以前進(jìn)或者后退。控制它方向的是后面的兩個輪子，可以使該機(jī)構(gòu)在任意方向上運動[8]。它的四個輪子還可以調(diào)節(jié)高度，如果清潔刷用久了，會有磨損，與地面的接觸面積就會降低，清潔效率也自然的減低了，我們現(xiàn)在就可以調(diào)節(jié)它的車輪高度，加大接觸面積，提高效率。我們來說說該機(jī)的技術(shù)方案；它以電動機(jī)為動力，由V形帶帶動錐齒輪，再由錐齒輪帶動滾筒刷上的小齒輪，使?jié)L筒刷轉(zhuǎn)動，達(dá)到清潔效果。
1.3 清潔機(jī)械在國內(nèi)外的發(fā)展情況
在這幾年的發(fā)展中，國內(nèi)有許多技術(shù)人員向他國學(xué)習(xí)和借鑒清潔機(jī)方面的技術(shù)，使我國的清潔機(jī)械得以快速發(fā)展。清洗機(jī)的性能日趨完善。
1.3.1 清潔機(jī)械在外國的發(fā)展情況
國外的清洗機(jī)起點比較早，隨著發(fā)展，技術(shù)較先進(jìn)。在很早之前，外國為了發(fā)展，往往忽略了環(huán)境的保護(hù)，造成樓房多灰塵，路面多垃圾。他們開使把資本和技術(shù)投入在清潔機(jī)械上，使之發(fā)展的很快。清潔機(jī)械的造型，功能方面也是雜七雜八，各有各的特色。
我國在七十年代初研究和發(fā)展機(jī)器人。二十世紀(jì)七十年代，德國科技會展在北京舉行。德國某公司開始在北京展出了工業(yè)機(jī)器人，許多技術(shù)人員借鑒和學(xué)習(xí)，以此為起點，我國對于研制機(jī)器人有了一定的了解了[9]。由于研究機(jī)器人技術(shù)可以促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)水平的進(jìn)步，所以我國高度重視，推行了一系列的計劃。復(fù)旦大學(xué)從1987年開始在國家的支持下，開始了機(jī)器人的研究，此后，很多大學(xué)或者研究院等單位也相繼在和機(jī)器人相關(guān)的領(lǐng)域開展研究。
自1988年以來，北京工業(yè)大學(xué)針對玻璃窗，研制了玻璃窗自動墻壁清洗機(jī)。具有如下特點：伺服電機(jī)驅(qū)動，真空吸盤吸附，采用多層框架式機(jī)構(gòu)，缺點就是沒有裝備擦洗系統(tǒng)且重量大。之后，北京工業(yè)大學(xué)研制了球形爬壁機(jī)器人。其移動機(jī)構(gòu)采用腿足式移動，從控制方面和復(fù)雜程度方面和穩(wěn)定性等方面考慮，該球形爬壁機(jī)器人存在吸盤穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。為了提高機(jī)器人的越障能力，北京工業(yè)大學(xué)在擦洗裝備和工藝等方面有了一定的了解，研究比較深入，并結(jié)合玻璃阻礙的特點和許多模擬實驗的結(jié)果，研制了一種機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有全方位越障的能力。
后來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國家對智能機(jī)器人的支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開始了對壁面移動機(jī)器人的研究，已經(jīng)先后研究出多種爬壁機(jī)器人。完成較早的機(jī)器人是采用遙控控制的，采用的是輪式負(fù)壓，可以吸附壁面[10]。如圖1.3所示。該機(jī)器人重要的功能之一是要在大直徑圓柱面上或瓷磚壁面進(jìn)行運動。針對這一點，要求對壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，所以在密封裝置上采用柔性設(shè)計。機(jī)器人具有卷揚機(jī)，支援小車等附屬設(shè)施。該機(jī)器人用的是兩個輪子進(jìn)行移動動，它帶有一個負(fù)壓吸盤，在它的后面還帶有一個擦洗機(jī)構(gòu)，負(fù)壓吸盤有滑動密封性，它用輪子移動。然而，該機(jī)器人也存在缺陷，在曲面轉(zhuǎn)換和在碰到妨礙物時，它的能力較差。
圖1.3 輪式負(fù)壓機(jī)器人 圖1.4 CLEANBSOT-Ⅰ
航空航天大學(xué)自1989年以來，在國家的支持下，研制出了很多自動墻壁清洗機(jī)的樣機(jī)。它們分別是可以擦洗窗戶的機(jī)器人、WASHMAN、CLEANBSOTⅠ、SKYCLEAN、 藍(lán)天寶寶等系列自動墻壁清洗機(jī)。前面的三種是全自動自動墻壁清洗機(jī)，它可以自主移動，其中CLEANBSOT-Ⅰ可以進(jìn)行方向調(diào)整，達(dá)到所想要的方向[11]。如圖1.4所示。之后北航又研制出藍(lán)天寶寶的其他系列，功能也是更加的齊全，之前的缺點也改進(jìn)了。
數(shù)十年前擦窗機(jī)器人就已經(jīng)在我國成功的誕生，與國外的機(jī)器人相比，質(zhì)量顯著的降低了，機(jī)器人使用了結(jié)構(gòu)相對簡單的履帶雙車體結(jié)構(gòu)。在驅(qū)動方面，學(xué)習(xí)了坦克的履帶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在實際使用中無可挑剔使用時間久技術(shù)成熟，能夠有效降低開發(fā)周期。8年前我國研究的一類模擬人類部分肢體的機(jī)器人，主要是模仿人類清潔時的肢體動作。“藍(lán)天潔寶”屬于被動自動墻壁清洗機(jī)，該機(jī)器人利用真空產(chǎn)生的吸附力使得機(jī)器人能夠牢牢地抓住墻壁、玻璃等物品。在機(jī)器人的研究領(lǐng)域達(dá)到了一個新的高度，對清潔機(jī)械領(lǐng)域有很高的幫助。
