自動墻壁清洗機設(shè)計【高層建筑外墻清洗機 】【清洗機器人】
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自動墻壁清洗機設(shè)計
摘 要：近年來，隨著社會的發(fā)展，樓層越來越高，使用玻璃幕墻的樓房也越來越多，避免清洗時一個很重要的問題，傳統(tǒng)的方式多數(shù)為人工，或者是采用電纜從樓頂將機器人吊下，工作效率偏低，危險性高，于是清洗用爬壁機器人應(yīng)運而生，本文的任務(wù)就是設(shè)計一種能夠在壁面上吸附行走的清洗機器人。在簡單介紹清洗機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于二維軟件CAD對四輪式風壓吸附清洗機器人的本體機構(gòu)進行了設(shè)計，對一些關(guān)鍵部分進行了設(shè)計計算及校核計算，重點是爬壁機器人的移動結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算。設(shè)計的清洗機器人采用四輪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單；采用風壓吸附方式，利用螺旋槳對空氣的壓縮所產(chǎn)生的壓力將機器人壓在物體表面，避免了清洗機器人對壁面的局限，降低了控制難度；清洗機主要由伺服懸吊系統(tǒng)、清洗主機和由計算機控制系統(tǒng)組成；采用無人化清洗，自動清洗，自動供水，自動供清洗液，單片機系統(tǒng)控制，操作人員只需通過鍵盤即可操縱清洗機工作，而且在清洗過程中，清洗機能夠自動進行邊緣識別，可根據(jù)建筑樓層的具體情況選擇為縱洗或橫洗；采用后輪驅(qū)動，一個電機驅(qū)動兩個后輪，后輪帶動前輪完成機器人的行走，使用直齒圓柱齒輪傳動裝置作為減速器；采用樓頂供電；機器人可以在水平面或者垂直表面直線行走。本機的清洗效率較高，清洗效果良好。
關(guān)鍵字：清洗機器人；風壓吸附；齒輪機構(gòu)；刷洗
Design of Automatic Wall Cleaning Machine
Abstract：In recent years, with the development of society, more and more floors, with glass curtain wall building more and more to avoid cleaning a very important issue, most of the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be used under the robotic crane, low efficiency, high-risk, then cleaned with a wall-climbing robot came into being, this task is to design a walk on the adsorption to the wall climbing robot for cleaning. This paper briefly wall-climbing robot based on the research status, based on 2D software, CAD, four-wheel vacuum on wall-climbing robot body bodies were designed, carried out on some key satisfied with the design calculation and checking terms, focusing on the mobile climbing robot structure, adsorption structure and drive system design and calculation. This designed wall-climbing robot car with four-wheel-type shape of the structure, simple structure;By pressure adsorption,robot using the pressure generated by the propeller on the compressed air pressure in the surface,avoiding the clear limitations of the robot on the wall,reducing the difficulty of control;Washing machine is suspended by a servo system, cleaning host and consists of computer control system;The cleaning of the unmanned, automatic cleaning, automatic water supply for automatic washing liquid, single chip control system, operating only through the keyboard to manipulate the work of the washing machine in the cleaning process, the washing machine to automatic edge recognition, according tothe building floor wash for vertical or horizontal wash;Rear-wheel drive, a motor to drive the two rear wheels, rear wheel drive the front wheels to complete the robot to walk, use of the spur gear transmission device as reducer;Roof supply; robot walk a straight line can be horizontal or vertical surface. The higher the cleaning efficiency of the machine a good cleaning effect.
Key words: Cleaning Robot；Pressure Adsorption Mode； Gear mechanism； Scrub；
