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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
高樓清洗機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系部名稱： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08-12
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職 稱： 講師
XXXX 學(xué) 院
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Mechanical and Electrical System of the Washing Machine
Candidate：
Specialty：Mechanical Design and Manufacturing
&Automation
Class：08-12
Supervisor：Lecturer
Institute of Technology
2012-06·
摘 要
近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展，樓層越來(lái)越高，使用玻璃幕墻的樓房也越來(lái)越多，避免清洗時(shí)一個(gè)很重要的問(wèn)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(jī)器人吊下，工作效率偏低，危險(xiǎn)性高，于是清洗用爬壁機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，本文的任務(wù)就是設(shè)計(jì)一種能夠在壁面上吸附行走的清洗機(jī)器人。
本文在簡(jiǎn)單介紹清洗機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于二維軟件CAD對(duì)四輪式風(fēng)壓吸附清洗機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算及校核計(jì)算，重點(diǎn)是爬壁機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)、吸附結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。
本文設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人采用四輪式小車形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用風(fēng)壓吸附方式，利用螺旋槳對(duì)空氣的壓縮所產(chǎn)生的壓力將機(jī)器人壓在物體表面，避免了清晰機(jī)器人對(duì)壁面的局限，降低了控制難度；清洗機(jī)主要由伺服懸吊系統(tǒng)、清洗主機(jī)和由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成；采用無(wú)人化清洗，自動(dòng)清洗，自動(dòng)供水，自動(dòng)供清洗液，單片機(jī)系統(tǒng)控制，操作人員只需通過(guò)鍵盤(pán)即可操縱清洗機(jī)工作，而且在清洗過(guò)程中，清洗機(jī)能夠自動(dòng)進(jìn)行邊緣識(shí)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(dòng)，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后輪，后輪帶動(dòng)前輪完成機(jī)器人的行走，使用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)裝置作為減速器；采用樓頂供電；機(jī)器人可以在水平面或者垂直表面直線行走。本機(jī)的清洗效率較高，清洗效果良好。
關(guān)鍵詞：清洗機(jī)器人；減速器設(shè)計(jì)；風(fēng)壓吸附；單片機(jī)控制；齒輪機(jī)構(gòu)；電機(jī)控制；刷洗；
Ⅰ
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；Reducer Design；Pressure Adsorption Mode；MCU Control；Gear mechanism；Motor control；Scrub；
Ⅱ
目 錄
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論………………………………………………………………………………1
1.1 課題研究的目的和意義…………………………………………………………1
1.2 課題研究現(xiàn)狀及分析……………………………………………………………1
1.2.1 國(guó)外壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀……………………………………………1
1.2.2 國(guó)內(nèi)壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀……………………………………………2
1.3 高層建筑外墻清洗機(jī)發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………4
1.4 課題的研究設(shè)想…………………………………………………………………4
第2章 清洗機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)…………………………………………………5
2.1 對(duì)樓頂樓面的實(shí)際考察…………………………………………………………5
2.1.1樓面結(jié)構(gòu)考察……………………………………………………………5
2.1.2 樓頂?shù)膶?shí)際考察……………………………………………………………5
2.2 清洗機(jī)器人的總體方案…………………………………………………………6
2.3 清洗機(jī)器人清洗系統(tǒng)方案………………………………………………………7
2.4 清洗機(jī)器人爬壁系統(tǒng)方案………………………………………………………8
2.5 清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)方案………………………………………………………8
2.5.1設(shè)計(jì)的基本原則……………………………………………………………8
2.5.2可供選擇的設(shè)計(jì)方案………………………………………………………8
2.5.3方案的分析…………………………………………………………………8
2.6 其它部分方案……………………………………………………………………9
2.6.1材料選擇……………………………………………………………………9
2.6.2 輪的潤(rùn)滑問(wèn)題………………………………………………………………9
2.6.3 軸承的潤(rùn)滑問(wèn)題……………………………………………………………9
2.7 本章小結(jié)…………………………………………………………………………9
第3章 清洗機(jī)器人清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………10
3.1 清洗機(jī)器刷洗部分設(shè)計(jì)…………………………………………………………10
3.1.1 盤(pán)刷設(shè)計(jì)……………………………………………………………………10
3.1.2 滾刷設(shè)計(jì)……………………………………………………………………11
3.1.3刷洗部分所用彈簧的設(shè)計(jì)…………………………………………………11
3.2 內(nèi)空心軸設(shè)計(jì)……………………………………………………………………12
3.3 清洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………13
3.4 主機(jī)上傳感器及行程開(kāi)關(guān)的選擇………………………………………………13
3.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………14
3.6 本章小結(jié)…………………………………………………………………………14
