毕业设计（论文）-吊篮式高层建筑外墙抹灰机主机设计.docx

毕 业 设 计吊篮式高层建筑外墙抹灰机主机设计李金育102012120机械工程系学生姓名： 学号： 机械电子工程系 部： 梁红玉（程丽霞）专 业： 指导教师： 二零一四年六月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 吊篮式高层建筑外墙抹灰机主机设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 102012120 学生： 李金育 指导教师（含职称）： 梁红玉（教授）专业负责人： 张焕梅 1设计的主要任务及目标 本课题属于工程性开发设计，是针对目前现有自动化高楼外墙清洗设备普遍适应性差而难以产品化而进行人机结合新型设计的有益尝试，通过本设计，锻炼学生综合运用所学知识进行产品构思创新，方案拟定和规范化工程设计的能力。2设计的基本要求和内容（1）主要设计内容： 完成吊篮式高层建筑外墙抹灰机主机设计。（2）工作要求： 1）根据给定的设计任务书及设计参数，在调研及多方搜集资料及毕业设计实 习基础上，明确所设计题目及内容，进行抹灰机总体方案设计，并撰写开 题报告一篇。 2）完成抹灰机的传动系统设计及计算。 3）完成抹灰机主机的总装配图和各零件图的绘制，掌握有关零部件的基本设 计计算方法，完成中期答辩报告一份。 4）撰写毕业设计论文一篇。 3 主要参考文献 1崔振勇,印建平.机械制图.北京:机械工业出版社,2003.8 2张建民.机电一体化系统设计.第三版.北京:高等教育出版社,2000.73张龙.机械设计课程设计手册.国防工业出版社，20064进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查找并搜集相关资料、调查各种外墙抹灰机2014年1月07日3月09日2阅读相关资料，构思设计方案，完成开题报告2014年3月10日3月14日3抹灰机传动系统设计与结构设计及详细计算2014年3月15日4月15日4总体装配图设计、计算及完成其CAD图的绘制2014年4月16日5月16日5进行零件工作图设计及完成其CAD图的绘制2014年5月17日5月30日6总结分析，撰写毕业设计论文，准备答辩2014年6月01日6月10日吊篮式高层建筑外墙抹灰机主机设计摘要：墙面抹灰工程是建筑工程中普遍的一项内容,墙面装饰除了功能性要求如隔音外,还有美观要求,因此掌握抹灰技术尤为重要。本文主要设计了吊篮式高层建筑外墙抹灰机（主机），目的是满足目前外墙抹灰更高要求，它能自动抹灰且移动灵活、效率高，避免了传统抹灰作业中手动墙面找平、刮去多余部分、回收落地灰等步骤，便于施工。对于高层建筑，该抹灰机作业还具有成本低、操作简便、安全性高等特点，这也将取得更大的社会经济效益。本文对吊篮式外墙抹灰机的固有结构及传动机构进行了详细的设计和计算，并应用AutoCAD2010软件绘制了其中的零件图及总装图。关键词：抹灰机，高空吊篮，传动机构 The high-rise building external wall plastering machine designAbstract：Wall plastering engineering is an common element in building engineering.wall decoration in addition to functional requirements such as sound insulation,also need aesthetic requirements, so grasp the plastering technology is particular important.This article mainly designs the high-rise building external wall plastering machine (host) which is designed to meet the higher requirements of wall plaster in present, it can automatically plaster and move flexibly, it has high efficiency, so it avoids the traditional plastering operation manual leveling the wall, scraping away the excess, recycling fly ash, and other steps, which