2708 高樓清洗機機電系統(tǒng)設計,高樓,清洗,機電,電機,系統(tǒng),設計 本科學生畢業(yè)設計高樓清洗機機電系統(tǒng)設計系部名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級： 機械設計制造及其自動化 08-12 學生姓名： 指導教師： 職 稱： 講師 XXXX 學 院二○一二年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeDesign of Mechanical and Electrical System of the Washing MachineCandidate： Specialty：Mechanical Design and Manufacturing&AutomationClass：08-12Supervisor：Lecturer Institute of Technology2012-06· 摘　　要近年來，隨著社會的發(fā)展，樓層越來越高，使用玻璃幕墻的樓房也越來越多，避免清洗時一個很重要的問題，傳統(tǒng)的方式多數(shù)為人工，或者是采用電纜從樓頂將機器人吊下，工作效率偏低，危險性高，于是清洗用爬壁機器人應運而生，本文的任務就是設計一種能夠在壁面上吸附行走的清洗機器人。本文在簡單介紹清洗機器人的國內外研究現(xiàn)狀的基礎上，基于二維軟件 CAD 對四輪式風壓吸附清洗機器人的本體機構進行了設計，對一些關鍵部分進行了設計計算及校核計算，重點是爬壁機器人的移動結構、吸附結構和驅動系統(tǒng)的設計計算。本文設計的清洗機器人采用四輪式小車形狀結構，結構簡單；采用風壓吸附方式，利用螺旋槳對空氣的壓縮所產生的壓力將機器人壓在物體表面，避免了清晰機器人對壁面的局限，降低了控制難度；清洗機主要由伺服懸吊系統(tǒng)、清洗主機和由計算機控制系統(tǒng)組成；采用無人化清洗，自動清洗，自動供水，自動供清洗液，單片機系統(tǒng)控制，操作人員只需通過鍵盤即可操縱清洗機工作，而且在清洗過程中，清洗機能夠自動進行邊緣識別，可根據(jù)建筑樓層的具體情況選擇為縱洗或橫洗；采用后輪驅動，一個電機驅動兩個后輪，后輪帶動前輪完成機器人的行走，使用直齒圓柱齒輪傳動裝置作為減速器；采用樓頂供電；機器人可以在水平面或者垂直表面直線行走。本機的清洗效率較高，清洗效果良好。關鍵詞：清洗機器人；減速器設計；風壓吸附；單片機控制；齒輪機構；電機控制；刷洗；ⅠABSTRACTIn recent years, with the development of society, more and more floors, with glass curtain wall building more and more to avoid cleaning a very important issue, most of the traditional way of artificial, or a cable from the top of the building will be used under the robotic crane, low efficiency, high-risk, then cleaned with a wall-climbing robot came into being, this task is to design a walk on the adsorption to the wall climbing robot for cleaning. This paper briefly wall-climbing robot based on the research status, based on 2D software, CAD, four-wheel vacuum on wall-climbing robot body bodies were designed, carried out on some key satisfied with the design calculation and checking terms, focusing on the mobile climbing robot structure, adsorption structure and drive system design and calculation. This designed wall-climbing robot car with four-wheel-type shape of the structure, simple structure;By pressure adsorption,robot using the pressure generated by the propeller on the compressed air pressure in the surface,avoiding the clear limitations of the robot on the wall,reducing the difficulty of control;Washing machine is suspended by a servo system, cleaning host and consists of computer control system;The cleaning of the unmanned, automatic cleaning, automatic water supply for automatic washing liquid, single chip control system, operating only through the keyboard to manipulate the work of the washing machine in the cleaning process, the washing machine to automatic edge recognition, according tothe building floor wash for vertical or horizontal wash;Rear-wheel drive, a motor to drive the two rear wheels, rear wheel drive the front wheels to complete the robot to walk, use of the spur gear transmission device as reducer;Roof supply; robot walk a straight line can be horizontal or vertical surface. The higher the cleaning efficiency of the machine a good cleaning effect.Key words: Cleaning Robot；Reducer Design；Pressure Adsorption Mode；MCU Control；Gear mechanism；Motor control ；Scrub；Ⅱ目　　錄摘要………………………………………………………………………………………ⅠAbstract ………………………………………………………………………………Ⅱ第 1 章 緒論………………………………………………………………………………11.1 課題研究的目的和意義…………………………………………………………11.2 課題研究現(xiàn)狀及分析……………………………………………………………11.2.1 國外壁面清洗機器人研究現(xiàn)狀……………………………………………11.2.2 國內壁面清洗機器人研究現(xiàn)狀……………………………………………21.3 高層建筑外墻清洗機發(fā)展趨勢…………………………………………………41.4 課題的研究設想…………………………………………………………………4第 2 章 清洗機器人總體方案設計…………………………………………………52.1 對樓頂樓面的實際考察…………………………………………………………52.1.1 樓面結構考察……………………………………………………………52.1.2 樓頂?shù)膶嶋H考察……………………………………………………………52.2 清洗機器人的總體方案…………………………………………………………62.3 清洗機器人清洗系統(tǒng)方案………………………………………………………72.4 清洗機器人爬壁系統(tǒng)方案………………………………………………………82.5 清洗機器人控制系統(tǒng)方案………………………………………………………82.5.1 設計的基本原則……………………………………………………………82.5.2 可供選擇的設計方案………………………………………………………82.5.3 方案的分析…………………………………………………………………82.6 其它部分方案……………………………………………………………………92.6.1 材料選擇……………………………………………………………………92.6.2 輪的潤滑問題………………………………………………………………92.6.3 軸承的潤滑問題……………………………………………………………92.7 本章小結…………………………………………………………………………9第 3 章 清洗機器人清洗系統(tǒng)設計…………………………………………………103.1 清洗機器刷洗部分設計…………………………………………………………103.1.1 盤刷設計……………………………………………………………………103.1.2 滾刷設計……………………………………………………………………113.1.3 刷洗部分所用彈簧的設計…………………………………………………113.2 內空心軸設計……………………………………………………………………123.3 清洗機主機滾輪的設計計算……………………………………………………133.4 主機上傳感器及行程開關的選擇………………………………………………133.5 復合纜的結構設計………………………………………………………………143.6 本章小結…………………………………………………………………………14第 4 章 清洗機器人風壓系統(tǒng)設計…………………………………………………154.1 采用風壓的意義…………………………………………………………………154.2 基本原理…………………………………………………………………………154.3 氣動計算的原始數(shù)據(jù)與技術要求………………………………………………154.4 風壓部分力學計算………………………………………………………………164.5 本章小結…………………………………………………………………………16第 5 章 清洗機器人主要零件設計…………………………………………………185.1 直齒輪副的設計計算……………………………………………………………185.1.1 齒輪的設計計算及強度校核………………………………………………185.1.2 齒面接觸疲勞強度計算…………………………………………………205.1.3 齒根抗彎疲勞強度驗算……………………………………………………215.1.4 齒面靜強度計算……………………………………………………………225.1.5 齒根（抗彎）靜強度驗算…………………………………………………235.2 錐齒輪副的設計計算……………………………………………………………245.2.1 基礎尺寸確定……………………………………………………………245.2.2 確定載荷系數(shù) K…………………………………………………………255.2.3 齒面接觸疲勞強度計算…………………………………………………255.2.4 齒根抗彎疲勞強度計算…………………………………………………265.3 本章小結…………………………………………………………………………26第 6 章 清洗機器人控制系統(tǒng)設計…………………………………………………286.1 控制部分的基本組成……………………………………………………………286.2 控制部分工作原理………………………………………………………………296.3 驅動部分工作原理………………………………………………………………306.4 控制軟件的實現(xiàn)…………………………………………………………………306.4.1 主機+POD 組合……………………………………………………………306.4.2 雙平臺………………………………………………………………………316.5 軟件的結構………………………………………………………………………316.5.1 軟件的主體結構……………………………………………………………316.5.2 軟件功能模塊的劃分………………………………………………………316.6 控制系統(tǒng)軟件程序的實現(xiàn)………………………………………………………326.6.1 伺服懸吊系統(tǒng)部分………………………………………………………326.6.2 清洗機主機部分…………………………………………………………326.7 本章小結…………………………………………………………………………33結論………………………………………………………………………………………34參考文獻 ………………………………………………………………………………35致謝………………………………………………………………………………………37附錄………………………………………………………………………………………381第 1 章 緒　　論1.1 課題研究的目的和意義隨著城市現(xiàn)代化得發(fā)展和人口的日益增加，為了節(jié)省土地資源，高層建筑越來越多，各式各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風景。在建筑業(yè)中，由于玻璃的采光性好，保溫、防潮，而且采用彩色玻璃使用美觀，高層建筑的外觀越來越多的采用玻璃幕墻結構沒有玻璃覆蓋的地方也多采用瓷磚覆蓋以增加建筑的美感，但也衍生出繁重的幕墻清洗任務。我國大多數(shù)高層建筑清洗工作還是由傳統(tǒng)的人力完成，這種高空極限作業(yè)相當危險，如遇強空氣流，對人身安全及玻璃面都有很大的威脅。因此需要一種能代替人工完成高層建筑清洗任務又有一定靈活性和適應性的自動機器來取代人工作業(yè)。高層外墻清洗機正是在這種背景下應用而生，它可在垂直壁面及屋頂移動進行物體表面的清洗。它的出現(xiàn)及進一步研究將極大降低建筑外墻的清洗成本改善工人的勞動環(huán)境，提高生產效率，并帶來相當?shù)纳鐣б婧徒洕б妗?.2 課題研究現(xiàn)狀及分析工業(yè)機器人已經在機器人領域中大量投入使用，如汽車、冶金等行業(yè)。然而，隨著人們生活水平的提高，在機器人領域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務機器人已經出現(xiàn)。服務機器人主要涉及清洗、運送、監(jiān)視、檢查和探測等類型的工作，為人類提供和完成服務。其中，清洗是服務機器人應用最廣的領域之一。而高樓林立的今天，更需要爬壁清洗機器人的技術可以得到不斷改進和提高。1.2.1 國外壁面清洗機器人研究現(xiàn)狀第一個成功制造出來的清洗機器人是德國漢薩斯航空公司委托制作的“SKYWAH”（清洗巨人），如圖 1.1 所示。其主要結構是一個作用距離為 33 米的多關節(jié)巨型伸縮臂，有 11 個自由度，6 個主軸，3 個腕關節(jié)及兩個自適應軸，總共12 個可編程序軸。余的運動鏈系使得它可以做各復雜運動，而其結構不會有任何變化。所有軸均由液壓驅動并采用抗拉鋼材，因而其結構重量輕。清洗刷長 1.2m，定位精度為 50mm,滾刷與飛機外形精確匹配。該機器人安裝在一個標準汽車地盤上，2可以從四個位置出發(fā)，機器人在人的監(jiān)視下按照預定的模式運動，完成對飛機幾乎所有表面的清洗工作。其特點是動作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機。日本 BE 公司成功研制的一種固定軌道式自動擦窗機器人，機器人靠安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跹b系統(tǒng)使擦窗機對準窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導槽垂直上下移動進行清洗，清洗機構帶有多個旋盤刷。該設備的自動化程度的效率都很高，但價格也很昂貴。另外，要求在建筑物設計之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進去，鋪設軌道，這大大限制了該機器人的使用范圍及效率。圖 1.1 SKYWAH 圖 1.2 IPA 自動清洗機德國馬格堡的弗勞恩霍費爾自動控制與操作研究所（IPA）是德國主要的生產及自動化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自動系統(tǒng)。圖 1.2 所示是其中之一，對柏林新建火車站的巨大玻璃隧道進行了自動清洗。該機器人懸掛在水平的橫向軌道上，可沿軌道左右移動，同時橫向軌道可以沿垂直導槽上下移動，從而完成對整塊玻璃的清洗。德國的 Fraunhofer 研究所研制了一種名為 SIRIUSC 壁面清洗機器人。該機器人作業(yè)時在機器人上方的建筑物頂部有一個隨動小車，該小車除了起一個安全作用外，還是機器人位移的定位裝置，機器人只能做上下運動，左右運動靠隨動小車牽引實現(xiàn)。爬行機構是基于兩隊線性模塊上，每個模塊裝有幾個真空吸盤，每對模塊有一個伺服電機驅動。美國國際機器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機器人“Sky Washer”,它重 19.95kg，約 0.9×0.9m，該機器人的移動由兩組 L 型框架相對滑動，交替吸附來實現(xiàn)，每組框架有三只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤，吸盤相對于壁面可以作直線運動，該機器人允許橫向移動，并可跨越一定高度的障礙。同時配備有洗滌液和擦抹系統(tǒng)，以完成擦窗工作，作業(yè)能力為每天 4645m2，并可越 5cm 高、25cm 寬的障礙。3除此以外，加拿大、德國、西班牙、以色列、新加坡、奧地利、俄羅斯、英國、澳大利亞等國家相繼開展了壁面清洗機器人的研究。1.2.2 國內壁面清洗機器人研究現(xiàn)狀國內爬壁機器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展比較迅速。我國研究和發(fā)展機器人始于七十年代初。1975 年在北京舉辦的日本科技展覽會上，川崎重工公司首先在中國展出了工業(yè)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研制機器人的浪潮。上海大學從1987 年開始在上海市科委和國家“863”的支持下，率先從事爬壁機器人的研究，此后，哈爾濱工業(yè)大學，北京航空航天大學、上海交通大學等單位也相繼在幕墻清洗、高空檢查、鍋爐水冷壁檢測、大橋拉索涂裝和維護等領域開展研究。自 1988 年以來，上海大學先后研制了玻璃窗清洗機器人和球形爬壁機器人。前者采用多層框架式機構，真空吸盤吸附，伺服電機驅動，但重量大，且沒有裝備清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動機構，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤，設計者從滿足穩(wěn)定性和控制復雜程度的綜合，考慮到吸盤穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。此外，他們還在清洗裝備和工藝做了較為深入的研究，并根據(jù)玻璃幕墻障礙的特點，開發(fā)了一種全方位越障機構，大幅度提高了機器人的越障能力。哈爾濱工業(yè)大學也是國內壁面移動機器人研究較早的單位，在國家“863”智能機器人的支持下，已經先后開發(fā)出兩個系列共 5 個品種的爬壁機器人。較早完成的是輪式負壓吸附壁面爬行遙控檢查機器人，如圖 1.3 所示。該機器人采用雙輪進行驅動。主體下部是一個帶有驅動輪的滑動密封式負壓吸盤。清洗機構置于尾部，同時還設有卷揚機，地面支援小車等附屬設施。由于密封裝置采用柔性設計，對壁面的適應能力較強，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運動，但越障和面面轉換能力較差。圖 1.3 輪式負壓遙控機器人 圖 1.4 CLEANBOT-Ⅰ北京航空航天大學自 1996 年以來，在國家“863”計劃的大力資助下，先后研制成功了 WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“靈巧型擦窗機器人”、“吊籃式擦窗機器人”、 “藍天潔寶”等系列幕墻清洗機器人樣機。前三種均為全自動4清洗機器人，采用十字構型，為自主步行移動機器人，機器人運動和功能統(tǒng)一。其中CLEANBOT-Ⅰ的縱橫氣缸之間有一能做微小角度轉動的腰關節(jié)，以實現(xiàn)機器人運動方向的調整，如圖 1.4 所示。之后北航又推出藍天潔士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗機器人。2000 年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機器人，但重量小的多，僅有 20kg。該機器人本體結構采用具有滑動密封負壓吸附裝置的履帶式驅動的雙車體結構，能實現(xiàn)越障和曲面轉換功能。2001 年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進行作業(yè)?！八{天潔寶”屬于被動清洗機器人，使用大面積負壓吸盤吸附，利用風機產生真空，結構簡單，工作效率高，具有很高的實用價值。香港大學和內地大學合作，研制了一系列高樓清洗爬壁機器人。Cleanbot-Ⅰ采用北航機器人原型，Cleanbot- Ⅱ采用了一種仿坦克的爬壁機器人原型設計。該機器人采用多個轉盤組成的吸附機構和單鏈條爬行及轉向機構，可以在玻璃幕墻和船殼等墻面上連續(xù)爬行，并有一定的越障能力。1.3 高層建筑外墻清洗機發(fā)展趨勢由于清洗工作環(huán)境及任務的特殊性，清洗爬壁機器人的總體設計要求相當苛刻。其總的設計原則是：減輕重量，降低造價，安全可靠，能適應多種建筑物表面，且要有足夠高的清洗效率。從清洗機的工作環(huán)境來看，其主機可能有兩個發(fā)展方向：其一：適用于平整瓷磚和玻璃幕墻清洗，它結構簡單，易于控制，屬小型輕量化。其二：適用于復雜墻面，如階梯墻面，壁面多窗戶的壁面清洗，它的結構、動作、控制都很復雜。其三：以壁面機器人為載體，配以專用的清洗機構，可以適應不同壁面機構。1.4 課題的研究設想參閱相關產品的技術資料，高層建筑外墻清洗機主要由伺服懸吊系統(tǒng)、清洗主機和由計算機控制系統(tǒng)組成，設計中應考慮為清洗提供足夠的壓墻力、刷洗部件設計、清洗液的噴灑和臟液體的收集、對左右邊緣和上下行程的識別、行走機構和轉位機構的設計，進行必要的設計計算。5第 2 章 清洗機器人總體方案設計2.1 對樓頂樓面的實際考察在接受課題之后，為了順利地完成我們的畢業(yè)設計任務，我們參觀了哈爾濱幾處典型的高層建筑。并且查閱了多種關于高層建筑和以往對建筑物的清洗的相關資料，其中大部分是難以人工清洗的，因此設計開發(fā)高層建筑外墻清洗機是非常必要的。2.1.1 樓面結構考察參觀調查得到初步方案，清洗機主要由樓頂?shù)碾S動小車和清洗主機部分組成，并且采用單片機控制。樓頂?shù)碾S動小車在樓頂上預裝的軌道上行走，可使懸吊的清洗機部件實現(xiàn)縱洗和橫洗；清洗機部件利用風壓使之貼在墻壁上，通過盤刷和滾刷完成清洗墻面的工作。因此，樓面情況就決定了我們如何設計軌道、變向、壓緊和清洗液的輸送、回收等問題。幾種典型建筑物樓面結構如圖 2.1：直 角 面 +圓 弧 面 圓 弧 面 +直 角 面 斜 面圖 2.1 樓面結構2.1.2 樓頂?shù)膶嶋H考察幾種典型建筑物樓頂結構如圖 2.2：6標 牌 架 臺 鐵 架鐵 架 女 兒 墻 小 屋 衛(wèi) 星 接 收 天 線女 兒 墻 臺圖 2.2 樓頂結構2.2 清洗機器人的總體方案根據(jù)清洗機器人清洗作業(yè)的要求，機器人首先必須具備清洗作業(yè)功能和控制功能，此外清洗機器人還必須在高層建筑物表面進行吸附和移動，因此清洗機器人系統(tǒng)應該包括機器人清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。主機主要由箱體，支撐架，防護罩，刷子，電機，螺旋槳風壓系統(tǒng)，齒輪傳動系統(tǒng)等組成。 ，通過螺旋槳風壓系統(tǒng)使主機吸附在墻面上，并使刷子壓緊，產生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉動，達到刷洗的目的。主機有一懸吊支撐架，其外側與懸吊系統(tǒng)相連，可調風壓系統(tǒng)安裝在懸吊支撐架背后，風壓系統(tǒng)可通過調節(jié)螺旋漿轉速控制清洗力，懸吊支撐架通過一圓導軌和箱體（其上安裝兩盤兩滾）相連，所有的清洗裝置均安裝在該箱體上，清洗系統(tǒng)由固定在懸吊支撐架上的步進電機通過齒輪傳動系統(tǒng)執(zhí)行以 90°為單位的轉動動作以實現(xiàn)橫洗和縱洗的轉換。箱體上有兩個圓盤形清洗刷，盤刷底部都有十二個清洗液噴射孔，另有兩圓柱形滾刷，在其行走前方有清水噴射孔，并安裝一軟質刮水板，以使清洗過的部位快速風干并避免留下來的清洗液腐蝕墻面。