高層玻璃幕墻清洗機器人機械部分設(shè)計

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文檔簡介

1、　　1 緒論　　1.1 高層玻璃幕墻清洗機器人研發(fā)意義 　　隨著人口規(guī)模的不斷擴大，城市高層建筑越來越多。摩天大樓逐漸成為生活中常見的一景。由于玻璃具有采光性好、保溫性好、防潮性好等諸多優(yōu)點，同時，由于彩色玻璃美觀大方，所以越來越多的高層建筑選擇了用玻璃幕墻。目前，我國大部分玻璃幕墻的清洗都需要依

2、靠“蜘蛛人”來完成，但是，這種高空作業(yè)有一定的危險性。因此，需要一個能夠代替人力完成清洗任務(wù)的機器人。　　1.2 高層玻璃幕墻清洗機器人研究現(xiàn)狀及分析　　1.2.1國外玻璃幕墻清洗機器人研究現(xiàn)狀　　德國相關(guān)公司委托制作的“SKYWAH”是這個星球上第一個能夠成功制作出來的清洗機器人。這個龐大的機器人主要結(jié)構(gòu)是個多

3、關(guān)節(jié)巨型伸縮臂，能夠在距離33米的地方完成工作。所有的軸采用抗拉鋼材并采用液壓驅(qū)動，所以結(jié)構(gòu)重量較輕。這一款清洗機器裝置安裝在四輪驅(qū)動的汽車相關(guān)底盤上，清洗刷較長，定位精度高。該機器人可以在人的監(jiān)視下完成清洗工作，動作靈活。　　與我們一衣帶水的鄰國——日本，他們的機器人公司之一——BE公司研制過一款軌道已經(jīng)固定好的的專門用于擦玻璃的機器人，依據(jù)安裝在樓頂?shù)能壍篮拖嚓P(guān)的提升系統(tǒng)，清洗機可以準(zhǔn)確地對

4、準(zhǔn)窗戶。該設(shè)備優(yōu)點是自動化程度相對較高。但是，一般建筑在設(shè)計之初不會將擦窗系統(tǒng)考慮其中，使該機構(gòu)適用性大大降低。　　德國瑪歌堡的費勞恩霍費爾相關(guān)的研究所是德意志共和國主要的生產(chǎn)和自動化中心，它們在過去的這些年，曾經(jīng)較為成功地研究了一系列清洗機器人。該機器人可橫向、可縱向，隨心所欲完成清洗任務(wù)。　　德國佛拉貨福爾研究所研制了一種名為SIRIUSC的清洗機器

5、人。在那些要清洗的相關(guān)建筑物上，我們放在了上面一輛跟隨及其運動的小車，這輛小車不緊急今年能夠起到定位的作用，而且還能對裝置起到安全保護的作用。機器人坐豎直運動，左右移動依靠小車來完成。　　美國航空航天宇航局下屬的機器人公司，在上個世紀(jì)研制了爬壁機器人“Sky Washer”（用于清洗摩天大樓），它重大約四十斤，該機器人利用兩組框架（L型）進行相對滑動，交替吸附來實現(xiàn)機器人的移動。每組框架有三個“

6、腳掌”（每個“腳掌”有兩個吸盤）。　　還有，德意志共和國、西班牙王國、大不列顛及北愛爾蘭聯(lián)合王國、即將舉辦世界杯和奧運會的巴西、位于馬六甲海峽附近的新加坡、深陷戰(zhàn)火的以色列、奧地利、澳大利亞、加拿大等國家相繼進行了研究。　　1.2.2 國內(nèi)玻璃幕墻清洗機器人研究現(xiàn)狀　　或許因為歷史上的種種原因，我國在相關(guān)產(chǎn)業(yè)方面

7、起步較晚，但是發(fā)展迅速。在二十時期七十年代中期，日本相關(guān)企業(yè)來到中國進行科技展覽會，川崎公司在中國第一次展出了工業(yè)機器人，從此，我國開始了機器人研制的相關(guān)研究。　　上海大學(xué)自1988年起，先后進行了玻璃窗清洗機器人以及球形爬壁機器人的研究。前者是那種質(zhì)量非常大而且還缺少至關(guān)重要的清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動機構(gòu)，足端為真空吸盤。　　哈工大研發(fā)過多款爬壁機

8、器人。輪式負(fù)壓機器人的堡壘已經(jīng)被其輕松攻破。該類機器人還設(shè)有卷揚機，地面支援小車。柔性設(shè)計的密封款式，雖然它對壁面的適應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他機構(gòu)，但越障能力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于其他裝置。　　1996年起，北航在國家“863”計劃的資助下，先后研制了“擦玻璃的機器人（靈巧款）”、“天空潔寶”、“吊籃式擦窗機器人”，前三種為十字機構(gòu)移動機器人。而進入新千年而研發(fā)的雙車體機器人，但重量小得多，僅為40斤。該機器人本

9、體結(jié)構(gòu)采用具有滑動密封負(fù)壓吸附裝置，能實現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。　　香港大學(xué)和內(nèi)地大學(xué)合作研發(fā)的CLEANBOT-I采用北京航空航天大學(xué)的原型，CLEANBOT-II則是采用了仿照坦克的原型。與其它相比，它采用了多個轉(zhuǎn)盤的設(shè)計。　　1.3 高層建筑外墻清洗機發(fā)展趨勢　　由于清洗工作需要在墻壁上這種極其特殊的環(huán)境下進

10、行，所以清洗爬壁機器人的總體設(shè)計要求是相當(dāng)苛刻的。總的原則為：盡可能低的重量，盡可能低的造價，盡可能高的可靠性，適應(yīng)性要比較高，滿足于各種墻面，當(dāng)然，較高的清洗效率也是不可缺少的因素。　　我們從清洗機的工作環(huán)境不難看出，發(fā)展方向可能有下面幾個：　　首先，要適用于玻璃幕墻清洗，由于其工作條件所限制，導(dǎo)致它必須能夠盡可能地做到結(jié)構(gòu)簡單，方便控制。</p