is convenient to construction. For the high-rise buildings, the plastering machine has the advantages of low cost, simple operation, high safety, which will have the greater social and economic benefits. The high-rise building external wall plastering machines inherent structure and drive mechanism is designed and calculated in this article, and use AutoCAD2010 software to draw the part drawing and general assembly drawing.Key words：plastering machine, high altitude hanging basket, transmission mechanism目 录1 绪论11.1课题的背景及意义11.2抹灰机的现状及发展趋势21.3高空吊篮的发展现状41.4存在的主要问题及解决的方法51.5抹灰机的结构形式及建筑楼面简析52 总体方案的设计及选择72.1明确需要研究解决的问题72.2本设计的研究方法82.3拟定解决方案及分析92.3.1移动机构方案的确定92.3.2移动路线方案的确定112.3.3总体方案的选定122.3.4方案的总体设计原理142.3.5抹灰机具体功能的实现163 吊篮式外墙抹灰机固有结构的设计及计算183.1吸盘的选择183.2真空发生器的选定193.2.1吸着响应时间T193.2.2求工件吸着时的泄露量QL213.2.3真空发生器的选定213.3丝杠轴端设计213.4落灰回收装置223.5电机的选择233.5.1抹灰头电机的选择233.5.2丝杠传动机构电机的选择234 吊篮式外墙抹灰机传动机构的设计及计算254.1带传动的设计计算254.1.1确定计算功率264.1.2选择V带的带型264.1.3确定带轮的基准直径dd1和dd2并验算带速v264.1.4确定中心距a和V带的基准长度Ld274.1.5验算小带轮上的包角1284.1.6确定带的根数z284.1.7确定带的初拉力F0294.1.8计算作用在轴上的压力FQ304.1.9带轮结构设计304.2齿轮的设计计算324.2.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数324.2.2按齿面接触疲劳强度设计324.2.3按齿根弯曲疲劳强度设计354.2.4确定几何尺寸374.2.5确定小齿轮的结构尺寸374.2.6确定大齿轮的结构尺寸384.3丝杠的设计38结 论39参考文献40致 谢41II 太原工业学院毕业设计1 绪论1.1课题的背景及意义随着社会的发展，在现代都市中高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。近年来，城市市容环境整顿工作越来越引起人们的重视,作为城市面貌的建筑外表面清理和装饰工作已成为城市环境整顿的工作重点。在建筑工程中墙体抹灰是一项必不可少的工序，不论是平房还是高楼，传统的建筑外墙抹灰工作均是由人工完成的，然而，对于高层建筑人工抹灰是相当危险的，由此带来的问题是:既费时费力工作量大，又存在许多不安全隐患，高空强气流致使人难以平衡，工作环境相当恶劣，伤亡事故时有发生，最重要的是抹灰质量得不到保证，效果参差不齐，工艺质量的差异与工人的技术水平有极大关系，严重影响工程竣工率。同时，需要工人在高温、高压、有毒的艰险恶劣的环境中完成复杂作业，这无疑对工人的健康和生命安全造成巨大的威胁。为解决手工抹灰所面临的问题提高施工效率和质量，减轻工人负担，要求我们必须设计一款能代替手工的机械式抹灰机，来实现手工抹灰的机械化操作。而我国人口众多，住房面积在世界处于首位，再加上其他建筑需要，所以抹灰机市场前景巨大，对于我国建筑行业的发展也有极其重要的意义。因此抹灰机的研制对我国有巨大经济和社会效益。墙面抹灰工程是建筑装饰工程中最普遍、最常用的一项内容，是整个工程中的最后一道工序，也是工程达到优良的必要条件。墙面装饰除了功能性的要求，如保护墙体、改善清洁条件、改善隔音、隔热、防潮等外,还有美观的要求,特别是房产商品化后，美观的要求则更高,为此,掌握抹灰施工技术尤为重要。对于高空作业方面，我国初始的方法是建脚手架，工人手工依次进行作业，完毕后再拆除脚手架。