机械部分设计

1、1 绪论1.1 高层玻璃幕墙清洗机器人研发意义 随着人口规模的不断扩大，城市高层建筑越来越多。摩天大楼逐渐成为生活中常见的一景。由于玻璃具有采光性好、保温性好、防潮性好等诸多优点，同时，由于彩色玻璃美观大方，所以越来越多的高层建筑选择了用玻璃幕墙。目前，我国大部分玻璃幕墙的清洗都需要依靠“蜘蛛人”来完成，但是，这种高空作业有一定的危险性。因此，需要一个能够代替人力完成清洗任务的机器人。1.2 高层玻璃幕墙清洗机器人研究现状及分析1.2.1国外玻璃幕墙清洗机器人研究现状德国相关公司委托制作的“SKYWAH”是这个星球上第一个能够成功制作出来的清洗机器人。这个庞大的机器人主要结构是个多关节巨型伸缩

2、臂，能够在距离33米的地方完成工作。所有的轴采用抗拉钢材并采用液压驱动，所以结构重量较轻。这一款清洗机器装置安装在四轮驱动的汽车相关底盘上，清洗刷较长，定位精度高。该机器人可以在人的监视下完成清洗工作，动作灵活。与我们一衣带水的邻国日本，他们的机器人公司之一BE公司研制过一款轨道已经固定好的的专门用于擦玻璃的机器人，依据安装在楼顶的轨道和相关的提升系统，清洗机可以准确地对准窗户。该设备优点是自动化程度相对较高。但是，一般建筑在设计之初不会将擦窗系统考虑其中，使该机构适用性大大降低。 德国玛歌堡的费劳恩霍费尔相关的研究所是德意志共和国主要的生产和自动化中心，它们在过去的这些年，曾经较为成功地研究

3、了一系列清洗机器人。该机器人可横向、可纵向，随心所欲完成清洗任务。德国佛拉货福尔研究所研制了一种名为SIRIUSC的清洗机器人。在那些要清洗的相关建筑物上，我们放在了上面一辆跟随及其运动的小车，这辆小车不紧急今年能够起到定位的作用，而且还能对装置起到安全保护的作用。机器人坐竖直运动，左右移动依靠小车来完成。美国航空航天宇航局下属的机器人公司，在上个世纪研制了爬壁机器人“Sky Washer”（用于清洗摩天大楼），它重大约四十斤，该机器人利用两组框架（L型）进行相对滑动，交替吸附来实现机器人的移动。每组框架有三个“脚掌”（每个“脚掌”有两个吸盘）。还有，德意志共和国、西班牙王国、大不列颠及北爱尔

4、兰联合王国、即将举办世界杯和奥运会的巴西、位于马六甲海峡附近的新加坡、深陷战火的以色列、奥地利、澳大利亚、加拿大等国家相继进行了研究。1.2.2 国内玻璃幕墙清洗机器人研究现状或许因为历史上的种种原因，我国在相关产业方面起步较晚，但是发展迅速。在二十时期七十年代中期，日本相关企业来到中国进行科技展览会，川崎公司在中国第一次展出了工业机器人，从此，我国开始了机器人研制的相关研究。上海大学自1988年起，先后进行了玻璃窗清洗机器人以及球形爬壁机器人的研究。前者是那种质量非常大而且还缺少至关重要的清洗系统。后者采用腿足式移动机构，足端为真空吸盘。哈工大研发过多款爬壁机器人。轮式负压机器人的堡垒已经被

5、其轻松攻破。该类机器人还设有卷扬机，地面支援小车。柔性设计的密封款式，虽然它对壁面的适应能力远远高于其他机构，但越障能力却远远差于其他装置。 1996年起，北航在国家“863”计划的资助下，先后研制了“擦玻璃的机器人（灵巧款）”、“天空洁宝”、“吊篮式擦窗机器人”，前三种为十字机构移动机器人。而进入新千年而研发的双车体机器人，但重量小得多，仅为40斤。该机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置，能实现越障和曲面转换功能。香港大学和内地大学合作研发的CLEANBOT-I采用北京航空航天大学的原型，CLEANBOT-II则是采用了仿照坦克的原型。与其它相比，它采用了多个转盘的设计。1.3 高层建