1.3.2 我國清潔機(jī)械的發(fā)展趨勢
因為歷史上遺留種種的問題，我國的清洗機(jī)械發(fā)展緩慢，就比如在日常的公路護(hù)理中，只有在少部分路況良好的路面才會使用專用車輛進(jìn)行護(hù)理，一旦遇到坑坑洼洼的路面就只能夠話費大量人力物力去手動進(jìn)行清掃，在比較偏僻的城鎮(zhèn)甚至連專用清洗車輛都沒有，那么怎么辦呢，只能就地解決，物盡其用，有什么用什么，例如可以將摩托的發(fā)動機(jī)拆下來進(jìn)行改造使用，這樣改造的物品顯然和美觀無緣，并且還有一定的危險性，而且這種改造的機(jī)器產(chǎn)生的污染很嚴(yán)重不符合當(dāng)代社會的經(jīng)濟(jì)價值觀。就現(xiàn)在我所了解的資料和新聞來看，大公司沒有向這方面考慮太多，大多都是淺嘗輒止，防止自身的資金虧損，而中小公司卻又苦于沒有資金的來源支撐他們?nèi)パ芯縖12]，這也就使得清洗機(jī)器人的市場慘淡，沒有像其他的機(jī)械產(chǎn)品那樣充滿著競爭者，靜兒也就讓市面上的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。近幾年由于國家對于污染的大力整治，以及人民整體生活水平的提高，社會上對于清潔機(jī)器人的需求也逐漸回暖，同時廠商也發(fā)現(xiàn)商機(jī)加大資金投入的力度，為了迎合更多人的需求，制造商將機(jī)器人的外形、智能也列入考慮的范疇。
因為我設(shè)計的這種擦洗機(jī)器人需要在高空作業(yè)，那么顯然質(zhì)量低、不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)吸附力強(qiáng)是我在設(shè)計的時候需要著重考慮的方向。
機(jī)器人清理專注的方向有很多，我們可以選擇兩個來重點了解：
其一：在比較平緩的地面和平整完好的玻璃上進(jìn)行清理，這個時候我們需要的設(shè)計僅僅需要針對機(jī)器人的質(zhì)量和效率即可。
其二：在凹凸不平的瓷磚和玻璃上進(jìn)行清理，在這種比較復(fù)雜的工作環(huán)境下對機(jī)器人的功能的需求就很多，比如加強(qiáng)吸附力，能夠攀越障礙。
1.4 課題的研究設(shè)想
參閱相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，高層建筑外玻璃擦洗機(jī)主要由伺服懸吊系統(tǒng)、擦洗主機(jī)和由計算機(jī)控制系統(tǒng)組成，在設(shè)計的時候我們應(yīng)該考慮到，當(dāng)機(jī)器人工作的時候機(jī)臂與玻璃等物品建應(yīng)該有足夠的壓力，否則物體不能被洗干凈。而且還需要額外為機(jī)器人配有特定的存儲空間或者裝置分別用來存放清洗液以及吸收清洗時產(chǎn)生的污染物。
1.5 發(fā)現(xiàn)的問題和解決途徑
本次的設(shè)計要求是理解并能充分展示在設(shè)計制造過程中徐匯的東西，鑒于本人學(xué)識有限而且在時間方面不夠充分，所以只能在各種類型和功用效果不同的機(jī)器人中選擇者及制造都不復(fù)雜的環(huán)保車，雖說結(jié)構(gòu)簡單，但是由于出現(xiàn)的時間比較晚，所以在功能上會比老型號的產(chǎn)品要多，同時一些新的問題也會出現(xiàn)。比如在環(huán)保車的設(shè)計架構(gòu)方面就海鮮的不成熟，在論文庫以及各種網(wǎng)站上都很難找到關(guān)于環(huán)保車的蹤跡，因此對于我來說，如何在有限的資料中去尋找發(fā)現(xiàn)并且設(shè)計出相關(guān)的車輛是很關(guān)鍵的[13]。在環(huán)保車清洗工具材料的選擇上也很有講究，就拿清洗車下端的清洗機(jī)器上的絨毛來說，如果絨毛太軟，稍大型的垃圾就清理不動，絨毛太硬不僅會損壞路面產(chǎn)生多重污染，還會增大摩擦力，加速車輛電能以及是有的損耗，間接的加大了資源浪費以及環(huán)境的污染。對于清掃來說，當(dāng)然是越干凈越好，然而在設(shè)計時我發(fā)現(xiàn)了問題，當(dāng)要求清掃的較為干凈的時候，勢必要求清掃機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動幅度增大，然而增大幅度的同時，所需要的設(shè)備就同樣會增大，這就使得清洗車的重量大幅度的增加[14]。而手動式清理車的資料就更少了，我通過新聞、網(wǎng)絡(luò)以及向老師尋求幫助，和在同學(xué)的合作下了解了手動式清理車的運作方式，它通過輪子的轉(zhuǎn)動來帶動整個器械的運作，當(dāng)人力推動時，位于正下方的清理機(jī)構(gòu)便會在輪胎的帶動下進(jìn)行工作，然而，遇到天氣原因的時候手動清理車的局限性就體現(xiàn)出來了，它在轉(zhuǎn)彎時很費力，并且雨天清理臟污的能力顯著下降。
1.6 課題需要完成的任務(wù)
1.6.1 設(shè)計主要內(nèi)容
