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XX 大學 畢 業(yè) 設 計 (論 文 ) 基于遙控技術的家用吸塵器設計 所 在 學 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指 導 老 師 年 月 日 II 摘 要 利用三維軟件，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識， 完成吸塵器的結構設計及特定零件的模具設計。主要內(nèi)容包括吸塵器主題元素的確定、 運用 Pro/Engineer 對產(chǎn)品進行造型、產(chǎn)品渲染、某個零件的模具、運用 CAD 結合 Pro/Engineer 繪制加工圖紙、設計總結。 關鍵詞：Pro/E CAD 結構設計 模具設計 吸塵器 II Abstract Using three-dimensional software, integrated use of the basic theory, basic knowledge and mechanical design expertise to complete the structural design of the humidifier and the specific parts of the mold design. The main contents include the determination of the the humidifier theme elements, the use of Pro / Engineer product modeling, product rendering, a part of the mold, the use of CAD combined Pro / Engineer drawing processing drawings, design summary. Keywords:Pro/E CAD Structural design Mold design Humidifier III 目 錄 摘 要 ..............................................................................................................................................II ABSTRACT.....................................................................................................................................II 目 錄 .............................................................................................................................................III 第 1 章 緒 論 ...................................................................................................................................6 1.1 問題的提出及研究意義 .........................................................................................................6 1.1.1 問題的提出 .....................................................................................................................6 1.1.2 研究的意義 ..........................................................................................................................6 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .....................................................................................................................8 第 2 章 吸塵器工作原理 ...............................................................................................................11 2.1 吸塵器分類 ...........................................................................................................................11 2.2 吸塵器原理 ...........................................................................................................................12 第 3 章 遙控技術的家用吸塵器外形設計 .................................................................................13 3.1 產(chǎn)品外形設計 ......................................................................................................................13 3.2 外殼設計 ..............................................................................................................................13 3.2.1 材料選擇 ...........................................................................................................................13 3.2.2 結構設計 ...........................................................................................................................14 第 4 章 全自動吸塵器結構設計 .................................................................................................16 4.1 小車行走結構設計 ..............................................................................................................16 4.1.1 車體結構方案的比較與選擇 .......................................................................................16 4.1.2 小車驅動電機功率的確定 ...........................................................................................17 4.2 蝸桿副的設計計算 ..............................................................................................................20 4.2.1 蝸桿的選型 ..................................................................................................................20 4.2.2 蝸桿副的材料 ..............................................................................................................21 4.2.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 ..................................................................................21 4.2.4 蝸桿和蝸輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸 ..................................................................24 IV 4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 ......................................................................................25 4.3 車輪部位電機選擇 ..............................................................................................................25 4.4 本章小結 ..............................................................................................................................26 總結與展望 .....................................................................................................................................28 參 考 文 獻 ...................................................................................................................................29 致 謝 .............................................................................................................................................30 總 結 ...............................................................................................................................................32 參考文獻 .........................................................................................................................................33 致 謝 .............................................................................................................................................34 6 第 1 章 緒 論 1.1 問題的提出及研究意義 1.1.1 問題的提出 隨著科技的發(fā)展，人們的生活越來越好，可是周圍的環(huán)境卻越來越壞，凈 化空氣就變得非常重要了。俗話說凡事要從自己做起，所以應該首先凈化我們 自己的生活環(huán)境，即室內(nèi)環(huán)境。而吸塵器、吸塵器和空調(diào)器等家用電器，都是 人們用來創(chuàng)造人工氣候環(huán)境的現(xiàn)代化家庭基本設備。 