6、筑外墙清洗机发展趋势由于清洗工作需要在墙壁上这种极其特殊的环境下进行，所以清洗爬壁机器人的总体设计要求是相当苛刻的。总的原则为：尽可能低的重量，尽可能低的造价，尽可能高的可靠性，适应性要比较高，满足于各种墙面，当然，较高的清洗效率也是不可缺少的因素。我们从清洗机的工作环境不难看出，发展方向可能有下面几个：首先，要适用于玻璃幕墙清洗，由于其工作条件所限制，导致它必须能够尽可能地做到结构简单，方便控制。其次，该机器人要适用于复杂墙面，如爬楼梯，一个墙壁上有多个窗户的壁面清洗，但是，这样会对其结构，控制，运动方式等其他因素提出更高的要求，必须要求设计时能够提出更加更为复杂的设计理念。1.4 高层建筑

7、外墙清洗机现存问题国内外关于高层爬壁清洗机器人的设计与研究已经有数十年的进程，同时，在各种各样的机器人中，也存在着一些或个性或共性的问题。吸附能力难以满足各种工作面的要求，在现实的清洗过程中，建筑物外墙壁可能是各种各样的材料，材料甚至非常复杂，不仅仅是一个两个材料物质，而且结构上也不是那么简单，或有沟缝，或有凸起，或有凹陷；那么我们必须解决类似于跨越，密封，移动等许多技术难题，否则极大的影响避免清洗机器人的效率。移动的技术性和灵活性相互矛盾，在实际的清洗过程中，我们发现既要保证结构的小型化和较高的效率，还需要在具有一定负载的前提下能够自由的上下的移动，具有较强的越障能力。控制技术与可靠性同样存

8、在着矛盾。控制需要电源线和通讯线，但是这些存在大大影响了机器人的灵活性和控制机器人的工作完整性，而如果去掉机器人电源线和通讯线的话，又会对自己的控制造成不良影响。清洗机构与机器人负重的矛盾。设计的安全性，清洗机构和污水再利用，我们能够识别清洗质量，但是如果机构设计不合理，过高的增添成本，反而会造成一种得不偿失。1.5 高层建筑外墙清洗机课题提出考虑到以上高楼爬壁清洗机器人所包含的那么多问题，我们所设计的清洗机构不仅仅要满足壁面的清洗工作，还要思考一下水源，清洗的刷子，清洗专用液以及相关气动装置。所以我们要努力地在设计的灵活性和功能的合理性中间找到一个点。在移动的过程中，为了要克服重力并且灵活移

9、动，我要尽可能采用轻质材料，尽可能地采取一种方便控制和吸附的移动机构，并尽量利用新型能源材料的开发和无线通讯技术来实现对机器人的自动控制，尽可能是机器人更加智能化、通用化、使其成为一条产业链。2 机械部分设计2.1设计任务根据清洗机器人清洗作业的要求，在完成一列玻璃的清洗后，需要进行提升，因此清洗机器人系统应该包括机器人清洗部分、吸附部分、提升部分、驱动部分和控制系统四大部分。2.2清洗系统部分设计2.2.1盘刷设计盘刷具有弹性和刚度，可保证能够承载一定的压紧力来清洗墙面。只有受了力墙面清晰的才算干净，同时若墙面有障碍物，塑料毛有一定的弹性来完成退让相关障碍物，盘刷与联刷体可通过螺栓来装配衔接

10、的。刷子半径214mm；有毛半径208mm；刷毛长度50mm。2.2.2滚刷设计滚刷的内层筒壁为尼龙，在上面穿制猪鬃，在筒的两侧安装上轴的端部，起到支撑作用并且和V带相联接。滚刷需要通过障碍物需要依靠鬃毛的变形，所以长度不宜过小，根据实际经验，选择60mmm为佳。设计参数为:滚刷宽度刷毛长度鬃毛螺旋穿制可以方便引流，采用一软一硬的猪鬃对称滚筒中心人字形缠绕。选择螺旋升角为15°，则有如下关系：式中：- 滚刷穿制直径（mm）；- 鬃毛螺旋导程（mm）。鬃毛根据自然膨胀效应会成倒圆锥，由经验可知，那么一个尖端的实际直径为：式中：- 鬃毛的长度（mm）；- 鬃毛穿制孔直径(mm)。滚刷边缘

11、与鬃毛束的距离t为：5mm的间隙既能对清洗液完成引流，还能有效地完成清洗壁面的工作。实际穿制滚刷时，选取导程42mm，圈数为：滚刷转速直接影响到清洗速度和效果。为保证清洗机正常运动，需使滚刷转速和移动速度相匹配，使玻璃和滚刷之间产生相对滑动，从而减少磨损。清洗机正常运动速度3m/min，估算转速为：式中：n- 滚刷转速（r/min）；v- 清洗机移动速度（m/s）；k- 刷洗系数；R- 滚刷半径（m）。取k=5：2.2.3电机的选用下面对驱动力矩和功率需求进行计算：1）滚刷所需力矩为：式中：滚刷鬃毛与壁面摩擦因数N- 壁面与滚刷间作用力R- 滚刷半径根据相关经验，在0.450.68之间变化，取

