玻璃幕墙清洗机设计【含CAD图纸、SW三维】
文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日 期： 文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985目 录摘 要 .IABSTRACT II第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 11.2 国内外发展的现状 .11.3 本设计的创新点 .21.4 本文研究的内容及技术路线 2第 2 章 整车整体设计方案的确定 .32.1 车身的设计 42.1.1 车体的确定 42.1.2 车体的运动曲线分析 52.1.3 车体运动动态的综合分析 .62.2 清洗结构的设计 122.2.1 玻璃刮的设计 132.2.2 抹布立筒的设计 142.2.3 抹布横筒的设计 142.3 吸盘的设计 152.4 传动方案设计 17第 3 章 机电控制系统的设计 .173.1 电源的选择 173.2 电机的选择 173.2.1 车体运动电机选择 173.2.2 清洗机构电机选择 183.3 减速电机原理介绍 .183.4 基于 MCS-51 单片机的控制系统设计 19第 4 章 机械零件结构设计 22文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709854.1 齿轮的设计计算 224.2 轴的设计计算 274.3 轴承的选择与寿命计算 304.4 曲轴的受力分析 324.5 各连杆的受力分析 33第 5 章 总结与展望 355.1 全文总结 355.2 研究展望 355.3 实用性及应用前景分析 35参考文献 36致谢 37湖北省项目支撑说明 37附录 38轴 .38大齿轮 .39车体 .40轨迹发生连杆 1 .41轨迹发生连杆 2 .42减震支架 .43曲轴座 .44缩放连杆 .45支腿 .46曲轴 .47装配图 .48文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985I摘要随着社会经济的发展，高楼大厦的数量也迅猛增加，一方面给经济发展创造了良好的条件；另一方面，高楼清洁工作存在的安全隐患往往也带来惨烈的事故，因而对高楼进行的清洗自然成了一个很重要的课题。基于此考虑，本文设计了“玻璃幕墙清洗机”设备，该清洗机由爬行机构和清洗机构两部分组成，采用模块化的设计，通过三维设计软件 Solidworks 建立楼宇玻璃幕墙清洗机的虚拟样机模型，从而进行运动分析和结构设计。本文叙述了楼宇玻璃幕墙清洗机的工作原理和清洗机的部分设计计算，最后针对现有设计，给出了进一步的改善优化建议，并对所设计的楼宇玻璃幕墙清洗机的发展前景进行了展望。关键词 ：玻璃幕墙清洗机；爬行机构；清洗机构；Solidworks文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985II文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985IIABSTRACTWith the social and economic development, the number of many-storied buildings have increased rapidly, on the one hand to create good conditions for economic development; on the other hand, security hidden danger of building cleaning work often brings a tragic accident, cleaning the building of nature has become a very important topic.Based on this consideration, this paper designed the “glass curtain wall cleaning machine“ equipment, the cleaning machine by crawling mechanism and the cleaning mechanism two parts, modular design, virtual prototype model building glass curtain wall cleaning machine through the three-dimensional design Software Solidworks, and the kinematics analysis and structure design. This paper describes the calculation of design principle and cleaning machine building glass curtain wall cleaning machine, according to the existing design, gives further suggestions to improve the optimization, and the prospect of building glass curtain wall cleaning machine design are discussed.Keywords: glass curtain wall cleaning machine; crawling mechanism; cleaning mechanism; Solidworks文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709851第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着现代经济的高速发展、生活水平的日益提高，但是与日益增加的人口相比，建筑面积严重不足，因此越来越多的高楼大厦如雨后春笋般拔地而起；人民对精神生活的日益追求，建筑师们发明了一种美观、新颖的建筑墙体装饰方法玻璃幕墙，这是现代主义高层建筑时代的显著特征。大约 20 世纪 80 年代，玻璃幕墙大约传入我国深圳、广州、北京、上海等大中城市。所有的楼宇玻璃幕墙都因为常年的风吹日晒雨淋及空气中二氧化硫等有毒气体的侵蚀，使得楼宇玻璃幕墙有了风华和污垢，不仅影响了建筑物的美观，还影响了市容。因此，玻璃幕墙清洗行业适时兴起，玻璃幕墙清洗行业在我国也已受到人们的重视。现在我国高楼玻璃幕墙的清洗工作基本上都是人工现场操作，隐藏的安全问题随着而来，近年来常有清洁工人坠楼伤亡事故的报道。1.2 国内发展状况目前，我国高楼玻璃幕墙清洗的方式：1、蜘蛛人：蜘蛛人（工人）运用绳索或者平板，从楼顶下滑到指定的位置进行清洗工作。此施工方式具有机动性强、简单便利等优势，但危险系数较高。同时，清洗时占用资源较小，能在允许的范围内尽量减少对建筑内人员日常工作和生活的影响。2、高空吊篮方式：工人在楼顶架设吊篮，将施工人员运送到指定的清洗位置进行清洗工作。此清洗方式效率不高，成本较贵，实施不方便。3、地面升降车 ：在地面架设蜘蛛车、升降车等平台设备，将工人运送到指定清洗位置进行清洗。此清洗方式局限性比较大，一般只适用于低于 36 米楼宇的高难度清洗。因其成本很高，很少被采用。