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毕业设计说明书-19000字-44页.doc

高楼清洗机机电系统设计【机电毕业设计含6张CAD图+说明书2万字44页】

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关键词：: 高楼清洗机电电机系统设计毕业设计 cad 说明书仿单 44

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摘　　要

近年来，随着社会的发展，楼层越来越高，使用玻璃幕墙的楼房也越来越多，避免清洗时一个很重要的问题，传统的方式多数为人工，或者是采用电缆从楼顶将机器人吊下，工作效率偏低，危险性高，于是清洗用爬壁机器人应运而生，本文的任务就是设计一种能够在壁面上吸附行走的清洗机器人。

本文在简单介绍清洗机器人的国内外研究现状的基础上，基于二维软件CAD对四轮式风压吸附清洗机器人的本体机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。

本文设计的清洗机器人采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用风压吸附方式，利用螺旋桨对空气的压缩所产生的压力将机器人压在物体表面，避免了清晰机器人对壁面的局限，降低了控制难度；清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成；采用无人化清洗，自动清洗，自动供水，自动供清洗液，单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作，而且在清洗过程中，清洗机能够自动进行边缘识别，可根据建筑楼层的具体情况选择为纵洗或横洗；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，使用直齿圆柱齿轮传动装置作为减速器；采用楼顶供电；机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。本机的清洗效率较高，清洗效果良好。

关键词：清洗机器人；减速器设计；风压吸附；单片机控制；齿轮机构；电机控制；刷洗；

目　　录

摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论………………………………………………………………………………1