1 前言
1.1 研究的目的及意義
隨著城市現(xiàn)代化得發(fā)展和人口的日益增加，為了節(jié)省土地資源，高層建筑越來越多，各式各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風景。在建筑業(yè)中，由于玻璃的采光性好，保溫、防潮，而且采用彩色玻璃使用美觀，高層建筑的外觀越來越多的采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)沒有玻璃覆蓋的地方也多采用瓷磚覆蓋以增加建筑的美感，但也衍生出繁重的幕墻清洗任務(wù)。
我國大多數(shù)高層建筑清洗工作還是由傳統(tǒng)的人力完成，這種高空極限作業(yè)相當危險，如遇強空氣流，對人身安全及玻璃面都有很大的威脅。因此需要一種能代替人工完成高層建筑清洗任務(wù)又有一定靈活性和適應(yīng)性的自動機器來取代人工作業(yè)。
高層外墻清洗機正是在這種背景下應(yīng)用而生，它可在垂直壁面及屋頂移動進行物體表面的清洗。它的出現(xiàn)及進一步研究將極大降低建筑外墻的清洗成本改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，并帶來相當?shù)纳鐣б婧徒?jīng)濟效益。
1.2 課題研究現(xiàn)狀及分析
工業(yè)機器人已經(jīng)在機器人領(lǐng)域中大量投入使用，如汽車、冶金等行業(yè)。然而，隨著人們生活水平的提高，在機器人領(lǐng)域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務(wù)機器人已經(jīng)出現(xiàn)。
服務(wù)機器人主要涉及清洗、運送、監(jiān)視、檢查和探測等類型的工作，為人類提供和完成服務(wù)。其中，清洗是服務(wù)機器人應(yīng)用最廣的領(lǐng)域之一。而高樓林立的今天，更需要清洗機器人的技術(shù)可以得到不斷改進和提高。
1.2.1 國外壁面清洗機器人研究現(xiàn)狀
第一個成功制造出來的清洗機器人是德國漢薩斯航空公司委托制作的“SKYWAH”（清洗巨人）。其主要結(jié)構(gòu)是一個作用距離為33米的多關(guān)節(jié)巨型伸縮臂，有11個自由度，6個主軸，3個腕關(guān)節(jié)及兩個自適應(yīng)軸，總共12個可編程序軸。其余的運動鏈系使得它可以做各復(fù)雜運動，而其結(jié)構(gòu)不會有任何變化。所有軸均由液壓驅(qū)動并采用抗拉鋼材，因而其結(jié)構(gòu)重量輕。清洗刷長1.2m，定位精度為50mm,滾刷與飛機外形精確匹配。該機器人安裝在一個標準汽車底盤上，可以從四個位置出發(fā)，機器人在人的監(jiān)視下按照預(yù)定的模式運動，完成對飛機幾乎所有表面的清洗工作。其特點是動作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機。
日本BE公司成功研制的一種固定軌道式自動擦窗機器人，機器人靠安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跹b系統(tǒng)使擦窗機對準窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導槽垂直上下移動進行清洗，清洗機構(gòu)帶有多個旋盤刷。該設(shè)備的自動化程度的效率都很高，但價格也很昂貴。另外，要求在建筑物設(shè)計之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進去，鋪設(shè)軌道，這大大限制了該機器人的使用范圍及效率。
德國馬格堡的弗勞恩霍費爾自動控制與操作研究所（IPA）是德國主要的生產(chǎn)及自動化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自動系統(tǒng)。對柏林新建火車站的巨大玻璃隧道進行了自動清洗。該機器人懸掛在水平的橫向軌道上，可沿軌道左右移動，同時橫向軌道可以沿垂直導槽上下移動，從而完成對整塊玻璃的清洗。
德國的Fraunhofer研究所研制了一種名為SIRIUSC壁面清洗機器人。該機器人作業(yè)時在機器人上方的建筑物頂部有一個隨動小車，該小車除了起一個安全作用外，還是機器人位移的定位裝置，機器人只能做上下運動，左右運動靠隨動小車牽引實現(xiàn)。爬行機構(gòu)是基于兩隊線性模塊上，每個模塊裝有幾個真空吸盤，每對模塊有一個伺服電機驅(qū)動。
美國國際機器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機器人“Sky Washer”,它重19.95kg，約0.9×0.9m，該機器人的移動由兩組L型框架相對滑動，交替吸附來實現(xiàn)，每組框架有三只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤，吸盤相對于壁面可以作直線運動，該機器人允許橫向移動，并可跨越一定高度的障礙。同時配備有洗滌液和擦抹系統(tǒng)，以完成擦窗工作，作業(yè)能力為每天4645m2，并可越5cm高、25cm寬的障礙。
除此以外，加拿大、德國、西班牙、以色列、新加坡、奧地利、俄羅斯、英國、澳大利亞等國家相繼開展了壁面清洗機器人的研究。
1.2.2 國內(nèi)壁面清洗機器人研究現(xiàn)狀
國內(nèi)爬壁機器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國研究和發(fā)展機器人始于七十年代初。1975年在北京舉辦的日本科技展覽會上，川崎重工公司首先在中國展出了工業(yè)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研制機器人的浪潮。
自1988年以來，上海大學先后研制了玻璃窗清洗機器人和球形爬壁機器人。前者采用多層框架式機構(gòu)，真空吸盤吸附，伺服電機驅(qū)動，但重量大，且沒有裝備清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動機構(gòu)，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤，設(shè)計者從滿足穩(wěn)定性和控制復(fù)雜程度的綜合，考慮到吸盤穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。此外，他們還在清洗裝備和工藝做了較為深入的研究，并根據(jù)玻璃幕墻障礙的特點，開發(fā)了一種全方位越障機構(gòu)，大幅度提高了機器人的越障能力。
