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JX18-37

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【JX18-37】光伏电池板自动清洗机器人结构设计（二维+三维+论文）,JX18-37

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河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告河北工业大学2018届本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：光伏电池板自动清洗机器人结构设计专业（方向）：机械设计制造及其自动化学生信息： 学号 145153 姓名 席慧宇 班级 机设C141指导教师信息： 教师号88019 姓名 孙立新 职称 教授报告提交日期： 2018年 3月 22日 1、 课题研究目的和意义太阳能作为清洁可再生资源，拥有很大的应用前景1。在未来有可能成为替代其他能源的重要能源2,3。目前，我们利用太阳能主要通过光伏电池板吸收太阳光，发生光电效应或是化学效应将其直接或间接的转化为电能4。 波士顿大学的马勒马札姆达博士研究发现，光伏电池板表面的光洁度对光电转换效率有重要影响，每平方米若有4.05g灰尘的灰尘层就会使光伏电池板的光电转换效率下降40%5。怎样清洁光伏电池板成为现在光伏发电中一个亟待解决的问题6。表1-1为某10MW光伏发电站不同清洁频率时对应的发电量7。 表1-1某10MW光伏发电站不同清洁频率时对应的发电量 在我们国家太阳能发电主要通过光电转换来实现，大部分集中在内蒙古高原中西部、西北地区以及青藏高原等干旱地区。 目前，部分国家钻研光伏电池板的材料，希望能研制出具有自净功能的材质，通过化学或物理反应，使光伏电池板表面保持一种洁净状态8-11。虽已取得部分成就，但仍没有应用到实际中。而且即使这种材料能研制成功，但对于已投入使用的各大光伏发电站来说，在光伏电池板未到工作年限就将其更换是不切实际的。 除用有自净功能的新材质之外，光伏电池板的清洁方法主要有三种，自然清洁法、人工清洁法以及机械清洁法12。 1.自然清洁法 自然清洁法是依靠雨水冲刷，清除光伏电池板表面灰尘。但这种方法有局限性，因受雨水制约，所以在干旱条件下无法保证，必须使用其他清洁方法。 2.人工清洁法 人工清洁法是指人工利用高压水枪清洁光伏电池板13，但此方法对于缺水的地区（我国建设光伏发电站的大部分地区都没有充足水源）过于浪费，清洗10MW光伏发电站的电池板，一次需要用水100t左右，同时人工费用约为2.12万元，若是一个月清洗一次，则一年用水约1200t，支付人工费用为25.44万元，且由表1-1可知一个月清洗一次电池板浪费的收益过多，所以人工清洁的方法并不理想。3.机械清洁法 理想的机械清洁是一个人即可操作清洁机械，同时该机械能安全可靠的清洁光伏电池板，机械清洁法是目前最经济最理想的方法14。所以，为了提高光伏电池板的光电转换效率同时节约清洁成本，研发节水的清洁光伏电池板的专用机械势在必行15。2、 本课题国内外研究现状1.国外研究概况事实上因为预想到光伏电池板会因为静电原因而使其表面堆积灰尘，欧美国家早在光伏电池板制作技术成熟阶段就开始了对于光伏电池板清洁机械的研发16,17。 图1.1为瑞士GEKKO公司的产品SERBOT。该清洁机械的清洁装置直接附着在光伏电池板上，利用电机驱动实现在光伏电池板排列方向平移，同时装有水箱的车需随着该机械移动以提供水源，使其在滚刷清扫光伏电池板的同时，水冲刷光伏电池板18。光伏电池板一般情况下是十几块甚至几十块串联在一起，串联起来的光伏电池板紧密排列在一起，但不串联的电池板间一般有较大间隔。由于这种间隔，清洁装置还需要其他配套装置辅助才能从一片串联的光伏电池板移至另一片串联的电池板进行清洁工作19。而且这种清洁机械对于光伏电池板的放置场地要求很高，如果因场地原因导致两块串联的电池板与地面夹角不同时，该机械有可能被卡住。 所以，这种机械只能用于清洁光伏电池板铺设场地条件好，且光伏电池板铺设整齐的情况。 图1.1瑞士GEKKO公司的产品SERBOT如图1.2所示，该清洁机械为意大利UEMME公司的MANTASOLAR。这种清洁机械的载体是履带车，可自由移动且平稳性较好。它的清洁装置在末端，末端执行器从由车体的水箱中取水，在清洁过程中边向光伏电池板喷水边转动滚刷进行清洁。但该机械的操作臂的位姿由操作人员来调整，所以操作人员在驾驶车体同时还要不停的调整各个操作臂的位姿，以保证末端的清洁装置既能起到清洁效果又不损坏到光伏电池板20。对于操作人员的操作要求太高，所以也不能广泛应用。 图1.2意大利UEMME公司的产品MANTASOLAR图1.3为2014以色列企业Ecoppia研制成功的无水清洁的光伏电池板清洁机器人。该机器人主要应用于清洁沙漠地区光伏电池板，它的清洁部分是用特殊材质制成的毛刷，通过毛刷的旋转来去除沙子21,22。但该机器人也是需要辅助装置才能附着在光伏电池板上工作，同时因为是无水清洁，且该机械仅靠清扫来达到清洁的目的，并没有对清扫的灰尘进行集中处理，很容易产生二次污染，所以清洁效果仍不是十分理想。图1.3以色列企业Ecoppia研制的无水清洁的光伏电池板清洁机器人2.国内研究概况近几年国内也相继出现了光伏电池板清洁机械。图1.4为北京某清洁公司研制的SOLAR-TC3500光伏电池板清洁机器人。该车的形态与清洁原理均与意大利的MANTASOLAR相似，也是利用水和滚刷清洁。 图1.4北京某清洁公司研制的SOLAR-TC3500光伏电池板清洁机器人 图1.5为重庆某公司近年来研制的光伏电池板清洁机器人。该车基本实现自动控制，但采取滚刷和水共同清洁的方案，这对于缺水地区依旧是个很难解决的问题。