4、预留轨道擦窗机：有些高楼在修建时预留有轨道擦窗机，此清洗方式同高空吊篮方式，但较之更便于移动。5、双面磁力玻璃刮：有些玻璃幕墙的清洗工作采用的是双面磁性玻璃刮，这种清洗方式要求工人在室内操作，但其效率不高，清洗可靠性差，有时清洗不干净，故多使用于南方。由于玻璃刮的磁力强度原因，中空的双层玻璃不能采用文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709852此清洗方式。因此，本文研究的目的和意义在于：为了解决安全问题，国内很多研究机构都做了相关的研究，做了很多尝试，已经有一定的进展，但是在稳定性和实用性还是有很多急待改进的地方。我们致力于研究出一种可以全自动进行玻璃幕墙的清洗机，代替现在广泛采用的人工劳动密集型高强度作业，改进现有的一些设备的不足和缺陷，实现高效、节能、环保的玻璃幕墙的清洗机。1.3 本设计的创新点本清洗机以幕墙玻璃为研究对象，研究一种可以依靠气动垂直吸附墙面的机械运动结构，实现在重力下，稳定的、自由的运动。并且通过实验找出合理的清洗剂，以及合适的运动轨迹，实现在最短的时间内进行高效的清洗工作。1.4 本文研究的内容及技术路线结合实用性与可行性讨论解决方案设计计算机械、控制系统机械三维模型建立机械系统干涉分析、控制系统分析机械、控制系统改进机械系统与控制系统联合仿真结果分析与设计改进返回分级计算结果文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709853第 2 章 整体设计方案的确定楼宇玻璃幕墙清洗机（以下简称为清洗机）由爬行机构和清洗机构两部分组成。爬行机构在电机的带动下，通过足端的真空吸盘使清洗机在玻璃幕墙上爬行，通过清洗机构达到清洗玻璃的目的，如图 2.1 所示。1.气压吸盘 2.缩放结构杆 I 3.缩放结构杆 II 4.缩放结构杆 III5.缩放结构杆 IV 6、平衡减震三脚架 7.减震活塞筒 8.减震活塞杆9.对称曲线机构连架杆 10.对称曲线机构连杆 11.清洗液流出管道 12.最后清洁处理刮板 13.玻璃刮固定三脚架 14.机器主体 15.曲轴支撑座 16.电动机 I 17.清洗立筒转轴 18.清洗立筒 19.减震活塞支座 20.曲轴 21.铰接球 22.刷洗滚筒 23.滚筒套 24.销 25.动力输出主动齿轮 26.电机 II 27.传动齿轮图 2.1 清洗机的整体布局示意图文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098542.1 车身的设计2.1.1 车体的确定图 2.2 契贝谢夫四杆机构连杆机构的应用十分普遍，它不仅在众多工程机械和工农业机械中得到广泛应用，而且诸如人造文星太阳能板的展开机构、机械手臂的传动机构、折叠伞的收放机构及人体假肢等也都采用有连杆结构。考虑到我们的清洗机车体可以用到连杆机构，因此我们在契贝谢夫四杆机构（如图 2.2）的基础上，考虑到车体的平衡、机械的效率等问题，将四杆衍化为八杆，重新设计出了我们的车体，如图2.3 所示。图 2.3 第一代框架结构八足车体但是第一代框架结构在机械的效率、机械各杆的布局和机械简洁性上还有待改进，因而我们对第一代框架机构八足车体做了再设计，设计了第二代八足车体，如图 2.4 所示文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709855图 2.4 第二代八足车体第二代八足步行车体两侧分别为四足，单侧对足同时着地，即车体整体四足同时着地，两对对足交替着地从而实现步行动作。由于只能实现固定的跨步轨迹（水平直线运功） ，所以步行机构设计成多冗余度，从而提高越障能力，从而适应复杂路况！2.1.2 车体的运动曲线分析我们首选四连杆组成的机构作为步行机构，为了便于设计出需要的连杆运动轨迹曲线,我们采用图谱法，即从事先编就好的连杆曲线图谱中找出所需的运动轨迹曲线,然后直接查出该四杆机构的各尺寸参数。从连杆曲线图谱中查出形状与要求实现的足端运动轨迹相似的连杆曲线步行轨迹需要满足水平匀速直线运动和抬腿的弧线运动，机构运动简图如 2.5 所示，轨迹曲线近似如图 2.6 所示，由于步行曲线轨迹位于机架以上，我们选用缩放机构将轨迹向下放大，缩放比为 2.5:1，如图 2.7 所示。如图 2.5 所示，共三根杆，即活动件数目 n=3。四个铰链转动副，即转动低副 p1=4。高副个数为 0，即 ph=0。根据平面机构自由度计算公式 ：（2-1）h1p2n3F得 F=33 -（24+0）=1所以，此对称连杆曲线的自由度为 1，又因为当自由度个数等于原动件个数时，机构有确定的运动。那么，当此对称曲线机构只有一个原动件时，此机构的运动文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709856是固定的，即有固定的输出。图 2.5 机构运动简图 图 2.6 足端四杆机构的运动轨迹图 2.7 足端运动曲线的缩放机构2.1.3车体运动动态的综合分析1.总体运动方案分析文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709857在上节中我们根据需要的足端运动轨迹确定了足端四杆机构，本清洗机的八足为对称结构，故取一对足为研究对象，其机构运动简图如图2.8所示。1. 缩放结构杆 I 2. 缩放结构杆 II 3. 缩放结构杆 III 4.轨迹曲线发生连杆 I 5. 轨迹曲线发生连杆 II 6.曲轴 I 7. 缩放结构杆 IV 8. 平衡减震三脚架 9. 缩放结构杆 iv 10. 曲轴 II 11. 轨迹曲线发生连杆 ii 12. 轨迹曲线发生连杆 i13. 缩放结构杆 iii 14. 缩放结构杆 ii 15. 缩放结构杆 i图2.8 总体方案机构运动示意图由图2.8所示的机构运动简图不难看出，此机构共有15个活动构件，平面低副有21个（即左侧 A、B、D、F、G、H、I、O 处的转动副个1个，C 处的转动副2个，共10个，同理右侧也有10个转动副，加上中间转动副 J，故共21个） ，0个高副，由平面机构自由度计算公式（2-1）得自由度 302153p2n3h1 F文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709858因为左右两边的曲轴都是原动件，且有一个冗余度，相对的足端运动方向相反，相互限制，故此机构有固定的运动方式。2.足端位移、速度、加速度分析取车体单侧足端为分析对象，机构的简化图如 2.9 所示图 2.9 车体单侧足端的四杆机构设已知该机构的尺寸 X、 Y、p、 及主动杆 1 的角位移 ,角速度 和角加速度 ,需求从动杆 3 的角位移 、角速度 和角加速度 与连杆 2 的角位移 角速度 、角加速度 及其上 P 点的位置 P、速度 和加速度 。.位移分析按图所示五边形 ABCDE 各矢量的方向的+ =X+Yi+ （2-2）在两轴上分解，有+ =X+ 文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709859+ =Y+ （2-3）消去 后得E +F +G=0 （2-4）将下列三角函数变换公式= = 代入式（2-4） ，得关于 的一元二次方程式，由此解出 =2arc （2-5）式中 E=X- F=Y- G=式（2-5）中，N 为符号系数，当 BDC 三顶点的顺序为逆时针时，N=1；反之，N=-1.