摘 要： 本文主要介紹了吸塵器外殼、洗塵、行走部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　關(guān)鍵詞： 全自動(dòng)吸塵器 外殼 吸塵部分 行走部位 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　近幾年來，國內(nèi)吸塵器市場(chǎng)發(fā)展迅速，每年的增幅都保持在15%以上，在中國消費(fèi)者對(duì)家庭裝修有了更高要求的同時(shí)，對(duì)保持家庭環(huán)境衛(wèi)生的吸塵器也就漸漸重視起來。預(yù)計(jì)在未來三年，國內(nèi)吸塵器市場(chǎng)將大漲，到2015年至少要比現(xiàn)在翻一番。目前吸塵器之于中國人就像上世紀(jì)80年代初洗衣機(jī)一樣，當(dāng)中國消費(fèi)者明白它的功用時(shí)，機(jī)會(huì)就來了。吸塵器對(duì)中國人來說曾經(jīng)是奢侈品，但現(xiàn)在這種情況發(fā)生了變化，吸塵器正在中國家庭迅速普及。在吸塵器逐步走進(jìn)中國消費(fèi)者視野的同時(shí)，擁有時(shí)尚外觀、能夠提升生活檔次的吸塵器也在“攀比”中得到了發(fā)展空間。
　　未來的吸塵機(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。本文主要介紹吸塵器外殼、洗塵、行走部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　一、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。
　　由于多功能吸塵器需要在地面自動(dòng)行走，因此它的結(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)來完成其機(jī)體的設(shè)計(jì)，如圖1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)安裝吸塵部件，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)可以用來安裝車輪，此外在后殼處有排風(fēng)口，便于風(fēng)機(jī)的工作。
　　家用吸塵器的外殼不僅要具有足夠的強(qiáng)度，而且要有美觀的造型、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，多功能吸塵器的外殼采用工程塑料為主體，可通過注塑成型，除了電動(dòng)風(fēng)機(jī)外，其他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。用于多功能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。
　　多功能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，在多功能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。
　　二、全自動(dòng)吸塵器吸塵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　多功能吸塵器的吸塵部位，主要由吸嘴、吸管、儲(chǔ)塵箱、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)的高速氣流通過過濾網(wǎng)，濾出垃圾和灰塵。過濾網(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，性能好的過濾網(wǎng)，排出的灰塵在直徑5微米以下。此外，過濾網(wǎng)的透氣性好，能長時(shí)間過濾而不被堵塞，使電機(jī)得到充分的冷卻，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，灰塵通過吸塵器的吸嘴進(jìn)入到吸塵器吸管，而后經(jīng)過過濾網(wǎng)的過濾，沉積在儲(chǔ)塵箱里，氣流由電動(dòng)風(fēng)機(jī)吸入口吸入，而后排出。
　　多功能塵器的風(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，如泡沫等，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，從而更好地吸塵。
　　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，延長整機(jī)的壽命。吸塵器的處灰箱一般為2—3L，多功能吸塵器的儲(chǔ)灰容量設(shè)計(jì)為1.5L，其完全能夠滿足家用地面的清潔。
　　三、全自動(dòng)吸塵器行走部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　?。ㄒ唬┤詣?dòng)吸塵器主要參數(shù)計(jì)算
　　多功能吸塵器的驅(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)用非常廣泛的萬向轉(zhuǎn)輪這既降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖3）。
　　通過改變作用于步進(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)，通過差速方式，可以方便地實(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)原地旋轉(zhuǎn)）。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機(jī)的程序來調(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3m／min左右，這樣能夠保證多功能吸塵器行走平穩(wěn)，而且有很高的效率，設(shè)計(jì)車輪的直徑為8cm，則由公式U=C×N
　　式中C—車輪的周長（cm）?搖?搖?搖?搖N—車輪的轉(zhuǎn)速（r/min）
　　1.多功能吸塵器的阻力計(jì)算
　　設(shè)計(jì)多功能吸塵器的質(zhì)量在3Kg則后車輪的阻力矩由公式
　　T=mg×f×r
　　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)》表11-7取0.05（K/CM）
　　T=3×9.8×0.055×4=6.468N/m
　　2.多功能吸塵器的前輪阻力矩
　　T0=mg×f×r=3×9.8×0.055×0.5=0.8N/m
　　3.深溝球軸承的摩擦力臂
　　T1=mg×f1×R
　　f1=0.02k/cm，由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表11-9選取。
　　T1=0.025n/cm
　　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。
　　其具體參數(shù)如下：
　?。ǘ┹S的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　1.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
　　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)》教材表10.3），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)由公式可知：
　　P=VI=0.4×12=4.8W
　　取轉(zhuǎn)速n=12r/min計(jì)算得：
　　軸的截面上有一個(gè)鍵槽，將直徑增大5%，得：
　　d≥7.96（1+5%）≥8.35mm
　　取標(biāo)準(zhǔn)值d=10mm，即為軸直徑最小直徑。
　　2.擬定軸上零件的裝配方案
　　為了便于聯(lián)軸器的連接，以及車輪的安裝，可用下述方案，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B×D×d=5×19×10.
　　通過中間的軸進(jìn)行定位，選擇軸承蓋將軸承固定，并且密封。鍵的選?。ǜ鶕?jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》）選定。選取GB1096-79鍵4×6。
　?。ㄈ┹S的強(qiáng)度校核
　　1.按許用彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算
　　通過軸的結(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。
　?。?）做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖
　　軸所受的載荷從零件傳來，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)。
　?。?）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，然后由公式計(jì)算總彎矩M。
　　根據(jù)已做出的總彎矩圖和扭矩圖計(jì)算彎矩Mca。由公式
　　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a=0.6。
　?。?）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
　　式中W—軸的抗彎截面系數(shù)：
　　經(jīng)計(jì)算滿足要求，設(shè)計(jì)軸符合調(diào)節(jié)。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］趙佩華.單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：105-130.
　?。?］謝宜仁，謝東辰.單片機(jī)使用技術(shù)問答.北京：人民郵電出版社，2003：35-60.
　　［3］薛宗祥，朱惠英.8位單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999：8-19.
　?。?］何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002：209-225.
　?。?］Biswas G，Intelligence Group Report.Journal of55555555 Robotics and Autonomous Systems，1996：50-68.