12、=0.5；N的结果与鬃毛变形量有关，当变形量为5mm时，F=50.25±0.23N；当变形量为10mm时。F=139.64±0.11N。故取N=140N=0.51400.085=6N·m2） 盘刷所需力矩为：式中：-刷毛与壁面摩擦因数（取0.15）-盘刷半径所需总转矩为3） 所需功率的计算根据刷洗力矩，我们选择Y2-802-6电机，相关参数如下：额定功率550W转速900r/min平键4×20力矩2.2.3盘刷弹簧的选用1）弹簧的种类：圆柱螺旋压缩弹簧;2) 弹簧的材料：碳素弹簧钢；3）弹簧的设计计算弹簧的工作圈数（根据机械设计手册第三卷）：弹簧丝直径（

13、根据机械设计手册第三卷）：，允许极限负荷下的单圈变形：单圈刚度：弹簧节距：最大工作载荷：极限工作载荷：弹簧每圈展开长度：计算数据如下：名称公式数据（mm）弹簧中径16.5弹簧内径13弹簧间隙1.7弹簧总展开长度260螺旋角7°弹簧自由高度34.75极限负载弹簧高度26.1弹簧旋向左旋右旋均可2.2.4锥齿轮的设计计算和相关校核锥齿轮选用直齿锥齿轮，我们设计的相关参数：名称系数齿形角20°齿顶高系数=1顶隙系数=0.2螺旋角=0°周交角90°根据机械设计手册（第五版）第三卷表14-3-5，选择大端端面模数。小齿轮大端分度圆直径，小齿轮齿数为则齿数：节锥角为

14、：锥距为：齿宽系数取0.3，则齿宽：故取b=24mm。齿顶高：齿高：齿根圆：大端齿顶圆直径： 齿根角：齿顶角：顶锥角：根锥角：冠顶距：确定传动的精度等级初选平均切线速度参考机械设计手册，可以得出传动等级为8级。下面进行载荷系数的确定：式中：-使用系数,取-动载荷系数，取-齿向载荷分布系数,取计算结果为：下面校核齿面接触疲劳强度：1）确定许用应力 该齿轮副接触疲劳极限为：那么许用应力为：式中：-寿命系数,由已知条件取-安全系数,取2）弹性系数，由机械设计手册可知：3）节点区域系数，由机械设计手册可知：4) 小齿轮所需大端分度圆直径： 5）验算速度平均直径： 平均线速度：确定模数m: 由以上可知，

15、满足要求。下面进行齿根抗弯疲劳强度计算：确定许用弯曲应力 1) 寿命系数2) 安全系数3) 尺寸系数4) 极限应力,5ff取5) 许用弯曲应力齿形系数, 1) 分锥角 2) 当量齿数: 3) 由机械设计手册，取,4) 应力修正系数由机械设计手册，取，5) 校核齿根抗弯疲劳强度由机械设计手册 三式联立求得由以上内容可知，满足要求。2.2.5直齿轮副的设计计算和相关校核根据工作要求，小齿轮转速传动比，在齿轮传动的过程中，可以允许有4%的误差，预计这齿轮的使用寿命预期寿命五年，每年按180天计算。工作有轻微冲击，齿轮对称布置。齿轮相关参数为：小齿轮大齿轮材料40Cr调质45钢调质硬度260HBS23

16、0HBS初选齿数32取=129齿数比（×100%=1.7%<4%，允许）齿宽系数根据机械设计手册,d=0.275初估小齿轮直径齿宽齿轮圆周速度精度等级7级计算小齿轮转矩定重合度系数、根据机械设计手册得=0.865=0.25+下面，确定载荷系数、 式中：1) 使用系数 取=1.352) 动载系数 取=1.143) 齿向载荷分布系数，取=1.294) 齿间载荷分配系数、根据条件得 =1/ Y=1/0.677=1.485) 计算载荷系数 、为齿面接触疲劳强度的计算情况如下：（1）确定许用应力1）总工作时间：2）应力循环次数N、N，根据机械设计手册查得：3）寿命系数、 由机械设计手册，

