畢業(yè)設(shè)計（論文）-玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

編號： 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書題 目：玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué) 院：專 業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 職 稱： 題目類型：理論研究 實驗研究 工程設(shè)計 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) I摘 要 由于各種因素的影響，市場上玻璃清潔機器人的技術(shù)還處于初級階段，在實際運用中還存在諸多問題。本次設(shè)計通過研究玻璃清潔機器人的工作原理及過程，經(jīng)過詳細的方案規(guī)劃，反復(fù)論證方案，找出一種目前技術(shù)上最成熟、最符合實際運用的運動方案。本文介紹了解決目前玻璃幕墻難于清洗這一難題的玻璃清潔機器人的研究,設(shè)計,運用方案,并把其中一種我們認為是目前最合理,最具有市場前景的設(shè)計方案進行詳細規(guī)劃及分析,反復(fù)對方案進行認證,逐步進行修改及優(yōu)化.確定玻璃清潔機器人以輪式自主移動機器人為載體.最終完成玻璃清潔機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、機構(gòu)各種參數(shù)計算和分析、相關(guān)零件材料的選用及工藝分析。全套圖 紙加扣 3346389411 或 3012250582從玻璃清潔機器人在玻璃墻壁上的行走機構(gòu),轉(zhuǎn)向和自動避障機構(gòu),自動清洗機構(gòu)三個模塊詳細闡述了機器人系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法.玻璃清潔機器人的工作原理是利用兩對傳動齒輪將驅(qū)動電機上的力矩傳遞到驅(qū)動軸上,從而帶動兩個后輪轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)機器人在玻璃墻壁上的自由行走.機器人的兩個前輪均采用嵌入式直接驅(qū)動裝置,在機器人正常直線行走時為機器人提供一定的牽引力,在機器人遇到障礙物時則一個電機正II轉(zhuǎn),一個電機反轉(zhuǎn),實現(xiàn)機器人的零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向.清洗機構(gòu)為滾桶式,由驅(qū)動電機提供動力,并且中間無減速機構(gòu),即滾筒的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速相同。 通過在已有的方案基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計，使得設(shè)計出來的玻璃清潔機器人更能滿足用戶的需求，以此拓展它的市場前景。關(guān)鍵詞：輪式；玻璃；滾筒；嵌入式直接驅(qū)動裝置；正反轉(zhuǎn)IIIAbstractBecause of the influence of various factors, glass cleaning robot technology is still in its infancy in the market, there are lots of problems in practice. This design through the study of working principle and process of glass cleaning robot, through the detailed program planning, repeated demonstration project, to find out a kind of the most mature on the technology at present, the most practical use of motion scheme.Researching, designing, using the scheme of glass cleaning robot to solve the glass curtain wall is difficult to clean are introduced in this paper，and the one we think is the most reasonable, most has the market prospect of detailed planning and analysis has been made to the design, repeated authentication scheme, modify and optimize step by step. Finally determine the glass cleaning robots with wheeled autonomous mobile robot as the carrier, and finishing glass cleaning robot structure design, calculation and analysis of various parameters, material selection of parts and process analysis.This article from the travel mechanism of glass in glass wall cleaning robot, steering and automatic obstacle avoidance mechanism，automatic cleaning mechanism three modules in detail elaborated the working principle and realization method of the robot system. Glass cleaning robots working principle is to use two pairs of gear drives the torque on the machine, is passed on to the drive shaft to drive the two rear wheels turning, to realize robot walking on the glass wall of freedom. The robots two front wheels adopts embedded direct drive device, in the robot walking straight and normal provide certain traction force for robot, in the robot meet with obstacles is a motor forward, a motor reversal, realize zero turning radius turn of the robot. Cleaning mechanism is barrel type, provided by the drive motor power, and the middle without retarding mechanism, namely the rattler at the same speed with the speed of the drive motor. Through innovative designing based on the existing solutions, makes the designed glass cleaning robot can meet the needs