STARMIX驰达美吸尘器工作结构设计2015-03-13

STARMIX驰达美吸尘器工作结构设计 STARMIXGS-1032全自动吸尘器将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来,实现室内环境(地面)的半自动或全自动清洁,替代传统繁重的人工清洁工作,近年来已受到国内外的研究重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用,从技术层面上讲,智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术,具有较强的代表性。从市场前景角度讲,自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率,适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性,又具有广阔的市场前景。 一、吸尘原理。 GS-1232吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率般为250W及其以下。 吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，再由机体尾部排出。 二、吸尘器的原件 1、所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯使用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。 2、喉管：所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管及附件。 3、电动刷：内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件。 4、圆刷头：也较小吸嘴，可做360*回转，方便清洁家具、精细网织物等。 5、扁吸嘴：又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴。特别适用于清洁墙边、辐射式 暖片、角落及浅窄地方。 6、扫尘刷：用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。 三、整个控制系统的组成及工作原理 多功能吸尘器的整个控制系统，主要由传感器部分（超声波传感器、红外线热释电传感器、电子罗盘）、微型机算计部分（单片机8051）等部分组成。 该多功能吸尘器利用了超声波测距的原理，通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对障碍物进行判断； 通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制， 并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断，选定相应的控制策略；利用电子罗盘进行方向的判断，通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障。多功能吸尘器的红外线传感器能检测认得存在，在检测到人存在时会给单片机一个电信号，单片机控制吸尘器停止前进并同时控制发声器 发出声音，让人能够离开。功能多功能吸尘器实际上是一个行走机器人和吸尘器的组合体，吸尘器行走的同时，由其自身携带的小型吸尘部件，对经过的地面进行必要的吸尘清扫。 四、全自动吸尘器主要参数计算 多功能吸尘器的驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮（后轮），从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应用非常广泛的万向转轮这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性（如图0-4 ）。通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径（即绕轴中点原地施转）。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。由于智能吸尘器是边行走边工作的，所以要求速度很低，一般要求3m／min左右，这样能够保证多功能吸尘器行走平稳，而且有很高的效率，设计车轮的直径为8cm。则由公式（3—1）U=C×N （3—1）式中C—车轮的周长（cm） N—车轮的转（r/min） N=U/C≈12r/min 1.多功能吸尘器的阻力计算设计多功能吸尘器的质量在3Kg则;后车轮的的阻力矩由公式（3—2） T=mg×f×r （3—2）f—滚动摩擦系数由取0.05（K/CM) T=3×9.8×0.055×4 =6.468N/m 2.多功能吸尘器的前轮阻力矩T0=mg×f×r =3×9.8×0.055×0.5 =0.8N/m 3. 