全方位感应智能擦窗机课程设计说明书 推荐.docx
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全方位感应智能擦窗机课程设计说明书推荐
燕山大学
专业综合训练说明书
项目名称：
全方位智能擦窗机
小组分工及贡献
小组成员完成总体方案设计和三维图装配；
摘要
随着现代社会的迅猛发展，高层建筑的逐渐增多，室外清洁工作所花费的成本与面临的安全隐患也持续增大。
然而，家庭擦窗时，总会遇到这样的麻烦：
窗户外侧玻璃由于空间限制，擦拭比较困难，尤其是当住在高层建筑上时，操作时存在很大的安全隐患；但如果不擦拭，长时间后粘上灰尘，降低美观度，并带来很多不必要的困扰。
针对现有状况，我们研发和设计了这款新型擦窗机，实现内外壁同时自动擦拭，智能化、集成化程度高，操作简便。
关键词 擦窗机内外同步擦拭对角双驱动零死角
目录
小组分工及贡献2
摘要3
第1章绪论2
1.1课题背景2
1.2研究现状2
1.2.1小型擦窗机2
1.2.1.1风压吸附式2
1.2.1.2气动吸附式3
1.2.2大型擦窗机3
1.2.3总结3
第2章工作原理4
2.1整体装置4
2.2机构细节设计5
2.2.1驱动换向设计5
2.2.2吸附装置设计7
2.2.3擦拭装置设计7
a.工作原理7
b.主要部件设计参数8
2.2.4万向从动装置的利用8
2.2.5计算机嵌入式控制模块9
第3章重要零部件的设计计算9
3.1运动学初步设计9
3.2传动锥齿轮的设计计算10
3.3轴的ansys分析13
受力后变形图13
结论15
第四章功能特色15
第五章操作方法16
第六章市场前景16
参考文献17
[4]宋宝玉.机械设计课程设计指导书[M].高等教育出版社，2006:
178-18017
第1章绪论
1.1课题背景
当今社会，随着现代化进程的逐渐加快，人们的生活质量逐渐提升，人们对居室环境的要求也愈来愈高，窗户的清洁与卫生工作成了不可忽视的一个环节。
然而，随着高层建筑的逐年增多，窗户玻璃的清洁工作成了很多家庭都倍感头疼而又必须面对的问题。
不管是传统的平开窗，还是如今逐渐普遍的推拉窗，都存在这样的问题，相对容易擦拭的内侧玻璃，人需要登高才能完成清洁工作，而对于外侧玻璃，由于空间的限制，难以擦拭，尤其是对于身居高层建筑上时，擦拭时存在很大的安全隐患，极易发生危险，因此很多家庭往往容易放弃，或者仅仅擦拭小块面积，既影响了美观，同时长期下来也将影响室内光照，降低生活舒适度。
我们设计的这款全方位感应智能擦窗机便是针对这些实际问题而设计、制作的。
1.2研究现状
当今，各国的擦玻璃机器人基本都是专为某栋大楼而设计，即在建楼之初就要预设轨道，这无疑增加建楼成本和影响美观；或则机器人非常笨重，移动速度很慢，且容易掉下来。
从公开的资料来看，擦玻璃机器人在全世界都没有很成熟通用的产品。
从研究角度来看，主要有一下几种擦窗机器。
1.2.1小型擦窗机
1.2.1.1风压吸附式
特点：
依靠机器内置的大功率排风扇，排出机器与窗户壁面之间的空气，吸附力大，使机器能够牢固地吸附在玻璃上。
缺陷：
由于吸附力较大，擦拭部件与壁面摩擦力很大，一般不能实现自动擦拭，需人工手动操作；
风机噪声大，环境污染严重；
无法实现内外壁同时同步工作，效率低。
1.2.1.2气动吸附式
特点：
气动驱动，通过气泵将吸盘抽真空而吸附在窗面上，吸附效果好
缺陷：
多制成足式机器人，步进控制繁琐，工作速度慢，效率低；
体积相对较大，质量较重，且气泵工作噪声大，环境污染严重；
壁面光洁度要求高，一旦有缝隙，则吸盘无法吸附，机器易掉落。
1.2.2大型擦窗机
水平轨道式：
轨道沿楼顶屋面布置，设备可沿轨道自由行走，完成不同立面的作业；
附墙轨道式：
轨道沿楼顶墙面布置，设备可沿轨道自由行走，完成不同立面的作业；
轮载式：
屋面行走通道沿楼顶女儿墙布置，设备可沿通道自由行走，完成不同立面的作业；
插杆式：
插杆基座沿楼顶墙内侧屋面布置。
插杆换位作业需人工搬移，以完成不同立面的作业；
悬挂轨道式：
悬挂轨道沿楼顶在墙外侧布置，设备可沿轨道自由行走，完成不同立面的作业；
滑梯式：
滑梯结构按建筑物屋顶结构设计，滑梯行走有电动和手动两种。
可完成不同屋顶和立面的作业。
这类擦窗机能够解决大平面墙壁、玻璃等的擦拭工作，但由于体型都很大，质量很重，成本很高，适用于大型机械户外工作，不适宜普通家庭使用。
1.2.3总结
基于上述分析，可以了解到，目前关于擦窗类机器品类繁多，但却总是不可避免地存在一些亟需解决的问题，如降噪、轻量化等。