同时该机械采取轮胎行走的行走方案，这种行走方式虽然灵活，但如果在不平整的场地行驶，车体会有明显颠簸，这会导致末端清洁装置振动从而损坏光伏电池板。所以，该机械的应用场合还不具有普遍性。 图1.5重庆某公司研制的光伏电池板清洁机器人三、可能遇到的问题和拟采用的解决问题的办法现在已有的光伏电池板清洁产品并没有很好的解决自动调节末端执行器和节水问题，而现阶段如果想节约清洁成本并且保证光伏电池板在清洁过程中不造成损坏，同时保证清洁效果，则必须使光伏电池板清洁机器人实现末端可自动调节位姿，以无水清洁方式完成清洁工作的功能。这种机器人的自动化控制需与液压系统结合，形成电液控制系统。需要充分了解其设计要求、工况，这样才能完成设计工作。为保证工作效果，还需对其进行动态分析。实现节水功能，可采用干式吸尘，为此，需设计合理的吸尘系统。因为目前还没有用这种方法完成光伏电池板清洁工作的产品，故如何设计出能在光伏电池板上吸尘效果好的吸尘装置是一大难题。四、计划进度表工作任务时间进行前期调研工作，查阅相关的国内外资料，写出前期报告，对所查资料进行文献综述3月9日3月22日学习CAD软件、UG三维画图软件、确定光伏电池板自动清洗机器人课题的研究方案，进行光伏电池板自动清洗机器人的详细设计，并写出中期报告3月23日4月27日设计说明书初稿5月21日-6月3日设计说明书定稿，打印说明书及图纸，并准备答辩5月29日-6月3日答辩6月8日-6月9日5、 参考文献1赵品,赵争鸣,周德佳.太阳能光伏发电技术现状及其发展.电气应用,2007,26(10):6-102LenertA,WangEN.Optimizationofnanofluidvolumetricreceiversforsolarthermalenergyconversion.SolarEnergy,2012,86(1):253-2653朱宇.太阳能:取之不尽用之不竭的清洁能源.科技导报,2014,20:0014张立文,张聚伟,田葳,等.太阳能光伏发电技术及其应用.应用能源技术,2010,3(4):85高凌云.太阳能电池板除尘新技术.现代物理知识,2010,5:526ManiM,PillaiR.Impactofdustonsolarphotovoltaic(PV)performance:Researchstatus,challengesandrecommendations.RenewableandSustainableEnergyReviews,2010,14(9):3124-31317黄湘,葛文刚,禹超.太阳能光伏电站设计影响因素分析.华电技术,2013(2):79-828徐坚.自清洁功能的高分子仿生表面研究取得新进展.中国科学院院刊,2005,20(1):45-489宋摘.瑞士联合欧洲13国进行光伏薄膜电池技术攻关.军民两用技术与产品,2012(9):34-3410NazeeruddinMK,BaranoffE,GrtzelM.Dye-sensitizedsolarcells:abriefoverview.SolarEnergy,2011,85(6):1172-117811FaustiniM,NicoleL,BoissiereC,etal.Hydrophobic,antireflective,self-cleaning,andantifoggingsolgelcoatings:anexampleofmultifunctionalnanostructuredmaterialsforphotovoltaiccells.ChemistryofMaterials,2010,22(15):4406-441312SmithMK,WamserCC,JamesKE,etal.EffectsofNaturalandManualCleaningonPhotovoltaicOutput.JournalofSolarEnergyEngineering,2013,135(3):03450513鲍官军,张林威,蔡世波,等.光伏面板积灰及除尘清洁技术研究综述.机电工程,2013,30(8)14BattistiR,CorradoA.Evaluationoftechnicalimprovementsofphotovoltaicsystemsthroughlifecycleassessmentmethodology.Energy,2005,30(7):952-96715赵朝会.光伏发电技术的研究现状和应用前景.上海电机学院学报,2008,11(2)16HoppmannJ.TheRoleofDeploymentPoliciesinFosteringInnovationforCleanEnergyTechnologiesInsightsFromtheSolarPhotovoltaicIndustry.Business&Society,2014:000765031455804217SarverT,Al-QaraghuliA,KazmerskiLL.Acomprehensivereviewoftheimpactofdustontheuseofsolarenergy:History,investigations,results,literature,andmitigationapproaches.RenewableandsustainableenergyReviews,2013,22:698-73318GrtzelM.Photovoltaicperformanceandlong-termstabilityofdye-sensitizedmeosocopicsolarcells.ComptesRendusChimie,2006,9(5):578-58319Fernndez-RecheJ,CaadasI,SnchezM,etal.PSASolarfurnace:AfacilityfortestingPVcellsunderconcentratedsolarradiation.Solarenergymaterialsandsolarcells,2006,90(15):2480-248820SolomonAA,FaimanD,MeronG.Anenergy-basedevaluationofthematchingpossibilitiesofverylargephotovoltaicplantstotheelectricitygrid:Israelasacasestudy.EnergyPolicy,2010,38(10):5457-546821刘珈辰.