【文章內容簡介】 圖 210 滾筒清潔機構 傳動機構 傳動部分使用電機作為動力源，通過 D軸、齒輪將轉矩傳遞到后輪，實現后輪共軸驅動。兩種方案如下所述，比較兩者優(yōu)缺點和實際運用的要求，最終確定選用方案一。 方案一 使用直齒輪、 D型軸將轉矩傳遞到后輪軸，結構比較簡單，直齒輪為標準件方便采購，成本低，裝配難度不大，傳遞效率高，如圖 211 所示。 缺點：直接使用 齒輪帶動后車軸，兩后車輪轉速始 終相同，在車體過彎時動力傳遞效率有所降低。 圖 211 傳動方案一 方案二 使用錐齒輪、 D型軸傳動，在后輪車軸上增加一個差速器，使車體在過彎時能自動根據兩側后輪不同的阻力比調整動力的輸出配比，減小后輪在轉向時的動力損耗 , 如圖 212所示。 缺點：錐齒輪傳動效率低，由于錐齒輪軸與后輪車軸垂直，會增加整個機器人長度方向的尺寸，清洗機構的傳動必須再次傳動換向，不利于清洗機構的安裝。差速器不是標準 件，市場上的的差速器尺寸不能滿足機器人的設計需要，無 圖 212 傳動方案二 法購買。 最終選用的總體方案 經過反復對以上方案進行論證，逐步進行修 改及優(yōu)化，最終本次設計的玻璃清潔機器人方案使用的是輪式行走機構、嵌入式驅動轉向裝置、滾筒式清洗機構、真空吸盤式或磁吸附式。 如前面圖 24所示，后輪為共軸驅動行走機構，前輪由兩個獨立的電機單獨驅動，為機器人前行提供牽引力，也可以一個電機正轉，另一個電機反轉，從而實現機器人的 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 9 頁 共 46 頁 圖 213 機器人總體方案 轉向功能。并且前輪的驅動電機使用嵌入式安裝方式，電機被置于前輪輪轂中，對電機尺寸的要求較高 ,最終確定的總體方案如圖 213 所示。 本次設計可以分模塊進行設計，這樣既可以提高設計的效率，也可以避免在設計清潔機器人各部分之間相互的干擾，減小設計的難度，同時也可以使得機器人在實際運用中的維護更加方便 ,各模塊的移植性較好。因此機器人的設計和計 算我們將分步、分塊進行。 3 電機選型 玻璃清潔機器人的運動控制中常用電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，它們的特點、構造與工作原理和控制方式如下表 31所示。 表 31 三種電機的主要特點、結構與工作原理、控制方式 電機類型 主要特點 結構與工作原理 控制方式 直流伺服電機 接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉矩大、體積小、 重量輕，轉速和轉矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、 噪聲大。 由永磁體定子、線圈 轉子、電刷和換向器 構成。通過電刷和換 向 器使電流方向隨轉子的轉動角度而變化，實現連續(xù)轉動。 轉動控制采用電壓控制方式 ,兩者成正比。轉矩控制采用電流控制方式 ,兩者也成正比。 交流伺服電機 沒有電刷和換向器，無需維護，驅動電路 復雜，價格高。 按結構分為同步和異步電電刷和換向器構成。通過電刷和換向器使電流方向分為電壓控制和頻率控制兩種方式。 異步電機常采用電壓控制。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 10 頁 共 46 頁 隨轉子的轉動角度而變化，實現連續(xù)轉動。 步進電機 直接用數字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維護方便，壽命長。缺點是能量轉換效率低，易失步，過載能力弱 。 按產生轉矩的方式可以分為 :永磁式， 反應式和混合式?；旌鲜侥墚a生較大轉矩，連續(xù)轉動。 永磁式是單向勵磁， 精度高，但易失步，反應式；是雙向勵磁，輸出轉矩大，轉子過沖小，但效率低； 混合式是單 雙向勵磁 ,分辨率高 , 運轉平穩(wěn)。 