全自动双面擦窗器设计说明书
作品简介
解决玻璃窗户的自动化擦洗问题是极具现实意义和实用价值的课题，尤其是大量高层建筑的外窗擦洗。本作品是在大量的市场调研的基础上，通过对各种擦窗装置分析比较，采用以机械结构为主，辅以自动化控制的一种面向带框移动式窗户的双面擦窗器。
本作品以移动窗框作为导轨，利用六轮导向机构实现上下运动。为保证两手掌实现同步擦洗的功能，由电机直接驱动一边同步带轮，再通过中间齿轮轴上的二个齿轮实现二次互为倒数的传动，带动另一边的同步带轮实现双面同步运动，保证了两面手掌左右同步移动，完成左右方向的擦洗。手掌自动压紧机构确保有效清洗玻璃，快速换布机构和可自由张开的手臂使本作品在使用上快速、高效。利用单片机控制使作品的擦洗工作自动化。
本作品自动化程度高，可大大降低人工劳动强度，工作安全可靠。体积小，重量轻，操作方便，便于携带。可广泛应用于家庭、办公楼、酒店等各类可移动窗户，具有很大的市场推广应用价值。
关键词：全自动，双面，擦窗器
§1  研制背景及意义
目前来看，各类玻璃窗在家庭、办公楼、酒店等得到了广泛的使用，但由于工作的繁忙、生活节奏的不断加快，玻璃外窗的清洗越来越成为一大生活问题。最原始的外窗清洗方法就是手拿湿毛巾爬上窗户将手伸出窗外进行擦洗。其擦洗难度之大、危险性之高可想而知。因此人们想了个办法利用一根竿子代替人手绑一块擦布伸出窗外进行外窗的清洗，如此危险性降低了，但效率和擦洗效果大大的降低了。于是另一种擦洗方法随即出现，那就是磁石式双面玻璃擦洗器，但其主要缺点就是擦洗的高度为一人举手的高度，要擦洗较高的地方就要站到梯子上，如此甚为不便。 当今社会，人们住在高楼大厦之中，频频发生因擦窗而坠楼身亡的事件。为了安全问题，也为了改善住宅环境，人们迫切需要一个全自动的能实现双面同时擦洗的擦窗器。为此，在分析总结已有的产品的基础上，我们设计并制作了一台全自动双面擦窗器。可以帮助人们实现内外窗双面的擦洗工作，降低劳动强度，减少了危险性，尤其是处于高层建筑的家庭或办公室。
§2设计方案
本设计方案的总体思路是以窗框作为擦窗器上下运动的导轨，利用手臂上的两同步运动的滑块带动擦洗手掌左右移动来实现玻璃窗的清洗。
通过凸轮转动使两卡紧连杆沿凸轮圆弧面转动，使前四个滚轮和后两摩擦轮卡紧于玻璃窗框上，用电机带动主动摩擦轮转动，从而使从动摩擦轮和四个前卡紧轮实现转动，确保全自动双面擦窗器沿着玻璃窗框上下平稳的运动并完成上下的擦洗。
    为了保证两手掌实现同步擦洗的功能，本方案采用一个中间传动齿轮轴，由电机直接驱动单边同步带轮，通过中间齿轮轴上齿轮传动，带动另一边的同步带轮实现双面同步运动，从而保证了两面手掌左右同步移动，完成左右的方向的擦洗工作。其传动路线如下图所示：
图1双面同步传动图
1.同步带轮、2.中间传动齿轮轴、3.同步带、 4.手掌
    在运动过程中为了确保传动齿轮的准确啮合和手臂能稳定的固定于夹持体上，本方案设计一个卡扣，使工作过程中传动齿轮的准确啮合和手臂平行并贴合在夹持体上。为确保手掌能够合理的接触于玻璃窗面，并同时给玻璃一定的正应力，以保证良好的擦洗效果，本方案利用滑块中的弹簧，使手掌自动与玻璃接触，保证平稳可靠的工作效果，达到了手掌自动定位并压紧的效果；
    在清洗的过程中擦布变脏和粘满灰尘是必然产生的现象，这也是在设计过程中需要解决的问题。为了方便人们在擦洗中更快更换擦布，我们设计了卡簧机构和快速换手掌机构，卡簧机构是通过卡簧的卡紧力作用将擦布卡紧在手掌上；快速换手掌机构是直接将手掌从滑块上拔出更换后备手掌，这样可以减少人们的换布时间，保证干净的擦布擦洗玻璃窗。
    为了使全自动双面擦窗器实现自动化，本方案采用了单片机控制，通过单片机控制，实现上下左右的运动的自动控制，完成整面玻璃的擦洗工作。
全自动双面擦窗器电气控制工作流程：
  “电气启动—随程序自动运行—运行至完成，”中间可以根据工作状态的要求来调节擦洗的效果，比如：更换擦布，位置调整等现象。
全自动双面擦窗器的工作流程为：安装—工作启动—合理调整—工作运行至完成。
全自动双面擦窗器总体结构方案图如下图所示：
图2 全自动双面擦墙器总体结构方案图
§3  理论设计计算   
§3.1凸轮的作用与工作行程计算
凸轮机构的作用：通过凸轮的转动使联杆动将滚轮和主从动摩擦轮卡紧于玻璃窗框上，使全自动双面擦墙器在玻璃窗框上沿轨道运动，完成擦洗工作。
凸轮机构卡紧分析：当锁紧螺母松开时，凸轮正好处于张开状态，随着凸轮的顺时针转动联杆也沿着凸轮的圆弧面绕支点转动，当转到一定的角度时滚轮正好与窗框卡住，并将锁紧螺母锁紧，这样就可以使六轮卡紧于玻璃窗框。根据凸轮行程图可知，凸轮行程满足夹紧所需的要求。
凸轮机构的工作原理图所示：
图3凸轮工作行程图
图4左为松开状态，右为卡紧状态
§3.2卡紧性能验算
    全自动家庭双面擦窗在运动过程中防止下落，那么向下滑动的摩擦力必须大于它本身的自重，即F摩≥G自重；G自重为19.8N，f摩擦系数为0.71。假设全自动家庭双面擦窗的向上摩擦力在四个导向轮和两个摩擦轮上是均匀分布，则
      G自重≤8Fm=8f正U=8X0.71f正得：
              f正≥G自重/（0.71X8）
          即f正≥3.486N
        所以最小正压力为3.486N
凸轮锁紧机构受力分析：
为了使联杆绕O点逆时针转动，凸轮会给联杆一个转矩M1'，联杆也给凸轮一个反作用力矩M1。为防止在运动过程中凸轮松开,通过螺母将拉杆上拉，带动凸轮紧贴压板面，利用螺纹的自锁功能使凸轮锁紧，螺纹自锁所产生的静摩擦力矩Mm将M1抵消,从而保证导向轮和摩擦轮与玻璃窗框之间有足够的夹紧力。
凸轮锁紧机构受力分析图：
图5凸轮锁紧机构的受力分析
三角螺纹自锁性检验:
      本机构采用了M5的三角形普通螺纹导程S=0.8，中径D2=4.48；
  　      由公式tanψ=S/πD2得

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