1、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 08-12 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲师 二一二年六月本科生毕业设计The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Mechanical and Electrical System of the Washing MachineCandidate：Specialty：Mechanical Design and ManufacturingBy pressure adsorption,robot using the pre
2、ssure 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
3、, 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
4、 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 clea
5、ning efficiency of the machine a good cleaning effect.Key words: Cleaning Robot；Reducer Design；Pressure Adsorption Mode；MCU Control；Gear mechanism；Motor control ；Scrub；本科生毕业设计目 录摘要Abstract 第 1 章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 课题研究现状及分析11.2.1 国外壁面清洗机器人研究现状11.2.2 国内壁面清洗机器人研究现状21.3 高层建筑外墙清洗机发展趋势41.4 课题的研究设想4第 2
6、 章 清洗机器人总体方案设计52.1 对楼顶楼面的实际考察52.1.1 楼面结构考察52.1.2 楼顶的实际考察52.2 清洗机器人的总体方案62.3 清洗机器人清洗系统方案72.4 清洗机器人爬壁系统方案82.5 清洗机器人控制系统方案82.5.1 设计的基本原则82.5.2 可供选择的设计方案82.5.3 方案的分析82.6 其它部分方案92.6.1 材料选择92.6.2 轮的润滑问题92.6.3 轴承的润滑问题92.7 本章小结9第 3 章 清洗机器人清洗系统设计103.1 清洗机器刷洗部分设计103.1.1 盘刷设计103.1.2 滚刷设计11本科生毕业设计3.1.3 刷洗部分所用弹簧
7、的设计113.2 内空心轴设计123.3 清洗机主机滚轮的设计计算133.4 主机上传感器及行程开关的选择133.5 复合缆的结构设计143.6 本章小结14第 4 章 清洗机器人风压系统设计154.1 采用风压的意义154.2 基本原理154.3 气动计算的原始数据与技术要求154.4 风压部分力学计算164.5 本章小结16第 5 章 清洗机器人主要零件设计185.1 直齿轮副的设计计算185.1.1 齿轮的设计计算及强度校核185.1.2 齿面接触疲劳强度计算205.1.3 齿根抗弯疲劳强度验算215.1.4 齿面静强度计算225.1.5 齿根（抗弯）静强度验算235.2 锥齿轮副的设计
8、计算245.2.1 基础尺寸确定245.2.2 确定载荷系数 K255.2.3 齿面接触疲劳强度计算255.2.4 齿根抗弯疲劳强度计算265.3 本章小结26第 6 章 清洗机器人控制系统设计286.1 控制部分的基本组成286.2 控制部分工作原理296.3 驱动部分工作原理306.4 控制软件的实现306.4.1 主机+POD 组合306.4.2 双平台31本科生毕业设计6.5 软件的结构316.5.1 软件的主体结构316.5.2 软件功能模块的划分316.6 控制系统软件程序的实现326.6.1 伺服悬吊系统部分326.6.2 清洗机主机部分326.7 本章小结33结论34参考文献
9、35致谢37附录38本科生毕业设计1第 1 章 绪 论1.1 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
10、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。1.2 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。1.2.1 国外壁面清洗
11、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，本科生毕业设计2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
12、，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 1.1 SKYWAH 图 1.2 IPA 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
13、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“Sky Washer”,它重 19.95kg，约 0.90.9m，该机器人的移动由两组 L 型框架相
14、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。本科生毕业设计3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。1.2.2 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
15、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
16、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 1.4 CLEANBOT-北
17、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、CLEANBOT、SKYCLEAN、“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。前三种均为全自动本科生毕业设计4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-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、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 20kg。该机器人本体结构采
18、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-采用北航机器人原型，Cleanbot- 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。1.3 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
19、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。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
20、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。本科生毕业设计5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
21、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：直 角 面 +圆 弧 面 圆 弧 面 +直 角 面 斜 面图 2.1 楼面结构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：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 2.2 楼顶结构2.2 清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、
22、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
23、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
24、机驱动，以实现前后移动，而转向通过箱体的转动实现。本科生毕业设计72.3 清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 2.3：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 45 毫米的缝隙，密封不可靠。图 2.3 结构一 图 2.4 结构二第二种：结构简图如图 2.4：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
25、如图 2.5：图 2.5 结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。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