箱體上還有一電機通過錐形齒輪將轉動傳到其中一個盤型清洗刷上，再通過齒輪傳動系統(tǒng)將轉動傳遞給另一盤刷，所以兩盤刷轉動方向相反，可以達到更好的清洗效果，圓柱形滾刷是由電機尾部的軸通過V 帶驅動的。在懸吊支撐架上有防護罩，防止清洗液四濺。清水，清洗液，電機的供電和控制電纜都是是由復合纜供給的，復合纜連接懸吊系統(tǒng)。在風壓支架上有配重塊，配重塊可以沿光杠絲杠移動。通過調節(jié)配重塊可以調節(jié)系統(tǒng)平衡，以達到減小震動的效果。在清洗機主體的上下部安放超聲波傳感器，以進行邊緣識別。箱體上裝有兩對滾輪，滾輪通過電機驅動，以實現(xiàn)前后移動，而轉向通過箱體的轉動實現(xiàn)。72.3 清洗機器人清洗系統(tǒng)方案根據(jù)以上提出的技術性能及要求，初步確定清洗方案如下：第一種：結構簡圖如圖 2.3：此種方案采用負壓履帶吸盤式盤滾組合式清洗，由于受到墻表面材料的影響較大，一般情況下，每兩塊瓷磚之間都有 4～5 毫米的縫隙，密封不可靠。圖 2.3 結構一 圖 2.4 結構二第二種：結構簡圖如圖 2.4：這種方案采用了風壓式壓緊，盤滾組合式清洗，清洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中間傳動的需要，結構不對稱,風扇的中心與刷子的中心不重合，刷洗壓力不均勻，中心不穩(wěn)定，容易引起震動問題。但可以考慮配重問題。第三種：結構簡圖如圖 2.5：圖 2.5 結構三這種方案吸取了第二種方案的優(yōu)點，傳動的改變，使振動的問題減小，機體尺寸減小。這種方案為螺旋槳風壓式高層建筑外墻清洗機，其優(yōu)點是：① 在清洗機外機架背后安裝可調風壓系統(tǒng)來提供連續(xù)均勻的清洗力，螺旋槳可調節(jié)轉速來控制清洗壓力；② 機架內采用一清洗系統(tǒng)旋轉裝置，方便的實現(xiàn)了縱橫兩不同清洗方向的調整，減少非作業(yè)時間，增加了工作柔性，大大提高了工作效率；③ 應用兩盤兩滾相結合的清洗方式，清洗液和清水分別由盤刷和滾刷提供以達到最佳清洗效果。8綜合比較以上三種方案，根據(jù)設計要求，由于對于墻面的壓力要求大，工作穩(wěn)定，結構容易實現(xiàn)，最后我決定用第三種方案。通過螺旋槳風壓系統(tǒng)使主機吸附在墻面上，并使盤刷和滾刷壓緊，產生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉動，達到刷洗的目的。旋轉的刷子的軌跡為包絡線，從而清洗干凈墻面。滾刷噴的是清水，將墻面沖洗干凈，以避免留下來的清洗機腐蝕墻面，同時盤刷和滾刷采用一個電機驅動，減小了清洗主機的重量，清潔度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤兩滾結構可減少不必要的回程時間，以達到提高效率的目的。2.4 清洗機器人爬壁系統(tǒng)方案本方案通過螺旋槳風壓系統(tǒng)使主機吸附在墻面上，并使盤刷和滾刷壓緊，產生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉動，達到刷洗的目的。旋轉的刷子的軌跡為包絡線，從而清洗干凈墻面。滾刷噴的是清水，將墻面沖洗干凈，以避免留下來的清洗機腐蝕墻面，同時盤刷和滾刷采用一個電機驅動，減小了清洗主機的重量，清潔度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用兩盤兩滾結構可減少不必要的回程時間，以達到提高效率的目的。2.5 清洗機器人控制系統(tǒng)方案2.5.1 設計的基本原則軟件為硬件服務，硬件根據(jù)軟件進行相應的調整，軟硬結合以達到最好的工作狀態(tài)。2.5.2 可供選擇的設計方案第一個方案：單機控制，即由一個單片機控制整個系統(tǒng),由這個單片機完成清洗機主機和伺服懸吊系統(tǒng)的整個控制。第二個方案：雙機控制，既由兩個單片機控制整個系統(tǒng)，一個單片機用于伺服懸吊系統(tǒng)的控制，另一個單片機用于清洗機主機的控制，這兩個單片機互相通信，沒有主次之分，它們互相執(zhí)行對方發(fā)出的指令，并分別向對方返回狀態(tài)信息。第三個方案：主從控制，既由兩個單片機控制整個系統(tǒng)，一個單片機用于伺服懸吊系統(tǒng)的控制，另一個單片機用于清洗機主機的控制。伺服懸吊系統(tǒng)單片機作為主機，清洗機主機單片機作為從屬機，由伺服懸吊系統(tǒng)單片機向清洗機主機單片機發(fā)出控制指令，清洗機主機單片機執(zhí)行指令，但并不向伺服懸吊系統(tǒng)單片機返回狀態(tài)信息。2.5.3 方案的分析第一個方案，適用于簡單的控制系統(tǒng)，由一個單片機就能完成所有的工作。所有的被控器件動作距離小，沒有大距離的移動，不需要遠距離通信。這種系統(tǒng)簡單容易9實現(xiàn)，成本低，但功能有限。第二個方案，適用于大規(guī)模復雜的控制系統(tǒng)，單片機之間互相交互，協(xié)同工作。能完成復雜的控制，可以允許受控器件做大距離的移動，可以實現(xiàn)高度的自動化控制，自動化實現(xiàn)程度高。但成本高，制作技術要求高，實現(xiàn)比較困難，并且在運距離通信時需要確保通信的穩(wěn)定，不失真，并且要有出錯檢測和信息數(shù)據(jù)重發(fā)機制。第三個方案，適用中等規(guī)模的控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)一定規(guī)模的控制，但實現(xiàn)起來不是很復雜，技術要求不是很高，無需確認，不用出錯檢測和信息數(shù)據(jù)重發(fā)機制，能夠允許受控器件做中等規(guī)模的距離移動。是一般控制系統(tǒng)的可選方案。綜合優(yōu)缺點，本控制系統(tǒng)采用第三種控制方案。2.6 其它部分方案2.6.1 材料選擇根據(jù)課題要求，總體重量越輕越好，由于使用清洗液，耐腐蝕性能也要好而且此產品是輕載荷，故材料首先選用鋁合金材料及非金屬材料。整個及其涉及到齒輪減速器的地方，齒輪的材料經過篩選與比較采用聚甲醛（均聚） ，見《金屬機械加工工藝人員手冊》P.244。本機的各個傳動軸均采用硬質合金 LY11。螺旋槳材料選用尼龍 66 (聚己二酰己二胺)。機架的材料采用鋁合金。其他機件的選擇根據(jù)通常材料在重量最輕原則下進行確定。