III-普通本科畢業設計論文全套圖紙加V信153893706或扣3346389411課題名稱：玻璃幕墻清洗機器人系統設計學院專業班級學號 姓名指導教師(簽字)教研室主任(簽字)院長(簽字)2023年4月7日

目錄TOC\o"1-3"\h\u12693摘要 IV13336Absrtact V12026玻璃幕清洗機器人系統設計 11605第一章緒論 1314861.1課題設計的意義和目的 1301321.2國內外的發展現狀和趨勢 2248001.2.1國內的發展現狀和趨勢 270751.2.2國外的發展現狀和趨勢 330621.3課題主要研究的內容 422746第二章玻璃幕清洗機器人總體設計 5229232.1總體方案的確定 578242.2設計參數的選擇 6170662.3各傳動部件的結構設計 7254842.3.1玻璃幕清洗機器人安裝底座的設計 7259202.3.2涮盤結構設計 8202972.4負壓吸盤結構設計 912083第三章玻璃幕清洗機器人的計算校核 10130813.1標準件的選型 10254843.1.1電機的選型 13254843.1.2負壓泵的選型 138723.2吸盤吸附驅動力的計算校核 11270483.3機器人絲桿計算 12122403.4機器人絲桿載荷的校驗 13141563.5齒輪傳動系的設計計算 1412623.5.1確定齒輪傳動精度等級 14230333.5.2計算齒輪的許用應力的大小 1488193.5.3按玻璃幕清洗機器人齒面接觸疲勞強度確定中心距 14117473.5.4驗算齒面接觸疲勞強度 1527113總結 1713322參考文獻 1920352致謝 20

摘要在本次的設計中，選擇設計一款負壓吸附式的玻璃幕清洗機器人，通過查閱相關的設計文獻，了解其結構原理，主要的任務是完成總體機構的構思和傳動部件的布局，完成涮盤結構的設計，主要包括對涮盤結構尺寸的確定繪制、涮盤電機的布局和安裝位置的確定、涮盤固定部件確定、涮盤電機軸的計算校核等；機箱結構的三維建模，確定安裝孔位及其他部件的結構；齒輪傳動結構的三維建模和齒輪傳動的設計計算；計算負壓工作相關的參數，確定其結構尺寸及結構框架，合理選擇電機，選則合適的材料，降低機器人的自身重量，繪制總體結構總圖，完成各關鍵零件的結構設計圖，最終撰寫設計計算說明書。關鍵詞：玻璃幕、擦拭、機器人、負壓泵、涮盤

AbsrtactInthisdesign,anegativepressureadsorptiontypeglasscurtaincleaningrobotwasselectedanddesigned.Byconsultingrelevantdesignliterature,thestructuralprinciplewasunderstood,theoverallstructureconceptandtransmissioncomponentlayoutwerecompleted,andthedesignoftherinsingplatestructurewascompleted.Thismainlyincludesdetermininganddrawingthedimensionsoftherinsingplatestructure,determiningthelayoutandinstallationpositionoftherinsingplatemotor,determiningthefixedcomponentsoftherinsingplate,andcalculatingandverifyingtheaxisoftherinsingplatemotor;3Dmodelingofthechassisstructure,determiningthestructureofinstallationholesandothercomponents;3Dmodelingofgeartransmissionstructureanddesigncalculationofgeartransmission;Calculatetheparametersrelatedtonegativepressurework,determineitsstructuraldimensionsandframework,reasonablyselectthemotor,selectappropriatematerials,reducetheweightoftherobot,drawanoverallstructuraldiagram,completethestructuraldesigndrawingsofeachkeycomponent,andfinallywriteadesigncalculationmanual..Keywords:glasscurtain,wiping,robot,negativepressurepump,rinsingtray玻璃幕清洗機器人系統設計第一章緒論1.1課題設計的意義和目的1.2國內外的發展現狀和趨勢1.2.1國內的發展現狀和趨勢在八九十年代，國內在玻璃幕清洗機器人的發展上，有過類似的設計和研究，清華大學的智能機器人的研究中，開始進行了一些基本機械結構傳動和運轉上的研發。并且在得到國家相關機構的鑒定后，在市場了實現了小批量的生產和運用，只是在后來的發展上，沒有更大的進步和提高。上海交通大學在對于機器人的底面傳動和運動上的研發過程中，實現了機器人在消防安全上的使用，進行了基本的智能遙控操作系統，為消防試驗和消防工作解決了代替人工的方式，填補了我國在消防上的機器人使用的空缺。只有在一些競賽和比賽上，進行了一些單方向上的設計和研究，沒有形成實際的生產控制上的實際，不能更好的進行國內玻璃幕清洗機器人的實際運用和一些短板上的認識。在玻璃幕清洗機器人的發展上技術一直因此停滯不前，主要的研發和投資遠遠不夠達到快速發展的基本需求。在后來的一些先進的研發上，我國將更多的引進機器人，通過學習和拆解一些先進的機器人設備，將智能化的機器人技術不斷的進行自我的提升。目前國內的玻璃幕清洗機器人在比賽上的出現首次展覽是在長沙的機器人大賽上，玻璃幕清洗項目上的機器人由國內的公司自主的研發和生產，在競賽上得到了很多人的認可。目前我國在玻璃幕清洗機器人的發展上主要的結構形式如下圖1-1，圖1-2所示，是我國現有的技術含量較高的玻璃幕清洗機器人的類型。1.2.2國外的發展現狀和趨勢1.3課題主要研究的內容了解玻璃幕清洗機器人的工作原理，分析影響性能和效率的關鍵因素。提高智能化的工作特點，實現高空自動化清洗的優勢，對重要的結構刮水結構的設計和行走機構進行設計計算。設計吸附機，完成吸附泵等負壓力的計算。在設計上考慮材料的選擇，設計結構簡單，實現成本上的控制，提高制造性能。第二章玻璃幕清洗機器人總體設計2.1總體方案的確定通過對本次設計的玻璃幕清洗機器人的相關文獻的查詢和了解，選擇本次玻璃幕清洗機器人的結構的基本組成形式，設計的步驟如下所示：首先進行清洗裝置結構，包括對刮水條、涮盤、涮盤安裝安裝底座、涮盤電機的選擇部分；確定框架的結構形式和尺寸選擇，包括對框架安裝底座的設計布局、安全罩板、負壓安裝系統支撐等的設計；負壓系統的設計，負壓系統主要內容是根據本次設計的結構形式，確定基本總體重量的大小，選擇合適的負壓泵，設計的內容包括布置負壓泵的安裝位、負壓泵大小的選擇、吸附裝置的確定、負壓系統結構的選擇；傳動系統的設計，傳動系統主要是實現在玻璃面上行走的結構，采用排氣噴射的方式實現負壓的變化，通過齒輪傳動系統實現清洗裝置的移動過程，采用絲桿和齒輪組實現行走和清洗一體化的過程。設計過程中對清洗的參數及絲桿傳動的參數進行設計計算及校核絲桿傳動的參數選擇。