機械部分設計

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)是個多關(guān)節(jié)巨型伸縮

2、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)，清洗機可以準確地對準窗戶。該設備優(yōu)點是自動化程度相對較高。但是，一般建筑在設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

3、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。德國佛拉貨福爾研究所研制了一種名為SIRIUSC的清洗機器人。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“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

4、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)過多款爬壁機器人。輪式負壓機器人的堡壘已經(jīng)被

5、其輕松攻破。該類機器人還設有卷揚機，地面支援小車。柔性設計的密封款式，雖然它對壁面的適應能力遠遠高于其他機構(gòu)，但越障能力卻遠遠差于其他裝置。 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。該機器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動密封負壓吸附裝置，能實現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。香港大學和內(nèi)地大學合作研發(fā)的CLEANBOT-I采用北京航空航天大學的原型，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)盤的設計。1.3 高層建

6、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)境下進行，所以清洗爬壁機器人的總體設計要求是相當苛刻的?？偟脑瓌t為：盡可能低的重量，盡可能低的造價，盡可能高的可靠性，適應性要比較高，滿足于各種墻面，當然，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，導致它必須能夠盡可能地做到結(jié)構(gòu)簡單，方便控制。其次，該機器人要適用于復雜墻面，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，必須要求設計時能夠提出更加更為復雜的設計理念。1.4 高層建筑

7、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，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載的前提下能夠自由的上下的移動，具有較強的越障能力?？刂萍夹g(shù)與可靠性同樣存

8、在著矛盾。控制需要電源線和通訊線，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)與機器人負重的矛盾。設計的安全性，清洗機構(gòu)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計的靈活性和功能的合理性中間找到一個點。在移動的過程中，為了要克服重力并且靈活移

9、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 機械部分設計2.1設計任務根據(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)部分設計2.2.1盤刷設計盤刷具有彈性和剛度，可保證能夠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

10、的。刷子半徑214mm；有毛半徑208mm；刷毛長度50mm。2.2.2滾刷設計滾刷的內(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。設計參數(shù)為: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：- 滾刷穿制直徑（mm）；- 鬃毛螺旋導程（mm）。鬃毛根據(jù)自然膨脹效應會成倒圓錐，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）；- 鬃毛穿制孔直徑(mm)。滾刷邊緣

11、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。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)；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：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0.450.68之間變化，取

12、=0.5；N的結(jié)果與鬃毛變形量有關(guān)，當變形量為5mm時，F(xiàn)=50.25±0.23N；當變形量為10mm時。F=139.64±0.11N。故取N=140N=0.51400.085=6N·m2） 盤刷所需力矩為：式中：-刷毛與壁面摩擦因數(shù)（取0.15）-盤刷半徑所需總轉(zhuǎn)矩為3） 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：額定功率550W轉(zhuǎn)速900r/min平鍵4×20力矩2.2.3盤刷彈簧的選用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）彈簧的設計計算彈簧的工作圈數(shù)（根據(jù)機械設計手冊第三卷）：彈簧絲直徑（

13、根據(jù)機械設計手冊第三卷）：，允許極限負荷下的單圈變形：單圈剛度：彈簧節(jié)距：最大工作載荷：極限工作載荷：彈簧每圈展開長度：計算數(shù)據(jù)如下：名稱公式數(shù)據(jù)（mm）彈簧中徑16.5彈簧內(nèi)徑13彈簧間隙1.7彈簧總展開長度260螺旋角7°彈簧自由高度34.75極限負載彈簧高度26.1彈簧旋向左旋右旋均可2.2.4錐齒輪的設計計算和相關(guān)校核錐齒輪選用直齒錐齒輪，我們設計的相關(guān)參數(shù)：名稱系數(shù)齒形角20°齒頂高系數(shù)=1頂隙系數(shù)=0.2螺旋角=0°周交角90°根據(jù)機械設計手冊（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

14、：錐距為：齒寬系數(shù)取0.3，則齒寬：故取b=24mm。齒頂高：齒高：齒根圓：大端齒頂圓直徑： 齒根角：齒頂角：頂錐角：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計手冊，可以得出傳動等級為8級。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),取計算結(jié)果為：下面校核齒面接觸疲勞強度：1）確定許用應力 該齒輪副接觸疲勞極限為：那么許用應力為：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)，由機械設計手冊可知：3）節(jié)點區(qū)域系數(shù)，由機械設計手冊可知：4) 小齒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: 由以上可知，