11、>　　其次，該機器人要適用于復(fù)雜墻面，如爬樓梯，一個墻壁上有多個窗戶的壁面清洗，但是，這樣會對其結(jié)構(gòu)，控制，運動方式等其他因素提出更高的要求，必須要求設(shè)計時能夠提出更加更為復(fù)雜的設(shè)計理念。　　1.4 高層建筑外墻清洗機現(xiàn)存問題　　國內(nèi)外關(guān)于高層爬壁清洗機器人的設(shè)計與研究已經(jīng)有數(shù)十年的進程，同時，在各種各樣的機器人中，也存在著一

12、些或個性或共性的問題。　　吸附能力難以滿足各種工作面的要求，在現(xiàn)實的清洗過程中，建筑物外墻壁可能是各種各樣的材料，材料甚至非常復(fù)雜，不僅僅是一個兩個材料物質(zhì)，而且結(jié)構(gòu)上也不是那么簡單，或有溝縫，或有凸起，或有凹陷；那么我們必須解決類似于跨越，密封，移動等許多技術(shù)難題，否則極大的影響避免清洗機器人的效率。　　移動的技術(shù)性和靈活性相互矛盾，在實際的清洗過程中

13、，我們發(fā)現(xiàn)既要保證結(jié)構(gòu)的小型化和較高的效率，還需要在具有一定負(fù)載的前提下能夠自由的上下的移動，具有較強的越障能力。　　控制技術(shù)與可靠性同樣存在著矛盾?？刂菩枰娫淳€和通訊線，但是這些存在大大影響了機器人的靈活性和控制機器人的工作完整性，而如果去掉機器人電源線和通訊線的話，又會對自己的控制造成不良影響。　　清洗機構(gòu)與機器人負(fù)重的矛盾。設(shè)計的安全性，清洗機構(gòu)

14、和污水再利用，我們能夠識別清洗質(zhì)量，但是如果機構(gòu)設(shè)計不合理，過高的增添成本，反而會造成一種得不償失。　　1.5 高層建筑外墻清洗機課題提出　　考慮到以上高樓爬壁清洗機器人所包含的那么多問題，我們所設(shè)計的清洗機構(gòu)不僅僅要滿足壁面的清洗工作，還要思考一下水源，清洗的刷子，清洗專用液以及相關(guān)氣動裝置。所以我們要努力地在設(shè)計的靈活性和功能的合理性中間找到一個點。

15、在移動的過程中，為了要克服重力并且靈活移動，我要盡可能采用輕質(zhì)材料，盡可能地采取一種方便控制和吸附的移動機構(gòu)，并盡量利用新型能源材料的開發(fā)和無線通訊技術(shù)來實現(xiàn)對機器人的自動控制，盡可能是機器人更加智能化、通用化、使其成為一條產(chǎn)業(yè)鏈。　　2 機械部分設(shè)計　　2.1設(shè)計任務(wù)</

16、p>　　根據(jù)清洗機器人清洗作業(yè)的要求，在完成一列玻璃的清洗后，需要進行提升，因此清洗機器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機器人清洗部分、吸附部分、提升部分、驅(qū)動部分和控制系統(tǒng)四大部分。　　2.2清洗系統(tǒng)部分設(shè)計　　2.2.1盤刷設(shè)計　　盤刷具有彈性和剛度，可保證能夠

17、承載一定的壓緊力來清洗墻面。只有受了力墻面清晰的才算干凈，同時若墻面有障礙物，塑料毛有一定的彈性來完成退讓相關(guān)障礙物，盤刷與聯(lián)刷體可通過螺栓來裝配銜接的。　　刷子半徑214mm；　　有毛半徑208mm；　　刷毛長度50mm。<b

18、>　　2.2.2滾刷設(shè)計　　滾刷的內(nèi)層筒壁為尼龍，在上面穿制豬鬃，在筒的兩側(cè)安裝上軸的端部，起到支撐作用并且和V帶相聯(lián)接。滾刷需要通過障礙物需要依靠鬃毛的變形，所以長度不宜過小，根據(jù)實際經(jīng)驗，選擇60mmm為佳。　　設(shè)計參數(shù)為:

19、滾刷寬度　　刷毛長度　　鬃毛螺旋穿制可以方便引流，采用一軟一硬的豬鬃對稱滾筒中心人字形纏繞。　　選擇螺旋升角為15°，則有如下關(guān)系：　　式中：

20、　　- 滾刷穿制直徑（mm）；　　- 鬃毛螺旋導(dǎo)程（mm）。　　鬃毛根據(jù)自然膨脹效應(yīng)會成倒圓錐，由經(jīng)驗可知，那么一個尖端的實際直徑為：　　式中：　　- 鬃毛的長度（mm）；

21、　- 鬃毛穿制孔直徑(mm)。　　滾刷邊緣與鬃毛束的距離t為：　　5mm的間隙既能對清洗液完成引流，還能有效地完成清洗壁面的工作。實際穿制滾刷時，選取導(dǎo)程42mm，圈數(shù)為：　　滾刷轉(zhuǎn)速直接影響到清洗速度和效果。為保證清洗機正常運動，需使?jié)L刷轉(zhuǎn)速和移動速度相匹配，使玻璃和滾刷之間產(chǎn)生相對滑動，從而減少磨損。<

22、/p>　　清洗機正常運動速度3m/min，估算轉(zhuǎn)速為：　　式中：　　n- 滾刷轉(zhuǎn)速（r/min）；　　v- 清洗機移動速度（m/s）；　　k- 刷洗系數(shù)；</p&

