超聲波內外窗擦窗器研究

袁鑫　張宏卓　閆鴻鵬　于捷

摘 要：為應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和齒輪機構，并結合超聲波理論、電磁學、美學等設計出來一款超聲波內外窗擦窗器。通過擺動機構、連桿機構、超聲波系統來實現玻璃的內外自動擦洗，這款設計即可以省時省力，又降低危險系數，極大的方便了人們的生活。

關鍵詞：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，我們設計了這款超聲波內外窗擦窗器。該產品將簡單機械原理與電學相結合，根據材料的特征特性，對各個所需零件構件材料進行挑選與實驗，結合材料力學、機械連接制造設計等知識研究出一系列的運動，達到對窗戶的內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件與構件之間進行連接，包括齒輪連接、連桿機構、擺動機構或曲柄機構。通過對自由度的計算，完美的設計了構件之間的連接方式，從而達到最方便用戶的連接模式;與此同時還通過實體調研與反復的測量，對結構進行運動分析，最終確定了相應數據，達到了完美的運動效果以及理想的擦洗結果。

最后也通過美學設計，提供給用戶更好的體驗感，同時也使產品具有更大的吸引力。此設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。同樣把產品設計成折疊結構，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。這樣用戶可以實現在室內輕松安全地擦窗戶的內外面，極大地提高了工作效率，省時省力省經濟，是一款極其方便的智能家居。

2 超聲波內外窗擦窗器的設計

2.1 擦窗器的功能原理

擦窗器使用電動機為系統提供動能，通過齒輪轉動，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。使超聲波內外窗擦窗器實現自動化，最終使各結構完成其相應動作。通過機械結構設計，系統可自動化對末端位置進行調整，實現大面積平面清潔作業。

2.2 結構內容

擦窗器的結構包括：（1）齒輪正反轉機構：齒輪正反轉機構通過轉動，來帶動整個機器的上下移動，我們設定，大齒輪半徑為30mm，為p=1.965，齒輪模數m=p/π=0.625，齒數為48，傳動比為1：1，小齒輪半徑50mm，為p=1.965，齒輪模數m=p/π=0.625，齒數為19，傳動比為2.5：1擦窗器由齒輪正反轉機構轉動運行，齒輪正反轉機構以及擦窗器之間有皮帶相連。此齒輪正反轉機構在轉動時，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：擺動機構與第二根連桿相連，圓周擺動帶動第二根連桿，實現了連桿機構及其刷頭的自動化連續運動，在擺動機構帶動的過程中連桿機構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：用連桿機構來帶動刷頭進行自動化擦窗往復運動，第一根連桿起到固定作用，來固定擺動機構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，與擺動機構相連，實現自動化往復運動，第三根連桿其作用是固定刷頭，大毛氈以及超聲波發生器來實現全面無死角的擦窗自動化運動。

（4）電動機：為了實現完全的自動化擦窗，我們會在齒輪處以及擺動機構處的內處安裝電動機來實現齒輪的自動轉動來帶動整個機器的上下移動和擺動機構帶動連桿處的往復運動來實現擦拭窗戶動作的自動化實現。

（5）超聲波發生器：更好的起到清潔效果。

結構圖如圖1所示;具體工藝如圖2所示。

2.3 工藝動作設計

我們利用齒輪2的正反轉機構纏繞皮帶來帶動固定點的上下運動，令齒輪轉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連桿機構以及擺動機構。通過連桿機構帶動刷頭在窗面進行自動化往復的擦拭運動，連桿機構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之間鏈接，電動機提供動能給擺動機構，從而使擺動機構帶動第二根連桿，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刷頭9以及超聲波發生器來全面無死角的擦拭窗戶。而其中的擺動機構則是通過滑塊帶動連桿機動機構而進行自動化運動，擺動機構因為其特性，并使用超聲波發生器震蕩，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，將會在齒輪正反轉機構以及擺動機構中安裝電動機，將電動機中的電能轉化為動能提供給各結構，來徹底的實現擦窗的自動化。并且，為了使第三根連桿避免因重力作用而產生一些不穩定因素，我們將會在第三根連桿上采用超輕塑料材質，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，我們為此采用了齒輪正反轉機構并通過皮帶來連接固定點使其進行上下的運動，當機構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，設計一個凹槽，來實現整個擦窗機器由內向外的翻轉，通過凹槽來實現滑行，保證擦窗器進行擦窗內外窗時可以進行有效的反轉，并且，我們也考慮到了現代生活的極簡性，以及儲存空間的有限性，我們將連桿設計成可折疊狀態，使用后可以折疊起來減小體積，因此大大減小了整個機構所需要的空間。

2.4 材料選用

考慮到經濟設計，安全設計和環保設計。我們決定采用硬質塑料作為總體材料基調。這是一種新型高性能熱塑性樹脂，具有機械強度高、耐高溫、耐化學藥品性、難燃、熱穩定性好、電性能優良等優點。同時在電子、汽車、機械及化工領域均有廣泛應用。

3 結語

這款超聲波內外窗自動擦窗器，可以自行擦拭運動，簡單方便，主要有三個機構組成，分別為齒輪正反轉機構，擺動機構以及連桿機構，另外也利用了電動機和電磁等主要部件。利用超聲波發生器達到更好的清潔效果，連桿機構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;還可以實現極簡收納，減少占用的空間;同時也使用了環保材料;還可以安靜地完成工作。這種擦窗器市面未見，做工精細，使用方便簡單，安全系數高，經濟實惠，性價比很高，創新性較大，有較強的市場競爭能力。

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