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編號： 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 題 目：玻璃清潔機(jī)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(shí) 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(jī)器人的技術(shù)還處于初級階段，在實(shí)際運(yùn) 用中還存在諸多問題。本次設(shè)計通過研究玻璃清潔機(jī)器人的工作原理及過程，經(jīng)過詳 細(xì)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(shí)際運(yùn)用的運(yùn)動 方案。 本設(shè)計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(jī)器人的研究,設(shè)計,運(yùn) 用方案,并把其中一種我們認(rèn)為是目前最合理,最具有市場前景的設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)規(guī) 劃及分析,反復(fù)對方案進(jìn)行認(rèn)證,逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化.確定玻璃清潔機(jī)器人以輪式自主 移動機(jī)器人為載體.最終完成玻璃清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)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。 從玻璃清潔機(jī)器人在玻璃墻壁上的行走機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)向和自動避障機(jī)構(gòu),自動清洗機(jī)構(gòu) 三個模塊詳細(xì)闡述了機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法.玻璃清潔機(jī)器人的工作原理是 利用兩對傳動齒輪將驅(qū)動電機(jī)上的力矩傳遞到驅(qū)動軸上,從而帶動兩個后輪轉(zhuǎn)動,實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人在玻璃墻壁上的自由行走.機(jī)器人的兩個前輪均采用嵌入式直接驅(qū)動裝置,在機(jī) 器人正常直線行走時為機(jī)器人提供一定的牽引力,在機(jī)器人遇到障礙物時則一個電機(jī)正 轉(zhuǎn),一個電機(jī)反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的零轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向.清洗機(jī)構(gòu)為滾桶式,由驅(qū)動電機(jī)提供 動力,并且中間無減速機(jī)構(gòu),即滾筒的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。 通過在已有的方案基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，使得設(shè)計出來的玻璃清潔機(jī)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) II Abstract Because 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 go III 目 錄 1 引言 ........................................................1 1.1 課題研究的背景 ........................................................1 1.2 課題研究的意義 ........................................................2 1.3 玻璃清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和目前具有的技術(shù)水平 ..........................2 2 玻璃清潔機(jī)器人總體運(yùn)動方案規(guī)劃 ..............................2 2.1 玻璃清潔機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計 ..................................2 2.1.1 足式行走機(jī)構(gòu).........................................................3 2.1.2 履帶式行走機(jī)構(gòu).......................................................4 2.1.3 輪式行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)...................................................4 2.2 清洗機(jī)構(gòu) ..............................................................7 2.3 傳動機(jī)構(gòu) ..............................................................8 2.3.1 方案一...............................................................8 2.3.2 方案二...............................................................8 2.4 最終選用的總體方案 ....................................................8 3 電機(jī)選型 ....................................................9 4 玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要參數(shù)計算、分析 .................12 4.1 車輪設(shè)計 .............................................................12 4.2 后輪驅(qū)動減速機(jī)構(gòu)設(shè)計 .................................................13 4.3 后輪驅(qū)動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 ...........................................18 4.4 齒輪的定位結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................................20 4.5 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 ...............................................21 4.6 電機(jī)連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................24 4.7 后輪減速機(jī)構(gòu)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 .............................................25 4.8 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 .........................................................26 4.9 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................28 4.10 吸附機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及合理性分析 ......................................29 5 玻璃清潔機(jī)器人穩(wěn)定性分析 ...................................30 6 重要零件的材料選用和加工工藝的編寫 .........................31 6.1 軸類零件的材料選用與加工工藝分析 .....................................31 6.2 底盤的熱處理與加工工藝分析 ...........................................37 6.3 減速機(jī)構(gòu)上箱體和機(jī)器人外蓋的加工藝分析 ...............................38 6.4 齒輪的加工工藝分析 ...................................................39 6.5 磁吸盤的加工工藝分析 .................................................39 IV 7 裝配干涉分析結(jié)果 ...........................................39 8 玻璃清潔機(jī)器人總裝配圖 .....................................40 9 結(jié)論 .......................................................41 謝 辭 ........................................................42 參考文獻(xiàn) ......................................................43 附 錄 ........................................................44 1 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(fēng)景。隨著玻璃制作工藝技術(shù)的不斷革新，玻璃的強(qiáng)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(shí)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(jìn)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(jī)器人,技術(shù)上仍然存在許多的問題,例 如:避障時機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑過大,機(jī)器人無法清洗機(jī)器人邊緣經(jīng)過的玻璃墻面,機(jī)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(shí)用玻璃清潔機(jī)器人已經(jīng)成為科研人員工作的重點(diǎn)。 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(jī)器對準(zhǔn)窗戶進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jì)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(jī)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(fèi)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(jìn)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(jī)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(jìn)行 一些說明。 1.2 課題研究的意義 高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人是移動機(jī)器人的一個分支。它是基于壁面移動機(jī)器人技 術(shù)，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實(shí)用機(jī)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(jī)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(dāng)?shù)纳鐣б妗⒔?jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家 研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項研究工作。 1.3 玻璃清潔機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和目前具有的技術(shù)水平 玻璃清潔機(jī)器人屬于壁面移動機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行詳 細(xì)的分析，對本次的設(shè)計玻璃清潔機(jī)器人移動載體具有很好的參考意義。 機(jī)器人如果能夠在壁面上自由地移動,并且進(jìn)行作業(yè),必須具備三大機(jī)能:吸附功能、 轉(zhuǎn)向避障功能和移動功能。因此,壁面機(jī)器人主要是按吸附機(jī)能和移動機(jī)能來進(jìn)行分類 的。 壁面機(jī)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(jī)器人,例如:履帶 式吸附壁面機(jī)器人,輪式吸盤壁面機(jī)器人等。 目前國內(nèi)的清潔機(jī)器人的研究起步較晚，但發(fā)展比較迅速。國外清潔機(jī)器人的運(yùn) 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(jī)器人總體運(yùn)動方案規(guī)劃 本次設(shè)計任務(wù)主要求是設(shè)計的機(jī)器人機(jī)構(gòu)能實(shí)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(diǎn)作全面的分析，并從中選擇最適合實(shí)際需求的方案運(yùn)用于 設(shè)計過程中。 2.1 玻璃清潔機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案設(shè)計 所有的機(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)設(shè)計。 不同的移動機(jī)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(dá) 到讓機(jī)器人平穩(wěn)而準(zhǔn)確地運(yùn)動這一目的，必須選擇一種合適的行走機(jī)構(gòu)。目前，常用 的行走機(jī)構(gòu)有 3 種:足式行走機(jī)構(gòu)、履帶式走行機(jī)構(gòu)和輪式走行機(jī)構(gòu)。 2.1.1 足式行走機(jī)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(qiáng)， 智能程度相對較高，具有輪式機(jī)器人無法達(dá)到的機(jī)動性，具有獨(dú)特的優(yōu)越性能。 但對設(shè)計和制作者來說，步行機(jī)器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點(diǎn)在于各腿之 間的協(xié)調(diào)控制、機(jī)身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制、動力的有效傳遞和走行機(jī)構(gòu)機(jī) 理。足式機(jī)器人的種類很多，一般可以分為兩足機(jī)器人和多足機(jī)器人，如圖 2-1、2-2 所示。 圖 2-1 兩足機(jī)器人 圖 2-2 多足機(jī)器人 一般將有兩條腿機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人叫做兩足步行機(jī)器人，兩足步行機(jī)器人基本上是近 似或模仿人的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機(jī)器人稱為多足機(jī)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，由于其運(yùn)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(jī)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(jī)構(gòu)始終保持著固定的 位置關(guān)系。而步行機(jī)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(diǎn)來看步行機(jī)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(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī) 器人很少。