通過以上的設計步驟，本次設計的玻璃幕清洗機器人的總體結構形式如下圖2-1所示：圖2-1：玻璃幕清洗機器人總體結構簡圖對傳動負壓吸附機械結構的設計中，選擇使用連桿和絲桿傳動的結構形式，連桿傳動在進行傳動結構的設計上，具有傳動穩定性高，傳動的精度高，實現大力矩傳動的設計優勢。在連桿傳動機構的設計上，本次玻璃幕清洗機器人負壓吸附機構選擇使用的驅動形式是電機驅動，采用絲桿傳動安裝底座固定連桿傳動方式，電機驅動實現絲桿帶動滑塊組件實現刮水清洗的過程。采用絲桿傳動的優勢是能夠更好的實現對負壓吸附力的控制，解決在負壓吸附過程中不穩定的缺陷，其設計的優點如下所示：（1）、采用絲桿實現負壓吸附和放松的傳動形式，更好的實現對玻璃面的負壓吸附過程，達到對不規則物體負壓吸附的基本設計要求；（2）、采用絲桿傳動的方式，在制造上比較簡單，絲桿的制造過程便捷成本低；（3）、絲桿傳動的負壓吸附過程中的精度高，可以達到對玻璃面的抓舉的位置更加的準確可靠，實現對玻璃幕清洗過程中的高精度設計要求。通過對玻璃幕清洗機器人的設計過程中的分析和選擇，本次玻璃幕清洗機器人總體結構設計的優點和設計的缺點分析，本次玻璃幕清洗機器人的結構設計采用齒輪傳動實現安裝底座的回轉傳動的過程，齒輪傳動更好更快的實現傳動動作的迅速移動，使得整體的反應比較靈敏。在工作上的阻力較低，達到本次對玻璃幕清洗機器人設計的要求。2.2設計參數的選擇根據本次玻璃幕清洗機器人的設計要求，在本次的設計上的玻璃清洗機的機器人利用負壓工作的原理實現吸附在玻璃幕墻表面上，并在安裝框架上安裝安全繩進行保護，實現穩定地移動和清洗作業，玻璃幕清洗機器人的總體機構設計基本參數選擇如下：、框架的總體設計布局的尺寸大小為473x450x260mm；、最大行進速度100mm/s；、可跨越寬15mm左右的凹槽；、負壓吸附力為6-15N（重量<6kg，按照6kg確定），負壓泵輸出為氣體；、線性電機選擇220V，功率為180W；在設計上，負壓吸附的運行的速度是玻璃幕清洗機器人總體結構生比較重要的一個設計的參數，在實際的吸附和玻璃幕清洗的過程中，負壓吸附機器人的運行速度也是玻璃幕清洗機器人傳動玻璃幕清洗過程中的一個工作效率的體現，在本次的設計上通過電控的要求，設計負壓吸附機構工作過程中的旋轉的速度為100mm/s，最大負壓吸附后橫移上升的速度可以根據負壓吸附機構旋轉的工作效率進行計算為：v=100x0.8=80mm/s。2.3各傳動部件的結構設計2.3.1玻璃幕清洗機器人安裝底座的設計玻璃幕清洗機器人的安裝底座的結構設計，由于安裝底座是一個關鍵的支撐和實現回轉的傳動結構，所以在結構設計上的要求中，需要有很強的承載能力來實現對整個機器人結構的支撐，所以在本次的設計中，安裝底座的設計采用選擇圓柱式焊接殼體結構進行主體部分的設計。安裝底座箱體的結構采用鋼材進行加工完成，安裝底座的結構不需要設計的很復雜，但是需要有足夠的強度，滿足運行的工作要求和玻璃幕清洗反作用力的承載能力。所以在安裝底座的結構設計上，采用螺釘的固定形式進行安裝底座的安裝和回轉軸承結構的安裝，滿足設計的剛性要求和傳動的基本原則要求。在安裝底座的材料選擇上，本次選擇使用TC鈦合金進行調質，增加其工作狀態下的強度性能，其結構如下圖2-2所示。圖2-2：安裝底座三維結構2.3.2涮盤結構設計機械傳動系統上，以及在進行設備的結構設計上，涮盤的種類很多，大部分采用的是型材結構的形式，為了實現更好的強度要求和抗疲勞要求。圖2-3：涮盤三維結構很多的設備上采用的涮盤結構多數為304材料，還有316不銹鋼等進行涮盤結構的鑄造成型。如下圖2-3所示為涮盤的結構形式涮盤在實際的使用上，一般是根據設備的總體重量和動載荷的大小，進行涮盤結構的設計，對于一般的涮盤結構形式來時，機械載荷的大小就是涮盤強度設計的基本要求，在動載荷的支撐力作用下，進行合理的參數選擇，使得涮盤的強度達到運動及支撐動載荷下的要求即可。