本次設計的玻璃清潔機器人所用電機的基本性能要求： ⑴ 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行 ,具有良好的響應特性 . ⑵ 正轉反轉時的特性相同 ,且運行特性穩(wěn)定 . ⑶ 良好的抗干擾能力 ,對輸出來 說 ,體積小、重量輕 . ⑷ 維修容易，不用保養(yǎng) . ① 前面表 31 中我們比較分析了三種不同電機的特點、結構與工作原理和控制方式從中我們知道步進電機具有精度高，控制性能強，容易控制的特點，步進電機具有以上所有優(yōu)點，但是前輪是使用嵌入驅動裝置轉向，步進電機的外型尺寸不滿足條件，所以我們最后選擇直流電機。 前輪轉向機構是利用兩個步進電機一個正轉、一個反轉來實現機器人的轉向的。因為機器人的重量不能超過 2kg，所以它受的最大摩擦力不會超過 20N。因為車直徑為70mm,則每個前輪所需要的驅動轉矩為： T=Fd=10N = （ 31） 所以玻璃清潔機器人選用“森創(chuàng)”步進電機的型號為： A15KS545(W)G10，詳細參數如下表 32 所示。 表 32 步進電機的參數 型號 A/相（ A） 最大保持轉矩() 最大允許轉矩() 轉動慣性() 線組抗 電機長度（ mm） A15KS545(W)G10 15 68 47 ② 機器人的兩個后輪是驅動輪，要求控制性好且精度高，能耗低，輸出轉矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式及清潔機器人的移動性能要求、受力性情況、傳動特點，最終選用直流電機作為驅動電機。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 11 頁 共 46 頁 所需電機的功率計算 .玻璃清潔機器人的受力簡圖如圖 31所示，分析可知機器人垂直向上行走時所受的阻力最大。 圖 31 機器人受力簡圖 機器人所受的最大牽引力： F 牽 = G + Ff F 牽 在墻壁上行走需要的最大牽引力 Ff機器人在墻壁上受到的摩擦阻力： Ff=u F 吸 （ 32） u為摩 擦因數，一般玻璃與橡膠取 則玻璃清潔機器人需要的最大牽引力為 : F 牽 =G + Ff =20N+ 100N=40N （ 33） 設定機器人在墻上行走的速度為 :V=1m/s 則機器人在墻壁上運動的功率為： P= F 牽 V=40 1=40W （ 34） 傳動裝置的總效率為： η =η 2= = （ 35） 所需直流電機的最小功率 : PW=P/η =40/= （ 36） 通過以上的比較和計算，最終選擇 博山電機 的 90SZ01，其技術參數如表 33所示： 表 33 直流伺服電機的技術參數 型號 轉矩（ ） 轉速（ r/min） 功率(W) 電壓 (V) 電流 (A) 允許順逆轉速差(r/min) 轉動慣量(2) 電樞 激磁 電樞 激磁 90SZ01 323 1500 50 110 110 100 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 12 頁 共 46 頁 4 玻璃清潔機器人結構設計和主要參數計算、分析 車輪設計 圖 41 后輪結構圖 后輪采用尼龍加工而成，為減輕質量，設計成腹板式結構，同時在驅動輪的輪緣包裹一定厚度的橡膠材料，具體設計參數如圖 41 所示。 輪子的直徑為 d=70mm,轉一圈機器人移動的距離為： S=π d= = （ 41） 所以，輪子的最大轉速為： n=1500/4=375r/min=（ 42） 則清潔機器人的最大行走速度為： V=S n= =（ 43） 從面前的計算我們已知機器人所受的摩擦力為： Ff=20N 則可知電機在機器人豎直向上時其轉矩并不滿足條件，所以必須在機器人豎直向上運動時減少磁吸附力，即可滿足運動條件。 設減小摩擦后機器人所受摩擦力為： Ff=10N 則此時機器人的功率為： Pw=(Ff+G) V=30 = （ 44） 其最大加速度為： a=Fa/m=30/2=15m/s178。 （ 45） 前輪為轉向輪，本次設計使用的是嵌入式驅動轉向裝置，它的原理是電機固定不動，由電機機芯驅動法蘭盤和前輪轉動，電機與輪子之間安裝有軸承和大、小套筒，以此保證它們之間的相對運動的發(fā)生。