17、取=1 =14）接触疲劳极限 ： 由机械设计手册取=630MPa，=490MPa5）安全系数 ： 由机械设计手册取=16）许用应力、：由机械设计手册得：=（2）弹性系数：由机械设计手册，取=190（3）节点区域系数 ：由机械设计手册，取=2.5（4）求所需小齿轮直径 由机械设计手册得：计算结果，符合初估数值（5）确定中心距以及模数等其他参数：1）中心距a 初算中心距园整取中心距a =200mm2）模数m 由中心距a及初选齿数、得按标准取m=2.5mm3）分度圆直径、=m z=2.5×32=80mm=m =2.5×129=322.5mm取为=320mm4）确定齿宽 大齿轮齿宽

18、=b=22mm小齿轮齿宽=32mm接下来进行齿根抗弯疲劳强度验算（1）求许用弯曲应力 小齿轮大齿轮应力循环次数寿命系数= 1 =1极限应力=220MPa=170MPa尺寸系数=1安全系数 =1.5根据以上参数，计算出来的许用弯曲应力：=小齿轮大齿轮齿形系数=2.5=2.15应力修正系数=1.63=1.82（4） 由机械设计手册，我们可以校核齿根抗弯曲疲劳强度： 所以，抗弯疲劳强度足够。然后，进行齿面静强度计算。(1) 确定许用接触应力：参照机械设计手册，取静强度安全系数，寿命系数那么接触应力（大轮较低）(2) 校核齿面静强度 根据过载条件，由机械设计手册，齿面最大接触应力所以，齿面静强度足够。

19、最后，进行齿根（抗弯）静强度验算。（1）确定许用弯曲应力 参照机械设计手册，取静强度安全系数，取寿命系数，那么许用弯曲应力（2）求最大弯曲应力并校核强度 由机械设计手册，最大弯曲应力为 那么，静强度满足要求。为了保证两个盘刷工作时情况一样，将带动两个盘刷的齿轮对称布置。2.2.6V带传动电机和滚刷之间采用V带传动，在一般的机械中，V带的使用是最为广泛的。（1） 确定V带型号工作情况系数=1.1功率计算V带型号，根据机械设计手册相关，选择Z型。（2） 确定带轮基准直径小带轮直径=50mm大带轮直径（3）验算带速v（4） 确定V带长度和中心距初取中心距，基准长度为： （5） 验算小带轮包角171.

20、4°>120°（6） 确定V带根数z单根V带试验条件下许用功率。根据机械设计课本表4.4，取P0=0.12kW传递功率增量，根据机械设计课本表4.5，取=0.02kW包角系数Ka，根据机械设计课本表4.8，我们取Ka=1.0；长度系数KL，根据机械设计课本表4.3，KL=1.03；=4.19；（7）计算初拉力F0=53.8N（8） 计算压轴力Q=536.48N2.2.7滚轮间的V带传动滚刷和滚刷之间采用V带传动，一般的机械中，V带的使用是最为广泛的。（2） 确定V带型号工作情况系数=1.2功率计算V带型号，根据机械设计手册相关，选择H型。模数m=3，圆弧齿为8M；（3

21、） 小带轮齿数z1小带轮直径=56.02mm大带轮直径（4）验算带速v（5） 传动比i=1大带轮齿数z2=iz1：（6） 小轮啮合齿数（7）带宽b*式中：b*-选定型号的的基准宽度。8M型号的带子为20mm；Fa-单位带宽许用拉力（N/mm），根据机械设计手册，取6N/mm；Fc-Fc=mbv2=1.5×10-3N/mm；KL-圆弧齿带长系数，系数为1。带入结果可知满足要求；（8）剪切应力计算：（9）压强验算p:2.2.8水循环系统设计作为清洗机，如果不存在回收机制，那么对水是一种浪费，同时会对已清洗的壁面，所以最好加入水循环回收机制，下面用计算来说明这点：取一普通尼龙管，其参数，工

22、作压力（）为2.0，最小爆破的压力（）为8.0；清洗基本部分的本体上下移动速度为3m/min，根据实际经验，需求量为4L/。故清洗液用量约为12L/min，水在尼龙管里的平均流速为15.9m/s，雷诺数为：式中：Re-雷诺数；V-流体平均流速（m/s）；d-管直径（m）；v-运动粘度（m²/s）。代入数据，得紊流过程中会造成一定的能量会产生损失，关于这部分的大小，计算公式为：式中：-沿程损失；-沿程阻力系数；d-管直径（m）；v-运动粘度（m²/s）；g-重力加速度（m/s²）。光滑管，当Re，根据以上公式，结果为，不难看出，沿程损失如此之大，泵达不到要求，尼龙管