为了解决这些问题，在做了大量的市场调研并分析了相关产品的性能利弊之后，研发、设计了这款全方位感应智能擦窗机。
利用铷铁硼强磁材料双向吸附窗面，对角驱动机体，同时融合计算机嵌入系统进行自动控制，机电一体，能够充分满足普通家庭的擦窗需求，并有一定的拓展应用空间。
第2章工作原理
2.1整体装置
本装置主要由以下部分构成：
装置的三维模型如下[3]（主动机与从动机）
驱动换向模块
控制部分
擦拭部分
万向从动部分
图1装置主、从动机三维模拟视图
2.2机构细节设计
2.2.1驱动换向设计
a.工作原理
由于擦窗机的工作环境为竖直面，因此，减轻机体自重是必须考虑的。
我们采用主对角驱动，副对角从动的方式进行设计。
为了使机器能够沿x、y方向进行擦拭，我们在主对角驱动位置加以换向装置。
作为本设计的核心部件，驱动换向设计如下图：
图2驱动换向原理图
当机器单向行进擦拭时，电机驱动小锥齿轮转动，小齿轮带动底座锥齿轮转动，动力传动给换向锥齿轮，从而带动车轮旋转；当擦窗机行至窗面边缘，需要换向时，电机停止工作，舵机转动90°，与舵机输出轴配合的套筒随之旋转90°，因为车轮轴从套筒中穿过，所以车轮轴也转动90°。
实现换向，继续擦拭。
b.主要部件设计参数
（1）减速驱动电机的设计参数
减速比
i
空载转速
RPM
空载电流
mA
负载力矩
g.cm
负载转速
RPM
负载电流
mA
堵转扭力
Kg.cm
堵转电流
mA
启动电压
V
1:
59.2
135
75
1200
120
250
10.5
2400
0.5
（2）舵机设计参数
项目
数据
型号
Solidmotion
CDS5401
长/宽/高
265/250/95mm
供电
4.8-7.4VDC
最大扭矩/6V
13kgf.cm
最大电流/6V
2.5A
空载速度
0.22sec/60degre
重量
55g
接口
三线制
输出轴
刚
输出线缆长度
30cm
2.2.2吸附装置设计
要想进行双面同时同步擦拭，吸附部件必不可少。
我们通过咨询实验室老师了解到，钕铁硼强磁材料的吸附力，可以达到我们的设计要求。
经过试验，我们确定采用铷铁硼强磁材料作为我们的吸附件。
由于该设计对同步的要求较高，需要两侧机器几乎完全同步，为尽量减少从动机体的滞后，我们利用磁环的自动矫正性能，将吸附材料定做成环状，即铷铁硼强磁环
2.2.3擦拭装置设计
（1）主动机
a.工作原理
为了减少刷子旋转过程中由于冲击惯性所带来的不利影响，使擦窗机能够更加平稳地工作，我们设计的擦拭部分为双刷盘、反向对称同时擦拭。
通过微型直流电机驱动，直尺圆柱齿轮传动，保证两个刷盘能够正常工作。
机构三维模型如下图：
图4擦拭部分三维视图
b.主要部件设计参数
（1）与电机齿轮接触的传动齿轮A参数
齿数
模数
齿轮厚度mm
压力角α
孔径mm
30
0.5
3
20°
2
（2）驱动电机的设计参数
减速比
i
空载转速
RPM
空载电流
mA
负载力矩
g.cm
负载转速
RPM
负载电流
mA
堵转扭力
Kg.cm
堵转电流
mA
启动电压
V
1:
20
675.0
65
110
575.0
110
0.72
560
1.0
（2）从动机
为了能够使两侧机器尽可能地保持同步，降低控制模块的难度，我们设计的从动机为无驱动紧贴擦拭。
即在从动机上通过魔术贴固定静电百洁布。
具有很好的擦拭、吸水效果，避免擦拭之后窗面残留过多水汽，影响透光效果。
2.2.4万向从动装置的利用
为了尽可能地减轻机体自重，避免过多的舵机、电机的使用，我们在副对角线位置采取万向轮设计。
在主对角线车轮驱动的带动下，万向轮能够自由调节方向，使保持机器能够自如的向前行进。
2.2.5计算机嵌入式控制模块
控制模块主要分为如下几个部分：
a.单片机最小系统：
单片机采用mega16，主要用作擦窗机器人的运动控制；
b.压力传感器：
压力传感器采用碰撞式的，用于检测擦窗机器人是否到达窗户的边沿。
如果达到窗户边沿，压力传感器接收到信号并将信号传送给单片机，单片机采取相应的操作，如指示机器人掉头、拐弯等；
c.按键输入与显示：
采用4*4键盘对机器人的工作时间和工作方向进行预设值，设置的结果通过液晶1602显示。
擦窗机器人按照预先设置的工作方式进行工作。
第3章重要零部件的设计计算
3.1运动学初步设计
设定行进速度v=120mm/s。
在向上运动的过程中所需电机的功率最大，所以此时以此时的功率作为电机的功率。
工作机功率
，查手册得
=0.95。
则
电机所需功率Pd=Pw/
，其中
=