哈爾濱工業(yè)大學也是國內(nèi)壁面移動機器人研究較早的單位，在國家“863”智能機器人的支持下，已經(jīng)先后開發(fā)出兩個系列共5個品種的爬壁機器人。較早完成的是輪式負壓吸附壁面爬行遙控檢查機器人。該機器人采用雙輪進行驅(qū)動。主體下部是一個帶有驅(qū)動輪的滑動密封式負壓吸盤。清洗機構(gòu)置于尾部，同時還設(shè)有卷揚機，地面支援小車等附屬設(shè)施。由于密封裝置采用柔性設(shè)計，對壁面的適應(yīng)能力較強，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運動，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差[1]。
北京航空航天大學自1996年以來，在國家“863”計劃的大力資助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機器人”、“吊籃式擦窗機器人”、 “藍天潔寶”等系列幕墻清洗機器人樣機。前三種均為全自動清洗機器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動機器人，機器人運動和功能統(tǒng)一。其中CLEANBOT-Ⅰ的縱橫氣缸之間有一能做微小角度轉(zhuǎn)動的腰關(guān)節(jié)，以實現(xiàn)機器人運動方向的調(diào)整。之后北航又推出藍天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機器人[2]。
2000年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機器人，但重量小的多，僅有20kg。該機器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動密封負壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動的雙車體結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進行作業(yè)?！八{天潔寶”屬于被動清洗機器人，使用大面積負壓吸盤吸附，利用風機產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，具有很高的實用價值[3]。
1.3高層建筑外墻清洗機發(fā)展趨勢
由于清洗工作環(huán)境及任務(wù)的特殊性，清洗爬壁機器人的總體設(shè)計要求相當苛刻。其總的設(shè)計原則是：減輕重量，降低造價，安全可靠，能適應(yīng)多種建筑物表面，且要有足夠高的清洗效率。
從清洗機的工作環(huán)境來看，其主機可能有兩個發(fā)展方向：
其一：適用于平整瓷磚和玻璃幕墻清洗，它結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，屬小型輕量化。
其二：適用于復(fù)雜墻面，如階梯墻面，壁面多窗戶的壁面清洗，它的結(jié)構(gòu)、動作、控制都很復(fù)雜。
其三：以壁面機器人為載體，配以專用的清洗機構(gòu)，可以適應(yīng)不同壁面機構(gòu)
2清洗機器人總體方案設(shè)計
2.1 對樓頂樓面的實際考察
在接受課題之后，為了順利地完成我們的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，我查閱了多種關(guān)于高層建筑和以往對建筑物的清洗的相關(guān)資料，其中大部分是難以人工清洗的，因此設(shè)計開發(fā)高層建筑外墻清洗機是非常必要的。
2.1.1樓面結(jié)構(gòu)考察
參觀調(diào)查得到初步方案，清洗機主要由樓頂?shù)碾S動小車和清洗主機部分組成，并且采用單片機控制。樓頂?shù)碾S動小車在樓頂上預(yù)裝的軌道上行走，可使懸吊的清洗機部件實現(xiàn)縱洗和橫洗；清洗機部件利用風壓使之貼在墻壁上，通過盤刷和滾刷完成清洗墻面的工作。因此，樓面情況就決定了我們?nèi)绾卧O(shè)計軌道、變向、壓緊和清洗液的輸送、回收等問題。
2.1.2 樓頂?shù)膶嶋H考察
幾種典型建筑物樓頂結(jié)構(gòu)如圖1：
圖1 樓頂結(jié)構(gòu)
Figure 1The roof structure
2.2 清洗機器人的總體方案
根據(jù)清洗機器人清洗作業(yè)的要求，機器人首先必須具備清洗作業(yè)功能和控制功能，此外清洗機器人還必須在高層建筑物表面進行吸附和移動，因此清洗機器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機器人清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。
主機主要由箱體，支撐架，防護罩，刷子，電機，螺旋槳風壓系統(tǒng)，齒輪傳動系統(tǒng)等組成。，通過螺旋槳風壓系統(tǒng)使主機吸附在墻面上，并使刷子壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉(zhuǎn)動，達到刷洗的目的。
主機有一懸吊支撐架，其外側(cè)與懸吊系統(tǒng)相連，可調(diào)風壓系統(tǒng)安裝在懸吊支撐架背后，風壓系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)螺旋漿轉(zhuǎn)速控制清洗力，懸吊支撐架通過一圓導軌和箱體（其上安裝兩盤兩滾）相連，所有的清洗裝置均安裝在該箱體上，清洗系統(tǒng)由固定在懸吊支撐架上的步進電機通過齒輪傳動系統(tǒng)執(zhí)行以90°為單位的轉(zhuǎn)動動作以實現(xiàn)橫洗和縱洗的轉(zhuǎn)換。箱體上有兩個圓盤形清洗刷，盤刷底部都有十二個清洗液噴射孔[4]，另有兩圓柱形滾刷，在其行走前方有清水噴射孔，并安裝一軟質(zhì)刮水板，以使清洗過的部位快速風干并避免留下來的清洗液腐蝕墻面[5]。箱體上還有一電機通過錐形齒輪將轉(zhuǎn)動傳到其中一個盤型清洗刷上，再通過齒輪傳動系統(tǒng)將轉(zhuǎn)動傳遞給另一盤刷，所以兩盤刷轉(zhuǎn)動方向相反，可以達到更好的清洗效果，圓柱形滾刷是由電機尾部的軸通過V帶驅(qū)動的。在懸吊支撐架上有防護罩，防止清洗液四濺。清水，清洗液，電機的供電和控制電纜都是是由復(fù)合纜供給的，復(fù)合纜連接懸吊系統(tǒng)。在風壓支架上有配重塊，配重塊可以沿光杠絲杠移動[6]。通過調(diào)節(jié)配重塊可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡，以達到減小震動的效果。在清洗機主體的上下部安放超聲波傳感器，以進行邊緣識別。箱體上裝有兩對滾輪，滾輪通過電機驅(qū)動，以實現(xiàn)前后移動，而轉(zhuǎn)向通過箱體的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。