of users, to expand its market prospects.Key words: wheel；glass；rattler；embedded direct drive device；pros and cons goIV目 錄 1 引言 .11.1 課題研究的背景.11.2 課題研究的意義.21.3 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術(shù)水平.22 玻璃清潔機器人總體運動方案規(guī)劃 .22.1 玻璃清潔機器人行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu)方案設(shè)計.22.1.1 足式行走機構(gòu).32.1.2 履帶式行走機構(gòu) .42.1.3 輪式行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu) .42.2 清洗機構(gòu) .72.3 傳動機構(gòu) .82.3.1 方案一 .82.3.2 方案二 .82.4 最終選用的總體方案 .83 電機選型 .94 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要參數(shù)計算、分析 .124.1 車輪設(shè)計 .124.2 后輪驅(qū)動減速機構(gòu)設(shè)計 .134.3 后輪驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 .184.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設(shè)計 .204.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 .214.6 電機連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .244.7 后輪減速機構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 .254.8 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 .264.9 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .284.10 吸附機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及合理性分析 .295 玻璃清潔機器人穩(wěn)定性分析 .306 重要零件的材料選用和加工工藝的編寫 .316.1 軸類零件的材料選用與加工工藝分析 .316.2 底盤的熱處理與加工工藝分析 .376.3 減速機構(gòu)上箱體和機器人外蓋的加工藝分析 .386.4 齒輪的加工工藝分析 .396.5 磁吸盤的加工工藝分析 .39V7 裝配干涉分析結(jié)果 .398 玻璃清潔機器人總裝配圖 .409 結(jié)論 .41謝 辭 .42參考文獻 .43附 錄 .441 引言1.1 課題研究的背景在繁華的市中心區(qū)域，高層建筑越來越多，樣式多樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風景。隨著玻璃制作工藝技術(shù)的不斷革新，玻璃的強度不斷提高，并且玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實用美觀，建筑師在設(shè)計時高層建筑的外壁越來越多地采用鋼化玻璃制作玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。但是由于玻璃沒有自我清潔的能力，時間一長，空氣中懸浮顆粒就會吸附于玻璃外墻上，為了保證建筑外觀的整潔美觀，就需要對墻壁進行清洗，以美化城市市容市貌。玻璃幕墻難于清洗,清洗成本高昂,清洗工作量大并且清洗工人工作環(huán)境危險等難題。因此,面對市場對于清洗玻璃建筑的巨大需求, 市場上目前投入使用的少量玻璃清潔機器人,技術(shù)上仍然存在許多的問題,例如:避障時機器人的轉(zhuǎn)彎半徑過大,機器人無法清洗機器人邊緣經(jīng)過的玻璃墻面,機器人輪子傳動軸徑向力過大等問題,因此開發(fā)一款用于自動清洗玻璃幕墻的滿足市場需求的實用玻璃清潔機器人已經(jīng)成為科研人員工作的重點。目前高層建筑的玻璃幕墻清洗工作主要由專門的清潔公司來完成，清潔公司的清潔方法中最主要的有兩種：一種方式是使用安裝在高樓樓頂?shù)膶Ｓ密壍阑虻跛飨到y(tǒng)將清潔機器對準窗戶進行自動擦洗。這種清洗方式初次投資成本較高，而且要求建筑物設(shè)計之初就必須考慮到擦窗系統(tǒng)的安裝，所以限制了它的使用范圍。另一種方式是使用升降平臺或者吊籃裝載清潔工進行高樓玻璃幕墻的清洗，雖然簡便易行，但清潔工人的勞動強度大，工作效率又比較低，屬于高空危險作業(yè)，對工人的人身安全及高樓玻璃幕墻壁面都有很大的威脅，并且中國的經(jīng)濟正處在轉(zhuǎn)型期，現(xiàn)在和可以預(yù)見的未來清潔工人的用工成本將不斷的上升。所以迫切需要一種能代替人而且又有一定靈活性和適用性的全自動機器裝置來完成這項工作，而且高樓的玻璃幕墻一般情況下面積較大，大多數(shù)處于幾十米甚至位于上百米的高處，而且周圍又無可攀援的支架，這就使得對玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、高危險、耗資的工作。如果讓人去清洗玻璃壁面，不僅花費高，而且安全難以得到保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。美日韓及歐洲各國還有最近的中國都相繼推出了各自的玻璃清潔機器人，這項技術(shù)也在日益走向成熟，但卻并未為大多數(shù)人了解，許多相關(guān)的技術(shù)在外人看來還是遙不可及的，在網(wǎng)絡(luò)及出版物中相關(guān)的文章少之又少，這就需要對這一新型的技術(shù)進行一些說明。1.2 課題研究的意義高樓玻璃幕墻清洗機器人是移動機器人的一個分支。它是基于壁面移動機器人技術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實用機器人，其工作在垂直危險的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設(shè)備，是面向現(xiàn)代高層建筑玻璃外墻表面保潔、清洗服務(wù)的極限作業(yè)機器人，它可以將人們從危險的高空作業(yè)環(huán)境中解脫出來，不僅可以避免事故的發(fā)生，而且能夠美化城市環(huán)境，造福人類，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當?shù)纳鐣б?、?jīng)濟效益。因此，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)都在積極開展此項研究工作。1.3 玻璃清潔機器人的發(fā)展狀況和目前具有的技術(shù)水平玻璃清潔機器人屬于壁面移動機器人的其中一種，它的移動承載體的相關(guān)技術(shù)在壁面移動的相關(guān)技術(shù)中具有共性的一面。對現(xiàn)有的壁面移動機器人的結(jié)構(gòu)特點進行詳細的分析，對本次的設(shè)計玻璃清潔機器人移動載體具有很好的參考意義。機器人如果能夠在壁面上自由地移動,并且進行作業(yè),必須具備三大機能:吸附功能、轉(zhuǎn)向避障功能和移動功能。因此,壁面機器人主要是按吸附機能和移動機能來進行分類的。壁面機器人按照移動方式可以分為車輪式、履帶式和足式三類。不同的吸附方案和移動方案的組合最終構(gòu)成了各種各樣的壁面機器人,例如:履帶式吸附壁面機器人,輪式吸盤壁面機器人等。目前國內(nèi)的清潔機器人的研究起步較晚，但發(fā)展比較迅速。