一、設(shè)計題目：自動刷墻裝置系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計的主要內(nèi)容本科畢業(yè)設(shè)計第1章緒論1.1畢業(yè)設(shè)計背景畢業(yè)設(shè)計題目：自動刷墻裝置的系統(tǒng)設(shè)計本畢業(yè)設(shè)計題目涉及建筑、裝飾領(lǐng)域。目前市場上的墻壁粉刷工作，大部分都由人工操作完成。由于人工粉刷受環(huán)境以及時間的限制，不僅成本高，效率低，粉刷涂料還會對人體造成一定的傷害，且不能保證墻壁粉刷的平整度。所以本設(shè)計為一種自動刷墻裝置的系統(tǒng)設(shè)計，能夠代替人工完成墻壁粉刷工作，提高效率，降低成本，減少粉刷涂料對人體的傷害。1.2綜述1.2.1基本情況1.自動刷墻裝置的地面運動主體當前市場上，墻壁粉刷工作除人工作業(yè)外，也有著自動刷墻裝置。自動刷墻裝置的地面運動主體一般有履帶式行走裝置、輪式行走裝置和腿式行走裝置。履帶式行走裝置履帶式行走裝置主要由“四輪一帶”和驅(qū)動馬達，履帶張緊裝置和履帶架組成。“四輪一帶”分別為：托鏈輪、驅(qū)動輪、引導(dǎo)輪、支重輪和履帶。履帶式行走裝置重心低，附著系數(shù)大，同時還具有良好的抵抗翻傾能力和坡地穩(wěn)定性，履帶式行走裝置還具有很強的機動性，爬坡能力強的越野性，對于環(huán)境惡劣的地面，有著更好的適應(yīng)性，尤其是配裝橡膠履帶后，可以進行全地形的作業(yè)。圖1履帶式行走裝置輪式行走裝置輪式行走裝置是一種最為普遍的行走裝置。其主要由車輪，驅(qū)動馬達和裝置主體構(gòu)成。輪式行走裝置具有行駛阻力小，行駛效率高，速度快，機動性好的優(yōu)點輪式行走裝置工作可靠性高，壽命長，噪聲小。此外，輪式行走裝置通用程度極高，生產(chǎn)成本低，維護和管理相對較為方便。圖2輪式行走裝置腿式行走裝置腿式行走裝置是一種模擬雙腿運動的行走裝置，一般分為雙足、四足、六足和多足行走裝置。腿式行走裝置與其它傳統(tǒng)行走裝置相比，能夠適應(yīng)更大范圍的區(qū)域。腿式行走裝置可以模擬動物的腿，在崎嶇、多障礙的地形提供更好的移動性。機械腿可以使用支撐和牽引力分離的立足點進行移動，避免了傳統(tǒng)行走裝置所必須的連續(xù)支撐路徑。另外，腿式行走裝置具有主動懸架，使其主體的路徑與腿的路徑能夠分離，在面對地形的明顯變化時，仍可有效的平穩(wěn)前進。圖3腿式行走裝置2.自動刷墻裝置的墻面運動機構(gòu)自動刷墻裝置的墻面運動機構(gòu)主要分為伸縮連桿機構(gòu)、臂架伸縮機構(gòu)和機械臂。伸縮連桿機構(gòu)伸縮連桿機構(gòu)是由若干相對運動的構(gòu)件以低副連接組成的機構(gòu)。由于機構(gòu)中的多數(shù)構(gòu)件呈桿狀，所以常稱桿狀構(gòu)件為桿。低副之間的連接關(guān)系是面接觸，其具有耐磨損的優(yōu)點。由于轉(zhuǎn)動副和移動副的接觸表面是圓柱面和平面，所以伸縮連桿機構(gòu)擁有制造簡便，成產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，易于獲得較高的制造精度。圖4伸縮連桿機構(gòu)臂架伸縮機構(gòu)臂架伸縮機構(gòu)一般具有三節(jié)或三節(jié)以上的節(jié)臂，各節(jié)臂的伸縮方式一般有三種，分別為：順序伸縮、同步伸縮和獨立伸縮。臂架伸縮機構(gòu)的驅(qū)動形式一般分為機械式和液壓式。機械式驅(qū)動裝置構(gòu)造相對簡單，一般只能在吊鉤空負荷時的情況下，使用機械式驅(qū)動黨的臂架伸縮機構(gòu)。液壓式驅(qū)動是臂架伸縮機構(gòu)的主要驅(qū)動形式，臂架伸縮機構(gòu)通過液壓控制，可以實現(xiàn)臂架的各種伸縮方式。圖5臂架伸縮機構(gòu)機械臂機械臂是當今智能制造領(lǐng)域中，實際應(yīng)用最廣泛的一種自動化機械裝置，在工業(yè)制造、娛樂服務(wù)、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、軍事和太空探索等領(lǐng)域都應(yīng)用得十分廣泛。雖然各類機械臂的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造都大不相同，但是它們都有一個共同的特點，那就是能夠接收指令，精確地定位到三維空間上的某一點，然后進行作業(yè)。機械臂擁有承載能力大、強度高的優(yōu)點，機械臂的研究一直致力于模仿我們?nèi)说氖直圻\動，故其運動靈活，可靠性高，安全系數(shù)高、且具有較高的定位精度。圖6機械臂1.2.2設(shè)計方法1.計算機輔助設(shè)計（CAD、Sliodworks）2.類比設(shè)計3.組合設(shè)計1.2.3相關(guān)裝置結(jié)構(gòu)本設(shè)計所設(shè)計的自動刷墻裝置，包括地面運動機構(gòu)、墻面運動機構(gòu)、噴刷機構(gòu)以及智能控制部分。