正因如此，步行移動方式在機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人。 機(jī)器人采用履帶式行走方式有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）由于沖角的作用，能登上較高的臺階 （2）履帶有較強(qiáng)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(jī)器人 履帶式行走機(jī)構(gòu)廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。履帶式走行機(jī)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，或者反向驅(qū)動實(shí)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(jī)器人主體的能耗，還有可能損壞路面，如果運(yùn)用于玻璃清洗機(jī) 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(jī)構(gòu) 輪式走行機(jī)構(gòu)由滾動代替滑動摩擦，主要特點(diǎn)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(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)將使用輪式，因此 在這里重點(diǎn)進(jìn)行講解，比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選出合適的方案進(jìn)行規(guī)劃、分析， 逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化。 絕大多數(shù)輪式機(jī)構(gòu)都是非完整運(yùn)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(jī)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(jī)器人，但這種機(jī)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(jī)器人走行系統(tǒng)。 三輪移動方式 典型三輪移動機(jī)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(jī)器人的下層，確保機(jī)器人的重心處于比較低的位置，以彌補(bǔ) 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(jī)構(gòu) 最常見的非完整運(yùn)動約束機(jī)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(jī)分別驅(qū)動左后、右后兩個主動輪，這樣的機(jī)構(gòu)使機(jī)器人能 夠?qū)崿F(xiàn)以自身為圓心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在機(jī)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(jìn)行支撐。因為兩個后輪共用一個軸，而在實(shí)際應(yīng)用中兩個車輪的對應(yīng)不 一定非常精確。在實(shí)際的應(yīng)用中，通常的做法是將底盤設(shè)計成梯形，使機(jī)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(jī)構(gòu) 實(shí)際的應(yīng)用中，因為只有 3 個車輪，該機(jī)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(jī)構(gòu) 全方位移動機(jī)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(jī)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(dú)特的優(yōu)勢。因為三點(diǎn)確定一個平面，無論怎樣，3 個點(diǎn)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(jī)構(gòu)無法做到的。但是該機(jī)構(gòu)所使用的輪子較特殊，制作復(fù)雜不適于實(shí)際的 廣泛運(yùn)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(jī)器人比傳統(tǒng)的差速驅(qū)動方式的 機(jī)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(jìn)行運(yùn)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(jī)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(jī)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(dú)立的驅(qū)動輪。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是遇到?jīng)_撞或地面不平時穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是 機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu) 玻璃清潔機(jī)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(jī)構(gòu)時需要考慮這兩方面。 方案一：曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 圖 2-9 曲柄滑塊清潔機(jī)構(gòu) 如圖 2-9 所示，該機(jī)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(jī)器人的總體尺寸無法滿足任務(wù)要，而且會降低機(jī)器人的靈活性。要實(shí)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(jī)構(gòu) 滾筒清洗機(jī)構(gòu)是通過滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)清洗玻璃墻壁的功能，機(jī)構(gòu)本身的構(gòu) 件不需要除本身尺寸以外的運(yùn)動空間，使得機(jī)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(jī)構(gòu) 2.3 傳動機(jī)構(gòu) 傳動部分使用電機(jī)作為動力源，通過 D 軸、齒輪將轉(zhuǎn)矩傳遞到后輪，實(shí)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(diǎn)和實(shí)際運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)：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(diǎn)：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(jī)器人長 度方向的尺寸，清洗機(jī)構(gòu)的傳動必須再次傳動換向，不利于清洗機(jī)構(gòu)的安裝。差速器 不是標(biāo)準(zhǔn) 件，市場上的的差速器尺寸不能滿足機(jī)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(jìn)行論證，逐步進(jìn)行修改及優(yōu)化，最終本次設(shè)計的玻璃清潔 機(jī)器人方案使用的是輪式行走機(jī)構(gòu)、嵌入式驅(qū)動轉(zhuǎn)向裝置、滾筒式清洗機(jī)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(jī)構(gòu)，前輪由兩個獨(dú)立的電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動， 為機(jī)器人前行提供牽引力，也可以一個電機(jī)正轉(zhuǎn)，另一個電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 的 圖 2-13 機(jī)器人總體方案 轉(zhuǎn)向功能。