　　1.1 课题研究的目的和意义…………………………………………………………1

　　1.2 课题研究现状及分析……………………………………………………………1

　　 1.2.1 国外壁面清洗机器人研究现状……………………………………………1

　　 1.2.2 国内壁面清洗机器人研究现状……………………………………………2

　　1.3 高层建筑外墙清洗机发展趋势…………………………………………………4

1.4 课题的研究设想…………………………………………………………………4

第2章清洗机器人总体方案设计…………………………………………………5

2.1 对楼顶楼面的实际考察…………………………………………………………5

2.1.1楼面结构考察……………………………………………………………5

2.1.2 楼顶的实际考察……………………………………………………………5

2.2 清洗机器人的总体方案…………………………………………………………6

2.3 清洗机器人清洗系统方案………………………………………………………7

2.4 清洗机器人爬壁系统方案………………………………………………………8

2.5 清洗机器人控制系统方案………………………………………………………8

2.5.1设计的基本原则……………………………………………………………8

2.5.2可供选择的设计方案………………………………………………………8

2.5.3方案的分析…………………………………………………………………8

2.6 其它部分方案……………………………………………………………………9

2.6.1材料选择……………………………………………………………………9

2.6.2 轮的润滑问题………………………………………………………………9

2.6.3 轴承的润滑问题……………………………………………………………9

2.7 本章小结…………………………………………………………………………9

第3章清洗机器人清洗系统设计…………………………………………………10

3.1 清洗机器刷洗部分设计…………………………………………………………10

3.1.1 盘刷设计……………………………………………………………………10

3.1.2 滚刷设计……………………………………………………………………11

3.1.3刷洗部分所用弹簧的设计…………………………………………………11

3.2 内空心轴设计……………………………………………………………………12

3.3 清洗机主机滚轮的设计计算……………………………………………………13

3.4 主机上传感器及行程开关的选择………………………………………………13

3.5复合缆的结构设计………………………………………………………………14

3.6 本章小结…………………………………………………………………………14

第4章清洗机器人风压系统设计…………………………………………………15

4.1 采用风压的意义…………………………………………………………………15

4.2 基本原理…………………………………………………………………………15

4.3 气动计算的原始数据与技术要求………………………………………………15

4.4 风压部分力学计算………………………………………………………………16

4.5 本章小结…………………………………………………………………………16

第5章清洗机器人主要零件设计…………………………………………………18

5.1 直齿轮副的设计计算……………………………………………………………18

5.1.1 齿轮的设计计算及强度校核………………………………………………18

5.1.2 齿面接触疲劳强度计算…………………………………………………20

5.1.3 齿根抗弯疲劳强度验算……………………………………………………21

5.1.4 齿面静强度计算……………………………………………………………22

5.1.5 齿根（抗弯）静强度验算…………………………………………………23

5.2 锥齿轮副的设计计算……………………………………………………………24

5.2.1 基础尺寸确定……………………………………………………………24

5.2.2 确定载荷系数K…………………………………………………………25

5.2.3 齿面接触疲劳强度计算…………………………………………………25

5.2.4 齿根抗弯疲劳强度计算…………………………………………………26

5.3 本章小结…………………………………………………………………………26

第6章清洗机器人控制系统设计…………………………………………………28

6.1 控制部分的基本组成……………………………………………………………28

6.2 控制部分工作原理………………………………………………………………29

6.3 驱动部分工作原理………………………………………………………………30

6.4 控制软件的实现…………………………………………………………………30

6.4.1 主机+POD组合……………………………………………………………30

6.4.2 双平台………………………………………………………………………31

6.5 软件的结构………………………………………………………………………31

6.5.1 软件的主体结构……………………………………………………………31

6.5.2 软件功能模块的划分………………………………………………………31

6.6 控制系统软件程序的实现………………………………………………………32

6.6.1 伺服悬吊系统部分………………………………………………………32

6.6.2 清洗机主机部分…………………………………………………………32

6.7 本章小结…………………………………………………………………………33

结论………………………………………………………………………………………34

参考文献 ………………………………………………………………………………35

致谢………………………………………………………………………………………37

附录………………………………………………………………………………………38

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内容简介：: 毕业设计任务书学生姓名金鹏院系机电工程学院专业、班级指导教师姓名国绍文职称讲师从事专业机械电子工程是否外聘是否题目名称高楼清洗机机电系统设计一、设计目的、意义设计目的：目前，我国大多数高层建筑清洗工作还是由人力完成，工人的工作环境恶劣，且有一定的危险性，工作效率低。本课题的目的是完成一台可以自动对高楼外墙进行清洗，净化的机电装备，包括机械系统设计和电气控制系统设计。设计意义：随着社会进步，经济与科技的发展，城市规模越来越大，建筑越来越高，以至摩天大厦比比皆是。靓丽的新大楼，不用多久，外表便成为灰暗一片，严重影响了城市的面貌。为了保持良好的城市形象，城市高层建筑的清洗工作已经成为大都市所必须面对的工作。因此设计一种清洗效率高，清洗效果好的自动化高楼清洗机具有比较重要的现实意义。二、设计内容、技术要求（研究方法） 1. 设计内容： 1) 机电系统总体方案设计； 2) 传动系统设计、总体结构设计； 3) 机械系统标准件及外购件选型、零部件结构设计、设计计算与校核等。 4) 电气控制系统方案设计，外购件选型，系统软硬件设计。 2. 技术要求： 1) 清洗速度： s； 2) 工作对象：各种高层建筑三、设计完成后应提交的成果 1. 需提交一份不低于字的毕业设计说明书； 2. 需提交折合当量不少于 3 张二维工程图纸，其中至少有一张总装配图。四、设计进度安排 2 月 27 日 3 月 16 日：查找和阅读参考资料，熟悉课题，撰写完成开题报告。 3 月 17 日 4 月 10 日：机电系统总体技术方案设计与优化。 4 月 11 日 4 月 30 日：机械系统详细设计。 5 月 1 日 5 月 20 日：控制系统详细设计。 5 月 21 日 5 月 31 日：导师审核图纸和说明书。 6 月 1 日 6 月 15 日：修改图纸和设计说明书，准备答辩。五、主要参考资料 1 闻邦椿 . 机械设计手册 (第 5 版 )M. 北京：机械工业出版社 . 2010. 2 杨老记 ,李俊武 . 简明机械制图手册 M. 北京：机械工业出版社 . 2008. 3 段正澄 . 