全自动双面擦窗器设计说明书 浙江2010 挑战杯创业大赛 获奖 毕业设计

全自动双面擦窗器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 作品简介 解决玻璃窗户的自动化擦洗问题是极具现实意义和实用价值的课题，尤其是大量高层建筑的外窗擦洗。本作品是在大量的市场调研的基础上，通过对各种擦窗装置分析比较，采用以机械结构为主，辅以自动化控制的一种面向带框移动式窗户的双面擦窗器。 本作品以移动窗框作为导轨，利用六轮导向机构实现上下运动。为保证两手掌实现同步擦洗的功能，由电机直接驱动一边同步带轮，再通过中间齿轮轴上的二个齿轮实现二次互为倒数的传动，带动另一边的同步带轮实现双面同步运动，保证了两面手掌左右同步移动，完成左右方向的擦洗。手掌自动压紧机构确保有效清洗玻璃，快速换布机构和可自由张开的手臂使本作品在使用上快速、高效。利用单片机控制使作品的擦洗工作自动化。 本作品自动化程度高，可大大降低人工劳动强度，工作安全可靠。体积小，重量轻，操作方便，便于携带。可广泛应用于家庭、办公楼、酒店等各类可移动窗户，具有很大的市场推广应用价值。 关键词：全自动，双面，擦窗器 §1  研制背景及意义 目前来看，各类玻璃窗在家庭、办公楼、酒店等得到了广泛的使用，但由于工作的繁忙、生活节奏的不断加快，玻璃外窗的清洗越来越成为一大生活问题。最原始的外窗清洗 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 就是手拿湿毛巾爬上窗户将手伸出窗外进行擦洗。其擦洗难度之大、危险性之高可想而知。因此人们想了个办法利用一根竿子代替人手绑一块擦布伸出窗外进行外窗的清洗，如此危险性降低了，但效率和擦洗效果大大的降低了。于是另一种擦洗方法随即出现，那就是磁石式双面玻璃擦洗器，但其主要缺点就是擦洗的高度为一人举手的高度，要擦洗较高的地方就要站到梯子上，如此甚为不便。 当今社会，人们住在高楼大厦之中，频频发生因擦窗而坠楼身亡的事件。为了安全问题，也为了改善住宅环境，人们迫切需要一个全自动的能实现双面同时擦洗的擦窗器。为此，在分析总结已有的产品的基础上，我们设计并制作了一台全自动双面擦窗器。可以帮助人们实现内外窗双面的擦洗工作，降低劳动强度，减少了危险性，尤其是处于高层建筑的家庭或办公室。 §2 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 本设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的总体思路是以窗框作为擦窗器上下运动的导轨，利用手臂上的两同步运动的滑块带动擦洗手掌左右移动来实现玻璃窗的清洗。 通过凸轮转动使两卡紧连杆沿凸轮圆弧面转动，使前四个滚轮和后两摩擦轮卡紧于玻璃窗框上，用电机带动主动摩擦轮转动，从而使从动摩擦轮和四个前卡紧轮实现转动，确保全自动双面擦窗器沿着玻璃窗框上下平稳的运动并完成上下的擦洗。 为了保证两手掌实现同步擦洗的功能，本方案采用一个中间传动齿轮轴，由电机直接驱动单边同步带轮，通过中间齿轮轴上齿轮传动，带动另一边的同步带轮实现双面同步运动，从而保证了两面手掌左右同步移动，完成左右的方向的擦洗工作。其传动路线如下图所示： 图1双面同步传动图 1.同步带轮、2.中间传动齿轮轴、3.同步带、 4.手掌 在运动过程中为了确保传动齿轮的准确啮合和手臂能稳定的固定于夹持体上，本方案设计一个卡扣，使工作过程中传动齿轮的准确啮合和手臂平行并贴合在夹持体上。为确保手掌能够合理的接触于玻璃窗面，并同时给玻璃一定的正应力，以保证良好的擦洗效果，本方案利用滑块中的弹簧，使手掌自动与玻璃接触，保证平稳可靠的工作效果，达到了手掌自动定位并压紧的效果； 在清洗的过程中擦布变脏和粘满灰尘是必然产生的现象，这也是在设计过程中需要解决的问题。