【終稿全套】基于遙控技術(shù)的家用吸塵器設(shè)計(jì)【3張CAD圖紙】

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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(wèn)題的提出及研究意義 .6 1.1.1 問(wèn)題的提出 .6 1.1.2 研究的意義 .6 1.2 國(guó)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(lèi) .11 2.2 吸塵器原理 .12 第 3 章 遙控技術(shù)的家用吸塵器外形設(shè)計(jì) .13 3.1 產(chǎn)品外形設(shè)計(jì) .13 3.2 外殼設(shè)計(jì) .13 3.2.1 材料選擇 .13 3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .14 第 4 章 全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .16 4.1 小車(chē)行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .16 4.1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 .16 4.1.2 小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定 .17 4.2 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) .21 4.2.4 蝸桿和蝸輪的主要計(jì)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(qiáng)度 .25 4.3 車(chē)輪部位電機(jī)選擇 .25 4.4 本章小結(jié) .26 總結(jié)與展望 .28 參 考 文 獻(xiàn) .29 致 謝 .30 總 結(jié) .32 參考文獻(xiàn) .33 致 謝 .34 6 第 1 章 緒 論 1.1 問(wèn)題的提出及研究意義 1.1.1 問(wèn)題的提出 隨著科技的發(fā)展，人們的生活越來(lái)越好，可是周?chē)沫h(huán)境卻越來(lái)越壞，凈 化空氣就變得非常重要了。俗話(huà)說(shuō)凡事要從自己做起，所以應(yīng)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(lái)創(chuàng)造人工氣候環(huán)境的現(xiàn)代化家庭基本設(shè)備。 吸塵器是現(xiàn)代家庭中受到人們廣泛喜愛(ài)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(xì)塵埃清掃干凈，塵?？偸菑囊惶庌D(zhuǎn)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(lái)做清潔工作就無(wú)此弊。吸 塵器不但可以清潔地面，也可以用來(lái)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(shí)要經(jīng)過(guò)起塵、吸塵和濾塵三個(gè)階段。吸塵器一般包括吸塵 器電機(jī)和風(fēng)機(jī)（電機(jī)多為串激整流子電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)是離心式風(fēng)機(jī)）、機(jī)身、吸 塵管（手持式吸塵器的機(jī)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(jī)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(shí)靠 電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，使空氣高速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵部分的空氣 不斷地補(bǔ)充風(fēng)機(jī)中的空氣，使吸塵器內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù) 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(guò)濾，排出 清凈的空氣。負(fù)壓差越大風(fēng)量越大，則吸力也越大，而這時(shí)的電機(jī)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(yīng)用廣泛，特別是為了 可以用于不同的場(chǎng)地和場(chǎng)所，需要配置不同規(guī)格的吸頭，這樣可分別用來(lái)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(dāng)然，也 有一些是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)或?qū)Ｓ眯臀鼔m器。 1.1.2 研究的意義 近年來(lái)，每到換季的時(shí)候， “流感”就像“瘟疫”一樣悄然而至，使許多人 “弱不禁風(fēng)” ，在流感病毒的襲擊下病倒了。于是人們想方設(shè)法預(yù)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(shì)？如何能防患于未然呢？ 7 醫(yī)學(xué)工作者對(duì)流感的發(fā)病原因和預(yù)防作了長(zhǎng)期、深入的調(diào)查研究。1999 年， 日本名古屋大學(xué)健康環(huán)境醫(yī)學(xué)系教授須藤千春發(fā)表了一份關(guān)于空氣濕度與人體 健康的關(guān)系的研究報(bào)告，在學(xué)術(shù)界引起廣泛的關(guān)注。該研究發(fā)現(xiàn)：近 30 年來(lái)， 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(guò)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(zhǎng)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(huì)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(xué)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(xì)菌的侵害。 近年流感多發(fā)與空氣濕度較低有著密切的關(guān)系。溫暖、干燥易于細(xì)菌、病 毒的滋生和傳播，抗流感應(yīng)以預(yù)防為主，營(yíng)造健康的室內(nèi)濕度，提高人體的免 疫力，是切實(shí)可行的預(yù)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(shè)計(jì)是有一定的使用價(jià)值的。 今年來(lái),隨著中國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展,吸塵器的產(chǎn)銷(xiāo)量也大幅增加,在我國(guó)市場(chǎng) 具有旺盛的生命力。