23、gt;　　R- 滾刷半徑（m）。　　取k=5：　　2.2.3電機的選用　　下面對驅(qū)動力矩和功率需求進行計算：　　1）滾刷所需力矩為：　　式中：</

24、b>　　滾刷鬃毛與壁面摩擦因數(shù)　　N- 壁面與滾刷間作用力　　R- 滾刷半徑　　根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，在0.45—0.68之間變化，取=0.5；N的結(jié)果與鬃毛變形量有關(guān)，當(dāng)變形量為5mm時，F(xiàn)=50.25±0.23N；當(dāng)變形量

25、為10mm時。F=139.64±0.11N。故取N=140N　　=0.51400.085=6N·m　　盤刷所需力矩為：　　式中：　　-刷毛與壁面摩擦因數(shù)（取0.15）</

26、p>　　-盤刷半徑　　所需總轉(zhuǎn)矩為　　所需功率的計算　　根據(jù)刷洗力矩，我們選擇Y2-802-6電機，相關(guān)參數(shù)如下：　　2.2.3盤

27、刷彈簧的選用　　1）彈簧的種類：圓柱螺旋壓縮彈簧;　　2) 彈簧的材料：碳素彈簧鋼；　　3）彈簧的設(shè)計計算　　彈簧的工作圈數(shù)（根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第三卷）：　　彈簧絲直徑（根據(jù)《機械設(shè)計手冊》

28、第三卷）：　　，　　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：<

29、;/b>　　極限工作載荷：　　彈簧每圈展開長度：　　計算數(shù)據(jù)如下：　　2.2.4錐齒輪的設(shè)計計算和相關(guān)校核

30、錐齒輪選用直齒錐齒輪，我們設(shè)計的相關(guān)參數(shù)：　　根據(jù)《機械設(shè)計手冊（第五版）》第三卷表14-3-5，選擇大端端面模數(shù)。　　小齒輪大端分度圓直徑，小齒輪齒數(shù)為則齒數(shù)：　　節(jié)錐角為：　　錐距為：<

31、/p>　　齒寬系數(shù)取0.3，則齒寬：　　故取b=24mm。　　齒頂高：　　齒高：　　齒根圓：

32、　　大端齒頂圓直徑：　　齒根角：　　齒頂角：　　頂錐角：

33、根錐角：　　冠頂距：　　確定傳動的精度等級　　初選平均切線速度　　參考《機械設(shè)計手冊》，可以得出傳動等級為8級。&

34、lt;p>　　下面進行載荷系數(shù)的確定：　　式中：　　-使用系數(shù),取　　-動載荷系數(shù)，取　　-齒向載荷分布系數(shù),取

35、;　　計算結(jié)果為：　　下面校核齒面接觸疲勞強度：　　1）確定許用應(yīng)力 　　該齒輪副接觸疲勞極限為：　　那么許用應(yīng)力為：

36、;　　式中：　　-壽命系數(shù),由已知條件取　　-安全系數(shù),取　　2）彈性系數(shù)，由《機械設(shè)計手冊》可知：　　3）節(jié)點區(qū)域系數(shù)，由《機械設(shè)計手冊》可知：　　小齒

37、輪所需大端分度圓直徑： 　　5）驗算速度　　平均直徑： 　　平均線速度：　　確定模數(shù)m: &l

38、t;p>　　由以上可知，滿足要求。　　下面進行齒根抗彎疲勞強度計算：　　確定許用彎曲應(yīng)力 　　1) 壽命系數(shù)　　2) 安全系數(shù)

39、　3) 尺寸系數(shù)　　4) 極限應(yīng)力,5ff取　　5) 許用彎曲應(yīng)力　　齒形系數(shù), 　　1) 分錐角 　　2) 當(dāng)量齒數(shù):

40、　　3) 由《機械設(shè)計手冊》，取,　　4) 應(yīng)力修正系數(shù)　　由《機械設(shè)計手冊》，取，　　校核齒根抗彎疲勞強度由《機械設(shè)計手冊》　　三式聯(lián)立求得</

41、p>　　由以上內(nèi)容可知，滿足要求。　　2.2.5直齒輪副的設(shè)計計算和相關(guān)校核　　根據(jù)工作要求，小齒輪轉(zhuǎn)速傳動比，在齒輪傳動的過程中，可以允許有4%的誤差，預(yù)計這齒輪的使用壽命預(yù)期壽命五年，每年按180天計算。工作有輕微沖擊，齒輪對稱布置。　　齒輪相關(guān)參數(shù)為：</

42、b>　　計算小齒輪轉(zhuǎn)矩　　定重合度系數(shù)、　　根據(jù)《機械設(shè)計手冊》得　　===0.865　　=

43、0.25+　　下面，確定載荷系數(shù)、　　式中：　　1) 使用系數(shù) 取=1.35　　2) 動載系數(shù) 取=1.14　　3) 齒向載荷分布系數(shù)，取=1.29

44、　　4) 齒間載荷分配系數(shù)、　　根據(jù)條件　　得 =1/ Y=1/0.677=1.48　　5) 計算載荷系數(shù) 、為　　齒面接觸疲勞強度的計算情況如下：　?。?）確定許用應(yīng)

45、力[]　　1）總工作時間：　　2）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N、N，根據(jù)機械設(shè)計手冊查得：　　3）壽命系數(shù)、 　　由《機械設(shè)計手冊》，取=1 =1　　4）接觸疲勞極限：

46、　　由《機械設(shè)計手冊》取=630MPa，=490MPa　　5）安全系數(shù) ： 　　由《機械設(shè)計手冊》取=1　　6）許用應(yīng)力[]、[]：　　由《機械設(shè)計手冊》得：<b&g