本課題要求設(shè)計出的自動墻壁清洗機(jī)能完成普通清潔的功能。完成自動墻壁清洗機(jī)的方案設(shè)計以及結(jié)構(gòu)組成，并對自動墻壁清洗機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計算，使其結(jié)構(gòu)布局和受力更加合理。
其主要設(shè)計內(nèi)容為：
1、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計（電機(jī)電池的選擇與安裝）；
2、傳動系統(tǒng)的設(shè)計；
3、帶傳動的選擇與設(shè)計；
4、齒輪的選擇與設(shè)計；
5、軸和軸承的設(shè)計；
6、機(jī)架的設(shè)計；
7、繪制自動墻壁清洗機(jī)的零件圖及裝配圖；
8、完成設(shè)計說明書。
1.6.2 設(shè)計工作基本要求
1、經(jīng)過認(rèn)真學(xué)習(xí)研究，在充分的了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行任務(wù)書的擬定；
2、根據(jù)擬定的任務(wù)書的要求以及老師的建議以及歷屆論文的參考定下開題報告；
3、在既定要求的合理范圍內(nèi)，用自己的想法對清洗機(jī)進(jìn)行計算，并能自行考慮清洗機(jī)的內(nèi)置裝置的合理布置安排。
4、與老師探討研究擬定總綱；
5、在老師的幫助下尋找并且翻譯外文文獻(xiàn)；
6、論文有自己的見解和看法，并能在限定時間內(nèi)圓滿的達(dá)成目標(biāo)；
總的要求就是畢業(yè)設(shè)計結(jié)束后，能夠達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。
36
第二章 自動墻壁清洗機(jī)總體方案設(shè)計
2.1 清潔機(jī)器人的總體方案
清潔機(jī)器人首要的基本要求顯然就是將臟污清理干凈，因此在設(shè)計的時候需要將擦洗能力和凈污能力放在首位。另外，清洗機(jī)器人因為其工作環(huán)境的特殊需求以及處于對人員安全的考慮，機(jī)器人應(yīng)該要有足夠強(qiáng)的吸附能力以及攀爬能力還要有緊急安全防護(hù)系統(tǒng)。因此清洗機(jī)器人應(yīng)該有基本的三大系統(tǒng)組成：清理掃除系統(tǒng)、攀爬越障系統(tǒng)、控制與安全系統(tǒng)[15]。主機(jī)主要由箱體,支撐架,防護(hù) 罩,刷子,電機(jī),螺旋槳風(fēng)壓系統(tǒng),齒輪傳動系統(tǒng)等組成。我設(shè)計的這個機(jī)器人是依靠其中的螺旋槳，螺旋槳運作的時候會產(chǎn)生很強(qiáng)的風(fēng)力使得內(nèi)部壓力驟然降低，然后主體在大氣壓力的作用下僅僅吸附在墻壁上，起到了吸附的效果。而清洗系統(tǒng)的一端就與其相連接，當(dāng)系統(tǒng)運行的時候清洗系統(tǒng)也會隨之啟動，這樣做能夠起到降低設(shè)計難度以及節(jié)省材料的目的。同時，內(nèi)部的電機(jī)是可以在一定程度上自由運動的，通過電機(jī)的自行運動來使清洗機(jī)能夠完成縱向清洗和橫向清洗的操作。箱體外側(cè)還配備有兩個腔體，連接各清理系統(tǒng)用于處理和回收臟污液體，同時腔室的另外的接口在于清洗機(jī)器人的底部[16]，用來噴射清洗劑配合箱底的機(jī)械臂來進(jìn)行清洗工作，為了更高效的進(jìn)行清洗烘干的工序，我在設(shè)計的時候在機(jī)器人的主體部分正下方安裝了一個軟毛刷，這樣在機(jī)器人清理完一個地區(qū)轉(zhuǎn)向另一個地區(qū)的時候可以順便將該地區(qū)進(jìn)行干燥處理。
2.2 自動墻壁清洗機(jī)擦洗系統(tǒng)方案
根據(jù)我在上文提出的方案以及設(shè)計思路設(shè)定如下的方案：
第一種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.1。
此種方案采用負(fù)壓履帶吸盤式盤滾組合式擦洗，這個方案容易受到外界的影響，比如玻璃的品質(zhì)。另外根據(jù)實際情況來考慮，瓷磚在使用的時候是不可能一整塊的直接使用的，會分成很多小塊進(jìn)行使用這就到這了瓷磚之間的不完整，影響機(jī)器人的吸附能力。
圖2.1 結(jié)構(gòu)一 圖2.2 結(jié)構(gòu)二
第二種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.2所示。
這種方案采用了風(fēng)壓式壓緊，盤滾組合式擦洗，清理雜物的功能比較強(qiáng)但是，這種設(shè)計犧牲了機(jī)器人的穩(wěn)定性能，當(dāng)清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運作的時候，由于能不重心的不穩(wěn)定，導(dǎo)致機(jī)器人會產(chǎn)生不必要的振動，引發(fā)安全隱患的問題。
第三種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2.3所示。
圖2.3 結(jié)構(gòu)三
這種方案吸取了第二種方案的優(yōu)點，改變了傳動方式，使得架構(gòu)以及裝置機(jī)構(gòu)的布局能夠重新進(jìn)行調(diào)整。我可以將清洗系統(tǒng)的主要構(gòu)成組件安裝在機(jī)器人的背部，這樣既能夠增重來改善震動的問題，也可以提供連續(xù)不斷的清潔保證。