，
=0.96，为齿轮啮合效率。
则电机所需功率Pd=2.06w。
电机转速所需范围
。
考虑到设计结构零件的简化，统一我们采用的传动比：
=1。
所以电机转速
考虑到传动的平稳性，则取中间的圆锥大于两侧圆锥。
传动比分配
各轴转速：
各轴功率：
各轴转矩：
列表如下：
轴号
n（r/min）
P（w）
T（N.mm）
i
1
38.22
2.06
514.73
1.7
2
22.48
1.98
840.04
3.2传动锥齿轮的设计计算
a.材料选择
考虑到所需齿轮速度不高，载荷不大，对结构尺寸没有严格限制，同时考虑到尽可能降低机体自重，刚度强度要求不严格，我们将大小齿轮均采用铜为材料。
b.按齿面接触疲劳强度设计
（1）确定齿数、参数等级
取z1=21，z2=i·z1=34.3。
圆整z2=35。
（2）确定许用接触应力
查手册得：
盈利循环次数（假定使用年限为5年）
查手册得：
取S=1.0，则
初定分度圆的锥顶角：
c.确定各计算参数
（1）载荷系数
其中，
（2）其它参数
（3）小齿轮分度圆直径：
（4）修正系数
（5）修正
（6）大端模数
（7）计算锥距：
（8）大端顶圆直径：
平均分度圆直径：
齿宽：
d.校核齿根弯曲疲劳强度
（1）计算当量齿数
查表得，
（2）查取弯曲疲劳极限应力及寿命系数：
由
得：
（3）计算弯曲疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数S=1。
综上，齿轮选取合适。
3.3轴的ansys分析
擦窗机器人总重量约为2kg，车轮直径80mm，工作是转换到车轴上的扭矩约为0.784N∙m，设传动效率为0.95，则所校核轴受扭矩为0.784/0.95=0.825N∙m，转换为在键槽上的均布压应力为2.35MPa，对轴校核结果如下：
模型图
受力后变形图
等效应力分布图
由该分析结果可知最大应力为25.5474MPa
结论
45钢许用应力值为
=235MPa，由上述分析结果可知其受到最大等效应力为
=25.5474MPa，安全系数Ｎ＝
／
=9.20，所以其结构安全合理。
第四章功能特色
（1）通过铷铁硼强磁材料吸附实现窗户内外侧同时擦拭；
（2）利用计算机嵌入式系统控制实现自动转弯、寻迹，机电一体化，实现全方位擦拭；
（3）驱动转向设计，实现转向时车体不动，只是车轮换向，避免了车体转向所带来的死区（擦拭不到的扇形区域）；
（4）采用单对角线驱动的方式，减轻了机器自重，同时大幅度降低噪声，工作平稳、快捷、流畅；
（5）操作者可以根据个人喜好设定机器工作时间、工作机行进速度，更加人性化、智能化；
第五章操作方法
步骤1：
将擦窗机双向同时放在玻璃两侧角落，车轮方向为x轴向，通过内部的强磁材料紧密吸附；
步骤2：
打开电源开关，通过键盘输入预定工作的时间；
设定完毕之后，机器将自动沿着x轴向前运动，当机器行至窗户边缘，压力传感器触发，则车轮自动转向，机器沿着y轴自动移动一个身位距离，沿着-x方向移动擦拭，如此往复。
直至预定时间完毕截止。
第六章市场前景
本设计方案旨在通过以机械结构为主，借助单片机控制系统，产生机械动作，智能化、集成化较高，体积小，简单实用，同时擦拭速度可调，工作时间可预先设定，借助更人性化的液晶显示模块，进行速度显示，方便使用者实用，适用于普通家庭擦拭窗户玻璃实用，对于住在高层建筑上的消费者来说，其价值体现得更明显，避免了擦窗时可能带来的种种意外情况的发生，保障了生命和财产的安全，方便实用，可操作性强。
因此本产品能从社会效益和经济效益方面取得巨大的双重收获。
同时，作为一款平面工作机，由于它的无弧度转向设计，换向时机身不动，使它相较于其它擦拭机器能够保证更大的擦拭面积，死角更小，可以拓展应用于诸如地面、桌面、天花板等水平面和厚度不大的竖直平面，市场及应用前景广阔。
参考文献
[1]专利号为85204840，实用新型名称为“电动机拖动的擦窗机”
[2]专利号为200620099853.6，实用新型名称为“电动擦窗机”
[3]Autodesk.AutodeskInventor2011进阶培训教程.电子工业出版社，2011.：
233-245
[4]宋宝玉.机械设计课程设计指导书[M].高等教育出版社，2006:
178-180
[5]许立忠，周玉林.机械设计.中国标准出版社，2009:
80-82
[6]安子军.机械原理.国防工业出版社，2009:
6-11
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