全方位感應(yīng)智能擦窗機(jī)課程設(shè)計(jì)說明書

1、燕山大學(xué)專業(yè)綜合訓(xùn)練說明書項(xiàng)目名稱： 全方位智能擦窗機(jī)小組分工及貢獻(xiàn)小組成員完成總體方案設(shè)計(jì)和三維圖裝配；摘要隨著現(xiàn)代社會(huì)的迅猛發(fā)展，高層建筑的逐漸增多，室外清潔工作所花費(fèi)的成本與面臨的安全隱患也持續(xù)增大。然而，家庭擦窗時(shí)，總會(huì)遇到這樣的麻煩：窗戶外側(cè)玻璃由于空間限制，擦拭比較困難，尤其是當(dāng)住在高層建筑上時(shí)，操作時(shí)存在很大的安全隱患；但如果不擦拭，長(zhǎng)時(shí)間后粘上灰塵，降低美觀度，并帶來很多不必要的困擾。針對(duì)現(xiàn)有狀況，我們研發(fā)和設(shè)計(jì)了這款新型擦窗機(jī)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壁同時(shí)自動(dòng)擦拭，智能化、集成化程度高，操作簡(jiǎn)便。關(guān)鍵詞擦窗機(jī) 內(nèi)外同步擦拭 對(duì)角雙驅(qū)動(dòng) 零死角目 錄小組分工及貢獻(xiàn)2摘要3第1章 緒論21.1

2、 課題背景21.2研究現(xiàn)狀21.2.1小型擦窗機(jī)21.2.1.1風(fēng)壓吸附式21.2.1.2氣動(dòng)吸附式31.2.2大型擦窗機(jī)31.2.3總結(jié)3第2章 工作原理42.1整體裝置42.2機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)52.2.1驅(qū)動(dòng)換向設(shè)計(jì)52.2.2吸附裝置設(shè)計(jì)72.2.3擦拭裝置設(shè)計(jì)7a. 工作原理7b. 主要部件設(shè)計(jì)參數(shù)82.2.4萬向從動(dòng)裝置的利用82.2.5計(jì)算機(jī)嵌入式控制模塊9第3章 重要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算93.1運(yùn)動(dòng)學(xué)初步設(shè)計(jì)93.2傳動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算103.3軸的ansys分析13受力后變形圖13結(jié)論15第四章 功能特色15第五章 操作方法16第六章 市場(chǎng)前景16參考文獻(xiàn)174 宋寶玉.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)

3、計(jì)指導(dǎo)書m.高等教育出版社，2006:178-18017第1章 緒論1.1 課題背景當(dāng)今社會(huì)，隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的逐漸加快，人們的生活質(zhì)量逐漸提升，人們對(duì)居室環(huán)境的要求也愈來愈高，窗戶的清潔與衛(wèi)生工作成了不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。然而，隨著高層建筑的逐年增多，窗戶玻璃的清潔工作成了很多家庭都倍感頭疼而又必須面對(duì)的問題。不管是傳統(tǒng)的平開窗，還是如今逐漸普遍的推拉窗，都存在這樣的問題，相對(duì)容易擦拭的內(nèi)側(cè)玻璃，人需要登高才能完成清潔工作，而對(duì)于外側(cè)玻璃，由于空間的限制，難以擦拭，尤其是對(duì)于身居高層建筑上時(shí)，擦拭時(shí)存在很大的安全隱患，極易發(fā)生危險(xiǎn)，因此很多家庭往往容易放棄，或者僅僅擦拭小塊面積，既影響了美觀，同

4、時(shí)長(zhǎng)期下來也將影響室內(nèi)光照，降低生活舒適度。我們?cè)O(shè)計(jì)的這款全方位感應(yīng)智能擦窗機(jī)便是針對(duì)這些實(shí)際問題而設(shè)計(jì)、制作的。1.2研究現(xiàn)狀當(dāng)今，各國(guó)的擦玻璃機(jī)器人基本都是專為某棟大樓而設(shè)計(jì)，即在建樓之初就要預(yù)設(shè)軌道，這無疑增加建樓成本和影響美觀；或則機(jī)器人非常笨重，移動(dòng)速度很慢，且容易掉下來。從公開的資料來看，擦玻璃機(jī)器人在全世界都沒有很成熟通用的產(chǎn)品。從研究角度來看，主要有一下幾種擦窗機(jī)器。1.2.1小型擦窗機(jī)1.2.1.1風(fēng)壓吸附式 特點(diǎn)：依靠機(jī)器內(nèi)置的大功率排風(fēng)扇，排出機(jī)器與窗戶壁面之間的空氣，吸附力大，使機(jī)器能夠牢固地吸附在玻璃上。缺陷：由于吸附力較大，擦拭部件與壁面摩擦力很大，一般不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