23、压力也不足。所以，选择自带水和污水处理比较适宜。两个滚刷用水量，12L/min，假设损失率为10%，则消耗的水为1.2L/min，计算沿程损失，紊流，可以计算出，清水泵选择清洗喷水方式采用在滚刷附近的水管上进行穿孔，喷流角度从0°到110°；两个孔之间绝对距离为32mm，出口流速为：式中：-出口流速（）；-水压（Pa）；-水的密度（）；-重力加速度（）；-流速系数，取=0.97。在空气中扩散不十分明显，则喷射流在射流轴半径为：式中：K-系数；X-与出口的距离。计算结果为：32mm远小于4060mm，所以可以如此使用。作为一个系统，我们对于水源的要求是非常高的，如果水资源不回

24、收的话，会对周边环境造成很大的影响，那些遗漏过的水也许会造成对壁面的再次污染，对清洗效率起到反作用。为此我们设计了一套水循环系统，清洗机在工作时采用自带水箱与水循环回收相结合。考虑到清洗机本体质量不能过高，水箱携带水量一定，在清洗过程中沿途的管壁之类的会造成一定的损耗，而且在干燥的环境下，会有少量的水开始蒸发。我们需要屋顶向机器人提供水源。因此，为了能让清洗机更好的完成工作，我们可以采用机器人自带水箱进行清洗。清洗机构采用双滚刷和刮板联合作业，不难看出，想要合理回收污水，我们可以通过刮水板对污水进行回收，污水在重力的作用下，可以进去到水箱内，经过粗过滤网和精致过滤网，进入到了净水箱。根据实际情

25、况和玻璃的清洁程度，可以在污水箱内的隔层加入不同类型和型号的清洗剂，实现对不同墙壁完成清洗工作。2.3提升系统部分设计2.3.1钢丝绳的选择由于清洗机由两根钢丝绳同时牵引，所以，当我们计算总载荷时，每根所承受的最大拉力为66%。钢丝绳的最小直径为： 式中： d钢丝绳最小直径；c选择系数；s钢丝绳的最大工作静拉力。按照 机械设计手册,提升的相关部分的工作级别为A8，则，钢丝绳的公称抗拉强度为。=0.140×=2.78mm根据机械手册，我们可取，选用钢丝绳 12.4GB/T8918。即公称直径为6mm，合成纤维芯的，其公称抗拉强度为，表面为光滑面。右向捻合，所能承受的破断力为。2.3.2

26、卷筒的设计计算（1）卷筒节径D卷筒节径：。（2） 卷筒容绳宽度，取。（3） 卷筒的边缘直径。式中：-最外层钢丝绳绳心直径。那么，取。（4） 卷绕层数S根据实际经验，选S=4比较合适。（5） 卷筒的容绳量L第一层钢丝绳绳心直径；第i层钢丝绳长度；卷筒绕绳量解得我们取得S=4层，则。 （6） 卷筒厚度校核压应力：式中：-钢丝绳绕出处的压应力-卷筒壁厚-钢丝绳轴向卷绕节距，经计算，。弯曲应力：许用应力： =式中：-抗拉强度-根据工作的级别，可取1.4-安全系数，根据工作级别取2.8强度条件为：+-材料的许用应力+=35.58+7.0480.36=由此可见，符合要求。（7） 卷筒侧板厚度，根据实际生产

27、经验，我们暂取9mm。（8） 卷筒速度卷筒转速为按钢丝绳转出一圈时计算，即162mm，设卷筒转速为n（r/min）。钢丝绳提升时，上升速度为0.1m/s。所以，卷筒转速为n为31r/min.（9）允许偏转角D项目数据绳槽测标的倾斜角 =20°滑轮工作直径K滑轮槽深H允许偏角 解得< 4° 6°2.3.3减速器的选择根据提升机构的工作要求，电机轴转速过快而且扭矩小，所以说，我们需要在电机和卷筒之间选择一个减速器。考虑到采用双卷筒设计，我们最好选择一台具有双输出轴的减速器，以保证清洗机在工作过程中两边平稳，根据结构设计，我们选择CW型圆弧圆柱涡轮蜗杆减速器，而且

28、减速器输入轴可以正反两个方向旋转。需要的传动比。所以我们选择了一款的CW型减速器，型号为。2.3.4滑轮的设计绳索上需要滑轮来支配和导向，滑轮不仅能够改变力的方向，还可以平衡绳索分支拉力。滑轮的直径需要满足Dh×d，（工作级别是M1-M3，h为10），选用可以承载500kg重量的H系列滑轮即可。2.3.5吊钩的设计吊钩是用来连接绳索和清洗机的部件，需要满足抗拉强度。根据机械设计手册我们选择铸造、单钩、允许载荷为10KN的吊钩。由于吊钩端不需要过多的传动，所以我们通过钢丝绳通过吊钩的环眼，然后用钢丝绳夹加固，钢丝绳夹的选择与钢丝绳息息相关。2.3.6制动器的选择制动器的作用，可以对运动