隨著設(shè)會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展,人們的物質(zhì)和精神生活質(zhì)量的提高,迫 切需要從繁重的清潔工作中解脫出來(lái)由此誕生了一種家用服務(wù)型吸塵機(jī)器人,它 將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái),實(shí)現(xiàn)家庭、賓館、寫(xiě)字樓等室內(nèi) 環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔,因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。 目前在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家,吸塵機(jī)器人開(kāi)發(fā)較早,應(yīng)用范圍也較廣,近兩年來(lái),已 經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種面向市場(chǎng)的智能吸塵機(jī)器人。澳大利亞某公司研制出可自動(dòng)行駛 并打掃房間的型機(jī)器人這種全自動(dòng)吸塵器表面光滑,體積很小,呈圓形,內(nèi)置 搜索雷達(dá),可以搜索各種房間里的每一處,不會(huì)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(cè)方向、選擇前進(jìn)路線(xiàn)的能力。只要將全自 動(dòng)吸塵器放在地面上,它便可自動(dòng)開(kāi)始工作。其搜索雷達(dá)會(huì)探測(cè)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(lái)回移動(dòng)于房間 的其它位置,并且能在接近障礙物之前迅速轉(zhuǎn)向。該吸塵機(jī)器人由于在主機(jī)的周 圍配備了障礙物傳感器,因此可以在檢測(cè)墻壁及障礙物的同時(shí)打掃地面;當(dāng) 打掃完可以行駛的場(chǎng)所后,機(jī)器人就自動(dòng)關(guān)閉電源。不管房間的外形及面積的大 小、導(dǎo)航算法引導(dǎo)機(jī)器人在任何房間的所有無(wú)遮掩區(qū)域四處運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn) 行清潔工作,因?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航沿房間的周?chē)?所以它要?jiǎng)?chuàng)建自己的空間參考圖,機(jī) 8 器人不需要任何編程“教它應(yīng)該去哪里” 。該機(jī)器人操作簡(jiǎn)單,僅有個(gè)按鈕:開(kāi) 始、結(jié)束以及暫停,人們只要簡(jiǎn)單地將它放置在需要清掃的區(qū)域或房間中,按下 開(kāi)始按鈕即可。 國(guó)內(nèi)目前也已開(kāi)始有關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作,特別是在移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與 控制方面取得了一定的成就,為研究開(kāi)發(fā)吸塵機(jī)器人奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。吸塵機(jī)器 人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,將使人們能在無(wú)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(jī)器人如能大批量生產(chǎn)使成本降低,以 低價(jià)格進(jìn)入市場(chǎng),將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)吸塵機(jī)器人是未來(lái) 幾年需求量最大的是服務(wù)機(jī)器人。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測(cè)量屬于 90 年代興起的行業(yè)。隨著時(shí)代的發(fā)展，科 研、農(nóng)業(yè)、暖通、紡織、機(jī)房、航空航天、電力等工業(yè)部門(mén)，越來(lái)越需要采用 濕度傳感器，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)環(huán)境溫、濕度的控制以及對(duì)工業(yè) 材料水分值的監(jiān)測(cè)與分析都已成為比較普遍的技術(shù)條件之一。工業(yè)吸塵器在中 國(guó)的發(fā)展是在改革開(kāi)放之后，真正的大發(fā)展是上世紀(jì) 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(lèi)。它們的核心部件分別為離心電動(dòng) 機(jī)、電熱元件和超聲波發(fā)生器。揮發(fā)式吸塵器通過(guò)離心電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn) 生的負(fù)壓將水吸到旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散盤(pán)上，并且靠離心力將擴(kuò)散盤(pán)上的水?dāng)U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(yīng)的換能器 把高頻脈動(dòng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生 1.72MHz 的高頻振動(dòng)，用以造 成劇烈的水滴撕裂，將水霧化成超微細(xì)粒，并且被電風(fēng)機(jī)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(méi)有直觀(guān)的定量指示和 報(bào)訊裝置，只能依靠人體感觀(guān)的經(jīng)驗(yàn)去手工調(diào)控加濕度。 盡管目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過(guò)高 和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題急待解決。 目前,價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)重影響吸塵機(jī)器人打入家電市場(chǎng)的主要因素,為了大幅 度降低其成本,必須開(kāi)發(fā)智能傳感器、專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)字處理芯片;其次,應(yīng)該 看到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理成本 轉(zhuǎn)移到用戶(hù)的個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將吸塵機(jī)器人的成本降低在千元左右。 未來(lái)的吸塵機(jī)器人將向自主式和人工智能化發(fā)展,因此必須結(jié)合現(xiàn)有的基于 9 自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技 術(shù),研究對(duì)環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制器及高 效的傳感器融合算法,是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性行為的 機(jī)器人的關(guān)鍵。 電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人研究工作的核心問(wèn)題之一,除了為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、吸塵 及控制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,能 夠自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。在研究提高化學(xué)電池使用壽命、縮小體積 的同時(shí),一種新興的質(zhì)子交換膜燃料電池具有功率大、能量高、壽命長(zhǎng)和體積小 等優(yōu)點(diǎn),為移動(dòng)電源提供了一種合適的電源,目前,上海某大學(xué)燃料電池研究所在 這方面進(jìn)行著有益的嘗試。 隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價(jià)格比的不斷提高或改進(jìn),相信在現(xiàn)有的軟 硬件條件的基礎(chǔ)上,未來(lái)幾年內(nèi)就會(huì)推出價(jià)格適中的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人產(chǎn)品,進(jìn) 而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù),為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái) 可觀(guān)的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。 11 第 2 章 吸塵器工作原理 2.1 吸塵器分類(lèi) 吸塵器從使用方面來(lái)講可分為工業(yè)用吸塵器和家用吸塵器兩個(gè)大類(lèi)。 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(fù)合式吸塵器。 1.按形狀大小分類(lèi) （1）立式：呈圓桶形或方形居多，分上、下兩部分，上部裝有電機(jī)，是動(dòng) 力部分，下部為集塵箱。 （2）臥式：長(zhǎng)方形或車(chē)型狀，有前后兩部分，前部為集塵箱，后部為電機(jī) 部分。 （3）便攜式，它一般有五種形式 1) 肩式：體積較小，使用時(shí)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(wú)繩式: 吸塵器拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的電線(xiàn) , 極易糾纏不清。倘若是無(wú)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(lèi) 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(lèi)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(lèi) （1）類(lèi)吸塵器，額定電壓超過(guò) 42 伏，只有基本絕緣。 （2）類(lèi)吸塵器，額定電壓超過(guò) 42 伏，全部為雙重絕緣，當(dāng)基本絕緣破 壞時(shí)，還有一層補(bǔ)充絕緣作用。 （3）類(lèi)吸塵器，額定電壓低于 42 伏，避免了觸電危險(xiǎn)。 12 2.2 吸塵器原理 1吸塵原理。吸塵器的風(fēng)機(jī)葉輪在電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)下，將葉輪中的空氣高 速排出風(fēng)機(jī)，同時(shí)使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)。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(guò)漏器過(guò)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(gè)組裝刷頭，供清理地板及地毯使用。 吸力式吸塵器還會(huì)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(huì)裝備硬喉管，用來(lái)連接清潔用的軟喉管及附 件。 4電動(dòng)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(zhuǎn)，方便清潔家具、精細(xì)網(wǎng)織物等。 6扁吸嘴：又稱(chēng)縫隙吸嘴，是一支細(xì)長(zhǎng)、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(zhǎng)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(dòng)機(jī)、 離心式風(fēng)機(jī)、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(gè)電動(dòng)抽風(fēng)機(jī)。抽風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn) 軸上有風(fēng)葉輪，通電后，抽風(fēng)機(jī)會(huì) 以每秒 500 圈的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生極強(qiáng)的吸力和壓力，在吸力和壓力的作用下，空氣高 速排出，而風(fēng)機(jī)前端吸塵部分的空氣不斷地補(bǔ)充風(fēng) 機(jī)中的空氣，致使吸塵器內(nèi) 部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)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(guò)地毯或地板刷、長(zhǎng)接管、彎 管、軟管、軟管接頭 進(jìn)入濾塵袋，灰塵等雜物滯留在濾塵袋內(nèi)，空氣經(jīng)過(guò)濾片凈化后，再由機(jī)體尾 部排出。 吸塵器的工作原理是吸塵器電機(jī)高速旋轉(zhuǎn),從吸入口吸入空氣,使塵箱產(chǎn)生 一定的真空,灰塵通過(guò)地刷、接管、手柄、軟 管、主吸管進(jìn)入塵箱中的濾塵袋, 灰塵被留在濾塵袋內(nèi),過(guò)濾后的空氣再經(jīng)過(guò)一層過(guò)濾片進(jìn)入電機(jī),這層過(guò)濾片是 防止塵袋破裂灰塵吸入電機(jī)的一道保護(hù)屏障,進(jìn)入 電機(jī)的空氣經(jīng)電機(jī)流出,由于 電機(jī)運(yùn)行中碳刷不斷的磨損,因此流出吸塵器前又加了一道過(guò)濾。 過(guò)濾材料越細(xì)密就可以將空氣過(guò)濾得越干凈,但透氣度就越差,這樣影響了電機(jī) 吸入的風(fēng)量,降低了吸塵器效率。但是對(duì)用戶(hù)而言,舒適干凈是主要的,因此近年 來(lái)流行叫“海帕”的過(guò)濾器。 