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高楼清洗机机电系统设计摘要近年来，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；IABSTRACTInrecentyears,withthedevelopmentofsociety,moreandmorefloors,withglasscurtainwallbuildingmoreandmoretoavoidcleaningaveryimportantissue,mostofthetraditionalwayofartificial,oracablefromthetopofthebuildingwillbeusedundertheroboticcrane,lowefficiency,high-risk,thencleanedwithawall-climbingrobotcameintobeing,thistaskistodesignawalkontheadsorptiontothewallclimbingrobotforcleaning.Thispaperbrieflywall-climbingrobotbasedontheresearchstatus,basedon2Dsoftware,CADzfour-wheelvacuumonwallclimbingrobotbodybodiesweredesigned,carriedoutonsomekeysatisfiedwiththedesigncalculationandcheckingterms,focusingonthemobileclimbingrobotstructure,adsorptionstructureanddrivesystemdesignandcalculation.Thisdesignedwall-climbingrobotcarwithfour-wheel-typeshapeofthestructure,simpleStructurejBypressureadsorptionzrobotusingthepressuregeneratedbythepropelleronthecompressedairpressureinthesurfacezavoidingtheclearlimitationsoftherobotonthewallzreducingthedifficultyofcontrol;Washingmachineissuspendedbyaservosystem,cleaninghostandconsistsofcomputercontrolsystem;Thecleaningoftheunmanned,automaticcleaning,automaticwatersupplyforautomaticwashingliquid,singlechipcontrolsystem,operatingonlythroughthekeyboardtomanipulatetheworkofthewashingmachineinthecleaningprocess,thewashingmachinetoautomaticedgerecognition,accordingtothebuildingfloorwashforverticalorhorizontalwash;Rear-wheeldrive,amotortodrivethetworearwheels,rearwheeldrivethefrontwheelstocompletetherobottowalkzuseofthespurgeartransmissiondeviceasreducer;Roofsupply;robotwalkastraightlinecanbehorizontalorverticalsurface.Thehigherthecleaningefficiencyofthemachineagoodcleaningeffect.Keywords:CleaningRobot;ReducerDesign;PressureAdsorptionMode;MCUControl;Gearmechanism;Motorcontrol;Scrub;目录摘要(I)Abstract(11)第1章绪论Q)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Q8)5.1.1 齿轮的设计计算及强度校核Q8)5.1.2 齿面接触疲劳强度计算(20)1.1.1 根抗弯疲劳强度验算(21)1.1.4 齿面静强度计算(22)1.1.5 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)任务书MicrosoftWord9.122KB电气原理图-AOAutoCAD图形312KB高楼清洗机机电系统设计MicrosoftWord9.曲力升题报告IMicrosoftWord9,三Ib5KB箱盖一箱体-AOAutoCAD图形411KB零件图合集八张-AoAutoCAD图形203KB高楼清洗机机电系统设计WxnRAR压缩文件画金糖。SoftWord9.44KB设计说明书(论文)MicrosoftWord9.950KB明细表A3AutoCAD图形319KB装配图-AOAutoCAD图形573KB第1章绪论6.8 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。6.9 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。6.9.1 国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SKYWAH（清洗巨人），如图1.1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1.2m,定位精度为50mm,滚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BE公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1.1SKYWAH图1.2IPA自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（IPA）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1.2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FraUnhOfer研究所研制了一种名为SIRIUSC壁面清洗机器人。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nSkyWaSher”,它重19.95kg,约0.9×0.9m,该机器人的移动由两组1.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4645m2,并可越5cm高、25cm宽的障碍。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。6.9.2 国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，足端为带有裙边的钱接式真空吸盘，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。止匕外，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1.3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1.3轮式负压遥控机器人图1.4C1.EANBoT-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WASHMAn、CleanbotixSKYC1.Ean、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Cleanbot-I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1.4所示。之后北航又推出蓝天洁士I、口、HI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20kgo该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。CleanbOt-I采用北航机器人原型,CIeanbot-Il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。13高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，目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。1.4课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。第2章清洗机器人总体方案设计2.1 对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。2.1.1楼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2.1:2.1.2楼顶的实际考察几种典型建筑物楼顶结构如图2.2:
