4522自动墙壁清洗机设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4522自动墙壁清洗机设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,自动,墙壁,清洗,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计） 中 期 检 查 表 学 院 ： 工学院 学生姓名 周元明 学 号 201120614113 年级专业及班级 2009 级 机械设计及其自动化专业 （ 1）班 指导教师 姓名 熊瑛 指导教师 职称 讲师 论文（设计）题目 自动墙壁清洗机 设计 毕业论文（设计）工作进度 已完成的主要内容 尚需解决的主要问题 1、 原理分析及系统原理方案设计 2、 系统总体方案设计，绘制系统总体布局图 3、 载荷计算及动力选择 4、 传动系统，操作系统设计 1、 主要零部件的技术设计， 绘制零件图 2、 重要零部件的设计计算与校核 3、 绘制装配图 4、 整理资料，撰写设计说明书 指导教师意见 签 名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 湖 南 农 业 大 学 全日制普通本科生毕业设计 自动墙壁清洗机 设计 F 生姓名 ： 周元明 学 号： 200940614113 年级专业及班级： 2009级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导老师及职称： 熊瑛 讲师 学 院： 工学院 湖南长沙 提交日期： 2013 年 05 月 I 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）开题报告 学生姓名 周元明 学 号 200940614113 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师及职称 熊瑛 (工 ) 讲师 学 院 工学院 2013 年 1 月 1 日 毕业论文（设计）题目 自动墙壁清洗机 的设计 文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于 1000 字） 选题研究意义： 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。 随 着人类社会的不断发展进步，城市规模不断扩大，城市建筑更加规范，完美。千姿百态的各式建筑，尤其是高层建筑外墙都用各种建筑材料进行装饰，如粘帖各色墙 砖，瓷砖，马赛克，或涂上涂料，但是，自然界的风吹雨打，日光辐射，尘埃污染，以及一些人为或偶然事故等原因，一段时间过后，建筑表面都将不同程度地变得 污浊灰暗，破旧不堪，在环境差的地区，污染或损坏还相当严重。建筑表面就像人身上的外衣，要保持清洁，就需要经常清洗，整理。为此，世界发达国家和地区， 对保持建筑表面的清洁非常重视，并以法律的形式明确规定，每年必须定期清洗，否则将受到处罚。近年来，我国各级政府部门的环境保护意识已发生了很大改变， 国内一些大，中城市，特别是旅游，开放城市，旅游景点，为保持建筑表面清洁，也制定出台了相应的法规，全国范围的卫生评比活动，把保持建筑表面清洁列为考 核的重要指标之一，其中高层建筑的外墙，醒目，突出，自然也就成为检查的重中 之重。 有信息表明，十 ?五期间国家用于环境保护的投资将由九 ?五期间国民生产总值的 倍增加至 4%，同时还伴随以产业政策的优惠。所以，随着我国改革开放的不断深入，政府，公民的环保意识的不断加强，建筑表面清洁问题必将引起各方面的高度重视，建筑清洗行业必然具有广泛的发展前景，将产生巨大的经济效益和社会效益 . 建 筑表面清洗主要包括外墙清洗和中央空调风管的清洗，目前外墙清洗是采用传统的“蜘蛛人”清洗，这是以牺牲生命为代价的非人工作，部分城市颁布了建筑表面清 洗条例； 由于非典事件，公共卫生得到了高度的重视，特 别是中央空调风管的清洗，最近有关中央空调的清洗条例很快出台；因此对于建筑表面清洗提供一个完备的解决方 案，必然打破一个传统的产业格局，改变了人们的工作方式，用机器人清洗代替传统的人工清洗或无法清洗，是必然的发展趋势 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) 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): 12316 江崇卫 ; 冯 福 康 . 高 层 建 筑 外 墙 清 洗 机 P. 中国专利 :998 17 张凯国 ;张幸三 . 高楼清洗机 P. 中国专利 :997 18 钱志源 ;赵言正 ;付庄 ;曹其新 ;杨金汕 . 高楼玻璃幕墙清洗机系统 P. 中国专利 :005 19 马骥 . 高 层 建 筑 智 能 化 墙 体 清 洗 机 P. 中国专利 :996 20 孙文风 . 电脑控制之铝帷墙清洗机装置 P. 中国专利 :997 21 朱云河 . 建筑物外表清洗机 P. 中国专利 :000 22 欧 彬 . 大楼清洗机 P. 中国专利 :003 23 湛世儒 . 全 自 动 高 层 建 筑 外 墙 清 洗 机 P. 中国专利 :008 24 徐彬 . 一 种 自 动 行 走 玻 璃 幕 墙 清 洗 机 P. 中国专利 :008 25 湛世儒 . 全 自 动 高 层 建 筑 外 墙 清 洗 机 P. 中国专利 :008 注：此表如不够填写，可另加页。 研究方案 （ 研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等） 研究目 的： 研究分析现有墙壁清洗机并进行必要的改进以便提高清洗墙壁的效率 内容方法： 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。 预期成果： 通过原理分析及系统原理方案设计；系统总体方案设计、绘制系统总体布局图；载荷计算及动力选择；传动系统、操作系统设计；主要零部件的技术设计、绘制零件图；重要零部件的设计计算与较核；绘制装配图；整理资料；撰写设计说明书这些步骤完成整个毕业设计内容。 条件保障： 熊瑛导师的指导、图书馆资料库、网络资料、以前所学机械方面知识等会帮助我顺利完成这次毕业设计。 