經(jīng)過深思熟慮以及和老師進(jìn)行探討過后，在老師的建議下我選擇了第三種方案。
2.3 自動墻壁清洗機(jī)爬行系統(tǒng)方案
采用了兩盤兩滾的結(jié)構(gòu)來加快機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工作進(jìn)程，達(dá)到快速清洗的目的。為了盡量的降低機(jī)器人的質(zhì)量將原本的兩個電機(jī)換為一個電機(jī)，減少機(jī)器人與玻璃件的摩擦加快機(jī)器人的行動力，同時為了加速玻璃盒墻壁上的水跡風(fēng)干的速度，在機(jī)器人的底部添加了一些柔軟的絨毛，能夠吸收多余的水分，提高清洗的速率[17]。內(nèi)部的風(fēng)壓系統(tǒng)使風(fēng)葉通過電機(jī)不斷地產(chǎn)生內(nèi)外的氣壓差，使得大氣壓總是比內(nèi)部氣壓低，迫使機(jī)器人能夠牢牢地吸附在墻壁上，同時之前提過的榮麥也能起到增加吸附力的作用。
2.4 其它部分方案
2.4.1材料選擇
根據(jù)本次設(shè)計的特點，我總結(jié)了下清洗機(jī)器人對于材料的選擇方面的要求，首先材料的獲取來源應(yīng)該不能太難，需要有易于塑形密度小的特點，而且由于在工作中使用的清潔劑和產(chǎn)生的污染都是化學(xué)物品，帶有一定的腐蝕能力，考慮到使用壽命，應(yīng)該采用抗腐蝕的材料。經(jīng)過對比分析，我發(fā)現(xiàn)了一種生活中的常見材料塑料以及合金。
在涉及到容易腐蝕的組件和工作環(huán)境的時候，我是選擇聚乙烯以及聚氯乙烯和甲醛來作為材料的。
傳動軸這一構(gòu)件由于工作環(huán)境和對于其剛度的要求，我經(jīng)過篩選比較選擇鋁合金。
螺旋槳材料選用尼龍66 (聚己二酰己二胺)。
機(jī)架的材料采用鋁合金。
其他機(jī)件的選擇根據(jù)通常材料在重量最輕原則下進(jìn)行確定。
2.4.2 輪的潤滑問題
在上述材料選擇的文字中我選擇了甲醛作為制造齒輪的主要材料。通過查詢資料了解到在工作時以及它所處的環(huán)境中必須要少潤滑。
2.4.3 軸承的潤滑問題
軸承的種類的不同所要求的潤滑的方式也不同，在不同工作環(huán)境下所使用的潤滑劑也會不相同，在本次設(shè)計中軸承為空心軸，采用的潤滑脂為鈣潤滑脂。
2.5 本章小結(jié)
在本章中我通過查詢計算得出了初步的設(shè)計總體方案，從機(jī)器人的操作系統(tǒng)出發(fā)進(jìn)行一系列的操作計算，再進(jìn)行繪制建模和基本數(shù)據(jù)的確認(rèn)，再從大的工作環(huán)境和實際考慮，進(jìn)行再次修稿定型，最后在老師的指導(dǎo)下完整最終的定稿。
第三章 自動墻壁清洗機(jī)主要零件設(shè)計
3.1 直齒輪副的設(shè)計計算
圖3.1 電動機(jī)
如圖3.1所示，在該電動機(jī)驅(qū)動簡圖中，采用的驅(qū)動方式為：閉式直齒圓柱齒輪傳動。已知該傳動機(jī)構(gòu)具有以下參數(shù)特征：
a：功率；
b：小齒輪的轉(zhuǎn)動速度；
c：傳動比；
可以許有的誤差為,在連續(xù)不斷的工作的情況下，可以大略的估計他的壽命在6年內(nèi)。一年平均計數(shù)天。
（1） 選取合適的材料，確定相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且依據(jù)上文的數(shù)據(jù)來進(jìn)行選擇。
對于小齒輪材料的選取，應(yīng)該遵循有關(guān)設(shè)計參數(shù)，結(jié)合實際需求，選取小齒輪的加工材料為。并對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。同同理，大齒輪材料采用，任然對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。因為大齒輪需要承受更大的應(yīng)力，必須使得其齒面硬度高于小齒輪。暫定大齒輪的齒面硬度為，小齒輪的硬度略低于大齒輪，定為。
（2） 初步選齒數(shù) 取小齒輪的齒數(shù)為，則大齒輪的齒數(shù)為：
取整，齒輪數(shù)取 。
（3） 通過計算，得出齒數(shù)比：
由傳動比減去齒數(shù)比得，
在允許誤差之內(nèi)。
（4） 選取合適的齒面寬度系數(shù)以及該齒輪的傳動等級，通過對于資料的查找可以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)：
根據(jù)本次設(shè)計的要求和相關(guān)數(shù)據(jù)得小齒輪直徑：
根據(jù)本次設(shè)計的要求和相關(guān)數(shù)據(jù)得齒面寬度：
根據(jù)本次設(shè)計的要求和相關(guān)數(shù)據(jù)得由相關(guān)數(shù)據(jù)得：
查看參考文獻(xiàn)表可以從表中得到精度等級，為7級。
（5） 根據(jù)數(shù)據(jù)，計算小齒輪的轉(zhuǎn)動力矩
(5.1)
由上面計算的結(jié)果，確定系數(shù)、
(5.2)
查看《機(jī)械設(shè)計手冊》書中涉及到的公式得；
==
（6） 通過上面的計算得出，載荷系數(shù)、
(5.3)
1) 查閱參考文獻(xiàn)表中，看表格，取；
2) 運動載荷系數(shù) 查閱與本次設(shè)計相關(guān)的文獻(xiàn)[6]圖可查得，；
