光伏板智能清扫机器人结构设计

摘要光伏板智能清扫机器人的市场前景很好，特别是在中国，市场增长速度预计将超过全球平均水平。随着技术的不断创新和市场需求的增长，这一行业预计将继续保持增长势头。本研究分析了现有光伏板清扫技术的限制，如手动清扫的劳动强度大、成本高，以及传统清扫设备的适应性不强、效率低下等问题。根据对不同清扫方式的分析对比，选择清扫机器人的设计方案。对光伏板智能清扫机器人的整体结构进行了设计，重点对移动装置、清扫装置进行设计，移动装置采用高效的驱动系统确保机器人能够平稳、准确地移动到指定位置。清扫装置则采用了可调节的滚刷进行清扫工作，可满足不同适应类型、不同污染程度的光伏板清扫需求，最后，通过设计方案，进行各零部件的设计以及选材，确保清扫机器人的正常工作。本研究还对智能清扫机器人的能源管理进行了优化设计，使其能够在不依赖外部电源的情况下长时间工作，提高了清扫作业的连续性和可靠性。通过校核验证，设计成果满足光伏板清洁使用环境需求。关键词：光伏板清扫；清扫机器人；结构设计；AbstractThemarketprospectsforphotovoltaicpanelintelligentcleaningrobotsareverypromising,especiallyinChina,wherethemarketgrowthrateisexpectedtoexceedtheglobalaverage.Withthecontinuousinnovationoftechnologyandthegrowthofmarketdemand,thisindustryisexpectedtocontinuetomaintaingrowthmomentum.Secondly,theoverallstructureofthephotovoltaicpanelintelligentcleaningrobotisdesigned,focusingonthedesignofthemobiledeviceandcleaningdevice.Themobiledeviceusesanefficientdrivesystemtoensurethattherobotcanmovesmoothlyandaccuratelytothedesignatedposition.Thecleaningdeviceadoptsadjustablerollingbrushforcleaningwork,whichcanmeettheneedsofphotovoltaicpanelcleaningwithdifferentadaptationtypesanddifferentpollutionlevels.Finally,throughthedesignscheme,thedesignandmaterialselectionofallpartsareconductedtoensurethenormalworkofthecleaningrobot.Inaddition,thisstudyalsooptimizedtheenergymanagementofintelligentcleaningrobots,enablingthemtoworkforlongperiodsoftimewithoutrelyingonexternalpowersources,improvingthecontinuityandreliabilityofcleaningoperations.Throughverification,thedesignresultsmeettherequirementsofcleanusageenvironmentforphotovoltaicpanels.Keywords:Cleaningofphotovoltaicpanels；Intelligentcleaningrobot；Structuraldesign；

目录4417第一章绪论 554101.1研究背景 592711.2国内外研究现状 651151.3研究意义 7261341.4本文内容 925153第二章机器人的总体设计方案 10210452.1清扫机器人设计需求与主要工作参数 10131322.2产品环境 11116712.3总体设计方案 11254922.4本章小结 1211829第三章清扫机器人组件结构设计 12140713.1清扫装置结构设计 1260013.2行走装置结构设计 13101633.3机座的结构设计 14153713.4限位轮结构设计 15248603.5控制装置设计 15305473.6电池模块设计 17249253.7本章小结 199821第四章传动方案及驱动电机设计选取 19292984.1减速器方案设计 1940054.2驱动电机选型及选取 20316574.2.1电机选型 20217524.2.2电动机功率要求 21308254.3驱动电机的确定 21106654.4本章小结 221566第五章清扫机器人主要零件设计及校核 2359705.1主轴系设计 23190525.1.1装置传输方案 23116965.1.2确定主轴材料和尺寸 23153875.1.3主轴直径及强度校核 2477785.2轴承选取及校核 24277475.3联轴器的选取 2629585.4齿轮设计 2670305.4.1减速器齿轮应力校核 27186135.4.2减速器齿轮弯曲强度校核 28313575.5本章小结 2920068第六章总结 3129887参考文献 31556致谢 32