47、t;　　[]=　　[]=　　（2）彈性系數(shù)：　　由《機械設(shè)計手冊》，取=190　　（3）節(jié)點區(qū)域系數(shù) ：　　由《機械設(shè)計手冊》，取=

48、2.5　　（4）求所需小齒輪直徑由《機械設(shè)計手冊》得：　　計算結(jié)果，符合初估數(shù)值　　（5）確定中心距以及模數(shù)等其他參數(shù)：　　1）中心距a 初算中心距　　園整取中心距a =200mm

49、　　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<

50、;b>　　取為=320mm　　4）確定齒寬 　　大齒輪齒寬=b=22mm　　小齒輪齒寬=32mm　　接下來進行齒根抗彎疲勞強度驗算　?。?）求許用彎曲應(yīng)力 &l

51、t;/p>　　根據(jù)以上參數(shù)，計算出來的許用彎曲應(yīng)力：　　=　　=　　由《機械設(shè)計手冊》，我們可以校核齒根抗彎曲疲勞強度： 　　所以，抗彎疲勞強度足夠。<

52、/p>　　然后，進行齒面靜強度計算。　　(1) 確定許用接觸應(yīng)力：　　參照《機械設(shè)計手冊》，取靜強度安全系數(shù)，壽命系數(shù)　　那么接觸應(yīng)力（大輪較低）　　(2) 校核齒面靜強度 　　根據(jù)過載條件，由《機

53、械設(shè)計手冊》，齒面最大接觸應(yīng)力　　所以，齒面靜強度足夠。　　最后，進行齒根（抗彎）靜強度驗算。　?。?）確定許用彎曲應(yīng)力 　　參照《機械設(shè)計手冊》，取靜強度安全系數(shù)，取壽命系數(shù)，那么許用彎曲應(yīng)力　?。?）求最大彎曲應(yīng)力并校核強

54、度 　　由《機械設(shè)計手冊》，最大彎曲應(yīng)力為　　那么，靜強度滿足要求。　　為了保證兩個盤刷工作時情況一樣，將帶動兩個盤刷的齒輪對稱布置。　　2.2.6V帶傳動　　電機和滾刷之間采用V帶傳動，

55、在一般的機械中，V帶的使用是最為廣泛的。　　確定V帶型號　　工作情況系數(shù)=1.1　　功率計算　　V帶型號，根據(jù)機械設(shè)計手冊相關(guān)，選擇Z型。

56、;　　確定帶輪基準(zhǔn)直徑　　小帶輪直徑=50mm　　大帶輪直徑　?。?）驗算帶速v　　確定V帶長度和中心距　　初取中心距，基準(zhǔn)長度為：

57、

58、

59、 　　驗算小帶輪包角　　171.4°>120°　　確定V帶根數(shù)z　　單根V帶試驗條件下許用功率。根據(jù)《機械設(shè)計》課本表4.4，取P0=0.12kW&l

60、t;/p>　　傳遞功率增量，根據(jù)《機械設(shè)計》課本表4.5，取=0.02kW　　包角系數(shù)Ka，根據(jù)《機械設(shè)計》課本表4.8，我們?nèi)a=1.0；　　長度系數(shù)KL，根據(jù)《機械設(shè)計》課本表4.3，KL=1.03；　　=4.19；&

61、lt;p>　?。?）計算初拉力F0　　==53.8N　　計算壓軸力Q　　=536.48N　　2.2.7滾輪間的V帶傳動<p

62、>　　滾刷和滾刷之間采用V帶傳動，一般的機械中，V帶的使用是最為廣泛的。　　確定V帶型號　　工作情況系數(shù)=1.2　　功率計算　　V帶型號，根據(jù)機械設(shè)計手冊相關(guān)，選擇H型。

63、　　模數(shù)m=3，圓弧齒為8M；　　小帶輪齒數(shù)z1　　小帶輪直徑=56.02mm　　大帶輪直徑　?。?）驗算帶速v

64、　　傳動比i=1　　大帶輪齒數(shù)z2=iz1：　　小輪嚙合齒數(shù)　　（7）帶寬b*　　式中：</p&

65、gt;　　b*-選定型號的的基準(zhǔn)寬度。8M型號的帶子為20mm；　　Fa-單位帶寬許用拉力（N/mm），根據(jù)《機械設(shè)計手冊》，取6N/mm；　　Fc-Fc=mbv2=1.5×10-3N/mm；　　KL-圓弧齒帶長系數(shù)，系數(shù)為1。　　帶入結(jié)果

66、可知滿足要求；　?。?）剪切應(yīng)力計算：　?。?）壓強驗算p:　　2.2.8水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計　　作為清洗機，如果不存在回收機制，那么對水是一種浪費，同時會對已清洗的壁面，所以最好加入水循環(huán)回收機制，下面用計算來說明這點：

67、;　　取一普通尼龍管，其參數(shù)，工作壓力（）為2.0，最小爆破的壓力（）為8.0；　　清洗基本部分的本體上下移動速度為3m/min，根據(jù)實際經(jīng)驗，需求量為4L/。故清洗液用量約為12L/min，水在尼龍管里的平均流速為15.9m/s，雷諾數(shù)為：　　式中：&

68、lt;b>　　Re-雷諾數(shù)；　　V-流體平均流速（m/s）；　　d-管直徑（m）；　　v-運動粘度（m²/s）。　　代入數(shù)據(jù)，得<

69、p>　　紊流過程中會造成一定的能量會產(chǎn)生損失，關(guān)于這部分的大小，計算公式為：　　式中：　　-沿程損失；　　-沿程阻力系數(shù)；　　d-管直

