【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 轉(zhuǎn)角信號(hào)同樣也輸出給單片機(jī)，由單片機(jī)完成信號(hào)的處理過(guò)程，可以說(shuō)全自動(dòng)吸塵器的控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的。 紅外傳感器超聲波傳感器接收端發(fā)射端單片機(jī)自帶電源發(fā)聲器驅(qū)動(dòng)器左步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器右步進(jìn)電機(jī)吸塵部件電子羅盤 （圖26控制系統(tǒng)原理圖 ）第3章 全自動(dòng)吸塵器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 全自動(dòng)吸塵器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸塵器的外殼起著支撐吸塵器各零部件并將它們與外界隔離的作用，這樣既能保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又能保證安全。由于全自動(dòng)吸塵器需要在地面自動(dòng)行走，因此他的結(jié)構(gòu)要保證行走的平穩(wěn)，可以采用臥式吸塵器的結(jié)構(gòu)來(lái)完成其機(jī)體的設(shè)計(jì)， 由圖31所示殼﹑后殼﹑上蓋等部分組成，均為塑料材料。前殼頭部為吸入口，后殼內(nèi)按裝吸塵部件，里面主要安裝電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)及一些功能性機(jī)構(gòu)；兩側(cè)可以用來(lái)安裝車輪，此外在后殼處有排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作。（圖31全自動(dòng)吸塵器外殼） 家用吸塵器的外殼不僅應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，還要有美觀的造型﹑重量輕﹑外表顏色光澤以及成本低廉，外客的造型設(shè)計(jì)必須適應(yīng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)需要。外殼一般用金屬材料沖制，或采用工程塑料，金屬材料有較高的強(qiáng)度，由于重量﹑絕緣材料性能查﹑制造工藝復(fù)雜成本高，因此，除了老式的吸塵器及工業(yè)吸塵器外，現(xiàn)代家用吸塵器很少采用。鑒于以上原因，全自動(dòng)吸塵器的外殼采用工程塑料為主體，可通過(guò)注塑成型，除了電動(dòng)風(fēng)機(jī)外，其它零件一般均可由工程塑料代替金屬材料，這不僅適合于大量生產(chǎn)，易于降低成本，而且重量可以減少到金屬外殼的1/3～1/4，絕緣性能也大為提高，還可以做成各種款式﹑顏色色澤鮮明的式樣。用于全自動(dòng)吸塵器外殼的工程塑料主要是PP和ABS，用于吸管的材料可以是聚丙烯等。全自動(dòng)吸塵器的殼體由于考慮到后面要安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)這使得它的后殼結(jié)構(gòu)與通常的臥室吸塵器有所不同， 如下圖 32表示的在全自動(dòng)吸塵器的后殼部位下面留有一定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝空間，同時(shí)便于驅(qū)動(dòng)輪的安裝，有利于整體結(jié)構(gòu)的布局。吸塵器前部吸塵器后部驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置吸塵器儲(chǔ)灰箱電動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝位置紅外線傳感 器 （圖32 全自動(dòng)吸塵器安裝簡(jiǎn)圖） 全自動(dòng)吸塵器吸塵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全自動(dòng)吸塵器的吸塵部位，主要由吸嘴﹑ 吸管﹑儲(chǔ)灰箱﹑電動(dòng)風(fēng)機(jī)等部位組成。從外界吸進(jìn)的灰塵和垃圾首先到達(dá)吸塵部，吸塵部的功能主要是使吸進(jìn)的高速氣流通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，濾出垃圾和灰塵。過(guò)濾網(wǎng)不僅僅能擋住較大顆粒的垃圾，而且能阻止細(xì)小的塵埃通過(guò)，性能好的過(guò)濾網(wǎng)，排出的灰塵在直徑5微米以下，此外，過(guò)濾網(wǎng)的透氣性好，能長(zhǎng)時(shí)間過(guò)濾而不被堵塞，使電機(jī)得到充分的冷卻，其基本結(jié)構(gòu)如圖 33所示，灰塵通過(guò)吸塵器的吸嘴進(jìn)入到吸塵器吸管，而后經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)的過(guò)濾，沉積在儲(chǔ)灰箱里，氣流由電動(dòng)風(fēng)機(jī)吸入口吸入，而后排出。 （圖33自動(dòng)吸塵器吸塵部位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖） 全自動(dòng)塵器的風(fēng)機(jī)采用車用吸塵器的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，其重量輕，吸塵功率能滿足家用的要求，其安裝通過(guò)吸塵器機(jī)殼的定位孔固定，由橡膠密封圈進(jìn)行密封，后面由風(fēng)機(jī)固定板進(jìn)行壓緊，在機(jī)殼的后面留有一些排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作，電動(dòng)風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)，因此，風(fēng)機(jī)固定板應(yīng)該用一些能夠減震的材料，向泡沫等，吸塵口應(yīng)該與風(fēng)機(jī)口對(duì)應(yīng)一條線，有利于風(fēng)機(jī)工作，從而更好的吸塵。風(fēng)機(jī)有密封罩，有封閉的電機(jī)罩降噪效果好。因?yàn)殡姍C(jī)產(chǎn)生的噪聲會(huì)很容易穿透吸塵器外殼，造成噪聲污染；全密封的電機(jī)罩還能保證電機(jī)產(chǎn)生的熱量不會(huì)影響到其他電器件，延長(zhǎng)整機(jī)的壽命。吸塵器的儲(chǔ)灰箱一般為2～3L ，其完全能夠滿足家用地面的清潔。 全自動(dòng)吸塵器行走部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 全自動(dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算全自動(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（如圖34）。 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) 。左側(cè)步進(jìn)電機(jī) 右側(cè)步進(jìn)電機(jī)自帶電源萬(wàn)向轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)輪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3m／min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，設(shè)計(jì)車輪的直徑為8cm, ( 圖 4轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖)則由公式（3—1）U=CN （3—1）式中 C—車輪的周長(zhǎng)（cm） N—車輪的轉(zhuǎn)速（r/min）N=U/C≈12r/min設(shè)計(jì)全自動(dòng)吸塵器的質(zhì)量在3Kg則。后車輪的的阻力矩由公式（3—2） T=mgfr （3—2）f—滾動(dòng)摩擦系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》（K/CM)T=34=T0=mgfr=3=T1= mgf1Rf1=,由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表119選取.T1=。根據(jù)供電電壓為12V選取步進(jìn)電極電機(jī),根據(jù)《小功率電機(jī)手冊(cè)》,選擇永磁式步進(jìn)電機(jī),其具體參數(shù)如下:表31。表格 31 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)型號(hào)相數(shù)額定電壓(V)電流（A）保持轉(zhuǎn)矩（mN/cm）步近角(176。)57BYG005412V176。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）軸的徑向尺寸的確定軸的徑向尺寸是在出算軸的直徑基礎(chǔ)上進(jìn)行的,軸徑的估算方法是按扭矩并降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法進(jìn)行的。 計(jì)算由公式（3—3）， d≥A (mm) （3—3）式中 P—為軸所傳地的功率（KW）N—為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速（r/min） A—為軸的許用應(yīng)力系數(shù)（其值可以查《機(jī)械設(shè)計(jì)》，在這里選取軸的材料為45號(hào)鋼，則A=108,由步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)由公式（3—4）可知；P=VI （3—4）=12=取轉(zhuǎn)速n=12r/min計(jì)算得d≥108≥軸的截面上有一個(gè)鍵槽，將直徑增大5﹪，得 d≥(1+5﹪) ≥ 取標(biāo)準(zhǔn)值 d=10mm ,即為軸直徑最小直徑。為了便于聯(lián)軸器的連接以及車輪的安裝，許用下述方按，如圖 35 在軸的左側(cè)需要連接聯(lián)軸器，以便于和步進(jìn)電機(jī)的軸相互連接，在軸的右側(cè)有鍵主要用來(lái)和車輪連接，在右側(cè) 同時(shí)加工螺紋，使車輪能夠沿軸向固定，在軸的中間留有軸間用來(lái)固定軸承，逐步選定軸的直徑為D=10mm軸間D=12mm,則根據(jù)軸的直徑來(lái)選擇軸承和聯(lián)軸器等,由于軸的直徑較小現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器很難滿足設(shè)計(jì)的要求,因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)聯(lián)軸器,選用鋼管加工滿足要求的孔而后加工兩個(gè)徑向螺紋孔,用螺釘將電機(jī)軸與轉(zhuǎn)軸相連接,軸上面的平臺(tái)可以通過(guò)磨削的方式實(shí)現(xiàn),滾動(dòng)軸承的選取根據(jù)《軸承手冊(cè)》選用深溝球軸承,軸承的型號(hào)61800,其基本尺寸BDd=51910. （圖5 