第一章绪论1.1研究背景随着全球对清洁能源的需求不断增长，光伏发电作为重要的可再生能源，正迎来快速发展的黄金时期。据国际能源署预测，到2050年，光伏发电将占全球电力供应的16%，成为仅次于火力发电的第二大电力来源。光伏产业的蓬勃发展，带动了光伏板安装数量的快速增长，同时也对光伏板清洁提出了更高的要求。然而，在实际运行过程中，光伏板长期暴露在户外，光伏板的表面常常会受到灰尘、鸟粪、落叶等杂物的污染，这些污染物不仅会降低光伏板的透光性，影响其发电效率，还可能引发局部过热、损坏光伏板等问题。研究表明，光伏板的表面每增加10g/m²的灰尘，发电量将降低2%-5%。因此，定期清洁光伏板对提高发电量具有重要意义REF_Ref28383\r\h[1]。如图1-1所示，根据太阳能发电厂的具体位置，在农业地区，污染物由有机花粉、鸟粪、树叶、土壤等组成回。在城市，污染物主要由汽车尾气产生的碳组成，而在如阿拉伯半岛、中亚、北非、南非、中国西部和东部、北美和南美等沙漠地区污染物主要由矿物（沙子、石英、二氧化硅等）组成。图1-1光伏板表面污染物图为了维护光伏板的性能和使用寿命，定期的对其进行清洁和维护至关重要。传统的光伏板清洁方法主要依靠人工定期清扫或使用简单的机械装置进行清洁。然而，这些方法存在效率低下、成本高昂、难以适应复杂环境等问题。特别是在大规模的光伏板阵列中，这些问题更为突出。人工清洁不仅需要大量的人力和时间，而且在某些情况下还可能存在安全隐患。而简单的机械装置虽然可以在一定程度上减轻人工负担，但是其清洁效果并不理想，且难以应对各种复杂的环境条件。因此，开发一种能够自主工作、适应性强、清洁效率高的光伏板智能清扫机器人成为了业界的研究热点REF_Ref28429\r\h[2]。近年来，随着人工智能、机器学习、机器视觉等技术的飞速发展，为光伏板智能清扫机器人的研发提供了强有力的技术支持。通过集成这些先进技术，机器人能够实现对光伏板表面污染物的智能识别、精确定位和高效清除，从而提高光伏板的发电效率。光伏发电系统通常占地面积较大，人工清扫工作量大、效率低、成本高。而光伏板智能清扫机器人可以自动进行清扫工作，节省人力成本，降低运维成本。光伏板在长期使用过程中，表面污渍的积累会导致光伏板局部发热，进而影响光伏板的使用寿命。智能清扫机器人可以及时清除光伏板表面的污渍，降低局部发热的风险，提高光伏板的使用寿命。随着我国环保政策的不断加强，光伏发电作为一种清洁能源得到了广泛的应用。光伏板智能清扫机器人可以减少化学清洁剂的使用，降低对环境的污染REF_Ref28461\r\h[3]。综上所述，光伏板智能清扫机器人的研究背景主要包括提高光伏发电效率、降低运维成本、提高光伏板使用寿命、环保需求和技术创新等方面。随着光伏产业的不断发展，光伏板智能清扫机器人具有广泛的应用前景。随着可再生能源的需求日益增长，太阳能发电已成为全球能源结构转型的关键组成部分。光伏板作为太阳能发电系统的核心组件，其维护和清洁对于保证系统的高效运行至关重要。然而，传统的手动清扫方法不仅劳动强度大、成本高，而且可能对光伏板造成损伤，影响其性能和寿命。因此，开发一种自动、高效且安全的光伏板清洁和维护方案变得尤为迫切。1.2国内外研究现状在国外，光伏产业相对成熟，光伏板清扫机器人的研发和应用较早。美国、欧洲、日本等发达国家在这一领域的研究相对领先。一些国外企业如美国的Ecoppia、以色列的CleanRobotics等已成功研发出光伏板清扫机器人产品，并应用于商业化光伏发电项目中。国外相关研究更加注重机器人的智能化、自主化，并采用了一些前沿技术，如视觉SLAM、深度学习等。此外，国外企业更加注重产品的商业化应用，与光伏发电企业合作，推进光伏板清扫机器人的产业化进程。国外光伏板清扫机器人的研究更加注重智能化和自主化，通过采用前沿技术如视觉SLAM、深度学习等，提高机器人的识别和清扫能力。此外，国外企业注重产品的商业化应用，与光伏发电企业合作，推进光伏板清扫机器人的产业化进程。这些举措有助于推动光伏板清扫机器人的发展，提高光伏发电系统的运行效率和可靠性REF_Ref28569\r\h[4]。在中国，光伏产业的快速发展带动了光伏板清洁技术的需求。