以色列沙漠地区的能源大丰收.世界科学,2012,6:01622SunY,YuH,ZhangC.PresentSituationandDevelopmentTrendAnalysisofSolarPowerTechnologyinChina.SmartGrid,2014,4(4)6摘要光伏太阳能板清洗机器人可在倾斜的光伏板上进行表面的清洗，本文设计的机器人系统由移动系统和吸附系统组成。移动吸附系统由十字框架结构和真空吸附结构组成，使机器人灵活移动，避障能力强。机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型组合的无杆气缸，其中任意一个无杆气缸可以相对另一个进行平移，每个无杆气缸通过腿部支架可独立控制腿足结构。腿足结构是由拉杆气缸和一组真空吸盘组成。随着腿部的交替吸附和框架主体的相对运动，机器人实现壁面自由移动的功能。驱动方式由X方向和Y方向两个相互垂直的机构组成，分别选用一个双作用无杆气缸，安置在中间的主体支架上，真空吸盘组采用正三角排列和使用气动的驱动方式。控制系统是清洗机器人的关键部分，采用三菱公司的PLC-FX1N系列完成对机器人主体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附和清洗的控制。关键词：双作用拉杆气缸，十字架构，无杆气缸，PLCAbstractA photovoltaic solar panel cleaning robot can be cleaned on a sloping photovoltaic panel. The robot system designed in this paper is composed of a mobile system and an adsorption system. The mobile adsorption system is made up of cross frame structure and vacuum adsorption structure，enabling the robot to move flexibly and avoid obstacles. The body part of the robot consists of two cross shaped non rod cylinders that can be translated into each other，of which any rod cylinder can be shifted relatively to the other. Each rod cylinder can control the leg foot structure independently through the leg support. The leg foot structure is composed of a rod cylinder and a vacuum chuck. With the alternate adsorption of legs and the relative motion of the frame body，the robot can realize the free movement of the wall. The driving mode is composed of two mutually perpendicular mechanisms in the direction of X and the direction of Y. A double acting cylinder is chosen，and the main body is placed in the middle.The vacuum suction group adopts the positive triangle arrangement and the pneumatic driving mode. The control system is the key part of the cleaning robot. The PLC-FX1N series of Mitsubishi Co is used to complete the control of the suction disc disengagement，the movement of the body，the absorption and cleaning of the suction disc. Keywords: dual action bars cylinder，the architecture，pneumatic rodless cylinders，PLC目录1 绪论11 .1选题背景及其意义11.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）21.3 研究内容41.4 研究方案51.5本章小结72 光伏太阳能板清洁机器人总体结构设计82.1 光伏太阳能板清洁机器人的材料选择82.2 机器人总体结构介绍82.3 移动铝板的设计与校核92.4 吸盘直径的选取112.5 电动机的选取132.6 联轴器的选取152.7 轴承的校核162.8 滚动轴承寿命的计算162.9 轴的计算：162.10 键连接的强度计算：182.11 轴向气缸的设计与计算182.12 活塞杆稳定性及挠度验算202.13 本章小结233 光伏太阳能板清洁机器人气动设计243.1 吸附部分243.2 气缸运动部分243.3 本章小结254 环保、安全及经济性分析275 结论28参考文献29致谢32351 绪论1 .1选题背景及其意义太阳能作为清洁可再生资源具有广阔的应用前景1。