光机电一体化技术手册（上） M. 北京：机械工业出版社 . 2010. 4 于今 , 刘雪飞 . 一种新型爬壁机器人研究 J. 液压与气动 , 2010, (10). 5 吴成东 , 赵博宇 , 陈莉 . 一种基于爬壁机器人控制系统设计 J. 沈阳建筑大学学报 (自然科学版 ), 2011, (2). 6 黄之峰 , 王鹏飞 , 李满天等 . 基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究 J. 机械设计与制造 . 2011, (6). 7 刘明芹 , 戴永雄 , 黄文攀等 . 小型吸附式爬壁机器人机械结构及平衡性 J. 机械设计与制造 . 2011, (5). 六、备注指导教师签字：年月日系主任签字：年月日中文资料浅析步进电机的制技术与发展趋势 1、概述：随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有一了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有一效结合，可进行模拟最控制，具有一远程通信功能等。有即器人，一 ,目前可编程控制器广泛应用于冶金、矿业、机械、轻丁等领域，为工业自动化提供了有一力的工具。制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统 ,使该单元的控制系统成本降低。 2、步进电机的基本特点 : （ 1）、一般步进电机的精度为步进角的 3不累积。（ 2）、步进电机外表允许的最高温度步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于小同电机磁性材料的退磁点 ;一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有一的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80完全正常（ 3）、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 ;频率越高，反向电动势越大在它的作用大，电机随频率 (或速度 )的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（ 4）、步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有一啸叫声步进电机有一个技术参数 :空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值 .，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有一负载的情况下，启动频率应更低如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有一加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频数字化制造时代发挥着重大的用途伴随着小同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 3、步进电机控制系统的组成：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移最，从而达到确定位的目的 ;同时 ,可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的步进电机用其没有累积误差精度为百分百的特点，泛应用于各种开环控制。 4、步进电机的技术 : 应使输入步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器 ;对于频率较低的控制脉冲，可以利用定时器构成，脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器脉冲数达到设定值时，计数器作切断脉冲发生器回路，使其停止 ,伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用高速脉冲发生器 . 不同的高速脉冲的频率可达 4000 6000通过程输出一定数最的方波脉冲，控制步进电机的转角 ,可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。件环行分配器采用软环占用的源较多，特别是步进电机绕组相数大于四时，对于大型生产线应该充分考虑采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用输出输入点数，目前市场有一多种专用芯片可以选用出的控制脉冲放大到几十至上百倍 , 伏特、几安到几十几安的驱动能力 ,一般通常的晶体管内流输出接口的负载能力仅为十几到几十伏特、几十到几百毫安 ,但对于功率步进电机则要求几十到上百伏特 ,几安到几十安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。 5、国内外电机的发展趋势 : （ 1）、继续沿着小型化的方向发展随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在 57, 42 机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向 3 9, 3 5,30, 25 方向向下延伸。（ 2）、对电动机进行综合设计即把转速位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有一更加优越的控制性能。（ 3）、向五相和三相电动机方向发展泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些我国的情况有一所小同，直到 20 纪纪八十年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是 80 年代后期才开始发展，至今仍然是两种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角与典型的磁阻式电动机的步距角不一样，用户改变这种结构小是很客易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时问内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的。英文资料 LC . an by of a in he of it an to o to to is it of AM)it a, E in to is of LC of to an to a to go to of to he of 2、 of （ 1）、 of t （ 2）、 of is as a so of be by to 30 C an of be up 00C so 0（ 3）、 to go up to to a to is to in or （ 4）、 if in t a to a at of if is in be t a or up to is be if to to to an is to to of it of to to in of of an in 3、 an to is a of or an a to to to a it a to of to to an to be to be it to a to to of to to in to be a of of it t 00 to 00 of be to in a LC 4、 to be to a of of a a in L in a in in a 10 be it no be of to LC LC it of 000LC is to LC to s to on to by of a LC of go an to LC up to a to to go , is a a an of LC a to to to s of LC of s an of LC to to an to an 00 to to 00 s an an to on 5、 1）、 of is to to 7, 2 9,35,30,25 （ 2 ）、 of on to a to so it be to as a （ 3）、 to Be of in to so of is a of 0 i,80s, is of to to is 0s to is of up to in of of to a of to in to of s to of to be of is is of of is to in of is to 毕业设计开题报告设计题目 : 高楼清洗机机电系统设计院系名称 : 机电工程学院专业班级 : 机械设计 08 学生姓名 : 金鹏导师姓名 : 国绍文开题时间 : 2012 年 3 月 16 号指导委员会审查意见：签字：年月日 1. 