吸塵器是現(xiàn)代家庭中受到人們廣泛喜愛的清潔用具，傳統(tǒng)的用具清掃房間 往往不能將家里的微細塵埃清掃干凈，塵埃總是從一處轉移到另一處，尤其是 地毯窗簾等處的灰塵就更難以清除，利用吸塵器來做清潔工作就無此弊。吸 塵器不但可以清潔地面，也可以用來清潔一般的器具難以清潔的地方，如沙發(fā)， 墻壁等。 吸塵器在工作時要經(jīng)過起塵、吸塵和濾塵三個階段。吸塵器一般包括吸塵 器電機和風機（電機多為串激整流子電動機、風機是離心式風機）、機身、吸 塵管（手持式吸塵器的機身和吸塵管常聯(lián)為一體）控制電路、濾塵器（袋）和 吸塵附件。一般吸塵器的電機工作功率為 400-1000W，體積大一些的吸塵器的 功率更高一些，而便攜式吸塵器的功率則一般為 250W 以下，吸塵器工作時靠 電動機高速驅動風機葉輪旋轉，使空氣高速排出，而風機前端吸塵部分的空氣 不斷地補充風機中的空氣，使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時真空，和外界大氣壓形成負 壓差；在此壓差的作用下，吸塵器吸入含灰塵的空氣，并經(jīng)濾塵器過濾，排出 清凈的空氣。負壓差越大風量越大，則吸力也越大，而這時的電機工作功率也 就越高。所以吸塵器也叫真空吸塵器。真空吸塵器由于應用廣泛，特別是為了 可以用于不同的場地和場所，需要配置不同規(guī)格的吸頭，這樣可分別用來清除 地毯、衣物、沙發(fā)、各種物品及電子儀器上的塵屑，使用十分方便。當然，也 有一些是專門設計或專用型吸塵器。 1.1.2 研究的意義 近年來，每到換季的時候， “流感”就像“瘟疫”一樣悄然而至，使許多人 “弱不禁風” ，在流感病毒的襲擊下病倒了。于是人們想方設法預防流感。但效 果總是不盡如人意。為什么流感發(fā)病率呈逐年上升趨勢？如何能防患于未然呢？ 7 醫(yī)學工作者對流感的發(fā)病原因和預防作了長期、深入的調(diào)查研究。1999 年， 日本名古屋大學健康環(huán)境醫(yī)學系教授須藤千春發(fā)表了一份關于空氣濕度與人體 健康的關系的研究報告，在學術界引起廣泛的關注。該研究發(fā)現(xiàn)：近 30 年來， 隨著全球氣溫的逐年升高，空氣濕度在逐年下降，流感、支氣管哮喘、過敏性 皮炎、肺氣腫等疾病的發(fā)病率比 30 年前提高 30以上；這些疾病高發(fā)是人們 自幼年起，長期生活在濕度較低的環(huán)境里，肌體免疫力低下造成的。肌體免疫 力下降會使人處于一種“亞健康狀態(tài)” 。 “亞健康”是一種處于健康與生病之 間 的狀態(tài)，這種狀態(tài)不易引起人們的注意，但是醫(yī)學研究表明，亞健康狀態(tài)的 人較之健康的人身體抵抗力弱，更易受到病毒和細菌的侵害。 近年流感多發(fā)與空氣濕度較低有著密切的關系。溫暖、干燥易于細菌、病 毒的滋生和傳播，抗流感應以預防為主，營造健康的室內(nèi)濕度，提高人體的免 疫力，是切實可行的預防流感的方式。人們可采用吸塵器改善室內(nèi)空氣濕度， 創(chuàng)造健康 的生活環(huán)境。因此本設計是有一定的使用價值的。 今年來,隨著中國工業(yè)的快速發(fā)展,吸塵器的產(chǎn)銷量也大幅增加,在我國市場 具有旺盛的生命力。隨著設會的進步和發(fā)展,人們的物質和精神生活質量的提高,迫 切需要從繁重的清潔工作中解脫出來由此誕生了一種家用服務型吸塵機器人,它 將移動機器人技術和吸塵技術有機地融合起來,實現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi) 環(huán)境的半自動或全自動清潔,因此具有廣闊的市場前景。 目前在歐美日等發(fā)達國家,吸塵機器人開發(fā)較早,應用范圍也較廣,近兩年來,已 經(jīng)開發(fā)出多種面向市場的智能吸塵機器人。澳大利亞某公司研制出可自動行駛 并打掃房間的型機器人這種全自動吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置 搜索雷達,可以搜索各種房間里的每一處,不會碰撞家具或其它障礙物。微處理 小電腦使它具備在拐至屋角處能探測方向、選擇前進路線的能力。只要將全自 動吸塵器放在地面上,它便可自動開始工作。其搜索雷達會探測出距離最近的墻 壁,先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物吸盡;然后再不規(guī)則地來回移動于房間 的其它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉向。該吸塵機器人由于在主機的周 圍配備了障礙物傳感器,因此可以在檢測墻壁及障礙物的同時打掃地面;當 打掃完可以行駛的場所后,機器人就自動關閉電源。不管房間的外形及面積的大 小、導航算法引導機器人在任何房間的所有無遮掩區(qū)域四處運動來進 行清潔工作,因為機器人導航沿房間的周圍,所以它要創(chuàng)建自己的空間參考圖,機 8 器人不需要任何編程“教它應該去哪里” 。該機器人操作簡單,僅有個按鈕:開 始、結束以及暫停,人們只要簡單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中,按下 開始按鈕即可。 國內(nèi)目前也已開始有關的研究開發(fā)工作,特別是在移動機器人的運動規(guī)劃與 控制方面取得了一定的成就,為研究開發(fā)吸塵機器人奠定了技術基礎。吸塵機器 人作為服務機器人領域中的一個新產(chǎn)品,將使人們能在無人看守情況下輕松地完 成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,該吸塵機器人如能大批量生產(chǎn)使成本降低,以 低價格進入市場,將會具有巨大的市場前景,有關資料也預測吸塵機器人是未來 幾年需求量最大的是服務機器人。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于 90 年代興起的行業(yè)。隨著時代的發(fā)展，科 研、農(nóng)業(yè)、暖通、紡織、機房、航空航天、電力等工業(yè)部門，越來越需要采用 濕度傳感器，對產(chǎn)品質量的要求越來越高，對環(huán)境溫、濕度的控制以及對工業(yè) 材料水分值的監(jiān)測與分析都已成為比較普遍的技術條件之一。工業(yè)吸塵器在中 國的發(fā)展是在改革開放之后，真正的大發(fā)展是上世紀 90 年代后期。目前，常用 的吸塵器有揮發(fā)式、蒸發(fā)式和霧化式三大類。它們的核心部件分別為離心電動 機、電熱元件和超聲波發(fā)生器。揮發(fā)式吸塵器通過離心電動機的高速旋轉所產(chǎn) 生的負壓將水吸到旋轉的擴散盤上，并且靠離心力將擴散盤上的水擴散到空氣 中。