很显然，这种方式费工、费时，需要大量的辅助材料来搭建脚手架。尤其对于高层建筑外墙的抹灰成本更高，而且效率太低。目前我国对高层建筑外墙的抹灰主要是人工作业，基本有两种形式。一是用专门的载人提升设备，将工人及抹灰工具、抹灰材料等依次悬吊于墙面附近，抹灰工人手工依次对墙面进行抹灰。这种方法使用的设备简单，工人手持抹灰板对墙面进行抹灰。二是对于高层建筑外墙比较规整的表面，在高层建筑的顶部预先安装吊篮提升设备，可供工人站在吊篮上进行手工抹灰，其抹灰方法与前一种方法基本相同。吊篮提升设备可同时站立多名工人在吊篮上工作，工人的工作条件有所改善，效率有所提高，但为保证抹灰作业的质量问题，在抹灰过程中最好由一名工人完成，这就另抹灰效率大大的降低，而且加大了工人的劳动强度。另外，采用手工抹灰的涂层质量受人为控制的因素影响较大，如抹灰的速度、抹灰的距离、抹灰厚度、采用的抹灰方法和工人的技术水平等。高层建筑物的壁面抹灰是一项量大面广的作业，迄今为止，国内外基本上还停留在人工抹灰阶段，整个作业过程中需要工人搭乘高空吊篮进行危险的高空作业，这对作业人员来说不仅存在生命安全问题，而且抹灰所用物料本身含有大量有害物质，长期接触亦会对工人的健康造成威胁。所以高层建筑壁面抹灰自动化问题亟待解决。解决这个问题的最好方法是用机械化抹灰机代替工人手工进行高空作业，这将是高空作业的发展方向。但就目前来说，抹灰机的研究还不很成熟，不能普遍推广和使用。所以可以考虑在吊篮基础上，放置抹灰工具，由人工控制，代替工人作业，实现抹灰的半自动化。这样可以在很大程度上降低工人的劳动强度，提高抹灰效率及质量，也提高了施工的安全性，能很好地适用于高层建筑外墙表层的大面积抹灰机械化作业,这也将取得更大的经济效益和社会效益。1.2抹灰机的现状及发展趋势目前，在我国的市场上存在的抹灰机械一般由两部分组成：一部分是抹灰机；另一部分是抹灰机的配套设备。国内抹灰机械的研制主要集中在第一部分，而第二部分是现成产品，是可以选择的。当前我国抹灰机的发展情况主要表现在下面几个方面：根据执行机构和抹灰装置的操纵方式，抹灰机一般可分为两种：一类是喷灰工作方式的抹灰机，其特点是抹灰装置没有固定，通过人工操作控制抹灰沿墙壁上下移动和左右移动。抹灰装置与墙面的距离大小都是完全通过工人手工操作来实现的。另一类是抹灰机是机械式的抹灰机，这类抹灰机的特点在于是将抹灰装置和传动装置整体安装在机器的刚性门架上，而在工作时门架则同定在底部的底盘上面。而在具体工作时，抹灰装置可以借助于卷扬机带动卷筒工作沿着门柱上下移动，来实现抹灰作业。配套设备有灰浆搅拌机、灰浆泵或空气压缩机和输浆管道等等。国内抹灰机械的研制主要集中在抹灰机部分,其配套设备已有现成产品可供选择。通过对国内近十年公布的有关抹灰机专利的分析,我国抹灰机的研制状况可归纳为以下几个方面：1、根据执行机构抹灰头的操纵方式,现有专利公布的抹灰机主要有两类：一类是手持式抹灰机，其特点是抹灰头没有固定安装在机器上,工作时由工人用手托握住抹灰头，对抹灰头沿墙壁高度方向的上下移动、沿墙壁宽度方向的左右移动以及抹灰头与墙壁厚度方向的相对距离都完全凭操作者手工掌握。另一类是机械式抹灰机,这类抹灰机的特点是将抹灰头安装在机器的立柱或门架上,而立柱或门架则固定在底盘上,整台机器形成一个刚性的整体。抹灰装置借助于升降机构可沿立柱或门架上下移动。国内抹灰机的研究方向正朝机械式抹灰机的方向发展。2、抹灰机研制的关健技术集中于抹灰头结构、工作方式及运动方向的控制。a、现有专利公布的抹灰头在结构和工作方式上主要有两类：一类是旋转盘式抹灰头,它是借助旋转的抹灰盘将来自灰浆管的灰浆括压到墙壁上,并同时予以抹平,这类抹灰头本身的驱动方式有电动机软轴式、油马达式、气马达式或压缩空气式直接吹动叶轮等四种形式这种抹灰头结构较复杂。另一类是平移板式抹灰头,它是借助于移动的抹灰板将来自灰浆管的灰浆推抹到墙壁上并予以抹平,抹灰板与板体间没有相对运动,其结构较简单。b、抹灰头移动方向的控制根据完成抹灰任务的实际需要,对抹灰头X、Y、Z三个方向的移动都应进行控制。对于手持式抹灰机, X、Y、Z三个方向的移动都借助于人工来控制。对于机械机抹灰机,方向移动是借助于升降机构来控制,以完成自下而上的抹灰任务；对于Y方向的移动,一般都没设专用的控制装置，而是利用沿墙壁宽度方向放出平行线,将机器按线就位,利用自重定位。对X方向的移动,则是在完成前一工位的抹灰后,人工推动整台机器沿事先放出的平行线移动一段距离（这段距离的长度略小于抹灰头一次抹灰的宽度）,从而达到下一个工位。c、机械式抹灰机其传动方式多采用液压传动,如液压多功能抹灰机组,其抹灰的旋转驱动、上下升降、水平移动和灰浆泵的驱动都是采用液压传动。