地面運動機構(gòu)上安裝有障礙物感應(yīng)器，墻面運動機構(gòu)安裝在地面運動機構(gòu)上。墻面運動機構(gòu)上接噴刷機構(gòu)。噴刷機構(gòu)上裝有障礙物感應(yīng)器，判斷墻頂距離。智能控制部分負責地面運動機構(gòu)和墻面運動機構(gòu)的移動控制。1.2.4技術(shù)特點本設(shè)計的自動刷墻裝置由地面運動裝置，墻面運動裝置，噴刷裝置和智能控制部分組成。地面運動裝置可以靈活地在地面上進行運動，替代了人力行走。相對于墻壁粉刷人工作業(yè)而言，地面運動裝置可以高速高效地完成墻面粉刷時的移動工作。墻面運動裝置可以靈活地在墻面上進行運動，面對較高墻體時，通過調(diào)節(jié)該裝置的行程，能夠比人工更輕松的完成墻壁粉刷，達到作業(yè)要求。1.2.5市場分析現(xiàn)階段，市場上的墻壁粉刷工作，仍以人工墻壁粉刷作業(yè)為主。人工作業(yè)，無法適應(yīng)高強度、高精度、長時間的粉刷工作，且粉刷涂料對人體有一定程度的傷害。自動刷墻裝置，不受環(huán)境的局限，可以完全代替人工進行作業(yè)，不僅提高了墻壁粉刷的效率，還能保證墻面粉刷的平整度，也避免了粉刷涂料對人體所造成的傷害。所以，自動刷墻裝置市場前景廣闊，極大地提高了墻壁粉刷的效率，降低了人工成本，具有極高的經(jīng)濟效益。1.3結(jié)論通過調(diào)研可知，本畢業(yè)設(shè)計選題可行。采用自動刷墻裝置代替人工作業(yè)，能夠提高效率、降低成本，更具可靠性和安全性。地面運動裝置不受地形和環(huán)境的限制，可以代替人工實現(xiàn)各種強度的作業(yè)。墻面運動裝置擁有更大的行程和自由度，不受墻體高度限制，能夠無死角的進行墻壁粉刷。隨著自動化的不斷普及，自自動化裝置將在人們的日常生產(chǎn)生活中扮演著越來越重要的角色。所以，自動刷墻裝置在未來會有廣闊的適用空間。第2章方案設(shè)計及可行性論證2.1設(shè)計目的隨著自動化設(shè)備的不斷發(fā)展，自動化設(shè)備已經(jīng)在人類日常生產(chǎn)生活中扮演者越來越重要的角色。在墻壁粉刷作業(yè)中，自動刷墻裝置已經(jīng)逐漸取代人工墻壁粉刷作業(yè)，目前市面上的自動刷墻裝置多數(shù)為半自動化，需要人工給料，效率低下，且不能很好地保證墻面平衡度。所以本設(shè)計為一種自動刷墻裝置，可以很好的完成墻壁粉刷的作業(yè)需求。2.2方案論證本設(shè)計主要從自動刷墻裝置的地面運動主體的選擇，主控制器的選擇，墻面運動機構(gòu)的選擇，升降機構(gòu)的選擇和噴刷機構(gòu)的選擇進行論證。2.2.1地面運動主體的方案論證自動刷墻裝置的地面運動主體有多種，現(xiàn)主要討論四輪式運動、履帶式運動、腿式運動這三種地面運動方式。方案一：四輪式運動裝置在裝置前端板安裝超聲波傳感器，平臺主體采用重量輕、強度高、不變形的硬質(zhì)鋁合金材料。平臺動力輸出類型為四輪式驅(qū)動，小車兩個后輪安裝有安裝有直流電機，能夠使機器人輕松地完成避障測試。利用電機的轉(zhuǎn)速差完成小車的各項控制動作。減速電機扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速，符合自動刷墻裝置地面運動主體的各項要求。該裝置輪胎采用優(yōu)質(zhì)彈性橡膠，具有減震、耐磨、抓地力強等優(yōu)點，能完美地適應(yīng)光滑路面和崎嶇路面。圖7四輪式運動裝置結(jié)構(gòu)簡圖方案二：履帶式運動裝置履帶式運動裝置采用履帶式結(jié)構(gòu)，上架壓克力材料板用于固定控制板，整體采用塑料制材料加工。下層基板安裝雙H橋直流電機驅(qū)動板、激光傳感器。履帶式運動裝置具有重心低，附著系數(shù)大，有良好的抵抗翻傾和下滑的坡地穩(wěn)定性的優(yōu)點，同時還具有轉(zhuǎn)彎半徑小的機動性，爬坡能力強的越野性，對于環(huán)境惡劣的地面，有著更好的適應(yīng)性。圖8履帶式運動裝置結(jié)構(gòu)簡圖方案三：腿式運動裝置腿式運動裝置采用六腿式結(jié)構(gòu)，在六腿式運動裝置的每個腿上有安裝直流電機和超聲波傳感器。六腿式運動裝置有著強大的越障能力，可以適應(yīng)各種地形，有著良好的自由度，動作自如、靈活、穩(wěn)定。圖9六腿式運動裝置結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)論：墻壁粉刷作業(yè)，一般都為在平整地面的作業(yè)，且在人工干預(yù)的情況下，基本不存在有障礙物的情況。四輪式運動裝置與履帶式運動裝置和腿式運動裝置相比，操作更加靈活簡便，且成本相對較低。四輪式運動裝置使用的硬質(zhì)鋁合金材料更輕便，更結(jié)實耐撞。綜合以上分析，自動刷墻裝置的地面運動主體選用四輪式運動裝置。2.2.2主控制器的方案論證自動刷墻裝置的主控制器有多種選擇，現(xiàn)以PLC控制器和單片機控制器這兩種主控制器進行方案論證方案一：PLC控制器可編程邏輯控制器（簡稱PLC），是一種數(shù)字電子設(shè)備，其具有微處理機，可編程邏輯控制器是一種自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，它可以將控制指令隨時加載內(nèi)存內(nèi)存儲與執(zhí)行。