袁鑫　張宏卓　閆鴻鵬　于捷

摘 要：為應(yīng)對居家生活以及寫字樓擦窗戶的繁瑣性和危險性，于是我們基于機械擺動機構(gòu)和齒輪機構(gòu)，并結(jié)合超聲波理論、電磁學(xué)、美學(xué)等設(shè)計出來一款超聲波內(nèi)外窗擦窗器。通過擺動機構(gòu)、連桿機構(gòu)、超聲波系統(tǒng)來實現(xiàn)玻璃的內(nèi)外自動擦洗，這款設(shè)計即可以省時省力，又降低危險系數(shù)，極大的方便了人們的生活。

關(guān)鍵詞：全自動 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

基于市場的需求，我們設(shè)計了這款超聲波內(nèi)外窗擦窗器。該產(chǎn)品將簡單機械原理與電學(xué)相結(jié)合，根據(jù)材料的特征特性，對各個所需零件構(gòu)件材料進行挑選與實驗，結(jié)合材料力學(xué)、機械連接制造設(shè)計等知識研究出一系列的運動，達到對窗戶的內(nèi)外表面進行自動擦洗。其中機械部分主要是使用零件與零件或者構(gòu)件與構(gòu)件之間進行連接，包括齒輪連接、連桿機構(gòu)、擺動機構(gòu)或曲柄機構(gòu)。通過對自由度的計算，完美的設(shè)計了構(gòu)件之間的連接方式，從而達到最方便用戶的連接模式;與此同時還通過實體調(diào)研與反復(fù)的測量，對結(jié)構(gòu)進行運動分析，最終確定了相應(yīng)數(shù)據(jù)，達到了完美的運動效果以及理想的擦洗結(jié)果。

最后也通過美學(xué)設(shè)計，提供給用戶更好的體驗感，同時也使產(chǎn)品具有更大的吸引力。此設(shè)計極大地方便了用戶的家居清潔生活，增強了用戶的體驗感，降低了用戶擦窗的危險系數(shù)。同樣把產(chǎn)品設(shè)計成折疊結(jié)構(gòu)，這樣也不會占用多余空間。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，省時省力省經(jīng)濟，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

2.1 擦窗器的功能原理

擦窗器使用電動機為系統(tǒng)提供動能，通過齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動連桿使其終端的毛氈多自由度運動，輔以超聲波對玻璃表面污物層的分散、乳化、剝離，達到相較于純機械作用更高效的清潔效果。使超聲波內(nèi)外窗擦窗器實現(xiàn)自動化，最終使各結(jié)構(gòu)完成其相應(yīng)動作。通過機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)可自動化對末端位置進行調(diào)整，實現(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)機構(gòu)：齒輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)通過轉(zhuǎn)動，來帶動整個機器的上下移動，我們設(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，傳動比為2.5：1擦窗器由齒輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動運行，齒輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)以及擦窗器之間有皮帶相連。此齒輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)在轉(zhuǎn)動時，固定點被其帶動，來帶動整個擦窗器的上下移動，移動范圍包括整個窗戶，這樣子就可以輕松地擦動整個窗戶，來達到全自動擦窗的目的。

（2）擺動機構(gòu)：擺動機構(gòu)與第二根連桿相連，圓周擺動帶動第二根連桿，實現(xiàn)了連桿機構(gòu)及其刷頭的自動化連續(xù)運動，在擺動機構(gòu)帶動的過程中連桿機構(gòu)與刷子運動需要一定時間，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間，可以更加高效完美的清除其在窗戶上的污漬。

（3）連桿機構(gòu)：用連桿機構(gòu)來帶動刷頭進行自動化擦窗往復(fù)運動，第一根連桿起到固定作用，來固定擺動機構(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，與擺動機構(gòu)相連，實現(xiàn)自動化往復(fù)運動，第三根連桿其作用是固定刷頭，大毛氈以及超聲波發(fā)生器來實現(xiàn)全面無死角的擦窗自動化運動。