3) 齒輪的載荷分布的系數(shù),查看相關(guān)的參考文獻(xiàn)[6]圖，??；
4) 齒間載荷分配系數(shù)、，查看書中內(nèi)容得；
查看相關(guān)的文獻(xiàn)表得
5) 載荷系數(shù) 、 看上面的公式(5.3)可以得到；
3.1.1 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
（1） 首先把許用應(yīng)力[]確定下來
a）齒輪一共工作的時間：
b）齒輪抗拒應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)、，查看文獻(xiàn)[6]中的公式和參考文獻(xiàn)[6]表可計算查得：
c）齒輪的使用壽命、
由《機(jī)械設(shè)計手冊》圖，再根據(jù)齒輪一共工作的時間得；
d）金屬疲勞 ：
由上面的數(shù)據(jù)，我在查找相關(guān)的論文以及資料的時候最終取
，
e）齒面的安全系數(shù) ：
由上面的數(shù)據(jù)，在翻看書籍《機(jī)械設(shè)計手冊》表，取
f）許用應(yīng)力、
結(jié)合數(shù)據(jù)翻看書籍《機(jī)械設(shè)計手冊》式
（2） 彈性系數(shù)對于齒輪彈性系數(shù)的選取，應(yīng)該遵循有關(guān)設(shè)計參數(shù)，結(jié)合實際需求，選取齒輪的彈性系數(shù)
（3） 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ：
結(jié)合數(shù)據(jù)翻看書籍《機(jī)械設(shè)計手冊》圖，取
（4） 對于小齒輪的直徑 查看書籍《機(jī)械設(shè)計手冊》中的公式
=
符合初步估算的數(shù)值
（5） 確定參數(shù)時，應(yīng)遵循有關(guān)設(shè)計要求，確定齒輪之間的中心距和模數(shù)等參數(shù)
1) 中心距 根據(jù)中心距的公式得
園整取中心距離
2) 模數(shù) 由中心距離及開始選擇的齒數(shù)、，再進(jìn)行計算得
根據(jù)相關(guān)的知識，取
3) 結(jié)合以上的數(shù)據(jù)和分析，分度圓的直徑、為
取
4) 確定齒面寬度
根據(jù)所得數(shù)據(jù)，取大齒輪齒面寬度,
取小齒輪齒面寬度。
3.1.2 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗算
（1） 根據(jù)所學(xué)的知識，求許用彎曲應(yīng)力
a)應(yīng)力循環(huán)的次數(shù) ， 結(jié)合本次設(shè)計的最終目的，對循環(huán)次數(shù)進(jìn)行分析，可采用以下數(shù)據(jù)：
b)齒輪使用壽命的系數(shù)、，根據(jù)生產(chǎn)實際的需求采用得；
c)極限應(yīng)力 、
由所學(xué)的相關(guān)知識，看圖?。?
d)齒輪的尺寸系數(shù)， 由《機(jī)械制造(第6版)》圖9.2-21，取=
e)齒輪工作時的安全系數(shù) 參照《機(jī)械制造(第6版)》表8.1-11，取
f)齒輪工作時的許用應(yīng)力、 ，從書中查找公式，許用彎曲應(yīng)力：
=
=
（2） 前面應(yīng)力已得出，求齒輪相關(guān)參數(shù)、
根據(jù)自己所學(xué)知識，?。?
（3） 參數(shù)、
根據(jù)自己所學(xué)知識， 取：
（4）驗算齒根的抗彎曲疲勞強(qiáng)度，從書中查找所需公式，齒根的彎曲應(yīng)力
通過計算，抗彎疲勞強(qiáng)度滿足要求。
3.1.3 齒面靜強(qiáng)度計算
(1) 確定許用接觸應(yīng)力：
參照《器械制造(第6版)》圖7.2-1，取相對安全系數(shù)
由《器械制造(第6版)》圖8.12-7，取壽命相關(guān)參數(shù)
再根據(jù)自己所學(xué)的知識，大輪的許用接觸應(yīng)力較低。
(2) 校核齒面靜強(qiáng)度
由《器械制造(第6版)》圖(7.12-1)，齒面最大接觸應(yīng)力
齒面靜強(qiáng)度足夠。
3.1.4 齒根（抗彎）靜強(qiáng)度驗算
（1）確定許用彎曲應(yīng)力
根據(jù)自己所學(xué)知識，取靜強(qiáng)度安全系數(shù)
根據(jù)自己所學(xué)知識，取壽命系數(shù)
根據(jù)自己所學(xué)知識，許用彎曲應(yīng)力
（2）求最大彎曲應(yīng)力并校核強(qiáng)度
從書中翻閱公式，可以得到最大彎曲應(yīng)力
由上面結(jié)果得出，靜強(qiáng)度滿足要求。
傳遞動力的齒輪需要對稱分布
3.2 錐齒輪副的設(shè)計計算
根據(jù)《機(jī)械手冊》第二版3-179，材料選擇甲醛，參照《器械制造》第7卷
3.2.1 基礎(chǔ)尺寸確定
小型齒輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)距為,根據(jù)圖2.4-14和圖2.4-15選擇小齒輪大端分度圓直徑為，取大端模數(shù)。
由此可以計算相對應(yīng)的齒輪的齒數(shù)：
軸承的交互角度為
分錐角
外錐距：
齒輪的齒的寬度取0.3，則齒寬： 取b=24mm
齒輪高：
齒輪底端距離頂部：
齒輪的相對高度：
齒頂圓的參數(shù)D：
(5.4)
齒根角：