第4章 清洗機(jī)器人風(fēng)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………15
4.1 采用風(fēng)壓的意義…………………………………………………………………15
4.2 基本原理…………………………………………………………………………15
4.3 氣動(dòng)計(jì)算的原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求………………………………………………15
4.4 風(fēng)壓部分力學(xué)計(jì)算………………………………………………………………16
4.5 本章小結(jié)…………………………………………………………………………16
第5章 清洗機(jī)器人主要零件設(shè)計(jì)…………………………………………………18
5.1 直齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………18
5.1.1 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核………………………………………………18
5.1.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算…………………………………………………20
5.1.3 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算……………………………………………………21
5.1.4 齒面靜強(qiáng)度計(jì)算……………………………………………………………22
5.1.5 齒根（抗彎）靜強(qiáng)度驗(yàn)算…………………………………………………23
5.2 錐齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………24
5.2.1 基礎(chǔ)尺寸確定……………………………………………………………24
5.2.2 確定載荷系數(shù)K…………………………………………………………25
5.2.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算…………………………………………………25
5.2.4 齒根抗彎疲勞強(qiáng)度計(jì)算…………………………………………………26
5.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………26
第6章 清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………28
6.1 控制部分的基本組成……………………………………………………………28
6.2 控制部分工作原理………………………………………………………………29
6.3 驅(qū)動(dòng)部分工作原理………………………………………………………………30
6.4 控制軟件的實(shí)現(xiàn)…………………………………………………………………30
6.4.1 主機(jī)+POD組合……………………………………………………………30
6.4.2 雙平臺(tái)………………………………………………………………………31
6.5 軟件的結(jié)構(gòu)………………………………………………………………………31
6.5.1 軟件的主體結(jié)構(gòu)……………………………………………………………31
6.5.2 軟件功能模塊的劃分………………………………………………………31
6.6 控制系統(tǒng)軟件程序的實(shí)現(xiàn)………………………………………………………32
6.6.1 伺服懸吊系統(tǒng)部分………………………………………………………32
6.6.2 清洗機(jī)主機(jī)部分…………………………………………………………32
6.7 本章小結(jié)…………………………………………………………………………33
結(jié)論………………………………………………………………………………………34
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………35
致謝………………………………………………………………………………………37
附錄………………………………………………………………………………………38
第1章 緒 論
1.1 課題研究的目的和意義
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(lái)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(fēng)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(lái)越多的采用玻璃幕墻結(jié)構(gòu)沒(méi)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(guó)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(dāng)危險(xiǎn)，如遇強(qiáng)空氣流，對(duì)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(dòng)機(jī)器來(lái)取代人工作業(yè)。
高層外墻清洗機(jī)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(dòng)進(jìn)行物體表面的清洗。它的出現(xiàn)及進(jìn)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(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，并帶來(lái)相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
1.2 課題研究現(xiàn)狀及分析
工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)。
服務(wù)機(jī)器人主要涉及清洗、運(yùn)送、監(jiān)視、檢查和探測(cè)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(jī)器人應(yīng)用最廣的領(lǐng)域之一。而高樓林立的今天，更需要爬壁清洗機(jī)器人的技術(shù)可以得到不斷改進(jìn)和提高。
1.2.1 國(guó)外壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀
第一個(gè)成功制造出來(lái)的清洗機(jī)器人是德國(guó)漢薩斯航空公司委托制作的“SKYWAH”（清洗巨人），如圖1.1所示。其主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)作用距離為33米的多關(guān)節(jié)巨型伸縮臂，有11個(gè)自由度，6個(gè)主軸，3個(gè)腕關(guān)節(jié)及兩個(gè)自適應(yīng)軸，總共12個(gè)可編程序軸。余的運(yùn)動(dòng)鏈系使得它可以做各復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，而其結(jié)構(gòu)不會(huì)有任何變化。所有軸均由液壓驅(qū)動(dòng)并采用抗拉鋼材，因而其結(jié)構(gòu)重量輕。清洗刷長(zhǎng)1.2m，定位精度為50mm,滾刷與飛機(jī)外形精確匹配。該機(jī)器人安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)汽車地盤(pán)上，可以從四個(gè)位置出發(fā)，機(jī)器人在人的監(jiān)視下按照預(yù)定的模式運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)飛機(jī)幾乎所有表面的清洗工作。其特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機(jī)。