15、滿足要求。下面進行齒根抗彎疲勞強度計算：確定許用彎曲應力 1) 壽命系數(shù)2) 安全系數(shù)3) 尺寸系數(shù)4) 極限應力,5ff取5) 許用彎曲應力齒形系數(shù), 1) 分錐角 2) 當量齒數(shù): 3) 由機械設計手冊，取,4) 應力修正系數(shù)由機械設計手冊，取，5) 校核齒根抗彎疲勞強度由機械設計手冊 三式聯(lián)立求得由以上內(nèi)容可知，滿足要求。2.2.5直齒輪副的設計計算和相關(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，預計這齒輪的使用壽命預期壽命五年，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：小齒輪大齒輪材料40Cr調(diào)質(zhì)45鋼調(diào)質(zhì)硬度260HBS23

16、0HBS初選齒數(shù)32取=129齒數(shù)比（×100%=1.7%<4%，允許）齒寬系數(shù)根據(jù)機械設計手冊,d=0.275初估小齒輪直徑齒寬齒輪圓周速度精度等級7級計算小齒輪轉(zhuǎn)矩定重合度系數(shù)、根據(jù)機械設計手冊得=0.865=0.25+下面，確定載荷系數(shù)、 式中：1) 使用系數(shù) 取=1.352) 動載系數(shù) 取=1.143) 齒向載荷分布系數(shù)，取=1.294) 齒間載荷分配系數(shù)、根據(jù)條件得 =1/ Y=1/0.677=1.485) 計算載荷系數(shù) 、為齒面接觸疲勞強度的計算情況如下：（1）確定許用應力1）總工作時間：2）應力循環(huán)次數(shù)N、N，根據(jù)機械設計手冊查得：3）壽命系數(shù)、 由機械設計手冊，

17、取=1 =14）接觸疲勞極限 ： 由機械設計手冊取=630MPa，=490MPa5）安全系數(shù) ： 由機械設計手冊取=16）許用應力、：由機械設計手冊得：=（2）彈性系數(shù)：由機械設計手冊，取=190（3）節(jié)點區(qū)域系數(shù) ：由機械設計手冊，取=2.5（4）求所需小齒輪直徑 由機械設計手冊得：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 =200mm2）模數(shù)m 由中心距a及初選齒數(shù)、得按標準取m=2.5mm3）分度圓直徑、=m z=2.5×32=80mm=m =2.5×129=322.5mm取為=320mm4）確定齒寬 大齒輪齒寬

18、=b=22mm小齒輪齒寬=32mm接下來進行齒根抗彎疲勞強度驗算（1）求許用彎曲應力 小齒輪大齒輪應力循環(huán)次數(shù)壽命系數(shù)= 1 =1極限應力=220MPa=170MPa尺寸系數(shù)=1安全系數(shù) =1.5根據(jù)以上參數(shù)，計算出來的許用彎曲應力：=小齒輪大齒輪齒形系數(shù)=2.5=2.15應力修正系數(shù)=1.63=1.82（4） 由機械設計手冊，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。然后，進行齒面靜強度計算。(1) 確定許用接觸應力：參照機械設計手冊，取靜強度安全系數(shù)，壽命系數(shù)那么接觸應力（大輪較低）(2) 校核齒面靜強度 根據(jù)過載條件，由機械設計手冊，齒面最大接觸應力所以，齒面靜強度足夠。

19、最后，進行齒根（抗彎）靜強度驗算。（1）確定許用彎曲應力 參照機械設計手冊，取靜強度安全系數(shù)，取壽命系數(shù)，那么許用彎曲應力（2）求最大彎曲應力并校核強度 由機械設計手冊，最大彎曲應力為 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，在一般的機械中，V帶的使用是最為廣泛的。（1） 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)機械設計手冊相關(guān)，選擇Z型。（2） 確定帶輪基準直徑小帶輪直徑=50mm大帶輪直徑（3）驗算帶速v（4） 確定V帶長度和中心距初取中心距，基準長度為： （5） 驗算小帶輪包角171.