进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等） 起止日期 主要工作内容 2012/12/5 接受任务书 2013/1/7 前 完成开题报告 2013/1/13 前 开题论证 2013/1/14： 20 年 月 日 专业委员会意见 专业委员会主任签名： 20 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必 须相应责任人亲笔填写。 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计） 开题论证记录 学 院： 工学院 记录人： 学生姓名 周元明 学 号 201120614113 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师姓名 熊瑛 指导教师职称 讲师 论文（设计）题目 自动墙壁清洗机 设计 论证小组质疑： 1、 你设计的机构有什么意义？ 2、 你设计的机构有几个部分组成 ？ 3、 工作原理是什么 ？ 4、你设计的机构有 什么特点？ 学生回答简要记录： 1、 意义：如今高楼外墙的外观保养和清洁已成为楼宇管理不可缺少的一部分。有需求就有市场，高楼外墙的清洁必将成为一种经济效益高，前景广阔的行业。 2、 结构： a 设置于顶楼的支撑突梁 b 支撑缆绳 c 乘载用挂笼 d 动作马达 e 升降机构 f 请洗刷 3、 工作原理：采用水平式滑轨，支撑缆绳，小型挂笼，升降机构，采用类似卷扬机机构，工作部采用工作电动，经减速器减速，带动请洗刷转动，实现清洗功能。 4、特点：结构简单，操作方便，投资小，成本低，安全可靠，工作效率高。 论证小组 成员签名 论证地点： 论证日期： 年 月 日 注：此表可从教务处网站下载中心下载。记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。 目 录 摘要 1 关键词 1 1 前言 2 题研究的目的和意义 2 题研究现状及分析 2 外壁面清洗机器人研究现状 2 内壁面清 洗机器人研究现状 3 层建筑外墙清洗机发展趋势 4 2 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 5 洗机器人清洗系统方案 6 洗机器人爬壁系统方案 7 洗机器人控制系统方案 7 计的基本原则 7 3 清洗机器人清洗系统设计 8 洗机器刷洗部分设计 8 刷设计 8 刷设计 9 洗部分所用弹簧的设计 10 空心轴设计 11 洗机主机滚轮的设计计算 11 机上传感器及行程开关的选择 12 合缆的结构设计 12 4 清洗机器人风压系统设计 13 用风压的意义 13 本原理 13 动计算的原始数据与技术要求 13 压部分力学计算 14 5 清洗机器人主要零件设计 15 齿轮副的设 计计算 15 轮的设计计算及强度校核 15 面接触疲劳强度计算 17 根抗弯疲劳强度验算 19 面静强度计算 20 根（抗弯）静强度验算 20 齿轮副的设计计算 21 础尺寸确定 21 定载荷系数 K 22 面接触疲劳强度计算 22 根抗弯疲劳强度计算 23 5 结论 24 参考文献 24 致谢 26 附录 27 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计 是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计 作者签名： 年 月 日 1 自动墙壁清洗机 设计 学 生： 周元明 指导老师： 熊瑛 （湖南农业大学工学院，长沙 410128） 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。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。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 洗 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。 关键字： 清洗机器人；风压吸附；齿轮机构；刷洗 of 410128） In of to a of of or a of be a is to a on to on D on on on of y 2 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 1 前言 研究的目的及意义 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 3 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）。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。其 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 底 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。 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。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 5、 25的障碍。 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。 4 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。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 1。 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。之后北航又推出蓝天洁士 、 、 型擦窗机器人 2。 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 3。 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。 5 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 2 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 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。 