目前，中国高校、科研机构和企业已开始关注光伏板智能清扫机器人的研究。例如，清华大学、上海交通大学等高校有相关研究项目。同时，一些企业如华为、阳光电源等也正在研发光伏板清扫机器人。国内相关研究取得了一些初步成果，部分产品已进入市场。然而，整体技术水平与国外先进产品相比仍有一定差距。国内研究主要集中在机器人的清洁机构设计、运动控制、路径规划等方面，而在视觉识别、深度学习等智能化技术方面相对滞后。中国光伏板智能清扫机器人的研究仍处于起步阶段。尽管有一些企业和科研机构在积极研发，但产品性能、稳定性和智能化程度与国外先进产品相比仍有差距REF_Ref28618\r\h[5]。此外，光伏板清扫机器人的应用场景复杂，需要适应不同的环境条件，这对机器人的研发提出了更高的要求。中国光伏板智能清扫机器人的发展仍面临许多挑战，包括技术研发、产业化进程、市场推广等方面。光伏板智能清扫机器人在国内外的研究现状表明，中国在这一领域仍处于起步阶段，而国外已经形成较为成熟的产品和技术。中国光伏板智能清扫机器人的发展仍面临许多挑战，包括技术研发、产业化进程、市场推广等方面。中国需要加大研发力度，提高技术水平，以推动光伏板清扫机器人的产业化发展。同时，国内外企业可以加强合作，共享技术和经验，共同推动光伏板清扫机器人技术的发展REF_Ref28778\r\h[6]。随着光伏产业的持续发展，光伏板智能清扫机器人将迎来更大的发展机遇。1.3研究意义根据目前的市场调研数据，光伏板智能清扫机器人在全球和中国市场都显示出显著的增长潜力。全球市场方面，据恒州诚思（YH）的研究统计，2022年全球光伏板清扫机器人市场的规模约为数十亿元，预计到2029年市场规模将显著增长REF_Ref28866\r\h[7]REF_Ref28873\r\h[8]。中国市场方面，中国作为光伏板清扫机器人市场的重要部分，其市场规模在2018-2022年间展现了稳定的增长态势。2022年，中国光伏面板清洁机器人行业市场规模为17.28亿元，同比增长29.92%。随着技术的不断创新和进步，光伏板清洁机器人将会更加高效、智能，为全球光伏发电领域的发展贡献更大的力量。随着光伏发电的普及，光伏板清洁机器人的市场需求将不断增长。未来，随着国内企业产品开发速度的加快和新技术、产业政策的推动，中国光伏板清扫机器人市场将迎来更多发展机遇。在可再生能源领域中，太阳能发电作为一种清洁、可持续的能源方式受到了广泛关注。然而，光伏板表面的灰尘和污染物会显著降低其发电效率。为了解决这一问题，本文提出了一种基于光伏板的智能清扫机器人结构设计。该设计旨在通过自动化清扫过程，提高光伏板的维护效率和发电性能。这些数据表明，光伏板智能清扫机器人的市场前景很好，特别是在中国，市场增长速度预计将超过全球平均水平。随着技术的不断创新和市场需求的增长，这一行业预计将继续保持增长势头REF_Ref28912\r\h[9]。综上所述，光伏板智能清扫机器人的研究具有重要意义，不仅市场前景很好，同时在提高光伏发电系统的发电效率、降低清洁成本、提高清洁质量、提高清洁安全性、提高清洁效率、提高光伏电站的智能化水平、促进光伏产业的发展以及提高光伏电站的运行可靠性等方面也有着明显的效果。因此，光伏板智能清扫机器人的研究具有重要的实际应用价值和市场前景。目前已有人工清洁、高压水枪清洁、车载设备清洁和机器人清洁等许多清洁方法。（1）人工清洁人工清洁光伏板（图1-2）是目前主要的清洁方式之一，然而，这种方式存在清洁质量不稳定，效率低，人工费贵，清洗周期长，而且很多光伏组件安装环境危险存在安全隐患，此外，人工清理时无法很好的控制清洗力度，可能导致光伏板的隐患，因此并不适合于大规模的光伏电站清洁。图1-2人工清洁（2）车载设备清洁车载设备清洗是采用图（1-3）中的专业的清扫设备和清扫剂对光伏板进行清洗，可以确保零部件正常运作，不受杂质或污垢的影响，保持良好的性能，表现这种方式具有清洗效率高，清洗质量高和清洗范围广等优点适合大规模应用，缺点是定期清洁车载设备需要投入大量时间和劳动成本，特别是对于大型车辆或复杂的设备，可能需要较多的时间和人力。为了清洁更彻底，可能需要使用化学品，但某些化学品可能对环境造成污染，需要谨慎使用和处理，车载设备只能适用于开阔的场地，对光伏板的地形和排布方式有较高要求，而且设备需人工清洁，难以实现全自动清洁。图1-3车载设备清洁系统光伏板清扫机器人和自动系统也是光伏板清扫的理想解决方案，相比于其他清扫方式，能够自动清扫太阳能电池板表面，无需人工操作。这减少了人工清扫所需的时间和成本。可以提高太阳能系统的效率，机器人可以根据预定的计划自动执行清扫任务，确保光伏板表面始终保持清洁，最大程度地吸收太阳能。可以延长光伏板的寿命并降低性能下降的风险。机器人采用柔和的清洁方式，避免损坏光伏板表面。可以减少人力资源的需求。这使得太阳能发电系统的维护更加经济高效。可以适应不同类型和尺寸的太阳能电池板布局，从屋顶安装到大型地面太阳能电站。