5、擦拭，需人工手動(dòng)操作；風(fēng)機(jī)噪聲大，環(huán)境污染嚴(yán)重；無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壁同時(shí)同步工作，效率低。 1.2.1.2氣動(dòng)吸附式特點(diǎn)：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過氣泵將吸盤抽真空而吸附在窗面上，吸附效果好 缺陷：多制成足式機(jī)器人，步進(jìn)控制繁瑣，工作速度慢，效率低；體積相對(duì)較大，質(zhì)量較重，且氣泵工作噪聲大，環(huán)境污染嚴(yán)重；壁面光潔度要求高，一旦有縫隙，則吸盤無法吸附，機(jī)器易掉落。1.2.2大型擦窗機(jī)水平軌道式：軌道沿樓頂屋面布置，設(shè)備可沿軌道自由行走，完成不同立面的作業(yè)；附墻軌道式：軌道沿樓頂墻面布置，設(shè)備可沿軌道自由行走，完成不同立面的作業(yè)；輪載式：屋面行走通道沿樓頂女兒墻布置，設(shè)備可沿通道自由行走，完成不同立面的作業(yè)；插桿式

6、：插桿基座沿樓頂墻內(nèi)側(cè)屋面布置。插桿換位作業(yè)需人工搬移，以完成不同立面的作業(yè)；懸掛軌道式：懸掛軌道沿樓頂在墻外側(cè)布置，設(shè)備可沿軌道自由行走，完成不同立面的作業(yè)；滑梯式：滑梯結(jié)構(gòu)按建筑物屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滑梯行走有電動(dòng)和手動(dòng)兩種?？赏瓿刹煌蓓敽土⒚娴淖鳂I(yè)。這類擦窗機(jī)能夠解決大平面墻壁、玻璃等的擦拭工作，但由于體型都很大，質(zhì)量很重，成本很高，適用于大型機(jī)械戶外工作，不適宜普通家庭使用。1.2.3總結(jié)基于上述分析，可以了解到，目前關(guān)于擦窗類機(jī)器品類繁多，但卻總是不可避免地存在一些亟需解決的問題，如降噪、輕量化等。為了解決這些問題，在做了大量的市場(chǎng)調(diào)研并分析了相關(guān)產(chǎn)品的性能利弊之后，研發(fā)、設(shè)計(jì)了這款全方

7、位感應(yīng)智能擦窗機(jī)。利用銣鐵硼強(qiáng)磁材料雙向吸附窗面，對(duì)角驅(qū)動(dòng)機(jī)體，同時(shí)融合計(jì)算機(jī)嵌入系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，機(jī)電一體，能夠充分滿足普通家庭的擦窗需求，并有一定的拓展應(yīng)用空間。第2章 工作原理2.1整體裝置本裝置主要由以下部分構(gòu)成：裝置的三維模型如下3（主動(dòng)機(jī)與從動(dòng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)換向模塊控制部分擦拭部分萬向從動(dòng)部分圖1 裝置主、從動(dòng)機(jī)三維模擬視圖2.2機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)2.2.1驅(qū)動(dòng)換向設(shè)計(jì)a. 工作原理由于擦窗機(jī)的工作環(huán)境為豎直面，因此，減輕機(jī)體自重是必須考慮的。我們采用主對(duì)角驅(qū)動(dòng)，副對(duì)角從動(dòng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使機(jī)器能夠沿x、y方向進(jìn)行擦拭，我們?cè)谥鲗?duì)角驅(qū)動(dòng)位置加以換向裝置。作為本設(shè)計(jì)的核心部件，驅(qū)動(dòng)換向設(shè)計(jì)如

8、下圖： 圖2 驅(qū)動(dòng)換向原理圖當(dāng)機(jī)器單向行進(jìn)擦拭時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)小錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)底座錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力傳動(dòng)給換向錐齒輪，從而帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)擦窗機(jī)行至窗面邊緣，需要換向時(shí)，電機(jī)停止工作，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90，與舵機(jī)輸出軸配合的套筒隨之旋轉(zhuǎn)90，因?yàn)檐囕嗇S從套筒中穿過，所以車輪軸也轉(zhuǎn)動(dòng)90。實(shí)現(xiàn)換向，繼續(xù)擦拭。 b. 主要部件設(shè)計(jì)參數(shù)（1）減速驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)減速比i空載轉(zhuǎn)速rpm空載電流ma負(fù)載力矩g.cm負(fù)載轉(zhuǎn)速rpm負(fù)載電流ma堵轉(zhuǎn)扭力kg.cm堵轉(zhuǎn)電流ma啟動(dòng)電壓v1:59.213575120012025010.524000.5（2） 舵機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)型號(hào)solidmotion cds54