在将来，它可能成为其他能源的重要能源替代品2,3。目前，利用太阳能主要通过光伏板吸收太阳能，光电效应或化学效应直接或间接将太阳能转化为电能4。波士顿大学的马勒博士马达发现，光伏板的表面光洁度对光电转换效率有着重要的影响。一个每平方米4.05g粉尘粉尘层将减少40%的光伏电池板的光电转换效率5。如何清洗光伏电池板已成为光伏发电领域急需解决的问题6。表1-1是一个10兆瓦的光伏电站在不同的清洗频率相应的发电能力7。 表1-1某10MW光伏发电站不同清洁频率时对应的发电量 在我国，太阳能发电主要是通过光电转换实现的，其中大部分集中在内蒙古高原中西部、西北地区和青海西藏高原等干旱地区。目前，一些国家对光伏板材料进行了研究，希望开发一种具有自净化功能的材料。通过化学或物理反应，太阳能电池板的表面可以保持清洁8-11。虽然取得了一些成绩，但尚未应用于实践。即使这种材料能够成功地开发出来，对于已经投入使用的所有大型光伏电站来说，更换不使用寿命的光伏电池是不现实的。除具有自净功能的新型材料外，主要有三种清洗太阳能电池板的方法，包括自然清洗、人工清洗和机械清洗12。1.自然净化法天然净化方法是利用雨水冲刷光伏电池板表面的灰尘。但这种方法受到雨水的限制和限制，在干旱条件下不能保证，必须采用其他的清洗方法。2.人工清洗的方法人工清洗方法是指用高压水枪清洗光伏板13，但这种方法对缺水地区来说太浪费了（我国大部分光伏电站还不够）。对10MW光伏电站的电池板清洗需要100t左右的水使用一次，同时人力成本约为2万1200元。如果一个月清洗，一年的用水量约为1200吨，和人工成本的支付是25万4400元。从表1-1可以看出，电池板的浪费太多，一个月要清洗一次，所以手工清洗的方法并不理想。3.机械清洗方法理想的机械清洗是一人操作清洁机械最经济、最理想的方法之一，机器安全可靠14。因此，为提高光伏板的光电转换效率，节约清洗成本，开发节水型光伏板专用机械势在必行。1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）1.国外研究概况事实上，由于光伏电池板由于静电原因会在其表面堆积灰尘，所以欧美国家早在光伏板生产技术成熟阶段就开始了光伏板清洗机械的研究和开发16,17。图1.1是一个产品serbot，壁虎，瑞士。清洗机的清洗装置直接连接在光伏电池板上，电机驱动用于将光伏电池板沿排列方向移动。同时，车内配备水箱需要移动的机器提供水源，使水擦洗光伏电池板18。而滚动的光伏电池板。一般来说，十多个甚至几十块光伏板都是连在一起的。串联的光伏板排列在一起，但非串联面板之间有很大的间隔。由于这个间隔，清洗装置还需要其他辅助设备来帮助从一系列光伏板清洗到另一系列电池19。这种清洁设备对太阳能电池板的安装要求很高。如果导致两系列电池板与地面呈不同的角度，机器可能会卡住。因此，该机只能用于清洗光伏电池，奠定良好的立地条件，并铺设光伏电池板的整洁。图1.1瑞士GEKKO公司的产品SERBOT如图1.2所示，清洗机是意大利公司的mantasolar。该清洗机的载体是履带车辆，移动自如，稳定性好。它的清洗装置在末端，末端执行器从车身水箱中取出水，在清洗过程中将刷子旋转到光伏电池的边缘清洁。但操纵者的位置由操作者调节，操作者必须同时调整各种操作臂的位置和姿态，以确保末端的清洗装置既能对光伏电池板起到清洁作用，又不会损坏电池板20。操作人员操作要求过高，不能广泛应用。图1.2意大利UEMME公司的产品MANTASOLAR 图1.3是一个干净、清洁的光伏面板清洗机器人由Ecoppia，2014以色列公司。该机器人主要用于光伏电站的清洁沙漠地区，其清洗部分是由刷子的特殊材料，通过毛刷的旋转来清除沙子21,22。但该机器人还需要辅助设备来工作在光伏板上。同时，由于它是无水清洗，而机器的清洗只是为了达到清洁的目的，且不集中于清洁灰尘，很容易产生二次污染，所以清洁的水果还不是很理想。图1.3以色列企业Ecoppia研制的无水清洁的光伏电池板清洁机器人2.国内研究概况近几年国内也相继出现了光伏电池板清洁机械。图1.4为北京某清洁公司研制的SOLAR-TC3500光伏电池板清洁机器人。该车的形态与清洁原理均与意大利的MANTASOLAR相似，也是利用水和滚刷清洁。 图1.4北京某清洁公司研制的SOLAR-TC3500光伏电池板清洁机器人 图1.5是近年来重庆某公司开发的光伏面板清洗机器人。该车基本实现了自动控制，但滚动刷水一体化方案仍是缺水地区的难题。同时，该机采用轮胎的行走方案，灵活性好，但如果在不平地面上，汽车的行驶经历明显颠簸，导致终端清洗装置的振动损坏光伏电池板。因此，这台机器的应用不是万能的。图1.5重庆某公司研制的光伏电池板清洁机器人1.3 研究内容本文所设计的光伏太阳能板清洁机器人可实现在倾斜壁面上吸附并通过巧妙地十字架构实现四个方向的移动。具体设计包括以下几方面：（1） 爬壁移动机构设计和相关计算，清洗作业装置的设计包括滚刷、喷淋和去污系统等光伏太阳能板清洁机器人的移动机构采用两个双作用无杆气缸连接在十字主体支架上，通过双作用无杆气缸的滑块实现上、下、左、右四个方向的运动。清洗作业方式中的滚刷由电机通过联轴器直接连接实现回转运动。电源及喷淋系统的水源都采取外接的方式，以减轻光伏太阳能板清洁机器人的体积和重量，并且能延长光伏太阳能板清洁机器人的工作时间。（2） 气动系统设计在本设计中一共由两个双作用无杆气缸，四个双作用拉杆气缸，四个三位五通电磁换向阀，两个两位三通电磁换向阀，十二个真空吸盘，真空泵、气压泵各一个组成。通过人工的控制实现吸盘的吸附，双作用无杆气缸滑块的移动，双作用拉杆气缸拉杆的伸缩。（3）PLC控制系统设计随着PLC性价比的不断提高，微处理器芯片及有关元器件价格大幅度降低，PLC的成本也有所下降，PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业，其应用范围也越来越大。因此，本设计的控制系统采用PLC控制，既便捷，又能控制成本。通过人为操作的方式进行移动、吸附、喷水、洗刷。1.4 研究方案1.4.1 总体方案在中国西部的大型光伏电站光伏组件通常采用固定安装方式。为了获得阳光和提高太阳能的效率，光伏组件有一定的倾斜角度。如果洗衣机能在斜面上自由移动，则必须安装附件装置。通常有五种吸附方式：磁吸附、真空吸附、推力吸附、机械硬接触吸附和吸附材料吸附。磁吸附只适用于磁墙。永磁吸附和壁分离需要更大的力。电磁吸附需要消耗电能，电磁铁本身更重。真空吸附方式通过真空泵为密闭腔室提供负压。该装置具有压差附壁，接触面要求高。这是没有必要考虑泄漏的问题，更适用于墙体及材料，但其控制更为复杂，体积大，效率低，而且不够成熟，目前；机械硬接触方式需要铺设轨道在墙上预先和轨道方式为约束和指导，但改造难度大、成本高。粘接材料具有良好的越障性能和对墙体材料的适应性，但仅适用于微型爬壁机器人。针对光伏电站建设、光伏面板材料和光伏板表面形状等问题，在设计中采用真空吸附结构23。（1） 光伏太阳能板清洁机器人设计清洗系统设计太阳能板的污垢主要是大气污垢，清洗系统是光伏太阳能板清洁机器人的重要组成部分之一，考虑光伏太阳能板清洁机器人代替人工进行有效率的清洗工作，因此采用机械力清洗作用方式，即采用冲洗、刷洗。刮洗联合作用的方式。喷淋冲洗壁面，便于除去壁面上附着力较小的污垢并浸润壁面；电机通过同步传动齿形带带动滚刷旋转，通过滚刷刷洗，便于除去壁面上附着力较大的污垢。刮板可以刮净和回收残留在壁面的液滴，通过污水管进入污水箱。整个清洗作业系统包括滚刷系统、喷淋系统和去污系统24。清洗系统如图1.4所示。图1-4 光伏太阳能板清洁机器人清洗系统设计简图1 电动机 2 机架 3喷水头 4 滚刷（2） 光伏太阳能板清洁机器人爬壁吸附系统设计机器人移动吸附系统是光伏太阳能板清洁机器人的核心部分，由移动系统和吸附系统组成，在机器人工作过程中携带机器人的清洗系统，吸附在光伏板上，实现对光伏板清洗的功能。机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型的框架构成，其中任意一个框架可以相对另一个进行平移，准确的来说是由两个双作用无杆气缸上面的两个滑块连接着两个移动支架进行移动，每个框架成组配备可独立控制的腿足结构。腿足结构具有一个主动直动关节，即每个足部结构都是一个普通双作用气缸，气缸杆的伸出和缩进使机器人主体能够上下抬起和降下。随着腿部的交替吸附和框架主体的相对运动，机器人实现壁面自由移动功能。框架制结构主要依赖于本体自由度与腿足自由度的结构，各部分结构简单，满足灵活性和机动性的要求25。另外，由于设计要求机器人能跨越50mm的障碍，因此在腿足部分要求有抬高至少50mm的能力。平面移动机构如图1-5所示。图1-5 光伏太阳能板清洁机器人爬壁吸附系统设计1、2、十字框架 3、X向气缸 4、Y向气缸 5、清洗系统 6、吸盘组吸附方式采用真空吸附。一个吸盘虽然结构简单，容易控制，但会降低机器人在移动过程的越障能力和可靠性，吸盘组结构形式使用洗盘弹性变形，提高越障能力，确保吸盘和壁面吸附、提高机器人的工作的安全性和可靠性26。框架结构使机器人结构紧凑，可以保证刚度的前提下机器人完成移动吸附过程，机器人可以自由移动。1.4.2详细的壁面清洗机器人的技术参数列表爬行速度：5-8m/min清洗速率：100-150m/h控制方式：PLC控制本体重量：20kg负载重量：15kg移动方式：脚步行进式1.5本章小结纵观全球，光伏太阳能板清洁机器人的技术并不成熟，在本章中了解了在一些科技先进的国家对此技术的运用及一些基础的知识，结合本课题所给出的技术参数和自己的思考初步定下设计的方向。2 光伏太阳能板清洁机器人总体结构设计2.1 光伏太阳能板清洁机器人的材料选择由于光伏太阳能板清洁机器人是代替人类在高处作业，所以为提高安全性，必须对机器人的重量有一定的控制，却不能降低机器人结构的刚度。因此从多种材料中选取高强度铝合金作为光伏太阳能板清洁机器人的各部分支架的材料，符合设计初衷和安全标准27。2.2 机器人总体结构介绍本次设计的光伏太阳能板清洁机器人采用了十字架构的设计，通过与各种气缸的连接实现移动。具体的结构可查看装配图和零件图，为方便以下计算中个部分的计算，配以下图供参考，见图2-1、2-2、2-3、2-4。图2-1 （a）主视图图2-2 （b） 侧视图图2-3 （c） 俯视图图2-4 （d）轴测图两块移动铝板分别与一个双作用无杆气缸的滑块相连接，两个双作用无杆气缸通过轴向支架全部固定在主体支架上，通过滑块的滑动实现装在移动支架两端的“脚部”移动。在选取材料时选取铸铝为原料进行加工。最终选取ZAlCu5Mn。ZAlCu5Mn为加入少量锰、钛元素的铝-铜合金。ZAlCu5Mn可热处理强化，热处理后强度高，塑性、韧性、焊接性能及可切削加工性能良好，耐热性和强度是铸造铝合金中最好的。耐腐蚀性能差，铸造性能不好，流动性差，形成热裂和缩孔的倾向大、线收缩大、气密性低，但吸气倾向小。 由于作为光伏太阳能板清洁机器人的支架结构，可能经常要与水接触，即使对于高强度铝合金而言被氧化机率不是很大，但是工作时间一长也会有所氧化迹象，而且支架零件不易更换。因此，在切削加工过后需要在零件表面涂上一层防锈漆图层，以防上述情况产生28。2.3 移动铝板的设计与校核首先对两块移动铝板进行受力分析（移动铝板见图2-1、2-2、2-3），通过分析得移动铝板近似中央处受到机器人主体部分（包括气缸、电机、滚刷、喷头等）的重力G，通过力的平衡分析得在移动铝板的两端受到大小等于G/2的力，详见图2-4：（N）（Nm）图2-4 移动铝板的受力分析根据设计，移动支架的截面形状为矩形，得：抗弯截面系数：（2-1）式中： b截面宽； h截面高。