日本BE公司成功研制的一種固定軌道式自動(dòng)擦窗機(jī)器人，機(jī)器人靠安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跹b系統(tǒng)使擦窗機(jī)對(duì)準(zhǔn)窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導(dǎo)槽垂直上下移動(dòng)進(jìn)行清洗，清洗機(jī)構(gòu)帶有多個(gè)旋盤(pán)刷。該設(shè)備的自動(dòng)化程度的效率都很高，但價(jià)格也很昂貴。另外，要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進(jìn)去，鋪設(shè)軌道，這大大限制了該機(jī)器人的使用范圍及效率。
圖1.1 SKYWAH 圖1.2 IPA自動(dòng)清洗機(jī)
德國(guó)馬格堡的弗勞恩霍費(fèi)爾自動(dòng)控制與操作研究所（IPA）是德國(guó)主要的生產(chǎn)及自動(dòng)化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自動(dòng)系統(tǒng)。圖1.2所示是其中之一，對(duì)柏林新建火車站的巨大玻璃隧道進(jìn)行了自動(dòng)清洗。該機(jī)器人懸掛在水平的橫向軌道上，可沿軌道左右移動(dòng)，同時(shí)橫向軌道可以沿垂直導(dǎo)槽上下移動(dòng)，從而完成對(duì)整塊玻璃的清洗。
德國(guó)的Fraunhofer研究所研制了一種名為SIRIUSC壁面清洗機(jī)器人。該機(jī)器人作業(yè)時(shí)在機(jī)器人上方的建筑物頂部有一個(gè)隨動(dòng)小車，該小車除了起一個(gè)安全作用外，還是機(jī)器人位移的定位裝置，機(jī)器人只能做上下運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)靠隨動(dòng)小車牽引實(shí)現(xiàn)。爬行機(jī)構(gòu)是基于兩隊(duì)線性模塊上，每個(gè)模塊裝有幾個(gè)真空吸盤(pán)，每對(duì)模塊有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機(jī)器人“Sky Washer”,它重19.95kg，約0.9×0.9m，該機(jī)器人的移動(dòng)由兩組L型框架相對(duì)滑動(dòng)，交替吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)，每組框架有三只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤(pán)，吸盤(pán)相對(duì)于壁面可以作直線運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人允許橫向移動(dòng)，并可跨越一定高度的障礙。同時(shí)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(guó)、西班牙、以色列、新加坡、奧地利、俄羅斯、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家相繼開(kāi)展了壁面清洗機(jī)器人的研究。
1.2.2 國(guó)內(nèi)壁面清洗機(jī)器人研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國(guó)研究和發(fā)展機(jī)器人始于七十年代初。1975年在北京舉辦的日本科技展覽會(huì)上，川崎重工公司首先在中國(guó)展出了工業(yè)機(jī)器人，以此為起點(diǎn)，我國(guó)掀起了第一個(gè)研制機(jī)器人的浪潮。上海大學(xué)從1987年開(kāi)始在上海市科委和國(guó)家“863”的支持下，率先從事爬壁機(jī)器人的研究，此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也相繼在幕墻清洗、高空檢查、鍋爐水冷壁檢測(cè)、大橋拉索涂裝和維護(hù)等領(lǐng)域開(kāi)展研究。
自1988年以來(lái)，上海大學(xué)先后研制了玻璃窗清洗機(jī)器人和球形爬壁機(jī)器人。前者采用多層框架式機(jī)構(gòu)，真空吸盤(pán)吸附，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但重量大，且沒(méi)有裝備清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤(pán)，設(shè)計(jì)者從滿足穩(wěn)定性和控制復(fù)雜程度的綜合，考慮到吸盤(pán)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(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種全方位越障機(jī)構(gòu)，大幅度提高了機(jī)器人的越障能力。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)也是國(guó)內(nèi)壁面移動(dòng)機(jī)器人研究較早的單位，在國(guó)家“863”智能機(jī)器人的支持下，已經(jīng)先后開(kāi)發(fā)出兩個(gè)系列共5個(gè)品種的爬壁機(jī)器人。較早完成的是輪式負(fù)壓吸附壁面爬行遙控檢查機(jī)器人，如圖1.3所示。該機(jī)器人采用雙輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主體下部是一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng)密封式負(fù)壓吸盤(pán)。清洗機(jī)構(gòu)置于尾部，同時(shí)還設(shè)有卷?yè)P(yáng)機(jī)，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(jì)，對(duì)壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運(yùn)動(dòng)，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。
圖1.3 輪式負(fù)壓遙控機(jī)器人 圖1.4 CLEANBOT-Ⅰ
北京航空航天大學(xué)自1996年以來(lái)，在國(guó)家“863”計(jì)劃的大力資助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機(jī)器人”、“吊籃式擦窗機(jī)器人”、 “藍(lán)天潔寶”等系列幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。前三種均為全自動(dòng)清洗機(jī)器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)的腰關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)整，如圖1.4所示。之后北航又推出藍(lán)天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機(jī)器人。
2000年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機(jī)器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機(jī)器人，但重量小的多，僅有20kg。該機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動(dòng)密封負(fù)壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動(dòng)的雙車體結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001年研制開(kāi)發(fā)的“吊籃式擦窗機(jī)器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進(jìn)行作業(yè)?！八{(lán)天潔寶”屬于被動(dòng)清洗機(jī)器人，使用大面積負(fù)壓吸盤(pán)吸附，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