2.3 清洗機器人清洗系統(tǒng)方案
根據(jù)以上提出的技術(shù)性能及要求，初步確定清洗方案如下：
第一種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2：
此種方案采用負壓履帶吸盤式盤滾組合式清洗，由于受到墻表面材料的影響較大，一般情況下，每兩塊瓷磚之間都有4～5毫米的縫隙，密封不可靠。
圖2 結(jié)構(gòu)一 圖3 結(jié)構(gòu)二
Figure 2 Structure of one Figure 3 Structure of two
第二種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖2：
這種方案采用了風壓式壓緊，盤滾組合式清洗，清洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中間傳動的需要，結(jié)構(gòu)不對稱,風扇的中心與刷子的中心不重合，刷洗壓力不均勻，中心不穩(wěn)定，容易引起震動問題。但可以考慮配重問題。
第三種：結(jié)構(gòu)簡圖如圖4：
圖4 結(jié)構(gòu)三
Figure 4 Structure of three
這種方案吸取了第二種方案的優(yōu)點，傳動的改變，使振動的問題減小，機體尺寸減小。
這種方案為螺旋槳風壓式高層建筑外墻清洗機，其優(yōu)點是：① 在清洗機外機架背后安裝可調(diào)風壓系統(tǒng)來提供連續(xù)均勻的清洗力，螺旋槳可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制清洗壓力；② 機架內(nèi)采用一清洗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)裝置，方便的實現(xiàn)了縱橫兩不同清洗方向的調(diào)整，減少非作業(yè)時間，增加了工作柔性，大大提高了工作效率；③ 應(yīng)用兩盤兩滾相結(jié)合的清洗方式，清洗液和清水分別由盤刷和滾刷提供以達到最佳清洗效果。
綜合比較以上三種方案，根據(jù)設(shè)計要求，由于對于墻面的壓力要求大，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，最后我決定用第三種方案。
2.4 清洗機器人爬壁系統(tǒng)方案
本方案通過螺旋槳風壓系統(tǒng)使主機吸附在墻面上，并使盤刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉(zhuǎn)動，達到刷洗的目的。旋轉(zhuǎn)的刷子的軌跡為包絡(luò)線，從而清洗干凈墻面[7]。滾刷噴的是清水，將墻面沖洗干凈，以避免留下來的清洗劑腐蝕墻面，同時盤刷和滾刷采用一個電機驅(qū)動，減小了清洗主機的重量，清潔度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤兩滾結(jié)構(gòu)可減少不必要的回程時間，以達到提高效率的目的[8]。
2.5 其它部分方案
2.5.1材料選擇
根據(jù)課題要求，總體重量越輕越好，由于使用清洗液，耐腐蝕性能也要好而且此產(chǎn)品是輕載荷，故材料首先選用鋁合金材料及非金屬材料[9]。
整個及其涉及到齒輪減速器的地方，齒輪的材料經(jīng)過篩選與比較采用聚甲醛（均聚），見《金屬機械加工工藝人員手冊》[10]P.244。
本機的各個傳動軸均采用硬質(zhì)合金LY11。
螺旋槳材料選用尼龍66 (聚己二酰己二胺)。
機架的材料采用鋁合金。
其他機件的選擇根據(jù)通常材料在重量最輕原則下進行確定。
3 清洗機器人清洗系統(tǒng)設(shè)計
3.1 清洗機器刷洗部分設(shè)計
按照任務(wù)書設(shè)計要求：清洗速度0.2m2/s。
3.1.1 盤刷設(shè)計
1）盤刷
采用在塑料體上在塑料毛的盤刷，其具有一定的彈性和剛度，可保證一定的壓緊力來清洗墻面，同時若墻面有一定高度的凸出物，塑料毛有一定的彈性可以退讓，順利通過。刷子半徑214，有毛半徑208，刷毛長度為50，盤刷與聯(lián)刷體可通過螺栓來裝配連接。
2）聯(lián)刷體
采用聯(lián)刷體的目的：
[1] 使電機與盤刷連接起來;
[2] 使盤刷具有可換性；
[3] 可調(diào)節(jié)盤刷與墻面的距離；
聯(lián)刷體保證與電機連接處的強度、材料應(yīng)盡量輕，其結(jié)構(gòu)如圖5：
圖5 聯(lián)刷體
Figure 5 Al the brush body
3）盤刷的工藝性
根據(jù)資料可知：刷類的刷毛是用制毛器植上的，其基本原理如下：
在殼體剛注塑完時，趁著殼體還為硬化，用機械方法把刷毛植進去。把一撮毛（約四至五根）折彎，在根部裝上一韌性卡子，用專門植毛機把毛插入未硬化的殼體內(nèi)，卡子插入后，待殼體凝固，便把刷毛固定下來，這樣整個植毛工藝就完成了[11]。
根據(jù)上述原理，盤刷也可以采用這種方法制作，其技術(shù)要求：
毛孔直徑：2.5mm
間距：5mm
孔深：10 mm
每孔刷毛密度：五根
滾刷原理與上面相同
3.1.2 滾刷設(shè)計
采用在鋼軸外面加套橡膠軸套，在橡膠軸上栽刷毛的方法做成，可通過調(diào)換橡膠套的方法調(diào)換滾刷，滾刷半徑為106，有刷毛部分長度為940。滾刷結(jié)構(gòu)如圖6：
圖6 滾刷
Figure 6 Roller
為了控制的方便，減輕主機的重量，應(yīng)盡量減輕電機的數(shù)量，所以盤刷、滾刷共用一雙輸出軸電機，中間用齒輪和V帶傳動；從經(jīng)濟的角度考慮，采用普通的三相電機，帶動兩盤兩滾共四個清洗刷[12]。
依據(jù)實際實驗，取洗刷的壓強為螺旋槳工作壓力為20公斤力。四個角輪 分別承受3公斤力。盤滾刷均承受兩公斤力