齒頂角：
頂錐角：
根錐角：
冠頂距：
確定傳動的精度等級
初選平均切線速度
由《器械制造(第6版)》Pg159 表8.2-5，選擇傳動等級為8級。
3.2.2 確定載荷系數(shù)K
使用系數(shù),通過上文中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，取
動載荷系數(shù),經(jīng)過查找基本數(shù)據(jù)和架構(gòu)參數(shù)，取
齒向載荷分布系數(shù),按小錐齒輪懸臂考慮取
載荷系數(shù)
3.2.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
[1] 確定許用應(yīng)力
使用時間相關(guān)參數(shù),根據(jù)已經(jīng)確定的數(shù)據(jù)
安全系數(shù),通過查找文獻(xiàn)中圖8.2-13，取
接觸疲勞極限
[2] 彈性相關(guān)數(shù)據(jù)
[3] 節(jié)點相關(guān)的參數(shù)
[4] 大端分度圓直徑,由《器械制造(第6版)》式(8.1-24)
[5] 檢驗計算
平均直徑：
平均線速度：
[6] 擬定齒輪模數(shù)m:
3.2.4 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度計算
（1） 確定許用應(yīng)力
1) 壽命系數(shù)
2) 安全系數(shù)
3) 尺寸系數(shù)
4) 極限應(yīng)力,取
5) 許用彎曲應(yīng)力
（2） 齒形系數(shù),
1) 分錐角
2) 當(dāng)量齒數(shù):
3) 由《機(jī)械設(shè)計手冊(第5版)》圖8.2-19，取,
4) 應(yīng)力修正系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計手冊(第5版)》圖8.2-20 取，
5) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度由《機(jī)械設(shè)計手冊(第5版)》式8.2-46
(5.5)
(5.6)
(5.7)
三式聯(lián)立求得
滿足要求。
3.3 本章小結(jié)
在這個章節(jié)之中我對齒輪柱以及錐型齒輪驚醒了詳盡的計算。為了防止機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的誤差還在本章中進(jìn)行了細(xì)微的檢測自查，但是因為學(xué)士有限以及個人的能力限制，在具體計算選擇的時候是一45號進(jìn)行計算的，這樣一來簡化了數(shù)據(jù)的計算。
第四章 清洗機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計
4.1 擦洗機(jī)器刷洗部分設(shè)計
假設(shè)擦洗速度0.2㎡/s。
4.1.1 盤刷設(shè)計
1）盤刷的簡單介紹及其用途
在一塊結(jié)構(gòu)緊湊剛度適中的塑料上進(jìn)行集成得到的盤子就是盤刷，這樣設(shè)計的作用是能夠保證臟污能溝北有效的清理干凈，同時遇到障礙物的時候不至于被掛住[18]。刷子半徑，有毛半徑，刷毛長度為，在盤刷與其他構(gòu)件鏈接的地方可以使用的連接部件有很多，我在本文用的是螺栓。
2）聯(lián)動清洗裝置
采用聯(lián)動清洗裝置的目的：
[1] 更換簡單;
[2] 聯(lián)刷體劇透可調(diào)節(jié)性，在遇到障礙時能夠快速避開障礙減少機(jī)器人的損壞；
[3] 將刷盤能夠直接與電機(jī)相連保證動力來源；
聯(lián)動清洗裝置結(jié)構(gòu)如圖4.1。
圖4.1 聯(lián)刷體
3）盤刷的工藝性
顯而易見，盤刷上面的毛是用機(jī)器安裝上去的，具體操作如下所示：
在盤刷大的框架定型之時將提前準(zhǔn)備好的絨毛像插秧那樣用機(jī)器一次性的埋下去，為了防止絨毛的脫落嚴(yán)重，在絨毛的根部會上一個卡子。
盤刷植入絨毛時的相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求：
毛孔直徑：
每個毛孔之間的距離：
所需插孔深度：
每個孔里的絨毛數(shù)量：六根
滾刷原理與上面相同。
4.1.2 滾刷設(shè)計
滾刷外部是由橡膠構(gòu)成，橡膠來源很多可以輕松獲取，并且能夠增加摩擦力，加快清理的效率，絨毛就是插在橡膠上的，使用這個方法可以達(dá)到快速更換的目的。滾刷半徑為，有刷毛部分長度為。滾刷結(jié)構(gòu)如圖4.2。
圖4.2 滾刷
為了操縱簡易，節(jié)省材料，減少電池的數(shù)量是必然的，以這個作為前提條件進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計中兩個刷子就必須并聯(lián)在電機(jī)兩側(cè)共同使用電機(jī)，在設(shè)計中為了節(jié)省資金又不能降低電機(jī)的輸出，因此我選擇三項電機(jī)。
在實際的操作中我發(fā)現(xiàn)由于經(jīng)驗的缺乏，我只能講風(fēng)葉的工作壓力調(diào)整為公斤力。機(jī)器人的4個輪子每個承受公斤力。因為盤刷材料以及結(jié)構(gòu)的原因，我設(shè)定盤刷單獨承受N=2KG的力
經(jīng)過檢測刷盤絨毛與物體的動摩擦系數(shù)為，取
對刷盤的基本參數(shù)微積分得到 :