配备了智能化技术，如自主导航系统、避障传感器和远程监控功能，提高了操作的便利性和安全性。1.4本文内容通过收集数据和查阅相关文献，收集市场上现有分全自动智能清扫机构的结构原理和功能，分析各种智能清扫机构的特点和优缺点，进一步了解了设备控制、结构设计等相关专业，分析光伏板智能清扫机器人的工作原理，对整个结构进行设计分析，其主要有：整体设计方案、组件结构设计、传动设计方案以及驱动系统设计，再根据对清扫机器人的设计方案、进行各零部件设计，材料以及选型的确定。完成零件图的绘制，预期完成清扫机器人的整体设计、并对关键部件进行校核满足使用要求。机器人的总体设计方案2.1清扫机器人设计需求与主要工作参数根据机器人的实际工作场景，对设计的光伏板清扫机器人提出以下要求：移动要求：可沿着具有一定倾斜度的光伏板自动行走，自动驱动，行走时能够按固定轨迹，与光伏板轴线平行进行行走，避免滑动或倾斜的情况发生，具有限位轮等装置，清扫工作时，不会导致位置错位，以确保清扫效果。清扫要求：机器人需要拥有完美地清扫光伏发电板表面，以保障光伏板发电效率最大化。稳定、耐用，可实现自动清扫，自动化控制，控制稳定。清扫装置应选择软质毛刷并具有一定韧性，既能够清扫除去灰尘等杂物，又不会对光伏板、光伏玻璃造成伤害。为了节约水资源，提高除尘效率并降低成本，应考虑无水除尘技术。轻量化要求：机器人的移动时，为保证稳定性和避免对光伏板造成损害，机器人需尽可能地轻量化。此外，轻量化还可以提高机器人的行走效率以及灵活性。经济性要求：考虑整个机器人的生命周期成本，维护、和更新换代等方面尽量降低成本，确保机器人的投资回报率。此外，机器人应具有较低的能源消耗和人工操作，以降低运营成本。光伏发电站通常由多组光伏排列排成一个矩形阵列组成，如图2-1所示；一般来说，光伏板没有标准尺寸。在我国，光伏电站的光伏板相对于地面的安装斜率从几乎水平到20°不等，每个光伏板之间的距离约为10毫米。图2-1光伏电站光伏板布置除以上设计要求外，设计机器人时还要考虑表2-1中的光伏板的各项参数。表2-1光伏板尺寸参数项目单位参考值单块光伏板宽度mm2205单块光伏板长度mm1000光伏板边缘厚度mm35光伏板面板厚度mm5光伏板智能清扫机器人的设计参数：整机尺寸：长1600mm宽370mm高256mm，驱动电机：24V/280W；速度及距离：最大行走速度80r/min，最大清扫距离1000m；电机转速：750r/min；越障及爬坡：端面/平面越障50mm，爬坡角度20°控制方式：自动运行和本地监控。2.2产品环境智能清扫设备通常对光伏区组件进行清扫工作，待机温度-30℃˜60℃，启动清扫温度-30℃~50℃，需将电池加热至-20℃以上，电池充电温度0℃~45℃，0℃以下需加热至0℃以上。海拔3000M，相对湿度95%，无冷凝。大气环境腐蚀性分类等级C4。2.3总体设计方案图2-2光伏板清扫机器人整体设计图对整体方案进行介绍说明：光伏板智能清扫机器人可以沿着具有一定倾斜度的光伏板自动行走，自动驱动，带有独立电源，行走时能够按固定轨迹，与光伏板轴线平行进行行走。具有限位轮等装置，可清扫工作时，不会导致位置错位。清扫装置稳定、耐用，可实现自动清扫，自动化控制，控制稳定。毛刷具有一定韧性，既能够清扫除去灰尘等杂物，又不会对光伏板、光伏玻璃造成伤害。控制系统具有逻辑，可进行远程控制，具有定位功能，有存储模块，能够实时查询故障、运行参数等信息。2.4本章小结详细介绍了一种光伏板智能清扫机器人的设计方案，旨在提高光伏板的维护效率、安全性，并降低维护成本，光伏发电板的参数以及光伏板智能清扫机器人的总体设计要求和参数。第三章清扫机器人组件结构设计3.1清扫装置结构设计清扫装置是光伏板智能清扫机器人最重要的核心部分，它的结构影响到除尘效果，同时也决定其他机构的设计。在设计清扫结构时，要考虑光伏板表面的污渍类型进行分析。不同地区光伏面板的表面的污渍类型也有所不同，如（沙漠干旱地区、潮湿多雨地区）等。为了所设计的清扫机器人有更广泛的适用性，本次设计采用无水方式的同时，还确保对光伏板表面结合较为紧密的顾固污渍也能有效清扫。根据刷子移动方式的不同可以分成滑动式和滚动式两种清扫模式。其中滑动式清洁是一种常见的清洁结构，其原理是通过拖动刷子沿着光伏板表面的切向进行清洁，以去除污渍。滑动式清洁的问题在于，刷子与光伏板表面需要有足够的压紧力和较大的相对速度才能使刷子作用于光伏板表面污渍的清扫力要大于污渍与光伏板表面的范德华力，进而有效的去除光伏板表面的污渍，难以根据实际的污渍类型进行灵活调整。此外，对于需要反复清扫的位置，智能清扫机器人整体在光伏板上来回运动是非常不合理的。本文设计的清扫机构采用滚动式清扫模式，通过电动机带动滚刷在光伏板表面旋转从而实现对污渍的清理，滚刷由毛刷和滚筒构成，滚刷与光伏板表面间的相对清扫速度由机器人的移动速度和滚刷的旋转速度决定，可以在任意运动状态下通过调整滚刷转速控制相对清扫速度。