國外清潔機器人的運用起源早、技術(shù)成熟，有許多非常成熟的經(jīng)驗值得我們借鑒。2 玻璃清潔機器人總體運動方案規(guī)劃本次設(shè)計任務(wù)主要求是設(shè)計的機器人機構(gòu)能實現(xiàn)在玻璃上行走、自動轉(zhuǎn)向避障功能和自動清潔功能。分析可知這次任務(wù)可以分為三個模塊，即行走、轉(zhuǎn)向、清洗。我們將對他們分別各自的特點作全面的分析，并從中選擇最適合實際需求的方案運用于設(shè)計過程中。2.1 玻璃清潔機器人行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu)方案設(shè)計所有的機器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動車體在地面上進行移動的裝置。配置這些車輪、履帶或者腿足使其發(fā)揮應(yīng)有的功能稱為移動系統(tǒng)行走機構(gòu)設(shè)計。不同的移動機器人由于其用途不同，其工作環(huán)境、整體結(jié)構(gòu)都不盡相同，為了達到讓機器人平穩(wěn)而準確地運動這一目的，必須選擇一種合適的行走機構(gòu)。目前，常用的行走機構(gòu)有 3 種:足式行走機構(gòu)、履帶式走行機構(gòu)和輪式走行機構(gòu)。2.1.1 足式行走機構(gòu) 步行移動方式模仿人類或動物的行走原，用腿腳走路。它不僅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面行走，甚至可以跨越障礙、上下臺階，對環(huán)境的適應(yīng)性強，智能程度相對較高，具有輪式機器人無法達到的機動性，具有獨特的優(yōu)越性能。 但對設(shè)計和制作者來說，步行機器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點在于各腿之間的協(xié)調(diào)控制、機身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制、動力的有效傳遞和走行機構(gòu)機理。足式機器人的種類很多，一般可以分為兩足機器人和多足機器人，如圖 2-1、2-2所示。 圖 2-1 兩足機器人 圖 2-2 多足機器人一般將有兩條腿機構(gòu)的移動機器人叫做兩足步行機器人，兩足步行機器人基本上是近似或模仿人的下肢機構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機器人稱為多足機器人，主要研究模仿四足和六足動物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。 步行機器人的機構(gòu)復(fù)雜，由于其運動學(xué)及動力學(xué)模型復(fù)雜，控制難度較大。從移動的范圍來講，車輪形及履帶形的移動機構(gòu)，無論它有多么復(fù)雜都只能在二維平面內(nèi)移動，雖然能夠應(yīng)付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動機構(gòu)始終保持著固定的位置關(guān)系。而步行機器人的移動卻有著很大的不同，它可以在保持身體姿態(tài)不變的前提下，能前后左右移動又能沿著樓梯拾級而上，從這一點來看步行機器人的移動是三維空間移動。另外，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現(xiàn)上述功能的機器人很少。正因如此，步行移動方式在機構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上還不成熟，不適用于對靈活性和可靠性要求較高的場合中。2.1.2 履帶式行走機構(gòu) 為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式行走機構(gòu)被廣泛采用。履帶方式又叫循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。圖 2-3 所示為履帶式行走機器人。機器人采用履帶式行走方式有以下優(yōu)點： （1）由于沖角的作用，能登上較高的臺階 （2）履帶有較強的驅(qū)動力，適合在階梯上移動 （3）能夠原地旋轉(zhuǎn)，所以適合在狹窄的屋內(nèi)移動(4）因重心低而穩(wěn)定性較好 圖 2-3 履帶式機器人 履帶式行走機構(gòu)廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。履帶式走行機構(gòu)的不足之處是轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。在要改變方向時，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，或者反向驅(qū)動實現(xiàn)車體的原地自轉(zhuǎn)。但這都會使履帶與路面產(chǎn)生相對橫向滑動，不但加大了機器人主體的能耗，還有可能損壞路面，如果運用于玻璃清洗機器人，在工作過程中會刮花玻璃，影響墻壁美觀。2.1.3 輪式行走、轉(zhuǎn)向機構(gòu) 輪式走行機構(gòu)由滾動代替滑動摩擦，主要特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位，而且重量較輕，制作簡單，本次設(shè)計機器人的行走機構(gòu)將使用輪式，因此在這里重點進行講解，比較它們各自的優(yōu)缺點，從中選出合適的方案進行規(guī)劃、分析，逐步進行修改及優(yōu)化。 絕大多數(shù)輪式機構(gòu)都是非完整運動約束驅(qū)動系統(tǒng)，輪式移動方式的分類有很多種，按照輪子的數(shù)目劃分有三輪、四輪、五輪。目前機器人中最常用的是三輪或四輪移動方式，在某些特殊應(yīng)用情況下也有五輪以上的機器人，但這種機器人結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜。以下分別介紹常用輪式移動機器人走行系統(tǒng)。三輪移動方式典型三輪移動機器人通常采用一個中心前輪和兩個后輪的布置方式，車體配置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性稍差，遇到?jīng)_撞或地面不平時容易傾倒。在這種移動方式下，應(yīng)該將各種元器件放在機器人的下層，確保機器人的重心處于比較低的位置，以彌補此結(jié)構(gòu)本身存在的穩(wěn)定性差的問題。共軸驅(qū)動行走機構(gòu) 最常見的非完整運動約束機器人系統(tǒng)是共軸驅(qū)動系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示。它們的最基本形式是兩個電機分別驅(qū)動左后、右后兩個主動輪，這樣的機構(gòu)使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)以自身為圓心的旋轉(zhuǎn)運動。在機器人底盤的前方安裝一個從動輪的前輪系統(tǒng)，用于對本體進行支撐。因為兩個后輪共用一個軸，而在實際應(yīng)用中兩個車輪的對應(yīng)不一定非常精確。在實際的應(yīng)用中，通常的做法是將底盤設(shè)計成梯形，使機器人轉(zhuǎn)向具有較好的靈活性和穩(wěn)定性。圖 2-4 共軸驅(qū)動行走機構(gòu)實際的應(yīng)用中，因為只有 3 個車輪，該機器人在行走時易發(fā)生傾覆，所以在很多復(fù)雜條件下，它是不能正常完成任務(wù)的。全方位移動機構(gòu) 全方位移動機構(gòu)是一種比較特殊的車輪，如圖 2-5 所示，3 個主輪互相之間成 600 圖 2-5 全方位移動機構(gòu)夾角，軸線與中線重合。之所以選擇 3 個萬向輪正三角組合，是因為正三角形組合方式有它獨特的優(yōu)勢。