海帕是外來(lái)名,它是一種高效過(guò)濾器,可以將極小的灰塵擋住,效率達(dá)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(guò)濾 材料有的還可以反復(fù)清洗。任何過(guò)濾材料都有“壽命”,也就是長(zhǎng)期使用后過(guò)濾 材料的微孔已被小顆?；覊m堵死。因此紙質(zhì)的塵袋 是比較理想的,用后即棄,衛(wèi) 生又方便。布質(zhì)濾塵袋清洗后纖維會(huì)板結(jié),影響過(guò)濾效果和透氣效果。SMS 三層 復(fù)合過(guò)濾材料耐洗,但透氣度稍低。 13 第 3 章 遙控技術(shù)的家用吸塵器外形設(shè)計(jì) 3.1 產(chǎn)品外形設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的為空氣吸塵器，采用超聲波吸塵器。此種吸塵器通過(guò)換能片產(chǎn) 生的超聲能量直接作用于水，而水在強(qiáng)烈的超聲空化作用下被霧化。霧化的微 細(xì)水顆粒，經(jīng)過(guò)獨(dú)特的風(fēng)道吹送至增濕空間，水霧粒子與流動(dòng)空氣進(jìn)行熱濕交 換，達(dá)到等焓加濕空氣的目的。 3.2 外殼設(shè)計(jì) 3.2.1 材料選擇 塑件的選材應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面，以判斷其是否能滿(mǎn)足使用要求。 （1） 、塑件的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、沖擊性 能以及對(duì)應(yīng)力的敏感性。 （2） 、塑料的物理性能，如對(duì)使用環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性、光學(xué)特性、絕 熱或電氣絕緣的程度、精加工和外觀(guān)的完美程度等。 （3） 、塑料的化學(xué)性能，如對(duì)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(dòng)性、結(jié)晶性、熱敏性等。 本次設(shè)計(jì)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(xué)穩(wěn)定性和 表面硬度，其抗拉強(qiáng)度可達(dá) 3550MPa。ABS 的耐候性是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(shí)會(huì)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(yīng)進(jìn)行干燥處理。 ABS 熔體中具有中等黏度特性，流動(dòng)性好。設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 塑料的總體尺寸主要取決于塑料品種的流動(dòng)性。塑料外形尺寸還受成型設(shè) 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(mǎn)足塑件的使 用要求，應(yīng)將塑件設(shè)計(jì)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(dòng)，成型工藝條件的變化，塑件的形狀，飛邊厚度的波動(dòng)，脫模斜 度及成型后塑件尺寸變化等。一般來(lái)講，為了降低模具的加工難度和模具制造 成本。在滿(mǎn)足塑件使用要求的前提下應(yīng)盡量把塑件尺寸精度設(shè)計(jì)的低一些。 塑料制件的表面質(zhì)量包括表面粗糙度和表觀(guān)質(zhì)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(guān)。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(yīng)為塑件的 1/2，即 R 0.010.63 m。 塑件應(yīng)有一定的厚度才能滿(mǎn)足使用時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求，而且壁厚在脫模 時(shí)還需承受脫模推力。壁厚應(yīng)設(shè)計(jì)合理，壁太薄熔料充滿(mǎn)型腔時(shí)的流動(dòng)阻力大， 會(huì)出現(xiàn)缺料的現(xiàn)象；壁太厚塑件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣泡，外部易產(chǎn)生凹陷等缺陷，同 時(shí)增加了成本；壁厚不均勻造成收縮不一致，導(dǎo)致塑件變形或翹曲，在可能的 條件下應(yīng)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(dá) 8mm，本次設(shè)計(jì)塑件壁厚取 2mm。 加強(qiáng)筋的主要作用是在不增加壁厚的情況下，加強(qiáng)塑件的強(qiáng)度核剛度，避 免塑件變形翹曲。此外，合理布局加強(qiáng)筋還可以改善充模流動(dòng)性，減少內(nèi)應(yīng)力， 避免氣孔、縮孔和凹陷等缺陷。加強(qiáng)筋的壁厚應(yīng)小于塑件壁厚，并與壁厚圓弧 過(guò)渡。加強(qiáng)筋端部不應(yīng)與塑件支撐面平齊，而應(yīng)縮進(jìn) 0.5 mm 以上，如果一個(gè)制 件上需要設(shè)置許多加強(qiáng)筋，除應(yīng)注意加強(qiáng)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(qiáng)筋的排列互相錯(cuò)開(kāi)，易防止收縮不均勻引起制 品破裂。此外，各條加強(qiáng)筋的厚度應(yīng)盡量相同或相近，這樣可以防止因融體流 動(dòng)局部集中而引起縮孔和氣泡。 對(duì)于塑件來(lái)說(shuō)，除使用要求需要尖角之外，其余所有內(nèi)外表面轉(zhuǎn)彎處都應(yīng) 盡能采用圓角過(guò)渡，以減少應(yīng)力集中。采用圓角過(guò)渡不但使塑件強(qiáng)度高，塑件 在型腔中流動(dòng)性好，而且美觀(guān)，模具型腔也不易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)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(jī)械加工獲得， 對(duì)于需要經(jīng)常裝拆和受力較大的螺紋，應(yīng)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(jí)，并選用螺距較大者。細(xì)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(qiáng)度，防止最 外圈螺紋崩裂或變形，其始端和末端均不應(yīng)突然開(kāi)始和結(jié)束，應(yīng)有一定過(guò)渡段。 塑件螺紋與金屬螺紋的配合長(zhǎng)度應(yīng)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(shí)，應(yīng)使兩端螺紋的旋向和螺距相同。 