屋面抹灰机除旋转盘式抹灰头本身的驱动采用电动机软轴外,其他传动也都采用液压传动。d、抹灰的范围多限于房屋内立面和顶面的抹灰,有关抹墙外立面和内立面的转角的抹灰机还很少见。e、适应的灰浆。现有专利公布的抹灰机对现在常用的白灰砂浆、水泥砂浆、混合砂浆和麻刀白灰都能适应,其配比稠度符合墙体需要即可1。1.3高空吊篮的发展现状随着国内高层建筑的大量兴建，城市环境美化要求的提高，高空作业电动吊篮普及迅速。建筑外墙装饰是一项繁重的综合性工程，施工量大，工期长，使用劳动力多，经济效益低。在国外发达国家，推广使用高处作业电动吊篮已有40年历史，技术先进，质量可靠，使用安全。我国从八十年代开始参照国外技术，进行国产化设计，逐步投入批量化生产。传统的施工方法有：a、采用简易建筑吊篮施工。从建筑物顶部悬挂钢丝绳，配置吊船，上下移动用手搬葫芦，机具简陋，使用不便，无安全保障，劳动强度大，效率低。b、沿建筑物立面搭设脚手架。此方法费工、费时，占地面积大，需要钢材多，价格高，运输量大。高空吊篮的使用克服了上述施工存在的缺点，安装方便，电动升降，作业效率高，占地面积小，配置有工作绳和安全绳，使用安全可靠，适合各种复杂施工环境。在大城市高层建筑、楼房密集区的施工作业，住宅小区的维修粉刷，更能显示其经济、方便、安全、高效的优越性。如建筑物外墙施工作业和维修装饰作业。电动吊篮在我国的相关行业已经得到广泛的应用，也有了很大的发展和提高。但在技术上，制造材料以及加工工艺上还有再前进一步的空间。如提升机，提升重量与自重之比能否再大些。尤其800kg的提升机比630kg提升机的提升能力仅增加了85kg，自重却增加了近一倍。目前，工地上的吊篮工作平台部分多数是以2mm的薄壁管焊接而成。此种结构经多年的使用，证明质量是可靠的。但其中存在的一些问题也应引起重视：其一是管壁太薄，组合平台时方管连接部位的螺栓不能拧紧，有的厂家虽然配上了大直径平垫，考虑到目前操作人员的素质，此种方式有待改进。其二是底板部分的连接，为了安装时穿螺栓方便，使用了长型孔。M12的螺栓配以14x20的长孔即使加上平垫，做为用于高空作业的机械设备来说，也是不可取的。在电器电路上能否增加一些过载保护和防止误操作功能。这些在塔式起重机上早已是必备的设施。电动吊篮从引进、推广、到今天在建筑业的广泛应用，使我国在这一领域的机械化程度和施工的文明程度都有了一个极大的提高。从推广初期的不认识，不理解，不使用到今天大中城市的建筑业中成了不可缺少的必备机具，对业内人士的思想上和认识上是一个很大提高；在建筑施工工艺水平上和以往的脚手架相比，是一个空前的飞跃2。1.4存在的主要问题及解决的方法尽管国内外先后花巨资研制了许多不同的抹灰机,但至今尚无抹灰机的定型产品和商品化的灰机出售,有关抹灰机成功地大面积抹面的报告也很少见。究其原因是抹灰机本身在技术上还存在不少问题。对于手持式抹灰机存在的主要间题是劳动强度仍然较大,抹灰质量不稳和振动给操作者带来的手臂骨骼、关节、神经和结缔组织的损害。解决这些问题的综合方法是采用机械式抹灰机。对于机械式抹灰机,存在的最主要的问题是抹灰质量达不到国家规定的平整度和光洁度的要求田,其中最突出的问题是相邻两个工位所抹出的灰面不在同一平面上,发生错位现象。出现这种现象的根本原因是整台抹灰机沿墙壁宽度方向没有定位,具体原因有三：一是摆放偏差,当整台机器沿X方向逐个工位推进摆放时,相邻工位不同线形成的偏差二是地面不平（地面的粉饰在墙立面和顶面之后）使机器发生倾斜形成的偏差三是抹灰头所受的反推力使整台机器沿Y方向发生了位移而形成的偏差。解决这一间题的方法是沿X方向铺设轨道架,将整台抹灰机用行走轮轴支撑安 置于轨道架上,整台抹灰机借助于轮轴沿X方向推进。为防止轨道架的移动,将轨道的一端顶住墙体,其另一端则用油缸顶住另一墙体。这样就对整台抹灰机形成 刚性约束,从而消除上述三个方面的偏差,保证抹灰面的平整度符合规范要求。在使用中我们通过经验总结发现以上的抹灰机或多或少的存在一些的缺点：采用喷灰机存在的主要问题表现在劳动强度依然较大，并且进行抹灰作业时抹灰质量难以控制。所以逐渐被机械式抹灰机所替代。但是现有的机械抹灰机存在平整度达不到国家规定要求的问题，尤其是相邻两个刚抹出的抹灰面不能严格的保证在同一个平面上，且机械传动采用的液压传动易产生脉动现象，抹灰质量也难以控制，同样也会出现平整度和表面光泽度达不到国家规定要求的问题。本次自动抹灰机的设计正是基于当前行业需求和市场现状来设计一款新型的自动抹灰机。1.5抹灰机的结构形式及建筑楼面简析1、抹灰机的结构形式平动式抹灰机这种抹灰机有平行移动式的抹灰装置，它是借助于移动的抹灰板将来自灰斗的灰浆平抹到墙壁上，抹灰板和墙面之间的距离是固定的，并且是有一定要求的，且固定时无相对移动，这种抹灰机的整体结构相对来说是比较简单的。旋转移动式抹灰机这种抹灰机有旋转式的抹灰装置，它主要通过旋转的抹灰盘将来自输料管的灰浆压到墙壁上，并实现抹灰工作。这类抹灰装置的驱动方式有：电动机带动软轴式、液压式、气压式和压缩空气式直接通过叶片旋转工作等四种，以上的四种形式的抹灰装置结构都比较复杂,成本比较高。2、建筑楼面结构直角形 对于这种楼面结构，最为常见且一般为平面墙壁，拐角处通过直角转弯连接过度，故这种结构的外墙广泛性更好，成本更低，抹灰更为方便，容易定位，综合考虑，最适合机械化，可大量提高效率。圆柱形 对于这种楼面结构，因为墙面是圆柱形的，所以需要设计专用的抹灰头，因此通用性要低，成本也要相对提高，不适用于广泛抹灰工程。更为复杂对于更复杂的结构，因为抹灰机的限制，机械化难度高，本次设计暂不做讨论3。2 总体方案的设计及选择在拟定方案之前，需经过多方考察查阅资料，充分讨论设计方案，经过多方比较，全方位考虑，最终才能将设计优点集合在一起，确定设计方案。吊篮式高层建筑外墙抹灰机主要包括悬吊系统和吊篮式抹灰主机两大部分。吊篮式抹灰主机可分为移动机构、吸附机构和抹灰机构三大设计部分，本章主要先明确需要研究解决的问题，然后从移动机构及移动路线方面确定设计方案，进而确定整体方案，最后论述设计方案原理及各部分具体功能的实现方法。 2.1明确需要研究解决的问题高层建筑外墙抹灰工程需要一套能够满足其施工要求的设备。根据所掌握的资料，目前高层建筑外墙抹灰产品在市场上还是一个空白，也几乎没有出现此领域的相关专利。本设计所要研究和解决的问题是设计出一种能够满足现代化高层建筑外墙抹灰工程所需要的抹灰机。抹灰机设计要实现的功能如图2-1。悬吊负重功能同步行走功能控制功能送料功能产生抹灰力功能高层建筑外墙抹灰抹灰功能图2-1 抹灰机功能要求本次抹灰机整体设计要研究解决的主要问题有以下几个方面：（1）性能要求1）悬吊装置的悬吊及供料；2）悬吊装置与抹灰机构的同步移动；3）抹灰机构抹灰力的产生；4）抹灰机构的水平和垂直移动；5）落灰回收机构，在抹灰过程中难免有灰浆落下，如不回收利用，不仅浪费材料提高成本，还会污染环境。（2）几何外型体积小，重量轻，其宽度应考虑高层建筑的窗户及其建筑结构。（3）装配及维修性机体装配时应根据图纸要求简单容易的装配，维修容易，不需专门工具。（4）材料为金属和非金属,为减轻重量，故考虑用轻金属，如铝合金。（5）加工尽量使用标准件，对非标准件，应尽可能工艺简单，加工容易。（6）成本及售价当前使用的高楼吊蓝带人抹灰成套设备售价在12万元左右，以此为参考。根据调研的结果，初定设计成本为5万左右。（7）抹灰速度的确定以某大厦为例：设计要求两天时间抹灰完成，每天按9小时计算（8小时工作时间，一小时的装拆时间），共计2860=960min该大厦周长为110m，建筑物高度为70m,初步估算抹灰面积约为7700，效率约为：7700/960=0.134/s抹灰过程中，因抹灰宽度为800mm，则可计算移动速度为：0.134/0.8约为0.16m/s考虑到实际操作问题，速度定为0.2m/s以下设计按上述要求完成，尽可能完成设计要求4。2.2本设计的研究方法根据本次抹灰机整体设计提出的问题，提出实现方法如抹灰机功能树图2-2抹灰功能悬吊负重功能送料功能控制功能落料回收功能压实功能吊篮收放功能负重功能复合吊缆产生抹灰力功能灰浆输送泵（辅以人工送料）落灰回收落灰输送负压吸附吸盘高建筑外墙抹灰机吸盘吸附卷扬机单片机图2-2 抹灰机功能树回收箱输送带抹平功能螺旋铰刀抹灰板2.3拟定解决方案及分析2.3.1移动机构方案的确定若要实现抹灰机构相对于墙面在一定范围内的抹灰，需要设计一个移动机构，将抹灰部件置于移动机构上，由移动机构带动抹灰部件实现在一定范围内的抹灰作业。移动机构的设计将X-Y工作台置于吊篮体上，作为整个抹灰部件的移动机构，实现横向及纵向的移动。整个移动部件与吊篮体采用高强度结构螺栓连接，主要有横向和纵向两个方向的移动机构组成。对于移动机构的设计，初步确定以下几个方案：方案一：如图2-3图2-3 方案一示意图方案一说明如下：横向移动机构连接在吊篮体上，主要由横向丝杠副，电机，联轴器，轴承支座，导轨副组成。由电机通过联轴器带动丝杠转动，运动通过螺母座将转动变为直线移动传到导轨滑块上，进而实现横向的直线移动。纵向移动机构通过横向滑块连接在横向导轨上，组成部件与横向移动机构相同，整个抹灰部件通过滑块与纵向导轨连接。电机带动纵向丝杠转动，将运动转化为抹灰部件的纵向移动。此方案优点是：因为其通过丝杆实现纵线移动，晃动较少，故移动比较精确，连续性较强。