2.6.2 輪的潤滑問題由于齒輪的材料已確定為聚甲醛，據(jù)《機械工程手冊》 （第二版）2-369，其工作要求少潤滑或無潤滑， 。故不考慮齒輪的潤滑問題。2.6.3 軸承的潤滑問題大空心軸的轉速較低為 400r/min,鼓起潤滑方式應為脂潤滑，潤滑脂為鈣機潤滑脂。注：以上潤滑脂的選擇見《非標準設備設計手冊》P.582。2.7 本章小結本章確定了設計清洗機器人的總體方案。根據(jù)作業(yè)環(huán)境，對機器人從清洗系統(tǒng)、爬壁系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大方面進行設計，選型和參數(shù)的確定。最后請教導師對設計的方案進行校正，以確定設計的可行性和穩(wěn)定性。10第 3 章 清洗機器人清洗系統(tǒng)設計3.1 清洗機器刷洗部分設計按照任務書設計要求：清洗速度 0.2m2/s。3.1.1 盤刷設計1）盤刷采用在塑料體上在塑料毛的盤刷，其具有一定的彈性和剛度，可保證一定的壓緊力來清洗墻面，同時若墻面有一定高度的凸出物，塑料毛有一定的彈性可以退讓，順利通過。刷子半徑 214，有毛半徑 208，刷毛長度為 50，盤刷與聯(lián)刷體可通過螺栓來裝配連接。2）聯(lián)刷體采用聯(lián)刷體的目的：[1] 使電機與盤刷連接起來;[2] 使盤刷具有可換性；[3] 可調節(jié)盤刷與墻面的距離；聯(lián)刷體保證與電機連接處的強度、材料應盡量輕，其結構如圖 3.1：圖 3.1 聯(lián)刷體3）盤刷的工藝性根據(jù)資料可知：刷類的刷毛是用制毛器植上的，其基本原理如下：在殼體剛注塑完時，趁著殼體還為硬化，用機械方法把刷毛植進去。把一撮毛（約四至五根）折彎，在根部裝上一韌性卡子，用專門植毛機把毛插入未硬化的殼體內，卡子插入后，待殼體凝固，便把刷毛固定下來，這樣整個植毛工藝就完成了。根據(jù)上述原理，盤刷也可以采用這種方法制作，其技術要求：毛孔直徑：2.5mm間距：5mm孔深：10 mm11每孔刷毛密度：五根滾刷原理與上面相同3.1.2 滾刷設計采用在鋼軸外面加套橡膠軸套，在橡膠軸上栽刷毛的方法做成，可通過調換橡膠套的方法調換滾刷，滾刷半徑為 106，有刷毛部分長度為 940。滾刷結構如圖 3.2：圖 3.2 滾刷為了控制的方便，減輕主機的重量，應盡量減輕電機的數(shù)量，所以盤刷、滾刷共用一雙輸出軸電機，中間用齒輪和 V 帶傳動；從經濟的角度考慮，采用普通的三相電機，帶動兩盤兩滾共四個清洗刷。依據(jù)實際實驗，取洗刷的壓強為螺旋槳工作壓力為 20 公斤力。四個角輪 分別承受 3 公斤力。盤滾刷均承受兩公斤力刷毛與墻面的摩擦系數(shù)為 0.1～0.2，取 μ=0.15對盤刷求積分轉矩為 : mΝ31502???.F1) 洗力矩：盤刷： N241?. rμM兩個刷子的轉矩： m81???.T滾刷： 0345.7206?..所需總的刷洗力矩： N298421 ?????..M2) 初定盤刷轉速：360r/min根據(jù)刷洗力矩，型號為 Y2-802-6，額定功率 550W,轉速 900r/min,平鍵 4×20，保持轉矩為 9.8N.m(查 GBM)3.1.3 刷洗部分所用彈簧的設計1）彈簧的種類：采用圓柱螺旋壓縮彈簧;122) 彈簧的材料：根據(jù)《機械設計手冊》選用碳素彈簧鋼；3）彈簧的設計計算[1]根據(jù)《機械設計手冊》取彈簧的工作圈數(shù) 5.611??N[2]根據(jù)《機械設計手冊》取彈簧絲直徑： ，m3D允許極限負荷下的單圈變形： 7.3F單圈剛度： kg/m3.1?P彈簧節(jié)距： 25T最大工作載荷： 46極限工作載荷： kg73.P?彈簧每圈展開長度： m52L[3]計算數(shù)據(jù)彈簧中徑： m5163202 .dD???彈簧內徑： 1?.彈簧間隙： m71532..dtδ???彈簧總展開長度： 601?nL螺旋角： ?7??彈簧自由高度： m75341.d)(nδH????允許極限負載時彈簧高度： 126833 ..F?彈簧旋向：左旋右旋均可133.2 內空心軸設計為了在盤刷中心噴清洗液，并使噴嘴不隨盤刷轉動，需在盤刷內用滾動軸承固定?？招妮S的一端連接盤刷體，另一端與水管相連，在盤刷體轉動時，空心軸固定不動，其結構如圖 3.3：圖 3.3 空心軸工作時清洗液從中間的孔流出，噴到墻面上，幾乎不受外力彎矩、扭矩，所以略去剛度、強度的計算。3.3 清洗機主機滾輪的設計當清洗機工作時，風機向后吹出強大的高速氣流，把清洗機壓向墻面，與墻面接觸的盤刷和滾刷都為柔性件，太大的壓力會使刷毛彎曲過多，損壞加劇，所以大部分壓力應由滾輪來承擔，同時也增大了滾輪與墻面之間的摩擦力。當電機驅動時，清洗機橫向行走。所以滾輪與墻面之間應有良好的接觸 ，不可打滑。結構設計如下圖3.4：圖 3.4 清洗機主機滾輪結構圖3.4 主機上傳感器及行程開關的選擇為了增強清洗機的自動化程度，實現(xiàn)遠程控制，在清洗機主機上安裝傳感器，以識別墻面的材料，來確定清洗機的進退預停止。通過查手冊《傳感器技術》,選用德國 TURCK 公司生產的超聲波傳器，其特點：有效作用距離大，與被測物的顏色、周14圍環(huán)境無關，具有開關量和模擬量兩種輸出，有利于控制。在清洗機主體的上下部安放超聲波傳感器，為了安全，在下邊緣安裝行程開關，結構可見總裝配圖,該行程開關型號為：LX32-SS , 它具有彈性環(huán)節(jié)，可以緩沖猛烈的沖擊，并給單片機控制系統(tǒng)一個輸入信號，單片機經過識別后，處理中斷，加強自動化，保護主機。3.5 復合纜的結構設計由于本機的復雜性，管線較多（包括清水管，清洗液管，電纜，數(shù)據(jù)線，控制線等） ，且為了安全性，設計復合纜。由于各個管路的功能不同，且方便控制，決定采用分開復合的方法，結構如圖 3.5：圖 3.5 復合攬結構圖鋼絲繩是起重機上應用最廣的撓性構件，其優(yōu)點是：卷繞性好，承載能力大，對于沖擊載荷的承受能力也強，卷繞過程中平穩(wěn)，即使在卷繞速度高的情況下也無噪聲，由于繩股各鋼絲斷裂是逐漸發(fā)生的，一般不會發(fā)生整股鋼絲繩突然斷裂，工作時比較安全可靠。在本復合纜中選用的型號：GB1102-74所選鋼絲繩的破斷拉力應滿足下面的條件：(3.1)繩繩 N/SMAX?—鋼絲繩破斷拉力（公斤）繩S—鋼絲繩工作時承受的最大靜拉力（公斤）MAX—根據(jù)機構重要性，工作類型及載荷情況而定的鋼絲繩安全系數(shù)。繩N所選鋼絲繩為 8，由資料查得此型號鋼絲繩破壞拉力為 3130 公斤。