遇到难以清洁的顽固污渍时，可以让机器人停下来，利用滚刷自身的旋转反复清扫同一位置。实现更好的清扫效果。通常毛刷采用是去静电尼龙材质的毛，通过电机带动轴运动，在组件表面来回滚动，实现清扫功能。图3-1清扫机器人滚刷模型图在清扫过程中，毛刷对光伏组件施加以下三种负载：（1）平行负载：毛刷以平行于光伏板表面的方向施加力，主要用于清除覆盖在光伏板表面的灰尘。（2）有一定夹角的负载：毛刷以一定角度斜向施加力，有助于破坏积灰层与光伏板之间的粘附力，提高清扫效果。（3）旋转力矩：毛刷旋转产生的力矩，用于破坏积灰层内部的粘附力，使灰尘更容易被清除。通过上述三种负载的协同作用，清扫模块能够实现高效清除光伏板表面的积灰，提高发电效率。3.2行走装置结构设计1.行走部分：传动轴采用高强度材料制造，确保传动轴在承载和传动过程中的稳定性和耐用性。行走轮采用耐磨材料制造，并采用合适的接触面积设计，以提高轮子的耐磨性和承载能力，在驱动模块的关键部位，选用高强度的材料，以提高系统的整体稳定性和耐用性，在传动轴等关键部位设置防护装置，防止灰尘进入，提高系统的稳定性和耐用性。2.传动部分：传动系统的传动方式可以分为齿轮传动与带传动等，通过对齿轮传动和带传动的优缺点进行分析对比，最终选择带传动系统，其特点是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。电机的选取通过对电机的特点、工作原理以及控制方式分析；根据本次设计的清扫机器人所用电机的基本要求，选用高质量的直流减速电机，保证电机输出功率和扭矩满足清扫需求，同时提高电机的稳定性和耐用性。3.结构优化：通过合理的结构设计，使驱动模块的受力分布更加均匀，避免局部过载，从而提高整个驱动模块的稳定性和耐用性。3.3机座的结构设计通常方法，强度、刚度的要求是设计安装梁首要考虑的问题，其次梁的稳定性，成本问题也纳入方案考量范围。图纸设计首要是梁的截面尺寸，随之考虑的问题，对所选梁的截面进行验算，包括刚度、强度、局面及整体稳定。经验算后数据，设定的要求假如无法满足，那么则重新挑选截面或甄选其他方法来修正。对于组合梁，从成本角度出发，变截面梁的选择需要甄别，以便于让截面的延长度，能配合弯矩的变化。另外，翼缘与腹板的连接是待解决的问题，主要考虑受限因素有钢材的规格、安装位置、运输条件。从而不得不设置拼接，安装梁的支座、及相关的构件连接等，型钢梁能满足局部稳定要求。对于焊接组合梁，翼缘可以通过限制板件宽厚比保证其不发生局部失稳。腹板则较为复杂，一种方法是通过设置加劲肋的方法保证其不发生局部失稳；另一种方法是允许腹板发生局部失稳，利用其屈曲后承载力。3.4限位轮结构设计限位开关分为上下限位，限位轮包括底座、销轴、滚子轴承、滚轮、上下支撑板、底板。在待清扫一侧安装停机位，非作业时间，停靠在停机位上，通过上限位轮挂住停机位上沿；在作业时间，上限位轮挂住并沿组件边框上沿行走。图3-3限位轮结构图3.5控制装置设计控制装置主要由清扫机器人的行走模块、控制中心、驱动模块和远程模块组成。（1）控制中心：由树莓派、树莓派基础电路和接口电路组成，是清扫机器人的“大脑”，负责控制机器人的运动和清扫作业。控制中心可以根据外部传感器的信号，实时调整清扫机器人的运动状态和清扫模式。（2）行走装置：负责控制清扫机器人的行进方向和速度。根据控制中心的指令，行走模块可以控制机器人在光伏板表面行进，并按照预设的清扫路径进行清扫。（3）驱动装置：驱动清扫机器人的清扫机构，实现清扫作业。根据控制中心的指令，驱动模块可以控制清扫毛刷的转速和清扫力度，以实现高效的清扫效果。（4）远程模块：由GPS和GPRS组成，用于实时监控清扫机器人的位置和工作状态。工作人员可以通过远程模块，随时了解清扫机器人的运行情况，并进行远程控制和故障诊断。控制模块通过各组成部分的协同工作，实现对清扫机器人的精确控制，实现自主清扫、路径规划、故障诊断等功能，提高清扫效率和安全性。下面根据描述自行绘制了一个简化的控制模块工作流程图：图3-4控制模块工作流程图具体步骤如下：（1）输入传感器信号：外部传感器（如接近开关、光敏开关等）检测环境信息和机器人状态，并将信号输入到控制中心。（2）控制中心分析：控制中心（树莓派等）分析传感器信号，判断清扫机器人当前状态和清扫环境。（3）控制指令输出：控制中心根据分析结果，输出控制指令给行走模块和驱动模块。（4）行走模块执行：行走模块根据控制指令，控制清扫机器人的行进方向和速度。（5）驱动模块执行：驱动模块根据控制指令，控制清扫毛刷的转速和清扫力度。（6）远程模块反馈：远程模块实时反馈清扫机器人的位置和工作状态，供工作人员监控。（7）结束：当清扫任务完成后，控制模块结束当前工作流程。清扫机器人的整体运行方式如图3-5所示。图3-5整体的运行方式清扫机器人的具体控制系统如图3-6所示。