因為三點確定一個平面，無論怎樣，3 個點總是在同一平面上，即無論什么情況，3 個多向輪都必然著地，不會出現(xiàn)某個輪懸空的情況，這是四輪或更多輪的行走機構(gòu)無法做到的。但是該機構(gòu)所使用的輪子較特殊，制作復(fù)雜不適于實際的廣泛運用。 四輪移動方式四輪驅(qū)動方式 該驅(qū)動方式是通過前部轉(zhuǎn)向輪的朝向確定行走方向，如圖 2-6 所示。這種方式非常適合于戶外應(yīng)用，特別是在崎嶇地形，然而這樣的機器人比傳統(tǒng)的差速驅(qū)動方式的機器人制作起來復(fù)雜一些。 圖 2-6 四輪驅(qū)動方 1 內(nèi)側(cè)的輪子將沿著一個比外側(cè)的輪子軌跡更小的圓周進行運動，那么就可以得到更好的轉(zhuǎn)向精度和更大的牽引力，這種技術(shù)叫做阿克曼轉(zhuǎn)向。因為這種轉(zhuǎn)向方式可以使輪胎產(chǎn)生更大的牽引力，具有更小的摩擦損耗，所以大部分汽車都采用這種轉(zhuǎn)向方式。因為該驅(qū)動轉(zhuǎn)向方式轉(zhuǎn)向半徑在所有方案中最大，所以這種轉(zhuǎn)向技術(shù)在機器人上的應(yīng)用并不多。四輪驅(qū)動方式 2如圖 2-7 所示為移動機器人領(lǐng)域常見的一種四輪移動方式。前輪是兩個萬向輪，后 圖 2-7 四輪驅(qū)動方式 2輪是兩個獨立的驅(qū)動輪。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是遇到?jīng)_撞或地面不平時穩(wěn)定性好，缺點是機器人的行走過程只有三個輪著地，因此在行走時必須保證兩個驅(qū)動輪著地，否則會影響機器人行走的定位精度。 四輪移動方式 3 如圖 2-8 所示，前后輪為萬向輪，左右輪為驅(qū)動輪，其自轉(zhuǎn)重心在車體中間，圖 2-8 四輪驅(qū)動方式 3便于在狹窄場所改變行走方向。但前后輔助的萬向輪有時不能同時著地支撐，在高速啟動和制動時會產(chǎn)生俯仰和前沖，或者在加速度很大時不走直線。應(yīng)盡量將機器人重心配置在兩個驅(qū)動輪連線的附近，以減少慣性的影響。2.2 清洗機構(gòu)玻璃清潔機器人由于是在墻壁玻璃上行走，重量和體積均有很大的限制，所以在選擇清洗機構(gòu)時需要考慮這兩方面。方案一：曲柄滑塊機構(gòu)圖 2-9 曲柄滑塊清潔機構(gòu) 如圖2-9 所示，該機構(gòu)所需要的零件簡單,加工方便,成本低,但是連桿所占的空間較大,使得機器人的總體尺寸無法滿足任務(wù)要，而且會降低機器人的靈活性。要實現(xiàn)往復(fù)的清洗功能,軸的力矩傳遞需要轉(zhuǎn)向,使用錐齒輪傳遞效率低，加工難度大，成本高。方案二:滾筒式清洗機構(gòu) 滾筒清洗機構(gòu)是通過滾筒的旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)清洗玻璃墻壁的功能，機構(gòu)本身的構(gòu)件不需要除本身尺寸以外的運動空間，使得機器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時，滾筒的旋轉(zhuǎn)是用正齒輪傳動，加工難度小，成本低，傳動效率高,如圖 2-10 所示。圖 2-10 滾筒清潔機構(gòu)2.3 傳動機構(gòu) 傳動部分使用電機作為動力源，通過 D 軸、齒輪將轉(zhuǎn)矩傳遞到后輪，實現(xiàn)后輪共軸驅(qū)動。兩種方案如下所述，比較兩者優(yōu)缺點和實際運用的要求，最終確定選用方案一。2.3.1 方案一使用直齒輪、D 型軸將轉(zhuǎn)矩傳遞到后輪軸，結(jié)構(gòu)比較簡單，直齒輪為標準件方便采購，成本低，裝配難度不大，傳遞效率高，如圖 2-11 所示。缺點：直接使用齒輪帶動后車軸，兩后車輪轉(zhuǎn)速始終相同，在車體過彎時動力傳遞效率有所降低。 圖 2-11 傳動方案一2.3.2 方案二使用錐齒輪、D 型軸傳動，在后輪車軸上增加一個差速器，使車體在過彎時能自動根據(jù)兩側(cè)后輪不同的阻力比調(diào)整動力的輸出配比，減小后輪在轉(zhuǎn)向時的動力損耗, 如圖 2-12所示。缺點：錐齒輪傳動效率低，由于錐齒輪軸與后輪車軸垂直，會增加整個機器人長度方向的尺寸，清洗機構(gòu)的傳動必須再次傳動換向，不利于清洗機構(gòu)的安裝。差速器不是標準 件，市場上的的差速器尺寸不能滿足機器人的設(shè)計需要，無 圖 2-12 傳動方案二法購買。2.4 最終選用的總體方案 經(jīng)過反復(fù)對以上方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化，最終本次設(shè)計的玻璃清潔機器人方案使用的是輪式行走機構(gòu)、嵌入式驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置、滾筒式清洗機構(gòu)、真空吸盤式或磁吸附式。如前面圖 2-4 所示，后輪為共軸驅(qū)動行走機構(gòu)，前輪由兩個獨立的電機單獨驅(qū)動，為機器人前行提供牽引力，也可以一個電機正轉(zhuǎn)，另一個電機反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器人的 圖 2-13 機器人總體方案轉(zhuǎn)向功能。并且前輪的驅(qū)動電機使用嵌入式安裝方式，電機被置于前輪輪轂中，對電機尺寸的要求較高,最終確定的總體方案如圖 2-13 所示。本次設(shè)計可以分模塊進行設(shè)計，這樣既可以提高設(shè)計的效率，也可以避免在設(shè)計清潔機器人各部分之間相互的干擾，減小設(shè)計的難度，同時也可以使得機器人在實際運用中的維護更加方便,各模塊的移植性較好。因此機器人的設(shè)計和計算我們將分步、分塊進行。3 電機選型玻璃清潔機器人的運動控制中常用電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，它們的特點、構(gòu)造與工作原理和控制方式如下表 3-1 所示。表 3-1 三種電機的主要特點、結(jié)構(gòu)與工作原理、控制方式電機類型主要特點結(jié)構(gòu)與工作原理控制方式直流伺服電機接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、 重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、 由永磁體定子、線圈 轉(zhuǎn)子、電刷和換向器 構(gòu)成。通過電刷和換 向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而轉(zhuǎn)動控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式,兩者也成正比。噪聲大。變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。交流伺服電機沒有電刷和換向器，無需維護，驅(qū)動電路 復(fù)雜，價格高。按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。分為電壓控制和頻率控制兩種方式。 異步電機常采用電壓控制。步進電機直接用數(shù)字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維護方便，壽命長。缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過載能力弱。按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為:永磁式， 反應(yīng)式和混合式?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動。永磁式是單向勵磁， 精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低； 混合式是單-雙向勵磁,分辨率高, 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。