刷毛與墻面的摩擦系數(shù)為0.1～0.2，取μ=0.15
對盤刷求積分轉(zhuǎn)矩為 :
1) 洗力矩：
盤刷：
兩個刷子的轉(zhuǎn)矩：
滾刷：
所需總的刷洗力矩：
2) 初定盤刷轉(zhuǎn)速：360r/min
根據(jù)刷洗力矩，型號為Y2-802-6，額定功率550W,轉(zhuǎn)速900r/min,平鍵4×20，保持轉(zhuǎn)矩為9.8N.m(查GBM)
3.1.3刷洗部分所用彈簧的設(shè)計
1）彈簧的種類：采用圓柱螺旋壓縮彈簧;
2) 彈簧的材料：選用碳素彈簧鋼；
3）彈簧的設(shè)計計算
[1] 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》取彈簧的工作圈數(shù)
[2] 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》取彈簧絲直徑：，
允許極限負荷下的單圈變形：
單圈剛度：
彈簧節(jié)距：
最大工作載荷：
極限工作載荷：
彈簧每圈展開長度：
[3] 計算數(shù)據(jù)
彈簧中徑：
彈簧內(nèi)徑：
彈簧間隙：
彈簧總展開長度：
螺旋角：
彈簧自由高度：
允許極限負載時彈簧高度：
彈簧旋向：左旋右旋均可
3.2 內(nèi)空心軸設(shè)計
空心軸的一端連接盤刷體，另一端與水管相連，在盤刷體轉(zhuǎn)動時，空心軸固定不動[13]，其結(jié)構(gòu)如圖7：
圖7 空心軸
Figure 7 Hollow axis
工作時清洗液從中間的孔流出，噴到墻面上，幾乎不受外力彎矩、扭矩，所以略去剛度、強度的計算。
3.3 清洗機主機滾輪的設(shè)計
當清洗機工作時，風機向后吹出強大的高速氣流，把清洗機壓向墻面，與墻面接觸的盤刷和滾刷都為柔性件，太大的壓力會使刷毛彎曲過多，損壞加劇，所以大部分壓力應(yīng)由滾輪來承擔，同時也增大了滾輪與墻面之間的摩擦力。當電機驅(qū)動時，清洗機橫向行走。所以滾輪與墻面之間應(yīng)有良好的接觸 ，不可打滑[14]。結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖8：
圖8 清洗機主機滾輪結(jié)構(gòu)圖
Figure 8 Cleaning machine host roller structure
3.4 主機上傳感器及行程開關(guān)的選擇
為了增強清洗機的自動化程度，實現(xiàn)遠程控制，在清洗機主機上安裝傳感器，以識別墻面的材料，來確定清洗機的進退預(yù)停止。通過查手冊《傳感器技術(shù)》,選用德國TURCK公司生產(chǎn)的超聲波傳器，其特點：有效作用距離大，與被測物的顏色、周圍環(huán)境無關(guān)，具有開關(guān)量和模擬量兩種輸出，有利于控制[15]。
在清洗機主體的上下部安放超聲波傳感器，為了安全，在下邊緣安裝行程開關(guān)，結(jié)構(gòu)可見總裝配圖。
3.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于本機的復(fù)雜性，管線較多（包括清水管，清洗液管，電纜，數(shù)據(jù)線，控制線等），且為了安全性，設(shè)計復(fù)合纜。由于各個管路的功能不同，且方便控制，決定采用分開復(fù)合的方法[16]，結(jié)構(gòu)如圖9：
圖9復(fù)合攬結(jié)構(gòu)圖
Figure 9 Composite cable diagram
鋼絲繩是起重機上應(yīng)用最廣的撓性構(gòu)件，其優(yōu)點是：卷繞性好，承載能力大，對于沖擊載荷的承受能力也強，卷繞過程中平穩(wěn)，即使在卷繞速度高的情況下也無噪聲，由于繩股各鋼絲斷裂是逐漸發(fā)生的，一般不會發(fā)生整股鋼絲繩突然斷裂，工作時比較安全可靠[17]。在本復(fù)合纜中選用的型號：GB1102-74
所選鋼絲繩的破斷拉力應(yīng)滿足下面的條件：
(1)
—鋼絲繩破斷拉力（公斤）
—鋼絲繩工作時承受的最大靜拉力（公斤）
—根據(jù)機構(gòu)重要性，工作類型及載荷情況而定的鋼絲繩安全系數(shù)。
所選鋼絲繩為8，由資料查得此型號鋼絲繩破壞拉力為3130公斤。因此機構(gòu)為輕級起重機構(gòu)，所以選繩N=5?？紤]整個清洗機，由于體積較小，重量較輕，最大的靜拉力為400公斤。由公式(1)：
所以選用的鋼絲繩強度足夠。
4 清洗機器人風壓系統(tǒng)設(shè)計
4.1 采用風壓的意義
采用風壓作為洗刷壓力，可以避免因外墻材料和形狀的變化對穩(wěn)定性和可靠性的影響，即有障礙物，或者有突起，對壓力影響不大，提高了可靠性，對建筑物外形形狀的適應(yīng)性也更強[19]。
4.2 基本原理
采用正壓與負壓相結(jié)合，利用偏心壓緊，使清洗機的輪的一端先接觸墻面，形成一個相對小的腔體，再利用懸吊系統(tǒng)，使清洗機逐漸靠近墻面同時，風機電扇的旋轉(zhuǎn)，會使空氣流動，與外界大氣產(chǎn)生一定的壓力差，從而產(chǎn)生一定的負壓，使清洗機壓緊墻面。空氣流經(jīng)由進口導流器、收斂器、進入風扇，在離心力的作用下，流出蝸殼，與機體相碰撞，會產(chǎn)生一定的壓力，以減小空氣流的速度。隨著腔體的越來越小，和清洗液的涂抹，機體內(nèi)的壓強會越來越小，產(chǎn)生負壓，使清洗機壓緊墻面。當腔體很大時，空氣會流通暢快，產(chǎn)生正壓，使機體壓緊墻面。隨著腔體變小，空氣流速度減小，正壓減小，負壓增強，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，可得到所需的壓力，使清洗機具有一定壓力的貼在墻體表面，提供連續(xù)均勻的清洗力，通過調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)清洗力的大小 ，以達到最佳清洗效果。如對于玻璃墻面，采用低轉(zhuǎn)速，對于磚墻，采用高轉(zhuǎn)速，調(diào)速由電機的星—三角轉(zhuǎn)換完成[20]。
4.3 氣動計算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求
原始數(shù)據(jù)給定為：
箱體的長×寬×高=945×1080×540
其中的充氣體積為 V=240×80×335×27
=945×1080×540-240×80×335×27
=377460000mm3
=0.377m3
螺旋槳初定選用參數(shù)：
1. 螺旋槳直徑D的選擇：D約為1000mm.