蒸發(fā)式吸塵器是利用電熱元件將水加熱至 60 以上使水分子能夠克服 水面張力的束縛而蒸發(fā)到空氣中。超聲波吸塵器則利用具有壓電效應的換能器 把高頻脈動電信號轉換成高頻機械振動，產(chǎn)生 1.72MHz 的高頻振動，用以造 成劇烈的水滴撕裂，將水霧化成超微細粒，并且被電風機吹散到空氣中去，以 便調(diào)節(jié)有限空間的濕度。然而，這些吸塵器的加濕度還沒有直觀的定量指示和 報訊裝置，只能依靠人體感觀的經(jīng)驗去手工調(diào)控加濕度。 盡管目前國內(nèi)外在吸塵機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高 和許多關鍵技術問題急待解決。 目前,價格過高是嚴重影響吸塵機器人打入家電市場的主要因素,為了大幅 度降低其成本,必須開發(fā)智能傳感器、專用運動控制的數(shù)字處理芯片;其次,應該 看到藍牙技術在家電行業(yè)的應用前景,通過采用藍牙技術將過高的數(shù)字處理成本 轉移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機器人的成本降低在千元左右。 未來的吸塵機器人將向自主式和人工智能化發(fā)展,因此必須結合現(xiàn)有的基于 9 自適應控制、預測控制、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡等移動機器人運動規(guī)劃和控制技 術,研究對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規(guī)劃與控制器及高 效的傳感器融合算法,是在現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)具有良好的自適應性和魯棒性行為的 機器人的關鍵。 電源技術是吸塵機器人研究工作的核心問題之一,除了為機器人運動、吸塵 及控制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,能 夠自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務。在研究提高化學電池使用壽命、縮小體積 的同時,一種新興的質子交換膜燃料電池具有功率大、能量高、壽命長和體積小 等優(yōu)點,為移動電源提供了一種合適的電源,目前,上海某大學燃料電池研究所在 這方面進行著有益的嘗試。 隨著吸塵機器人關鍵技術和性能價格比的不斷提高或改進,相信在現(xiàn)有的軟 硬件條件的基礎上,未來幾年內(nèi)就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產(chǎn)品,進 而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術產(chǎn)品帶來 可觀的市場和經(jīng)濟效益。 11 第 2 章 吸塵器工作原理 2.1 吸塵器分類 吸塵器從使用方面來講可分為工業(yè)用吸塵器和家用吸塵器兩個大類。 按工作原理可分為超聲波式吸塵器、直接蒸發(fā)式吸塵器、電熱式吸塵器、 電極式吸塵器、光波式吸塵器、離心式吸塵器和復合式吸塵器。 1.按形狀大小分類 （1）立式：呈圓桶形或方形居多，分上、下兩部分，上部裝有電機，是動 力部分，下部為集塵箱。 （2）臥式：長方形或車型狀，有前后兩部分，前部為集塵箱，后部為電機 部分。 （3）便攜式，它一般有五種形式 1) 肩式：體積較小，使用時背在肩上，小功率輸出。 2) 桿式：形狀似桿，上端為把手，下端為吸嘴，小功率輸出。 3) 手提式：體積更小，可直接握在手中使用，小功率輸出通常用干或蓄 電池做電源。 4) 微型式：多用電池供電，體積更小，多用于清潔衣物、儀器等，微功 率。 5) 無繩式: 吸塵器拖著長長的電線 , 極易糾纏不清。倘若是無繩式的吸 塵器，則可以避免上述情況的發(fā)生。 2.按功能分類 按功能大致有以下種：干式干濕兩用式地毯式及打蠟吸塵式。干式吸 塵器就是上面介紹的幾種吸塵器。干濕兩用式吸塵器具有與干式吸塵器相同的 性能和用途，此外還能吸取肥皂之類的液體或多水性泡沫污物。地毯式主要用 于地毯的清潔。打蠟式吸力較差，主要以打蠟為主。 3.按電器安全分類 （1）類吸塵器，額定電壓超過 42 伏，只有基本絕緣。 （2）類吸塵器，額定電壓超過 42 伏，全部為雙重絕緣，當基本絕緣破 壞時，還有一層補充絕緣作用。 （3）類吸塵器，額定電壓低于 42 伏，避免了觸電危險。 12 2.2 吸塵器原理 1吸塵原理。吸塵器的風機葉輪在電動機高速驅動下，將葉輪中的空氣高 速排出風機，同時使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補充進風機。這樣不妨與外界形成 較高的壓差。吸嘴的塵埃、臟物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過漏器過漏，將 塵埃、臟物收集與塵筒內(nèi)。 2、吸塵器的原件。 所有吸塵器都配有一個組裝刷頭，供清理地板及地毯使用。 吸力式吸塵器還會配備一系列的清潔刷及吸嘴，以便清掃角落、窗簾、沙發(fā)和 縫隙用。 3喉管：所有吸力式的吸塵器都會裝備硬喉管，用來連接清潔用的軟喉管及附 件。 4電動刷：內(nèi)式吸塵器的清潔頭，是混合式吸塵器特別有的配件。 5圓刷頭：也較小吸嘴，可做 360*回轉，方便清潔家具、精細網(wǎng)織物等。 6扁吸嘴：又稱縫隙吸嘴，是一支細長、扁平的硬吸嘴。特別適用于清潔墻邊、 輻射式暖片、角落及淺窄地方。 7掃塵刷：用長而軟的鬃毛制成，適用于清潔窗簾、墻壁等。 吸塵器主要由起塵、吸塵、濾塵三部分組成，一般包括串激整流子電動機、 離心式風機、濾塵器（袋）和吸塵附件。一般吸 塵器的功率為 400-1000W 或更 高，便攜式吸塵器的功率一般為 250W 及其以下。吸塵器能除塵，主要在于它的 “頭部”裝有一個電動抽風機。抽風機的轉 軸上有風葉輪，通電后，抽風機會 以每秒 500 圈的轉速產(chǎn)生極強的吸力和壓力，在吸力和壓力的作用下，空氣高 速排出，而風機前端吸塵部分的空氣不斷地補充風 機中的空氣，致使吸塵器內(nèi) 部產(chǎn)生瞬時真空，和外界大氣壓形成負壓差，在此壓差的作用下，吸入含灰塵 的空氣?；覊m等雜物依次通過地毯或地板刷、長接管、彎 管、軟管、軟管接頭 進入濾塵袋，灰塵等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過濾片凈化后，再由機體尾 部排出。 