70、徑（m）；　　v-運動粘度（m²/s）；　　g-重力加速度（m/s²）。　　光滑管，當(dāng)Re＜，　　根據(jù)以上公式，結(jié)果為，不難看出，沿程損失如此之大，泵達(dá)不到要求，尼龍管壓力也不足。</p&

71、gt;　　所以，選擇自帶水和污水處理比較適宜。　　兩個滾刷用水量，12L/min，假設(shè)損失率為10%，則消耗的水為1.2L/min，計算沿程損失，　　，　　紊流，可以計算出，，　　清水泵選擇&l

72、t;/b>　　清洗噴水方式采用在滾刷附近的水管上進行穿孔，噴流角度從0°到110°；兩個孔之間絕對距離為32mm，出口流速為：　　式中：　　-出口流速（）；<b&g

73、t;　　-水壓（Pa）；　　-水的密度（）；　　-重力加速度（）；　　-流速系數(shù)，取=0.97。　　在空氣中擴散不十分明顯，則噴射流在射流軸半徑為：&l

74、t;p>　　式中：　　K-系數(shù)；　　X-與出口的距離。　　計算結(jié)果為：　　32mm遠(yuǎn)小于4060mm，所以可以如此

75、使用。　　作為一個系統(tǒng)，我們對于水源的要求是非常高的，如果水資源不回收的話，會對周邊環(huán)境造成很大的影響，那些遺漏過的水也許會造成對壁面的再次污染，對清洗效率起到反作用。　　為此我們設(shè)計了一套水循環(huán)系統(tǒng)，清洗機在工作時采用自帶水箱與水循環(huán)回收相結(jié)合。考慮到清洗機本體質(zhì)量不能過高，水箱攜帶水量一定，在清洗過程中沿途的管壁之類的會造成一定的損耗，而且在干燥的環(huán)

76、境下，會有少量的水開始蒸發(fā)。我們需要屋頂向機器人提供水源。因此，為了能讓清洗機更好的完成工作，我們可以采用機器人自帶水箱進行清洗。　　清洗機構(gòu)采用雙滾刷和刮板聯(lián)合作業(yè)，不難看出，想要合理回收污水，我們可以通過刮水板對污水進行回收，污水在重力的作用下，可以進去到水箱內(nèi)，經(jīng)過粗過濾網(wǎng)和精致過濾網(wǎng)，進入到了凈水箱。根據(jù)實際情況和玻璃的清潔程度，可以在污水箱內(nèi)的隔層加入不同類型和型號的清洗劑，實現(xiàn)對不同

77、墻壁完成清洗工作。　　2.3提升系統(tǒng)部分設(shè)計　　2.3.1鋼絲繩的選擇　　由于清洗機由兩根鋼絲繩同時牽引，所以，當(dāng)我們計算總載荷時，每根所承受的最大拉力為66%。　　鋼絲繩的最小直徑為：　　式中：

78、

79、

80、 　　d—鋼絲繩最小直徑；　　c—選擇系數(shù)；　　s—鋼絲繩的最大工作靜拉力。　　按照《機械設(shè)計手冊》,提升的相關(guān)部分的工作級別為A8，則，鋼絲繩的公稱抗拉

81、強度為。　　=0.140×=2.78mm　　根據(jù)機械手冊，我們可取，選用鋼絲繩 12.4GB/T8918。即公稱直徑為6mm，合成纖維芯的，其公稱抗拉強度為，表面為光滑面。右向捻合，所能承受的破斷力為。　　2.3.2卷筒的設(shè)計計算　　（1）卷

82、筒節(jié)徑D　　卷筒節(jié)徑：　　。　　卷筒容繩寬度　　，取。&l

83、t;b>　　卷筒的邊緣直徑　　。　　式中：　　-最外層鋼絲繩繩心直徑。　　那么，取。<

84、;b>　　卷繞層數(shù)S　　根據(jù)實際經(jīng)驗，選S=4比較合適。　　卷筒的容繩量L　　第一層鋼絲繩繩心直徑；　　第i層鋼絲繩長度；<

85、;b>　　卷筒繞繩量　　解得　　我們?nèi)〉肧=4層，則。 　　卷筒厚度　　校核壓應(yīng)力：<

86、;b>　　式中：　　-鋼絲繩繞出處的壓應(yīng)力　　-卷筒壁厚　　-鋼絲繩軸向卷繞節(jié)距，　　經(jīng)計算，。　　彎曲應(yīng)力：

87、　　許用應(yīng)力：　　[]==　　式中：　　-抗拉強度　　-根

88、據(jù)工作的級別，可取1.4　　-安全系數(shù)，根據(jù)工作級別取2.8　　強度條件為：　　+[]　　[]-材料的許用應(yīng)力　　+=35.58+7.0480.36=[]

89、　　由此可見，符合要求。　　卷筒側(cè)板厚度，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，我們暫取9mm。　　卷筒速度　　卷筒轉(zhuǎn)速為按鋼絲繩轉(zhuǎn)出一圈時計算，即162mm，設(shè)卷筒轉(zhuǎn)速為n（r/min）。　　鋼絲繩提升時，上升

90、速度為0.1m/s。　　所以，卷筒轉(zhuǎn)速為n為31r/min.　?。?）允許偏轉(zhuǎn)角D　　允許偏角　　解得< 4°~ 6°　　2.