弯曲正应力：（2-2）式中： 最大应力。代入式2-2得：切应力：（2-3）式中： 最大剪力。代入式2-3：2.4 吸盘直径的选取真空吸盘是真空设备的执行机构之一。吸盘材料采用丁腈橡胶制成，具有较大的破碎力，广泛应用于各种真空吸尘设备中。例如，光伏太阳能电池板清洗机器人是用来吸附光伏太阳能电池板清洁机器人的。真空吸盘也叫真空吸尘器。一般来说，用真空吸盘把物体吸附在墙上是最便宜的方法。各种真空吸盘、吸盘橡胶可在高温下操作。用硅橡胶制成的吸盘非常适合抓粗糙的表面，用聚氨酯制成的吸盘非常耐用。此外，在实际生产中，如果吸盘耐油，使用聚氨酯、NBR或含有乙烯基的聚合物，可以考虑制成吸盘。通常，为了避免划伤玻璃壁，最好选用由丁腈橡胶或硅橡胶制成的波纹管29。吸盘直径公式：（2-4）式中： M承受质量； S吸盘吸附系数，垂直吸附S=8； P真空压力（-KPa）； n吸盘个数。表2-1 吸盘参数型号电压负载电流功率流量真空度（绝对压力）负压体积（最大包容尺寸）重量（大约值）三种单位换算只V DCAWL/minKPammHgmbarKPa(mm)(g)VCH1028242.048281076100-90209781152600对于标准大气压1017601013根据表2-1所得数据代入式2-4得：因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。吸附面积：（2-5）式中： A吸附面积； D吸盘直径。代入式2-5得：吸盘直径虽表示吸盘的外径，但利用真空压力吸附物体时，因真空压会使橡胶变形，吸附面积也会随之缩小。缩小后的面积即称为有效吸附面积，此时的吸盘直径即称为有效吸盘直径30。根据真空压力，吸盘橡胶的厚度以及与吸附物的摩擦系数等不同，有效吸盘直径也会有差异，一般情况可预估会缩小10%。选取D=50mm的吸盘：所以D=50mm的吸盘可行。表2-2 吸盘各直径理论起吊力真空吸盘（ mm）吸附面积（）真空压力（kPa）-40-50-60-70-80-9020.0310.1260.1570.1880.2200.2510.2833.50.0960.3850.4810.5770.6730.7700.86650.1960.7850.9821.1781.3741.5711.76760.2831.1311.4141.6961.9792.2622.54580.5032.0112.5133.0163.5194.0214.524100.7853.1423.9274.7125.4986.2837.069151.777.0698.83610.6012.3714.1415.90203.1412.5715.7118.8521.9925.1328.27254.9119.6324.5429.4534.3639.2744.18307.0728.2735.3442.4149.4856.5563.62359.6238.4848.1157.7367.3576.9786.594012.5750.2762.8375.4087.96100.5113.15019.6378.5498.17117.8137.4157.1176.76028.27113.1141.4169.6197.9226.2254.58050.27201.1251.3301.6351.9402.1452.49570.88283.5354.4425.3496.2567.1637.910078.54314.2392.7471.2549.8628.3706.9120113.1452.4565.5678.6719.7904.81017.9150176.7706.9883.61060123714141590200314.21257157118852199251328272.5 电动机的选取根据系统设计课程设计指导书p56表4-1。圆柱体的转动惯量：（2-6）式中： 圆柱体质量（kg）； D圆柱体直径（cm）； L圆柱体长度或厚度（cm）。代入式2-6得：考虑到安装方式、体积、重量等因素，在交流、直流、步进电机中选取步进电机。根据系统设计课程设计指导书p63页表4-3得，初选电动机90BF003的转动惯量：（2-7）式中： 步进电机的转动惯量（）。（2-8）式中： 步进电机轴上的总转动惯量（）。代入式2-8得：设从静止到5r/s需时0.5s。（2-9）式中： 角加速度。代入式2-9得：由于电动机输出轴经联轴器直接连接滚刷轴，并且考虑联轴器摩擦的阻力，所以。式中： 传动效率。（2-10）式中： 最大加速转矩。代入式2-10得：水平方向电机的重力不产生转矩，故：负载转矩计算： （2-11）步进电机的选用：运动部件正常运行时所需的最大静转矩为： （2-12）代入式2-12得：要求步进电机正常运行时所需最大静转矩：所以符合要求，选取90BF003反应式步进电动机。2.6 联轴器的选取传动轴上的公称转矩可用下式进行计算：（2-13）式中： P传递的功率（kW）； n轴的转速，（r/min）。初选LT1弹性套柱销联轴器，其公称转矩许用转速为。传动轴上的公称转矩工作情况系数的选取如下表：机械设计p351表14-1。取1.3。代入式2-13得： 校核最高转速： 且根据电动机输出轴选取。2.7 轴承的校核根据滚刷及联轴器的质量，设定径向力，轴向载荷。已知轴承的转速为，运转时无冲击，设计寿命为10年（每天工作8小时，一年工作200天）。根据机械设计课程设计p130页表13-2得：e=0.22，Y=1.99当时，径向当量动载荷：（2-14）代入式2-14得：预计寿命：2.8 滚动轴承寿命的计算以小时数表示的轴承基本额定寿命为：（2-15）（2-16）代入式2-16得：查得该轴承基本额定动载荷。所以校核合格。2.9 轴的计算：（1）轴的强度校核计算轴的扭转强度条件为：（2-17）式中： 扭转切应力，MPa； T轴所受的扭矩，； 轴的抗扭截面系数，； n轴的转速，； P轴传递的功率，kW； d计算截面处轴的直径，mm； 许用扭转切应力，MPa。