香港大學(xué)和內(nèi)地大學(xué)合作，研制了一系列高樓清洗爬壁機(jī)器人。Cleanbot-Ⅰ采用北航機(jī)器人原型，Cleanbot-Ⅱ采用了一種仿坦克的爬壁機(jī)器人原型設(shè)計(jì)。該機(jī)器人采用多個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)組成的吸附機(jī)構(gòu)和單鏈條爬行及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以在玻璃幕墻和船殼等墻面上連續(xù)爬行，并有一定的越障能力。
1.3高層建筑外墻清洗機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
由于清洗工作環(huán)境及任務(wù)的特殊性，清洗爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求相當(dāng)苛刻。其總的設(shè)計(jì)原則是：減輕重量，降低造價(jià)，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(jī)的工作環(huán)境來(lái)看，其主機(jī)可能有兩個(gè)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(jiǎn)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(dòng)作、控制都很復(fù)雜。
其三：以壁面機(jī)器人為載體，配以專用的清洗機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)不同壁面機(jī)構(gòu)。
1.4 課題的研究設(shè)想
參閱相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)資料，高層建筑外墻清洗機(jī)主要由伺服懸吊系統(tǒng)、清洗主機(jī)和由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮為清洗提供足夠的壓墻力、刷洗部件設(shè)計(jì)、清洗液的噴灑和臟液體的收集、對(duì)左右邊緣和上下行程的識(shí)別、行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算。
第2章 清洗機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
2.1 對(duì)樓頂樓面的實(shí)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(jì)任務(wù)，我們參觀了哈爾濱幾處典型的高層建筑。并且查閱了多種關(guān)于高層建筑和以往對(duì)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(jì)開(kāi)發(fā)高層建筑外墻清洗機(jī)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(jī)主要由樓頂?shù)碾S動(dòng)小車和清洗主機(jī)部分組成，并且采用單片機(jī)控制。樓頂?shù)碾S動(dòng)小車在樓頂上預(yù)裝的軌道上行走，可使懸吊的清洗機(jī)部件實(shí)現(xiàn)縱洗和橫洗；清洗機(jī)部件利用風(fēng)壓使之貼在墻壁上，通過(guò)盤(pán)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(jì)軌道、變向、壓緊和清洗液的輸送、回收等問(wèn)題。
幾種典型建筑物樓面結(jié)構(gòu)如圖2.1：
圖2.1 樓面結(jié)構(gòu)
2.1.2 樓頂?shù)膶?shí)際考察
幾種典型建筑物樓頂結(jié)構(gòu)如圖2.2：
圖2.2 樓頂結(jié)構(gòu)
2.2 清洗機(jī)器人的總體方案
根據(jù)清洗機(jī)器人清洗作業(yè)的要求，機(jī)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(jī)器人還必須在高層建筑物表面進(jìn)行吸附和移動(dòng)，因此清洗機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機(jī)器人清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。
主機(jī)主要由箱體，支撐架，防護(hù)罩，刷子，電機(jī)，螺旋槳風(fēng)壓系統(tǒng)，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。，通過(guò)螺旋槳風(fēng)壓系統(tǒng)使主機(jī)吸附在墻面上，并使刷子壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到刷洗的目的。
主機(jī)有一懸吊支撐架，其外側(cè)與懸吊系統(tǒng)相連，可調(diào)風(fēng)壓系統(tǒng)安裝在懸吊支撐架背后，風(fēng)壓系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋漿轉(zhuǎn)速控制清洗力，懸吊支撐架通過(guò)一圓導(dǎo)軌和箱體（其上安裝兩盤(pán)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(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行以90°為單位的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)橫洗和縱洗的轉(zhuǎn)換。箱體上有兩個(gè)圓盤(pán)形清洗刷，盤(pán)刷底部都有十二個(gè)清洗液噴射孔，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(guò)的部位快速風(fēng)干并避免留下來(lái)的清洗液腐蝕墻面。箱體上還有一電機(jī)通過(guò)錐形齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)傳到其中一個(gè)盤(pán)型清洗刷上，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給另一盤(pán)刷，所以兩盤(pán)刷轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，可以達(dá)到更好的清洗效果，圓柱形滾刷是由電機(jī)尾部的軸通過(guò)V帶驅(qū)動(dòng)的。在懸吊支撐架上有防護(hù)罩，防止清洗液四濺。清水，清洗液，電機(jī)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(fēng)壓支架上有配重塊，配重塊可以沿光杠絲杠移動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)配重塊可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡，以達(dá)到減小震動(dòng)的效果。在清洗機(jī)主體的上下部安放超聲波傳感器，以進(jìn)行邊緣識(shí)別。箱體上裝有兩對(duì)滾輪，滾輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)，而轉(zhuǎn)向通過(guò)箱體的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
2.3 清洗機(jī)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(jiǎn)圖如圖2.3：
此種方案采用負(fù)壓履帶吸盤(pán)式盤(pán)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?jī)蓧K瓷磚之間都有4～5毫米的縫隙，密封不可靠。
圖2.3 結(jié)構(gòu)一 圖2.4 結(jié)構(gòu)二
第二種：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.4：
這種方案采用了風(fēng)壓式壓緊，盤(pán)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(dòng)的需要，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,風(fēng)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(dòng)問(wèn)題。但可以考慮配重問(wèn)題。