课题研究的目的和意义随着城市现代化得发展和人口的日益增加，为了节省土地资源，高层建筑越来越多，各式各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业中，由于玻璃的采光性好，保温、防潮，而且采用彩色玻璃使用美观，高层建筑的外观越来越多的采用玻璃幕墙结构没有玻璃覆盖的地方也多采用瓷砖覆盖以增加建筑的美感，但也衍生出繁重的幕墙清洗任务。我国大多数高层建筑清洗工作还是由传统的人力完成，这种高空极限作业相当危险，如遇强空气流，对人身安全及玻璃面都有很大的威胁。因此需要一种能代替人工完成高层建筑清洗任务又有一定灵活性和适应性的自动机器来取代人工作业。高层外墙清洗机正是在这种背景下应用而生，它可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗。它的出现及进一步研究将极大降低建筑外墙的清洗成本改善工人的劳动环境，提高生产效率，并带来相当的社会效益和经济效益。 2 文献综述（课题研究现状及分析）工业机器人已经在机器人领域中大量投入使用，如汽车、冶金等行业。然而，随着人们生活水平的提高，在机器人领域中，一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现。服务机器人主要涉及清洗、运送、监视、检查和探测等类型的工作，为人类提供和完成服务。其中，清洗是服务机器人应用最广的领域之一。而高楼林立的今天，更需要爬壁清洗机器人的技术可以得到不断改进和提高。外壁面清洗机器人研究现状第一个成功制造出来的清洗机器人是德国汉萨斯航空公司委托制作的“ 清洗巨人），如图 1 所示。其主要结构是一个作用距离为 33 米的多关节巨型伸缩臂，有 11 个自由度， 6 个主轴， 3 个腕关节及两个自适应轴，总共 12 个可编程序轴。余的运动链系使得它可以做各复杂运动，而其结构不会有任何变化。所有轴均由液压驱动并采用抗拉钢材，因而其结构重量轻。清洗刷长位精度为 50刷与飞机外形精确匹配。该机器人安装在一个标准汽车地盘上，可以从四个位置出发，机器人在人的监视下按照预定的模式运动，完成对飞机几乎所有表面的清洗工作。其特点是动作灵活，适合于各种规格的飞机。日本司成功研制的一种固定轨道式自动擦窗机器人，机器人靠安装在楼顶的轨道及吊装系统使擦窗机对准窗户，沿固定安装在建筑物表面的导槽垂直上下移动进行清洗，清洗机构带有多个旋盘刷。该设备的自动化程度的效率都很高，但价格也很昂贵。另外，要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，铺设轨道，这大大限制了该机器人的使用范围及效率。图 1 图 2 德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所（是德国主要的生产及自动化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自动系统。图 2 所示是其中之一，对柏林新建火车站的巨大玻璃隧道进行了自动清洗。该机器人悬挂在水平的横向轨道上，可沿轨道左右移动，同时横向轨道可以沿垂直导槽上下移动，从而完成对整块玻璃的清洗。德国的究所研制了一种名为面清洗机器人。该机器人作业时在机器人上方的建筑物顶部有一个随动小车，该小车除了起一个安全作用外，还是机器人位移的定位装置，机器人只能做上下运动，左右运动靠随动小车牵引实现。爬行机构是基于两队线性模块上，每个模块装有几个真空吸盘，每对模块有一个伺服电机驱动。美国国际机器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁机器人“ ,它重机器人的移动由两组 L 型框架相对滑动，交替吸附来实现，每组框架有三只脚掌，每只脚掌上有两只真空吸盘，吸盘相对于壁面可以作直线运动，该机器人允许横向移动，并可跨越一定高度的障碍。同时配备有洗涤液和擦抹系统，以完成擦窗工作，作业能力为每天 4645 ，并可越 525 除此以外，加拿大、德国、西班牙、以色列、新加坡、奥地利、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家相继开展了壁面清洗机器人的研究。内壁面清洗机器人研究现状国内爬壁机器人的研究虽然起步晚，但发展比较迅速。我国研究和发展机器人始于七十年代初。 1975 年在北京举办的日本科技展览会上，川崎重工公司首先在中国展出了工业机器人，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。上海大学从 1987 年开始在上海市科委和国家“ 863”的支持下，率先从事爬壁机器人的研究，此后，哈尔滨工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学等单位也相继在幕墙清洗、高空检查、锅炉水冷壁检测、大桥拉索涂装和维护等领域开展研究。自 1988 年以来，上海大学先后研制了玻璃窗清洗机器人和球形爬壁机器人。前者采用多层框架式机构，真空吸盘吸附，伺服电机驱动，但重量大，且没有装备清洗系统。后者采用腿足式移动机构，足端为带有裙边的铰接式真空吸盘，设计者从满足稳定性和控制复杂程度的综合，考虑到吸盘稳定性较差，安全性不是很好。此外，他们还在清洗装备和工艺做了较为深入的研究，并根据玻璃幕墙障碍的特点，开发了一种全方位越障机构，大幅度提高了机器人的越障能力。哈尔滨工业大学也是国内壁面移动机器人研究较早的单位，在国家“ 863”智能机器人的支持下，已经先后开发出两个系列共 5 个品种的爬壁机器人。较早完成的是轮式负压吸附壁面爬行遥控检查机器人，如图 3 所示。该机器人采用双轮进行驱动。主体下部是一个带有驱动轮的滑动密封式负压吸盘。清洗机构置于尾部，同时还设有卷扬机，地面支援小车等附属设施。由于密封装置采用柔性设计，对壁面的适应能力较强，可以在瓷砖壁面或大直径圆柱面上运动，但越障和面面转换能力较差。图 3 图 4 北京航空航天大学自 1996 年以来，在国家“ 863”计划的大力资助下，先后研制成功了、 “灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、 “蓝天洁宝”等系列幕墙清洗机器人样机。前三种均为全自动清洗机器人，采用十字构型，为自主步行移动机器人，机器人运动和功能统一。其中的纵横气缸之间有一能做微小角度转动的腰关节，以实现机器人运动方向的调整，如图 4 所示。之后北航又推出蓝天洁士、、型擦窗机器人。 2000 年发展研制的“灵巧型擦窗机器人”类似于佐藤多秀研制的双车体机器人，但重量小的多，仅有 20机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构，能实现越障和曲面转换功能。 2001 年研制开发的“吊篮式擦窗机器人”则模拟人手擦窗的作业方式进行作业。“蓝天洁宝”属于被动清洗机器人，使用大面积负压吸盘吸附，利用风机产生真空，结构简单，工作效率高，具有很高的实用价值。香港大学和内地大学合作，研制了一系列高楼清洗爬壁机器人。用北航机器人原型，采用了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计。该机器人采用多个转盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构，可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行，并有一定的越障能力。层建筑外墙清洗机发展趋势由于清洗工作环境及任务的特殊性，清洗爬壁机器人的总体设计要求相当苛刻。其总的设计原则是：减轻重量，降低造价，安全可靠，能适应多种建筑物表面，且要有足够高的清洗效率。从清洗机的工作环境来看，其主机可能有两个发展方向：其一：适用于平整瓷砖和玻璃幕墙清洗，它结构简单，易于控制，属小型轻量化。其二：适用于复杂墙面，如阶梯墙面，壁面多窗户的壁面清洗，它的结构、动作、控制都很复杂。其三：以壁面机器人为载体，配以专用的清洗机构，可以适应不同壁面机构。 