由式2-17可得轴的直径：（2-18）式中：代入式2-18得：所以取轴d=10mm。（2）轴的刚度校核计算轴的弯曲刚度校核计算当量直径（单位为mm）为（2-19）式中： 阶梯轴第i段的长度，mm； 阶梯轴第i段的直径，mm； L阶梯轴的计算长度，mm； Z阶梯轴计算长度内的轴段数。轴的扭转刚度校核计算圆轴扭转角单位为的计算公式为：阶梯轴（2-20）式中： T轴所受的扭矩，； G轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于钢材，； 轴截面的极惯性矩，对于圆轴，； L阶梯轴受扭矩作用长度，mm； 分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位同前； z阶梯轴受扭矩作用的段数。轴的扭转刚度条件为：式中： 为轴每米长的允许扭转角，对于一般轴，可取=0.51。2.10 键连接的强度计算：半圆键连接的强度条件为：（2-21）式中： T传递的转矩，； k键与轮毂键槽的连接高度，k=0.5h，此处h为键的高度，mm； l键的工作长度，mm，圆头平键l=L-b，这里L为键的公称长度，mm； b为键的高度，mm； d轴的直径，mm； 键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa。代入式2-21得：远远小于，因此校核成功。2.11 轴向气缸的设计与计算（1）缸径根据气缸所带的负载、运动状况及工作压力，气缸计算步骤如下：1）根据气缸的负载，计算气缸的轴向负载力F，常见的负载实例如图2-5。图2-5 气缸负载力示意图气缸的轴向负载力（2-22）式中： 工件与导轨间的摩擦因数； m整体质量，（kg）。代入式2-22得：F=0.25359.8=85.75N根据气缸的平均速度来选气缸的负载率。气缸的运动速度越高，负载率应选的越小。气缸平均速度，如表2-3，选负载率=0.65表2-3 气缸运动状态和负载率气缸的运动状态和负载率阻性负载（静载荷）惯性负载的运动速度v500mm/s工作压力p=0.075Mpa理论输出力（2-23）代入式2-23得：双作用气缸缸径：（2-24）代入式2-24得：故选取双作用气缸缸径为50mm，活塞杆直径取：（2）壁厚由表2-4取壁厚=2.5mm表2-4 壁厚选取壁厚/mm材料缸径20253240506380100125160200250320铝合金2AL2壁厚2.52.533.544.5520钢无缝钢管2.533.54.555.562.12 活塞杆稳定性及挠度验算压杆稳定验算气缸活塞最大行程越长，活塞杆的距离越长，活塞杆的长度是有限的。如果在活塞杆在轴向推力的极限荷载达到极限后，活塞杆能出现压杆是不稳定的，发生弯曲变形31。因此，必须进行活塞杆的稳定性验算，其稳定条件为：（2-25）式中： F活塞杆承受的最大轴向压力，N； 纵向弯曲极限力，N； 稳定性安全因数，一般取1.54。极限力不仅与活塞杆材料、直径、安装长度有关，还与气缸的安装支承条件决定的末端因数m（见表2-5）有关。表2-5 安装方式及末端因数当细长比时（欧拉公式），实心圆杆 （2-26）代入式2-26得：（2-27）式中： m末端因数； E材料弹性模量，钢材； J活塞杆横截面惯性矩，； L气缸的安装长度，m； d活塞杆直径，m。代入式2-27得：图2-6 活塞杆直径、行程、轴向力对应图活塞杆稳定条件为，故稳定。式中： F活塞杆承受的最大轴向力，N； 纵向弯曲极限力，N；稳定性安全因数，一般取1.54。图2-7 许用负载校核图通过活塞杆直径为20mm这一点，在图2-9中穿过行程为50mm，画一条延长直线。分别与弯曲挠度与许用负载两个坐标轴相交，可得出其弯曲挠度为0.08mm，最大的许用负载为3000N，因此满足要求32。确定行程50mm与活塞杆d=20mm处直线的交点，至作用力F的垂线，从而可确定该气缸所能承受的最大轴向力F=20000N。2.13 本章小结本章中对此设计中的各个环节进行了大量的计算，得出该设计的可行性，并从中挑选出最佳方案，从理论的角度对各个环节进行优化。（1）对在开题报告阶段的设计思路进行具化，得出受力分析，为以下计算打下基础。（2）对选用的材料所制成的零件进行了强度的校核，是符合要求（3）对设计中标准件进行选取和强度校核，使符合要求33,34。3 光伏太阳能板清洁机器人气动设计3.1 吸附部分选用两个两位两通电磁阀，根据在第二部分所选的真空泵和吸盘的规格，对吸附部分的设计如图3-1所示：图3-1 吸附部分气路图1、两位两通电磁阀 2、真空泵 3、单向阀 4、真空吸盘 5、过滤器由图3-1可以看出吸附部分的气动回路工作原理为：打开真空泵通过单向阀、过滤器、节流阀与油雾器，分离了空气中的水汽使工作时保持空气的干燥。当按钮无动作时，吸盘处于松开状态，当按动吸附按钮时，即电磁得电，电磁阀切换到左位，使吸盘吸附。吸盘具体的操作控制设计部分详见第四部分35。3.2 气缸运动部分电磁阀的结构是在它里面有密闭腔，不同的位置打开了每个孔都出现通路都是连接不同的气管，双方面都是有两块电磁铁在上面，如果左面的电磁铁线圈得电，阀体就会被往左边吸住，如果右面的电磁铁线圈得电，阀体就会被往左边吸住，可以运用这样的操作控制预想的通路，（即堵住不想运用的气孔，打开想要运用的气孔）。如果进气孔是常开的，气流就会通过电磁铁的动作来判断所要通路气路，然后再来推动活塞杆，使气缸进行想要的操作。这就是气缸与电磁阀在机械运动中的运用36。为实现爬壁机器人的上下左右的移动与整体的抬起，对运动部分的设计如图：图3-2 气动系统图1、普通双作用气缸 2、双作用无杆气缸 3、三位五通电磁阀 4、气压泵 5、过滤器 6、节流阀 7、油雾器由图3-2可以看出运动部分的气动回路工作原理为：打开气压泵通过过滤器、节流阀与油雾器，分离了空气中的水汽使工作时保持空气的干燥。