9、01長(zhǎng)/寬/高265/250/95mm供電4.8-7.4vdc最大扭矩/6v13kgf.cm最大電流/6v2.5a空載速度0.22sec/60degre重量55g接口三線制輸出軸剛輸出線纜長(zhǎng)度30cm2.2.2吸附裝置設(shè)計(jì)要想進(jìn)行雙面同時(shí)同步擦拭，吸附部件必不可少。我們通過咨詢實(shí)驗(yàn)室老師了解到，釹鐵硼強(qiáng)磁材料的吸附力，可以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過試驗(yàn)，我們確定采用銣鐵硼強(qiáng)磁材料作為我們的吸附件。由于該設(shè)計(jì)對(duì)同步的要求較高，需要兩側(cè)機(jī)器幾乎完全同步，為盡量減少從動(dòng)機(jī)體的滯后，我們利用磁環(huán)的自動(dòng)矯正性能，將吸附材料定做成環(huán)狀，即銣鐵硼強(qiáng)磁環(huán)2.2.3擦拭裝置設(shè)計(jì)(1) 主動(dòng)機(jī)a. 工作原理為了減少

10、刷子旋轉(zhuǎn)過程中由于沖擊慣性所帶來的不利影響，使擦窗機(jī)能夠更加平穩(wěn)地工作，我們?cè)O(shè)計(jì)的擦拭部分為雙刷盤、反向?qū)ΨQ同時(shí)擦拭。通過微型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直尺圓柱齒輪傳動(dòng)，保證兩個(gè)刷盤能夠正常工作。機(jī)構(gòu)三維模型如下圖：圖4 擦拭部分三維視圖b. 主要部件設(shè)計(jì)參數(shù)（1）與電機(jī)齒輪接觸的傳動(dòng)齒輪a參數(shù)齒數(shù)模數(shù)齒輪厚度mm壓力角孔徑mm300.53202（2） 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)減速比i空載轉(zhuǎn)速rpm空載電流ma負(fù)載力矩g.cm負(fù)載轉(zhuǎn)速rpm負(fù)載電流ma堵轉(zhuǎn)扭力kg.cm堵轉(zhuǎn)電流ma啟動(dòng)電壓v1:20675.065110575.01100.725601.0(2) 從動(dòng)機(jī) 為了能夠使兩側(cè)機(jī)器盡可能地保持同步，降低控

11、制模塊的難度，我們?cè)O(shè)計(jì)的從動(dòng)機(jī)為無驅(qū)動(dòng)緊貼擦拭。即在從動(dòng)機(jī)上通過魔術(shù)貼固定靜電百潔布。具有很好的擦拭、吸水效果，避免擦拭之后窗面殘留過多水汽，影響透光效果。2.2.4萬向從動(dòng)裝置的利用為了盡可能地減輕機(jī)體自重，避免過多的舵機(jī)、電機(jī)的使用，我們?cè)诟睂?duì)角線位置采取萬向輪設(shè)計(jì)。在主對(duì)角線車輪驅(qū)動(dòng)的帶動(dòng)下，萬向輪能夠自由調(diào)節(jié)方向，使保持機(jī)器能夠自如的向前行進(jìn)。2.2.5計(jì)算機(jī)嵌入式控制模塊控制模塊主要分為如下幾個(gè)部分：a. 單片機(jī)最小系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)采用mega16，主要用作擦窗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制；b. 壓力傳感器：壓力傳感器采用碰撞式的，用于檢測(cè)擦窗機(jī)器人是否到達(dá)窗戶的邊沿。如果達(dá)到窗戶邊沿，壓力傳感器接

12、收到信號(hào)并將信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)采取相應(yīng)的操作，如指示機(jī)器人掉頭、拐彎等；c. 按鍵輸入與顯示：采用4*4鍵盤對(duì)機(jī)器人的工作時(shí)間和工作方向進(jìn)行預(yù)設(shè)值，設(shè)置的結(jié)果通過液晶1602顯示。擦窗機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)置的工作方式進(jìn)行工作。第3章 重要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)初步設(shè)計(jì)設(shè)定行進(jìn)速度v=120mm/s。在向上運(yùn)動(dòng)的過程中所需電機(jī)的功率最大，所以此時(shí)以此時(shí)的功率作為電機(jī)的功率。工作機(jī)功率，查手冊(cè)得=0.95。則電機(jī)所需功率pd=pw/，其中=，=0.96，為齒輪嚙合效率。則電機(jī)所需功率pd=2.06w。電機(jī)轉(zhuǎn)速所需范圍 。考慮到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)零件的簡(jiǎn)化，統(tǒng)一我們采用的傳動(dòng)比：=1。所以電機(jī)轉(zhuǎn)速考慮