26、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。2.4 清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
27、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。2.5 清洗机器人控制系统方案2.5.1 设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。2.5.2 可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
28、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。2.5.3 方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
29、，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。2.6 其它部分方案2.6.1 材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
30、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P.244。本机的各个传动轴均采用硬质合金 LY11。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。2.6.2 轮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）2-369，其工作要求少润滑或无润滑， 。故不考虑齿轮的润滑问题。2.6.3 轴承的润滑问题大空心轴的转速较低为 400r/min,鼓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
31、备设计手册P.582。2.7 本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。本科生毕业设计10第 3 章 清洗机器人清洗系统设计3.1 清洗机器刷洗部分设计按照任务书设计要求：清洗速度 0.2m2/s。3.1.1 盘刷设计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
32、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 3.1：图 3.1 联刷体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：2.5mm间距：5mm孔深：10 mm本科生
33、毕业设计11每孔刷毛密度：五根滚刷原理与上面相同3.1.2 滚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 3.2：图 3.2 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。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 0.10.2，取 =0.15对盘刷求积分转矩为
34、 : m31502.F1) 洗力矩：盘刷： N241. rM两个刷子的转矩： m81.T滚刷： 0345.7206所需总的刷洗力矩： N298421 M2) 初定盘刷转速：360r/min根据刷洗力矩，型号为 Y2-802-6，额定功率 550W,转速 900r/min,平键 420，保持转矩为 9.8N.m(查 GBM)3.1.3 刷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;本科生毕业设计122) 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 5.611N2根据机械设计手册取弹簧丝直径： ，m3D允许极限负荷下的单圈变形：
35、7.3F单圈刚度： kg/m3.1P弹簧节距： 25T最大工作载荷： 46极限工作载荷： kg73.P弹簧每圈展开长度： m52L3计算数据弹簧中径： m5163202 .dD弹簧内径： 1.弹簧间隙： m71532dt弹簧总展开长度： 601nL螺旋角： 7弹簧自由高度： m75341.d)(nH允许极限负载时弹簧高度： 126833 F弹簧旋向：左旋右旋均可本科生毕业设计133.2 内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 3.3：图 3.3 空心轴工作时清洗液从
36、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。3.3 清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3.4：图 3.4 清洗机主机滚轮结构图3.4 主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
37、术,选用德国 TURCK 公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、周本科生毕业设计14围环境无关，具有开关量和模拟量两种输出，有利于控制。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：LX32-SS , 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。3.5 复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
38、 3.5：图 3.5 复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：GB1102-74所选钢丝绳的破断拉力应满足下面的条件：(3.1)绳绳 N/SMAX钢丝绳破断拉力（公斤）绳S钢丝绳工作时承受的最大静拉力（公斤）MAX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。绳N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
39、 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(3.1)： 58274031N/SMAX./绳绳所以选用的钢丝绳强度足够。3.6 本章小结本章确定了刷洗部件(盘刷、洗刷)的尺寸及其他部件的设计，应用双刷系统，有本科生毕业设计15利于对水的利用效率。本科生毕业设计16第 4 章 清洗机器人风压系统设计4.1 采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。4.2 基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
40、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
41、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。4.3 气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=9451080540-2408033527=377460000mm3=0.377m3螺旋桨初定选用参数：1. 螺旋桨直径 D 的选择：D 约为 1000mm.2. 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 2.2103W，额定电压为 380V，转速为 780r/min3. 电机轴与螺旋桨直接用键和轴连接，轮毂和电机轴
42、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。本科生毕业设计174. 被压缩气体进口条件下的容积效率为 v =10%流量 /min08314078530149. /Q进口气体参数为：P 0=1.01105Pa；T 1=293K； C1=0.22m/s技术要求为：1.高效率；2.尺寸小，重量轻；3.变工况特性好；4.使用寿命要求在 8000 小时以上；5.结构合理，运行安全可靠。4.4 风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
43、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。假设有 1/10V 的气体被抽出腔体，由气体连续性方程：(4.1) VP2110/ 2N415031 6521 /SP/)-(PF气体进口即进入导流器时的速度为：(4.2)m/s97103140861 .)./(.VQ-忽略中间的损失，由气体连续方程公式(4.1)可得：(4.3)2211 RR/s63180309722 ./. 2 即为气体进入风扇的进口速度。气体质量流率为： kg/s1075290834 .Q-1 小时内的气体质量为 861754m本科生毕业设计18电机功率为 2.2kW由动能定理可得：(4.4)21mEk75032/s89气体出口处与大气相通，速度一般为 10-15m/s,取 /s12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，即：(4.5)12mF783240cos58915922/3.NF320所产生的总的压力为： .5.403541估4.5 本章小结本章确定了风压系