顶的实际考察 几种典型建筑物楼顶结构如图 1： 标牌架台铁架铁架女儿墙小屋卫星接收天线女儿墙台图 1 楼顶结构 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6 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 4，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 5。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 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 6。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。 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 2： 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 2 结构一 图 3 结构二 of of 第二种：结构简图如图 2： 7 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 4： 图 4 结构三 of 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。 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。 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 7。滚刷喷的是清水，将墙面冲洗干净，以避免留下来的清洗 剂腐蚀墙面，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 8。 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 9。 8 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 10 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。 3 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 5： 图 5 联刷体 Al ）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 11。 9 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 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 6： 图 6 滚刷 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 12。 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 .10 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 ; 2) 弹簧的材料：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/P 弹簧节距： 最大工作 载荷： P 极限工作载荷： 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)( 11 允许极限负载时弹簧高度： . 弹簧旋向：左旋右旋均可 空心轴设计 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 13，其结构如图 7： 图 7 空心轴 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 14。结构设计如下图 8： 图 8 清洗机主机滚轮结构图 2 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 15。 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 。 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 16，结构如图 9： 图 9 复合揽结构图 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 17。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/ (1) 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 8，由资料查得此型号钢丝绳破坏拉力为 3130 公斤。因此机构为轻级起重机构，所以选绳 N=5。考虑整个清洗机，由于体积较小，重量较轻，最大的静拉力为 400 公斤。 由公式 (1)： 582574003130N/ A X ./绳绳 所以选用的钢丝绳强度足够。 13 4 清洗机器人风压系统设计 用风压的 意义 采用风压作为洗刷压力，可以避免因外墙材料和形状的变化对稳定性和可靠性的影响，即有障碍物，或者有突起，对压力影响不大，提高了可靠性，对建筑物外形形状的适应性也更强 19。 本原理 采用正压与负压相结合，利用偏心压紧，使清洗机的轮的一端先接触墙面，形成一个相对小的腔体，再利用悬吊系统，使清洗机逐渐靠近墙面同时，风机电扇的旋转，会使空气流动，与外界大气产生一定的压力差，从而产生一定的负压，使清洗机压紧墙面。空气流经由进口导流器、收敛器、进入风扇，在离心力的作用下，流出蜗壳，与机体相碰撞，会产生一 定的压力，以减小空气流的速度。随着腔体的越来越小，和清洗液的涂抹，机体内的压强会越来越小，产生负压，使清洗机压紧墙面。当腔体很大时，空气会流通畅快，产生正压，使机体压紧墙面。随着腔体变小，空气流速度减小，正压减小，负压增强，调整电机转速，可得到所需的压力，使清洗机具有一定压力的贴在墙体表面，提供连续均匀的清洗力，通过调节螺旋桨的转速可以调节清洗力的大小 ，以达到最佳清洗效果。