20、4°>120°（6） 確定V帶根數(shù)z單根V帶試驗條件下許用功率。根據(jù)機械設計課本表4.4，取P0=0.12kW傳遞功率增量，根據(jù)機械設計課本表4.5，取=0.02kW包角系數(shù)Ka，根據(jù)機械設計課本表4.8，我們?nèi)a=1.0；長度系數(shù)KL，根據(jù)機械設計課本表4.3，KL=1.03；=4.19；（7）計算初拉力F0=53.8N（8） 計算壓軸力Q=536.48N2.2.7滾輪間的V帶傳動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。（2） 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)機械設計手冊相關(guān)，選擇H型。模數(shù)m=3，圓弧齒為8M；（3

21、） 小帶輪齒數(shù)z1小帶輪直徑=56.02mm大帶輪直徑（4）驗算帶速v（5） 傳動比i=1大帶輪齒數(shù)z2=iz1：（6） 小輪嚙合齒數(shù)（7）帶寬b*式中：b*-選定型號的的基準寬度。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)果可知滿足要求；（8）剪切應力計算：（9）壓強驗算p:2.2.8水循環(huán)系統(tǒng)設計作為清洗機，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：取一普通尼龍管，其參數(shù)，工

22、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：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-管直徑（m）；v-運動粘度（m²/s）；g-重力加速度（m/s²）。光滑管，當Re，根據(jù)以上公式，結(jié)果為，不難看出，沿程損失如此之大，泵達不到要求，尼龍管

23、壓力也不足。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（）；-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：式中：K-系數(shù)；X-與出口的距離。計算結(jié)果為：32mm遠小于4060mm，所以可以如此使用。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

24、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)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

25、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)對不同墻壁完成清洗工作。2.3提升系統(tǒng)部分設計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： 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

26、卷筒的設計計算（1）卷筒節(jié)徑D卷筒節(jié)徑：。（2） 卷筒容繩寬度，取。（3） 卷筒的邊緣直徑。式中：-最外層鋼絲繩繩心直徑。那么，取。（4） 卷繞層數(shù)S根據(jù)實際經(jīng)驗，選S=4比較合適。（5） 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；卷筒繞繩量解得我們?nèi)〉肧=4層，則。 （6） 卷筒厚度校核壓應力：式中：-鋼絲繩繞出處的壓應力-卷筒壁厚-鋼絲繩軸向卷繞節(jié)距，經(jīng)計算，。彎曲應力：許用應力： =式中：-抗拉強度-根據(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：+-材料的許用應力+=35.58+7.0480.36=由此可見，符合要求。（7） 卷筒側(cè)板厚度，根據(jù)實際生產(chǎn)

27、經(jīng)驗，我們暫取9mm。（8） 卷筒速度卷筒轉(zhuǎn)速為按鋼絲繩轉(zhuǎn)出一圈時計算，即162mm，設卷筒轉(zhuǎn)速為n（r/min）。鋼絲繩提升時，上升速度為0.1m/s。所以，卷筒轉(zhuǎn)速為n為31r/min.（9）允許偏轉(zhuǎn)角D項目數(shù)據(jù)繩槽測標的傾斜角 =20°滑輪工作直徑K滑輪槽深H允許偏角 解得< 4° 6°2.3.3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?？紤]到采用雙卷筒設計，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)設計，我們選擇CW型圓弧圓柱渦輪蝸桿減速器，而且

28、減速器輸入軸可以正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。需要的傳動比。所以我們選擇了一款的CW型減速器，型號為。2.3.4滑輪的設計繩索上需要滑輪來支配和導向，滑輪不僅能夠改變力的方向，還可以平衡繩索分支拉力?；喌闹睆叫枰獫M足Dh×d，（工作級別是M1-M3，h為10），選用可以承載500kg重量的H系列滑輪即可。2.3.5吊鉤的設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)。2.3.6制動器的選擇制動器的作用，可以對運動