文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098510然后按（2-3）式确定（2-6）连杆 2 上 P 点的矢径 P 为P= +p （2-7）足端机构位移时间的函数图像如图 2.10 所示：图 2.10 足端机构的位移时间函数.速度分析将式(2-2)对时间求导的+ = （2-8） 应用所述的矢量方程消元法，可分别解得= （2-文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985119）= （2-10）再将（2-7)对时间求导，得 P 点的速度为+ (2-11)足端机构速度时间的函数图像如图 2.11 所示：图 2.11 足端机构的速度时间函数.对加速度进行分析将式（2-8）对时间求导数，得- + - = - （2-12）分别解出= （2-13）文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098512= （2-14）再将（2-11）对时间求导，得 P 点的加速度为= ( i- ) +p( i- ) （2-15）把所设计的连杆尺寸代入公式知E=240-120 （2-16）F=-120 （2-17）G=120-96 （2-18）=2arc （2-19）（2-20）120 +600 （2-21）=120 +600 （2-22）把（2-16） 、 （2-17） 、 （2-18） 、 （2-19） 、 （2-20）代入(2-21)、(2-22)中得文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098513=-120( +=120( -足端机构的加速度时间函数如图 2.12 所示图 2.12 足端机构的加速度时间函数2.2 清洗机构的设计现在生活中，我们清晰玻璃的方式有很多中，如玻璃刮刮洗、抹布抹等。基于这些清晰玻璃的清洗方式，我们在清洗机构中设置了三种清洗设施：玻璃刮刮洗、抹布立筒、抹布横筒。2.2.1 玻璃刮的设计图 2.13 市面上的玻璃刮 图 2.14 再设计的玻璃刮现在市面上有成形的玻璃刮（如图 2.13） ，并且清洗效果还不错，我们在现有玻璃刮的基础上略作改进，让其适合我们的清洗机，设计出清洗机需要的玻璃刮，如图 2.14 所示。 为了减震，将玻璃刮装配到清洗机上时，我们在上面装配了弹簧，如图 2.15所示。文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098514图 2.15 玻璃刮的装配2.2.2 抹布立筒的设计在立筒的四周裹上擦玻璃的抹布，立筒在擦洗的过程中不断旋转，在立筒下的污渍将收到来自立筒时刻变化的力，更方便清洗，如图 2.16 所示。图 2.16 抹布立筒2.2.3 抹布横筒的设计如图 2.17 所示图 2.17 抹布横筒文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985152.3 吸盘的设计该清洗机的爬行机构为八足爬行，两对四足交替爬行实现清洗机的移动，即爬行的过程中任意时刻至少有四个足端的吸盘在玻璃幕墙上固定。设清洗机的中心距玻璃幕墙为 x，清洗机的重力为 F，第 i 个吸盘距重心的竖直距离为 Li，重力 F 产生的倾覆力矩为 M 对第 i 个吸盘的力为 Fi，清洗机构对玻璃幕墙的总压力 F0。清洗机整体进行受力分析得则：对吸盘的最大作用力 = 为 Li的最大值吸盘所需的最大吸附力Fm=d2= F0得吸盘设计的最小直径为 dm，为了安全起见，取安全系数为 S，则吸盘直径设计为 d=Sdm ，如图 2.18 所示。图 2.18 吸盘的设计 2.4 传动方案设计由于电机轴与曲轴的中心距过小，不适宜选用带传动和链传动，故我们选用了齿轮传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。齿轮传动主要有以下特点：文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098516效率高：在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达 90%。这对大功率传动十分重要，以为即使效率只提高 1%，也有很大的经济意义。结构紧凑：在同样的使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸一般较小。工作可靠、寿命长：设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。这对车辆及矿井内工作的机器尤为重要。传动比稳定：传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特定。现在市场上有很多微型减速电机，这种电机自带减速器，用户根据需要选用电机的输出转速，故我们没有做过多的减速方案设计。传动方案的示意图如 2.19 所示：1.曲轴 I 2.从动齿轮 I 3.过渡齿轮 I 4. 过渡齿轮 II 5.从动齿轮II6.曲轴 II 7.曲轴 III 8.从动齿轮 III 9.过渡齿轮 III 10. 过渡齿轮 IV 11.从动齿轮 IV 12.曲轴 IV 13.微型减速电机14.主动齿轮图 2.19 传动方案示意图文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098517第 3 章 机电控制系统的研究3.1 电源的选择由 于 我 们 设 计 使 用 的 是 直 流 电 源 ， 我 们 通 过 市 场 调 查 发 现 电 瓶 有 电 压 稳 定 、价 格 便 宜 等 优 点 ， 我 们 采 用 输 出 12V 5AH 的 两 个 电 瓶 并 联 供 电 ， 体 积 小 ， 重量 轻 ， 便 于 携 带 。 共 选 用 三 个 电 瓶 ， 两 个 并 联 给 电 机 供 电 ， 另 外 一 个 给 单 片 机供 电 。电 机 电 流 1.6A， 电 瓶 12V， 5AH， 并 联 后 24V， 5AH。计 算 5AH/1.6A=3.125H.理论上电瓶在没有外界电源的情况下可以正常工作 3.125 个小时,但是由于电瓶是连续放电,加上电池的一些不确定因素,电瓶能正常工作 3 个小时左右。3.2 电机的选择系统工作要求大致选定了工作电机，并为了简化设计和制造难度，我们直接选择了减速电机，如图 3.1 所示。文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098518图 3.1 减速电机3.2.1 车体运行电机选择底盘旋转工作台要求旋转平稳，速度慢，能实现自锁功能。于是我们按要求选择了 24V，40W 的 70SZ01 减速微型电机。该电机的输出转速 min/5.2r，适合清洗作业要求，并且输出的转矩大，能够实现自锁。电机的技术参数如下：输出转速r/min输出转矩 N mm型号额定功率/W额定转速r/min安装方式额定电压/V减速比2.5 54998 70SZ01 40 3000 A3 24 1296表 3.1 车体电机的技术参数3.2.2 清洗机构的电机选择清洗机构要求运行稳定，能承受较大载荷，速度较快且具有自锁功能的电机，我们选择了 24V，40W 的减速电机。