为了方便人们在擦洗中更快更换擦布，我们设计了卡簧机构和快速换手掌机构，卡簧机构是通过卡簧的卡紧力作用将擦布卡紧在手掌上；快速换手掌机构是直接将手掌从滑块上拔出更换后备手掌，这样可以减少人们的换布时间，保证干净的擦布擦洗玻璃窗。 为了使全自动双面擦窗器实现自动化，本方案采用了单片机控制，通过单片机控制，实现上下左右的运动的自动控制，完成整面玻璃的擦洗工作。 全自动双面擦窗器电气控制工作流程： “电气启动—随程序自动运行—运行至完成，”中间可以根据工作状态的要求来调节擦洗的效果，比如：更换擦布，位置调整等现象。 全自动双面擦窗器的工作流程为：安装—工作启动—合理调整—工作运行至完成。 全自动双面擦窗器总体结构方案图如下图所示： 图2 全自动双面擦墙器总体结构方案图 §3  理论设计计算    §3.1凸轮的作用与工作行程计算 凸轮机构的作用：通过凸轮的转动使联杆动将滚轮和主从动摩擦轮卡紧于玻璃窗框上，使全自动双面擦墙器在玻璃窗框上沿轨道运动，完成擦洗工作。 凸轮机构卡紧分析：当锁紧螺母松开时，凸轮正好处于张开状态，随着凸轮的顺时针转动联杆也沿着凸轮的圆弧面绕支点转动，当转到一定的角度时滚轮正好与窗框卡住，并将锁紧螺母锁紧，这样就可以使六轮卡紧于玻璃窗框。根据凸轮行程图可知，凸轮行程满足夹紧所需的要求。 凸轮机构的工作原理图所示： 图3凸轮工作行程图 图4左为松开状态，右为卡紧状态 §3.2卡紧性能验算 全自动家庭双面擦窗在运动过程中防止下落，那么向下滑动的摩擦力必须大于它本身的自重，即F摩≥G自重；G自重为19.8N，f摩擦系数为0.71。假设全自动家庭双面擦窗的向上摩擦力在四个导向轮和两个摩擦轮上是均匀分布，则 G自重≤8Fm=8f正U=8X0.71f正得： f正≥G自重/（0.71X8） 即f正≥3.486N 所以最小正压力为3.486N 凸轮锁紧机构受力分析： 为了使联杆绕O点逆时针转动，凸轮会给联杆一个转矩M1'，联杆也给凸轮一个反作用力矩M1。为防止在运动过程中凸轮松开,通过螺母将拉杆上拉，带动凸轮紧贴压板面，利用螺纹的自锁功能使凸轮锁紧，螺纹自锁所产生的静摩擦力矩Mm将M1抵消,从而保证导向轮和摩擦轮与玻璃窗框之间有足够的夹紧力。 凸轮锁紧机构受力分析图： 图5凸轮锁紧机构的受力分析 三角螺纹自锁性检验: 本机构采用了M5的三角形普通螺纹导程S=0.8，中径D2=4.48； 由公式tanψ=S/πD2得 Ψ=3.25· 注：Ψ为螺纹升角 已知:β=30·,通过查表摩擦系数f=1.4,当量摩擦角为ρ′。 由公式：f′=fm/cosβ=tanρ′得： f′≈1.6 即ρ′acetan1.6≈58· 因为螺纹升角Ψ＜当量摩擦角ρ′。  所以自锁条件满足。 锁紧力矩校核: 通过查表得M5螺杆的许用应力为27kg/mm2； 由公式：σe=4x1.3Fa/πd12≤[σ]得 最大预紧力Fa=3994.4N Fn=Fa/cos30·=4612 N 即T螺=Fnxfxd2/2=7231N/mm 由于在静摩擦状态下，螺纹自锁产生的静摩擦力矩与窗框对导向轮正反力所产生的力矩平衡，即 T正=T螺 4xf正xl=7231  l为正反力作用线与连杆支点的垂直距离 f正=7231/(4x12.5)=144N 通过分析，当每一个轮子上的接触面所受的最小正压力等于3.486N时，产生的最小摩擦力可大于机构的自重。由于擦窗器要实现运动，要完全保证擦窗器不向下滑落，通过扳动凸轮摇杆并用螺母锁紧的方法，产生一个远大于卡紧所须的正压力产生的力矩，确保了导向轮和摩擦轮被卡紧于玻璃窗框上，机构能实现上下平稳的运动。 §3．3 电机的选用 为保证总体结构重量轻，安装方便，选用微型直流减速电机为清洁器的驱动电机。