13、到傳動(dòng)的平穩(wěn)性，則取中間的圓錐大于兩側(cè)圓錐。傳動(dòng)比分配 各軸轉(zhuǎn)速：各軸功率：各軸轉(zhuǎn)矩：列表如下：軸號(hào)n (r/min)p(w)t(n.mm)i138.222.06514.731.7222.481.98840.043.2傳動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算a. 材料選擇考慮到所需齒輪速度不高，載荷不大，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸沒有嚴(yán)格限制，同時(shí)考慮到盡可能降低機(jī)體自重，剛度強(qiáng)度要求不嚴(yán)格，我們將大小齒輪均采用銅為材料。b. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) （1）確定齒數(shù)、參數(shù)等級(jí) 取z1=21，z2=iz1=34.3。圓整z2=35。 （2）確定許用接觸應(yīng)力 查手冊(cè)得： 盈利循環(huán)次數(shù)（假定使用年限為5年） 查手冊(cè)得： 取s=1.0，

14、則 初定分度圓的錐頂角： c. 確定各計(jì)算參數(shù) （1）載荷系數(shù) , 其中， （2）其它參數(shù) （3）小齒輪分度圓直徑： （4）修正系數(shù) （5）修正 （6）大端模數(shù) （7）計(jì)算錐距： （8）大端頂圓直徑： 平均分度圓直徑： 齒寬： d. 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （1）計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) 查表得， （2）查取彎曲疲勞極限應(yīng)力及壽命系數(shù)： 由得： （3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為1%，安全系數(shù)s=1。 綜上，齒輪選取合適。3.3軸的ansys分析擦窗機(jī)器人總重量約為2kg，車輪直徑80mm，工作是轉(zhuǎn)換到車軸上的扭矩約為0.784nm，設(shè)傳動(dòng)效率為0.95，則所校核軸受扭矩為0.784/0.95=0.8

15、25 nm，轉(zhuǎn)換為在鍵槽上的均布?jí)簯?yīng)力為2.35mpa，對(duì)軸校核結(jié)果如下：模型圖受力后變形圖等效應(yīng)力分布圖由該分析結(jié)果可知最大應(yīng)力為25.5474mpa結(jié)論45鋼許用應(yīng)力值為= 235mpa，由上述分析結(jié)果可知其受到最大等效應(yīng)力為= 25.5474mpa，安全系數(shù)=9.20，所以其結(jié)構(gòu)安全合理。第四章 功能特色（1）通過銣鐵硼強(qiáng)磁材料吸附實(shí)現(xiàn)窗戶內(nèi)外側(cè)同時(shí)擦拭；（2）利用計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)彎、尋跡，機(jī)電一體化，實(shí)現(xiàn)全方位擦拭；（3）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)車體不動(dòng)，只是車輪換向，避免了車體轉(zhuǎn)向所帶來的死區(qū)（擦拭不到的扇形區(qū)域）；（4）采用單對(duì)角線驅(qū)動(dòng)的方式，減輕了機(jī)器自重，同時(shí)大幅

16、度降低噪聲，工作平穩(wěn)、快捷、流暢；（5）操作者可以根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)定機(jī)器工作時(shí)間、工作機(jī)行進(jìn)速度，更加人性化、智能化；第五章 操作方法步驟1：將擦窗機(jī)雙向同時(shí)放在玻璃兩側(cè)角落，車輪方向?yàn)閤軸向，通過內(nèi)部的強(qiáng)磁材料緊密吸附；步驟2：打開電源開關(guān)，通過鍵盤輸入預(yù)定工作的時(shí)間；設(shè)定完畢之后，機(jī)器將自動(dòng)沿著x軸向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器行至窗戶邊緣，壓力傳感器觸發(fā)，則車輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向，機(jī)器沿著y軸自動(dòng)移動(dòng)一個(gè)身位距離，沿著-x方向移動(dòng)擦拭，如此往復(fù)。直至預(yù)定時(shí)間完畢截止。第六章 市場(chǎng)前景本設(shè)計(jì)方案旨在通過以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，借助單片機(jī)控制系統(tǒng)，產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)作，智能化、集成化較高，體積小，簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)擦拭速度可調(diào)，工作時(shí)間可預(yù)先設(shè)定，借助更人性化的液晶顯示模塊，進(jìn)行速度顯示，方便使用者實(shí)用，適用于普通家庭擦拭窗戶玻璃實(shí)用，對(duì)于住在高層建筑上的消費(fèi)者來說，其價(jià)值體現(xiàn)得更明顯，避免了擦窗時(shí)可能帶來的種種意外情況的發(fā)生，保障了生命和財(cái)產(chǎn)的安全，方便實(shí)用，可操作性強(qiáng)。因此本產(chǎn)品能從社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益方面取得巨大的雙重收獲。同時(shí)，作為一款平面工作機(jī)，由于它的無弧度轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)，換向時(shí)機(jī)身不動(dòng)，使它相較于其它擦拭機(jī)器能夠保證更大的擦拭面積，死角更小，可以拓展應(yīng)用于諸如地面、桌面