1) 機(jī)器人在工作時的力矩：
盤刷：
刷子在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：
滾刷：
在機(jī)器人進(jìn)行清理時需要的總力矩：
2) 初定盤刷轉(zhuǎn)速：
根據(jù)刷洗力矩，型號為Y3-712-6，額定功率,轉(zhuǎn)速平鍵4×20，保持轉(zhuǎn)矩為。
4.1.3刷洗部分所用彈簧的設(shè)計
1）彈簧的種類：根據(jù)所學(xué)知識和經(jīng)驗，在選擇彈簧上，考慮易于操作和結(jié)構(gòu)簡單的。綜合考慮之下，選擇壓縮型螺旋彈簧;
2) 彈簧的材料：根據(jù)所學(xué)知識和經(jīng)驗，選用碳素彈簧鋼；
3）首先確定相關(guān)參數(shù)
[1] 根據(jù)所學(xué)知識，翻閱書籍得到彈簧的圈數(shù)
[2] 根據(jù)所學(xué)知識，選擇彈簧直徑：，
在達(dá)到最大載荷的前提下，允許產(chǎn)生形變：
彈簧的剛度：
彈簧允許的最大載荷：
彈簧允許的最大極限：
彈簧每一節(jié)的長度：
癱瘓節(jié)與節(jié)的間距：
[3] 計算數(shù)據(jù)
彈簧的中徑：
彈簧的內(nèi)徑：
彈簧的間隙：
彈簧總展開長度：
；
螺旋角：；
彈簧的自由高度：
；
允許極限負(fù)載時的彈簧高度：
；
彈簧的旋向：在滿足要求下左旋右旋都可以。
4.2 內(nèi)空心軸設(shè)計
如圖4.3所示，在工作的時候，當(dāng)盤刷在運動時空心釘軸承必然不動由此才能使得在機(jī)器人內(nèi)部的噴嘴也不會轉(zhuǎn)動，同時，在滾動軸承的作用下，軸兩端分別以主要的構(gòu)件相連接來保持架構(gòu)的穩(wěn)定。
圖4.3 空心軸
4.3 擦洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計
如圖4.4所示，當(dāng)機(jī)器人接通電源開始進(jìn)行清掃工作的時候，在螺旋槳葉片的作用下排放出快速高壓的氣流，由于機(jī)器人行走方式以及路徑的原因，機(jī)器人需要強(qiáng)的吸附能力，才能在玻璃等光滑的物體上平穩(wěn)的安全的進(jìn)行工作[19]，但是螺旋槳葉片提供的壓力也不能太大，因為我在前文提到，我在機(jī)器人的底部安裝了柔軟的絨毛來達(dá)到快速風(fēng)干以及進(jìn)一步清理的目的你加入壓力過大，必然會損壞構(gòu)件上的絨毛。因此在設(shè)計時需要考慮到這一點來進(jìn)行設(shè)計。
圖4.4 擦洗機(jī)主機(jī)滾輪結(jié)構(gòu)圖
4.4 主機(jī)上傳感器及行程開關(guān)的選擇
由于高空作業(yè)的特殊性以及安全考慮，勢必需要在機(jī)器人上安裝一個傳感器來人為進(jìn)行操作。傳感器的種類眾多，比如使用電磁波、紅外線、超聲波的傳感器。通過比較我選擇超聲波傳感器，因為考慮到機(jī)器人工作地點特殊性，對傳感器的靈敏度以及工作區(qū)域的范圍要求很高。
為了起到保險的作用，我們還需要給它添加一個安全裝置，用來解決信號突然中斷、減少鎮(zhèn)等的產(chǎn)生、處理內(nèi)部芯片的邏輯錯誤等等。
4.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖4.5所示，采用復(fù)合纜結(jié)構(gòu)的原因是，本機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較簡單，但是組裝完勝吼，在機(jī)器人的內(nèi)部各線纜就會糾纏的一起，很不安全，而且在拆除維修的時候加大了工作難度。
圖4.5復(fù)合攬結(jié)構(gòu)圖
鋼絲繩的斷裂不會在同一時間發(fā)生，因此它的安全性能得以保障。另外鋼絲繩的價格便宜，應(yīng)用范圍廣，技術(shù)成熟，單位面積上能夠承受的重量很大，在工作中能到達(dá)到靜音的標(biāo)準(zhǔn)。我在這次的設(shè)計中使用型號為：GB1102-74
當(dāng)鋼絲繩發(fā)生破斷效應(yīng)的時候：
(3.1)
—鋼絲繩破斷拉力（公斤）
—鋼絲繩工作時承受的最大靜拉力（公斤）
—根據(jù)機(jī)構(gòu)重要性，工作類型及載荷情況而定的鋼絲繩安全系數(shù)。
本次設(shè)計中我所選的鋼絲型號為，根據(jù)文獻(xiàn)和實際查閱得到這個型號的鋼絲繩將它拉斷所要付出的最小拉力為公斤。根據(jù)查閱其中機(jī)構(gòu)的分級標(biāo)準(zhǔn)了解到這個型號應(yīng)該是輕級，所以選繩。由于本次設(shè)計的清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡單，所選材料密度小，所以將靜拉力暫時定為400公斤。由公式(3.1)。
所以選用的鋼絲繩強(qiáng)度足夠。
4.6 本章小結(jié)
在這個章節(jié)中我著重詳細(xì)介紹并且初步擬定了清洗機(jī)器人內(nèi)部的其他的構(gòu)件比如盤刷等，因為體積有限，所以機(jī)器人所攜帶的清氣材料就不應(yīng)該太多否則會增大機(jī)器人整體的質(zhì)量，引起受力的變化，而且這樣計算也太過復(fù)雜，所以我使用盤刷、洗刷的雙刷結(jié)構(gòu)組成的簡單系統(tǒng)來應(yīng)對。
第五章 自動墻壁清洗機(jī)吸附系統(tǒng)設(shè)計
5.1 采用風(fēng)壓吸附的意義