并且前輪的驅(qū)動電機(jī)使用嵌入式安裝方式，電機(jī)被置于前輪輪轂中，對電 機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)器人在實(shí)際 運(yùn)用中的維護(hù)更加方便,各模塊的移植性較好。因此機(jī)器人的設(shè)計和計算我們將分步、 分塊進(jìn)行。 3 電機(jī)選型 玻璃清潔機(jī)器人的運(yùn)動控制中常用電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電 機(jī)，它們的特點(diǎn)、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(jī)的主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與工作原理、控制方式 電機(jī)類型 主要特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)與工作原理 控制方式 直流伺服電機(jī) 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(hù) 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(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn) 動。 交流伺服電機(jī) 沒有電刷和換向器， 無需維護(hù)，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(shí)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(jī)常采用電 壓控制。 步進(jìn)電機(jī) 直接用數(shù)字信號控 制，與計算機(jī)接口 簡單，沒有電刷， 維護(hù)方便，壽命長。 缺點(diǎn)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。 混合式能產(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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 本次設(shè)計的玻璃清潔機(jī)器人所用電機(jī)的基本性能要求： 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)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(yùn)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(jī)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與工作原理和控制方 式從中我們知道步進(jìn)電機(jī)具有精度高，控制性能強(qiáng)，容易控制的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)具有 以上所有優(yōu)點(diǎn)，但是前輪是使用嵌入驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)向，步進(jìn)電機(jī)的外型尺寸不滿足條件， 所以我們最后選擇直流電機(jī)。 前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是利用兩個步進(jìn)電機(jī)一個正轉(zhuǎn)、一個反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向的。 因為機(jī)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(jī)器人選用“森創(chuàng)”步進(jìn)電機(jī)的型號為：A15K-S545(W)-G10，詳細(xì) 參數(shù)如下表 3-2 所示。 表 3-2 步進(jìn)電機(jī)的參數(shù) 型號 A/相 最大保持 最大允許 轉(zhuǎn)動慣 線組 電機(jī)長 （A） 轉(zhuǎn)矩 (kgf.cm) 轉(zhuǎn)矩 (kgf.cm) 性 (g.cm2) 抗 度 （mm） A15K-S545(W)-G10 0.75 - 15 68 2.2 47 機(jī)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(jī)的特性、工作原理、控制方式及 清潔機(jī)器人的移動性能要求、受力性情況、傳動特點(diǎn)，最終選用直流電機(jī)作為驅(qū)動電 機(jī)。 所需電機(jī)的功率計算.玻璃清潔機(jī)器人的受力簡圖如圖 3-1 所示，分析可知機(jī)器 人垂直向上行走時所受的阻力最大。 圖 3-1 機(jī)器人受力簡圖 機(jī)器人所受的最大牽引力： F 牽 = G + Ff F 牽 在墻壁上行走需要的最大牽引力 Ff機(jī)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(jī)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(jī)器人在墻上行走的速度為:V=1m/s 則機(jī)器人在墻壁上運(yùn)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(jī)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(jī)的 90SZ01，其技術(shù)參數(shù)如表 3-3 所示： 表 3-3 直流伺服電機(jī)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.s 2) 90SZ0 1 323 1500 50 110 110 0.66 0.200 100 0.18 4 玻璃清潔機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人所受的摩擦力為： Ff=20N 則可知電機(jī)在機(jī)器人豎直向上時其轉(zhuǎn)矩并不滿足條件，所以必須在機(jī)器人豎直向上運(yùn) 動時減少磁吸附力，即可滿足運(yùn)動條件。 設(shè)減小摩擦后機(jī)器人所受摩擦力為： Ff=10N 則此時機(jī)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(jī)固定不 動，由電機(jī)機(jī)芯驅(qū)動法蘭盤和前輪轉(zhuǎn)動，電機(jī)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(yùn)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(diǎn)，包括： 圖 4-2 前輪爆炸圖 電機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(jī)，使用此裝置的機(jī)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(xì)長輪軸，無需聯(lián)軸器，同時保護(hù)了電機(jī)， 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(dú)立模塊，接上機(jī)器人車體即實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動功能，移植性很強(qiáng)。 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 5 4.2 后輪驅(qū)動減速機(jī)構(gòu)設(shè)計 在前面選電機(jī)部分，我們選擇的是直流電機(jī)作為后輪驅(qū)動電機(jī)，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(jī)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(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。 齒輪傳動：工作可靠，使用壽命長；易于維護(hù)；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(jī)構(gòu)的傳動 件。 根據(jù)本設(shè)計中機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)如圖 4-4 所示。 圖 4-4 減速機(jī)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(jī)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(jī)器人為精密機(jī)器，要求運(yùn)動精度高，故選用 5 級精度。 