图3-6控制系统上述的控制模块是通过各组成部分的协同工作，实现对清扫机器人的精确控制，实现自主清扫、路径规划、故障诊断等功能，提高清扫效率和安全性。3.6电池模块设计电池模块是光伏板机器人的关键组成部分，负责为整个机器人提供所需的电力。其工作原理主要包括以下几个方面：（1）能量存储：电池模块采用高容量、高安全性的电池，如12V60AH的铁锂电池。铁锂电池具有体积小、重量轻、安全性强、高功率输出、长循环寿命等特点，能够为机器人提供足够的能量支持长时间的工作。（2）充放电管理：电池模块配备有充放电管理系统，能够实时监测电池的充放电状态，确保电池在充放电过程中安全稳定。充放电管理系统可以控制电池的充放电电流和电压，防止电池过充、过放，延长电池的使用寿命。（3）能量转换：电池模块通过充放电管理系统，将储存的化学能转换为电能，为机器人提供动力。在充电过程中，电能通过充放电管理系统转化为化学能存储在电池中；在放电过程中，化学能通过充放电管理系统转化为电能，为机器人提供动力。（4）能量分配：电池模块根据机器人的实际需求，合理分配电能。在清扫过程中，电池模块会优先为清扫模块和行走模块提供电力，确保清扫效率和机器人的正常运行。在非清扫过程中，电池模块会为控制模块和其他辅助设备提供电力，保证机器人的正常运行。（5）故障检测与保护：电池模块具备故障检测与保护功能，能够实时监测电池的运行状态，一旦发现异常，如过充、过放、短路等，立即启动保护措施，防止电池损坏，确保机器人的安全运行。图3-7中展示了电池模块的详细布局，包括电池单元、电池管理系统（BMS）组件、连接器等。展示了电池单元到电池管理系统（BMS）再到机器人组件（如清洁机构和电机）的能量流动过程。同时，还展示了故障检测和保护过程，每个步骤都有清晰的标签和箭头。图3-7电池模块图解电池模块的整个工作原理，首先由太阳能电池板通过电缆连接，将太阳光能转化为直流电能，此时直流电能通过逆变器转换为交流电能，供家庭或设备使用，其中的部分交流电能被存储在电池管理系统（BMS）中的电池组中。当机器人组件中的电机需要动力时，电池模块就会释放电能为其供电。此外，还有专门的电路和传感器用于故障检测和保护，以确保整个系统的稳定和安全。最后，系统还具有智能控制功能，可以根据天气情况和用电需求调整充电和放电策略。图3-7中清晰地展示了光伏板机器人电池模块从输入到输出，以及各个组件之间的互动关系。3.7本章小结清扫机器人组件结构设计主要包括清扫装置、移动装置、控住模块和电池模块，从而提升太阳能发电系统的经济性和可靠性。设计的核心在于实现机器人的自动检测、清洁和维修功能。第四章传动方案及驱动电机设计选取4.1减速器方案设计在清扫机构的设计中想到了三个方案：电机带动斜齿轮构成的减速器：1，斜齿轮1带动斜齿轮2，挟斜齿轮2带动斜齿轮3，斜齿轮上的轴连接滚刷，进而实现清扫；图4-1方案一电机带动锥齿轮构成的减速器：1，锥齿轮1带动锥齿轮2，有锥齿轮2上的轴连接滚刷，进而实现清扫；图4-4方案二(3)电机带动蜗杆构成的减速器：，蜗杆两端接涡轮，两个涡轮的轴上分别接刷子，从而实现清扫；图4-3方案三因为所设计的机器人它的体积有限制，要放置有清扫机构、行走机构收集处理机构，同时还得留下放电池、控制中心、观察中心的地方，而方案一易于安装，传动平稳，直齿斜齿轮所占的面积较小，承载较大，因而定了这种方案；方案二中，锥齿轮传动不如斜齿轮平稳，同时锥齿轮一所占的体积也比较大，而清扫机构又是本次设计中最重要的部分，因而选用锥齿轮的弊端也很大，所以经过计算及各个机构总体布局的综合考虑，舍弃了方案二；方案三中通过点击带动蜗杆转动，再有蜗杆带动其两端的蜗轮，由蜗轮上的轴带动固定在其上的刷子旋转，从而实现了清扫的目的REF_Ref29212\r\h[15]。而在选种中心距的情况下，涡轮蜗杆的尺寸都比较大，虽然能够放置下，但是涡轮蜗杆这个装置就显得比较笨重，所占的重量很大，这就加重了机器的人的总重量，因而这种方案也不是很合理REF_Ref29274\r\h[16]。以上三种方案通过对比以及由设计的要求所限制，最终选择图4-1方案一为清电机带动斜齿轮构成的减速器。4.2驱动电机选型及选取4.2.1电机选型本次设计的光伏板智能清扫机器人所用电机的基本要求：启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性。正转反转时的特性相同，且运行特性稳定。良好的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻。维修容易，不用保养。可根据电源类型、运行条件(温度、环境、空间大小)和负载特性)性质、大小、起动性能和过载条件来选择电机类型和结构，清扫清洁机器人的运动控制中常用电机有直流电机、和步进电机，它们的特点和控制方式如下表4-1所示。