2. 所選電機：選用普通的三相電機，由于螺旋槳的要求轉(zhuǎn)速較高，故選用風扇電機的功率為2.2×103W，額定電壓為380V，轉(zhuǎn)速為780r/min
3. 電機軸與螺旋槳直接用鍵和軸連接，輪轂和電機軸過盈配合由定位銷定位。因螺旋槳的洗刷壓力始終使螺旋槳壓向電機，不會甩脫[21]。
4. 被壓縮氣體進口條件下的容積效率為ηv =10%
流量
進口氣體參數(shù)為：P0=1.01×105Pa；T1=293K； C1=0.22m/s
技術(shù)要求為：
1.高效率；
2.尺寸小，重量輕；
3.變工況特性好；
4.使用壽命要求在8000小時以上；
5.結(jié)構(gòu)合理，運行安全可靠。
4.4風壓部分力學計算
風壓部分的吸附物體表面的力源，其中進口導流器的作用是使氣流以軸線方向或以所需方向進入下一級或固定容器，起著整流作用。收斂器的作用是使利用氣體自中心向外緣流動過程中有效流動面積的增加和減小；來達到增壓的目的，減小空氣流的速度。風扇的作用是產(chǎn)生離心力，使空氣向四周流動，增大空氣流的動能，使其對機體產(chǎn)生較大的沖擊力[22]。
假設(shè)有1/10V的氣體被抽出腔體，由氣體連續(xù)性方程：
(2)
氣體進口即進入導流器時的速度為：
(3)
忽略中間的損失，由氣體連續(xù)方程公式(4.1)可得：
(4)
ν2即為氣體進入風扇的進口速度。
氣體質(zhì)量流率為：
1 小時內(nèi)的氣體質(zhì)量為
電機功率為2.2kW
由動能定理可得：
(5)
氣體出口處與大氣相通，速度一般為10-15m/s,取
由流體力學動量定理知，單位時間內(nèi)流出控制面的動量與流入控制面的動量的差值，等于作用于控制面內(nèi)流體的全部外力之和[23]，即：
(6)
所產(chǎn)生的總的壓力為：
5 清洗機器人主要零件設(shè)計
5.1 直齒輪副的設(shè)計計算
5.1.1 齒輪的設(shè)計計算及強度校核
電動機驅(qū)動的閉式直齒圓柱齒輪傳動，標稱功率P=1.5kW,小齒輪轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，傳動比i=4.1許有4%的誤差,長時工作，預(yù)期壽命五年，每年按200天計。工作有輕微沖擊，齒輪對稱布置。
（1） 選材料確定初步參數(shù) 依據(jù)參考文獻[5]表5-5選材料
小齒輪：40Cr調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為260HBS
大齒輪：45鋼調(diào)質(zhì)，平均取齒面硬度為230HBS
（2） 初選齒數(shù) 取小齒輪齒數(shù)為=32，則大齒輪齒數(shù)為：
園整，為使u為除不盡的數(shù)取 =129
（3） 齒數(shù)比
驗算傳動比誤差，×100%=1.7%允許
（4） 選擇齒寬系數(shù)d和傳動精度等級 查參考文獻[5]表5-8得齒寬系數(shù)d=0.275
初估小齒輪直徑
則齒寬
齒輪圓周速度：
,
查參考文獻[5]表5-4可選擇精度等級為7級,
（5） 計算小齒輪轉(zhuǎn)矩
(7)
定重合度系數(shù)、
(8)
由公式(8)定重合度
=1.88-3.2×（1/32+1/129）=1.755
分別由參考文獻[7]中公式得
===0.865
=0.25+
（6） 確定載荷系數(shù)、
(9)
1) 使用系數(shù) 由參考文獻[6]表10-2查表，取=1.35
2) 動載系數(shù) 由參考文獻[6]圖10-8可查得，=1.14
3) 齒向載荷分布系數(shù),由參考文獻[6]圖10-4可取=1.29
4) 齒間載荷分配系數(shù)、根據(jù)條件
查參考文獻[6]表10-3得
=1/ Y=1/0.677=1.48
5) 載荷系數(shù) 、 由公式(9)可算得
5.1.2 齒面接觸疲勞強度計算
（1） 確定許用應(yīng)力[]
1) 總工作時間：
2) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、N由參考文獻[6]公式(10-13)及參考文獻[6]表10-18可計算查得：
3) 壽命系數(shù)、
由《機械設(shè)計手冊(第5版)》圖8.2-17 取=1 =1
4) 接觸疲勞極限 ：
由參考文獻[7]圖8.2-13 取=630MPa，=490MPa
5) 安全系數(shù) ：
參照參考文獻[7]照表8.2-13，取=1
6) 許用應(yīng)力[]、[]：
由參考文獻[7]式(8.2-15)
[]=
[]=
（2） 彈性系數(shù)：
由參考文獻[7]表8.2-11， 取=190
（3） 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ：
由參考文獻[7]圖8.2-12，取=2.5
（4） 求所需小齒輪直徑 由參考文獻[7]式（8.2-11）
=
符合初估數(shù)值
（5） 確定中心距、模數(shù)等主要幾何參數(shù)
1) 中心距a 初算中心距
園整取中心距a =200mm
2) 模數(shù)m 由中心距a及初選齒數(shù)、得
按標準取m=2.5mm
3) 分度圓直徑、
=m z=2.5×32=80mm
=m =2.5×129=322.5mm 取為=320mm
4) 確定齒寬
取大齒輪齒寬=b=22mm,小齒輪齒寬=32mm
5.1.3 齒根抗彎疲勞強度驗算
（1） 求許用彎曲應(yīng)力
1) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由以上計算可得
2) 壽命系數(shù)、 取= =1
3) 極限應(yīng)力 、