本次設(shè)計的玻璃清潔機器人所用電機的基本性能要求： 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行,具有良好的響應(yīng)特性. 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同,且運行特性穩(wěn)定. 良好的抗干擾能力,對輸出來說,體積小、重量輕. 維修容易，不用保養(yǎng).前面表 3-1 中我們比較分析了三種不同電機的特點、結(jié)構(gòu)與工作原理和控制方式從中我們知道步進電機具有精度高，控制性能強，容易控制的特點，步進電機具有以上所有優(yōu)點，但是前輪是使用嵌入驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)向，步進電機的外型尺寸不滿足條件，所以我們最后選擇直流電機。前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)是利用兩個步進電機一個正轉(zhuǎn)、一個反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向的。因為機器人的重量不能超過 2kg，所以它受的最大摩擦力不會超過 20N。因為車直徑為70mm,則每個前輪所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：T=Fd=10N0.035m=0.35N.m （3-1）所以玻璃清潔機器人選用“森創(chuàng)”步進電機的型號為：A15K-S545(W)-G10，詳細參數(shù)如下表 3-2 所示。表 3-2 步進電機的參數(shù)型號A/相最大保持最大允許轉(zhuǎn)動慣線組電機長（A）轉(zhuǎn)矩(kgf.cm)轉(zhuǎn)矩(kgf.cm)性(g.cm2)抗度（mm）A15K-S545(W)-G100.75-15682.247機器人的兩個后輪是驅(qū)動輪，要求控制性好且精度高，能耗低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式及清潔機器人的移動性能要求、受力性情況、傳動特點，最終選用直流電機作為驅(qū)動電機。所需電機的功率計算.玻璃清潔機器人的受力簡圖如圖 3-1 所示，分析可知機器人垂直向上行走時所受的阻力最大。 圖 3-1 機器人受力簡圖機器人所受的最大牽引力：F牽 = G + FfF牽在墻壁上行走需要的最大牽引力Ff機器人在墻壁上受到的摩擦阻力：Ff=u F吸 （3-2）u 為摩擦因數(shù)，一般玻璃與橡膠取 0.2-0.3則玻璃清潔機器人需要的最大牽引力為:F牽=G + Ff =20N+0.2100N=40N （3-3）設(shè)定機器人在墻上行走的速度為:V=1m/s則機器人在墻壁上運動的功率為：P= F牽V=401=40W （3-4）傳動裝置的總效率為：=1.2=0.970.97=0.941 （3-5）所需直流電機的最小功率: PW=P/=40/0.941=42.5W （3-6）通過以上的比較和計算，最終選擇博山電機的 90SZ01，其技術(shù)參數(shù)如表 3-3 所示：表 3-3 直流伺服電機的技術(shù)參數(shù)電壓(V)電流(A)型號轉(zhuǎn)矩（mN.m）轉(zhuǎn)速（r/min）功率(W)電樞激磁電樞激磁允許順逆轉(zhuǎn)速差(r/min)轉(zhuǎn)動慣量(mN.m.s2)90SZ013231500501101100.660.2001000.184 玻璃清潔機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要參數(shù)計算、分析4.1 車輪設(shè)計 圖 4-1 后輪結(jié)構(gòu)圖后輪采用尼龍加工而成，為減輕質(zhì)量，設(shè)計成腹板式結(jié)構(gòu)，同時在驅(qū)動輪的輪緣包裹一定厚度的橡膠材料，具體設(shè)計參數(shù)如圖 4-1 所示。輪子的直徑為 d=70mm,轉(zhuǎn)一圈機器人移動的距離為： S=d=3.140.07=0.22m （4-1）所以，輪子的最大轉(zhuǎn)速為： n=1500/4=375r/min=6.25r/s （4-2）則清潔機器人的最大行走速度為： V=Sn=0.226.25=1.375m/s （4-3）從面前的計算我們已知機器人所受的摩擦力為： Ff=20N則可知電機在機器人豎直向上時其轉(zhuǎn)矩并不滿足條件，所以必須在機器人豎直向上運動時減少磁吸附力，即可滿足運動條件。設(shè)減小摩擦后機器人所受摩擦力為： Ff=10N則此時機器人的功率為： Pw=(Ff+G)V=301.375=41.25W （4-4）其最大加速度為： a=Fa/m=30/2=15m/s （4-5）前輪為轉(zhuǎn)向輪，本次設(shè)計使用的是嵌入式驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置，它的原理是電機固定不動，由電機機芯驅(qū)動法蘭盤和前輪轉(zhuǎn)動，電機與輪子之間安裝有軸承和大、小套筒，以此保證它們之間的相對運動的發(fā)生。它結(jié)構(gòu)精簡，體積小，穩(wěn)定性高和緊密度高，如圖 4-2 和圖 4-3 所示。相對于傳統(tǒng)驅(qū)動方案而方，該裝置具有顯著優(yōu)點，包括：圖 4-2 前輪爆炸圖電機直接驅(qū)動，同步輸出，無中間傳動環(huán)節(jié)，避免了傳動帶來的累計轉(zhuǎn)角誤差，定位準確。無相對摩擦，減少不必要的磨損和功率損失。嵌入式結(jié)構(gòu)使電機和連接結(jié)構(gòu)嵌入車輪，體積縮小、同樣的體積上可以選擇功率更大的電機，使用此裝置的機器人轉(zhuǎn)向速度快、力量大。圖 4-3 前輪結(jié)構(gòu)圖 嵌入輪內(nèi)的短柱狀結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的細長輪軸，無需聯(lián)軸器，同時保護了電機，抗沖擊性好。該裝置采取模塊化設(shè)計，各元件連接好后成獨立模塊，接上機器人車體即實現(xiàn)驅(qū)動功能，移植性很強。車輪的相關(guān)參數(shù)如表 4-1 所示。表 4-1 車輪相關(guān)參數(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)/mm參數(shù)數(shù)據(jù)/mm車輪最大外徑70腹板厚度2輪心孔直徑4腹板大孔直徑10車輪寬度20腹板小孔直徑54.2 后輪驅(qū)動減速機構(gòu)設(shè)計在前面選電機部分，我們選擇的是直流電機作為后輪驅(qū)動電機，其轉(zhuǎn)速一般都較高，不能直接連接到車輪軸上，需要用減速箱來降速，同時提高了轉(zhuǎn)距。減速裝置的形式多種多樣，一般很難買到適合機器人使用的減速箱，所以只能自己設(shè)計減速裝置，選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。齒輪傳動：工作可靠，使用壽命長；易于維護；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高； 結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度使用范圍很廣。所以，本次設(shè)計選用齒輪作為減速機構(gòu)的傳動件。 根據(jù)本設(shè)計中機器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動效率高噪音小等條件，我們采用兩 級齒輪傳動，減速比為 4:1。安裝主動齒輪的輸入軸與電機相聯(lián)的一端設(shè)計 D 型孔，不是用聯(lián)軸器，降低了生產(chǎn)成本，使結(jié)構(gòu)更簡單。既提高了精度又減輕了重量。