吸塵器的工作原理是吸塵器電機高速旋轉,從吸入口吸入空氣,使塵箱產(chǎn)生 一定的真空,灰塵通過地刷、接管、手柄、軟 管、主吸管進入塵箱中的濾塵袋, 灰塵被留在濾塵袋內(nèi),過濾后的空氣再經(jīng)過一層過濾片進入電機,這層過濾片是 防止塵袋破裂灰塵吸入電機的一道保護屏障,進入 電機的空氣經(jīng)電機流出,由于 電機運行中碳刷不斷的磨損,因此流出吸塵器前又加了一道過濾。 過濾材料越細密就可以將空氣過濾得越干凈,但透氣度就越差,這樣影響了電機 吸入的風量,降低了吸塵器效率。但是對用戶而言,舒適干凈是主要的,因此近年 來流行叫“海帕”的過濾器。 海帕是外來名,它是一種高效過濾器,可以將極小的灰塵擋住,效率達到 99.97%。它的透氣度是較低的,因此都做成 波浪形以增加透氣面積。這種過濾 材料有的還可以反復清洗。任何過濾材料都有“壽命”,也就是長期使用后過濾 材料的微孔已被小顆?；覊m堵死。因此紙質的塵袋 是比較理想的,用后即棄,衛(wèi) 生又方便。布質濾塵袋清洗后纖維會板結,影響過濾效果和透氣效果。SMS 三層 復合過濾材料耐洗,但透氣度稍低。 13 第 3 章 遙控技術的家用吸塵器外形設計 3.1 產(chǎn)品外形設計 本次設計的為空氣吸塵器，采用超聲波吸塵器。此種吸塵器通過換能片產(chǎn) 生的超聲能量直接作用于水，而水在強烈的超聲空化作用下被霧化。霧化的微 細水顆粒，經(jīng)過獨特的風道吹送至增濕空間，水霧粒子與流動空氣進行熱濕交 換，達到等焓加濕空氣的目的。 3.2 外殼設計 3.2.1 材料選擇 塑件的選材應考慮以下幾個方面，以判斷其是否能滿足使用要求。 （1） 、塑件的力學性能，如強度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、沖擊性 能以及對應力的敏感性。 （2） 、塑料的物理性能，如對使用環(huán)境溫度變化的適應性、光學特性、絕 熱或電氣絕緣的程度、精加工和外觀的完美程度等。 （3） 、塑料的化學性能，如對接觸物（水、溶劑、油、藥物）的耐性、衛(wèi) 生程度以及使用上的安全性等。 （4） 、必要的精度，如收縮率的大小及各向收縮率的差異。 （5） 、成型工藝性，如塑料的流動性、結晶性、熱敏性等。 本次設計外殼塑件材料選用 ABS，ABS 是一種具有良好綜合性能的工程塑 料，它具有聚苯乙烯的良好塑性、聚丁二烯的韌度、聚苯烯腈的化學穩(wěn)定性和 表面硬度，其抗拉強度可達 3550MPa。ABS 的耐候性是它的另一個優(yōu)點，一 般 ABS 塑件的使用溫度范圍為-40100C，這正是本塑件最適宜的使用溫度 范圍。 ABS 塑料具有一定的吸濕性（含水量為 0.30.8） ，成型時會在制件上 產(chǎn)生斑痕、云紋、銀絲、氣泡等缺陷，故在注射成型之前應進行干燥處理。 ABS 熔體中具有中等黏度特性，流動性好。設定料溫在 200240C 之間，模 溫在 60C 左右。 塑料密度 1.021.16 g/cm ，彈性模量 E=1.4 10 MPa，成型收縮率 14 0.40.7，泊松比 0.35。 3.2.2 結構設計 塑料的總體尺寸主要取決于塑料品種的流動性。塑料外形尺寸還受成型設 備的限制。從能源，模具制造成本和成型工藝條件出發(fā)，只要能滿足塑件的使 用要求，應將塑件設計的盡量緊湊，尺寸小巧一些。 影響塑料尺寸精度的因素很多，如模具制造精度及其使用后的磨損，塑料 收縮率的波動，成型工藝條件的變化，塑件的形狀，飛邊厚度的波動，脫模斜 度及成型后塑件尺寸變化等。一般來講，為了降低模具的加工難度和模具制造 成本。在滿足塑件使用要求的前提下應盡量把塑件尺寸精度設計的低一些。 塑料制件的表面質量包括表面粗糙度和表觀質量。塑件表面粗糙度的高低， 主要與模具型腔表面的粗糙度有關。目前，注射成型塑件的表面粗糙度通常為 R 0.021.25 m，模腔表壁的表面粗糙度應為塑件的 1/2，即 R 0.010.63 m。 塑件應有一定的厚度才能滿足使用時的強度和剛度要求，而且壁厚在脫模 時還需承受脫模推力。壁厚應設計合理，壁太薄熔料充滿型腔時的流動阻力大， 會出現(xiàn)缺料的現(xiàn)象；壁太厚塑件內(nèi)部會產(chǎn)生氣泡，外部易產(chǎn)生凹陷等缺陷，同 時增加了成本；壁厚不均勻造成收縮不一致，導致塑件變形或翹曲，在可能的 條件下應使壁厚盡量均勻一致。塑件的壁厚一般取 14mm 大型塑件的壁厚可 達 8mm，本次設計塑件壁厚取 2mm。 加強筋的主要作用是在不增加壁厚的情況下，加強塑件的強度核剛度，避 免塑件變形翹曲。此外，合理布局加強筋還可以改善充模流動性，減少內(nèi)應力， 避免氣孔、縮孔和凹陷等缺陷。加強筋的壁厚應小于塑件壁厚，并與壁厚圓弧 過渡。加強筋端部不應與塑件支撐面平齊，而應縮進 0.5 mm 以上，如果一個制 件上需要設置許多加強筋，除應注意加強筋之間的中心距必須大于制件壁厚的 兩倍以上之外，還要使各條加強筋的排列互相錯開，易防止收縮不均勻引起制 品破裂。此外，各條加強筋的厚度應盡量相同或相近，這樣可以防止因融體流 動局部集中而引起縮孔和氣泡。 對于塑件來說，除使用要求需要尖角之外，其余所有內(nèi)外表面轉彎處都應 盡能采用圓角過渡，以減少應力集中。采用圓角過渡不但使塑件強度高，塑件 在型腔中流動性好，而且美觀，模具型腔也不易產(chǎn)生內(nèi)應力和變形。圓角半徑 15 的大小主要取決于塑件的壁厚。 塑件上的螺紋即可以直接用模具成型，也可以在成型后用機械加工獲得， 對于需要經(jīng)常裝拆和受力較大的螺紋，應采用金屬螺紋嵌件。塑件上的螺紋， 一般直徑要求不小于 2 mm，精度不小于 IT7 級，并選用螺距較大者。細牙螺紋 盡量不采用直接成型，而是采用金屬螺紋嵌件。為了增加螺紋的強度，防止最 外圈螺紋崩裂或變形，其始端和末端均不應突然開始和結束，應有一定過渡段。 塑件螺紋與金屬螺紋的配合長度應不大于螺紋直徑的 1.5 倍。在同一螺紋型芯 或螺紋型環(huán)上有前后兩種螺紋時，應使兩端螺紋的旋向和螺距相同。 吸塵部位的設計 全自動吸塵器對墻壁等障礙的判斷主要是通過超聲波傳感器來完成的，超 聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用 于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲 波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度 方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。 1. 