电机的技术参数如下：输出转速r/min输出转矩 N mm型号额定功率/W额定转速r/min安装方式额定电压/V减速比187.5 1176 70SZ01 40 3000 A3 24 16表 3.2 清洗机构的电机参数文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985193.3 减速电机原理介绍微型减速电机的原理： 微型减速电机系列产品是由电子调速器、JB 系列微型齿轮减速器、可正反向运行的微型电机三部分组成的机电一体化产品。整机通过对三大部分的不同组合，可获得使用性能不同的产品。整机既可利用齿轮减速箱获得任意固定转速，也可通过电子调速器达到无级调速的目的。配用的微型电机分为：微型交流电机（单相：220V、110V，三相：220V、380V） 、ZYT（SZ）系列微型直流电机（机座号：55 110，电压：12V、24V、48V、110V、220V） 、WZJ 系列无刷直流电机。配用调速器分为：TDK系列交流电子调速器；WK、SK 系列直流无级调速器。调速平稳、无爬行现象，且能保证电机的频繁正反转。本系列产品由于具备减速范围宽广、力能指标高、使用方便、运行可靠等特点，而被广泛应用于各类小型轻工机械、包装、食品、纺织、化妆（美容）机械、印刷设备、仪器及各种自动化设备、生产流水线上。JB 系列微型齿轮减速器采用高精度齿轮，并配油封，O 型环密封式齿轮箱，采用润滑脂浴润方式，具有噪音低，使用寿命长、体积小、功率大等特点。减速范围宽广，减速比 1：31:1500还可根据用户对转速的特殊要求，另行制作。而我们采用的均是 J-SZ（ZYT）-Px系列微型直流电机。ZYT（SZ）系列微型直流电机，分别由 SZ（ZYT）系列直流电机与 Px 型普通精度行星减速器构成，且配带电源，可实现无极调速。调整范围宽、体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、输出转矩大，广泛使用于引进设备及国产机械。减速电机型号说明如表 3.3 所示：以减速电机 J 90 SZ(ZYT) 54 PX 64 A1 为例减速电机型号 型号说明J 电机与减速器组合的直流减速电机90 电机座号：表示外圆直径 90mmSZ(ZYT) 直流伺服电机（永磁直流电机）54 电机性能参数代号PX 普通精度行星减速器64 减速比 1:64文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098520A1A1- 底脚安装安装方式：A3-法兰安装表 3.3 电机型号说明3.4 基于 MCS-51 单片机的控制系统设计单片机小巧、低能耗、具有较好的控制能力，目前在工业控制、信息处理、家电、测控系统、各种机电产品中都得到了大范围的应用。单片机以微型计算机技术为基础，具备计算机系统的基本构成机构，延续了计算机系统的基本属性和基本技术。单片机主要有以下几个特点，如表 3.4 所示：主要特点 特点说明体积小，集成度高单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，内部功能较全，灵活性好，易于开发。控制功能强单片机本身就是面向工业控制而研发的，其内部具有很多适用于控制目的的功能部件，指令系统包含有丰富的控制转移指令和针对 I/O 口的各项操作指令。可靠性高，抗干扰能力强对于磁场环境易于采取屏蔽措施，可适应在恶劣环境中的工作。低功耗、低电压、重量轻适用于便携式产品，且价格低廉，具有较高性价比。接口多 接口灵活、丰富，便于与各种芯片建立通信表 3.4 单片机的主要特点基于 MCS-51 单片机的以上特点，我们研究设计了清洗机的控制系统，设计主要有以下几个模块，如表 3.5 所示。模块名称 模块说明信息采集模块信息采集部分是由光电检测和运算放大模块组成，光电检测有寻迹检测和测速检测两个部分。将检测到的信号经过预算放大模块放大整形后送给单片机处理，其核心部分是几个光电传感器。文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098521控制处理模块控制处理模块是以一片 STC89C52 单片机为核心，单片机将从采集到的信息进行判断后，按照预定的算法处理，把处理的结果送交电机驱动和液晶显示模块，使之做出相应的动作。执行模块执行模块是由液晶显示、电机驱动及电机、蜂鸣器三部分组成。液晶主要是将单片机处理的结果进行实时显示，方便用户及时了解系统当前的状态，电机驱动根据单片机的指令对两个电机进行动作，使之能够根据需要作出相应的加速、减速、转弯、停车等动作，以达到预期的目的。蜂鸣器主要是根据要求在特定的位置作出出响应来报告位置。表 3.5 控制系统的主要模块整个硬件系统可分为控制部分模块、清洗轨迹探测模块、障碍探测模块、光源探测模块、直流电机驱动模块、数码显示模块等，这些模块通过主控制模块连接起来，系统框架如图 3.2 所示图 3.2 控制系统框架我们对清洗机清洗玻璃幕墙的路径进行了规划，如图 3.3 所示，清洗机转弯时通过控制两侧的爬行速度不同实现转弯。主控制模块清洗轨迹探测模块障碍探测模块光源探测模块直流源直流电机驱动模块数码显示模块文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098522图 3.3 清洗机清洗玻璃幕墙的路径规划第 4 章 机械零件的结构设计4.1 齿轮的设计计算文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098523图 4.1 直齿圆柱齿轮以下是对齿轮的设计计算：1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按照传动方案的设计，选用直齿圆柱齿轮传动，如图 4.1 所示。清洗机速度不高，故选用 7 级精度（GB 1009588） 。材料选择。选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280 HBS，大齿轮材料为45 钢（调质） ，硬度为 240 HBS，二者材料硬度差为 40 HBS。选小齿轮的齿数 Z1=30，大齿轮齿数 Z2 =31。2.按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即d1t (4-1)32d1u2. HEZKT确定公式内的各计算数值初选载荷系数 Kt=1.3。由电机的技术参数得小齿轮传递的转矩。T1 =5.4998x104 mN文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098524选取齿宽系数 =0.5。d材料的弹性影响系数 ZE=189.8 。21aMP按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的接触疲a601limMPH劳强度极限 。a502limH计算盈利循环次数，循环次数的计算公司为（4-hnj6LN2）由公式（4-2）得， 8h1 0.15x3821x5.60jnL同理 726.974N取接触疲劳寿命系数 ; 。90.1HK5.2HN计算接触疲劳许用应力。取失效率为 1%，安全系数 S=1，得 a5406x9.01lim1 MPSHN.252li2K计算计算小齿轮分度圆直径 d1t，代入 中较小的值。H由公式（4-1）得，d1t =32d1u2. HEZTK m5.2819.035.0x49813.4=77.438mm计算圆周速度 。