根据实验的具体情况，兼顾电机的结构与性能，选购了几款合适的微型直流电机。 选用的微型直流减速电机的型号为：ZGX24RP50i. ZGX24RP150i. 选择ZGX24RP50i的优点是保证在玻璃窗框上具有一定的自锁性能，防止全自动双面擦窗器自动向下滚落。为了擦窗器在擦洗过程中提高擦洗效率，提高转速，采用了ZGX24RP150i。 表1电机参数对照表 电机型号 ZGX24RP50i 额定功率（W） 3 空载转速（rpm） 50r/min 空载电压（V） 24     表2 电机参数对照表 电机型号 ZGX24RP150i 额定功率（W） 3 空载转速（rpm） 150r/min 空载电压（V） 24     §3．4 销钉强度校验 摩擦主动轮和带轮的转动通过销钉将电机的动力输出，为考虑销钉的强度，本计算取承受钮距最大的销钉计算，已知许用应力为 [τ]=60(MPa)，电机转速n=50r/min，P=3W 由公式：T=9550P/n得： T=0.573N/mm 剪切方向最大可承受力Ft=0.573/3=0.191N τ=Ft/A=0.191x4/πd2=27MPa τ＜[τ] 销钉强度满足 §4工作原理及性能分析 工作原理：以玻璃窗窗框作为导轨，依靠凸轮锁紧机构使前四导向轮和后两摩擦轮夹紧玻璃窗的窗框，通过主动摩擦轮的回转使其沿窗框自由的上下移动，通过中间齿轮的传动使两手掌实现双面擦洗。 本玻璃外窗自动清洁器的主要机构可分为：六轮导向机构，双面同步传动机构，手掌自动压紧机构、快速换布机构组成。 §4.1六轮导向机构 六轮导向机构通过前四个导向轮和后两摩擦轮贴靠在玻璃窗框上，并利用凸轮锁紧机构锁紧，从而沿窗框轨道上下平稳运动；工作原理如下：当磨擦轮与窗框的一侧紧靠时，扳转摇杆，凸轮转动，从而带动联杆体绕轴转动转动，使上下四滚轮靠紧窗框的另一侧并压紧，实现导向作用。同时，利用锁紧螺母实现本机构的锁紧。工作时，驱动电机带动主动摩擦轮回转，在卡紧所产生的摩擦力的作用下，主动轮带动导向轮和从动摩擦轮回转使全自动双面擦窗器实现上下运动。使用完毕后，松开锁紧螺母，导向滚轮自动松开，轻松拆卸。 具体结构如下图所示： 图6六轮导向机构 1.从动摩擦轮、2.连杆、3.滚轮、4.联轮、 5.主动摩擦轮、6.凸轮、7锁紧螺母、8.摇杆 图7六轮导向机构二维图 §4.2双面同步传动机构 在全自动双面擦窗器中，为了完成双面擦洗工作，采用了双面同步传动机构，利用两端齿轮齿数相同的中间齿轮轴，将左侧的运动传给右侧，实现两同步带轮同步等速转动，保证了两个手掌实现同步移动，完成左右擦洗工作。工作方式由电机带动齿轮，通过中间齿轮轴的传递，将动力传递到另一侧的同步带轮上,并通过同步带传递到手掌实现左右移动；为了实现自动化控制中间传动齿轮的换向，在手掌和手臂上安装有限位开关，当限位开关受力时，接通电路,发出信号，电机反转，双面同步传动机构也会根据电机的转向实现正反转的转换，从而保证手掌的左右往复运动。 图8双面同步传动机构 图9 双面同步传动机构 1.同步带轮、2.手臂、3.手掌、4.滑块、5.同步带、6.同步带轮、7.中间传动齿轮、8.电机 §4.3手掌自动压紧机构 为提高手臂在工作时的刚性，通过卡钩将手臂固定于夹持体上，卡钩的作用除了确保手臂平行的固定夹持体上以外，还可提高同步带轮的啮合精度，其结构如图10所示： 图10 为了使手掌在移动中能够完整接触玻璃窗面，确保良好的擦洗效果，在全自动双面擦窗器的手掌上采用自动伸缩式的结构，在滑块中采用弹簧，通过的自动伸缩特点使手掌与玻璃接触时产生一定正压力，达到平稳可靠的擦洗效果。 自动压紧机构如图所示： 图11  1.滑块、2.滑套、3.弹簧、4.导向块、5.销子、6.