3. 基本内容、拟解决的主要问题计基本内容 1) 清洗爬壁机器人总体方案设计（ 1）方案概述（ 2）方案选择（ 3）对整体方案的改进设计 2) 清洗机器人的清洗系统方案设计（ 1）传动方案设计（ 2）滚刷设计（ 3）清洗喷水装置设计 3) 清洗机器人的爬壁系统方案设计（ 1）驱动方式方案（ 2）移动方式方案（ 3）吸附方式方案（ 4）各方案参数确定（ 5）性能分析 4) 清洗机器人的控制系统方案设计（ 1）单片机控制方案（ 2）控制系统硬件设计（ 3）控制系统软件设计待解决问题 1. 传动方案设计：各参数的计算，校核。 2. 清洗方案：滚刷转速、喷水量及回收水装置的参数计算 3. 吸附系统的各参数计算，校核及可行性。 4. 单片机控制系统的设计 4. 技术路线或研究方法 1 参阅相关产品的技术资料，拟确定各结构设计方案，从而实现高楼清洗机的机电传动及清洗功能。 2 要从各种方案中选择合适的方案，分析出各方案的优缺点，综合优化各种设计方案，确定最后设计方案。如图 5 所示 3 完成清洗机各机构的设计、强度计算、校核计算，确定各机构主要零件结构尺寸并画出草图 4 完成总装配图，零件图，部件图设计和说明书的撰写。图 5 5. 进度安排 2 月 27 日 3 月 16 日：查找和阅读参考资料，熟悉课题，撰写完成开题报告。 3 月 17 日 4 月 10 日：机电系统总体技术方案设计与优化。 4 月 11 日 4 月 30 日：机械系统详细设计。 5 月 1 日 5 月 20 日：控制系统详细设计。 5 月 21 日 5 月 31 日：导师审核图纸和说明书。 6 月 1 日 6 月 15 日：修改图纸和设计说明书，准备答辩。 6. 主要参考文献 1 于今 , 刘雪飞 . 一种新型爬壁机器人研究 J. 液压与气动 , 2010, (10). 2 吴成东 , 赵博宇 , 陈莉 . 一种基于爬壁机器人控制系统设计 J. 沈阳建筑大学学报 (自然科学版 ), 2011, (2). 3 黄之峰 , 王鹏飞 , 李满天等 . 基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究 J. 机械设计与制造 . 2011, (6). 4 刘明芹 , 戴永雄 , 黄文攀等 . 小型吸附式爬壁机器人机械结构及平衡性 J. 机械设计与制造 . 2011, (5). 5 吴神丽新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计 D. 四川成都理工大学 . 硕士学位论文 . 2009, (5) 6 张澎涛 . 玻璃幕墙清洗机器人及控制系统 D. 上海交通大学 . 硕士学位论文 . 2005, (2) 机器人本体吸附部分推进部分清洁部分控制部分安全保护部分风压悬吊吸附履足冲洗、滚筒刷洗、盘洗联合作用单片机控制绳索牵引保护 7 张兴悟 . 高机动性小型清洁爬壁机器人的研究 D. 中国科技技术大学 2007, (1) 8 祝胜光伍晓宇 . 建筑外墙清洗机器人研究开发 J. 009, (7) 9 郭秀丽 . 新型载体高楼壁面清洗机器人 D. 天津大学 . 硕士学位论文 . 2005,(1) 10 谈力士 , 沈林勇 . 垂直壁面行走机器人系统研制 J. 机器人 , 2004, 18(4): 24211 廖广奎，飞机清洗机器人“ J. 机器人技术与应用， 1996，5(27):1212 阎军涛 . 壁面清洗机器人的运动控制系统设计 D. 重庆：重庆大学， 2007. 13 郑春崎 . 国外机器人在建筑业中的应用 J. 沈阳建筑大学学报 (自然科学版 )，2005， 9(3):30114 J. of 015 . 2002, 22(2): 123 摘要近年来，随着社会的发展，楼层越来越高，使用玻璃幕墙的楼房也越来越多，避免清洗时一个很重要的问题，传统的方式多数为人工，或者是采用电缆从楼顶将机器人吊下，工作效率偏低，危险性高，于是清洗用爬壁机器人应运而生，本文的任务就是设计一种能够在壁面上吸附行走的清洗机器人。本文在简单介绍清洗机器人的国内外研究现状的基础上，基于二维软件四轮式风压吸附清洗机器人的本体机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。本文设计的清洗机器人采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用风压吸附方式，利用螺旋桨对空气的压缩所产生的压力将机器人压在物体表面，避免了清晰机器人对壁面的局限，降低了控制难度；清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成；采用无人化清洗，自动清洗，自动供水，自动供清洗液，单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作，而且在清洗过程中，清洗机能够自动进行边缘识别，可根据建筑楼层的具体情况选择为纵洗或横洗；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，使用直齿圆柱齿轮传动装置作为减速器；采用楼顶供电；机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。本机的清洗效率较高，清洗效果良好。关键词：清洗机器人；减速器设计；风压吸附；单片机控制；齿轮机构；电机控制；刷洗； n of to a of of or a of be a is to a on to on D on on on of y by on in of on of is by a of he of to of in to or a to to to of as a be or of a 目录摘要第 1 章绪论 1 题研究的目的和意义 1 题研究现状及分析 1 外壁面清洗机器人研究现状 1 内壁面清洗机器人研究现状 2 层建筑外墙清洗机发展趋势 4 题的研究设想 4 第 2 章清洗机器人总体方案设计 5 楼顶楼面的实际考察 5 面结构考察 5 顶的实际考察 5 洗机器人的总体方案 6 洗机器人清洗系统方案 7 洗机器人爬壁系统方案 8 洗机器人控制系统方案 8 计的基本原则 8 供选择的设计方案 8 案的分析 8 它部分方案 9 料选择 9 的润滑问题 9 承的润滑问题 9 章小结 9 第 3 章清洗机器人清洗系统设计 10 洗机器刷洗部分设计 10 刷设计 10 刷设计 11 洗部分所用弹簧的设计 11 空心轴设计 12 洗机主机滚轮的设计计算 13 机上传感器及行程开关的选择 13 合缆的结构设计 14 章小结 14 第 4 章清洗机器人风压系统设计 15 用风压的意义 15 本原理 15 动计算的原始数据与技术要求 15 压部分力学计算 16 章小结 16 第 5 章清洗机器人主要零件设计 18 齿轮副的设计计算 18 轮的设计计算及强度校核 18 面接触疲劳强度计算 20 根抗弯疲劳强度验算 21 面静强度计算 22 根（抗弯）静强度验算 23 齿轮副的设计计算 24 础尺寸确定 24 定载荷系数 K 25 面接触疲劳强度计算 25 根抗弯疲劳强度计算 26 章小结 26 第 6 章清洗机器人控制系统设计 28 制部分的基本组成 28 制部分工作原理 29 动部分工作原理 30 制软件的实现 30 机 +合 30 平台 31 件的结构 31 件的主体结构 31 件功能模块的划分 31 制系统软件程序的实现 32 服悬吊系统部分 32 洗机主机部分 32 章小结 33 结论 34 参考文献 35 致谢 37 附录 38 黑龙江工程学院本科生毕业设计本科学生毕业设计高楼清洗机机电系统设计系部名称：机电工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化 08学生姓名：金鹏指导教师：国绍文职称：讲师黑龙江工程学院二一二年六月黑龙江工程学院本科生毕业设计 s of 08 012龙江工程学院本科生毕业设计摘要近年来，随着社会的发展，楼层越来越高，使用玻璃幕墙的楼房也越来越多，避免清洗时一个很重要的问题，传统的方式多数为人工，或者是采用电缆从楼顶将机器人吊下，工作效率偏低，危险性高，于是清洗用爬壁机器人应运而生，本文的任务就是设计一种能够在壁面上吸附行走的清洗机器人。本文在简单介绍清洗机器人的国内外研究现状的基础上，基于二维软件四轮式风压吸附清洗机器人的本体机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。