第三種：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.5：
圖2.5 結(jié)構(gòu)三
這種方案吸取了第二種方案的優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)的改變，使振動(dòng)的問(wèn)題減小，機(jī)體尺寸減小。
這種方案為螺旋槳風(fēng)壓式高層建筑外墻清洗機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：① 在清洗機(jī)外機(jī)架背后安裝可調(diào)風(fēng)壓系統(tǒng)來(lái)提供連續(xù)均勻的清洗力，螺旋槳可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制清洗壓力；② 機(jī)架內(nèi)采用一清洗系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)裝置，方便的實(shí)現(xiàn)了縱橫兩不同清洗方向的調(diào)整，減少非作業(yè)時(shí)間，增加了工作柔性，大大提高了工作效率；③ 應(yīng)用兩盤(pán)兩滾相結(jié)合的清洗方式，清洗液和清水分別由盤(pán)刷和滾刷提供以達(dá)到最佳清洗效果。
綜合比較以上三種方案，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由于對(duì)于墻面的壓力要求大，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，最后我決定用第三種方案。
通過(guò)螺旋槳風(fēng)壓系統(tǒng)使主機(jī)吸附在墻面上，并使盤(pán)刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)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。滾刷噴的是清水，將墻面沖洗干凈，以避免留下來(lái)的清洗機(jī)腐蝕墻面，同時(shí)盤(pán)刷和滾刷采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減小了清洗主機(jī)的重量，清潔度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤(pán)兩滾結(jié)構(gòu)可減少不必要的回程時(shí)間，以達(dá)到提高效率的目的。
2.4 清洗機(jī)器人爬壁系統(tǒng)方案
本方案通過(guò)螺旋槳風(fēng)壓系統(tǒng)使主機(jī)吸附在墻面上，并使盤(pán)刷和滾刷壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)刷子轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)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。滾刷噴的是清水，將墻面沖洗干凈，以避免留下來(lái)的清洗機(jī)腐蝕墻面，同時(shí)盤(pán)刷和滾刷采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減小了清洗主機(jī)的重量，清潔度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤(pán)兩滾結(jié)構(gòu)可減少不必要的回程時(shí)間，以達(dá)到提高效率的目的。
2.5 清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)方案
2.5.1設(shè)計(jì)的基本原則
軟件為硬件服務(wù)，硬件根據(jù)軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，軟硬結(jié)合以達(dá)到最好的工作狀態(tài)。
2.5.2可供選擇的設(shè)計(jì)方案
第一個(gè)方案：?jiǎn)螜C(jī)控制，即由一個(gè)單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng),由這個(gè)單片機(jī)完成清洗機(jī)主機(jī)和伺服懸吊系統(tǒng)的整個(gè)控制。
第二個(gè)方案：雙機(jī)控制，既由兩個(gè)單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)單片機(jī)用于伺服懸吊系統(tǒng)的控制，另一個(gè)單片機(jī)用于清洗機(jī)主機(jī)的控制，這兩個(gè)單片機(jī)互相通信，沒(méi)有主次之分，它們互相執(zhí)行對(duì)方發(fā)出的指令，并分別向?qū)Ψ椒祷貭顟B(tài)信息。
第三個(gè)方案：主從控制，既由兩個(gè)單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)單片機(jī)用于伺服懸吊系統(tǒng)的控制，另一個(gè)單片機(jī)用于清洗機(jī)主機(jī)的控制。伺服懸吊系統(tǒng)單片機(jī)作為主機(jī)，清洗機(jī)主機(jī)單片機(jī)作為從屬機(jī)，由伺服懸吊系統(tǒng)單片機(jī)向清洗機(jī)主機(jī)單片機(jī)發(fā)出控制指令，清洗機(jī)主機(jī)單片機(jī)執(zhí)行指令，但并不向伺服懸吊系統(tǒng)單片機(jī)返回狀態(tài)信息。
2.5.3方案的分析
第一個(gè)方案，適用于簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，由一個(gè)單片機(jī)就能完成所有的工作。所有的被控器件動(dòng)作距離小，沒(méi)有大距離的移動(dòng)，不需要遠(yuǎn)距離通信。這種系統(tǒng)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，成本低，但功能有限。
第二個(gè)方案，適用于大規(guī)模復(fù)雜的控制系統(tǒng)，單片機(jī)之間互相交互，協(xié)同工作。能完成復(fù)雜的控制，可以允許受控器件做大距離的移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化控制，自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)程度高。但成本高，制作技術(shù)要求高，實(shí)現(xiàn)比較困難，并且在運(yùn)距離通信時(shí)需要確保通信的穩(wěn)定，不失真，并且要有出錯(cuò)檢測(cè)和信息數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制。
第三個(gè)方案，適用中等規(guī)模的控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的控制，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)不是很復(fù)雜，技術(shù)要求不是很高，無(wú)需確認(rèn)，不用出錯(cuò)檢測(cè)和信息數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制，能夠允許受控器件做中等規(guī)模的距離移動(dòng)。是一般控制系統(tǒng)的可選方案。
綜合優(yōu)缺點(diǎn)，本控制系統(tǒng)采用第三種控制方案。
2.6 其它部分方案
2.6.1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。
整個(gè)及其涉及到齒輪減速器的地方，齒輪的材料經(jīng)過(guò)篩選與比較采用聚甲醛（均聚），見(jiàn)《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè)》P.244。
本機(jī)的各個(gè)傳動(dòng)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(jī)架的材料采用鋁合金。
其他機(jī)件的選擇根據(jù)通常材料在重量最輕原則下進(jìn)行確定。
2.6.2 輪的潤(rùn)滑問(wèn)題
由于齒輪的材料已確定為聚甲醛，據(jù)《機(jī)械工程手冊(cè)》（第二版）2-369，其工作要求少潤(rùn)滑或無(wú)潤(rùn)滑，。故不考慮齒輪的潤(rùn)滑問(wèn)題。