91、3.3減速器的選擇　　根據(jù)提升機構(gòu)的工作要求，電機軸轉(zhuǎn)速過快而且扭矩小，所以說，我們需要在電機和卷筒之間選擇一個減速器。考慮到采用雙卷筒設(shè)計，我們最好選擇一臺具有雙輸出軸的減速器，以保證清洗機在工作過程中兩邊平穩(wěn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們選擇CW型圓弧圓柱渦輪蝸桿減速器，而且減速器輸入軸可以正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。　　需要的傳動比。</b&g

92、t;　　所以我們選擇了一款的CW型減速器，型號為。　　2.3.4滑輪的設(shè)計　　繩索上需要滑輪來支配和導(dǎo)向，滑輪不僅能夠改變力的方向，還可以平衡繩索分支拉力。　　滑輪的直徑需要滿足D≥h×d，（工作級別是M1-M3，h為10），選用可以承載500kg重量的H系列滑

93、輪即可。　　2.3.5吊鉤的設(shè)計　　吊鉤是用來連接繩索和清洗機的部件，需要滿足抗拉強度。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》我們選擇鑄造、單鉤、允許載荷為10KN的吊鉤。　　由于吊鉤端不需要過多的傳動，所以我們通過鋼絲繩通過吊鉤的環(huán)眼，然后用鋼絲繩夾加固，鋼絲繩夾的選擇與鋼絲繩息息相關(guān)。

94、　　2.3.6制動器的選擇　　制動器的作用，可以對運動中的機械進行減速以及停止的一套裝置。制動器主要有制夾、操縱裝置以及制動件幾部分組成。　　制動力矩；　　鋼絲繩繞卷筒直徑：　　制動力矩=167N

95、.m　　根據(jù)《機械設(shè)計手冊》，我們選擇制動器，其力矩為，制動輪為，制動瓦退距為，質(zhì)量為。　　2.3.7電機的選擇　　估算清洗機構(gòu)的載荷重量不會超過200kg，清洗劑在上下清洗的過程中，最大靜強度拉力為，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》我們?nèi)〉谩?lt;/p>　　=1.1×200×

96、;9.8=2156N　　上升所需的靜功率；　　清洗時所需靜功率　　經(jīng)綜合考慮，選擇型號為的電機：　　2.3.8聯(lián)軸器的選擇　　本系統(tǒng)的聯(lián)軸器不僅僅是起到連

97、接作用，而且還需要安裝制動裝置，所以我們選擇LTZ5，公稱轉(zhuǎn)矩為125，最大轉(zhuǎn)速為3800，轉(zhuǎn)動慣量為0.0416。　　2.3.9腳輪的選擇　　提升機底板承載300kg，而清洗機質(zhì)量大概200kg，每個輪子要承載125kg，根據(jù)設(shè)計需要，直徑為160mm的腳輪最大負(fù)荷值為150kg，符合設(shè)計要求。　　2.3.10

98、傳動零件的選擇及其校核　　電機輸出軸和減速器輸入軸的鍵　　兩軸用聯(lián)軸器連接，所以傳動功率是一樣的，是2.4kw或者1.5kw，轉(zhuǎn)速為n=1500或750r/min，那么我們求得的轉(zhuǎn)矩是：　　T1=9550000=9550000×=15280 N·mm

99、　T2=9550000=9550000×=19100 N·mm　　接下來我們對圓頭平鍵在傳遞轉(zhuǎn)矩時的強度進行校核。　　電機輸出軸的鍵為；鍵槽軸深，；　?。?lt;/b>　　減速器輸入軸的間的設(shè)計尺寸；鍵槽軸深，；</p&g

100、t;　??；　　兩個鍵都遠(yuǎn)遠(yuǎn)地滿足要求。　　減速器輸出軸的鍵　　圓頭平鍵的設(shè)計尺寸為，由于該鍵尺寸大于之前校核的鍵，而其轉(zhuǎn)矩同樣低于前者，所以一定能滿足使用要求。<b&g

101、t;　　深溝球軸承壽命計算　　所選軸承是深溝球軸承（代號為6213），（額定動載荷）=57.2KN, （基本額定靜載荷）=40kN。　　在工作中有兩種轉(zhuǎn)速，分別是31r/min和16.5r/min.軸承在工作期間能夠受到的比較平穩(wěn)的徑向載荷力，其大小基本上約等于鋼絲繩上的力，因此。<b&

102、gt;　　則軸承的壽命：　　Lh1===727677h　　Lh2===1275354h　　所以軸承的壽命在之間。　　2.3.11桿臂的設(shè)計及其校核　　桿臂的截面是一個矩形，在中間為了更好的支撐，選用一個為15&

103、#176;的彎曲度，從而作出桿臂的受力圖如下：　　其中Q是鋼絲繩通過定滑輪而產(chǎn)生的力，這兩個力基本上相同的大小相同，那么，我們可以得到結(jié)論：　　通過靜力學(xué)平衡方程最后可以求得：　　=2380N =1587N　　根據(jù)上方受力圖。彎矩圖如下：<

104、p>　　不難看出，最大彎矩的值為M=745797。　　而桿臂的抗彎截面系數(shù)W，我們可以通過下面公式求得：　　W===18000　　彎曲所需滿足的強度條件為=[]，桿臂的材料是鑄鋼，通過查詢《機械設(shè)計手冊》，可知60.<b&

105、gt;　　==。　　所以，我們可以看出，桿臂滿足要求。　　2.4吸附部分設(shè)計　　2.4.1吸附方式的選擇　　本機構(gòu)爬壁機器人吸附裝置，想要更好地完成清洗任務(wù)，要給清洗劑一個力，讓它壓在墻面上。我們采用氣動技術(shù)，氣動

106、技術(shù)利用空氣作為能源，氣缸作為執(zhí)行元件，這樣能夠很好地完成工作，而一般的吸附方式有三種，采用真空吸附、磁吸附以及推力吸附，其優(yōu)缺點如下表所示：　　綜上所述，我們選用吸盤，主要從以下兩電進行考慮：　　由于機器人所要清洗的墻壁大部分為裝飾材料，很難具有導(dǎo)磁材質(zhì)，真空吸盤比較能滿足要求。　　單個吸盤可能在過程中出現(xiàn)失效