= （4-10x6ndt3）由公式（4-3）得，文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日 期： 文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985目 录摘 要 .IABSTRACT II第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 11.2 国内外发展的现状 .11.3 本设计的创新点 .21.4 本文研究的内容及技术路线 2第 2 章 整车整体设计方案的确定 .32.1 车身的设计 42.1.1 车体的确定 42.1.2 车体的运动曲线分析 52.1.3 车体运动动态的综合分析 .62.2 清洗结构的设计 122.2.1 玻璃刮的设计 132.2.2 抹布立筒的设计 142.2.3 抹布横筒的设计 142.3 吸盘的设计 152.4 传动方案设计 17第 3 章 机电控制系统的设计 .173.1 电源的选择 173.2 电机的选择 173.2.1 车体运动电机选择 173.2.2 清洗机构电机选择 183.3 减速电机原理介绍 .183.4 基于 MCS-51 单片机的控制系统设计 19第 4 章 机械零件结构设计 22文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709854.1 齿轮的设计计算 224.2 轴的设计计算 274.3 轴承的选择与寿命计算 304.4 曲轴的受力分析 324.5 各连杆的受力分析 33第 5 章 总结与展望 355.1 全文总结 355.2 研究展望 355.3 实用性及应用前景分析 35参考文献 36致谢 37湖北省项目支撑说明 37附录 38轴 .38大齿轮 .39车体 .40轨迹发生连杆 1 .41轨迹发生连杆 2 .42减震支架 .43曲轴座 .44缩放连杆 .45支腿 .46曲轴 .47装配图 .48文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985I摘要随着社会经济的发展，高楼大厦的数量也迅猛增加，一方面给经济发展创造了良好的条件；另一方面，高楼清洁工作存在的安全隐患往往也带来惨烈的事故，因而对高楼进行的清洗自然成了一个很重要的课题。基于此考虑，本文设计了“玻璃幕墙清洗机”设备，该清洗机由爬行机构和清洗机构两部分组成，采用模块化的设计，通过三维设计软件 Solidworks 建立楼宇玻璃幕墙清洗机的虚拟样机模型，从而进行运动分析和结构设计。本文叙述了楼宇玻璃幕墙清洗机的工作原理和清洗机的部分设计计算，最后针对现有设计，给出了进一步的改善优化建议，并对所设计的楼宇玻璃幕墙清洗机的发展前景进行了展望。关键词 ：玻璃幕墙清洗机；爬行机构；清洗机构；Solidworks文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985II文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985IIABSTRACTWith the social and economic development, the number of many-storied buildings have increased rapidly, on the one hand to create good conditions for economic development; on the other hand, security hidden danger of building cleaning work often brings a tragic accident, cleaning the building of nature has become a very important topic.Based on this consideration, this paper designed the “glass curtain wall cleaning machine“ equipment, the cleaning machine by crawling mechanism and the cleaning mechanism two parts, modular design, virtual prototype model building glass curtain wall cleaning machine through the three-dimensional design Software Solidworks, and the kinematics analysis and structure design. This paper describes the calculation of design principle and cleaning machine building glass curtain wall cleaning machine, according to the existing design, gives further suggestions to improve the optimization, and the prospect of building glass curtain wall cleaning machine design are discussed.Keywords: glass curtain wall cleaning machine; crawling mechanism; cleaning mechanism; Solidworks文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709851第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着现代经济的高速发展、生活水平的日益提高，但是与日益增加的人口相比，建筑面积严重不足，因此越来越多的高楼大厦如雨后春笋般拔地而起；人民对精神生活的日益追求，建筑师们发明了一种美观、新颖的建筑墙体装饰方法玻璃幕墙，这是现代主义高层建筑时代的显著特征。大约 20 世纪 80 年代，玻璃幕墙大约传入我国深圳、广州、北京、上海等大中城市。所有的楼宇玻璃幕墙都因为常年的风吹日晒雨淋及空气中二氧化硫等有毒气体的侵蚀，使得楼宇玻璃幕墙有了风华和污垢，不仅影响了建筑物的美观，还影响了市容。因此，玻璃幕墙清洗行业适时兴起，玻璃幕墙清洗行业在我国也已受到人们的重视。现在我国高楼玻璃幕墙的清洗工作基本上都是人工现场操作，隐藏的安全问题随着而来，近年来常有清洁工人坠楼伤亡事故的报道。1.2 国内发展状况目前，我国高楼玻璃幕墙清洗的方式：1、蜘蛛人：蜘蛛人（工人）运用绳索或者平板，从楼顶下滑到指定的位置进行清洗工作。此施工方式具有机动性强、简单便利等优势，但危险系数较高。同时，清洗时占用资源较小，能在允许的范围内尽量减少对建筑内人员日常工作和生活的影响。2、高空吊篮方式：工人在楼顶架设吊篮，将施工人员运送到指定的清洗位置进行清洗工作。此清洗方式效率不高，成本较贵，实施不方便。3、地面升降车 ：在地面架设蜘蛛车、升降车等平台设备，将工人运送到指定清洗位置进行清洗。此清洗方式局限性比较大，一般只适用于低于 36 米楼宇的高难度清洗。因其成本很高，很少被采用。4、预留轨道擦窗机：有些高楼在修建时预留有轨道擦窗机，此清洗方式同高空吊篮方式，但较之更便于移动。