（4）電動機：為了實現(xiàn)完全的自動化擦窗，我們會在齒輪處以及擺動機構(gòu)處的內(nèi)處安裝電動機來實現(xiàn)齒輪的自動轉(zhuǎn)動來帶動整個機器的上下移動和擺動機構(gòu)帶動連桿處的往復(fù)運動來實現(xiàn)擦拭窗戶動作的自動化實現(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 工藝動作設(shè)計

我們利用齒輪2的正反轉(zhuǎn)機構(gòu)纏繞皮帶來帶動固定點的上下運動，令齒輪轉(zhuǎn)動并通過皮帶的連接來帶動整個機器，完成擦拭整個窗戶的動作。此外我們將擦拭動作分為兩個機構(gòu)連桿機構(gòu)以及擺動機構(gòu)。通過連桿機構(gòu)帶動刷頭在窗面進行自動化往復(fù)的擦拭運動，連桿機構(gòu)將會帶動刷頭進行自動化擦窗運動，第一根連桿5來固定擺動機構(gòu)并與第二根連桿6起到相互連接的作用，第二個連桿則與擺動機構(gòu)之間鏈接，電動機提供動能給擺動機構(gòu)，從而使擺動機構(gòu)帶動第二根連桿，并且將第二個連桿與第三根連桿8相連，一系列運動后最終實現(xiàn)刷頭9以及超聲波發(fā)生器來全面無死角的擦拭窗戶。而其中的擺動機構(gòu)則是通過滑塊帶動連桿機動機構(gòu)而進行自動化運動，擺動機構(gòu)因為其特性，并使用超聲波發(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間，從而起到更加高效完美的清潔效果。

與此同時，將會在齒輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)以及擺動機構(gòu)中安裝電動機，將電動機中的電能轉(zhuǎn)化為動能提供給各結(jié)構(gòu)，來徹底的實現(xiàn)擦窗的自動化。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，我們將會在第三根連桿上采用超輕塑料材質(zhì)，同時我們將會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，來保證第三根連桿保持平行。

在考慮到擦窗器需要進行上下的移動來進行擦拭窗戶，我們?yōu)榇瞬捎昧她X輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)并通過皮帶來連接固定點使其進行上下的運動，當(dāng)機構(gòu)在窗戶邊緣進行上下移動時，窗戶上的玻璃也在被來回擦拭。與此同時，我們將會在固定點處的滑塊上，設(shè)計一個凹槽，來實現(xiàn)整個擦窗機器由內(nèi)向外的翻轉(zhuǎn)，通過凹槽來實現(xiàn)滑行，保證擦窗器進行擦窗內(nèi)外窗時可以進行有效的反轉(zhuǎn)，并且，我們也考慮到了現(xiàn)代生活的極簡性，以及儲存空間的有限性，我們將連桿設(shè)計成可折疊狀態(tài)，使用后可以折疊起來減小體積，因此大大減小了整個機構(gòu)所需要的空間。

2.4 材料選用

考慮到經(jīng)濟設(shè)計，安全設(shè)計和環(huán)保設(shè)計。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，具有機械強度高、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。同時在電子、汽車、機械及化工領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語

這款超聲波內(nèi)外窗自動擦窗器，可以自行擦拭運動，簡單方便，主要有三個機構(gòu)組成，分別為齒輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)，擺動機構(gòu)以及連桿機構(gòu)，另外也利用了電動機和電磁等主要部件。利用超聲波發(fā)生器達到更好的清潔效果，連桿機構(gòu)的運動可以改變力臂與窗戶角度以及伸縮工具的桿長，并且使用大毛氈達了到全方面無死角擦窗戶的目的。這款擦窗器沒有任何的安全隱患;還可以實現(xiàn)極簡收納，減少占用的空間;同時也使用了環(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)，使用方便簡單，安全系數(shù)高，經(jīng)濟實惠，性價比很高，創(chuàng)新性較大，有較強的市場競爭能力。

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