2.6.3 軸承的潤(rùn)滑問(wèn)題
大空心軸的轉(zhuǎn)速較低為400r/min,鼓起潤(rùn)滑方式應(yīng)為脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑脂為鈣機(jī)潤(rùn)滑脂。
注：以上潤(rùn)滑脂的選擇見(jiàn)《非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》P.582。
2.7 本章小結(jié)
本章確定了設(shè)計(jì)清洗機(jī)器人的總體方案。根據(jù)作業(yè)環(huán)境，對(duì)機(jī)器人從清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，選型和參數(shù)的確定。最后請(qǐng)教導(dǎo)師對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行校正，以確定設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性。
第3章 清洗機(jī)器人清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 清洗機(jī)器刷洗部分設(shè)計(jì)
按照任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)要求：清洗速度0.2m2/s。
3.1.1 盤(pán)刷設(shè)計(jì)
1）盤(pán)刷
采用在塑料體上在塑料毛的盤(pán)刷，其具有一定的彈性和剛度，可保證一定的壓緊力來(lái)清洗墻面，同時(shí)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(guò)。刷子半徑214，有毛半徑208，刷毛長(zhǎng)度為50，盤(pán)刷與聯(lián)刷體可通過(guò)螺栓來(lái)裝配連接。
2）聯(lián)刷體
采用聯(lián)刷體的目的：
[1] 使電機(jī)與盤(pán)刷連接起來(lái);
[2] 使盤(pán)刷具有可換性；
[3] 可調(diào)節(jié)盤(pán)刷與墻面的距離；
聯(lián)刷體保證與電機(jī)連接處的強(qiáng)度、材料應(yīng)盡量輕，其結(jié)構(gòu)如圖3.1：
圖3.1 聯(lián)刷體
3）盤(pán)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(shí)，趁著殼體還為硬化，用機(jī)械方法把刷毛植進(jìn)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(mén)植毛機(jī)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(lái)，這樣整個(gè)植毛工藝就完成了。
根據(jù)上述原理，盤(pán)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(jì)
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(guò)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(zhǎng)度為940。滾刷結(jié)構(gòu)如圖3.2：
圖3.2 滾刷
為了控制的方便，減輕主機(jī)的重量，應(yīng)盡量減輕電機(jī)的數(shù)量，所以盤(pán)刷、滾刷共用一雙輸出軸電機(jī)，中間用齒輪和V帶傳動(dòng)；從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，采用普通的三相電機(jī)，帶動(dòng)兩盤(pán)兩滾共四個(gè)清洗刷。
依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，取洗刷的壓強(qiáng)為螺旋槳工作壓力為20公斤力。四個(gè)角輪 分別承受3公斤力。盤(pán)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(duì)盤(pán)刷求積分轉(zhuǎn)矩為 :
1) 洗力矩：
盤(pán)刷：
兩個(gè)刷子的轉(zhuǎn)矩：
滾刷：
所需總的刷洗力矩：
2) 初定盤(pán)刷轉(zhuǎn)速：360r/min
根據(jù)刷洗力矩，型號(hào)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(jì)
1）彈簧的種類：采用圓柱螺旋壓縮彈簧;
2) 彈簧的材料：根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用碳素彈簧鋼；
3）彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
[1] 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取彈簧的工作圈數(shù)
[2] 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取彈簧絲直徑：，
允許極限負(fù)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(kāi)長(zhǎng)度：
[3] 計(jì)算數(shù)據(jù)
彈簧中徑：
彈簧內(nèi)徑：
彈簧間隙：
彈簧總展開(kāi)長(zhǎng)度：
螺旋角：
彈簧自由高度：
允許極限負(fù)載時(shí)彈簧高度：
彈簧旋向：左旋右旋均可
3.2 內(nèi)空心軸設(shè)計(jì)
為了在盤(pán)刷中心噴清洗液，并使噴嘴不隨盤(pán)刷轉(zhuǎn)動(dòng)，需在盤(pán)刷內(nèi)用滾動(dòng)軸承固定?？招妮S的一端連接盤(pán)刷體，另一端與水管相連，在盤(pán)刷體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空心軸固定不動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3.3：
圖3.3 空心軸
工作時(shí)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(qiáng)度的計(jì)算。
3.3 清洗機(jī)主機(jī)滾輪的設(shè)計(jì)
當(dāng)清洗機(jī)工作時(shí)，風(fēng)機(jī)向后吹出強(qiáng)大的高速氣流，把清洗機(jī)壓向墻面，與墻面接觸的盤(pán)刷和滾刷都為柔性件，太大的壓力會(huì)使刷毛彎曲過(guò)多，損壞加劇，所以大部分壓力應(yīng)由滾輪來(lái)承擔(dān)，同時(shí)也增大了滾輪與墻面之間的摩擦力。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，清洗機(jī)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。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖3.4：
圖3.4 清洗機(jī)主機(jī)滾輪結(jié)構(gòu)圖
3.4 主機(jī)上傳感器及行程開(kāi)關(guān)的選擇
為了增強(qiáng)清洗機(jī)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在清洗機(jī)主機(jī)上安裝傳感器，以識(shí)別墻面的材料，來(lái)確定清洗機(jī)的進(jìn)退預(yù)停止。通過(guò)查手冊(cè)《傳感器技術(shù)》,選用德國(guó)TURCK公司生產(chǎn)的超聲波傳器，其特點(diǎn)：有效作用距離大，與被測(cè)物的顏色、周圍環(huán)境無(wú)關(guān)，具有開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)煞N輸出，有利于控制。
在清洗機(jī)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(kāi)關(guān)，結(jié)構(gòu)可見(jiàn)總裝配圖,該行程開(kāi)關(guān)型號(hào)為：LX32-SS , 它具有彈性環(huán)節(jié)，可以緩沖猛烈的沖擊，并給單片機(jī)控制系統(tǒng)一個(gè)輸入信號(hào)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)識(shí)別后，處理中斷，加強(qiáng)自動(dòng)化，保護(hù)主機(jī)。