5、双面磁力玻璃刮：有些玻璃幕墙的清洗工作采用的是双面磁性玻璃刮，这种清洗方式要求工人在室内操作，但其效率不高，清洗可靠性差，有时清洗不干净，故多使用于南方。由于玻璃刮的磁力强度原因，中空的双层玻璃不能采用文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709852此清洗方式。因此，本文研究的目的和意义在于：为了解决安全问题，国内很多研究机构都做了相关的研究，做了很多尝试，已经有一定的进展，但是在稳定性和实用性还是有很多急待改进的地方。我们致力于研究出一种可以全自动进行玻璃幕墙的清洗机，代替现在广泛采用的人工劳动密集型高强度作业，改进现有的一些设备的不足和缺陷，实现高效、节能、环保的玻璃幕墙的清洗机。1.3 本设计的创新点本清洗机以幕墙玻璃为研究对象，研究一种可以依靠气动垂直吸附墙面的机械运动结构，实现在重力下，稳定的、自由的运动。并且通过实验找出合理的清洗剂，以及合适的运动轨迹，实现在最短的时间内进行高效的清洗工作。1.4 本文研究的内容及技术路线结合实用性与可行性讨论解决方案设计计算机械、控制系统机械三维模型建立机械系统干涉分析、控制系统分析机械、控制系统改进机械系统与控制系统联合仿真结果分析与设计改进返回分级计算结果文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709853第 2 章 整体设计方案的确定楼宇玻璃幕墙清洗机（以下简称为清洗机）由爬行机构和清洗机构两部分组成。爬行机构在电机的带动下，通过足端的真空吸盘使清洗机在玻璃幕墙上爬行，通过清洗机构达到清洗玻璃的目的，如图 2.1 所示。1.气压吸盘 2.缩放结构杆 I 3.缩放结构杆 II 4.缩放结构杆 III5.缩放结构杆 IV 6、平衡减震三脚架 7.减震活塞筒 8.减震活塞杆9.对称曲线机构连架杆 10.对称曲线机构连杆 11.清洗液流出管道 12.最后清洁处理刮板 13.玻璃刮固定三脚架 14.机器主体 15.曲轴支撑座 16.电动机 I 17.清洗立筒转轴 18.清洗立筒 19.减震活塞支座 20.曲轴 21.铰接球 22.刷洗滚筒 23.滚筒套 24.销 25.动力输出主动齿轮 26.电机 II 27.传动齿轮图 2.1 清洗机的整体布局示意图文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098542.1 车身的设计2.1.1 车体的确定图 2.2 契贝谢夫四杆机构连杆机构的应用十分普遍，它不仅在众多工程机械和工农业机械中得到广泛应用，而且诸如人造文星太阳能板的展开机构、机械手臂的传动机构、折叠伞的收放机构及人体假肢等也都采用有连杆结构。考虑到我们的清洗机车体可以用到连杆机构，因此我们在契贝谢夫四杆机构（如图 2.2）的基础上，考虑到车体的平衡、机械的效率等问题，将四杆衍化为八杆，重新设计出了我们的车体，如图2.3 所示。图 2.3 第一代框架结构八足车体但是第一代框架结构在机械的效率、机械各杆的布局和机械简洁性上还有待改进，因而我们对第一代框架机构八足车体做了再设计，设计了第二代八足车体，如图 2.4 所示文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709855图 2.4 第二代八足车体第二代八足步行车体两侧分别为四足，单侧对足同时着地，即车体整体四足同时着地，两对对足交替着地从而实现步行动作。由于只能实现固定的跨步轨迹（水平直线运功） ，所以步行机构设计成多冗余度，从而提高越障能力，从而适应复杂路况！2.1.2 车体的运动曲线分析我们首选四连杆组成的机构作为步行机构，为了便于设计出需要的连杆运动轨迹曲线,我们采用图谱法，即从事先编就好的连杆曲线图谱中找出所需的运动轨迹曲线,然后直接查出该四杆机构的各尺寸参数。从连杆曲线图谱中查出形状与要求实现的足端运动轨迹相似的连杆曲线步行轨迹需要满足水平匀速直线运动和抬腿的弧线运动，机构运动简图如 2.5 所示，轨迹曲线近似如图 2.6 所示，由于步行曲线轨迹位于机架以上，我们选用缩放机构将轨迹向下放大，缩放比为 2.5:1，如图 2.7 所示。如图 2.5 所示，共三根杆，即活动件数目 n=3。四个铰链转动副，即转动低副 p1=4。高副个数为 0，即 ph=0。根据平面机构自由度计算公式 ：（2-1）h1p2n3F得 F=33 -（24+0）=1所以，此对称连杆曲线的自由度为 1，又因为当自由度个数等于原动件个数时，机构有确定的运动。那么，当此对称曲线机构只有一个原动件时，此机构的运动文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709856是固定的，即有固定的输出。图 2.5 机构运动简图 图 2.6 足端四杆机构的运动轨迹图 2.7 足端运动曲线的缩放机构2.1.3车体运动动态的综合分析1.总体运动方案分析文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709857在上节中我们根据需要的足端运动轨迹确定了足端四杆机构，本清洗机的八足为对称结构，故取一对足为研究对象，其机构运动简图如图2.8所示。1. 缩放结构杆 I 2. 缩放结构杆 II 3. 缩放结构杆 III 4.轨迹曲线发生连杆 I 5. 轨迹曲线发生连杆 II 6.曲轴 I 7. 缩放结构杆 IV 8. 平衡减震三脚架 9. 缩放结构杆 iv 10. 曲轴 II 11. 轨迹曲线发生连杆 ii 12. 轨迹曲线发生连杆 i13. 缩放结构杆 iii 14. 缩放结构杆 ii 15. 缩放结构杆 i图2.8 总体方案机构运动示意图由图2.8所示的机构运动简图不难看出，此机构共有15个活动构件，平面低副有21个（即左侧 A、B、D、F、G、H、I、O 处的转动副个1个，C 处的转动副2个，共10个，同理右侧也有10个转动副，加上中间转动副 J，故共21个） ，0个高副，由平面机构自由度计算公式（2-1）得自由度 302153p2n3h1 F文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709858因为左右两边的曲轴都是原动件，且有一个冗余度，相对的足端运动方向相反，相互限制，故此机构有固定的运动方式。2.足端位移、速度、加速度分析取车体单侧足端为分析对象，机构的简化图如 2.9 所示图 2.9 车体单侧足端的四杆机构设已知该机构的尺寸 X、 Y、p、 及主动杆 1 的角位移 ,角速度 和角加速度 ,需求从动杆 3 的角位移 、角速度 和角加速度 与连杆 2 的角位移 角速度 、角加速度 及其上 P 点的位置 P、速度 和加速度 。.位移分析按图所示五边形 ABCDE 各矢量的方向的+ =X+Yi+ （2-2）在两轴上分解，有+ =X+ 文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 119709859+ =Y+ （2-3）消去 后得E +F +G=0 （2-4）将下列三角函数变换公式= = 代入式（2-4） ，得关于 的一元二次方程式，由此解出 =2arc （2-5）式中 E=X- F=Y- G=式（2-5）中，N 为符号系数，当 BDC 三顶点的顺序为逆时针时，N=1；反之，N=-1.文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098510然后按（2-3）式确定（2-6）连杆 2 上 P 点的矢径 P 为P= +p （2-7）足端机构位移时间的函数图像如图 2.10 所示：图 2.10 足端机构的位移时间函数.