PLC控制器綜合了計算機靈活方便和快速運算的優(yōu)點。PLC控制器具有體積小、功能強、抗干擾能力強、程序設(shè)計簡單等優(yōu)點。方案二：單片機單片機是指集成在芯片上的一個完整的計算機系統(tǒng)，單片機屬于一種集成電路芯片，單片機是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到一塊芯片上構(gòu)成一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。結(jié)論：PLC控制器使用時靈活方便，具有快速運算的優(yōu)點。PLC控制器具有體積小、功能強、抗干擾能力強、程序設(shè)計簡單等優(yōu)點。故選用PLC控制器作為主控制器2.2.3墻面移動機構(gòu)的方案論證自動刷墻裝置的墻面移動機構(gòu)是為配合噴涂機構(gòu)在水平的墻面上完成移動工作，墻面移動機構(gòu)有多種，現(xiàn)主要討論伸縮連桿機構(gòu)，臂架伸縮機構(gòu)，和可移動機械臂進行方案論證。方案一：伸縮連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)是使用最廣泛也是最基本的一種形式，是若干相對運動的構(gòu)件用低副聯(lián)接組成的機構(gòu)。一般為多組剪刀式的連桿，呈上下堆疊布置，并且上下相鄰的兩組剪刀式的連桿彼此鉸接，由控制裝置進行控制升降。所述連桿機構(gòu)有兩個，兩個伸縮連桿機構(gòu)沿靠墻側(cè)和靠墻側(cè)對側(cè)間的中心連線方向并排布置，兩個伸縮連桿機構(gòu)之間通過若干橫桿連接。圖10伸縮連桿機構(gòu)機構(gòu)簡圖方案二：可移動機械臂可移動機械臂是一個高精度、具有多個輸入輸出、強耦合的一個復(fù)雜系統(tǒng)?？梢苿訖C械臂可以通過計算機建模，規(guī)劃機械臂關(guān)節(jié)空間的運動軌跡。可移動機械臂的機動性和靈活性都極高，可以通過編程來控制可移動機械臂來完成各種預(yù)期的作業(yè)，它的構(gòu)造和性能上兼有人和機械手的優(yōu)點。圖11可移動機械臂機構(gòu)簡圖結(jié)論：自動刷墻裝置的墻面移動機構(gòu)主要是為了配合噴涂機構(gòu)，在水平墻面上進行位移。水平墻面上的粉刷工作不屬于高精度的作業(yè)，不適合采用成本昂貴的可移動機械臂。伸縮連桿機構(gòu)具有靈活性好，操作便捷易于控制，成本低的特點，十分適合作為自動刷墻裝置的墻面移動機構(gòu)。綜合以上分析，采用伸縮連桿機構(gòu)作為自動刷墻裝置的墻面移動機構(gòu)。2.2.4舉升系統(tǒng)的方案論證控制伸縮連桿升降的升降系統(tǒng)多種多樣，現(xiàn)主要討論氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和導(dǎo)軌滑塊這三種方式。方案一：氣動系統(tǒng)氣動系統(tǒng)是利用撞擊作用，利用產(chǎn)生的氣壓使運動部件運動或做功，它是以壓縮空氣來作動力源，帶動運動部件完成伸縮動作。氣動系統(tǒng)利用空氣具有壓縮性的特點，吸入空氣并進行壓縮和儲存，然后用控制元件控制其方向，帶動運動部件完成伸縮。氣動裝置控制動作迅捷、方便，使用的元件和工作介質(zhì)的成本價格低廉，但是氣動裝置運動不平穩(wěn)，有噪音[5]。方案二：液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的工作原理是通過改變壓強來增大作用力，液壓系統(tǒng)一般由五部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)[5]。動力元件即液壓泵，其職能是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力動能，是系統(tǒng)的動力源[5]。執(zhí)行元件指液壓缸或液壓馬達，其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能對外做功[5]。控制元件則是各種閥門，利用這些元件可以控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液體的壓力、流量和方向等[5]。輔助元件包括油箱、濾油器、管路及接頭、冷卻器、壓力表等。工作介質(zhì)是指傳動液體，通常稱為液壓油。液壓系統(tǒng)重量輕，體積小，運動慣性小，反應(yīng)速度快，操作控制方便，可實現(xiàn)大范圍的無極調(diào)速[5]。但是液壓系統(tǒng)由于液體流動的阻力和泄露較大，所以效率較低，還容易造成污染。液壓元件制造精度要求較高，因而成本較高[5]。方案三：導(dǎo)軌滑塊導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)是由鋼珠在滑塊和導(dǎo)軌之間無限滾動循環(huán)，從而使負載平臺沿著導(dǎo)軌輕易的進行高精度線性運動，并將摩擦系數(shù)降至傳統(tǒng)滑動的五十分之一，可以輕易的達到很高的定位精度[5]。