表4-1三种电机的主要特点、控制方式电机选型主要特点控制方式直流电机优点：优良的调速性能，调速稳定方便，速连续输出额定扭矩，调速比达120;过载能力强，能够承受频繁的冲击负荷，实现频繁的快速启动、制动和转向;购买方便，款式多，操作简单。缺点：结构复杂，电流通常较大，需要减速机减速，需要维护工作。转动控制采用电压控制方式，转矩控制采用电流控制方式。步进电机优点：是步角小，功率小，过载能力强，控制简单，起动和运转频率高，停电时定位扭矩大，型号多，适合室内自动清扫机的速度。缺点：是功率重量比小，运动稳定性差，低速性能好，体积大，负载能力低，运动时有振动。永磁式、反应式、混合式、大多数清洁工都在室外工作，需要简单的控制和顺畅的操作。根据本次设计的清扫机器人所用电机的基本要求及电机的特点选择直流减速电机。4.2.2电动机功率要求电机功率合理，能源效率高，始终满负荷运转。降低效率和功率因数，增加耗电量，造成大量的浪费。电动机的容量主要由电动机运转中产生的热量决定。电动机的发热和它的工作状态有关。在长期连续运转的情况下，如果所选择的电动机的额定功率p在所需电动机功率P以上，则负荷变动小。电机运转时不会过热，不需要发热和启动扭矩检查REF_Ref29363\r\h[18]。4.3驱动电机的确定圆盘材料选用尼龙材料。圆盘毛刷受力约为F1=55N，转速为n1=80r/min。滚筒受力约为1.圆盘毛刷转矩:T1所需功率:P1圆盘毛刷到减速器间用带传动，传递效率90%。减速器横放斜齿轮=3\*ROMANI轴处的功率为：P减速器齿轮间的传递效率为90%竖放齿轮处的功率为：P滚筒处=2\*ROMANII轴的转矩:T=FR=75×0.2=15N此处的功率：P电机到=1\*ROMANI轴之间用带传动，传递效率90%电机的输出功率：P工作速度为80r/min，为较低转速故选用24V/280W，其输出转速为750r/min。通过以上计算与比较，最终选择博山的直流减速电动机，其技术参数如表4-2所示：表4-2直流减速电机的技术参数型号转矩（mN·m）转速（r/min）功率（W）电压（V）电流（A）110SZ552780750308241.24.4本章小结深入探讨了光伏板智能清扫机器人的机械传动及驱动系统设计。设计过程中考虑了多种传动方案，并最终选择了方案一，即电机通过斜齿轮驱动皮带轮，再由皮带轮上的轴连接刷子进行清扫。这一选择基于机器人体积限制、安装便利性、传动平稳性以及承载能力等因素的综合考量。通过各种电动机的特点以及控制方式选择合适的电机。第五章清扫机器人主要零件设计及校核5.1主轴系设计5.1.1装置传输方案专用装置的传动方案可采用皮带传动或齿轮传动。为了方便工件的拆卸,为了缩短轴向尺寸,使结构紧凑,特殊装置采用齿轮传动方案。传输方法如下所示:电机-齿轮1-齿轮2-主轴-桅杆5.1.2确定主轴材料和尺寸(1)主轴材料主轴上的负载相对较小。在正常情况下,由此产生的应力远远低于钢的屈服极限,因此机械强度不是选择主轴材料的基础。当主轴的直径、支承、跨度、悬臂等尺寸参数保持不变时,主轴的转动惯量不固定,主轴的刚度取决于材料的弹性模量。然而,各种钢的弹性模量e何S2.06105MPa,几乎没有差别,所以刚度不是主轴选择的基础。主轴材料只能根据耐磨性、热处理方法和热处理变形来选择,耐磨性取决于硬度。自动机主轴为淬火钢或渗碳淬火钢,高频淬火,普通自动机主轴可选用45钢。这里的主要材料可以是相同的材料45钢。经查询《材料力学》表19-1后可知：45钢的，其屈服极限，且查表19-2知，对塑性材料有：（1）弯曲应力；（2）扭转应力；（3）挤压应力;（4）剪切应力。经查阅得知45钢许用拉应力为：[σ]=σ上式中n为安全系数，对塑性材料通常取1.5-2.2，所以，。5.1.3主轴直径及强度校核根据洗盘扭矩计算主轴直径公式：d=B3p式中：P——选定的电机功率；b——系数；主轴的最小直径计算为d=25mm。主轴直径应根据桅杆尾的结构确定,主轴前端应采用万向节的形式。直径90mm。因此,根据d2=(0.7~0.85)d1x(44.5~55.25mm)之间的关系,d1x65mm为主轴前支撑轴,d2=55mm为后支撑,d2=60mm为中间残余直径(平均直径)。确定主轴的前端,通过浮动连接到桅杆上。根据主轴支架结构的特点,轴向和径向力小,主轴转速高。前支撑轴承7013AC,如轴承手册所示。根据上述方法,主轴的最小直径为d=28mm。图5-1轴的结构图根据机械设计手册，可以使用相应的校核公式计算其主要承受转矩为：T=9.55×式中：T——转矩，单位（N·m）；P——电机功率，单位（KW）；n——额定转速，单位（r/min）。轴是传动系统中最重要的部分之一，它承受着较大的扭矩荷载。因此，在设计中必须进行扭应力强度的校核，确保轴的安全可靠性。可得：τ式中：TW将以上各项参数代入到3-36中可得：τ由于本设计采用的主动轴与从动轴结构方案、尺寸、材料均一致，故校核主动轴强度即可。