本文设计的清洗机器人采用四轮式小车形状结构，结构简单；采用风压吸附方式，利用螺旋桨对空气的压缩所产生的压力将机器人压在物体表面，避免了清晰机器人对壁面的局限，降低了控制难度；清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成；采用无人化清洗，自动清洗，自动供水，自动供清洗液，单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作，而且在清洗过程中，清洗机能够自动进行边缘识别，可根据建筑楼层的具体情况选择为纵洗或横洗；采用后轮驱动，一个电机驱动两个后轮，后轮带动前轮完成机器人的行走，使用直齿圆柱齿轮传动装置作为减速器；采用楼顶供电；机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。本机的清洗效率较高，清洗效果良好。关键词：清洗机器人；减速器设计；风压吸附；单片机控制；齿轮机构；电机控制；刷洗；黑龙江工程学院本科生毕业设计 n of to a of of or a of be a is to a on to on D on on on of y by on in of on of is by a of he of to of in to or a to to to of as a be or of a 黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要第 1 章绪论 1 题研究的目的和意义 1 题研究现状及分析 1 外壁面清洗机器人研究现状 1 内壁面清洗机器人研究现状 2 层建筑外墙清洗机发展趋势 4 题的研究设想 4 第 2 章清洗机器人总体方案设计 5 楼顶楼面的实际考察 5 面结构考察 5 顶的实际考察 5 洗机器人的总体方案 6 洗机器人清洗系统方案 7 洗机器人爬壁系统方案 8 洗机器人控制系统方案 8 计的基本原则 8 供选择的设计方案 8 案的分析 8 它部分方案 9 料选择 9 的润滑问题 9 承的润滑问题 9 章小结 9 第 3 章清洗机器人清洗系统设计 10 洗机器刷洗部分设计 10 刷设计 10 黑龙江工程学院本科生毕业设计刷设计 11 洗部分所用弹簧的设计 11 空心轴设计 12 洗机主机滚轮的设计计算 13 机上传感器及行程开关的选择 13 合缆的结构设计 14 章小结 14 第 4 章清洗机器人风压系统设计 15 用风压的意义 15 本原理 15 动计算的原始数据与技术要求 15 压部分力学计算 16 章小结 16 第 5 章清洗机器人主要零件设计 18 齿轮副的设计计算 18 轮的设计计算及强度校核 18 面接触疲劳强度计算 20 根抗弯疲劳强度验算 21 面静强度计算 22 根（抗弯）静强度验算 23 齿轮副的设计计算 24 础尺寸确定 24 定载荷系数 K 25 面接触疲劳强度计算 25 根抗弯疲劳强度计算 26 章小结 26 第 6 章清洗机器人控制系统设计 28 制部分的基本组成 28 制部分工作原理 29 动部分工作原理 30 制软件的实现 30 机 +合 30 黑龙江工程学院本科生毕业设计平台 31 件的结构 31 件的主体结构 31 件功能模块的划分 31 制系统软件程序的实现 32 服悬吊系统部分 32 洗机主机部分 32 章小结 33 结论 34 参考文献 35 致谢 37 附录 38 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章绪论题研究的目的和意义随着城市现代化得发展和人口的日益增加，为了节省土地资源，高层建筑越来越多，各式各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业中，由于玻璃的采光性好，保温、防潮，而且采用彩色玻璃使用美观，高层建筑的外观越来越多的采用玻璃幕墙结构没有玻璃覆盖的地方也多采用瓷砖覆盖以增加建筑的美感，但也衍生出繁重的幕墙清洗任务。我国大多数高层建筑清洗工作还是由传统的人力完成，这种高空极限作业相当危险，如遇强空气流，对人身安全及玻璃面都有很大的威胁。因此需要一种能代替人工完成高层建筑清洗任务又有一定灵活性和适应性的自动机器来取代人工作业。高层外墙清洗机正是在这种背景下应用而生，它可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗。它的出现及进一步研究将极大降低建筑外墙的清洗成本改善工人的劳动环境，提高生产效率，并带来相当的社会效益和经济效益。题研究现状及分析工业机器人已经在机器人领域中大量投入使用，如汽车、冶金等行业。然而，随着人们生活水平的提高，在机器人领域中，一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现。服务机器人主要涉及清洗、运送、监视、检查和探测等类型的工作，为人类提供和完成服务。其中，清洗是服务机器人应用最广的领域之一。而高楼林立的今天，更需要爬壁清洗机器人的技术可以得到不断改进和提高。外壁面清洗机器人研究现状第一个成功制造出来的清洗机器人是德国汉萨斯航空公司委托制作的“ 清洗巨人），如图示。其主要结构是一个作用距离为 33 米的多关节巨型伸缩臂，有 11 个自由度， 6 个主轴， 3 个腕关节及两个自适应轴，总共 12个可编程序轴。余的运动链系使得它可以做各复杂运动，而其结构不会有任何变化。所有轴均由液压驱动并采用抗拉钢材，因而其结构重量轻。清洗刷长位精度为 50刷与飞机外形精确匹配。该机器人安装在一个标准汽车地盘上，可以从四个位置出发，机器人在人的监视下按照预定的模式运动，完成对飞机几乎所有表面的清洗工作。其特点是动作灵活，适合于各种规格的飞机。黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 日本司成功研制的一种固定轨道式自动擦窗机器人，机器人靠安装在楼顶的轨道及吊装系统使擦窗机对准窗户，沿固定安装在建筑物表面的导槽垂直上下移动进行清洗，清洗机构带有多个旋盘刷。该设备的自动化程度的效率都很高，但价格也很昂贵。另外，要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，铺设轨道，这大大限制了该机器人的使用范围及效率。图图动清洗机德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所（是德国主要的生产及自动化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自动系统。图示是其中之一，对柏林新建火车站的巨大玻璃隧道进行了自动清洗。该机器人悬挂在水平的横向轨道上，可沿轨道左右移动，同时横向轨道可以沿垂直导槽上下移动，从而完成对整块玻璃的清洗。德国的究所研制了一种名为面清洗机器人。该机器人作业时在机器人上方的建筑物顶部有一个随动小车，该小车除了起一个安全作用外，还是机器人位移的定位装置，机器人只能做上下运动，左右运动靠随动小车牵引实现。爬行机构是基于两队线性模块上，每个模块装有几个真空吸盘，每对模块有一个伺服电机驱动。美国国际机器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁机器人“ , 机器人的移动由两组 L 型框架相对滑动，交替吸附来实现，每组框架有三只脚掌，每只脚掌上有两只真空吸盘，吸盘相对于壁面可以作直线运动，该机器人允许横向移动，并可跨越一定高度的障碍。同时配备有洗涤液和擦抹系统，以完成擦窗工作，作业能力为每天 4645可越 525 除此以外，加拿大、德国、西班牙、以色列、新加坡、奥地利、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家相继开展了壁面清洗机器人的研究。黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 内壁面清洗机器人研究现状国内爬壁机器人的研究虽然起步晚，但发展比较迅速。我国研究和发展机器人始于七十年代初。 1975 年在北京举办的日本科技展览会上，川崎重工公司首先在中国展出了工业机器人，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。上海大学从 1987年开始在上海市科委和国家“ 863”的支持下，率先从事爬壁机器人的研究，此后，哈尔滨工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学等单位也相继在幕墙清洗、高空检查、锅炉水冷壁检测、大桥拉索涂装和维护等领域开展研究。