吸塵部位的設(shè)計(jì) 全自動(dòng)吸塵器對(duì)墻壁等障礙的判斷主要是通過(guò)超聲波傳感器來(lái)完成的，超 聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用 于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲 波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度 方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)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(shè)計(jì)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(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是 用機(jī)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(dòng)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(shí)際是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈 沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并 （圖 2-3 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)） 圖） 16 帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板 接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就 成了超聲波接收裝置。 全自動(dòng)吸塵器選用了壓電陶瓷式超聲波傳感器，在超聲波信號(hào)發(fā)射側(cè)使用 T40-16，在信號(hào)接受側(cè)使用 R40-16，發(fā)射信號(hào)側(cè)由 40HZ 的通信電路、控制 ON-OFF 及驅(qū)動(dòng)電路組成，接收信號(hào)側(cè)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(duì)測(cè)定物體成直角 安裝。 由于每一個(gè)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(cè) 量時(shí)必然存在盲區(qū)（如圖 2）。因此，三對(duì)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(cè)量的范圍包含整個(gè)吸塵器所必須經(jīng)過(guò)的空間，同時(shí)又避免探測(cè)死角（既使 盲區(qū)落在須測(cè)量的范圍之外）。 第 4 章 本章標(biāo)題 17 第 4 章 全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 全自動(dòng)吸塵器的驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。步 進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪（后輪） ，從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)， 而采用了應(yīng)用非常廣泛的萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性 通過(guò)改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào) 速。同時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施加相同或不同脈沖信號(hào)時(shí)，通過(guò)差速方式，可以方便的實(shí) 現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠 在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半 徑（即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)） 。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過(guò)改變單片機(jī)的程序來(lái)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(dòng)吸塵器行走平穩(wěn)，而且有很高的效率. 4.1 小車(chē)行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 這里主要是做了三方面的工作：對(duì)小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對(duì)電 機(jī)功率的估計(jì)并選擇出小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；對(duì)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的齒輪、齒條傳動(dòng)的接觸疲 勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 4.1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 根據(jù)一些移動(dòng)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的研究文獻(xiàn)及直動(dòng)關(guān)節(jié)的知識(shí)可獲得兩個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu) 方案。這兩個(gè)方案的示意圖如圖所示： 方案 1：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī) 齒輪箱 車(chē)輪軸上齒輪 （通過(guò)車(chē)輪軸）驅(qū)動(dòng) 輪。這也是在移動(dòng)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較為常用的一種車(chē)體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對(duì) 稱(chēng)合理。 方案 2：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī) 圓柱齒輪 固定齒條 （通過(guò)反推動(dòng)）車(chē)體結(jié) 構(gòu)。這里的設(shè)計(jì)有借鑒將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)里有齒輪、齒條這么一種傳動(dòng)方式， 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較容易。 