手掌 §4.4 快速换布装置 为了方便本作品在使用过程中及时、快速的实现擦洗布的更换，在设计中采用了快速换布装置。采用了卡簧式结构，可直接扳开卡簧，便可更换擦洗布，操作方便，结构简单，工作可靠，不易脱落。 当清洁时，为了在使用过程中方便、及时、快速地更换擦洗布，提出清洁用快速换布机构，该机构采用了卡簧式结构，由卡式弹簧1、换布架2、擦洗布3组成。卡式弹簧的R与换布架的R配合锁紧----起到两者互卡，且固定卡式弹簧位置的作用；卡式弹簧a段为手柄----起到自如向外施力拆卸的作用；卡式弹簧b段和c段为擦洗布在卡式弹簧和换布架之间固定范围----起到固紧擦洗布的作用。换布架的槽宽略大于卡式弹簧的直径Φ；换布架的槽深h大于卡式弹簧的直径Φ。如图： 图12 卡簧a扳手长度、b卡布范围长度、R卡簧固定作用 图13快速换布装置 本作品设计制作完成后，其整体结构所图13所示： 图14全自动双面擦窗器整体机构 1.同步带轮、2.手掌、3.同步带、4.手臂、5.滑块、 6.导套、7.从动摩擦轮、8.中间传动齿轮、9.主动摩擦轮10.滚轮、11.凸轮、12.锁紧螺母 §4.5 电控设计说明 为实现全自动双面擦窗器自动操作，本设计采用单片机控制。使全自动双面擦窗器实现全自动化，结构简单，操作更加方便，使该设备体积更加轻巧，运动更加灵活。 全自动双面擦窗器工作流程 (1) 工作过程 ①按下启动按钮，电机1与电机2同时开始正转，手掌向左移动，左限位开关闭合，电机2反转，手掌向右移动，直至右限位开关闭合，做左右往复循环。与此同时擦窗器上升，上限位开关闭合，电机1反转，擦窗器下降，直至下限位开关闭合，做上下往复循环。整个运动路程呈“之”字型。 ②按下转换按钮，再按下启动按钮，电机2开始正转，手掌向左移动，左限位开关闭合，电动机2反转，手掌向右移动，右限位开关闭合，电机1开始正转，擦窗器上升，1秒钟后，停止上升，手掌做左右往复运动，如此循环，直到上限位开关闭合。上限位开关闭合后，电动机1开始反转，擦窗器下降，1秒后，停止下降，手掌做左右往复运动，如此循环，直到下限位开关闭合。整个运动路程呈“弓”字型。 ③按下停止按钮，手掌运动到最右端，擦窗器下降，直至下限位开关闭合。 工作流程图 图15工作流程图 控制电路原理图 图16控制电路原理图 §5 创新点及应用 1、六轮导向机构：利用窗框作引导，采用凸轮，扳转摇杆使导向滚轮和摩擦轮压紧窗框并通过螺母锁紧，保证上下平稳移动； 2、双面同步传动机构，利用中间齿轮与两对等速比的齿轮传动机构使两面手掌同步移动实现擦洗； 3、手掌自动压紧机构：利用卡钩将手臂固定于夹持体上，使两手臂在工作中处于平行状态,保证正确啮合；通过滑块中的弹簧使手掌自动与玻璃接触，使手掌给玻璃一定的正应力，保证平稳可靠的工作效果； 4、卡簧式快速换布装置：通过卡簧松开和夹紧来方便更换擦布； 5、本产品可广泛应用于家庭，办公楼、酒店等各类可移动窗户，自动化程度高，可降低人工劳动强度，体积小，重量轻，操作方便，便于携带，且工作安全可靠，具有很大的市场推广应用价值。 参考文献 [1]  白井良明（日）.机器人工程.科学出版社,2001. [2]  彭荣济.现代综合机械设计手册.北京出版社,1999. [3]  高小红,裴忠诚.飞速发展的机器人技术.呼伦贝尔学院学报,2004,12:81～83. [4]  马香峰.机器人机构学.机械工业出版社,1991. [5]  冯秋官. 机械制图与计算机绘图.北京： 中国工业出版社1999.10 [6]  孙学强 机械加工 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 .北京：中国工业出版社1999.10 [7]  赵志修 机械制造工艺.北京：机械工业出版社1985