軸的裝配簡(jiǎn)圖）通過(guò)中間的軸進(jìn)行定位,選擇軸承蓋將軸承固定,(根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》) 鍵46 軸的強(qiáng)度校核通過(guò)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上的零件位置以及外載荷和支反力的作用位置均以確定，軸上的載荷已可以求得，因而，可以按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，其計(jì)算步驟如下：(1)做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 軸所受的載荷從零件傳來(lái)，計(jì)算時(shí)，將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布的中點(diǎn)，作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)輪轂寬度的中點(diǎn)算起，通常把軸作為鏈鉸接支座的梁，支持反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布局方式有關(guān)。(如圖36)Ft驅(qū)動(dòng)器TFaFr左步進(jìn)電機(jī)TFr(圖36 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖)(2)做出彎矩圖根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別按水平面和垂直面計(jì)算做出各力產(chǎn)生的彎矩，并按照計(jì)算結(jié)果分別做出水平面上的彎矩Mh圖和垂直面上的彎矩Mv圖，然后由公式（3—5）進(jìn)計(jì)算總彎矩M。（如圖37）M= （3—5） =75Nm 75 M （圖37彎矩圖）（3）做出扭矩圖（如圖38） T=p/n =77Nm 77 T （圖38扭矩圖）（4）做出計(jì)算彎矩 （3—6） = （3—6） = = Nm 式中，a—是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生的循環(huán)特性差異系數(shù),扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變換取 =（5）校合軸的強(qiáng)度已知軸的計(jì)算彎矩后，對(duì)危險(xiǎn)截面作強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算彎曲應(yīng)力由公式（3—7） （ Mpa） （3—7） =＜59MPa 式中 W—軸的抗彎截面系數(shù)[]軸的許用彎曲應(yīng)力（Mpa），45調(diào)質(zhì)處理經(jīng)，取59Mpa經(jīng)計(jì)算滿足要求，設(shè)計(jì)軸符合調(diào)節(jié)。第4章 電源及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 供電電源的設(shè)計(jì)全自動(dòng)吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般拖線方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池。這樣不但可實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制，而且工作時(shí)較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。移動(dòng)電源在全自動(dòng)吸塵機(jī)器中的地位十分重要,可以說(shuō)它是吸塵機(jī)器人的“生命源”，移動(dòng)電源需同時(shí)為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓,為吸塵操作模塊及傳感觀測(cè)模塊提供能源等，在這一領(lǐng)域,一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源,如鉛酸電池等。理想的電源在放電過(guò)程中應(yīng)該能夠具備:保持恒定的電壓。內(nèi)阻小以便快速放電。可充電。成本低等特點(diǎn)。但實(shí)際上沒有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)，由于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人要求具有體積小!自重輕等特點(diǎn),所以電源的體積重量也是一個(gè)重要的考慮因素,這就要求選擇一種體積小、容量大、可重復(fù)使用性高的電池,盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間，除了為吸塵器運(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)。蓄電池安裝時(shí)（AH）表示容量，在規(guī)定溫度下，放電充電和通常電源條件下，完全充電的電池所能輸出的標(biāo)準(zhǔn)電量，如1000MAH表示電池在1000MA放電電流的條件下，具有的連續(xù)工作1小時(shí)的能力。質(zhì)量效率是衡量蓄電池能量密度的指標(biāo)，表示蓄電池單位質(zhì)量的輸出效率，質(zhì)量效率的單位為AH/KG 。機(jī)器人使用蓄電池雖然摔掉了電纜卻有增加了負(fù)載和，和體積，因此追求質(zhì)量效率有實(shí)際意義。普通蓄電池的質(zhì)量效率不高，在30～36AH/KG。新型蓄電池的質(zhì)量效率在60～100AH/KG。全自動(dòng)吸塵器選用24V，10AH的蓄電池，也