综上所述，本文设计的清扫机器人的工作轴强度符合要求，具备一定的使用条件。5.2轴承选取及校核轴承预计寿命：L查滚动轴承角接触球承7208C,基本额定动载荷C=36.8KN，基本额定动载荷C0=25.8KN，求两轴承受到的径向动载荷F求两轴承计算轴向力Fa1对于7000C型轴承，轴承派生轴向力，其中e为判断系数，其值由FaC0的大小决定的。轴承轴向力,,所以,所以根据《机械设计》径向动载系数X和轴向动载荷系数Y标，插值计算得e1=0.5425,,计算的Fa/Co的值相差不大,由此可以确定e1=0.5425,e2=0.5533.Fa1=7636N,Fa2=9386N(2)求轴承的当量动载荷和由于；分别查表和插值的X和Y值。对于轴承1而言：x1=0.44；y1=1；对于轴承2而言：x1=0.44；y1=1。又因为轴承运转中有中等冲击载荷，查表可得，取，则：(3)验算轴承寿命：由于,所以按轴承2的受力大小验算：轴承满足寿命要求。5.3联轴器的选取主动轴上的公称转矩T(N·m)可用下式进行计算：T=9550×式中：P—传递的功率kW；N—轴的转速r/min；初选LT1弹性套筒销联轴器，其公称转矩Tn传动轴上的公称转矩Tca=k代入式得到：TT校核最高转速：n=750r/min[n]=8800r/minn≤满足要求。5.4齿轮设计满足劳动条件:不同的产业状况对齿轮传动有不同的要求，所以对齿轮材料有不同的要求。但是，一般的动力传动系要求足够的强度和耐磨性，齿面的硬度，芯的柔软性。（2）适当选择材料组合:对于硬度±350HBS的软软齿轮，为了使两个齿轮的使用寿命相近，小齿轮材料的硬度应超过稍大的齿轮，两个齿轮的硬度差应在30~50HBS左右。为提高齿轮的防胶性能，齿轮尺寸应具有不同的钢材材料。（3）考虑加工工艺和热处理工艺:由于一对齿轮参与了驱动和磨损，对齿轮的冲击载荷也很大，要求齿轮的弯曲强度。必须使用硬齿面齿轮组合。20CrMnTi碳化后，所有齿轮表面都会硬化，硬度为58~62HRC。国内减速器齿轮常用材料为20CrMnTi（钢号为18CrMnTi）和20N2TiB、20nvb和20MnMoB。对于大型拨盘型齿轮，可使用25CrMnMo、20CrNiMo、12Cr3A等钢。这些低碳合金钢需要随后的碳化和淬火来提高表面硬度和提炼材料颗粒。为了消除内部的压力，需要回火。齿轮齿面碳化层的推荐深度范围如下：≤3.5渗碳层深度0.8～1.2mm；3.5＜＜5渗碳层深度0.9～1.0mm；≥5渗碳层深度1.0～1.6mm。渗碳齿轮在淬火、回火后要求齿轮的表面硬度为HRC58～63，心部硬度为HRC33。5.4.1减速器齿轮应力校核主动齿轮：已知：N·mm；；；mm；；；，查齿形系数图5.1得：y=0.14，把以上数据代入（5.2）式，得：MPa从动齿轮：已知：N·mm；；；mm；；；，查齿形系数图5.1得：y=0.16，把以上数据代入（5.2）式，得：MPa主动齿轮：已知：N·mm；；；mm；；，查齿形系数图5.1得：y=0.16，把以上数据代入（5.2）式，得：MPa从动齿轮：已知：N·mm；；；mm；；；，查齿形系数图5.1得：y=0.155，把以上数据代入（5.2）式，得：MPa5.4.2减速器齿轮弯曲强度校核齿轮弯曲强度校核（斜齿轮）（5-1）式中：——圆周力（N），；——计算载荷（N·mm）；——节圆直径（mm），，为法向模数（mm）；——斜齿轮螺旋角（°）；——应力集中系数，=1.50；——齿面宽（mm）；——法向齿距，；——齿形系数，可按当量齿数在齿形系数图5.1中查得；——重合度影响系数，=2.0。图5-1齿形系数图【8】将上述有关参数据代入公式图（5-1）中，整理得到σw=25.5本章小结本章节专注于光伏板智能清扫机器人的主要零件设计，包括主轴系设计、轴承选取及校核、联轴器设计和齿轮设计等关键部分。设计决策基于机器人的功能需求、操作效率和耐用性，确保了清扫机器人的机械传动和驱动系统的可靠性和稳定性。通过对主轴、轴承和齿轮的精心设计和校核，为光伏板智能清扫机器人的高效运行和长期稳定性提供了坚实的基础。并对减速器齿轮的应力和弯曲强度进行校核，确保了齿轮设计的安全性和合理性。这些校核步骤对于保证清扫机器人长期稳定运行至关重要，同时也为后续的设计改进和优化提供了理论依据。通过这些详细的计算和分析，设计者可以对齿轮的承载能力和使用寿命有一个清晰的了解，从而做出更加精确的设计决策。第6章总结设计光伏板智能清扫机器人结构设计主要用于中规模光伏电站。在本次设计中，我们对光伏板智能清扫机器人结构的整体结构进行了设计计算，重点对清扫装置、驱动系统、传动方案和工作装置进行了设计，通过对主要零件的设计，对主轴、联轴器、轴承和减速器中得齿轮等部件进行合理的选型。通过零件组装图(轴系)、组装图、二维图纸来表现最终的设计结果。由于时间限制，设计过