速度分析将式(2-2)对时间求导的+ = （2-8） 应用所述的矢量方程消元法，可分别解得= （2-文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985119）= （2-10）再将（2-7)对时间求导，得 P 点的速度为+ (2-11)足端机构速度时间的函数图像如图 2.11 所示：图 2.11 足端机构的速度时间函数.对加速度进行分析将式（2-8）对时间求导数，得- + - = - （2-12）分别解出= （2-13）文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098512= （2-14）再将（2-11）对时间求导，得 P 点的加速度为= ( i- ) +p( i- ) （2-15）把所设计的连杆尺寸代入公式知E=240-120 （2-16）F=-120 （2-17）G=120-96 （2-18）=2arc （2-19）（2-20）120 +600 （2-21）=120 +600 （2-22）把（2-16） 、 （2-17） 、 （2-18） 、 （2-19） 、 （2-20）代入(2-21)、(2-22)中得文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098513=-120( +=120( -足端机构的加速度时间函数如图 2.12 所示图 2.12 足端机构的加速度时间函数2.2 清洗机构的设计现在生活中，我们清晰玻璃的方式有很多中，如玻璃刮刮洗、抹布抹等。基于这些清晰玻璃的清洗方式，我们在清洗机构中设置了三种清洗设施：玻璃刮刮洗、抹布立筒、抹布横筒。2.2.1 玻璃刮的设计图 2.13 市面上的玻璃刮 图 2.14 再设计的玻璃刮现在市面上有成形的玻璃刮（如图 2.13） ，并且清洗效果还不错，我们在现有玻璃刮的基础上略作改进，让其适合我们的清洗机，设计出清洗机需要的玻璃刮，如图 2.14 所示。 为了减震，将玻璃刮装配到清洗机上时，我们在上面装配了弹簧，如图 2.15所示。文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098514图 2.15 玻璃刮的装配2.2.2 抹布立筒的设计在立筒的四周裹上擦玻璃的抹布，立筒在擦洗的过程中不断旋转，在立筒下的污渍将收到来自立筒时刻变化的力，更方便清洗，如图 2.16 所示。图 2.16 抹布立筒2.2.3 抹布横筒的设计如图 2.17 所示图 2.17 抹布横筒文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985152.3 吸盘的设计该清洗机的爬行机构为八足爬行，两对四足交替爬行实现清洗机的移动，即爬行的过程中任意时刻至少有四个足端的吸盘在玻璃幕墙上固定。设清洗机的中心距玻璃幕墙为 x，清洗机的重力为 F，第 i 个吸盘距重心的竖直距离为 Li，重力 F 产生的倾覆力矩为 M 对第 i 个吸盘的力为 Fi，清洗机构对玻璃幕墙的总压力 F0。清洗机整体进行受力分析得则：对吸盘的最大作用力 = 为 Li的最大值吸盘所需的最大吸附力Fm=d2= F0得吸盘设计的最小直径为 dm，为了安全起见，取安全系数为 S，则吸盘直径设计为 d=Sdm ，如图 2.18 所示。图 2.18 吸盘的设计 2.4 传动方案设计由于电机轴与曲轴的中心距过小，不适宜选用带传动和链传动，故我们选用了齿轮传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。齿轮传动主要有以下特点：文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098516效率高：在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达 90%。这对大功率传动十分重要，以为即使效率只提高 1%，也有很大的经济意义。结构紧凑：在同样的使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸一般较小。工作可靠、寿命长：设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命长达一、二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。这对车辆及矿井内工作的机器尤为重要。传动比稳定：传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特定。现在市场上有很多微型减速电机，这种电机自带减速器，用户根据需要选用电机的输出转速，故我们没有做过多的减速方案设计。传动方案的示意图如 2.19 所示：1.曲轴 I 2.从动齿轮 I 3.过渡齿轮 I 4. 过渡齿轮 II 5.从动齿轮II6.曲轴 II 7.曲轴 III 8.从动齿轮 III 9.过渡齿轮 III 10. 过渡齿轮 IV 11.从动齿轮 IV 12.曲轴 IV 13.微型减速电机14.主动齿轮图 2.19 传动方案示意图文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098517第 3 章 机电控制系统的研究3.1 电源的选择由 于 我 们 设 计 使 用 的 是 直 流 电 源 ， 我 们 通 过 市 场 调 查 发 现 电 瓶 有 电 压 稳 定 、价 格 便 宜 等 优 点 ， 我 们 采 用 输 出 12V 5AH 的 两 个 电 瓶 并 联 供 电 ， 体 积 小 ， 重量 轻 ， 便 于 携 带 。 共 选 用 三 个 电 瓶 ， 两 个 并 联 给 电 机 供 电 ， 另 外 一 个 给 单 片 机供 电 。电 机 电 流 1.6A， 电 瓶 12V， 5AH， 并 联 后 24V， 5AH。计 算 5AH/1.6A=3.125H.理论上电瓶在没有外界电源的情况下可以正常工作 3.125 个小时,但是由于电瓶是连续放电,加上电池的一些不确定因素,电瓶能正常工作 3 个小时左右。3.2 电机的选择系统工作要求大致选定了工作电机，并为了简化设计和制造难度，我们直接选择了减速电机，如图 3.1 所示。文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098518图 3.1 减速电机3.2.1 车体运行电机选择底盘旋转工作台要求旋转平稳，速度慢，能实现自锁功能。于是我们按要求选择了 24V，40W 的 70SZ01 减速微型电机。该电机的输出转速 min/5.2r，适合清洗作业要求，并且输出的转矩大，能够实现自锁。电机的技术参数如下：输出转速r/min输出转矩 N mm型号额定功率/W额定转速r/min安装方式额定电压/V减速比2.5 54998 70SZ01 40 3000 A3 24 1296表 3.1 车体电机的技术参数3.2.2 清洗机构的电机选择清洗机构要求运行稳定，能承受较大载荷，速度较快且具有自锁功能的电机，我们选择了 24V，40W 的减速电机。