材料選擇?？紤]到清潔機(jī)器人傳遞的功率不大，所以齒輪采用軟齒面。由機(jī) 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=2:1 b按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計 由 d1t2.32(kT 1(u1)/ du（Z E/ 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(jī)械設(shè)計 205 頁表 10-7 選取齒寬系數(shù) d=1 由機(jī)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(jī)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(qiáng)度極限 Hlim1=750 MPa，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 Hlim2=700MPa。 由機(jī)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(jī)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(jī)械設(shè)計 205 頁式（1012）得 H1= Hlim1KHN1/S=7500.94/1.0Mpa =705Mpa H2= Hlim2 KHN2/S=7000.98/1.0Mpa =686Mpa II、計算 試算小齒輪分度圓直徑 d1t,代入H中較小的值。 d1td 12.32(k tT1(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(jī)械設(shè)計 194 頁圖 108 查得動載系數(shù) KV=1.03 根據(jù)機(jī)械設(shè)計課本 P195 表 10-3 直齒輪，K H =KF =1; 由機(jī)械設(shè)計 193 頁表 102 查得使用系數(shù) KA=1； 由機(jī)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(jī)械設(shè)計 198 頁圖 1013 得 KF =1.26;故載荷系 數(shù)： K=KAKV KH KH =11.031.301.26=1.687 （4-8） 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（1010a）得 （4-9）3311.6870.9ttdm 計算模數(shù) m m =d1/z1=10.91/20=0.55 （4-10） c.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 由機(jī)械設(shè)計 201 頁式 10-5 得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為： （4-11）23FaSKTY 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 由機(jī)械設(shè)計 208 頁圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 FE1=450Mpa；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限 FE2=420Mpa。 由機(jī)械設(shè)計 206 頁圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.9，K FN2=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(jī)械設(shè)計 205 頁式（10-12）得： 110.49 28.35FNEKMpaS 22. 計算載荷系數(shù) K K=KAKVKF KF =11.0311.26=1.30 （4-12） 查得齒形系數(shù) 由機(jī)械設(shè)計 200 頁表 10-5 查得 Y Fa1=2.80 YFa2=2.40 查得應(yīng)力校正系數(shù) 由機(jī)械設(shè)計 200 頁表 10-5 查得 Y sa1=1.55 Ysa2=1.68 計算大小齒輪的 并加以比較。FaS 12.840.239FaS 2.6.1FaSY 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(qiáng)度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng) 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(qiáng)度所決定的承載 能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)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(qiáng)度算得的模數(shù) 0.041,并就近圓整為標(biāo) 準(zhǔn)值 m=0.5,按接觸強(qiáng)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):z 2=220=40 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲 疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 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， d 2=40mm 計算中心距 a=(d1+d2)/2=30mm 計算齒輪寬度 b= dd1=110mm=10mm 實(shí)際設(shè)計時我們最后取 B1=B2=12mm e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(jī)構(gòu)，是主要的承重軸，所以 要求它有很高的強(qiáng)度和抗彎、抗扭性能。同時，根據(jù)設(shè)計要求，機(jī)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=P 2=500.972=47.05W 前面我們已知：n 3=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）32601984tFN Fr= 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(qiáng)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(jī)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(qiáng)度條件來進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核 （4-16）394.5184502T TMPapaW 按彎矩轉(zhuǎn)矩合成條件校核的強(qiáng)度 畫出力學(xué)模型簡圖。因為清潔機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)提供的最大轉(zhuǎn)矩來決定的，本機(jī)器人采用 的是博山電機(jī)的 90SZ01，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為 0.323N.m,減速比為 4，因此電動機(jī)最大 的輸出轉(zhuǎn)矩為 1.292N. m,所以取 T=1.292N.m。 校核軸的強(qiáng)度 軸的抗彎截面系數(shù)為 (4-17) 333.14925dWm 所以軸的計算應(yīng)力 （4-18）222()1.569.51caMTMpaW 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。1 4.4 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(xì)致的設(shè)計和校核。鍵是一 種標(biāo)準(zhǔn)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(jī)器人，總體尺寸較小，如果使用鍵來進(jìn)行齒輪的周向定位，會大大削弱軸的 強(qiáng)度，所以這里，我們使用四驅(qū)車常用的 D 型軸來進(jìn)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(shí)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(jī)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