使用絲杠螺母機構(gòu)與導(dǎo)軌滑塊連接，將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為滑塊的線性運動。導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的工作精度和效率很高，噪音小，防塵密封能力強，安裝方便，互換容易且成本較低。結(jié)論：導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)與氣動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)相比，具有噪音小，密封能力好的優(yōu)點，且具有很高的工作效率，成本也相對較低[5]。導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的工作精度完全可以滿足墻壁粉刷的精度需求，所以控制伸縮連桿升降的升降裝置選擇導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)[5]。2.2.5噴刷裝置的方案論證噴刷裝置的噴料裝置采用若干個噴頭，現(xiàn)主要討論刷料裝置，圍繞刷子和滾筒這兩種裝置進行方案論證。方案一：刷子刷子刷料是一種古老而又被普遍采用的一種施工方法。刷子刷漆易于修補細節(jié)，對涂料的損耗也較少，涂料可以依靠涂刷的外力，可以更好的滲透到墻面內(nèi)，增加了涂料對墻面的附著力[15]。但是，使用刷子單次涂刷面積較少，工作效率低，且容易產(chǎn)生刷痕，流掛，刷涂不均勻等缺陷[15]。方案二：滾筒滾筒厚度均勻，覆蓋性好，還可以制作各種花紋圖案。滾筒粉刷面積大，范圍廣，工作效率高。滾筒可以設(shè)計紋理，制作各種花紋圖案，美觀度高，靈活性較強[15]。結(jié)論：滾筒與刷子相比，粉刷面積更大，范圍更廣，效率更高。由于現(xiàn)在越來越多的墻壁粉刷要求藝術(shù)性和美觀性，滾筒獨特的花紋圖案更能適應(yīng)當前市場的墻壁粉刷需求，所以噴刷裝置選擇涂料噴頭和滾筒裝置。2.3最終設(shè)計方案綜上所述，自動刷墻裝置的地面運動主體采用四輪式小車，障礙物感應(yīng)器采用超聲波傳感器，墻面移動機構(gòu)采用伸縮連桿機構(gòu)，主控制器選用PLC控制器，驅(qū)動電機為直流電機。該自動刷墻裝置的四輪式小車，在其靠墻側(cè)和靠墻兩端相鄰側(cè)均安裝有超聲波傳感器，后兩個車輪安裝有直流電機，電機與PLC系統(tǒng)連接。伸縮連桿機構(gòu)和導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)均安裝在四輪式小車上，所述連桿機構(gòu)有兩個，兩個伸縮連桿機構(gòu)沿靠墻側(cè)和靠墻側(cè)對側(cè)間的中心連線方向并排布置，兩個伸縮連桿機構(gòu)之間通過若干橫桿連接，兩個伸縮連桿機構(gòu)均由控制裝置控制升降，控制裝置包括導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)，絲杠螺母機構(gòu)和驅(qū)動電機。導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的導(dǎo)軌豎向布置在兩個伸縮連桿機構(gòu)旁且安裝在四輪式小車上，絲杠螺母機構(gòu)的螺母固定在導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的滑塊上并且導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的滑塊與接近伸縮連桿機構(gòu)下端的橫桿固定連接，驅(qū)動電機與PLC系統(tǒng)連接。噴刷機構(gòu)包括抽料泵、機架、滾筒和噴頭，滾筒和噴頭安裝在機架上，滾筒位于噴頭兩側(cè)，抽料泵放置于四輪式小車上。車體；2-蓄電池；3-導(dǎo)軌滑塊；4-滾珠絲杠；5-伸縮連桿；6-噴頭；7-滾筒圖12自動刷墻裝置結(jié)構(gòu)圖2.4結(jié)論本章用過對自動刷墻裝置的地面運動主體、主控制器、墻面移動機構(gòu)、升降機構(gòu)和噴涂機構(gòu)的不同方案進行對比分析，確定了最終的設(shè)計方案。四輪式小車操作靈活簡便，轉(zhuǎn)向性好，成本低；PLC控制器快捷方便，可靠性好，抗干擾能力強；伸縮連桿機構(gòu)靈活性好，操作簡單，價格低廉，實用性強；導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)效率高，噪音小，成本低；滾筒粉刷面積大，范圍廣，可以設(shè)計獨特花紋，所以該自動刷墻裝置可以滿足目前市場上的墻壁粉刷工作。第3章設(shè)計計算3.1計算基礎(chǔ)參數(shù)所粉刷墻壁面積：10000×2800mm定位精度：1mm滾珠絲杠長度：3000mm該自動刷墻裝置適用于普通住宅室內(nèi)（墻高2.8m）的墻壁粉刷，粉刷環(huán)境應(yīng)保證墻面平整，地面平坦無障礙物。