方案二：如图2-4图2-4 方案二示意图方案二说明如下：横向移动机构连接在吊篮体上，主要由横向丝杠副，电机，联轴器，轴承支座，导轨副组成。由电机通过联轴器带动丝杠转动，运动通过螺母座将转动变为直线移动传到导轨滑块上，进而实现横向的直线移动。对于纵向移动机构，设计一个门架。门架是由两根钢管和方管横梁构成的。钢管是抹灰机工作时抹灰装置和传动装置上下滑行的轨道，适应高度为 2 米到 4 米。横梁上两边各有一个固定的滑轮，钢丝绳穿过滑轮后通过电机带动的卷扬筒提升抹灰装置。这样，电机带动钢丝绳卷动，就可以通过钢丝绳将运动转化为抹灰部件的纵向移动。此方案的优点是：不依赖于丝杠，直接通过钢丝绳即可实现纵向移动，故也无需考虑丝杠的维修与替换，但要考虑钢丝绳的磨损与维护5。分析：经过对以上两种设计方案的综合考虑与分析，方案一可行性更好。2.3.2移动路线方案的确定就以上移动机构，可以选择两种抹灰路线，如下：路线一：（先横向再纵向）路线二： （先纵向再横向）分析：对于这两种抹灰路线，应考虑移动部件的结构。由于纵向导轨置于横向导轨上，且抹灰头结构为水平细长放置，所以选择抹灰路线时，应考虑先纵向直线移动，然后再横向直线移动，即选择第二种抹灰路线2.3.3总体方案的选定结合抹灰机的抹灰形式、使用性能及所要达到的要求，通过上述求解功能树分析，利用形态学矩阵（如表1）拟定了两种方案。 表1 抹灰机形态学矩阵分功能解决方案的原理和组成元件1进料功能人工 灰浆输送泵 带输送2储料功能带螺旋轴的金属圆筒 方形料箱3压实功能螺旋绞刀 抹灰板4抹平功能抹灰板 抹灰盘5落灰输送输送带 小料斗6进给功能液压驱动 电机驱动 气动7控制功能 PLC 单片机 开关8水平垂直传动丝杠传动 齿轮齿条9送料检测压力传感器 应变片10行程检测行程开关 光电传感器方案一：抹灰板式抹灰机1-抹灰板 2-料箱 3-螺旋输送轴 4-进料口 5-落灰回收箱图2-5抹灰板式抹灰机方案原理构思如图2-5所示。方案通过以下技术实现，以料箱为进料、储料、出料多功能的主要部件之一，通过螺旋轴的旋转将灰浆挤出到墙上，用两个刮板将灰浆压实并抹平，料箱必须满足以下功能：接受原料、存储原料、输出原料、为灰浆上墙提供压力，即灰浆的压实；抹灰板分为上抹灰板）下抹灰板，分别安装在料箱的出口处，能够上下往返抹灰；落灰回收箱在下抹灰板下方，用一种特制输送带将落灰送进方形料箱；抹灰板、落灰回收箱及方形料箱组成主机；方形料箱与垂直进给部件以齿轮齿条的形式结合，通过齿轮齿条的啮合实现主机的垂直移动；水平进给部件与垂直经部件以齿轮齿条的形式结合，通过啮合实现主机的水平移动；以上所述水平和垂直移动由电动机驱动。方案二：压辊抹灰盘式抹灰机1-料箱 2-螺旋轴 3-电动机 4-压辊 5-抹灰板图2-6压辊抹灰盘式抹灰机方案原理构思如图2-6所示。此方案通过以下技术实现，以料箱为进料、储料、出料多功能的主要部件之一，通过螺旋轴的旋转将灰浆挤出到墙上，用一个小压辊将灰浆压实，并用一个抹灰板将灰浆抹平。料箱必须满足以下功能：接受原料、存储原料、输出原料、为灰浆上墙提供压力，即灰浆的压实。进料是通过滚筒上方的进料口，然后经过螺旋机构输送到墙面上；小压辊随着抹灰机上升自转从而将灰浆压实，再经过抹灰板抹平，为了使其能往复抹灰设计了上下两个抹灰板；抹灰板、落灰回收箱及方形料箱组成主机；考略到机构应具备自锁功能，主机与进给部件以滑动丝杠副的形式结合，通过滑动丝杠传动实现主机的垂直移动；水平进给部件与垂直经部件以丝杠螺母副的形式结合，通过啮合实现主机的水平移动；以上所述水平和垂直移动由电动机驱动。 分析以上两种方案：方案一的特点：工作原理与结构简单，其难点是不能确保抹灰的平整，并且落料比较严重。方案二的特点：主机结构简单紧凑，重量轻；原料即来即用，无需存储；进给导轨安装在吊篮上，满足定位要求；主机电动机同时为螺旋轴的旋转和垂直进给提高动力；工作范围大，可以实现往返抹灰动作，进而缩短劳动时间，提高工作效率。 得出总体方案选定结果：通过对以上两种抹灰机的分析，决定选用方案二：压辊抹灰盘式抹灰机。2.3.4方案的总体设计原理本课题的设计内容是这样实现的：由移动系统、吸附系统、抹灰作业系统组成的墙面抹灰装置（见图2-7）。传动系统由水平传动系统（1）和竖直传动系统（2）组成，水平传动系统固定在吊篮上，竖直传动系统与水平传动系统以丝杠螺母副相连并做传动。吸附系统由吸盘、安装架和真空发生器组成。抹灰作业机构向壁面送灰、抹灰。移动机构使壁面抹灰装置在壁面自上而下、左右移动，实现连续抹灰。吸附机构始终使抹灰装置和壁面之间保持一定的压力，抵消抹灰装置在抹灰时壁面的反作用力以及确保吊篮整体在空中的定位。