因此機構為輕級起重機構，所以選繩 N=5。考慮整個清洗機，由于體積較小，重量較輕，最大的靜拉力為 400 公斤。由公式(3.1)： 58274031N/SMAX???./繩繩所以選用的鋼絲繩強度足夠。3.6 本章小結本章確定了刷洗部件(盤刷、洗刷)的尺寸及其他部件的設計，應用雙刷系統(tǒng)，有15利于對水的利用效率。16第 4 章 清洗機器人風壓系統(tǒng)設計4.1 采用風壓的意義采用風壓作為洗刷壓力，可以避免因外墻材料和形狀的變化對穩(wěn)定性和可靠性的影響，即有障礙物，或者有突起，對壓力影響不大，提高了可靠性，對建筑物外形形狀的適應性也更強。4.2 基本原理采用正壓與負壓相結合，利用偏心壓緊，使清洗機的輪的一端先接觸墻面，形成一個相對小的腔體，再利用懸吊系統(tǒng)，使清洗機逐漸靠近墻面同時，風機電扇的旋轉，會使空氣流動，與外界大氣產生一定的壓力差，從而產生一定的負壓，使清洗機壓緊墻面。空氣流經由進口導流器、收斂器、進入風扇，在離心力的作用下，流出蝸殼，與機體相碰撞，會產生一定的壓力，以減小空氣流的速度。隨著腔體的越來越小，和清洗液的涂抹，機體內的壓強會越來越小，產生負壓，使清洗機壓緊墻面。當腔體很大時，空氣會流通暢快，產生正壓，使機體壓緊墻面。隨著腔體變小，空氣流速度減小，正壓減小，負壓增強，調整電機轉速，可得到所需的壓力，使清洗機具有一定壓力的貼在墻體表面，提供連續(xù)均勻的清洗力，通過調節(jié)螺旋槳的轉速可以調節(jié)清洗力的大小 ，以達到最佳清洗效果。如對于玻璃墻面，采用低轉速，對于磚墻，采用高轉速，調速由電機的星—三角轉換完成。4.3 氣動計算的原始數(shù)據(jù)與技術要求原始數(shù)據(jù)給定為：箱體的長×寬× 高=945×1080×540其中的充氣體積為 V=240×80×335×27=945×1080×540-240×80×335×27=377460000mm3=0.377m3螺旋槳初定選用參數(shù)：1. 螺旋槳直徑 D 的選擇：D 約為 1000mm.2. 所選電機：選用普通的三相電機，由于螺旋槳的要求轉速較高，故選用風扇電機的功率為 2.2×103W，額定電壓為 380V，轉速為 780r/min3. 電機軸與螺旋槳直接用鍵和軸連接，輪轂和電機軸過盈配合由定位銷定位。因螺旋槳的洗刷壓力始終使螺旋槳壓向電機，不會甩脫。174. 被壓縮氣體進口條件下的容積效率為 ηv =10%流量 ??/min08314078530149. /..Q????進口氣體參數(shù)為：P 0=1.01×105Pa；T 1=293K； C1=0.22m/s技術要求為：1.高效率；2.尺寸小，重量輕；3.變工況特性好；4.使用壽命要求在 8000 小時以上；5.結構合理，運行安全可靠。4.4 風壓部分力學計算風壓部分的吸附物體表面的力源，其中進口導流器的作用是使氣流以軸線方向或以所需方向進入下一級或固定容器，起著整流作用。收斂器的作用是使利用氣體自中心向外緣流動過程中有效流動面積的增加和減小；來達到增壓的目的，減小空氣流的速度。風扇的作用是產生離心力，使空氣向四周流動，增大空氣流的動能，使其對機體產生較大的沖擊力。假設有 1/10V 的氣體被抽出腔體，由氣體連續(xù)性方程：(4.1) VP21??10/ 2??N415031 6521 ???? ?../SP/)-(PF氣體進口即進入導流器時的速度為：(4.2)m/s97103140861 .)./(.VQ-??忽略中間的損失，由氣體連續(xù)方程公式(4.1)可得：(4.3)?????2211 RR????/s63180309722 ./.ν ???ν2 即為氣體進入風扇的進口速度。氣體質量流率為： kg/s1075290834 ...ρQ-????1 小時內的氣體質量為 861754?m18電機功率為 2.2kW由動能定理可得：(4.4)21???mEk75032ν../s89ν氣體出口處與大氣相通，速度一般為 10-15m/s,取 /s12?由流體力學動量定理知，單位時間內流出控制面的動量與流入控制面的動量的差值，等于作用于控制面內流體的全部外力之和，即：(4.5)??12?????mF783240cos58915922..νν?/3.ν?N..F320?所產生的總的壓力為： .5.403541估???4.5 本章小結本章確定了風壓系統(tǒng)的可行性，對整體系統(tǒng)進行受力分析，確保螺旋葉所產生的風力可以將機器主體緊壓在壁面上，有助于洗刷部件對壁面的有效接觸。19第 5 章 清洗機器人主要零件設計5.1 直齒輪副的設計計算5.1.1 齒輪的設計計算及強度校核電動機驅動的閉式直齒圓柱齒輪傳動，標稱功率 P=1.5kW,小齒輪轉速n1=1500r/min，傳動比 i=4.1 許有 4%的誤差,長時工作，預期壽命五年，每年按 200天計。工作有輕微沖擊，齒輪對稱布置。（1） 選材料確定初步參數(shù) 依據(jù)參考文獻[5]表 5-5 選材料小齒輪：40Cr 調質，平均取齒面硬度為 260HBS大齒輪：45 鋼調質，平均取齒面硬度為 230HBS（2） 初選齒數(shù) 取小齒輪齒數(shù)為 =32，則大齒輪齒數(shù)為：1z23142.=×. i?園整，為使 u 為除不盡的數(shù)取 =129z（3） 齒數(shù)比 03.4219?z?驗算傳動比誤差， ×100%=1.7%允許1.403?（4） 選擇齒寬系數(shù) d 和傳動精度等級 查參考文獻[5]表 5-8 得齒寬系數(shù) d=0.275? ?初估小齒輪直徑 m8估1?則齒寬 m280751??.db齒輪圓周速度： ,/s.6/s601????n估查參考文獻[5]表 5-4 可選擇精度等級為 7 級,（5） 計算小齒輪轉矩 1T20(5.1)16105.9nPT??mN05936 ????...定重合度系數(shù) 、?ZY(5.2)?????????21.38zε由公式(5.2)定重合度 =1.88-3.2×（1/32+1/129）=1.755?分別由《機械設計手冊(第 5 版)》中公式得= = =0.865?Z34?75.1=0.25+?Y6.0.20.???