29、中的机械进行减速以及停止的一套装置。制动器主要有制夹、操纵装置以及制动件几部分组成。制动力矩；钢丝绳绕卷筒直径：制动力矩=167N.m根据机械设计手册，我们选择制动器，其力矩为，制动轮为，制动瓦退距为，质量为。2.3.7电机的选择估算清洗机构的载荷重量不会超过200kg，清洗剂在上下清洗的过程中，最大静强度拉力为，根据机械设计手册我们取得。项目机械设计手册相关参数滑轮效率=0.985卷筒效率=0.89联轴器效率=0.98轴承效率=0.99减速器效率=0.89根据计算，机构总效率=1.1×200×9.8=2156N上升所需的静功率；清洗时所需静功率经综合考虑，选择型号为的电机

30、：同步转速（）1500750额定功率（kw）2.41.5额定电流（A）5.315.02效率（%）7872功率因数0.880.63堵转电流/额定电流堵转转矩/额定转矩1.7最大转矩/额定转矩1.8声功率级（Db）82重量（kg）432.3.8联轴器的选择本系统的联轴器不仅仅是起到连接作用，而且还需要安装制动装置，所以我们选择LTZ5，公称转矩为125，最大转速为3800，转动惯量为0.0416。2.3.9脚轮的选择提升机底板承载300kg，而清洗机质量大概200kg，每个轮子要承载125kg，根据设计需要，直径为160mm的脚轮最大负荷值为150kg，符合设计要求。2.3.10传动零件的选择及其

31、校核（1） 电机输出轴和减速器输入轴的键两轴用联轴器连接，所以传动功率是一样的，是2.4kw或者1.5kw，转速为n=1500或750r/min，那么我们求得的转矩是：T1=9550000=9550000×=15280 N·mmT2=9550000=9550000×=19100 N·mm接下来我们对圆头平键在传递转矩时的强度进行校核。电机输出轴的键为；键槽轴深，；减速器输入轴的间的设计尺寸；键槽轴深，；两个键都远远地满足要求。（2） 减速器输出轴的键圆头平键的设计尺寸为，由于该键尺寸大于之前校核的键，而其转矩同样低于前者，所以一定能满足使用要求。（3）

32、深沟球轴承寿命计算所选轴承是深沟球轴承（代号为6213），（额定动载荷）=57.2KN, （基本额定静载荷）=40kN。在工作中有两种转速，分别是31r/min和16.5r/min.轴承在工作期间能够受到的比较平稳的径向载荷力，其大小基本上约等于钢丝绳上的力，因此。则轴承的寿命：Lh1=727677h Lh2=1275354h所以轴承的寿命在之间。2.3.11杆臂的设计及其校核杆臂的截面是一个矩形，在中间为了更好的支撑，选用一个为15°的弯曲度，从而作出杆臂的受力图如下：其中Q是钢丝绳通过定滑轮而产生的力，这两个力基本上相同的大小相同，那么，我们可以得到结论：通过静力学平衡方程最后可

33、以求得：=2380N =1587N根据上方受力图。弯矩图如下：不难看出，最大弯矩的值为M=745797。而杆臂的抗弯截面系数W，我们可以通过下面公式求得：W=18000弯曲所需满足的强度条件为=，杆臂的材料是铸钢，通过查询机械设计手册，可知60.=。所以，我们可以看出，杆臂满足要求。2.4吸附部分设计2.4.1吸附方式的选择本机构爬壁机器人吸附装置，想要更好地完成清洗任务，要给清洗剂一个力，让它压在墙面上。我们采用气动技术，气动技术利用空气作为能源，气缸作为执行元件，这样能够很好地完成工作，而一般的吸附方式有三种，采用真空吸附、磁吸附以及推力吸附，其优缺点如下表所示：吸附方式优点缺点真空吸附式