3.2整體結(jié)構(gòu)與計算順序的確定本設(shè)計所設(shè)計的自動刷墻裝置主要由滾珠絲杠、導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)，驅(qū)動電機，伸縮連桿裝置，四輪式小車，滾筒等組成。計算順序采取由上至下的分布方式，先對滾珠絲杠、導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)和其驅(qū)動電機部分進行設(shè)計、選型和計算，其次是對四輪式小車和其驅(qū)動電機部分進行設(shè)計、選型和計算。3.3滾珠絲杠副的選擇滾珠絲杠副是由絲杠、絲杠螺母與滾珠共同組成的一個機構(gòu)。它的主要作用是把直線運動與旋轉(zhuǎn)運動進行互相變換。絲杠和螺母之間通過滾珠滾動來相互運動，絲杠轉(zhuǎn)動時就能帶動滾珠運動。滾珠絲杠豎直安裝，并且承載絲杠副以及元件的重量。已知縱向最大行程為3000mm，快速進給速度為6m/min。估算絲杠副加元件總重量為5kg。3.3.1選定絲桿精度設(shè)計要求的精度為，換算為3000mm時的允許誤差為所以，為了滿足設(shè)計要求的定位精度，我們只能選擇誤差低于的導(dǎo)程精度，查閱機械設(shè)計手冊可得，選擇標準公差等級8級，能夠滿足精度要求。3.3.2導(dǎo)程確定電機與絲桿軸之間通過聯(lián)軸器相連接，所以其傳動比i=1,選擇步進電機的最高轉(zhuǎn)速，絲杠的導(dǎo)程為取。3.3.3確定絲桿的公稱直徑查閱機械設(shè)計手冊可知，導(dǎo)程為4mm的絲桿公稱直徑，選擇。3.3.4確定絲桿等效軸向負載根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，因為絲杠為垂直安裝，軸向最大負載為加速向上運動，加速時間為，計算該情況下的最大軸向載荷。加速度為式中——絲桿快速進給速度6m/min，換算得=0.1m/s最大軸向載荷為3.3.5確定絲桿等效轉(zhuǎn)速基本公式為式中v——絲杠快速進給速度，6m/min——絲杠導(dǎo)程，4mm進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速，即3.3.6確定絲桿最大動載荷式中——載荷性質(zhì)系數(shù)，（查資料，取=1.0）；——精度系數(shù)（查資料，取=1）；——可靠性系數(shù)（查資料取=1）；——等效負載，54N；——等效轉(zhuǎn)速，1500r/min；——工作壽命，取絲桿的工作壽命為20000h。由上式計算得=752N3.3.7估算滾珠絲杠的底徑式中a——支承方式系數(shù)，一端游動而另一端固定時為0.078；——導(dǎo)軌靜摩擦力，N；L——滾珠絲杠兩邊軸承支撐點之間的距離，L=3000mm。得。3.3.8選擇滾珠絲桿型號計算得出Ca=Car=752N，則=(2~3)Fm=（1503.88~2255.85）N，公稱直徑=16mm。選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動式返向器，雙螺母墊片進行預(yù)緊的滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD1604—3。表3-1滾珠絲杠參數(shù)規(guī)格代號公稱直徑公稱導(dǎo)程絲桿外徑鋼球直徑絲桿底徑FZZD-1604-316415.32.38114.843.3.9計算預(yù)緊力式中——等效載荷，54N；計算得N。3.3.10滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性驗算因為絲桿的支撐方式對剛度的影響很大，本次設(shè)計采用一端游走而一端固定的方式。臨界壓縮負荷按下列計算：式中——臨界壓縮載荷，N；——安全系數(shù)，垂直時安裝取1/2；——支承系數(shù)，查資料，取K2=0.25；——絲杠最大受壓長度，兩端固定取=；——滾珠絲杠副能承受最大的軸向壓縮載荷，54N。計算得1427.1kN。可見臨界壓縮負荷滿足要求。3.3.11絲桿軸拉壓強度驗算式中——絲杠軸許用拉壓應(yīng)力。計算得出遠大于。3.3.12電機的選擇選擇混合式剎車步進電機，由于絲杠不能自鎖，所以必須選擇混合式剎車式步進電機，使?jié)L珠絲杠可以再固定位置停止。3.3.13電機軸的轉(zhuǎn)動慣量軸向運動件的轉(zhuǎn)動慣量為式中d——直徑,絲桿外徑d=15.3mm。經(jīng)計算得。聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量查閱機械設(shè)計手冊可知，。因此。3.3.14電機扭矩計算折算至電機軸上的最大加速力矩為式中=3000r/min，=0.00095；——加速時間。經(jīng)計算得。