由圖9-21?。?220MPa =170MPa
4) 尺寸系數(shù) 由參考文獻[7]圖8.2-26，取=1
5) 安全系數(shù) 參照參考文獻[7]表8.2-13，取=1.5
6) 許用應(yīng)力、 由參考文獻[7]式(8.2-20)，許用彎曲應(yīng)力：
=
=
（2） 齒形系數(shù)、
由參考文獻[7]圖9-19，?。?=2.5
=2.15
（3） 應(yīng)力修正系數(shù)、
由參考文獻[7]圖9-20，?。?1.63
=1.82
（4）校核齒根抗彎曲疲勞強度 由參考文獻[7]式（8.2-17），齒根彎曲應(yīng)力
抗彎疲勞強度足夠。
5.1.4 齒面靜強度計算
(1) 確定許用接觸應(yīng)力：
參照參考文獻[7]表8.2-13，取靜強度安全系數(shù)
由參考文獻[7]圖8.2-17，取壽命系數(shù)
于是由參考文獻[7]式(8.2-21)，許用接觸應(yīng)力（大輪較低）
(2) 校核齒面靜強度
根據(jù)過載條件，由參考文獻[7]式(8.2-21)，齒面最大接觸應(yīng)力
齒面靜強度足夠。
5.1.5 齒根（抗彎）靜強度驗算
（1）確定許用彎曲應(yīng)力
參照參考文獻[7]表8.2-13，取靜強度安全系數(shù)
由參考文獻[7]圖8.2-25，取壽命系數(shù)
于是由參考文獻[7]式(8.2-22)，許用彎曲應(yīng)力
（2）求最大彎曲應(yīng)力并校核強度
由參考文獻[7]式(8.2-22)，最大彎曲應(yīng)力
靜強度滿足要求。
帶動兩個盤刷的齒輪對稱布置
5.2 錐齒輪副的設(shè)計計算
根據(jù)參考文獻[6] 2-369，材料選擇聚甲醛（均聚），參照參考文獻[7]第6卷
5.2.1 基礎(chǔ)尺寸確定
由小錐齒輪所傳遞轉(zhuǎn)距為,根據(jù)圖2.4-14和圖2.4-15選擇小齒輪大端分度圓直徑為，取大端模數(shù)。
則齒數(shù)：
軸交角
分錐角
外錐距：
齒寬系數(shù)取0.3，則齒寬： 取b=24mm
齒頂高：
齒根高：
齒高：
大端齒頂圓直徑：
(10)
齒根角：
齒頂角：
頂錐角：
根錐角：
冠頂距：
確定傳動的精度等級
初選平均切線速度
由參考文獻[7]Pg159 表8.2-5，選擇傳動等級為8級
5.2.2 確定載荷系數(shù)K:
使用系數(shù),由已知條件查表8.2-9，取
動載荷系數(shù),由圖8.2-6，取
齒向載荷分布系數(shù),按小錐齒輪懸臂[24]考慮取
載荷系數(shù)
5.2.3 齒面接觸疲勞強度計算
[1] 確定許用應(yīng)力
壽命系數(shù),由已知條件取
安全系數(shù),參照表[25]8.2-13，取
接觸疲勞極限
[2] 彈性系數(shù)
[3] 節(jié)點區(qū)域系數(shù)
[4] 小齒輪所需大端分度圓直徑,由參考文獻[7]式(8.2-44)
[5] 驗算速度
平均直徑：
平均線速度：
[6] 確定模數(shù)m:
5.2.4 齒根抗彎疲勞強度計算
（1） 確定許用彎曲應(yīng)力
1) 壽命系數(shù)
2) 安全系數(shù)
3) 尺寸系數(shù)
4) 極限應(yīng)力,取
5) 許用彎曲應(yīng)力
（2） 齒形系數(shù),
1) 分錐角
2) 當量齒數(shù):
3) 由參考文獻[7]圖8.2-19，取,
4) 應(yīng)力修正系數(shù)
由參考文獻[7]圖8.2-20 取，
5) 校核齒根抗彎疲勞強度由參考文獻[7]式8.2-46
(11)
(12)
(13)
三式聯(lián)立求得
滿足要求3
6 結(jié)論
高層壁面清洗機器人是一個實用性很強的項目，自從本世紀六十年代以來，爬壁機器人及其相關(guān)技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。作為高層建筑清洗用的爬壁機器人來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然設(shè)計雖然百花齊放，但在真正能用于實際工作方面的具體設(shè)計并不多。
本文針對壁面作業(yè)的特殊情況，在國內(nèi)外壁面自主移動機器人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種風壓吸附、單片機控制、自主移動的清洗機器人，本文主要進行了一下幾方面的工作得出了結(jié)論。
1) 設(shè)計了清洗機器人的清洗系統(tǒng)?？紤]到機器人的作業(yè)環(huán)境、清洗效率和環(huán)保要求，整個清洗作業(yè)系統(tǒng)包括滾刷系統(tǒng)、盤刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)，并采用沖洗、雙刷洗聯(lián)合作用的清潔作用方式。用于雙刷洗，有利于提高對水的利用率和清洗機器人的效率，減輕清洗機器人負載的重量
2) 設(shè)計出清洗機器人的移動和吸附系統(tǒng)。整個移動吸附系統(tǒng)包括移動機構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計和風壓吸附設(shè)計。本文采用四輪小車結(jié)構(gòu)、螺旋葉風壓組以及使用電驅(qū)動方式，有效的滿足負載承受能力、自由移動、越障和吸附功能。
參考文獻
[1] 于今, 劉雪飛. 一種新型爬壁機器人研究[J]. 液壓與氣動, 2010, (10), 2003:22-26
[2] 吳成東, 趙博宇, 陳莉. 一種基于DSP的爬壁機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 沈陽建筑大學學報(自然科學版), 2002:21-34