当按钮无动作时，气缸处于松静止状态状态，当按动抬升按钮时，即电磁YA4、YA6得电，电磁阀切换到右位，使气缸杆伸出；当按动下降按钮时，即电磁YA3、YA5得电，电磁阀切换到左位，使气缸杆缩回；当按动向左按钮时，即电磁YA9得电，电磁阀切换到右位，使无杆气缸杆滑块向左，带动移动支架向左；当按动向右按钮时，即电磁YA10得电，电磁阀切换到左位，使无杆气缸杆滑块向右，带动移动支架向右；当按动向上按钮时，即电磁YA7得电，电磁阀切换到右位，使无杆气缸杆滑块向上，带动移动支架向上；当按动向下按钮时，即电磁YA8得电，电磁阀切换到左位，使无杆气缸杆滑块向下，带动移动支架向下37,38。气缸具体的操作控制设计部分详见第四部分。3.3 本章小结本系统运用了两个部分的回路：吸附部分和运动部分。在吸附部分的气动回路中，采用了单向伐，以防吸盘中的真空度不够，导致吸附力未达到设计要求的数值。在运动部分采用了电磁换向阀，使气缸的运动达到第二章节所描述的运动要求。在两大部分都安装了气动三元件，为了保证在回路中的空气是干燥的。4 环保、安全及经济性分析太阳能板的清洗，如果采用人工清洗的方式，则势必会造成水源的浪费，而且在缺水地区，水资源非常宝贵，同时人工清洗成本约为一年2万1200元。如果一个月清洗，一年的用水量约为1200吨，和人工成本的支付是25万4400元。由于电池板的浪费太多，一个月要清洗一次，所以手工清洗的方法并不理想。利用此光伏清洁机器人进行清洗，可以大大的减少水源的浪费，以最少的用水量达到最大的清洗效果，充分体现设计环保的功能。光伏太阳能板清洁机器人的移动机构采用两个双作用无杆气缸连接在十字主体支架上，通过双作用无杆气缸的滑块实现上、下、左、右四个方向的运动。清洗作业方式中的滚刷由电机通过联轴器直接连接实现回转运动。电源及喷淋系统的水源都采取外接的方式，以减轻光伏太阳能板清洁机器人的体积和重量，并且能延长光伏太阳能板清洁机器人的工作时间。机器安全可靠。随着PLC性价比的不断提高，微处理器芯片及有关元器件价格大幅度降低，PLC的成本也有所下降，PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业，其应用范围也越来越大。因此，本设计的控制系统采用PLC控制，既便捷，又能控制成本。5 结论 经过这最后一个学期的毕业设计，使我真正懂得了学以致用的道理，本设计的题目是光伏太阳能板清洁机器人，本设计是以降低人工成本、降低人工操作安全隐患为目的，通过真空泵连接在真空吸盘上，实现机器人在倾斜面上的吸附，通过双作用无杆气缸上的滑块的移动，实现机器人脚步的移动，通过四只脚上的双作用拉杆气缸的伸缩，实现对机器人整体的抬升降低。通过对机械系统的设计及相关计算。包括整体支架、电机、气压控制部分的计算，结合市面上已有产品的结构进行参考，对机构中气压控制和PLC控制方式分析联系，最终设计出气动回路。在设计的过程中，系统主要零件和部件的校核计算最为重要，直接关系到机器人运行时的稳定性和安全性。参考文献1赵品,赵争鸣,周德佳.太阳能光伏发电技术现状及其发展.电气应用,2007,26(10):6-102LenertA,WangEN.Optimizationofnanofluidvolumetricreceiversforsolarthermalenergyconversion.SolarEnergy,2012,86(1):253-2653朱宇.太阳能:取之不尽用之不竭的清洁能源.科技导报,2014,20:0014张立文,张聚伟,田葳,等.太阳能光伏发电技术及其应用.应用能源技术,2010,3(4):85高凌云.太阳能电池板除尘新技术.现代物理知识,2010,5:526ManiM,PillaiR.Impactofdustonsolarphotovoltaic(PV)performance:Researchstatus,challengesandrecommendations.RenewableandSustainableEnergyReviews,2010,14(9):3124-31317黄湘,葛文刚,禹超.太阳能光伏电站设计影响因素分析.华电技术,2013(2):79-828徐坚.自清洁功能的高分子仿生表面研究取得新进展.中国科学院院,2005,20(1):45-489宋摘.瑞士联合欧洲13国进行光伏薄膜电池技术攻关.军民两用技术与产品,2012(9):34-3410NazeeruddinMK,BaranoffE,GrtzelM.Dye-sensitizedsolarcells:abriefoverview.SolarEnergy,2011,85(6):1172-117811FaustiniM,NicoleL,BoissiereC,etal.Hydrophobic,antireflective,self-cleaning,andantifoggingsolgelcoatings:anexampleofmultifunctionalnanostructuredmaterialsforphotovoltaiccells.ChemistryofMaterials,2010,22(15):4406-441312SmithMK,WamserCC,JamesKE,etal.EffectsofNaturalandManualCleaningonPhotovoltaicOutput.JournalofSolarEnergyEngineering,2013,135(3):03450513鲍官军,张林威,蔡世波,等.光伏面板积灰及除尘清洁技术研究综述.机电工程,2013,30(8)14BattistiR,CorradoA.Evaluationoftechnicalimprovementsofphotovoltaicsystemsthroughlifecycleassessmentmethodology.Energy,2005,30(7):952-96715赵朝会.光伏发电技术的研究现状和应用前景.上海电机学院学报,2008