1-水平传动系统 2-竖直传动系统 3-吸附系统 4-吊篮图2-7 结构示意简图（1）移动技术问题的解决： 采用水平丝杠和竖直丝杠作为移动机构，可确保墙面抹灰装置在墙面上作全方位运动，并且在垂直墙面的方向上加装一个进给机构，以调整抹灰的后度，以适用于各种建筑物的外墙。（2）吸附及密封技术问题的解决：吸附系统由吸盘和真空发生器组成，可靠贴附在壁面。且采用高弹性的密封圈，密封圈和壁面之间的接触面积较大，具有良好的密封性和较好的壁面适应性。吸盘内的真空由真空泵产生负压 ,吸盘的密封裙边采用弹簧气囊组合式密封机构。由于单吸盘真空吸附式机器人在壁面上移动时,吸盘上的密封圈与壁面之间存在相对运动 ,这就要求密封装置适应壁面的一定程度的凹凸不平 ,实现吸盘的可靠密封 ,又要求密封圈具有一定的耐磨性和寿命。针对单吸盘真空吸附式爬壁机器人对密封装置的特定要求 ,该装置通过改变气囊内空气的压力来改变气囊的弹塑性能 ,这能较好地填补气囊和壁面间的缝隙 ,达到适应壁面小凹凸的要求。此外采用了“软着落”的接触密封方式也能增加吸盘对壁面形状的适应性。气囊与壁面之间的接触压力则通过弹簧来调定和维持 ,这样通过气囊的微小变形和弹簧的大变形的组合 ,可以保证吸盘既能很好地适应壁面的微小凹凸 ,又能保证在越障时 ,吸盘能顺利翻越障碍。为减少气囊与壁面之间的摩擦力 ,增加气囊的工作寿命 ,在气囊外层涂上一层摩擦系数小的聚氨脂耐磨材料。（3）抹灰机构的设计问题的解决：抹灰过程供料是一个很重要的环节，螺旋供料机构使灰料充满储料箱，在抹灰机壳的下边做一个凸起的结构，使灰料自辊子的上沿溢出，实现供料的同时，抹灰机也在向上移动带动辊子把灰料向墙面压实，然后用抹灰板将其抹平，完成抹灰动作；完成一个竖直方向的抹灰动作后，水平方向丝杠将抹灰机沿水平方向移动进行下一个抹灰的循环。2.3.5抹灰机具体功能的实现（1）抹灰功能方案采用一个滚筒抹灰，由供料机构提供灰料到墙面上，由滚筒随动旋转进行墙壁的抹灰。采用两个抹灰板使得抹灰机可以进行自上而下或自下而上的两种抹灰，这样不仅可以提高抹灰效率同时由于所受的阻力方向相反还可以增强抹灰机主机吸附在墙壁的稳定性。（2）悬吊负重功能抹灰机主机的悬吊由楼顶上的随动机构实现，通过缆绳的收放将抹灰机主机送到抹灰位置，在吸附装置工作以后缆绳将不实现悬吊功能而是起到保护功能，在吸附装置失效时保护主机以免抹灰机主机掉落。抹灰结束以后再通过缆绳将抹灰机主机送回楼顶。（3）同步行走功能由于抹灰过程中缆绳不起悬吊功能，所以垂直方向上缆绳要根据抹灰机主机的抹灰速度进行收放。抹灰机主机在水平方向上运动时楼顶的随动机构要根据抹灰机主机的位移进行移动，要实现这个功能就要在随动机构缆绳收放滑轮的侧面安装位移传感器。当抹灰机主机水平移动时缆绳与铅垂线会产生一个夹角，当位移传感器感应到夹角大于某一数值时给控制系统发出信号从而使随动机构运动。（4）控制功能采用单片机控制，单片机收集传感器发出的信号从而控制抹灰机的运动。（5）上料功能在随动机构上配有灰料箱，由泵抽出灰料提供给抹灰机主机灰料。（6）落灰回收功能在抹灰机主机的下方安装有一个落灰回收装置，将从抹灰头落下的灰料收起来送到灰料箱，再由灰料箱上料到抹灰主机的供料机构。在这个过程中有一个问题：当抹灰机自上至下抹灰时，回收装置处没有新抹上的灰料；当抹灰机自下至上抹灰时，回收装置处的墙面很容易被碰坏，所以，为了保证落灰回收的效率又不至于把新抹的墙面破坏，要在回收装置的边缘上加上一个可以折叠的装置，在向上抹灰时把边缘折起来，向下抹灰时把边缘放出来，而这个装置的宽度要和抹灰的厚度相近。（7）产生抹灰力功能采用吸盘组结构吸附，除了产生克服重力的摩擦力外还提供垂直于墙面向里的力从而产生抹灰力。3 吊篮式外墙抹灰机固有结构的设计及计算抹灰机主机由吸盘吸附在垂直墙面上，通过两组吸盘的交替吸附实现行走功能，在行走的过程中进行抹灰。抹灰主机由一套旋转机构在吸盘的配合下可以进行旋转从而带动抹灰部件实现垂直方向和水平方向上的抹灰；在楼顶上有与抹灰主机同步的随动机构以及悬吊装置，抹灰液在随动机构上的水箱通过水泵提供给抹灰主机；抹灰主机所需的压缩空气也由随动机构提供。以下是抹灰机主机具体结构的选定及设计。3.1吸盘的选择本次设计中吊篮相对于墙面的定位采用真空吸盘吸附的方法。在吊篮靠近墙面那一面布置吸盘，待吊篮升降到一定位置，使吸盘吸附在墙面上，达到定位的目的。另外，吊篮距离墙面通常有一定的距离，所以需要吸盘沿垂直于墙面的方向能够移动。这里可以采用气动或液压元件实现吸盘在这个方向的运动，即将吸盘与液压缸或气缸相连，通过驱动液压缸或气缸运动，带动吸盘移动。由于在此次设计中，吸盘需要有压缩空气源，再综合考虑气压驱动与液压驱动的优缺点，决定选用气压驱动的方式，由气缸带动吸盘运动。