采用風(fēng)壓作為洗刷壓力，可以避免因外玻璃材料和形狀的變化對穩(wěn)定性和可靠性的影響，即有障礙物，或者有突起，對壓力影響不大，提高了可靠性，對建筑物外形形狀的適應(yīng)性也更強(qiáng)。
5.2 基本原理
采用正壓與負(fù)壓相結(jié)合，利用偏心壓緊，使擦洗機(jī)的輪的一端先接觸玻璃，形成一個相對小的腔體，再利用懸吊系統(tǒng)縮減機(jī)器人清掃部位和墻壁之間的距離，同時，在機(jī)器人內(nèi)部的螺旋槳會產(chǎn)生真空效果，在外部的大氣作用下，將機(jī)器人的機(jī)體緊緊地擠壓在墻壁上，產(chǎn)生吸附效果。當(dāng)腔體變小的時候，通過螺旋槳流入機(jī)體內(nèi)部的空氣流就變得更少，在外界大氣的作用下機(jī)體產(chǎn)生吸附力。當(dāng)腔體很大時，空氣會流通暢快，產(chǎn)生正壓，使機(jī)體壓緊玻璃。隨著腔體變小，空氣流速度減小，正壓減小，負(fù)壓增強(qiáng)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，可得到所需的壓力，使擦洗機(jī)具有一定壓力的貼在玻璃體玻璃，提供連續(xù)均勻的擦洗力，通過調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)擦洗力的大小 ，以達(dá)到最佳擦洗效果。如對于玻璃玻璃，采用低轉(zhuǎn)速，對于磚玻璃，采用高轉(zhuǎn)速，調(diào)速由電機(jī)的星—三角轉(zhuǎn)換完成。
5.3 氣動計算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求
初始數(shù)據(jù)如下
=mm3
=m3
螺旋槳初定選用參數(shù)：
1. 關(guān)于風(fēng)葉的直徑數(shù)據(jù)：d根據(jù)前面的計算結(jié)果得出d=.
2. 電機(jī)的計算與篩選：通過之前詳細(xì)計算與對比中發(fā)現(xiàn)三相電機(jī)是最優(yōu)的選擇，在這個設(shè)計中因為我舍棄了一個電機(jī)來使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)變得更為簡單，所以需要加強(qiáng)對風(fēng)葉的運動速度的要求，因此選用風(fēng)扇電機(jī)的功率為×103W，額定電壓為，轉(zhuǎn)速為3. 電機(jī)軸與螺旋槳直接用鍵和軸連接，輪轂和電機(jī)軸過盈配合由定位銷定位。因螺旋槳的洗刷壓力始終使螺旋槳壓向電機(jī)，不會甩脫。
4. 氣體經(jīng)過螺旋槳的壓縮進(jìn)入內(nèi)部的效率為ηv =10%
流量
進(jìn)入機(jī)器人內(nèi)部的氣體相關(guān)數(shù)據(jù)為：；；
技術(shù)要求為：
1.能夠在相對短的時間內(nèi)進(jìn)行較大的的區(qū)域清掃；
2.結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量不大；
3.能夠在工作中進(jìn)行快速的變工；
4.使用時間要盡可能長一些設(shè)定為一年；
5.運行時不會產(chǎn)生振動影響系統(tǒng)和安全。
5.4風(fēng)壓部分力學(xué)計算
風(fēng)壓部分的作用是在螺旋槳的作用下機(jī)器人內(nèi)部與大氣壓產(chǎn)生負(fù)差，在負(fù)差的作用下，機(jī)器人將被大氣僅僅的擠壓在物體變面上不會發(fā)生吸附力變化的情況，風(fēng)壓系統(tǒng)包含多個元件，進(jìn)口導(dǎo)流器、收斂器以及螺旋槳。
一旦機(jī)器人內(nèi)部有的氣體經(jīng)由螺旋槳進(jìn)入大氣時，由氣體連續(xù)性方程：
(4.1)
氣體進(jìn)口即進(jìn)入導(dǎo)流器時的速度為：
(4.2)
由于在實際中必然會發(fā)生空氣泄露，但是與整個相比數(shù)量很少因此忽略這點進(jìn)行計算：
(4.3)
氣體單位時間內(nèi)的流通速率為：
已知：電機(jī)功率為
(4.4)
氣體出口處的速度定為,取
由流體力學(xué)動量定理知，單位時間內(nèi)流出控制面的動量與流入控制面的動量的差值，等于作用于控制面內(nèi)流體的全部外力之和，即：
(4.5)
5.5 本章小結(jié)
本章重新探討研究了關(guān)于機(jī)器人吸附能里的變化和修改，起到對之前的吸附性計算的檢驗的作用，同時對機(jī)器人的整體性能進(jìn)行重新估算，確保在設(shè)計制造過程中機(jī)器人在工作時的安全性和可靠性。 第六章 總結(jié)
在本次畢業(yè)設(shè)計機(jī)械設(shè)計中，我認(rèn)為它不僅僅是對于我自己大學(xué)本科專業(yè)學(xué)習(xí)的一次檢驗，也是一次自我對各方面學(xué)習(xí)的一次提升。在課題的理解，通過各種方式收集資料，運用所學(xué)知識解決實際問題，進(jìn)一步了解計算機(jī)輔助在專業(yè)上的幫助等各方面都有了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與提高。整個機(jī)械設(shè)計是總結(jié)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)，根據(jù)所設(shè)計機(jī)械所要實現(xiàn)的功能