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w 上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是 用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；它們 所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各有不相同的 地方。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 2.壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器 內(nèi)部結構如圖 2-3 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈 沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并 （圖 2-3 超聲波傳感器結構） 圖） 16 帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板 接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就 成了超聲波接收裝置。 全自動吸塵器選用了壓電陶瓷式超聲波傳感器，在超聲波信號發(fā)射側使用 T40-16，在信號接受側使用 R40-16，發(fā)射信號側由 40HZ 的通信電路、控制 ON-OFF 及驅動電路組成，接收信號側由放大、比較和積分電路組成，圖 2-4 是超聲波傳感器的電路。超聲波傳感器為了容易反射聲波，對測定物體成直角 安裝。 由于每一個超聲波探頭都有一定的指向性（即發(fā)射或接受的空間范圍），所以在測 量時必然存在盲區(qū)（如圖 2）。因此，三對傳感器必然以一定的尺寸分布在吸塵器的前端， 從而使傳感器測量的范圍包含整個吸塵器所必須經(jīng)過的空間，同時又避免探測死角（既使 盲區(qū)落在須測量的范圍之外）。 第 4 章 本章標題 17 第 4 章 全自動吸塵器結構設計 全自動吸塵器的驅動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅動機構組成的。步 進電機帶動兩驅動輪（后輪） ，從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結構， 而采用了應用非常廣泛的萬向轉輪這既減小了結構復雜度，又提高了轉彎的靈活性 通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率，可以對步進電機實現(xiàn)較高精度的調(diào) 速。同時在對兩電機分別施加相同或不同脈沖信號時，通過差速方式，可以方便的實 現(xiàn)吸塵器前進、左轉、右轉、后退、調(diào)頭等功能。這一設計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠 在任意半徑下，以任意速度實現(xiàn)轉彎，甚至當兩后輪相互反向運動時，實現(xiàn)零轉彎半 徑（即繞軸中點原地施轉） 。同時轉彎的速度可通過改變單片機的程序來調(diào)節(jié) 。 由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求 3mmin 左右， 這樣能夠保證全自動吸塵器行走平穩(wěn)，而且有很高的效率. 4.1 小車行走結構設計 這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機構的結構方案的比較與選擇；對電 機功率的估計并選擇出小車的驅動電機；對根據(jù)結構設計的齒輪、齒條傳動的接觸疲 勞強度、彎曲疲勞強度校核。 4.1.1 車體結構方案的比較與選擇 根據(jù)一些移動機器人本體設計的研究文獻及直動關節(jié)的知識可獲得兩個車體結構 方案。這兩個方案的示意圖如圖所示： 方案 1：其中傳動順序為：電機 齒輪箱 車輪軸上齒輪 （通過車輪軸）驅動 輪。這也是在移動機器人本體結構設計上較為常用的一種車體結構方案，布置比較對 稱合理。 方案 2：其中傳動順序為：電機 圓柱齒輪 固定齒條 （通過反推動）車體結 構。這里的設計有借鑒將旋轉運動轉化為直線運動里有齒輪、齒條這么一種傳動方式， 結構比較簡單，設計比較容易。 方案間的比較： 表 1 兩車體機構方案的比較 左側步進電機 右側步進電機 自帶電源 18 方案比較 方案 1 方案 2 設計方面 較復雜 較簡單 結構方面 稍復雜 稍簡單 布置方面 對稱點 有點偏移 效率方面 較低 較高 精度方面 高 稍差 用材方面 一般 有長齒條 根據(jù)實際的工作條件：希望設計能夠比較簡單，結構比較簡單，焊接小車的移動 效率高一點，精度要求并不是很高， 。故可從表 1 可選擇出方案 2 作為該小車的設計結 構方案。 4.1.2 小車驅動電機功率的確定 (1) 電機功率的估計 根據(jù)重量、小車運行速度、輪胎直徑來確定驅動電機的功率。 假定小車在軌道上行走，不考慮小車行駛中的空氣阻力，分析小車的受力情況， 以便估計小車所需的驅動力矩。此時，應把輪胎看成一個彈性體來考慮。 前面也提到了，在這里，由于電機的驅動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅動，故該 小車的四輪都為從動輪。 這里先分析車輪的受力情況： 第 4 章 本章標題 19 vPXmgUN 圖 3.1 車輪受力簡圖 假設在運動過程中，輪子做純滾動。 設小車運動時的加速度為 ，相應的車輪角加速度為 。dvt dwt 根據(jù) 可推得：vwr1dt 其中 v 為小車速度，w 為車輪角速度，r 為車輪的半徑。 圖 3.1 畫出了該小車的車輪在運動過程中的受力簡圖，圖中 P 車輪上的載荷，m 車輪的質量，N 地面對車輪的法向反作用力，U 為車輪的切向 反作用力，X 車輪軸的車輪的推力。 根據(jù)平衡條件有 dvXUmt （3.1） fwrMJdt （3.2） 20 為車輪滾動阻力矩，其值為 ；J 為車輪的轉動慣量。fMN 根據(jù)式（3.1） 、 （3.2）有 2fMJdvXmrt （3.3） 由此可知，推動車輪前進要克服兩種阻力，即車輪的滾動阻力和車輪的加速阻力。 而后者又由平移質量產(chǎn)生的加速阻力 和由旋轉質量產(chǎn)生的加速阻力 所組成。dvmt 2Jdvrt 齒輪、齒條傳動作為該小車的驅動機構，故驅動力矩設為 ， 進而可將 理dMdr 解為小車的實際驅動力， 為齒輪的半徑。r 故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應用牛頓第二定律可得： 04()ddvXmrt （3.4） 其中 為機器人總質量。