（6） 確定載荷系數(shù) 、HKF(5.3)βHαVAK =?1) 使用系數(shù) 由參考文獻[6]表 10-2 查表，取 =1.35A A2) 動載系數(shù) 由參考文獻[6]圖 10-8 可查得， =1.14v v3) 齒向載荷分布系數(shù) ,由參考文獻[6] 圖 10-4 可取 =1.29?K?K4) 齒間載荷分配系數(shù) 、 根據(jù)條件?HF N/m10/6514N/m8025931231 ????..bdT FAtA查參考文獻[6]表 10-3 得 3.8.022???????????zKH=1/ Y =1/0.677=1.48F5) 載荷系數(shù) 、 由公式(5.3)可算得HK623419351.=×..=K=βHαVA?21623419351...KHα???9/8/?F5.1.2 齒面接觸疲勞強度計算（1） 確定許用應力[ ]H?1) 總工作時間： h8052??ht2) 應力循環(huán)次數(shù) N 、N 由參考文獻[6] 公式(10-13)及參考文獻[6]表 10-18 可計1算查得： 81 1027815060????.γnt=h 829.3.47uN3) 壽命系數(shù) 、 1NZ2由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 8.2-17 取 =1 =11NZ24) 接觸疲勞極限 ： 2lim1liH?，由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 8.2-13 取 =630MPa， =490MPa1limH?2limH?5) 安全系數(shù) ： HS參照《機械設計手冊(第 5 版)》照表 8.2-13，取 =1HS6) 許用應力[ ]、[ ]：1H?2由《機械設計手冊(第 5 版)》式(8.2-15)[ ]=1HMPaSZN6301lim???[ ]=2H49li（2） 彈性系數(shù) ：EZ由《機械設計手冊(第 5 版)》表 8.2-11， 取 =190EZMPa22（3） 節(jié)點區(qū)域系數(shù) ：HZ由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 8.2-12，取 =2.5HZ（4） 求所需小齒輪直徑 由《機械設計手冊(第 5 版)》式（8.2-11）1d=??321(2HdEHuTK??????m5.64490.275.0)85.)((96.23 2??符合初估數(shù)值（5） 確定中心距、模數(shù)等主要幾何參數(shù)1) 中心距 a 初算中心距 m9.162)(min10??uda園整取中心距 a =200mm2) 模數(shù) m 由中心距 a 及初選齒數(shù) 、 得1z248.93021????am按標準取 m=2.5mm3) 分度圓直徑 、1d2=m z =2.5×32=80mm1d=m =2.5×129=322.5mm 取為 =320mm2z 2d4) 確定齒寬 取大齒輪齒寬 =b=22mm,小齒輪齒寬 =32mm2b1b5.1.3 齒根抗彎疲勞強度驗算（1）求許用彎曲應力 ??Fσ1) 應力循環(huán)次數(shù) 由以上計算可得1N2807??.F ×.=NF10792232) 壽命系數(shù) 、 取 = =1 1NY21NY23) 極限應力 、 limF?li由圖 9-21 取： =220MPa =170MPa1li 2limF?4) 尺寸系數(shù) 由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 8.2-26，取 =1xY xY5) 安全系數(shù) 參照《機械設計手冊(第 5 版)》表 8.2-13，取 =1.5FS FS6) 許用應力 、 由《機械設計手冊(第 5 版)》式(8.2-20)，許用彎曲應??1?2力：=1F MPa2935.1021lim???FxNSY=??2F?7.2liFx（2）齒形系數(shù) 、 1aY2由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 9-19，?。?=2.51FaY=2.152（3）應力修正系數(shù) 、 1saY2s由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 9-20，取： =1.631saY=1.822s（4）校核齒根抗彎曲疲勞強度 由《機械設計手冊(第 5 版)》式（8.2-17） ，齒根彎曲應力 ??1311 MPa2.367.01.25.80294.2 FsaFFYmbdTK ??? ?????? ??212 Pa863FsaFF σ...σ ??抗彎疲勞強度足夠。5.1.4 齒面靜強度計算24(1) 確定許用接觸應力 ：??maxH?參照《機械設計手冊(第 5 版)》表 8.2-13，取靜強度安全系數(shù) 1.??HS由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 8.2-17，取壽命系數(shù) 621?NZ于是由《機械設計手冊(第 5 版)》式(8.2-21) ，許用接觸應力（大輪較低）?? MPa7164902max ..SZσHNH ????(2) 校核齒面靜強度 根據(jù)過載條件，由《機械設計手冊(第 5 版)》式(8.2-21)，齒面最大接觸應力?? ??max12max P6.58a14.32490HvAHKT ?? ??????齒面靜強度足夠。5.1.5 齒根（抗彎）靜強度驗算（1）確定許用彎曲應力 參照《機械設計手冊(第 5 版)》表 8.2-13，取靜強度安全系數(shù) 6.1??FS由《機械設計手冊(第 5 版)》圖 8.2-25，取壽命系數(shù) 521?NY于是由《機械設計手冊(第 5 版)》式(8.2-22) ，許用彎曲應力?? MPa768a.152931max1 .SYFNF ???????32.72ax2?FF（2）求最大彎曲應力并校核強度 由《機械設計手冊(第 5 版)》式(8.2-22) ，最大彎曲應力 ??max11max1 MP7.451.32.2 FvAFKT???????ax212ax2 9.3.8. FvAF靜強度滿足要求。帶動兩個盤刷的齒輪對稱布置255.2 錐齒輪副的設計計算根據(jù)《機械工程設計手冊》第二版 2-369，材料選擇聚甲醛（均聚） ，參照《機械工程手冊》第 6 卷5.2.1 基礎尺寸確定由小錐齒輪所傳遞轉距為 ,根據(jù)圖 2.4-14 和圖 2.4-15 選擇小齒輪大MN4106??.T端分度圓直徑為 ，取大端模數(shù) 。m601d5.21?Zdme則齒數(shù)：241?Z60.4?i15.60?d軸交角 09??分錐角02118.?Zarctg? 0122