方案間的比較： 表 1 兩車(chē)體機(jī)構(gòu)方案的比較 左側(cè)步進(jìn)電機(jī) 右側(cè)步進(jìn)電機(jī) 自帶電源 18 方案比較 方案 1 方案 2 設(shè)計(jì)方面 較復(fù)雜 較簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)方面 稍復(fù)雜 稍簡(jiǎn)單 布置方面 對(duì)稱(chēng)點(diǎn) 有點(diǎn)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(zhǎng)齒條 根據(jù)實(shí)際的工作條件：希望設(shè)計(jì)能夠比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，焊接小車(chē)的移動(dòng) 效率高一點(diǎn)，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(chē)的設(shè)計(jì)結(jié) 構(gòu)方案。 4.1.2 小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定 (1) 電機(jī)功率的估計(jì) 根據(jù)重量、小車(chē)運(yùn)行速度、輪胎直徑來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。 假定小車(chē)在軌道上行走，不考慮小車(chē)行駛中的空氣阻力，分析小車(chē)的受力情況， 以便估計(jì)小車(chē)所需的驅(qū)動(dòng)力矩。此時(shí)，應(yīng)把輪胎看成一個(gè)彈性體來(lái)考慮。 前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)齒輪、齒條的嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)，故該 小車(chē)的四輪都為從動(dòng)輪。 這里先分析車(chē)輪的受力情況： 第 4 章 本章標(biāo)題 19 vPXmgUN 圖 3.1 車(chē)輪受力簡(jiǎn)圖 假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輪子做純滾動(dòng)。 設(shè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為 ，相應(yīng)的車(chē)輪角加速度為 。dvt dwt 根據(jù) 可推得：vwr1dt 其中 v 為小車(chē)速度，w 為車(chē)輪角速度，r 為車(chē)輪的半徑。 圖 3.1 畫(huà)出了該小車(chē)的車(chē)輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力簡(jiǎn)圖，圖中 P 車(chē)輪上的載荷，m 車(chē)輪的質(zhì)量，N 地面對(duì)車(chē)輪的法向反作用力，U 為車(chē)輪的切向 反作用力，X 車(chē)輪軸的車(chē)輪的推力。 根據(jù)平衡條件有 dvXUmt （3.1） fwrMJdt （3.2） 20 為車(chē)輪滾動(dòng)阻力矩，其值為 ；J 為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。fMN 根據(jù)式（3.1） 、 （3.2）有 2fMJdvXmrt （3.3） 由此可知，推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和車(chē)輪的加速阻力。 而后者又由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力 和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力 所組成。dvmt 2Jdvrt 齒輪、齒條傳動(dòng)作為該小車(chē)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)為 ， 進(jìn)而可將 理dMdr 解為小車(chē)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力， 為齒輪的半徑。r 故以小車(chē)車(chē)體做分析對(duì)象，在水平方向上，應(yīng)用牛頓第二定律可得： 04()ddvXmrt （3.4） 其中 為機(jī)器人總質(zhì)量。0m 將式（3.4）中的 X 帶入上式得； 0244fdMJdvmrtr （3.5） 由上式可得出結(jié)論為：小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力用來(lái)克服車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和機(jī)器人的平移質(zhì) 量的加速阻力和車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)阻力。 可根據(jù)式（3.5）粗估出驅(qū)動(dòng)力矩： 其中：車(chē)輪半徑 ， （查理論力學(xué) P120 表 5.2 滾動(dòng)摩阻系60rm2 數(shù) 。 ） ， ； 4rt 估為 40kg ,車(chē)輪質(zhì)量估計(jì)為 0.8kg ,J 估計(jì)為 ，0m 2-4mkg10.6 N；(0.8)1944gN 第 4 章 本章標(biāo)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(jìn)而根據(jù)要求的運(yùn)行速度為 v ,初步確定電機(jī)的功率 P： （3.6）dvPKr 其中：K 為估計(jì)系數(shù)，考慮到該焊接機(jī)器人其上的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可取為 5。 解之得： P =645w (2) 電機(jī)的選擇 前面已初步估計(jì)出了驅(qū)動(dòng)力矩，電機(jī)的功率。 在實(shí)際的操作中，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，使用的電機(jī)類(lèi)型主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電 機(jī)、交流伺服電機(jī)等。考慮到步進(jìn)電機(jī)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速。能夠快速啟動(dòng)、制 動(dòng)，有較強(qiáng)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(jìn)電機(jī) 在機(jī)器人無(wú)位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 這里選定步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，考慮到在實(shí)際的選擇中應(yīng)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(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)： 型號(hào)：130BYG2501； 步距角：0.9/1.8 度； 電壓：120-310v 相數(shù)：2 ； 電流：6 A; 靜轉(zhuǎn)矩：270 ；cmkg 空載運(yùn)行頻率： ；18 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；2 22 4.2 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.2.1 蝸桿的選型 根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，采用漸開(kāi)線(xiàn)（ZI）蝸桿，這種蝸桿的端面齒廓是漸 開(kāi)線(xiàn)，所以相當(dāng)于少一個(gè)齒數(shù)。 