輪轂和二級傳動的被動齒輪安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。中間軸上安裝有大小兩個齒輪，它們的齒數(shù)比為 2：1。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，屬于通用標準件，可以直接購買，使得加工工作量減小，同時也降低了生產(chǎn)成本。減速機構(gòu)如圖 4-4 所示。圖 4-4 減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖選用的齒參數(shù)如下：第一級減速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm第二級減速：i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm減速機構(gòu)的齒輪計算：（因為第一級減速和第二級減速相同，所以只選擇一級作較核計算。 ）a選擇齒輪齒數(shù)、材料及精度等級玻璃清潔機器人為精密機器，要求運動精度高，故選用 5 級精度。材料選擇。考慮到清潔機器人傳遞的功率不大，所以齒輪采用軟齒面。由機械設(shè)計 191 頁表 10-1 選擇小齒輪為 40Cr 調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 280HBS。大齒輪選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度 240HBS，二者材料硬度相差為 40HBS。選小齒輪齒數(shù) z1=20,大齒輪齒數(shù) z2=40,傳動比 i=2:1b按齒面接觸疲勞強度設(shè)計由 d1t2.32(kT1(u1)/ du（ZE/ H) 21/3 (4-5)I、 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值試選載荷系數(shù) Kt=1.3計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。T=9.55106 P/n4=9.551060.0425/1500=271Nmm （4-6）由機械設(shè)計 205 頁表 10-7 選取齒寬系數(shù) d=1由機械設(shè)計 201 頁表 10-6 查得材料彈性影響系數(shù) ZE=189.8MPa1/2由機械設(shè)計 209 頁圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限Hlim1=750 MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限 Hlim2=700MPa。由機械設(shè)計 206 頁式 1013 計算應(yīng)循環(huán)，計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 N1=60n1jLh=6015001183008=2.88107 （4-7）因為傳動比：i=2 N2=N1/2=1.44107由機械設(shè)計 207 頁圖 10-19 取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=0.94;KHN2=0.98;計算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為 1，安全系數(shù) S=1，由機械設(shè)計 205 頁式（1012）得H1=Hlim1KHN1/S=7500.94/1.0Mpa=705MpaH2=Hlim2 KHN2/S=7000.98/1.0Mpa=686MpaII、計算試算小齒輪分度圓直徑 d1t,代入H中較小的值。d1td12.32(ktT1(u+1) /du (ZE/H)21/3=2.321.3271(2+1)(189.82/686)2 1/3mm=10mm計算圓周速度 v. V=d1tn1/(601000)=101500/(601000)=0.8m/s計算齒寬 b b= dd1t=10mm計算齒寬與齒高之比 b/h.模數(shù) mt= d1t /z1 =10/20=0.5mm 齒高 h=2.25mt=2.250.5=1.125mm b/h=10/1.125=8.9計算載荷系數(shù)。根據(jù) v=0.8m/s, 5 級精度，由機械設(shè)計 194 頁圖 108 查得動載系數(shù)KV=1.03根據(jù)機械設(shè)計課本 P195 表 10-3 直齒輪，KH=KF=1;由機械設(shè)計 193 頁表 102 查得使用系數(shù) KA=1；由機械設(shè)計表 104 用插值法查得 5 級精度、小齒輪相對支承對稱布置時KH=1.30由 b/h=8, KH=1.30,查機械設(shè)計 198 頁圖 1013 得 KF=1.26;故載荷系數(shù)： K=KAKV KHKH=11.031.301.26=1.687 （4-8）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（1010a）得 （4-9）33111.6871010.911.3ttKddmmK 計算模數(shù) m m =d1/z1=10.91/20=0.55 （4-10）c.按齒根彎曲強度設(shè)計 由機械設(shè)計 201 頁式 10-5 得彎曲強度的設(shè)計公式為： （4-11）232FaSaFKT Y Ym 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 由機械設(shè)計 208 頁圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限FE1=450Mpa；大齒輪的彎曲強度極限 FE2=420Mpa。 由機械設(shè)計 206 頁圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.9，KFN2=0.94 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全疲勞系數(shù) S=1.4,由機械設(shè)計 205 頁式（10-12）得： 1110.49289.31.450F NFEFKMpaS 2220.942821.4420F NFEFKMpaS計算載荷系數(shù) K K=KAKVKFKF=11.0311.26=1.30 （4-12）查得齒形系數(shù) 由機械設(shè)計 200 頁表 10-5 查得 YFa1=2.80 YFa2=2.40 查得應(yīng)力校正系數(shù) 由機械設(shè)計 200 頁表 10-5 查得 Ysa1=1.55 Ysa2=1.68 計算大小齒輪的并加以比較。FaSaFY Y 1122.8 2.40.02323289.3FaSaFYY 2222.4 1.60.01432828FaSaFYY 小齒輪的數(shù)值較大 設(shè)計計算 （21.302710.02323/1400）/3=0.041m 對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 0.041,并就近圓整為標準值 m=0.5,按接觸強度算得的分度圓直徑 d1=10.91mm,算出小齒輪齒數(shù) z1=d1/m=10.91/0.5=20 大齒輪齒數(shù):z2=220=40 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。d幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 d1=z1m=10mm d2=z2m=20mm 為了方便設(shè)計，最后取 d1=20 mm， d2=40mm 計算中心距 a=(d1+d2)/2=30mm 計算齒輪寬度 b=dd1=110mm=10mm 實際設(shè)計時我們最后取 B1=B2=12mme結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制齒輪零件圖如圖 4-5 所示：圖 4-5 大小齒輪結(jié)構(gòu)圖f齒輪傳動的潤滑方式的選擇 開式及半開式齒輪傳動，或速度較低的閉式齒輪傳動，通常用人工周期性加油潤滑，所用潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。 本次設(shè)計因為減速部分的齒輪箱體并不完全是密閉的，所以使用鈣鈉基潤滑脂作為潤滑劑，其適用于 80-1000C，有水分或較潮濕的環(huán)境中工作的齒輪傳動，但不適于低溫工作情況，所以滿足設(shè)計產(chǎn)品的使用要求。4.3 后輪驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核后輪驅(qū)動軸連接兩個后輪，是減速部分的最后執(zhí)行機構(gòu)，是主要的承重軸，所以要求它有很高的強度和抗彎、抗扭性能。同時，根據(jù)設(shè)計要求，機器人有重量限制，因此選用硬質(zhì)鋁合金作為驅(qū)動軸的材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖 4-6 所示。圖 4-6 后輪驅(qū)動軸 I求輸出軸上的功率 P3和轉(zhuǎn)矩 T3設(shè)取每級齒輪傳動的效率 =0.97,則 P3=P2=500.972=47.05W前面我們已知：n3=375r/min，所以： T3=955047.05/375N.mm=1198N.mm II. 求作用在齒輪上的力因已知低速級大齒輪的分度圓直徑為 d2=40mm而 （4-13）322260119840tTFNdFr= Fttan200=600.325=19.5N （4-14）Fn= Ft/cos200=60N/0.95=63N （4-15）圓周力 Ft，徑向力，及軸向力的方向如圖 4-7 所示：圖 4-7 齒輪受力示意圖查資料得：T=45MPa因此，軸的最小直徑是根據(jù)設(shè)計的需要，最后我們?nèi)?d=4.5mm III.確定各段軸的直徑和長度在能夠滿足強度和剛度要求的同時，為了滿足與其他各部分零件的裝配需要，以及軸的加工工藝的要求，機器人后輪驅(qū)動軸的整體尺寸設(shè)計如開始的圖 4-3-1 所示。IV驅(qū)動軸的較核按抗扭強度條件來進行軸的強度校核 （4-16）394.511.19835450.20TTTTMPaMpaW 按彎矩轉(zhuǎn)矩合成條件校核的強度 畫出力學(xué)模型簡圖。因為清潔機器人的吸附力為 100N，主要承重在驅(qū)動輪上，所以取極限情況進行計算。軸的受力分析如圖 4-8 所示：圖 4-8 力學(xué)模型簡圖清潔機器人在工作時，受到的最大吸附力為 100N，所以每個輪子受到的支持力為 F=F吸/4=25N軸受到齒輪的徑向力為 Fr= Fttan200=600.325=19.5N支反力為 F=(F+Fr)/2=22.25N作出彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖。 圖 4-9 彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖驅(qū)動軸彎矩和轉(zhuǎn)矩分析如圖 4-9 所示,由圖可以明顯看出，驅(qū)動軸的危險截面是在安裝齒輪的軸截面上，這里所受的彎矩和轉(zhuǎn)矩都是最大的。 其中，危險截面的彎矩為： M=FL=22.2570.5=1568.6mN.m 轉(zhuǎn)矩為 T=u F吸D/4=0.21000.07/4=0.35N.m軸所承受的最大的輸出轉(zhuǎn)矩是由電動機提供的最大轉(zhuǎn)矩來決定的，本機器人采用的是博山電機的 90SZ01，電機的最大轉(zhuǎn)矩為 0.323N.m,減速比為 4，因此電動機最大的輸出轉(zhuǎn)矩為 1.292N. m,所以取 T=1.292N.m。校核軸的強度軸的抗彎截面系數(shù)為 (4-17)3333.144932.532dWmm所以軸的計算應(yīng)力 （4-18）2222()1.5691.292519caMTMpaW選定軸的材料為鋁合金，經(jīng)查=60MPa,因此滿足設(shè)計要求，故安全。14.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸上零件的定位方式如下:軸向定位主要靠軸肩、擋圈定位；周向定位主要靠平鍵連接和過盈配合來定位。因此，必須對這些關(guān)鍵部位時行細致的設(shè)計和校核。鍵是一種標準零件，分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接，因為本設(shè)計是玻璃清潔機器人，總體尺寸較小，如果使用鍵來進行齒輪的周向定位，會大大削弱軸的強度，所以這里，我們使用四驅(qū)車常用的 D 型軸來進行齒輪的周向定位。其結(jié)構(gòu)如圖4-10 所示。圖 4-10 后輪驅(qū)動軸與之配合的齒輪，我們也把其的軸孔設(shè)計成為 D 型孔，該段軸的直徑為 6mm,D 型的切面與軸截面圓心的距離為 2.5mm，它能能實現(xiàn)把轉(zhuǎn)矩從齒輪傳遞給軸。如圖 4-11所示： 圖 4-11 D 型軸段截面圖4.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 中間軸是減速機構(gòu)傳動中的中間環(huán)節(jié)，上面安裝有一個大齒輪和一個小齒輪，齒數(shù)分別為 z1=40 和 z2=20。同樣，為了減輕重量，我們選擇用硬質(zhì)鋁合金作為中間軸的材料。 I中間軸的設(shè)計 中間軸的最小直徑 中間軸傳遞的功率： P2= P=500.97=48.5W 傳遞的轉(zhuǎn)矩: T2=955048.5/750=618mN.m 查得鋁合金的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=45MPa，中間軸的最小直徑：T 從安全的角度考慮，結(jié)合設(shè)計的需要，我們?nèi)。?d =5mmm 大齒輪的的受力計算Ft=2T2/d2=2618/40=31NFr=Fttan200=310.325=10NFn= Ft/cos200=31/0.95=32N 小齒輪的受力計算Ft=2T2/d1=2618/20=61.8NFr=Fttan200=61.80.325=20NFn= Ft/cos200=61.8/0.95=65N 確定各段軸的直徑和長度 擬定軸上零件的裝配方案根據(jù)設(shè)計的要求和裝配要求，合理的規(guī)規(guī)各零件的安裝位置，現(xiàn)選用如圖 4-12 所示的裝配方案。圖 4-12 中間軸裝配方案圖 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 (a)為了滿足軸承的定位要求，從左到右第一段需制出一軸肩，故第一段直徑 d1=5mm,每二段的直徑 d2=6mm. (b)初步選擇滾動軸承。因軸承只受有徑向力作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù) d1=5mm,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取 0 基本游隙、4 級公差的深溝球軸承。其尺寸為 dDT=5mm12mm5mm. 圖 4-13 中間軸結(jié)構(gòu)圖(c)前面我們已經(jīng)確定第二段的直徑 d2=6mm，齒輪的左端與左軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為 12 mm，而第二段軸的長度取的是 28 mm，所以套筒的長度取 16 mm，其厚度為 1 mm，而同樣的如前面的一樣，我們用 D 型軸來傳遞轉(zhuǎn)矩，軸上的切面與軸截面圓心的距離為 2.5 mm。