0m 將式（3.4）中的 X 帶入上式得； 0244fdMJdvmrtr （3.5） 由上式可得出結論為：小車的驅動力用來克服車輪的滾動阻力和機器人的平移質 量的加速阻力和車輪的旋轉阻力。 可根據(jù)式（3.5）粗估出驅動力矩： 其中：車輪半徑 ， （查理論力學 P120 表 5.2 滾動摩阻系60rm2 數(shù) 。 ） ， ； 4rt 估為 40kg ,車輪質量估計為 0.8kg ,J 估計為 ，0m 2-4mkg10.6 N；(0.8)1944gN 第 4 章 本章標題 21 由于這里的焊接速度為 ，故可一定程度上估出 。min2.1 2dvmst 將上述數(shù)據(jù)帶入式（3.5）得： 29.4MdN 進而根據(jù)要求的運行速度為 v ,初步確定電機的功率 P： （3.6）dvPKr 其中：K 為估計系數(shù)，考慮到該焊接機器人其上的關節(jié)的運動，可取為 5。 解之得： P =645w (2) 電機的選擇 前面已初步估計出了驅動力矩，電機的功率。 在實際的操作中，機器人的驅動，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電 機、交流伺服電機等。考慮到步進電機通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動、制 動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進電機 在機器人無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 這里選定步進電機為驅動電機，考慮到在實際的選擇中應考慮到一定的裕度。 這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應子式步進電機： 型號：130BYG2501； 步距角：0.9/1.8 度； 電壓：120-310v 相數(shù)：2 ； 電流：6 A; 靜轉矩：270 ；cmkg 空載運行頻率： ；18 轉動慣量： ；2 22 4.2 蝸桿副的設計計算 4.2.1 蝸桿的選型 根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開線（ZI）蝸桿，這種蝸桿的端面齒廓是漸 開線，所以相當于少一個齒數(shù)。 4.2.2 蝸桿副的材料 由于蝸桿傳動效率不高，速度也只是中等 ,故蝸桿用45鋼;因希望效率高些,耐磨 性好些,故蝸桿螺旋要求淬火硬度為45-55HRC且心部調(diào)制蝸輪用鑄錫青銅ZcusnlOP1,金 屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬,僅齒圈用青銅制造,而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。 4.2.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 根據(jù)工作要求和條件 : 功率小,起動轉矩低,運轉平穩(wěn)等,無需調(diào)速、長期反復 工作，異步電動機取轉速為 1400r/min。 由要求 :自鎖力Q=1000 kgf500 kgf,此處取 Q=1000kgf 。 螺旋副傳動的牙型為梯形螺紋,可通過較小的扭矩獲得較大的軸向力,并要求自鎖。 梯形螺紋的牙型角= ,則牙型半角 P= ,且有f=0.080.10。由于本刀架鎖緊系30o15o 統(tǒng)中的摩擦是由封閉系統(tǒng)彈性變形力所引起的,壓力通常超過 3 ,其摩擦系數(shù)比一aMP 般23倍,取螺桿中徑d=85mm. a.求當量摩擦角 : ，/costgf/cos1.7artgf 為保證電機驅動力矩消失后刀盤仍處于鎖緊狀態(tài),絲杠螺母傳動必須滿足自鎖條件: ,)1.5( 所以 max=11.7-1=10.7，由實驗表明=46 有滿意效果,故取 =5 。 b.螺桿的轉速 n1=28r/min（設計任務書給出） 可得出傳動比： （3-01/4/2850In 1） 第 4 章 本章標題 23 計算電機容量 ： （3-2） /dwaPp 其中 ,Pd 為電機所需功率 :Pw 為工作機所需工作功率； 是由電a 動機至工作機主動端的總效率： （3-3） 1*/950wPTn （3-4）42345a 其中 分別為軸承、蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、滑動絲杠的傳動效率。取1234， ， ， ， =0.98, =0.45( 自鎖時傳動效率 ), ,12 30.94.6 （設計任務書給出）0dPw W （3-5）4/12/.80.59.6482wdaP c. 計算螺桿上的扭矩 : （3-6）1950/95./13.wTnNm d. ，選取150BF002 電機，其技術參數(shù)如下：120dP e. 各軸的運動動力參數(shù) 各軸轉速 I 軸 ( 蝸桿軸 ) =1400(r/min)1n II 軸 ( 絲杠螺母、刀盤 ) =1400/28=50(r/min)2 各軸輸入功率 I 軸 （3-7）II*10.918.dPw II 軸 w （3-8）22045.3I 輸出功率 電壓 輸出功率 轉速 輸入功率 質量 380V 120w 1400r/min 150w 3.0kg 額定電流 起動轉矩/:額定轉矩 最大轉矩/額定轉矩 起動電流 0.47(A) 2.2 2.4 6 24 I 軸 （3-9） 2*0.9814.IPw II 軸 （3-10） 2530.984.3II 根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則,先根據(jù)齒面接觸疲勞強度進行設計 , 再校核齒根 彎 曲強度應有 : (4 1） 232EPHZaKT a.用在蝸輪上的轉矩： 按 ，取效率 則1Z0.7 (4 2) 366 422 18.079.59.52.8104/5PT Nmn b.確定載荷系數(shù)K： 因工作載荷較穩(wěn)定,所以取齒向載荷分布系數(shù) 由表 11-5( 機械設計第七版 ) K 中選取使用系數(shù) =1.15 由于轉速不高,沖擊不大,取動載荷系數(shù) 1.05VK 則 （4-3）1.2AV c.確定彈性影響系數(shù)： EZ 由選用鑄錫磷青銅渦輪和鋼蝸桿相配合, 故 (4-160EaZMP 4） d.確定接觸系數(shù): PZ 先假設蝸桿分度圓直徑為 和中心距 a 的比值 從圖 11-18( 機械設1d1/0.32da 計第七版 ) 中可查得 =2.75P e.