它結構精簡，體積小，穩(wěn)定性高和緊密度高，如圖 42和圖 43 所示。相對于傳統(tǒng)驅動方案而方，該裝置具有顯著優(yōu)點，包括： 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 13 頁 共 46 頁 圖 42 前輪爆炸圖 ⑴ 電機直接驅動，同步輸出，無中間傳動環(huán)節(jié)，避免了傳動帶來的累計轉角誤差，定位準確。 ⑵ 無相對摩擦，減少不必要的磨損和功率損失。 ⑶ 嵌入式結構使電機和連接結構嵌入車輪，體積縮小、同樣的體積上可以選擇功率更大的電機，使用此裝置的機器人轉向速度快、力量大。 圖 43 前輪結構圖 ⑷ 嵌入輪內的短柱狀結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的細長輪軸，無需聯軸器，同時保護了電機，抗沖擊性好 。 ⑸ 該裝置采取模塊化設計，各元件連接好后成獨立模塊，接上機器人車體即實現驅動功能，移植性很強。 車輪的相關參數如表 41所示。 表 41 車輪相關參數 參數 數據 /mm 參數 數據 /mm 車輪最大外徑 70 腹板厚度 2 輪心孔直徑 4 腹板大孔直徑 10 車輪寬度 20 腹板小孔直徑 5 后輪驅動減速機構設計 在前面選電機部分，我們選擇的是直流電機作為后輪驅動電機，其轉速一般都較高，不能直接連接到車輪軸上，需要用減速箱來降速，同時提高了轉距。減速裝置的形式多 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 14 頁 共 46 頁 種 多樣，一般很難買到適合機器人使用的減速箱，所以只能自己設計減速裝置，選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。 齒輪傳動：工作可靠，使用壽命長；易于維護；瞬時傳動比為常數；傳動效率高； 結構緊湊；功率和速度使用范圍很廣。所以，本次設計選用齒輪作為減速機構的傳動件。 根據本設計中機器人的要求，輸出轉矩大傳動效率高噪音小等條件，我們采用兩 級齒輪傳動，減速比為 4:1。安裝主動齒輪的輸入軸與電機相聯的一端設計 D型孔，不是用聯軸器，降低了生產成本，使結構更簡單。既提高了精度又減輕了重量。輪 轂和二級傳動的被動齒輪安裝在同一根軸上，他們轉速相同。中間軸上安裝有大小兩個齒輪，它們的齒數比為 2： 1。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，屬于通用標準件，可以直接購買，使得加工工作量減小，同時也降低了生產成本。減速機構如圖 44 所示。 圖 44 減速機構結構圖 選用的齒參數如下： 第一級減速： i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm 第二級減速： i=2, m=1,z1=20,d1=20mm,z2=40,d2=40mm 減速機構的齒輪計算：（因為第一級減速和 第二級減速相同，所以只選擇一級作較核計算。） a．選擇齒輪齒數、材料及精度等級 ⑴ 玻璃清潔機器人為精密機器，要求運動精度高，故選用 5 級精度。 ⑵ 材料選擇?？紤]到清潔機器人傳遞的功率不大，所以齒輪采用軟齒面。由機械設計 191 頁表 101 選擇小齒輪為 40Cr 調質，齒面硬度為 280HBS。大齒輪選用 45鋼，調質，齒面硬度 240HBS，二者材料硬度相差為 40HBS。 ⑶ 選小齒輪齒數 z1=20,大齒輪齒數 z2=40,傳動比 i=2:1 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）說明書用紙 第 15 頁 共 46 頁 b．按齒面接觸疲勞強度設計 由 d1t≥ [(kT1(u177。 1)/ φ du（ ZE/ [σ H]) 2]1/3 (45) I、 確定公式內的各計算數值 ⑴ 試選載荷系數 Kt= ⑵ 計算小齒輪傳遞的轉矩。 T=106 P Ⅴ /n4=1 06 mm （ 46） ⑶ 由機械設計 205 頁表