4.2.2 蝸桿副的材料 由于蝸桿傳動(dòng)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)工作要求和條件 : 功率小,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等,無(wú)需調(diào)速、長(zhǎng)期反復(fù) 工作，異步電動(dòng)機(jī)取轉(zhuǎn)速為 1400r/min。 由要求 :自鎖力Q=1000 kgf500 kgf,此處取 Q=1000kgf 。 螺旋副傳動(dòng)的牙型為梯形螺紋,可通過(guò)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(guò) 3 ,其摩擦系數(shù)比一aMP 般23倍,取螺桿中徑d=85mm. a.求當(dāng)量摩擦角 : ，/costgf/cos1.7artgf 為保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩消失后刀盤(pán)仍處于鎖緊狀態(tài),絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)必須滿(mǎn)足自鎖條件: ,)1.5( 所以 max=11.7-1=10.7，由實(shí)驗(yàn)表明=46 有滿(mǎn)意效果,故取 =5 。 b.螺桿的轉(zhuǎn)速 n1=28r/min（設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給出） 可得出傳動(dòng)比： （3-01/4/2850In 1） 第 4 章 本章標(biāo)題 23 計(jì)算電機(jī)容量 ： （3-2） /dwaPp 其中 ,Pd 為電機(jī)所需功率 :Pw 為工作機(jī)所需工作功率； 是由電a 動(dòng)機(jī)至工作機(jī)主動(dòng)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(dòng)絲杠的傳動(dòng)效率。取1234， ， ， ， =0.98, =0.45( 自鎖時(shí)傳動(dòng)效率 ), ,12 30.94.6 （設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給出）0dPw W （3-5）4/12/.80.59.6482wdaP c. 計(jì)算螺桿上的扭矩 : （3-6）1950/95./13.wTnNm d. ，選取150BF002 電機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下：120dP e. 各軸的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力參數(shù) 各軸轉(zhuǎn)速 I 軸 ( 蝸桿軸 ) =1400(r/min)1n II 軸 ( 絲杠螺母、刀盤(pán) ) =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(zhuǎn)速 輸入功率 質(zhì)量 380V 120w 1400r/min 150w 3.0kg 額定電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩/:額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 起動(dòng)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(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,先根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) , 再校核齒根 彎 曲強(qiáng)度應(yīng)有 : (4 1） 232EPHZaKT a.用在蝸輪上的轉(zhuǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)第七版 ) K 中選取使用系數(shù) =1.15 由于轉(zhuǎn)速不高,沖擊不大,取動(dòng)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(shè)蝸桿分度圓直徑為 和中心距 a 的比值 從圖 11-18( 機(jī)械設(shè)1d1/0.32da 計(jì)第七版 ) 中可查得 =2.75P e.確定許用接觸應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)第六版 ) 中查得渦輪的基本許用應(yīng)力 =268HaMP 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 設(shè)計(jì)要求壽命為 12000h 則(渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),每個(gè)輪齒嚙260nNjL 合的次數(shù)) (4-5)714021.9805 第 4 章 本章標(biāo)題 25 壽命系數(shù)： 7810.98.HNk 則 (4-6)0.918*264.1HN aKMP f.計(jì)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(jì)算參數(shù)和幾何尺寸 26 4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 (4-8)21.53cosFFaaFKTYMPdm 當(dāng)量齒數(shù)： (4-23351.49426vz 9) 根據(jù) 從圖11-19中 ( 機(jī)械設(shè)計(jì)第七版 ) 可查得齒20.5X2vz1. 形系數(shù) 螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力.FaY 432610.973,0Y 從表 11-8( 機(jī)械設(shè)計(jì)第七版 ) 查得ZcuSn10Pi制造的蝸輪的基本許NK 用彎曲應(yīng)力 。56aFMP 壽命系數(shù)： (4- 69710.2.N 10) (4-11)560.4.19aFP 第 4 章 本章標(biāo)題 27 41.532.8102.75.9635.040.3206F aFaMPP (4-12) 故彎曲強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求。改用鑄鋁鐵青銅(ZcuAl10Fe3)砂模鑄造， 其許用應(yīng)力： （4-13）80aFMP 則 （3-24）.715.36a 所以強(qiáng)度滿(mǎn)足。 4.3 車(chē)輪部位電機(jī)選擇 考慮到關(guān)節(jié)的實(shí)際情況，對(duì)電機(jī)的要求：質(zhì)量輕，體積小，頻繁的正反轉(zhuǎn)，換向 性能好，較好的運(yùn)動(dòng)控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機(jī)中的印刷 繞組直流永磁式。 