34、单吸盘结构相对简单，允许产生泄露面积，即使壁面有凹凸，基本上不用考虑壁面材料的因素吸盘无冗长性，一般断电后立即丧失吸附能力多吸盘吸盘尺寸相对较小，密封性较好，不受壁面材料限制如果壁面凹凸或有裂缝，实用性小磁吸附式永磁式维持吸附力不需要耗能，安全可靠性高，不受电的影响，吸附力大步行时磁体离合需要较大的力电磁式电磁铁和壁离合器是比较容易的，吸附力的控制是比较容易的在使用过程中需要持续供电推力吸附无泄漏，容易越障，对工作表面属性依赖程度较低震动强，体积过大，效率较低而且技术还不是很成熟综上所述，我们选用吸盘，主要从以下两电进行考虑：（1） 由于机器人所要清洗的墙壁大部分为装饰材料，很难具有导磁材质，

35、真空吸盘比较能满足要求。（2） 单个吸盘可能在过程中出现失效等状况，选择两个吸盘也是基于考虑到机器越障能力和稳定性。2.4.2吸附方式方案2.4.2.1真空吸盘作为真空系统中的十分重要的执行元件，它的工作原理很重要，利用内腔形成负压来完成对建筑物墙壁的吸附，柔软又有弹性的吸盘不损坏表面，那么我们更加倾向于选择波纹状的吸盘，这样的洗盘能够适应各种墙壁，在强烈太阳工作时同样需要较好的耐热性。2.3.2.2真空发生器与真空泵相比，真空发生器结构相对简单，寿命比泵长，体积较小，质量较轻，安装和使用也极其方便，瞬时开关特性良好，没有残余负压。真空发生器有四部分组成，分别是喷嘴，接收器，混合室以及扩散室，

36、当那些被紧缩过的空气通过喷嘴时，在周围形成一个低压区。于是在喷嘴出口处便形成了一个负压。2.4.2.1真空安全阀真空减压阀是保证相同的真空系统，在一个磁盘故障，保证系统真空度不变的情况下，一个真空安全阀使用后，即使有故障或不密封，依然可以保证其他吸盘真空性不会受到正常影响。2.4.3吸附可靠性分析机清洗机构在工作时，每一个洗盘的真空度约为70%，那么我们可以得到如下公式来校核吸盘所产生的吸力是否满足要求。其中：n-吸盘的个数；D-吸盘的有效直径（mm）；p-吸盘的真空度（MPa）；k-安全系数，选取为6；F-吸盘吸力（N）；，之前我们要求产生140N的压力即可，所以四个直径为100mm的吸盘是

37、能够满足要求的。2.4.2.1真空发生器的选择根据实际经验，真空发生器内集成电磁阀，可有想通过通断电来决定是否符合设计要求，便于我们控制，所以，我们选择VUB6型号的真空发生器。真空安全阀就是一种单向溢流阀，安装在吸盘和真空发生器之间，这样当一个吸盘失控时，安全阀可有效阻止空气倒流进入真空发生器内。2.4.4气缸的选择根据清洗机器人的设计思路，我们共需要八条腿，分别与两组八个部分相连接，气缸的主要目的需要两个作用即可伸长和收缩。当气缸伸出时，承受的力主要为爬壁系统支架和轻钢的重量，清洗机主要的力需要提升系统去承担，所以来说，所以说气缸在机器人实际的行走过程中，始终主要受径向力，基本上不承受轴向

38、力。根据设计要求，我们选择最基本的JB尾部单耳式S型气缸，活塞直径和行程都能满足好要求，该气缸终端带有可调节缓冲装置，光滑、密封性好，能有想的啊防止灰尘进入。2.4.5弹簧的校核这里的弹簧指的是圆柱螺旋压缩弹簧，材料为碳素弹簧钢；3）弹簧的设计计算弹簧丝直径我们选取D=65.7mm，内径为D1=60.5mm;允许极限负荷下的单圈变形：单圈刚度：弹簧节距：最大工作载荷：极限工作载荷：弹簧每圈展开长度：计算数据如下：名称公式数据（mm）弹簧中径63.1弹簧内径60.5弹簧间隙30弹簧总展开长度260螺旋角7°弹簧自由高度210极限负载弹簧高度200弹簧旋向左旋右旋均可根据上图，我们选择m

39、isumi公司自己生产的RSWP60即可，其自由长度为210mm。因为我们选择的材料大部分为铝合金材料，重量轻，所以，该弹簧能满足要求。2.4.6滑动导轨的设计我们所要设计的导轨主要应用于清洗机构和吸附支架之间的链接，工作行程为1000mm，移动速度与重力有关，移动载荷包括支架和上面的气缸和吸盘，预估不会超过20N。（1） 作用在滑块上的力根据压力要求，滑块所受总的压力不超过140N。（2） 单个滑座受力（3） 导轨寿命（4） 行程长度寿命（5）滑块额定寿命K-寿命系数，取k=50；-硬度系数，取=1；-温度系数，小于100度时，取=1；-接触系数，由于工作机械速度小于15m/min，取=0.