齒輪的右端使用軸肩定位，取 h=0.5mm,故軸環(huán)處的直徑 d3=3mm,軸的另一端與前面的兩端對稱，所以與前面的設(shè)計一致，這樣即完成了中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其整體結(jié)構(gòu)尺寸如圖 4-13 所示。 II.中間軸的校核 按抗扭強度條件來進行軸的強度校核 已知鋁合金的許用抗扭強度為 60MPa,所以計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。按彎矩轉(zhuǎn)矩合成條件校核軸的強度 畫出簡單力學(xué)模型。軸的受力分析如圖 4-14 所示。圖 4-14 中間軸受力示意圖 作彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖。中間軸彎矩和轉(zhuǎn)矩分析如圖 4-15 所示。由圖可以看出，中間軸的危險截面是在安裝小齒輪的截面上，這里所受的彎矩和轉(zhuǎn)矩都是最大的。圖 4-15 中間軸彎矩和轉(zhuǎn)矩危險截面的彎矩為 M=FL=20N24.5mm=450N.mm 轉(zhuǎn)矩為 T=3140+61.820=2.5N.m 校核軸的強度 軸的抗彎截面系數(shù)為 所以軸的計算應(yīng)力 選定軸的材料為鋁合金，經(jīng)查=60MPa,故設(shè)計數(shù)據(jù)安全。14.6 電機連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 電機的連接軸是輸入軸，上面裝有一個小齒輪，是主要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的承載體，所以要求它有很高的強度和抗彎、抗扭性能。同時，因為重量的限制，因此選擇硬質(zhì)鋁合金作為驅(qū)動軸的材料，其裝配方案如圖 4-15 所示。圖 4-15 電機連結(jié)軸裝配方案圖該軸的設(shè)計校核與前面的兩軸相似，這里我們不再進行計算校核，與齒輪的配合同樣使用 D 型軸段傳遞轉(zhuǎn)矩，用軸肩和套筒進行軸向定位和周向定位。從左至右，第一段軸的長度為 5.1mm，直徑為 d1=5mm,用于安放軸承，軸肩為h=0.5mm,所以第二段軸的直徑為 d2=6mm,長度為 31mm,其中齒輪輪轂的厚度為 12mm,軸肩 h=0.5mm,得第三段軸的直徑為 d3=7mm 為了便于另一端軸承的安裝和減輕軸的重量，第四段軸的直徑我們?nèi)?d4=6mm,長度為 12mm,最后一段軸即安裝右軸承，長度取 5.1mm,直徑 d5=5mm。到此即完成了電機連接軸的設(shè)計和尺寸規(guī)劃,完成后的軸零件圖如圖 4-16所示。 圖 4-16 電機連結(jié)軸結(jié)構(gòu)圖4.7 后輪減速機構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 減速箱上箱體要求在保證足夠剛度的條件下，應(yīng)盡量減輕車架的重量，以提高有效承載重量。其次，減速箱體應(yīng)保證其它零部件安裝上以后，能達到平衡、對稱和同軸。材料為 ABS(一種工程塑料)，厚度為 1mm,一部分軸承蓋集成在箱體上，降低了制造和裝配難度。減速箱上蓋設(shè)計圖如圖 4-17 所示（見附錄） 。圖 4-17 減速箱上蓋結(jié)構(gòu)圖上蓋的結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)劃玻璃清潔機器人減速傳動機構(gòu)共有三根軸，為了減小彎矩，后輪驅(qū)動軸的軸承安裝位置靠近底板的最后端、緊貼底板兩個邊緣。機器人底盤寬度為 142mm。而減速箱的寬度為 56mm，所有為了把軸承蓋和上蓋設(shè)計為一個整體，用腹板連接它們，翼展為46mm,腹板上為了與軸進行配全，設(shè)計了直徑為 12mm 半圓筒。第二個軸承蓋與第一個軸承蓋的距離為 10mm,軸承蓋的長為 16mm,寬為 20mm。上面有三個圓環(huán)厚度分別為5mm,6mm,3mm;直徑分別為 14mm,18mm。上蓋的形狀為 7 型，長為 56mm,寬為 122mm,缺的部分長為 16mm,寬為 40mm。上蓋的深度為 24mm,因為底盤上的軸承座與底板的距離為 10mm,所以上蓋的深度增為 34mm。軸承蓋與上蓋底的距離為 24mm。4.8 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 常用機器人底盤有兩種材料，一是鋁合金，另一個是不銹鋼。底盤除按材料不同劃分外，還可以按加工工藝劃分為零件連接底盤和焊接底盤。最大的區(qū)別在于底盤是否需要依靠角鋁連接，相對于一體的焊接底盤，角鋁連接的零件數(shù)量要大得多，失效概率也大很多。從重量角度講，鋁材雖然體積質(zhì)量較小，但強度不如不銹鋼，因此，其截面積相對較大，加之其附加的連接角鋁和螺栓，其總重量要遠遠大于不銹鋼焊接底盤。采用鋁材制作玻璃清潔機器人的底盤具有不銹鋼底盤不具備的優(yōu)點。首先，由于鋁材較軟，可以用切鋁機進行切割，制作比較方便；其次，由于可以自己制作，而且關(guān)鍵是效率高，因此制作周期很短；最后，在機器人的調(diào)試運行階段，當?shù)妆P出現(xiàn)問題的時候，可以很容易地進行維修，維修周期要短很多。但是采用鋁材制作的底盤也有無法克服的缺點。即使從重量角度講鋁材雖然比重較輕，但是強度不如不銹鋼；再有就是其截面積相對較大，加之其附加的連接螺栓，其總重量可能會大于不銹鋼底盤。與鋁材制作的底盤相比，不銹鋼底盤制作精度高，但是不銹鋼底盤的結(jié)構(gòu)相對固定，因此當?shù)妆P有磨損或損壞的時候，維修周期會很長。由于實際應(yīng)用中很少出現(xiàn)底盤損壞的情況，考慮到采角鋁底盤存在比較多的問題，所以一般機器人的底盤設(shè)計采用鋁合金焊接工藝。圖 4-18 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 底盤結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)劃 底盤長為 142mm,寬為 330mm。從機器人的前部開始，首先是連接嵌入式驅(qū)動裝置的凸臺，其尺寸為：長、寬均為 32mm,厚度為 5mm。上面分布有四個孔與嵌入驅(qū)動裝置相連，保證機器人的正常轉(zhuǎn)向，與底盤相交的面有半徑為 5mm 的倒圓角，并且用加強筋連接，以增強連接的強度。 接著是導(dǎo)向裝置，設(shè)計它的目的是防止機器人在清洗玻璃的邊緣時，機器人的側(cè)面與玻璃框摩擦。它與機器人的前端距離為 52mm，寬度為 15mm，數(shù)量為 4 個，兩邊各有兩個，距離 24mm，與底盤的連接處設(shè)計了半徑為 3 mm，以此減小其的局部應(yīng)力集中，延長機器人的使用壽命。前端有一定的角度，與底盤的角度為 300長度分別是 50 mm，36 mm。最邊緣的圓心處有一圓柱凸臺，用于安裝導(dǎo)向輪，直徑為 2 mm，高度為 2 mm。導(dǎo)向輪的直徑為 10.5 mm,中心有 2 mm 的圓孔用于安裝在底盤上，厚度為 1 mm。 后半部分是驅(qū)動機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)減速機構(gòu)的軸承安裝座。從長度方向，它們之間的距離分別為 13 mm，2 mm，7 mm；從寬度方向，距離分別為 10 mm，10 mm。軸承安裝座的尺寸為長 17 mm，寬 20 mm，高度為 10 mm。減速機構(gòu)的下箱體與底盤嵌入為一體，長 54 mm，寬 120 mm，深度為 13 mm，邊緣的圓角半徑均為 5 mm。最后底盤的清洗板是用于貼抹布。其尺寸為：與底盤面的距離為 23 mm，長為 142 mm，寬為 49 mm，厚度為 1 mm。因為車輪的直徑為 70 mm，所以可能保證清洗板與玻璃有 2 mm 的距離,最后設(shè)計出的底盤結(jié)構(gòu)如圖 4-18