107、等狀況，選擇兩個吸盤也是基于考慮到機器越障能力和穩(wěn)定性。　　2.4.2吸附方式方案　　2.4.2.1真空吸盤　　作為真空系統(tǒng)中的十分重要的執(zhí)行元件，它的工作原理很重要，利用內(nèi)腔形成負(fù)壓來完成對建筑物墻壁的吸附，柔軟又有彈性的吸盤不損壞表面，那么我們更加傾向于選擇波紋狀的吸盤，這樣的洗盤能夠適應(yīng)各種墻壁，在強烈太陽

108、工作時同樣需要較好的耐熱性。　　2.3.2.2真空發(fā)生器　　與真空泵相比，真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)相對簡單，壽命比泵長，體積較小，質(zhì)量較輕，安裝和使用也極其方便，瞬時開關(guān)特性良好，沒有殘余負(fù)壓。　　真空發(fā)生器有四部分組成，分別是噴嘴，接收器，混合室以及擴散室，當(dāng)那些被緊縮過的空氣通過噴嘴時，在周圍形成一個低壓區(qū)。于是在噴嘴

109、出口處便形成了一個負(fù)壓。　　2.4.2.1真空安全閥　　真空減壓閥是保證相同的真空系統(tǒng)，在一個磁盤故障，保證系統(tǒng)真空度不變的情況下，一個真空安全閥使用后，即使有故障或不密封，依然可以保證其他吸盤真空性不會受到正常影響。　　2.4.3吸附可靠性分析　　機清洗機構(gòu)在工作時，每

110、一個洗盤的真空度約為70%，那么我們可以得到如下公式來校核吸盤所產(chǎn)生的吸力是否滿足要求。　　其中：　　n-吸盤的個數(shù)；　　D-吸盤的有效直徑（mm）；　　p-吸盤的真空度（MPa）；</p&

111、gt;　　k-安全系數(shù)，選取為6；　　F-吸盤吸力（N）；　　，之前我們要求產(chǎn)生140N的壓力即可，所以四個直徑為100mm的吸盤是能夠滿足要求的。　　2.4.2.1真空發(fā)生器的選擇　　根據(jù)實際經(jīng)驗，真空發(fā)生器內(nèi)集成電磁閥，可有想通過通斷電來決定是否

112、符合設(shè)計要求，便于我們控制，所以，我們選擇VUB6型號的真空發(fā)生器。　　真空安全閥就是一種單向溢流閥，安裝在吸盤和真空發(fā)生器之間，這樣當(dāng)一個吸盤失控時，安全閥可有效阻止空氣倒流進入真空發(fā)生器內(nèi)。　　2.4.4氣缸的選擇　　根據(jù)清洗機器人的設(shè)計思路，我們共需要八條腿，分別與兩組八個部分相連接，氣缸的主要目的需要兩個

113、作用即可——伸長和收縮。　　當(dāng)氣缸伸出時，承受的力主要為爬壁系統(tǒng)支架和輕鋼的重量，清洗機主要的力需要提升系統(tǒng)去承擔(dān)，所以來說，所以說氣缸在機器人實際的行走過程中，始終主要受徑向力，基本上不承受軸向力。　　根據(jù)設(shè)計要求，我們選擇最基本的JB尾部單耳式S型氣缸，活塞直徑和行程都能滿足好要求，該氣缸終端帶有可調(diào)節(jié)緩沖裝置，光滑、密封性好，能有想的啊防止灰塵進入

114、。　　2.4.5彈簧的校核　　這里的彈簧指的是圓柱螺旋壓縮彈簧，材料為碳素彈簧鋼；　　3）彈簧的設(shè)計計算　　彈簧絲直徑我們選取D=65.7mm，　　內(nèi)徑為D1=60.5mm;

115、;　　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：&

116、lt;/p>　　彈簧每圈展開長度：　　計算數(shù)據(jù)如下：　　根據(jù)上圖，我們選擇misumi公司自己生產(chǎn)的RSWP60即可，其自由長度為210mm。因為我們選擇的材料大部分為鋁合金材料，重量輕，所以，該彈簧能滿足要求。

117、;　　2.4.6滑動導(dǎo)軌的設(shè)計　　我們所要設(shè)計的導(dǎo)軌主要應(yīng)用于清洗機構(gòu)和吸附支架之間的鏈接，工作行程為1000mm，移動速度與重力有關(guān)，移動載荷包括支架和上面的氣缸和吸盤，預(yù)估不會超過20N。　　作用在滑塊上的力　　根據(jù)壓力要求，滑塊所受總的壓力不超過140N。</p&

118、gt;　　單個滑座受力　　導(dǎo)軌壽命　　行程長度壽命　?。?）滑塊額定壽命　　K-------壽命系

119、數(shù)，取k=50；　　-----硬度系數(shù)，取=1；　　-----溫度系數(shù)，小于100度時，取=1；　　-----接觸系數(shù)，由于工作機械速度小于15m/min，取=0.81　　-----負(fù)荷系數(shù)，中度載荷，取=1.5　　-----精度

120、系數(shù) C級，取=1.5　　那么計算的動載荷為：　　我們選擇由misumi公司推薦的型號為GA50BA2P2款式，型號為HSR25LA。　　2.5氣動部分設(shè)計　　2.5.1氣源的選擇　　氣源的

121、主要組成部分由儲氣罐、后冷卻器以及氣壓發(fā)生系統(tǒng)，由于重量很大，所以我們不得不將氣源安裝在樓頂上，這樣通過氣管將壓縮空氣送到清洗機本體上完成工作，對氣源的選取和氣缸的選取息息相關(guān)。給氣源選擇相關(guān)組件，比如消聲器和氣源處理組件，能夠有效地降低噪音和凈化需要被壓縮的氣體。　　2.5.2限位開關(guān)的選擇　　由于清洗機需要在高空中完成工作，所以很多時候地面工作人員無