电机的技术参数如下：输出转速r/min输出转矩 N mm型号额定功率/W额定转速r/min安装方式额定电压/V减速比187.5 1176 70SZ01 40 3000 A3 24 16表 3.2 清洗机构的电机参数文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985193.3 减速电机原理介绍微型减速电机的原理： 微型减速电机系列产品是由电子调速器、JB 系列微型齿轮减速器、可正反向运行的微型电机三部分组成的机电一体化产品。整机通过对三大部分的不同组合，可获得使用性能不同的产品。整机既可利用齿轮减速箱获得任意固定转速，也可通过电子调速器达到无级调速的目的。配用的微型电机分为：微型交流电机（单相：220V、110V，三相：220V、380V） 、ZYT（SZ）系列微型直流电机（机座号：55 110，电压：12V、24V、48V、110V、220V） 、WZJ 系列无刷直流电机。配用调速器分为：TDK系列交流电子调速器；WK、SK 系列直流无级调速器。调速平稳、无爬行现象，且能保证电机的频繁正反转。本系列产品由于具备减速范围宽广、力能指标高、使用方便、运行可靠等特点，而被广泛应用于各类小型轻工机械、包装、食品、纺织、化妆（美容）机械、印刷设备、仪器及各种自动化设备、生产流水线上。JB 系列微型齿轮减速器采用高精度齿轮，并配油封，O 型环密封式齿轮箱，采用润滑脂浴润方式，具有噪音低，使用寿命长、体积小、功率大等特点。减速范围宽广，减速比 1：31:1500还可根据用户对转速的特殊要求，另行制作。而我们采用的均是 J-SZ（ZYT）-Px系列微型直流电机。ZYT（SZ）系列微型直流电机，分别由 SZ（ZYT）系列直流电机与 Px 型普通精度行星减速器构成，且配带电源，可实现无极调速。调整范围宽、体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、输出转矩大，广泛使用于引进设备及国产机械。减速电机型号说明如表 3.3 所示：以减速电机 J 90 SZ(ZYT) 54 PX 64 A1 为例减速电机型号 型号说明J 电机与减速器组合的直流减速电机90 电机座号：表示外圆直径 90mmSZ(ZYT) 直流伺服电机（永磁直流电机）54 电机性能参数代号PX 普通精度行星减速器64 减速比 1:64文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098520A1A1- 底脚安装安装方式：A3-法兰安装表 3.3 电机型号说明3.4 基于 MCS-51 单片机的控制系统设计单片机小巧、低能耗、具有较好的控制能力，目前在工业控制、信息处理、家电、测控系统、各种机电产品中都得到了大范围的应用。单片机以微型计算机技术为基础，具备计算机系统的基本构成机构，延续了计算机系统的基本属性和基本技术。单片机主要有以下几个特点，如表 3.4 所示：主要特点 特点说明体积小，集成度高单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，内部功能较全，灵活性好，易于开发。控制功能强单片机本身就是面向工业控制而研发的，其内部具有很多适用于控制目的的功能部件，指令系统包含有丰富的控制转移指令和针对 I/O 口的各项操作指令。可靠性高，抗干扰能力强对于磁场环境易于采取屏蔽措施，可适应在恶劣环境中的工作。低功耗、低电压、重量轻适用于便携式产品，且价格低廉，具有较高性价比。接口多 接口灵活、丰富，便于与各种芯片建立通信表 3.4 单片机的主要特点基于 MCS-51 单片机的以上特点，我们研究设计了清洗机的控制系统，设计主要有以下几个模块，如表 3.5 所示。模块名称 模块说明信息采集模块信息采集部分是由光电检测和运算放大模块组成，光电检测有寻迹检测和测速检测两个部分。将检测到的信号经过预算放大模块放大整形后送给单片机处理，其核心部分是几个光电传感器。文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098521控制处理模块控制处理模块是以一片 STC89C52 单片机为核心，单片机将从采集到的信息进行判断后，按照预定的算法处理，把处理的结果送交电机驱动和液晶显示模块，使之做出相应的动作。执行模块执行模块是由液晶显示、电机驱动及电机、蜂鸣器三部分组成。液晶主要是将单片机处理的结果进行实时显示，方便用户及时了解系统当前的状态，电机驱动根据单片机的指令对两个电机进行动作，使之能够根据需要作出相应的加速、减速、转弯、停车等动作，以达到预期的目的。蜂鸣器主要是根据要求在特定的位置作出出响应来报告位置。表 3.5 控制系统的主要模块整个硬件系统可分为控制部分模块、清洗轨迹探测模块、障碍探测模块、光源探测模块、直流电机驱动模块、数码显示模块等，这些模块通过主控制模块连接起来，系统框架如图 3.2 所示图 3.2 控制系统框架我们对清洗机清洗玻璃幕墙的路径进行了规划，如图 3.3 所示，清洗机转弯时通过控制两侧的爬行速度不同实现转弯。主控制模块清洗轨迹探测模块障碍探测模块光源探测模块直流源直流电机驱动模块数码显示模块文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098522图 3.3 清洗机清洗玻璃幕墙的路径规划第 4 章 机械零件的结构设计4.1 齿轮的设计计算文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098523图 4.1 直齿圆柱齿轮以下是对齿轮的设计计算：1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按照传动方案的设计，选用直齿圆柱齿轮传动，如图 4.1 所示。清洗机速度不高，故选用 7 级精度（GB 1009588） 。材料选择。选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280 HBS，大齿轮材料为45 钢（调质） ，硬度为 240 HBS，二者材料硬度差为 40 HBS。选小齿轮的齿数 Z1=30，大齿轮齿数 Z2 =31。2.按齿面接触强度设计由设计计算公式进行计算，即d1t (4-1)32d1u2. HEZKT确定公式内的各计算数值初选载荷系数 Kt=1.3。由电机的技术参数得小齿轮传递的转矩。T1 =5.4998x104 mN文件包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396 或 1197098524选取齿宽系数 =0.5。d材料的弹性影响系数 ZE=189.8 。21aMP按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的接触疲a601limMPH劳强度极限 。a502limH计算盈利循环次数，循环次数的计算公司为（4-hnj6LN2）由公式（4-2）得， 8h1 0.15x3821x5.60jnL同理 726.974N取接触疲劳寿命系数 ; 。90.1HK5.2HN计算接触疲劳许用应力。取失效率为 1%，安全系数 S=1，得 a5406x9.01lim1 MPSHN.252li2K计算计算小齿轮分度圆直径 d1t，代入 中较小的值。H由公式（4-1）得，d1t =32d1u2. HEZTK m5.2819.035.0x49813.4=77.438mm计算圆周速度 。= （4-10x6ndt3）由公式（4-3）得，
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