還有采用錐形的機構進行涮盤總體結構形式的設計，實現接觸地面的位置上處于一個比較寬的范圍內，更加可靠的提高了支撐上的性能。2.4負壓吸盤結構設計在玻璃幕清洗機器人的負壓吸盤的結構上，經過多次的修改和分析，最終選擇使用圓形負壓吸附的方式對玻璃面進行負壓吸附，選擇圓盤結構進行兩端負壓吸附的結構形式，這樣設計的主要優點如下：、設計機構上有通用性，達到負壓吸附和傳動上的靈巧性；、對曲面性的玻璃面來書，這樣的行走上更有較強的行走玻璃幕清洗的功能；、對玻璃幕清洗機器人在進行不同方向上的玻璃面進行吸附和行走的時候，能夠進行多方面上的吸附工程，達到實用性較強的特點，在不同的吸附和玻璃幕清洗的過程中，能自動進行方向上和角度上的調整，實現對玻璃面行走的效果。負壓吸盤結構結構設計如下圖2-4所示：圖2-4：負壓吸盤結構

第三章玻璃幕清洗機器人的計算校核圖2-4：負壓吸盤結構3.1標準件的選型3.1.1電機的選型本次負壓吸附電機的選型和功率的選擇上，考慮本次機器人的所受的力的大小為6-10N的負壓吸附力，所以選擇的電機不易過大，通過查閱現有市場上的電機的特點和優勢性。其主要的電機參數如下：其型號系列為YYCJ80，其工作通用的電壓為220V，電機可以輸出的最大功率為180w，步進的最大轉速可以達到1500r/min，變頻率為50HZ，工作效率達到70%以上。圖3-1：電機簡圖3.1.2負壓泵的選型玻璃幕清洗機器人的設計中，吸附在玻璃幕上面，并實現通過改變負壓的大小實現涮盤的旋轉，齒輪傳動系統的轉動，達到清洗和行走同步進行的機構特點，所以在本次的設計中，旋轉使用負壓泵進行驅動行駛清洗元件的確定。根據本次設計的要求，在負壓泵的工作狀態下，吸附的負壓吸附力為6-15N,按照吸附力的大小，選擇12V負壓泵，其型號為：70KPA，真空范圍：0-98.2kPa，流速：0-23LPM，頻率：50Hz，電機與泵描述，無油式旋轉泵，聲音：＜60dBa，工作周期：非連續性工作。3.2吸盤吸附驅動力的計算校核(1)計算玻璃幕清洗機器人傳動結構中驅動臂的轉到過程中的負載慣量J。已知玻璃幕清洗過程中的吸盤吸附在材料的選擇上采用的是304，可以通過材料的結構性能確定其密度為：=7.810kg/cm，可以通過以下的計算式得:（2）計算涮盤安裝底座的工作轉動慣量大小JJ=0.7810DL=0.7810(6.6-3)8.2kg/cm=11.62kg/cm（3）折算到玻璃幕清洗機器人在電動機傳動過程中的軸上傳動機構的傳動的慣量大小計算為,可以知道已知玻璃幕清洗機器人在執行工作的情況下，其工作臺安裝底座及負壓吸附機器人的總質量要求為m=5kg，所以在電動機的參數確定后，計算每轉一圈的軸向移動的行程，L=1.25cm，通過以下的計算式可以得：(4)所以加在電動機的傳動軸上的工作負載的總量轉動慣量為：=++J=(21.43+11.62+9.95)=4.3(5)玻璃幕清洗機器人的吸盤吸附的旋轉工作中的負載力矩大小的計算T：可以根據玻璃幕清洗機器人的吸盤吸附在轉臂過程的軸向負載的大小為F=F=2.969N,則電動機在工作中每轉一圈的時候，機器人的回轉吸盤吸附執行部件在軸向上移動的距離為L=125mm=0.125m,可以進行進給傳動系統工作中的總效率的計算η=0.90，由式得：T===0.648Nm(6)計算玻璃幕清洗過程中的摩擦負載力矩的大小T：已知在不旋轉狀態下坐標軸的軸向負載力（即為空載時的驅動臂摩擦力）F=15.75N，由上述計算可得：T==Nm=2.79Nm3.3機器人絲桿計算（1）計算玻璃幕清洗機器人的負壓吸附機器人上的絲桿的旋轉力大小根據電機的選擇大小進行功率的確定為：=0.18kw，可以進行對負壓吸附絲桿的工作中玻璃幕清洗時候的最大力矩進行負壓吸附轉速的計算為n=30r/min，絲桿的結構形式如下圖所示3-2所示：圖3-2：絲桿結構圖可以根據電機的選擇和玻璃幕清洗過程中的最大扭矩進行機器人負壓吸附中的速度計算為：可以選取玻璃幕清洗機器人負壓吸附中的傳遞機械工作的效率為：，可以計算出旋轉力的大小為：（2）計算玻璃幕清洗機器人在兩個負壓吸附連桿傳動上的負壓吸附力的大小：縱向的負壓吸附力為Y,以及橫向的工作的負壓吸附力為X，可以分別計算出其大小為：3.4機器人絲桿載荷的校驗可以根據傳動過程中的絲桿的傳動臨界轉速的大小，進行絲桿長度尺寸的計算，長度=217mm。