深沟球轴承的摩擦力臂 T1= mg×f1×R f1=0.02k/cm T1=0.025n/cm; 根据供电电压为 12V选取步进电极电机,根据《小功率电机手册》,选择永磁式步进电机, 其具体 参数如下 步进电机的基本参数 型号相数 额定电压(V) 电流（A） 保持转（mN/cm）步近(°) 3 57BYG005 4 12V 0.4A 254.97mN/cm 1.8° 五、轴的结构设计 轴的径向尺寸的确定轴的径向尺寸是在出算轴的直径基础上进行的,轴径的估算方法是按扭矩并降低许用扭转切应力的方法进行的; 计算由公式（3—3），d≥ 3 /NP×A (mm) （3—3） 式中 P—为轴所传地的功率（KW） N—为转轴的转速（r/min） A—为轴的许用应力系数（其值可以查《机械设计》教材表10.3，在这里选取轴的材料为45号钢，则A=108,由步进电机的参数由公式（3—4）可知； P=VI （3—4）=0.4×12 =4.8W 取转速n=12r/min计算得d≥108×3 12/0048.0≥7.96mm 轴的截面上有一个键槽，将直径增大5﹪，得 d≥7.96(1+5﹪) ≥8.35mm 取标准值d=10mm ,即为轴直径最小直径。多功能吸尘器选用24V，10AH的蓄电池，也可以选用蓄电池组进行系统供电，为了便于蓄电池进行充电，将蓄电池的充电器和驱动电路集成一体，如图4-1，是由整流二极管等组成的蓄电池充电电路。 CPU 用5V以及电机12V电源电路：多功能吸尘器需要两类电源，一类是供给数字 IC﹑单片机传感器的工作电源，为+5V，同时需要一类为电机驱动电源，根据电机的要求，电压在12V电流在几A，两类电源当然可以分别供电，但是往往不经济，并可能带来安装空间困难，用一组电池时，5V、12V电源可以从端子稳压器件变换后获得。图4-2中的输入电压24V电源经芯片MPC2412HF和MPC2405HF分别获得电压12V和5V的两路电压输出，其中，+5V电压的供电最好选用MPC24A05HF，而非TA78005AP，区别在前者最小输入电压是6V，或者7V。 六、步进电机的原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 七、步进电机的驱动 单电压驱动：4 单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源进行对绕组供电，它的特点是电路结构简单易于实现。它只有一个电源，电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小，这一矛盾不能解决时，会使电机的高频性能下降，可在R1两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，改善高频特性，但这样做又是低频性能变差，单电压驱动一般适合于小功率步进电机的驱动。根据电源要求步进电机的供电电压为12V，其驱动电路的原理与前面介绍的单电压驱动相同，其电路图如图3 左侧输入由单片机发出的脉冲，经过反向器的反向控制，在低电平三极管导通，使光电隔离器工作从而使右侧的三极管接通使步进电机的绕组通电，不断的导通与断开使步进电机开始工作旋转。 八、电动风机的工作原理 多功能吸尘器主要是利用电动机带动叶轮旋转时,在密封壳体内产生空气负压,吸取尘埃碎屑，电动机和叶轮组合一体,称为电动风机系统,电动风机系统是多功能吸尘器中关键件，一般的家用吸尘器电动风机系统功率(输入电功率)从几十瓦到一千瓦以上,较大功率的电风机系统一般都采用单相串励电动机驱动,电动风机系统在吸尘器工作时,工况不断变化风量最大时,吸入真空度为零,此时称为电风机系统的短路状态;吸入真空度为最高时,风量最小此时称为电风机系统的空载状态,电风机系统的最大输入功率、最大流量、最大真空度等都是电风机系统的重要技术指标，而吸尘器在进行风箱试验时，吸入口在0.5-0.875时常被认为是电风机系统的额定状态。 由于多功能吸尘器选用了车用吸尘器的风机样式，所以多功能吸尘器的的风机由永磁直流电机和叶轮等部分组成，其基本结构和上面介绍的大功率风机结构相似，不同之处在于多功能吸尘器电动风机的电机是铁氧体永磁直流电机，用12V直流电源供电，大功率风机用交流220V家用电源供电，全自动吸尘器的电动风机和大功率风机一样要求电动机有很高的转速，转速不低于10000r/min. 。 电动风机主要参数电动风机的特性及驱动电路 吸尘器电风机系统的运行：电动风机采用铁氧体永磁直流电机为转动源,因此需要有直流电机驱动器对其进行驱动,通常直流电动机的驱动选用驱动电路,驱动电路既能控制流过电动机的电流大小又能驱动电动机的正反转,驱动电路必须对照电动机的特性选定,为了旋转电机,只要连接电动机的电池即可 九、系统的总体控制流程 多功能吸尘器的控制程序是根据整个工作过程来编制的，工作过程在前面已经提到，实际上多功能吸尘器就是一个行走机器人和一个小型吸尘器的组合体，将几个控制子程序结合起来就构成了多功能吸尘器的整体控制程序，其程序框图可以表示为下图