40、81-负荷系数，中度载荷，取=1.5-精度系数 C级，取=1.5那么计算的动载荷为：我们选择由misumi公司推荐的型号为GA50BA2P2款式，型号为HSR25LA。2.5气动部分设计2.5.1气源的选择气源的主要组成部分由储气罐、后冷却器以及气压发生系统，由于重量很大，所以我们不得不将气源安装在楼顶上，这样通过气管将压缩空气送到清洗机本体上完成工作，对气源的选取和气缸的选取息息相关。给气源选择相关组件，比如消声器和气源处理组件，能够有效地降低噪音和净化需要被压缩的气体。2.5.2限位开关的选择由于清洗机需要在高空中完成工作，所以很多时候地面工作人员无法用肉眼判断出工作状况，所以我们需要在清

41、洗机上安装相应的传感器，以此来清洗机能够自我判断一些情况，类似于工作位置和环境，只有让清洗机构能够完成自我检测任务，这样才能完成良好地互动。限位开关安装在清洗机的顶端，驱动开关的接点引起相关节点的通断电。这样可以有效地对电路中的相关接线发生控制。2.5.3机器人越障机器人在进行壁面清洗过程中在所难免会遇到障碍，比如建筑物表面会遇到材料不平整，窗框之间会产生凸起，里面掺杂着泥土或者纸屑等其他物质，这些看似细小的细节，每一种都会或多或少地给机器人的工作带来危险。每个机构都有四个吸盘，同时都拥有真空安全阀，所以，当最多两个吸盘失效时，其他吸盘能够产生足够的吸附力，因此，能够产生足够的力使机器人能够贴

42、着壁面完成工作。3 控制部分设计3.1控制部分设计控制部分是整个清洗机构的核心组成部分。根据设计理念，最好能够完成自动作业和手动作业两种方式，而且在控制系统上，要尽可能遵循小型化、轻量化、可靠性高和便于维护的相关原则。3.1.1 PLC控制的基本组成可编程控制器在刚一开始的时候，主要被用在控制那些开关量的逻辑控制中。所以，曾称作可编程序逻辑控制器，就是PLC（Programmable Logic Controller）。该控制器是以微处理器作为基础，融合了计算机的科学技术，整合了通信技术，同时把自动控制技术融入其中，从而发展起来的一种自动化控制的装置。它具有很多优点，比如它的体积较小，编程相对

43、于单片机等其他程序简单，功能更加强大，而且可靠性和灵活性较高，维护起来相对方便，功能更加强大；在电力、化工、交通以及冶金方面，能够广泛控制相关应用。PLC是在一般的顺序控制器上，融合了微电子，也将计算机技术放入其中，而自动控制和通信技术也会在构建PLC中发挥作用。PLC整体上就是一个工业控制装置。有效地建立了一套合理的柔性控制系统。PLC和PC虽然只有一字之差，但是它主要应用于工业的专用计算机，虽然组成和结构相似，PLC是为工业应用设计的，方便于控制和维护，提高系统的抗干扰能力，这样可以更好地去完成接线、扩充。3.1.2 PLC的硬件组成根据PLC所处环境和使用情况，分为箱体式以及模块式两种，

44、但是在真正的实际的操作中，它们两个基本上是没有差别的，都有常用模块；所有电路都装在同一个模块内，构成系统。按照CPU性能分为若干类型，并按照I/O点数分为若干类型规格。而模块式PLC还有底板和机架，模块拼装成一个整齐的长方体型，无论是哪种类型，I/O接口可以按照用户的需求而进行拓展。3.1.3 PLC软件基础PLC的编程软件的语言和其他的计算机语言相比，但是PLC编程出来的语言具有明显的特点，在缩写和调试上有更大的优势。同时，采用梯形图可以进行编程，简单易懂同时便于记忆和实验。PLC内部的编程，还能支持该机型编程语言。按照通俗的叫法可以分为继电器、计时器以及计数器等等，虽然他们能够实现真实元件的部分功能，但是和真实元件相比起来却存在很大差异，所以我们称为“软继电器”。而起没有机械磨损，电腐蚀等问题，关键的是他也没有数量限制。在存储和其他方面，可以选择记忆它也可以选择不去记忆它，同时也可以实现脉冲数字元件的功能。梯形图编程语言，也就是我们常常所说的梯形图。在电器控制系统中都会简化成为符号。这样的话会变得形象更加直观，实用性更加强。电器技术人员更加容易接受这种电路图。梯形图编程