折算至電機軸上的摩擦力矩為式中——導(dǎo)軌摩擦力，=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.003，=Mgf=0.147N；P——絲桿螺距P=0.004m；η——傳動效率，η=0.90；I——傳動比，I=1。經(jīng)計算得。折算到電機軸上，由絲桿預(yù)緊力所引起的摩擦力矩為式中——滾珠絲桿預(yù)加載荷；——滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率為0.9。經(jīng)計算得=0.0002N·m。所以空載快速啟動時所需要的最大扭矩為根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇FL86BYG65混合式剎車步進電動機，其額定轉(zhuǎn)矩為3.5。表3-2混合式剎車步進電機參數(shù)表型號步距角最大靜扭矩（N·m）額定相電流（A）長度（mm）轉(zhuǎn)動慣量(g·cm2)重量（kg）FL86BYG651.83.546510001.7圖13混合式剎車步進電機示意圖3.4軸承的選型及計算3.4.1軸承的選取選用704C型角接觸球軸承，采用油潤滑。3.4.2軸承壽命的校核計算滾動軸承壽命的校核條件為式中——軸承的基本額定動載荷，C=5.42kN；——軸承所受的載荷，P=54N；——軸承的轉(zhuǎn)速，單位為r/min，n=1500r/min；——軸承預(yù)期計算壽命，單位為h，=15000h；——壽命指數(shù)，對于球軸承。得N=1.98kN本設(shè)計所選用的軸承基本額定動載荷是5.42kN，因而滿足使用要求。3.5鍵的選用3.5.1鍵聯(lián)接的分類本設(shè)計中的鍵全部選用圓頭普通平鍵?；境叽缛缦拢?×5×15mm5×5×11mm3.5.2鍵聯(lián)接的強度計算平鍵聯(lián)接的強度計算公式為：式中——傳遞的轉(zhuǎn)矩，T=2.98N·m；——鍵和輪轂鍵槽接觸的高度，單位mm，k=1.5h=6mm，h是鍵的高度；——鍵工作的長度，單位mm，圓頭平鍵=8mm，是鍵的公稱長度，是鍵的寬度；——軸的直徑，d=12mm；——鍵材料的許用擠壓應(yīng)力，單位Mpa，Mpa。得=10.34MPa所以，本設(shè)計中的鍵滿足強度要求。3.6聯(lián)軸器的選型及計算聯(lián)軸器是根據(jù)負荷情況、計算轉(zhuǎn)矩、軸端直徑、工作轉(zhuǎn)速來選擇的。計算轉(zhuǎn)矩由下式求出：式中：——公稱轉(zhuǎn)矩，；——計算轉(zhuǎn)矩，；——理論轉(zhuǎn)矩，；——驅(qū)動功率，即電動機額定功率，，；——工作轉(zhuǎn)速，即電機輸出轉(zhuǎn)速，，；——工況系數(shù)，。代入數(shù)據(jù)：查閱機械設(shè)計手冊，選取ZL型彈性柱銷齒式聯(lián)軸器。，其基本參數(shù)和主要尺寸如表3-3所示：表3-3ZL型彈性柱銷齒式聯(lián)軸器基本參數(shù)和主要尺寸型號公稱扭矩許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑軸孔長度主要尺寸轉(zhuǎn)動慣量質(zhì)量6304000286244118656930.0095.5923.7導(dǎo)軌的選型及計算因為導(dǎo)軌垂直安裝，無特殊設(shè)計要求，初選GB/T-20標準型滾動直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌滑塊：長150mm，寬50mm，高50mm3.8滾筒的選型及計算滾筒材料選擇易吸附、可設(shè)計紋理的毛氈材料。滾筒形狀為圓柱形，設(shè)計滾筒高度H=200mm，底徑r=5mm，總重2kg。3.9車體的選型及計算3.9.1車體的設(shè)計根據(jù)實際情況考慮，設(shè)計車身長度為1m，寬度為0.5m，高度為0.2m，重量為40kg。3.9.2輪胎的設(shè)計根據(jù)設(shè)計小車的車輪所受壓力，是小車在托運負載時的摩擦阻力。V是小車的速度，因為小車的自重是40Kg，額定載荷200Kg，，又因為小車采用四個輪子驅(qū)動，最少三個輪子著地，所以S是安全系數(shù)，這里取S=3。式中——為小車的自重和額定載荷之和，240kg；K——安全系數(shù)，取3；計算得，故選用車輪直徑D=160mm，車輪寬度l=44mm，輪轂厚度L=35mm，承載等級選用C級，支耳式孔徑d=44mm，額定載荷為4000N。表3-4小車尺寸參數(shù)表車身長度（mm）車身寬度（mm）車身高度（mm）車輪直徑（mm）車輪寬度（mm）輪轂厚度（mm）重量（kg）10005002001604435403.9.3電機的選型由于直流無刷待機的特點：1、體積小、重量輕、出力大；2、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小；3、無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強；4、軟啟軟停、制動特性好，可省去原有的機械制動或電磁制動裝置；5、效率高，電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗，消除了多級減速耗，綜合節(jié)電率可達20%~60%。