袁鑫　張宏卓　閆鴻鵬　于捷

摘 要：為應(yīng)對(duì)居家生活以及寫字樓擦窗戶的繁瑣性和危險(xiǎn)性，于是我們基于機(jī)械擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)，并結(jié)合超聲波理論、電磁學(xué)、美學(xué)等設(shè)計(jì)出來(lái)一款超聲波內(nèi)外窗擦窗器。通過(guò)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、超聲波系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃的內(nèi)外自動(dòng)擦洗，這款設(shè)計(jì)即可以省時(shí)省力，又降低危險(xiǎn)系數(shù)，極大的方便了人們的生活。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng) 超聲波 擦窗器 智能家居

Research on Ultrasonic Window Cleaner

YuanXin，Zhang Hongzhuo，Yan Hongpeng，Yu Jie

Abstract：To deal with the cumbersomeness and danger of cleaning windows in home life and office buildings， the article designed an ultrasonic inner and outer window cleaner based on mechanical swing mechanism and gear mechanism， combined with ultrasonic theory， electromagnetics， and aesthetics. With the help of the swing mechanism， the linkage mechanism， and the ultrasonic system， the automatic cleaning of the inside and outside of the glass is realized. This design can save time and effort， and reduce the risk factor， and greatly facilitates people's lives.

Key words：automatic， ultrasonic， window cleaner， smart home

1 引言

基于市場(chǎng)的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了這款超聲波內(nèi)外窗擦窗器。該產(chǎn)品將簡(jiǎn)單機(jī)械原理與電學(xué)相結(jié)合，根據(jù)材料的特征特性，對(duì)各個(gè)所需零件構(gòu)件材料進(jìn)行挑選與實(shí)驗(yàn)，結(jié)合材料力學(xué)、機(jī)械連接制造設(shè)計(jì)等知識(shí)研究出一系列的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)窗戶的內(nèi)外表面進(jìn)行自動(dòng)擦洗。其中機(jī)械部分主要是使用零件與零件或者構(gòu)件與構(gòu)件之間進(jìn)行連接，包括齒輪連接、連桿機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)或曲柄機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)自由度的計(jì)算，完美的設(shè)計(jì)了構(gòu)件之間的連接方式，從而達(dá)到最方便用戶的連接模式;與此同時(shí)還通過(guò)實(shí)體調(diào)研與反復(fù)的測(cè)量，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，最終確定了相應(yīng)數(shù)據(jù)，達(dá)到了完美的運(yùn)動(dòng)效果以及理想的擦洗結(jié)果。

最后也通過(guò)美學(xué)設(shè)計(jì)，提供給用戶更好的體驗(yàn)感，同時(shí)也使產(chǎn)品具有更大的吸引力。此設(shè)計(jì)極大地方便了用戶的家居清潔生活，增強(qiáng)了用戶的體驗(yàn)感，降低了用戶擦窗的危險(xiǎn)系數(shù)。同樣把產(chǎn)品設(shè)計(jì)成折疊結(jié)構(gòu)，這樣也不會(huì)占用多余空間。并且使用防腐耐用的材料，可以持久使用。這樣用戶可以實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)輕松安全地擦窗戶的內(nèi)外面，極大地提高了工作效率，省時(shí)省力省經(jīng)濟(jì)，是一款極其方便的智能家居。

2 超聲波內(nèi)外窗擦窗器的設(shè)計(jì)

2.1 擦窗器的功能原理

擦窗器使用電動(dòng)機(jī)為系統(tǒng)提供動(dòng)能，通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿使其終端的毛氈多自由度運(yùn)動(dòng)，輔以超聲波對(duì)玻璃表面污物層的分散、乳化、剝離，達(dá)到相較于純機(jī)械作用更高效的清潔效果。使超聲波內(nèi)外窗擦窗器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，最終使各結(jié)構(gòu)完成其相應(yīng)動(dòng)作。通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可自動(dòng)化對(duì)末端位置進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)大面積平面清潔作業(yè)。

2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)容

擦窗器的結(jié)構(gòu)包括：（1）齒輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：齒輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器的上下移動(dòng)，我們?cè)O(shè)定，大齒輪半徑為30mm，為p=1.965，齒輪模數(shù)m=p/π=0.625，齒數(shù)為48，傳動(dòng)比為1：1，小齒輪半徑50mm，為p=1.965，齒輪模數(shù)m=p/π=0.625，齒數(shù)為19，傳動(dòng)比為2.5：1擦窗器由齒輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，齒輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及擦窗器之間有皮帶相連。此齒輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定點(diǎn)被其帶動(dòng)，來(lái)帶動(dòng)整個(gè)擦窗器的上下移動(dòng)，移動(dòng)范圍包括整個(gè)窗戶，這樣子就可以輕松地擦動(dòng)整個(gè)窗戶，來(lái)達(dá)到全自動(dòng)擦窗的目的。

（2）擺動(dòng)機(jī)構(gòu)：擺動(dòng)機(jī)構(gòu)與第二根連桿相連，圓周擺動(dòng)帶動(dòng)第二根連桿，實(shí)現(xiàn)了連桿機(jī)構(gòu)及其刷頭的自動(dòng)化連續(xù)運(yùn)動(dòng)，在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的過(guò)程中連桿機(jī)構(gòu)與刷子運(yùn)動(dòng)需要一定時(shí)間，這樣子為超聲波擦窗器的刷頭震蕩在窗戶上的污漬取得了一定的時(shí)間，可以更加高效完美的清除其在窗戶上的污漬。