29、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.m根據(jù)機械設計手冊，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)機械設計手冊我們?nèi)〉谩ｍ椖繖C械設計手冊相關(guān)參數(shù)滑輪效率=0.985卷筒效率=0.89聯(lián)軸器效率=0.98軸承效率=0.99減速器效率=0.89根據(jù)計算，機構(gòu)總效率=1.1×200×9.8=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

30、：同步轉(zhuǎn)速（）1500750額定功率（kw）2.41.5額定電流（A）5.315.02效率（%）7872功率因數(shù)0.880.63堵轉(zhuǎn)電流/額定電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩1.7最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩1.8聲功率級（Db）82重量（kg）432.3.8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)設計需要，直徑為160mm的腳輪最大負荷值為150kg，符合設計要求。2.3.10傳動零件的選擇及其

31、校核（1） 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·mmT2=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，；減速器輸入軸的間的設計尺寸；鍵槽軸深，；兩個鍵都遠遠地滿足要求。（2） 減速器輸出軸的鍵圓頭平鍵的設計尺寸為，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。（3）

32、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。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°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：通過靜力學平衡方程最后可

33、以求得：=2380N =1587N根據(jù)上方受力圖。彎矩圖如下：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，通過查詢機械設計手冊，可知60.=。所以，我們可以看出，桿臂滿足要求。2.4吸附部分設計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，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：吸附方式優(yōu)點缺點真空吸附式

34、單吸盤結(jié)構(gòu)相對簡單，允許產(chǎn)生泄露面積，即使壁面有凹凸，基本上不用考慮壁面材料的因素吸盤無冗長性，一般斷電后立即喪失吸附能力多吸盤吸盤尺寸相對較小，密封性較好，不受壁面材料限制如果壁面凹凸或有裂縫，實用性小磁吸附式永磁式維持吸附力不需要耗能，安全可靠性高，不受電的影響，吸附力大步行時磁體離合需要較大的力電磁式電磁鐵和壁離合器是比較容易的，吸附力的控制是比較容易的在使用過程中需要持續(xù)供電推力吸附無泄漏，容易越障，對工作表面屬性依賴程度較低震動強，體積過大，效率較低而且技術(shù)還不是很成熟綜上所述，我們選用吸盤，主要從以下兩電進行考慮：（1） 由于機器人所要清洗的墻壁大部分為裝飾材料，很難具有導磁材質(zhì)，

35、真空吸盤比較能滿足要求。（2） 單個吸盤可能在過程中出現(xiàn)失效等狀況，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各種墻壁，在強烈太陽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，

36、當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)。于是在噴嘴出口處便形成了一個負壓。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）；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

37、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符合設計要求，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作用即可伸長和收縮。當氣缸伸出時，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，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

38、力。根據(jù)設計要求，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。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）彈簧的設計計算彈簧絲直徑我們選取D=65.7mm，內(nèi)徑為D1=60.5mm;允許極限負荷下的單圈變形：單圈剛度：彈簧節(jié)距：最大工作載荷：極限工作載荷：彈簧每圈展開長度：計算數(shù)據(jù)如下：名稱公式數(shù)據(jù)（mm）彈簧中徑63.1彈簧內(nèi)徑60.5彈簧間隙30彈簧總展開長度260螺旋角7°彈簧自由高度210極限負載彈簧高度200彈簧旋向左旋右旋均可根據(jù)上圖，我們選擇m

39、isumi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。2.4.6滑動導軌的設計我們所要設計的導軌主要應用于清洗機構(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，預估不會超過20N。（1） 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。（2） 單個滑座受力（3） 導軌壽命（4） 行程長度壽命（5）滑塊額定壽命K-壽命系數(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.

40、81-負荷系數(shù)，中度載荷，取=1.5-精度系數(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氣動部分設計2.5.1氣源的選擇氣源的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法用肉眼判斷出工作狀況，所以我們需要在清

41、洗機上安裝相應的傳感器，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，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)，這些看似細小的細節(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

42、著壁面完成工作。3 控制部分設計3.1控制部分設計控制部分是整個清洗機構(gòu)的核心組成部分。根據(jù)設計理念，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

43、于單片機等其他程序簡單，功能更加強大，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，但是它主要應用于工業(yè)的專用計算機，雖然組成和結(jié)構(gòu)相似，PLC是為工業(yè)應用設計的，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，

44、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。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