6、可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強，維修與保養(yǎng)簡單；7、耐顛簸震動，噪音低，震動小，運轉(zhuǎn)平滑，壽命長；8、不產(chǎn)生火花，特別適合爆炸性場所，有防爆型；而小車在運動行駛方便需要可靠性，穩(wěn)定性較好，所以選擇直流無刷電機作為小車的驅(qū)動裝置。運動參數(shù)：由設(shè)計要求的參數(shù)可知自動導(dǎo)引車的最大行走的速度為0.5m/s。已知小車輪子的直徑為160mm，可以得到自動導(dǎo)引車的行進時的最大轉(zhuǎn)速n，式中v——小車的速度，0.5m/s；d——車輪的直徑，160mm；計算得，n=59.7r/min在行進中主要受到滾動摩擦力的作用：由于小車自重40kg，估算小車所受負載為200kg。查閱資料可知，，橡膠輪胎在混凝土和瀝青路面上的滾動摩擦系數(shù)根據(jù)車輪的磨損情況不同而介于0.010-0.022之間，此處取滾動摩擦系數(shù)為0.020。表3-5車輪和路面摩擦系數(shù)路面滾動摩擦系數(shù)滑動摩擦系數(shù)新的舊的新的舊的混凝土0.0100.02010.6瀝青0.0120.0220.90.6則在正常行駛中所受到的阻力為：式中μ——滾動摩擦系數(shù)，0.020——小車的壓力，=2400N；計算得，=48N由于摩擦力產(chǎn)生的力矩：式中d——小車車輪直徑，160mm；——小車正常行駛中所受到的阻力，48N；計算得，小車克服滾動摩擦力做功的功率：式中——小車的轉(zhuǎn)速，59.7r/min；——摩擦力產(chǎn)生的力矩，3.84。計算得=3.84，n=59.7r/min，=240W啟動時的能夠啟動所需的最小轉(zhuǎn)矩，設(shè)定小車經(jīng)過位移S=1.0m=1m/s；由靜止開始加速，=0，則小車的加速度a為：此時的靜摩擦力提供動力加速阻力：式中——小車總質(zhì)量，kg；——小車的加速度，。M=40kg，=0.5，=120N在保證不打滑情況下，車輪能提供的最大靜摩擦力為：式中——小車總質(zhì)量，kg。因此滿足車輪不打滑的條件。啟動時的力矩：式中——小車靜摩擦力，N；d——小車車輪直徑，mm。解得啟動時所需要的最大功率：式中——滾動軸承的效率，，取——聯(lián)軸器的效率，，取電機所輸出的功率為由計算所得小車啟動功率60.1W，啟動轉(zhuǎn)矩為10。所以初選選用直流無刷電機，型號57BL75S10-230，電機額定參數(shù)如表3-6所示。表3-6電機參數(shù)產(chǎn)品類型額定電壓V額定電流A額定轉(zhuǎn)速r/min額定轉(zhuǎn)矩N.m額定功率W直流無刷電機245.930000.32100圖14直流無刷電機示意圖3.10伸縮連桿的選型及計算伸縮連桿選用不銹鋼材料，行程范圍為20mm—3000mm。3.11每小時刷墻面積計算刷墻方式：以墻體左上角頂點為粉刷起點，小車向右水平移動，先進行水平方向的粉刷，進而通過滾珠絲杠和伸縮連桿機構(gòu)，降低滾筒位置，小車向左水平移動，進行水平方向的粉刷，直至完成粉刷作業(yè)。小車最大行走速度為0.5m/s計算小車向右位移10000mm所用時間式中，S——墻體長度，10000mm；v——小車最大速度，0.5m/s；計算得，=20s由于滾筒高度為200mm，故需要絲杠向下位移200mm，將滾筒定位到下一次粉刷位置。絲杠快速進給速度為6m/min，計算絲杠向下位移200mm所用時間式中，——絲杠位移長度，200mm；——絲杠快速進給速度6m/min；計算得，=2s經(jīng)計算得，粉刷墻壁尺寸為10000×2800mm，小車位移需10次，絲杠位移200mm需13次。計算粉刷尺寸為10000×2800mm的墻壁所用時間式中——小車位移10000mm所用時間，20s；——絲杠位移200mm所用時間，2s；計算得，T=226s故該自動刷墻裝置每小時可粉刷墻壁面積為446.023.12環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面的思考3.12.1環(huán)境保護方面的思考環(huán)境保護對于加工生產(chǎn)以及工作過程是目前社會一個極為嚴峻的問題，必須要嚴格按照國家或地方的環(huán)境質(zhì)量標準和污染物排放標準[15]。在設(shè)計過程中選擇電動機作為動力源，以保證在保護環(huán)境前提下，正常工作，電動機的工作效率較高，又不產(chǎn)生污染煙塵、污染氣味，不會污染環(huán)境，同時噪音也比較小[15]。3.12.2可持續(xù)發(fā)展方面的思考在全球都在走可持續(xù)發(fā)展道路的時候，伴隨著國外對新型環(huán)保綠色材質(zhì)的開發(fā)利用以及節(jié)能環(huán)保想法的不斷提高，鑒于我國綜合情況，為了有利于安全生產(chǎn)、節(jié)約資源、維護環(huán)境、具有可持續(xù)發(fā)展的廣闊前景，因此，室內(nèi)墻壁粉刷行業(yè)以后將朝著輕薄、安全、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材的趨勢發(fā)展[15]。在此次設(shè)計中盡量更多采用了標準件，例如減速器、電機、聯(lián)軸器等[15]。標準件方便采購，為維修維護和保養(yǎng)提供了很大的便利，對不能完成相應(yīng)功能的某一些部件進行統(tǒng)一回收，防止其污染環(huán)境，確保最大化的能源利用率[15]。在傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的廢棄后，零部件的回收成本高，并且回收工作難以進行，導(dǎo)致不能循環(huán)利用從而對環(huán)境產(chǎn)生污染，在本次設(shè)計中采用大多數(shù)為鋼鐵等回收性能好的金屬，符合可持續(xù)發(fā)展的要求[15]。第4章產(chǎn)品使用與維護4.1產(chǎn)品使用將自動刷墻裝置放置于平坦的地面上，至于墻壁最左端，滾筒緊貼所要粉刷的墻壁。通過PLC控制器，控制混合式剎車步進電機正反轉(zhuǎn)，使?jié)L珠絲杠運轉(zhuǎn)，將滾筒升至墻壁最頂端。通過PLC控制器控制直流無刷電機，小車平穩(wěn)的向右移動進行粉刷。粉刷到墻壁右側(cè)盡頭時，調(diào)整滾筒高度，到達下一粉刷點位，小車平穩(wěn)向左移動，繼續(xù)進行粉刷，直至整面墻壁粉刷完畢。4.2產(chǎn)品維護4.2.1自動刷墻裝置的安裝規(guī)范（1）用人工檢查轉(zhuǎn)動部件是否順利轉(zhuǎn)動[19]；（2）檢查所有螺栓是否松動[19]；（3）檢查驅(qū)動裝置的電機、減速器及聯(lián)軸器等是否達到圖紙要求[19]；（4）檢查所有需潤滑機件的潤滑油是否加足，油種是否正確，是否有漏油現(xiàn)象[19]；（5）檢查安全裝置是否完備，有否漏裝、錯裝[19]。4.2.2自動刷墻裝置的維護自動刷墻裝置的維護是十分必要的，特別是所有電力設(shè)備、傳動部件、轉(zhuǎn)動部件及有特殊要求的部件更應(yīng)定期檢查并作必要的處理，可以延長設(shè)備使用壽命，保證安全、舒適的工作環(huán)境[19]。自動刷墻裝置的維護主要在以下幾個方面：（1）減速器、聯(lián)軸器等：要注人規(guī)定的潤滑油,每月動作1-2次，每次不少于30min，每6個月涂一次防銹油，每次開動時應(yīng)注意檢查各部件運轉(zhuǎn)是否正常，發(fā)現(xiàn)問題及時解決[19]；（2）各種軸承，輪等：在安裝試運轉(zhuǎn)前應(yīng)清洗潤滑油，換上現(xiàn)場實際使用的潤滑油種類[19]；（3）電動機：每隔三個月檢查一次絕緣情況；電機應(yīng)按臨時要求保持干燥[19]；結(jié)論本自動刷墻墻裝置可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工墻壁粉刷作業(yè)。其結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、運轉(zhuǎn)可靠、能耗低、對環(huán)境污染小、便于集中控制和實現(xiàn)自動化、管理維護方便，可實現(xiàn)連續(xù)粉刷作業(yè)。它的設(shè)計符合工業(yè)要求，在設(shè)計中的過程中能不斷的發(fā)現(xiàn)一些方法和新的思路，是不斷發(fā)展自動刷墻裝置的重點。本次設(shè)計的內(nèi)容包括：自動刷墻裝置的類型、應(yīng)用、發(fā)展狀況、工作原理、整體結(jié)構(gòu)；自動刷墻裝置的主要零部件的常規(guī)設(shè)計計算和主要零部件的強度校核，主要包括滾珠絲杠和移動小車計算和校核；本次設(shè)計采用經(jīng)典的設(shè)計方法和基本理論為基礎(chǔ)，充分選用參考書中的設(shè)計方法及基本理論；充分采納了具有代表性的設(shè)計用圖、設(shè)計用表、及設(shè)計步驟和方式等。通過計算各個部分的主要參數(shù)和對主要部件的校核得出自動刷墻裝置機構(gòu)的布置合理，驅(qū)動穩(wěn)定，可以實現(xiàn)自動刷墻裝置的運行標準，從而實現(xiàn)了本次設(shè)計方案的可行性。本次設(shè)計對于自動刷墻裝置的試運轉(zhuǎn)、產(chǎn)品調(diào)整、安全操作、安全安裝規(guī)范以及維護做了透徹的說明。讓自動刷墻裝置不僅實現(xiàn)了預(yù)期的安全運行過程，而且嚴格遵守了保護環(huán)境的措施和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在產(chǎn)品的使用過程中，將在環(huán)保節(jié)能的前提下進行工作運行，也使工作效益得到了提高。參考文獻[1]李露莎.淺析機電一體化系統(tǒng)中智能控制的應(yīng)用[J].河南建材，2016.

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