自 1988 年以来，上海大学先后研制了玻璃窗清洗机器人和球形爬壁机器人。前者采用多层框架式机构，真空吸盘吸附，伺服电机驱动，但重量大，且没有装备清洗系统。后者采用腿足式移动机构，足端为带有裙边的铰接式真空吸盘，设计者从满足稳定性和控制复杂程度的综合，考虑到吸盘稳定性较差，安全性不是很好。此外，他们还在清洗装备和工艺做了较为深入的研究，并根据玻璃幕墙障碍的特点，开发了一种全方位越障机构，大幅度提高了机器人的越障能力。哈尔滨工业大学也是国内壁面移动机器人研究较早的单位，在国家“ 863”智能机器人的支持下，已经先后开发出两个系列共 5 个品种的爬壁机器人。较早完成的是轮式负压吸附壁面爬行遥控检查机器人，如图示。该机器人采用双轮进行驱动。主体下部是一个带有驱动轮的滑动密封式负压吸盘。清洗机构置于尾部，同时还设有卷扬机，地面支援小车等附属设施。由于密封装置采用柔性设计，对壁面的适应能力较强，可以在瓷砖壁面或大直径圆柱面上运动，但越障和面面转换能力较差。图式负压遥控机器人图北京航空航天大学自 1996 年以来，在国家“ 863”计划的大力资助下，先后研制成功了、 “灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、 “蓝天洁宝”等系列幕墙清洗机器人样机。前三种均为全自动清洗机器人，采用十字构型，为自主步行移动机器人，机器人运动和功能统一。其中黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 的纵横气缸之间有一能做微小角度转动的腰关节，以实现机器人运动方向的调整，如图示。之后北航又推出蓝天洁士、、型擦窗机器人。 2000 年发展研制的“灵巧型擦窗机器人”类似于佐藤多秀研制的双车体机器人，但重量小的多，仅有 20机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构，能实现越障和曲面转换功能。 2001 年研制开发的“吊篮式擦窗机器人”则模拟人手擦窗的作业方式进行作业。“蓝天洁宝”属于被动清洗机器人，使用大面积负压吸盘吸附，利用风机产生真空，结构简单，工作效率高，具有很高的实用价值。香港大学和内地大学合作，研制了一系列高楼清洗爬壁机器人。采用北航机器人原型，采用了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计。该机器人采用多个转盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构，可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行，并有一定的越障能力。层建筑外墙清洗机发展趋势由于清洗工作环境及任务的特殊性，清洗爬壁机器人的总体设计要求相当苛刻。其总的设计原则是：减轻重量，降低造价，安全可靠，能适应多种建筑物表面，且要有足够高的清洗效率。从清洗机的工作环境来看，其主机可能有两个发展方向：其一：适用于平整瓷砖和玻璃幕墙清洗，它结构简单，易于控制，属小型轻量化。其二：适用于复杂墙面，如阶梯墙面，壁面多窗户的壁面清洗，它的结构、动作、控制都很复杂。其三：以壁面机器人为载体，配以专用的清洗机构，可以适应不同壁面机构。题的研究设想参阅相关产品的技术资料，高层建筑外墙清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成，设计中应考虑为清洗提供足够的压墙力、刷洗部件设计、清洗液的喷洒和脏液体的收集、对左右边缘和上下行程的识别、行走机构和转位机构的设计，进行必要的设计计算。黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章清洗机器人总体方案设计楼顶楼面的实际考察在接受课题之后，为了顺利地完成我们的毕业设计任务，我们参观了哈尔滨几处典型的高层建筑。并且查阅了多种关于高层建筑和以往对建筑物的清洗的相关资料，其中大部分是难以人工清洗的，因此设计开发高层建筑外墙清洗机是非常必要的。面结构考察参观调查得到初步方案，清洗机主要由楼顶的随动小车和清洗主机部分组成，并且采用单片机控制。楼顶的随动小车在楼顶上预装的轨道上行走，可使悬吊的清洗机部件实现纵洗和横洗；清洗机部件利用风压使之贴在墙壁上，通过盘刷和滚刷完成清洗墙面的工作。因此，楼面情况就决定了我们如何设计轨道、变向、压紧和清洗液的输送、回收等问题。几种典型建筑物楼面结构如图直角面+圆弧面圆弧面+直角面+斜面图面结构顶的实际考察几种典型建筑物楼顶结构如图黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 标牌架台铁架铁架女儿墙小屋卫星接收天线女儿墙台图顶结构洗机器人的总体方案根据清洗机器人清洗作业的要求，机器人首先必须具备清洗作业功能和控制功能，此外清洗机器人还必须在高层建筑物表面进行吸附和移动，因此清洗机器人系统应该包括机器人清洗系统、爬壁系统和控制系统三大部分。主机主要由箱体，支撑架，防护罩，刷子，电机，螺旋桨风压系统，齿轮传动系统等组成。，通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使刷子压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。主机有一悬吊支撑架，其外侧与悬吊系统相连，可调风压系统安装在悬吊支撑架背后，风压系统可通过调节螺旋浆转速控制清洗力，悬吊支撑架通过一圆导轨和箱体（其上安装两盘两滚）相连，所有的清洗装置均安装在该箱体上，清洗系统由固定在悬吊支撑架上的步进电机通过齿轮传动系统执行以 90 为单位的转动动作以实现横洗和纵洗的转换。箱体上有两个圆盘形清洗刷，盘刷底部都有十二个清洗液喷射孔，另有两圆柱形滚刷，在其行走前方有清水喷射孔，并安装一软质刮水板，以使清洗过的部位快速风干并避免留下来的清洗液腐蚀墙面。箱体上还有一电机通过锥形齿轮将转动传到其中一个盘型清洗刷上，再通过齿轮传动系统将转动传递给另一盘刷，所以两盘刷转动方向相反，可以达到更好的清洗效果，圆柱形滚刷是由电机尾部的轴通过V 带驱动的。在悬吊支撑架上有防护罩，防止清洗液四溅。清水，清洗液，电机的供电和控制电缆都是是由复合缆供给的，复合缆连接悬吊系统。在风压支架上有配重块，配重块可以沿光杠丝杠移动。通过调节配重块可以调节系统平衡，以达到减小震动的效果。在清洗机主体的上下部安放超声波传感器，以进行边缘识别。箱体上装有两对滚轮，滚轮通过电机驱动，以实现前后移动，而转向通过箱体的转动实现。黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 洗机器人清洗系统方案根据以上提出的技术性能及要求，初步确定清洗方案如下：第一种：结构简图如图此种方案采用负压履带吸盘式盘滚组合式清洗，由于受到墙表面材料的影响较大，一般情况下，每两块瓷砖之间都有 4 5 毫米的缝隙，密封不可靠。图构一图构二第二种：结构简图如图这种方案采用了风压式压紧，盘滚组合式清洗，清洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中间传动的需要，结构不对称 ,风扇的中心与刷子的中心不重合，刷洗压力不均匀，中心不稳定，容易引起震动问题。但可以考虑配重问题。第三种：结构简图如图图构三这种方案吸取了第二种方案的优点，传动的改变，使振动的问题减小，机体尺寸减小。这种方案为螺旋桨风压式高层建筑外墙清洗机，其优点是：在清洗机外机架背后安装可调风压系统来提供连续均匀的清洗力，螺旋桨可调节转速来控制清洗压力；机架内采用一清洗系统旋转装置，方便的实现了纵横两不同清洗方向的调整，减少非作业时间，增加了工作柔性，大大提高了工作效率；应用两盘两滚相结合的清洗方式，清洗液和清水分别由盘刷和滚刷提供以达到最佳清洗效果。黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 综合比较以上三种方案，根据设计要求，由于对于墙面的压力要求大，工作稳定，结构容易实现，最后我决定用第三种方案。通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使盘刷和滚刷压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净墙面。滚刷喷的是清水，将墙面冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀墙面，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。