（3）連桿機(jī)構(gòu)：用連桿機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)刷頭進(jìn)行自動(dòng)化擦窗往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第一根連桿起到固定作用，來(lái)固定擺動(dòng)機(jī)構(gòu)以及第二根桿的一端，第二根連桿連接第一根連桿的固定端與刷子刷頭部分，與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化往復(fù)運(yùn)動(dòng)，第三根連桿其作用是固定刷頭，大毛氈以及超聲波發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)全面無(wú)死角的擦窗自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)。

（4）電動(dòng)機(jī)：為了實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化擦窗，我們會(huì)在齒輪處以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)處的內(nèi)處安裝電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪的自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器的上下移動(dòng)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連桿處的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)擦拭窗戶動(dòng)作的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

（5）超聲波發(fā)生器：更好的起到清潔效果。

結(jié)構(gòu)圖如圖1所示;具體工藝如圖2所示。

2.3 工藝動(dòng)作設(shè)計(jì)

我們利用齒輪2的正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)纏繞皮帶來(lái)帶動(dòng)固定點(diǎn)的上下運(yùn)動(dòng)，令齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)皮帶的連接來(lái)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器，完成擦拭整個(gè)窗戶的動(dòng)作。此外我們將擦拭動(dòng)作分為兩個(gè)機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刷頭在窗面進(jìn)行自動(dòng)化往復(fù)的擦拭運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)將會(huì)帶動(dòng)刷頭進(jìn)行自動(dòng)化擦窗運(yùn)動(dòng)，第一根連桿5來(lái)固定擺動(dòng)機(jī)構(gòu)并與第二根連桿6起到相互連接的作用，第二個(gè)連桿則與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)之間鏈接，電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)能給擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而使擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)第二根連桿，并且將第二個(gè)連桿與第三根連桿8相連，一系列運(yùn)動(dòng)后最終實(shí)現(xiàn)刷頭9以及超聲波發(fā)生器來(lái)全面無(wú)死角的擦拭窗戶。而其中的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)則是通過(guò)滑塊帶動(dòng)連桿機(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu)而進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)因?yàn)槠涮匦裕⑹褂贸暡òl(fā)生器震蕩，這樣可以為更好的消除窗戶上的污漬獲取獲得一定時(shí)間，從而起到更加高效完美的清潔效果。

與此同時(shí)，將會(huì)在齒輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中安裝電動(dòng)機(jī)，將電動(dòng)機(jī)中的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能提供給各結(jié)構(gòu)，來(lái)徹底的實(shí)現(xiàn)擦窗的自動(dòng)化。并且，為了使第三根連桿避免因重力作用而產(chǎn)生一些不穩(wěn)定因素，我們將會(huì)在第三根連桿上采用超輕塑料材質(zhì)，同時(shí)我們將會(huì)在第三根連桿左右兩端，分別加上同極磁鐵，用同極互斥的電磁原理，來(lái)保證第三根連桿保持平行。

在考慮到擦窗器需要進(jìn)行上下的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行擦拭窗戶，我們?yōu)榇瞬捎昧她X輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并通過(guò)皮帶來(lái)連接固定點(diǎn)使其進(jìn)行上下的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)構(gòu)在窗戶邊緣進(jìn)行上下移動(dòng)時(shí)，窗戶上的玻璃也在被來(lái)回擦拭。與此同時(shí)，我們將會(huì)在固定點(diǎn)處的滑塊上，設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)擦窗機(jī)器由內(nèi)向外的翻轉(zhuǎn)，通過(guò)凹槽來(lái)實(shí)現(xiàn)滑行，保證擦窗器進(jìn)行擦窗內(nèi)外窗時(shí)可以進(jìn)行有效的反轉(zhuǎn)，并且，我們也考慮到了現(xiàn)代生活的極簡(jiǎn)性，以及儲(chǔ)存空間的有限性，我們將連桿設(shè)計(jì)成可折疊狀態(tài)，使用后可以折疊起來(lái)減小體積，因此大大減小了整個(gè)機(jī)構(gòu)所需要的空間。

2.4 材料選用

考慮到經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)，安全設(shè)計(jì)和環(huán)保設(shè)計(jì)。我們決定采用硬質(zhì)塑料作為總體材料基調(diào)。這是一種新型高性能熱塑性樹脂，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)藥品性、難燃、熱穩(wěn)定性好、電性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在電子、汽車、機(jī)械及化工領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

這款超聲波內(nèi)外窗自動(dòng)擦窗器，可以自行擦拭運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)單方便，主要有三個(gè)機(jī)構(gòu)組成，分別為齒輪正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)，另外也利用了電動(dòng)機(jī)和電磁等主要部件。利用超聲波發(fā)生器達(dá)到更好的清潔效果，連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以改變力臂與窗戶角度以及伸縮工具的桿長(zhǎng)，并且使用大毛氈達(dá)了到全方面無(wú)死角擦窗戶的目的。這款擦窗器沒有任何的安全隱患;還可以實(shí)現(xiàn)極簡(jiǎn)收納，減少占用的空間;同時(shí)也使用了環(huán)保材料;還可以安靜地完成工作。這種擦窗器市面未見，做工精細(xì)，使用方便簡(jiǎn)單，安全系數(shù)高，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性價(jià)比很高，創(chuàng)新性較大，有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

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