122、法用肉眼判斷出工作狀況，所以我們需要在清洗機上安裝相應(yīng)的傳感器，以此來清洗機能夠自我判斷一些情況，類似于工作位置和環(huán)境，只有讓清洗機構(gòu)能夠完成自我檢測任務(wù)，這樣才能完成良好地互動。　　限位開關(guān)安裝在清洗機的頂端，驅(qū)動開關(guān)的接點引起相關(guān)節(jié)點的通斷電。這樣可以有效地對電路中的相關(guān)接線發(fā)生控制。　　2.5.3機器人越障

123、　　機器人在進行壁面清洗過程中在所難免會遇到障礙，比如建筑物表面會遇到材料不平整，窗框之間會產(chǎn)生凸起，里面摻雜著泥土或者紙屑等其他物質(zhì)，這些看似細(xì)小的細(xì)節(jié)，每一種都會或多或少地給機器人的工作帶來危險。　　每個機構(gòu)都有四個吸盤，同時都擁有真空安全閥，所以，當(dāng)最多兩個吸盤失效時，其他吸盤能夠產(chǎn)生足夠的吸附力，因此，能夠產(chǎn)生足夠的力使機器人能夠貼著壁面完成工作。

124、;　　3 控制部分設(shè)計　　3.1控制部分設(shè)計　　控制部分是整個清洗機構(gòu)的核心組成部分。根據(jù)設(shè)計理念，最好能夠完成自動作業(yè)和手動作業(yè)兩種方式，而且在控制系統(tǒng)上，要盡可能遵循小型化、輕量化、可靠性高和便于維護的相關(guān)原則。　　3.1.1 PLC

125、控制的基本組成　　可編程控制器在剛一開始的時候，主要被用在控制那些開關(guān)量的邏輯控制中。所以，曾稱作可編程序邏輯控制器，就是PLC（Programmable Logic Controller）。該控制器是以微處理器作為基礎(chǔ)，融合了計算機的科學(xué)技術(shù)，整合了通信技術(shù)，同時把自動控制技術(shù)融入其中，從而發(fā)展起來的一種自動化控制的裝置。它具有很多優(yōu)點，比如它的體積較小，編程相對于單片機等其他程序簡單，功能更

126、加強大，而且可靠性和靈活性較高，維護起來相對方便，功能更加強大；在電力、化工、交通以及冶金方面，能夠廣泛控制相關(guān)應(yīng)用。　　PLC是在一般的順序控制器上，融合了微電子，也將計算機技術(shù)放入其中，而自動控制和通信技術(shù)也會在構(gòu)建PLC中發(fā)揮作用。PLC整體上就是一個工業(yè)控制裝置。有效地建立了一套合理的柔性控制系統(tǒng)。　　PLC和PC雖然只有一字之差，但是它主要應(yīng)用

127、于工業(yè)的專用計算機，雖然組成和結(jié)構(gòu)相似，PLC是為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的，方便于控制和維護，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，這樣可以更好地去完成接線、擴充。　　3.1.2 PLC的硬件組成　　根據(jù)PLC所處環(huán)境和使用情況，分為箱體式以及模塊式兩種，但是在真正的實際的操作中，它們兩個基本上是沒有差別的，都有常用模塊；所有電路都裝在同一個模塊內(nèi)，構(gòu)成系統(tǒng)。按照CPU性能分為若

128、干類型，并按照I/O點數(shù)分為若干類型規(guī)格。而模塊式PLC還有底板和機架，模塊拼裝成一個整齊的長方體型，無論是哪種類型，I/O接口可以按照用戶的需求而進行拓展。　　3.1.3 PLC軟件基礎(chǔ)　　PLC的編程軟件的語言和其他的計算機語言相比，但是PLC編程出來的語言具有明顯的特點，在縮寫和調(diào)試上有更大的優(yōu)勢。同時，采用梯形圖可以進行編程，簡單易懂同時便于記憶

129、和實驗。　　PLC內(nèi)部的編程，還能支持該機型編程語言。按照通俗的叫法可以分為繼電器、計時器以及計數(shù)器等等，雖然他們能夠?qū)崿F(xiàn)真實元件的部分功能，但是和真實元件相比起來卻存在很大差異，所以我們稱為“軟繼電器”。而起沒有機械磨損，電腐蝕等問題，關(guān)鍵的是他也沒有數(shù)量限制。在存儲和其他方面，可以選擇記憶它也可以選擇不去記憶它，同時也可以實現(xiàn)脈沖數(shù)字元件的功能。

130、梯形圖編程語言，也就是我們常常所說的梯形圖。在電器控制系統(tǒng)中都會簡化成為符號。這樣的話會變得形象更加直觀，實用性更加強。電器技術(shù)人員更加容易接受這種電路圖。　　梯形圖編程在PLC模擬中最重要。觸點、線圈和功能塊等部分組成，梯形圖左右的垂直線稱作母線。已經(jīng)斷開的觸點將阻礙能量流過。每個輸出元素都可以構(gòu)成一個級。每個圖形都有一個甚至與多個級別組成。　　SIM

131、ATIC是西門子自動化產(chǎn)品，涵蓋了其系統(tǒng)的全部產(chǎn)品，好的兼容性是深層性的重要保證，SIEMENS是S7系列兼容款，可運行DOS和Windows程序，STEP編程語言在微軟的Windows的環(huán)境下，強大的助記符和梯形圖的編程——調(diào)試——診斷功能，是PLC現(xiàn)代化的典范。　　3.1.4 PLC執(zhí)行單元　　PLC的原理如下圖所示，它公分五個階段，當(dāng)他實現(xiàn)了一個掃

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