如对于玻璃墙面，采用低转速，对于砖墙，采用高转速，调速由电机的星 三角转换完成 20。 动计算的原始数据与技术要求 原始数 据给定为： 箱体的长 宽 高 =9451080540 其中的充气体积为 V=2408033527 =9451080540033527 =377460000旋桨初定选用参数： 1. 螺旋桨直径 D 的选择： D 约为 10002. 所选电机：选用普通的三相电机，由于螺旋桨的要求转速较高，故选用风扇电机的功率为 03W，额定电压为 380V，转速为 780r/. 电机轴与螺旋桨直接用键和轴连接，轮毂和电机轴过盈配合由定位销定位。因螺旋桨的洗刷 压力始终使螺旋桨压向电机，不会甩脱 21。 4. 被压缩气体进口条件下的容积效率为 v =10% 流量 14 / m i 30104107 8 0503 3 03 3 0143 39 . /. 进口气体参数为 ： 0593K； s 技术要求为： 量轻； 000 小时以上； 行安全可靠。 压部分力学计算 风 压 部分的 吸附物体表面的力源 ，其中进口导流器的作用是使气流以轴线方向或以所需方向进入下一级或固定容器，起着整流作 用。收敛器的作用是使利用气体自中心向外缘流动过程中有效流动面积的增加和减小；来达到增压的目的，减小空气流的速度。风扇的作用是产生离心力，使空气向四周流动，增大空气流的动能，使其对机体产生较大的冲击力 22。 假设有 1/10V 的气体被抽出腔体，由气体连续性方程： 211 (2) 1211 1011 V/ P/P 12 1110 5101431 2 01 2 010011111111 651211 ./)F 气体进口即进入导流器时的速度为： m / 1 .)./( (3) 忽略中间的损失，由气体连续方程 公式 (得： 222111 (4) m / 01 8 03 3 03 3 097022 1112 ./ 2 即为气体进入风扇的进口速度。 气体质量流率为： k g / . 1 小时内的气体质量为 0 010751 4 电机功率为 动能定理可得： 15 221 mE k (5) 217 502131022 . m/ 气体出口处与大气相通，速度一般为 10s,取 m/ 由流体力学动量定理知，单位时间内流出控制面的动量与流入控制面的动量的差值，等于作用于控制面内流体的全部外力之和 23，即： 12 (6) 278332140c o o m/ N. 2 53528913 8 70 所产生的总的压力为： 2 03 2 5354 1 5总 5 清洗机器人主要零件设计 齿轮副的设计计算 轮的设计计算及强度校核 电动机驱动的闭式直齿圆柱齿轮传动，标称功率 P=齿轮转速500r/传动比 i=有 4%的误差 ,长时工作，预期寿命五年，每年按 200 天计。工作有轻微冲击，齿轮对称布置。 （ 1） 选材料确定初步参数 依据参考文献 5表 5材料 小齿轮： 40质，平均取齿面硬度为 260齿轮： 45 钢调质，平均取齿面硬度为 230 2） 初选齿数 取小齿轮齿数为 1z =32，则大齿轮齿数为： 2131321412 .=.=z = 园整，为使 u 为除不尽的数取 2z =129 （ 3） 齿数比 6 验算传动比误差， 100%=许 （ 4） 选择齿宽系数 d 和传动精度等级 查参考文献 5表 5齿宽系数 d=估小齿轮直径 501估 d 齿轮圆周速度： m / 5008010060 11 查参考文献 5表 5选择精度等级为 7 级 , （ 5） 计算小齿轮转矩 1T 161 1055.9 (7) 110559 36 . 定重合度系数 Z 、 Y 21 1 ) 由公式 (8)定重合度 = 1/32+1/129） =别由 参考文献 7中公式得 Z =34 = =Y =67 （ 6） 确定载荷系数 H = K (9) 1) 使用系数 由参考文献 6表 10表，取 ) 动载系数6图 10查得，) 齿向载荷分布系数K,由参考文献 6图 10取K=7 4) 齿间载荷分配系数N / m m m 055935122 311 . .K b 6表 10 2 =1/) 载荷系数 、 由公式 (9)可算得 662341291141351 .=.= K H 662341291141351 . 面接触疲劳强度计算 （ 1） 确定许用应力 H 1) 总工作时间： 应力循环次数 参考文献 6公式 (10参考文献 6表 10计算查得： 81 10278 0 0 01 5 0 016060 . n t=N h 8812 3) 寿命系数1机械设计手册 (第 5 版 )图 1 2 4) 接触 疲劳极限 2H ， ： 由 参考文献 7图 1=6302=490) 安全系数 参照 参考文献 7照表 6) 许用应力 1H、 2H： 18 由 参考文献 7式 (1H= M P H 3 01 16 3 01l 2H= M P H 9 01 14 9 0（ 2） 弹性系数 由 参考文献 7表 取 190 （ 3） 节点区域系数 ： 由 参考文献 7图 取 4） 求所需小齿轮直径 1d 由 参考文献 7式（ 3 2221 )(1(2 = 23 符合初估数值 （ 5） 确定中心距、模数等主要几何参数 1) 中心距 a 初算中心距 2 )1(m 园整取中心距 a =200) 模数 m 由中心距 a 及初选齿数 1z 、 2z 得 932 2 0 02221 zz 按标准取 m=) 分度圆直径 1d 、 2d 1d =m 32=80d =m 2z =129= 取为 2d =320) 确定齿宽 19 取大齿轮齿宽 2b =b=22齿轮齿宽 1b =32 齿根抗弯疲劳强度验算 （ 1） 求许用弯曲应力 1) 应力循环次数 12由以上计算可得 81 1027 .=07912 2) 寿命系数12 3) 极限应力 1、 2 由图 9： 1=220 2=170) 尺寸系数考文献 7图 5) 安全系数 参照 参考文献 7表 ) 许用应力 1F 、 2F 由 参考文献 7式 (许用弯曲应力： 1F = M P 122022 1l i m F 2F = M P 117022 2l i m F 2） 齿形系数1考文献 7图 9： 1 3） 应力修正系数1考文献 7图 9：1 4）校核齿根抗弯曲疲劳强度 由 参考文献 7式（ 齿根弯曲应力 1311111 M P
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