由于抹灰板与墙面距离的变化，吸盘需要在任意一个位置都能够停止，所以采用锁紧气缸，它可以实现在任意位置停止并锁紧。吸盘布置在吊篮靠近墙面一面的两端，为保证足够的吸附力，两边采用吸盘组的方式，每个吸盘组包含两个直径相同的吸盘。吸盘的理论吸附力是吸盘内的真空度与吸盘的有效吸附面积的乘积。对于吸附墙面这样较大的面积的物体，为防止吸盘松脱，使用多个吸盘进行吸附。这些吸盘应合理配置，以使吸附力作用点与被吸附物的中心尽量靠近6。使用n个同一直径的吸盘吸吊物体，其吸盘直径D按下式选定 (3.1)式中 D吸盘直径，mm； W吸吊物重力，N； T安全率。水平吊，t4；垂直吊，t8； P吸盘内的真空度，MPa。选用时吸盘内的真空度p应在真空发生器的最大真空度Pv的63%至95%范围内选择，以提高真空吸着的能力，又不致吸着相应时间过长。经市场调查、实验测试及结构设计，取得：吸力：，用于拉拽吊篮整体以及提供抹灰力吸盘个数：安全率：预选真空发生器最大真空度为：Pv=80KPa。则吸盘真空度：计算得:故选用直径为100mm，SZPHP-1吸盘，结构如下图3-1。图3-1 吸盘结构图3.2真空发生器的选定3.2.1吸着响应时间T吸着响应时间是指：从供给阀（或真空切换阀）换向开始，到吸盘内达到吸着工件所必须的真空度为止所需的时间。图3-2 响应时间图如上图3-2，设吸盘内的压力从大气压降至真空度达63%pv的到达时间为T1，降至真空度达95%pv的到达时间为T2，有 (3.2) 式中 V真空发生器到吸盘的配管容积，L； Q通过真空发生器（换向阀）的平均吸入流量Q1和通过配管的平均吸入流量Q2中的小者，L/min； T1（或T2）响应时间，s；因为PPv=0.85，由上图查得到达时间T=2T1，一般情况下根据吸盘吸取墙壁的运动速度要求吸盘的相应时间T小于1s，故取T1=1/2=0.5s取 则 配管直径：配管长度： 则真空发生器至吸盘的配管容积从而 通过配管的平均吸入流量由参考文献15中图12-87查得配管有效截面积：S=30mm2。真空发生器的平均吸入流量，其中Qe为真空发生器的最大吸入流量。则真空发生器的最大吸入流量 （不计泄漏量时）。3.2.2求工件吸着时的泄露量QL吸着漏气工件的有效截面积： 。工件吸着时的泄漏量： 。 (3.3)故根据经验，泄漏量确定为5.55L/min。3.2.3真空发生器的选定有泄漏量QL时，最大吸入流量: (3.4) 由最大吸入流量Qmax，选定最大吸入流量22L/min的真空发生器，型号为ZM1A。3.3丝杠轴端设计 此处指水平丝杠靠近电机一侧的设计，由于抹灰机主机在抹灰过程中会产生振动，所以轴端的轴承要承受径向力，因此采用安装一对角接触球轴承的方法使结构可靠。结构设计如图3-3。图 3-3 轴端结构3.4落灰回收装置 在抹灰机主机的下方安装有一个落灰回收装置，将从抹灰头落下的灰料收起来送到灰料箱，再由灰料箱上料到抹灰主机的供料机构。在这个过程中有一个问题：当抹灰机自上至下抹灰时，回收装置处没有新抹上的灰料；当抹灰机自下至上抹灰时，回收装置处的墙面很容易被碰坏，所以，为了保证落灰回收的效率又不至于把新抹的墙面破坏，要在回收装置的边缘上加上一个可以折叠的装置，在向上抹灰时把边缘折起来，向下抹灰时把边缘放下来，而这个装置的宽度要和抹灰的厚度相近。落灰回收装置如图 3-4图 3-4 落灰回收3.5电机的选择3.5.1抹灰头电机的选择从经济的角度考虑，采用普通的三相电机，通过V带传动，带动螺旋输送机构。吸盘在除了提供垂直方向上与自身重力相抵消的力之外还提供水平方向上的抹灰力，依据实际实验，取抹灰力（抹灰总力）为200N。抹灰头与墙面的摩擦系数为0.30.4，取=0.4故计算得：垂直抹灰力 F=2000.4=80N滚筒直径为0.15m，滚子的转速为n=500r/min则滚子的抹灰转矩为 滚子的抹灰功率为则滚筒所需转矩为1.2N.m功率为1.1KW，考虑到滚子旋转抹灰实际抹灰力稍大于设定的抹灰力以及V带的传动效率，故选取型号为Y系列三相异步电动机B3型 Y90S4电动机，额定转速1400r/min，额定功率1.1KW，额定转矩2.3N m，中心轴直径为24mm。3.5.2丝杠传动机构电机的选择丝杠传动机构由电机经齿轮减速带动丝杠转动，从而实现抹灰机的平面运动。在丝杠行进过程中需要控制丝杠行进的位置，转动速度一般，拟选用电磁制动三相异步电动机。抹灰机自重约为200kg左右，灰料100kg左右，滚动轴承的摩擦系数为0.0010.01，取轴承摩擦系数为承=0.001.预取大齿轮直径120mm，小齿轮直径50mm，轴承选用深沟球轴承60000型 30。所需输出的转矩 选择型号为YEJ90L-4 电磁制动式三相异步电动机，额定转矩2.3,额定功率1.5Kw，额定转速1