洗机器人爬壁系统方案本方案通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使盘刷和滚刷压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净墙面。滚刷喷的是清水，将墙面冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀墙面，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。洗机器人控制系统方案计的基本原则软件为硬件服务，硬件根据软件进行相应的调整，软硬结合以达到最好的工作状态。供选择的设计方案第一个方案：单机控制，即由一个单片机控制整个系统 ,由这个单片机完成清洗机主机和伺服悬吊系统的整个控制。第二个方案：双机控制，既由两个单片机控制整个系统，一个单片机用于伺服悬吊系统的控制，另一个单片机用于清洗机主机的控制，这两个单片机互相通信，没有主次之分，它们互相执行对方发出的指令，并分别向对方返回状态信息。第三个方案：主从控制，既由两个单片机控制整个系统，一个单片机用于伺服悬吊系统的控制，另一个单片机用于清洗机主机的控制。伺服悬吊系统单片机作为主机，清洗机主机单片机作为从属机，由伺服悬吊系统单片机向清洗机主机单片机发出控制指令，清洗机主机单片机执行指令，但并不向伺服悬吊系统单片机返回状态信息。案的分析第一个方案，适用于简单的控制系统，由一个单片机就能完成所有的工作。所有的被控器件动作距离小，没有大距离的移动，不需要远距离通信。这种系统简单容易黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 实现，成本低，但功能有限。第二个方案，适用于大规模复杂的控制系统，单片机之间互相交互，协同工作。能完成复杂的控制，可以允许受控器件做大距离的移动，可以实现高度的自动化控制，自动化实现程度高。但成本高，制作技术要求高，实现比较困难，并且在运距离通信时需要确保通信的稳定，不失真，并且要有出错检测和信息数据重发机制。第三个方案，适用中等规模的控制系统，能实现一定规模的控制，但实现起来不是很复杂，技术要求不是很高，无需确认，不用出错检测和信息数据重发机制，能够允许受控器件做中等规模的距离移动。是一般控制系统的可选方案。综合优缺点，本控制系统采用第三种控制方案。它部分方案料选择根据课题要求，总体重量越轻越好，由于使用清洗液，耐腐蚀性能也要好而且此产品是轻载荷，故材料首先选用铝合金材料及非金属材料。整个及其涉及到齿轮减速器的地方，齿轮的材料经过筛选与比较采用聚甲醛（均聚），见金属机械加工工艺人员手册本机的各个传动轴均采用硬质合金螺旋桨材料选用尼龙 66 (聚己二酰己二胺 )。机架的材料采用铝合金。其他机件的选择根据通常材料在重量最轻原则下进行确定。的润滑问题由于齿轮的材料已确定为聚甲醛，据机械工程手册（第二版） 2工作要求少润滑或无润滑，。故不考虑齿轮的润滑问题。承的润滑问题大空心轴的转速较低为 400r/起润滑方式应为脂润滑，润滑脂为钙机润滑脂。注：以上润滑脂的选择见非标准设备设计手册章小结本章确定了设计清洗机器人的总体方案。根据作业环境，对机器人从清洗系统、爬壁系统和控制系统三大方面进行设计，选型和参数的确定。最后请教导师对设计的方案进行校正，以确定设计的可行性和稳定性。黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 第 3 章清洗机器人清洗系统设计洗机器刷洗部分设计按照任务书设计要求：清洗速度 s。刷设计 1）盘刷采用在塑料体上在塑料毛的盘刷，其具有一定的弹性和刚度，可保证一定的压紧力来清洗墙面，同时若墙面有一定高度的凸出物，塑料毛有一定的弹性可以退让，顺利通过。刷子半径 214，有毛半径 208，刷毛长度为 50，盘刷与联刷体可通过螺栓来装配连接。 2）联刷体采用联刷体的目的： 1 使电机与盘刷连接起来 ; 2 使盘刷具有可换性； 3 可调节盘刷与墙面的距离；联刷体保证与电机连接处的强度、材料应尽量轻，其结构如图图刷体 3）盘刷的工艺性根据资料可知：刷类的刷毛是用制毛器植上的，其基本原理如下：在壳体刚注塑完时，趁着壳体还为硬化，用机械方法把刷毛植进去。把一撮毛（约四至五根）折弯，在根部装上一韧性卡子，用专门植毛机把毛插入未硬化的壳体内，卡子插入后，待壳体凝固，便把刷毛固定下来，这样整个植毛工艺就完成了。根据上述原理，盘刷也可以采用这种方法制作，其技术要求：毛孔直径：距： 5深： 10 龙江工程学院本科生毕业设计 11 每孔刷毛密度：五根滚刷原理与上面相同刷设计采用在钢轴外面加套橡胶轴套，在橡胶轴上栽刷毛的方法做成，可通过调换橡胶套的方法调换滚刷，滚刷半径为 106，有刷毛部分长度为 940。滚刷结构如图图刷为了控制的方便，减轻主机的重量，应尽量减轻电机的数量，所以盘刷、滚刷共用一双输出轴电机，中间用齿轮和 V 带传动；从经济的角度考虑，采用普通的三相电机，带动两盘两滚共四个清洗刷。依据实际实验，取洗刷的压强为螺旋桨工作压力为 20 公斤力。四个角轮分别承受 3 公斤力。盘滚刷均承受两公斤力刷毛与墙面的摩擦系数为 =盘刷求积分转矩为 : 1) 洗力矩：盘刷： .F 两个刷子的转矩：滚刷： .所需总的刷洗力矩： 1 .2) 初定盘刷转速： 360r/据刷洗力矩，型号为定功率 550W,转速 900r/键 4 20，保持转矩为洗部分所用弹簧的设计 1）弹簧的种类：采用圆柱螺旋压缩弹簧 ; 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 2) 弹簧的材料：根据机械设计手册选用碳素弹簧钢； 3）弹簧的设计计算 1 根据机械设计手册取弹簧的工作圈数 2 根据机械设计手册取弹簧丝直径：，允许极限负荷下的单圈变形： kg/ 最大工作载荷： P 弹簧每圈展开长度： 3 计算数据弹簧中径：弹簧内径：弹簧间隙： . 弹簧总展开长度：螺旋角： 7 弹簧自由高度： d)( 允许极限负载时弹簧高度： . 弹簧旋向：左旋右旋均可黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 空心轴设计为了在盘刷中心喷清洗液，并使喷嘴不随盘刷转动，需在盘刷内用滚动轴承固定。空心轴的一端连接盘刷体，另一端与水管相连，在盘刷体转动时，空心轴固定不动，其结构如图图心轴工作时清洗液从中间的孔流出，喷到墙面上，几乎不受外力弯矩、扭矩，所以略去刚度、强度的计算。洗机主机滚轮的设计当清洗机工作时，风机向后吹出强大的高速气流，把清洗机压向墙面，与墙面接触的盘刷和滚刷都为柔性件，太大的压力会使刷毛弯曲过多，损坏加剧，所以大部分压力应由滚轮来承担，同时也增大了滚轮与墙面之间的摩擦力。当电机驱动时，清洗机横向行走。所以滚轮与墙面之间应有良好的接触，不可打滑。结构设计如下图图洗机主机滚轮结构图机上传感器及行程开关的选择为了增强清洗机的自动化程度，实现远程控制，在清洗机主机上安装传感器，以识别墙面的材料，来确定清洗机的进退预停止。通过查手册传感器技术 ,选用德国司生产的超声波传器，其特点：有效作用距离大，与被测物的颜色、周围环境无关，具有开关量和模拟量两种输出，有利于控制。黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 在清洗机主体的上下部安放超声波传感器，为了安全，在下边缘安装行程开关，结构可见总装配图 ,该行程开关型号为：它具有弹性环节，可以缓冲猛烈的冲击，并给单片机控制系统一个输入信号，单片机经过识别后，处理中断，加强自动化，保护主机。合缆的结构设计由于本机的复杂性，管线较多（包括清水管，清洗液管，电缆，数据线，控制线等），且为了安全性，设计复合缆。由于各个管路的功能不同，且方便控制，决定采用分开复合的方法，结构如图图合揽结构图钢丝绳是起重机上应用最广的挠性构件，其优点是：卷绕性好，承载能力大，对于冲击载荷的承受能力也强，卷绕过程中平稳，即使在卷绕速度高的情况下也无噪声，由于绳股各钢丝断裂是逐渐发生的，一般不会发生整股钢丝绳突然断裂，工作时比较安全可靠。在本复合缆中选用的型号：选钢丝绳的破断拉力应满足下面的条件：绳绳 N/ (绳S 钢丝绳破断拉力（公斤）钢丝绳工作时承受的最大静拉力（公斤）绳N 根据机构重要性，工作类型及载荷情况而定的钢丝绳安全系数。所选钢丝绳为

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