查閱文獻可以選取彈性模量的大小為：E=MPa，絲桿的選擇設計上的材料選擇為40Cr材質，其密度N/，金屬在空氣中的重力加速度的大小為9.8，使用中的安全系數的大小為：=0.8。由查看文獻查得：。玻璃幕清洗機器人的負壓吸附絲桿的運動過程中的最小慣性的力矩為：玻璃幕清洗機器人的負壓吸附絲桿工作中的最小的截面積的大小為：所以在玻璃幕清洗機器人的負壓吸附絲桿的轉動上。根據以上的計算內容，可以計算得：r/min=107.3r/min通過以上的計算和分析，在本次的玻璃幕清洗機器人的負壓吸附絲桿的轉速的鍛造上，根據計算的理論值為107.3r/min，設計碎塊的轉速不得超過150r/min，所以本次絲桿傳動的最大轉速選擇為120r/min可視為最佳。3.5齒輪傳動系的設計計算3.5.1確定齒輪傳動精度等級根據估計速度m/s,采用8級精度齒輪。一般齒輪的選擇材料中，使用的是40Cr進行表面高頻淬火進行使用，整體進行調質處理，因此其；分度圓上設計的壓力角的大小為；對于正常齒來說，齒頂高的設計的系數為，齒輪頂隙的系數設計選擇為。3.5.2計算齒輪的許用應力的大小玻璃幕清洗機器人主動輪和玻璃幕清洗機器人從動輪齒面硬度為230HBS和170HBS，并查圖得，=570Mpa,=520Mpa,查圖得，=1.0，=1.14,=1.0,=1.0,=1.0,=0.92,=1.0。3.5.3按玻璃幕清洗機器人齒面接觸疲勞強度確定中心距玻璃幕清洗機器人小齒輪轉距：初取，取：查表得，確定玻璃幕清洗機器人傳動齒輪的中心距：取a=95mm估計模數：m=(0.007～0.02)a=(0.007～0.02)×155=1.085～3.1mm,取m=3mm.各輪齒數：取玻璃幕清洗機器人齒輪傳動實際傳動比：玻璃幕清洗機器人齒輪傳動比誤差：玻璃幕清洗機器人齒輪許用分度圓直徑：則可以確定本次設計的玻璃幕清洗機器人齒輪選擇8級精度的齒輪合適。3.5.4驗算齒面接觸疲勞強度因玻璃幕清洗機器人齒輪由電機驅動，載荷平穩，查表，，由于玻璃幕清洗機器人齒輪傳動的速度v=3.17m/s,8級精度齒輪，查圖得，軸上軸承不對稱分布，且，查圖得，齒寬b=。取b=54mm,。查表得載荷系數計算玻璃幕清洗機器人齒輪端面和縱向重合度：由查圖得，，取u=2.7=1.58MP所以通過以上的設計和計算的內容，對玻璃幕清洗機器人齒輪進行校核設計，可以確定本次設計的玻璃幕清洗機器人齒輪選擇的參數和設計的內容在使用上是可行的。齒輪組的結構形式如下圖3-3所示：圖3-3：齒輪組傳動系統

總結本文通過對玻璃幕清洗機器人的結構設計，完成玻璃幕清洗機器人的安裝底座結構的設計，傳動方式的選擇，吸盤吸附傳動結構形式的設計，負壓吸附機構的設計和電機的選擇。完成玻璃幕清洗機器人的相關設計的計算和分析。在畢業設計的過程中，確實是一個比較累的過程，但是在解決了遇到的問題后，收獲的很多都是成就感，在這次的設計過程中，也是自己在四年以來的一次對所學知識的運用的過程，同時讓自己在整個過程中不斷的成長，更好的為畢業后的工作做準備，培養了自己在獨立自主未來事情上的信心，提升獨立能力。謝辭參考文獻[1]聞邦椿,機械設計手冊[M],北京:機械工業出版社,2010.[2]盧秉恒,機械制造基礎[M],北京:機械工業出版社,2008.[3]呂庸厚，沈愛紅,組合機構設計與應用創新[M],北京:機械工業出版社,2008.[4]姚云英,公差配合與測量技術[M],北京:機械工業出版社