[3] 黃之峰, 王鵬飛, 李滿天等. 基于柔性靜電吸附技術(shù)的爬壁機器人研究[J]. 機械設(shè)計與制造. 2004:33-45
[4] 劉明芹, 戴永雄, 黃文攀等. 小型吸附式爬壁機器人機械結(jié)構(gòu)及平衡性[J]. 機械設(shè)計與制造. 2011:34-40
[5] 馬秋生. 機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 2010:37-50
[6] 濮良貴, 紀名剛. 機械設(shè)計(第八版)[M]. 北京：高等教育出版社. 2006:27-35
[7] 聞邦椿. 機械設(shè)計手冊(第5版)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 2010:35-67
[8] 楊老記,李俊武. 簡明機械制圖手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 2008:44-52
[9] 段正澄. 光機電一體化技術(shù)手冊（上）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 2010:23-35
[10] 談力士, 沈林勇. 垂直壁面行走機器人系統(tǒng)研制[J]. 機器人, 2004: 242-247.
[11] 廖廣奎，飛機清洗機器人“SKYWASH”[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用，1996:12-14.
[12] 鄭春崎. 國外機器人在建筑行業(yè)中的應(yīng)用[J]. 沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2005:301-306.
[13] 王積偉, 章宏甲, 黃誼. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2005:56-88
[14] 楊建元. 吸附性爬壁機器人研究[D]. 西安：西安工業(yè)大學, 2007:23-88.
[15] 唐伯雁. 自攀爬幕墻清洗機器人機械機構(gòu)的設(shè)計與研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學, 2005:34-78
[16] 胡啟寶. 多吸盤式玻璃幕墻清洗機器人本體設(shè)計[D]. 上海：上海大交通學, 2007:34-67
[17] 張海洪. 機器人壁面自動清洗系統(tǒng)的工程研究[D]. 上海：上海大學出版社, 2001:12-35
[18] 張鐵. 機器人學[M]. 廣州：華南理工大學出版社. 2001：23-66.
[19] 王榮華. 爬壁機器人設(shè)計及動力性能研究[D]. 沈陽大學, 2007:156-178
[20] 錢志源. 帶滑動式吸盤的爬壁機器人運動特性分析及其應(yīng)用研究[D]. 上海：交通大學, 2006:145-167.
[21] 吳宗澤, 羅圣國. 機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M]. 北京：高等教育出版社, 2003:1-163.
[22] 吳洪興, 趙言正, 高學山. 高樓玻璃幕墻清洗機器人作業(yè)系統(tǒng)的研究[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2002:34-78
[23] 謝存禧, 張鐵. 機器人技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2005:112-134
[24] 陳敏華. 機器人機構(gòu)的優(yōu)化綜合[J]. 機械設(shè)計, 2003:44-57.
[25] A.Nishi. Development of Wall-climbing robot[J]. Computer&Electrical Engineering, 2002, 22(2): 123-149.
致 謝
四年的大學生活匆匆而過，大學生活中的最后一項學習任務(wù)也即將結(jié)束。在這四年的大學生活中，我始終生活在老師的關(guān)懷和同學的幫助之中，尤其在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我更是深深感受了這一點。
本文是在熊瑛老師的精心指導下完成的。從畢業(yè)設(shè)計的選題到論文的結(jié)構(gòu)，再到論文的表述規(guī)范，熊老師都給予了非常悉心的知道和嚴格的要求。在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中，熊老師總是一絲不茍，不辭辛苦，按時為我們幾個學生做精心的指導和監(jiān)督。在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，國老師留給我最深的影響是老師她一心一意為學生負責的態(tài)度，令我深深敬佩。
同時感謝我的同學，在相互的探討中，使我受益匪淺，再他們的言語之中我也學到了一些新的知識，對課題有了更深層次的理解，對本次的設(shè)計來說是相當重要的。在此，我感謝他們對我的無私幫助。
我一直對我的老師心存感激，在這畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束的時候，我再一次對幫助我的老師們表示衷心的感謝，感謝老師們給我無私的幫助和嚴格的要求。
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