3.5復(fù)合纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于本機(jī)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(jì)復(fù)合纜。由于各個(gè)管路的功能不同，且方便控制，決定采用分開(kāi)復(fù)合的方法，結(jié)構(gòu)如圖3.5：
圖3.5復(fù)合攬結(jié)構(gòu)圖
鋼絲繩是起重機(jī)上應(yīng)用最廣的撓性構(gòu)件，其優(yōu)點(diǎn)是：卷繞性好，承載能力大，對(duì)于沖擊載荷的承受能力也強(qiáng)，卷繞過(guò)程中平穩(wěn)，即使在卷繞速度高的情況下也無(wú)噪聲，由于繩股各鋼絲斷裂是逐漸發(fā)生的，一般不會(huì)發(fā)生整股鋼絲繩突然斷裂，工作時(shí)比較安全可靠。在本復(fù)合纜中選用的型號(hào)：GB1102-74
所選鋼絲繩的破斷拉力應(yīng)滿足下面的條件：
(3.1)
—鋼絲繩破斷拉力（公斤）
—鋼絲繩工作時(shí)承受的最大靜拉力（公斤）
—根據(jù)機(jī)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(hào)鋼絲繩破壞拉力為3130公斤。因此機(jī)構(gòu)為輕級(jí)起重機(jī)構(gòu)，所以選繩N=5。考慮整個(gè)清洗機(jī)，由于體積較小，重量較輕，最大的靜拉力為400公斤。由公式(3.1)：
所以選用的鋼絲繩強(qiáng)度足夠。
3.6 本章小結(jié)
本章確定了刷洗部件(盤(pán)刷、洗刷)的尺寸及其他部件的設(shè)計(jì)，應(yīng)用雙刷系統(tǒng)，有利于對(duì)水的利用效率。
第4章 清洗機(jī)器人風(fēng)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 采用風(fēng)壓的意義
采用風(fēng)壓作為洗刷壓力，可以避免因外墻材料和形狀的變化對(duì)穩(wěn)定性和可靠性的影響，即有障礙物，或者有突起，對(duì)壓力影響不大，提高了可靠性，對(duì)建筑物外形形狀的適應(yīng)性也更強(qiáng)。
4.2 基本原理
采用正壓與負(fù)壓相結(jié)合，利用偏心壓緊，使清洗機(jī)的輪的一端先接觸墻面，形成一個(gè)相對(duì)小的腔體，再利用懸吊系統(tǒng)，使清洗機(jī)逐漸靠近墻面同時(shí)，風(fēng)機(jī)電扇的旋轉(zhuǎn)，會(huì)使空氣流動(dòng)，與外界大氣產(chǎn)生一定的壓力差，從而產(chǎn)生一定的負(fù)壓，使清洗機(jī)壓緊墻面?？諝饬鹘?jīng)由進(jìn)口導(dǎo)流器、收斂器、進(jìn)入風(fēng)扇，在離心力的作用下，流出蝸殼，與機(jī)體相碰撞，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力，以減小空氣流的速度。隨著腔體的越來(lái)越小，和清洗液的涂抹，機(jī)體內(nèi)的壓強(qiáng)會(huì)越來(lái)越小，產(chǎn)生負(fù)壓，使清洗機(jī)壓緊墻面。當(dāng)腔體很大時(shí)，空氣會(huì)流通暢快，產(chǎn)生正壓，使機(jī)體壓緊墻面。隨著腔體變小，空氣流速度減小，正壓減小，負(fù)壓增強(qiáng)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，可得到所需的壓力，使清洗機(jī)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(guò)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(dá)到最佳清洗效果。如對(duì)于玻璃墻面，采用低轉(zhuǎn)速，對(duì)于磚墻，采用高轉(zhuǎn)速，調(diào)速由電機(jī)的星—三角轉(zhuǎn)換完成。
4.3 氣動(dòng)計(jì)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(zhǎng)×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(jī)：選用普通的三相電機(jī)，由于螺旋槳的要求轉(zhuǎn)速較高，故選用風(fēng)扇電機(jī)的功率為2.2×103W，額定電壓為380V，轉(zhuǎn)速為780r/min
3. 電機(jī)軸與螺旋槳直接用鍵和軸連接，輪轂和電機(jī)軸過(guò)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(jī)，不會(huì)甩脫。
4. 被壓縮氣體進(jìn)口條件下的容積效率為ηv =10%
流量
進(jìn)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(shí)以上；
5.結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行安全可靠。
4.4風(fēng)壓部分力學(xué)計(jì)算
風(fēng)壓部分的吸附物體表面的力源，其中進(jìn)口導(dǎo)流器的作用是使氣流以軸線方向或以所需方向進(jìn)入下一級(jí)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(dòng)過(guò)程中有效流動(dòng)面積的增加和減?。粊?lái)達(dá)到增壓的目的，減小空氣流的速度。風(fēng)扇的作用是產(chǎn)生離心力，使空氣向四周流動(dòng)，增大空氣流的動(dòng)能，使其對(duì)機(jī)體產(chǎn)生較大的沖擊力。
假設(shè)有1/10V的氣體被抽出腔體，由氣體連續(xù)性方程：
(4.1)
氣體進(jìn)口即進(jìn)入導(dǎo)流器時(shí)的速度為：
(4.2)
忽略中間的損失，由氣體連續(xù)方程公式(4.1)可得：
(4.3)
ν2即為氣體進(jìn)入風(fēng)扇的進(jìn)口速度。
氣體質(zhì)量流率為：
1 小時(shí)內(nèi)的氣體質(zhì)量為
電機(jī)功率為2.2kW
由動(dòng)能定理可得：
(4.4)
氣體出口處與大氣相通，速度一般為10-15m/s,取
由流體力學(xué)動(dòng)量定理知，單位時(shí)間內(nèi)流出控制面的動(dòng)量與流入控制面的動(dòng)量的差值，等于作用于控制面內(nèi)流體的全部外力之和，即：
(4.5)
所產(chǎn)生的總的壓力為：
4.5 本章小結(jié)
本章確定了風(fēng)壓系統(tǒng)的可行性，對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，確保螺旋葉所產(chǎn)生的風(fēng)力可以將機(jī)器主體緊壓在壁面上，有助于洗刷部件對(duì)壁面的有效接觸。
第5章 清洗機(jī)器人主要零件設(shè)計(jì)
5.1 直齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1.1 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算及強(qiáng)度校核
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉式直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，標(biāo)稱功率P=1.5kW,小齒輪轉(zhuǎn)速n1=1500r/min，傳動(dòng)比i=4.1許有4%的誤差,長(zhǎng)時(shí)工作，預(yù)期壽命五年，每年按200天計(jì)。工作有輕微沖擊，齒輪對(duì)稱布置。
（1） 選材料確定初步參數(shù) 依據(jù)參考文獻(xiàn)[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(yàn)算傳動(dòng)比誤差，×100%=1.7%允許
（4） 選擇齒寬系數(shù)d和傳動(dòng)精度等級(jí) 查參考文獻(xiàn)[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(xiàn)[5]表5-4可選擇精度等級(jí)為7級(jí),