該類(lèi)型直流伺服電機(jī)又稱(chēng)盤(pán)式電機(jī)，有特點(diǎn)：快速響應(yīng)性能好；可以頻繁的起動(dòng)、 制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無(wú)鐵損，效率高；換向性能好；壽命長(zhǎng)；負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變 化率小，輸出力矩平穩(wěn)。 這里選擇的型號(hào)是 Maxon 組合體系： 電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W; 行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動(dòng)比約為 19：1； 編碼器：HEDS 55。 4.4 本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行了車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括方案選擇；功率估計(jì)；電機(jī)選擇；校核 等內(nèi)容。 具體的設(shè)計(jì)方案及參數(shù)如下： 傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī) 圓柱齒輪 固定齒條 （通過(guò)反推動(dòng)）車(chē)體結(jié)構(gòu)。主要利用 齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較容易。 選用的電機(jī)參數(shù)如下： 28 （1）傳動(dòng)電機(jī)這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)：130BYG2501； 步距角：0.9/1.8 度； 電壓：120-310v； 相數(shù)：2 ； 電流：6 A； 靜轉(zhuǎn)矩：270 ；cmkg 空載運(yùn)行頻率 ；18 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 。2 （2）擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇的型號(hào)是 Maxon 組合體系： 電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W； 行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動(dòng)比約為 19：1； 編碼器：HEDS 55。 第 4 章 全自動(dòng)吸塵器的成本分析 全自動(dòng)吸塵器作為一種家用電器,要想得到家庭用戶(hù)的認(rèn)可和購(gòu)買(mǎi),必須價(jià)格低廉性 能優(yōu)異,大規(guī)模投放市場(chǎng)后應(yīng)該能夠產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益。 全自動(dòng)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(jiàn) 到，它以強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家電行業(yè)以及輕工業(yè)當(dāng)中全自動(dòng)吸塵 器的殼體用注塑成型，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，注塑技術(shù)發(fā)展，迅速技術(shù)先進(jìn)而且成本 低廉，所以全自動(dòng)吸塵器的殼體部分經(jīng)濟(jì)適用。 全自動(dòng)吸塵器的動(dòng)力部分主要由電機(jī)構(gòu)成，在設(shè)計(jì)中以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，步 進(jìn)電機(jī)在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛，它可以實(shí)現(xiàn)精確的位移，它的價(jià)格比普通的直流電機(jī) 略高一些，但考慮到其優(yōu)越的性能，它作為動(dòng)力源很合適，全自動(dòng)吸塵器的風(fēng)機(jī)電動(dòng) 機(jī)采用了鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速很高，在小型吸塵器中經(jīng)常應(yīng)用，它的價(jià) 格比較底在幾十元左右，而且很容易從一些電機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家購(gòu)進(jìn)。 第 4 章 本章標(biāo)題 29 電路控制部分是吸塵器的關(guān)鍵，由 8051 單片機(jī)、電子羅盤(pán)、以及傳感器構(gòu)成， 8051 單片機(jī)以其高性能低成本，在家電控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛：吸塵器 的“導(dǎo)向儀” VECTOR2X 電子羅盤(pán)，是一種利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的一種高精度低價(jià)位的導(dǎo)向工具， 它常用在機(jī)器人等領(lǐng)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(dòng)吸塵器中安裝了紅外線(xiàn)熱釋電傳感器和超聲波傳 感器，在很多自動(dòng)設(shè)備中都能見(jiàn)到它們；整個(gè)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(dòng)吸塵器的成本。 綜上所述，全自動(dòng)吸塵器的成本很低，它的銷(xiāo)售價(jià)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(jìn)而全自動(dòng)吸塵器能像普通家電產(chǎn)品樣走進(jìn)千家戶(hù)， 為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀(guān)的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。 30 總結(jié)與展望 總結(jié)本文對(duì)機(jī)器人的全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 全自動(dòng)吸塵器在電子羅盤(pán)的引導(dǎo)下，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū) 動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)行走轉(zhuǎn)向等功能。與此同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件， 對(duì)經(jīng)過(guò)的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。全自動(dòng)吸塵器的行走方式類(lèi)似于“蛇