確定許用接觸應力： H 根據(jù)蝸桿材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10Pi金屬模鑄造,蝸桿硬度大于45HRC可以從 11- 7( 機械設計第六版 ) 中查得渦輪的基本許用應力 =268HaMP 應力循環(huán)次數(shù) 設計要求壽命為 12000h 則(渦輪每轉一轉,每個輪齒嚙260nNjL 合的次數(shù)) (4-5)714021.9805 第 4 章 本章標題 25 壽命系數(shù)： 7810.98.HNk 則 (4-6)0.918*264.1HN aKMP f.計算中心距 : 19 (4-7) 2431603.1.295.7a m 所以取中心距為 20mm ；因 i=50，故從表 11-12 中取模數(shù) m=1mm 4.2.4 蝸桿和蝸輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸 26 4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 (4-8)21.53cosFFaaFKTYMPdm 當量齒數(shù)： (4-23351.49426vz 9) 根據(jù) 從圖11-19中 ( 機械設計第七版 ) 可查得齒20.5X2vz1. 形系數(shù) 螺旋角系數(shù) 許用彎曲應力.FaY 432610.973,0Y 從表 11-8( 機械設計第七版 ) 查得ZcuSn10Pi制造的蝸輪的基本許NK 用彎曲應力 。56aFMP 壽命系數(shù)： (4- 69710.2.N 10) (4-11)560.4.19aFP 第 4 章 本章標題 27 41.532.8102.75.9635.040.3206F aFaMPP (4-12) 故彎曲強度不滿足要求。改用鑄鋁鐵青銅(ZcuAl10Fe3)砂模鑄造， 其許用應力： （4-13）80aFMP 則 （3-24）.715.36a 所以強度滿足。 4.3 車輪部位電機選擇 考慮到關節(jié)的實際情況，對電機的要求：質量輕，體積小，頻繁的正反轉，換向 性能好，較好的運動控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機中的印刷 繞組直流永磁式。 該類型直流伺服電機又稱盤式電機，有特點：快速響應性能好；可以頻繁的起動、 制動、正反轉工作；轉子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負載變化時轉速變 化率小，輸出力矩平穩(wěn)。 這里選擇的型號是 Maxon 組合體系： 電機：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W; 行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為 19：1； 編碼器：HEDS 55。 4.4 本章小結 本章主要進行了車體結構設計，主要包括方案選擇；功率估計；電機選擇；校核 等內(nèi)容。 具體的設計方案及參數(shù)如下： 傳動順序為：電機 圓柱齒輪 固定齒條 （通過反推動）車體結構。主要利用 齒輪、齒條將旋轉運動轉化為直線運動，結構相對簡單，設計比較容易。 選用的電機參數(shù)如下： 28 （1）傳動電機這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應子式步進電機 型號：130BYG2501； 步距角：0.9/1.8 度； 電壓：120-310v； 相數(shù)：2 ； 電流：6 A； 靜轉矩：270 ；cmkg 空載運行頻率 ；18 轉動慣量： 。2 （2）擺動關節(jié)電機選擇的型號是 Maxon 組合體系： 電機：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W； 行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為 19：1； 編碼器：HEDS 55。 第 4 章 全自動吸塵器的成本分析 全自動吸塵器作為一種家用電器,要想得到家庭用戶的認可和購買,必須價格低廉性 能優(yōu)異,大規(guī)模投放市場后應該能夠產(chǎn)生很高的經(jīng)濟效益。 全自動吸塵器的殼體主要材料是工程塑料，工程塑料在我們的日常生活中都能見 到，它以強度高、質量輕等特點，被廣泛應用于家電行業(yè)以及輕工業(yè)當中全自動吸塵 器的殼體用注塑成型，可以進行大規(guī)模生產(chǎn)，注塑技術發(fā)展，迅速技術先進而且成本 低廉，所以全自動吸塵器的殼體部分經(jīng)濟適用。 全自動吸塵器的動力部分主要由電機構成，在設計中以步進電機作為動力源，步 進電機在機械傳動中應用廣泛，它可以實現(xiàn)精確的位移，它的價格比普通的直流電機 略高一些，但考慮到其優(yōu)越的性能，它作為動力源很合適，全自動吸塵器的風機電動 機采用了鐵氧體永磁直流電動機，它的轉速很高，在小型吸塵器中經(jīng)常應用，它的價 格比較底在幾十元左右，而且很容易從一些電機生產(chǎn)廠家購進。 第 4 章 本章標題 29 電路控制部分是吸塵器的關鍵，由 8051 單片機、電子羅盤、以及傳感器構成， 8051 單片機以其高性能低成本，在家電控制領域中應用廣泛：吸塵器 的“導向儀” VECTOR2X 電子羅盤，是一種利用電磁感應原理設計的一種高精度低價位的導向工具， 它常用在機器人等領域，而且體積很小，容易安裝在電路板上，選用它很合理；傳感 器是吸塵器的眼睛和鼻子，在全自動吸塵器中安裝了紅外線熱釋電傳感器和超聲波傳 感器，在很多自動設備中都能見到它們；整個控制系統(tǒng)還有許多電子元件，大多都是 常用的，因此可以大大降低全自動吸塵器的成本。 綜上所述，全自動吸塵器的成本很低，它的銷售價格基本和現(xiàn)有家用普吸塵器接 近，并且可以大規(guī)模生產(chǎn)制造，進而全自動吸塵器能像普通家電產(chǎn)品樣走進千家戶， 為這一高新技術產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。 30 總結與展望 總結本文對機器人的全自動吸塵器結構系統(tǒng)進行了設計。 全自動吸塵器在電子羅盤的引導下，通過驅動器驅動兩步進電機，帶動驅 動輪，從而實現(xiàn)行走轉向等功能。與此同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件， 對經(jīng)過的地面進行必要的吸塵清掃。全自動吸塵器的行走方式類似于“蛇