（5） 計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩
(5.1)
定重合度系數(shù)、
(5.2)
由公式(5.2)定重合度
=1.88-3.2×（1/32+1/129）=1.755
分別由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》中公式得
===0.865
=0.25+
（6） 確定載荷系數(shù)、
(5.3)
1) 使用系數(shù) 由參考文獻(xiàn)[6]表10-2查表，取=1.35
2) 動(dòng)載系數(shù) 由參考文獻(xiàn)[6]圖10-8可查得，=1.14
3) 齒向載荷分布系數(shù),由參考文獻(xiàn)[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(xiàn)[6]表10-3得
=1/ Y=1/0.677=1.48
5) 載荷系數(shù) 、 由公式(5.3)可算得
5.1.2 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
（1） 確定許用應(yīng)力[]
1) 總工作時(shí)間：
2) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、N由參考文獻(xiàn)[6]公式(10-13)及參考文獻(xiàn)[6]表10-18可計(jì)算查得：
3) 壽命系數(shù)、
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-17 取=1 =1
4) 接觸疲勞極限 ：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-13 取=630MPa，=490MPa
5) 安全系數(shù) ：
參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》照表8.2-13，取=1
6) 許用應(yīng)力[]、[]：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式(8.2-15)
[]=
[]=
（2） 彈性系數(shù)：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》表8.2-11， 取=190
（3） 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-12，取=2.5
（4） 求所需小齒輪直徑 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度驗(yàn)算
（1） 求許用彎曲應(yīng)力
1) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由以上計(jì)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《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-26，取=1
5) 安全系數(shù) 參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》表8.2-13，取=1.5
6) 許用應(yīng)力、 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式(8.2-20)，許用彎曲應(yīng)力：
=
=
（2） 齒形系數(shù)、
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖9-19，?。?=2.5
=2.15
（3） 應(yīng)力修正系數(shù)、
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖9-20，取：=1.63
=1.82
（4）校核齒根抗彎曲疲勞強(qiáng)度 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式（8.2-17），齒根彎曲應(yīng)力
抗彎疲勞強(qiáng)度足夠。
5.1.4 齒面靜強(qiáng)度計(jì)算
(1) 確定許用接觸應(yīng)力：
參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》表8.2-13，取靜強(qiáng)度安全系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-17，取壽命系數(shù)
于是由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式(8.2-21)，許用接觸應(yīng)力（大輪較低）
(2) 校核齒面靜強(qiáng)度
根據(jù)過(guò)載條件，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式(8.2-21)，齒面最大接觸應(yīng)力
齒面靜強(qiáng)度足夠。
5.1.5 齒根（抗彎）靜強(qiáng)度驗(yàn)算
（1）確定許用彎曲應(yīng)力
參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》表8.2-13，取靜強(qiáng)度安全系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-25，取壽命系數(shù)
于是由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式(8.2-22)，許用彎曲應(yīng)力
（2）求最大彎曲應(yīng)力并校核強(qiáng)度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式(8.2-22)，最大彎曲應(yīng)力
靜強(qiáng)度滿足要求。
帶動(dòng)兩個(gè)盤(pán)刷的齒輪對(duì)稱布置
5.2 錐齒輪副的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版2-369，材料選擇聚甲醛（均聚），參照《機(jī)械工程手冊(cè)》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：
(5.4)
齒根角：
齒頂角：
頂錐角：
根錐角：
冠頂距：
確定傳動(dòng)的精度等級(jí)
初選平均切線速度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》Pg159 表8.2-5，選擇傳動(dòng)等級(jí)為8級(jí)
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(dòng)載荷系數(shù),由圖8.2-6，取
齒向載荷分布系數(shù),按小錐齒輪懸臂考慮取
載荷系數(shù)
5.2.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)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8.2-13，取
接觸疲勞極限
[2] 彈性系數(shù)
[3] 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
[4] 小齒輪所需大端分度圓直徑,由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式(8.2-44)
[5] 驗(yàn)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(qiáng)度計(jì)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(dāng)量齒數(shù):
3) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-19，取,
4) 應(yīng)力修正系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》圖8.2-20 取，
5) 校核齒根抗彎疲勞強(qiáng)度由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5版)》式8.2-46
(5.5)
(5.6)
(5.7)
三式聯(lián)立求得
滿足要求
5