机械设计制造及其自动化毕业设计-建筑表面清洗机的设计

建筑表面清洗机的设计摘要：城市不断地现代化，高楼也越造越多，可是由此带来的高层建筑的清洗问题也越来越艰巨。其中许多高楼表面的外立面主要是由一块一块的玻璃组成的，传统的人工悬吊式的清洗方式由于安全隐患以及效率和成本问题已经不再被提倡了。如今社会上迫切需要一种新型的清洗方式来代替人工悬吊清洗。目前社会上有各种清洗机，然而这些清洗机虽说各有优点但是也有一定的缺点比如清洗时不够灵活、清洗的效果达不到预期或者清洗机有掉落的风险等。本文主要研究玻璃幕墙的清洗问题，设计一种可以灵活移动、清洗效果和安全性俱佳的高层建筑清洗机的。对清洗机的本体以及它的清洗设备进行了设计对它们进行合理的布局，并且对其进行静力学分析证明设计是否可行。为了确保安全采用了多吸盘真空吸附的设计，多组吸盘交替式的吸附确保不会掉落。为了移动方便采取的是框架式移动，这样的设计就可以使清洗机灵活移动了。再通过滚刷和盘刷的转动清洗来配合达到清洗玻璃外墙的目的。通过对清洗机进行静力学的分析，对其进行优化，对清洗机的清洗特点给出路径规划。关键词：高层建筑玻璃外墙清洗机清洗系统吸附系统移动系统静力学分析DesignofabuildingsurfacewasherAbstract：Thecitycontinuestomodernize,andmoretallbuildingsarebuilt,buttheresultingcleaningproblemofhigh-risebuildingsisbecomingmoreandmoredifficult.Manyofthesurfacefacadesofhigh-risebuildingsaremainlycomposedofapieceofglass,andthetraditionalmanualhangingcleaningmethodisnolongeradvocatedduetosafetyrisksandefficiencyandcostproblems.Nowadays,anewwayofcleaningisurgentlyneededtoreplaceartificialhangingcleaning.Atpresent,thereareallkindsofcleaningmachinesinthesociety,butalthoughthesecleaningmachineshavetheirownadvantages,butalsohavecertaindisadvantagessuchasnotflexibleenoughwhencleaning,thecleaningeffectcannotreachtheexpectationorthecleaningmachinehastheriskoffalling.Thispapermainlystudiesthecleaningproblemofglasscurtainwall,todesignaflexiblemovement,cleaningeffectandsafetyofthehigh-risebuildingcleaningmachine.Thebodyofthecleaningmachineanditscleaningequipmentaredesignedfortheirreasonablelayout,anditsstaticanalysistoprovewhetherthedesignisfeasible.Inordertoensurethesafetyofthemultiplesuctioncupvacuumadsorptiondesign,multiplegroupsofsuctioncupalternatingadsorptiontoensurethatitwillnotdrop.Inordertomoveconvenienttotakeistheframemovement,thisdesigncanmakethecleaningmachinetomoveflexibly.Thenthroughtherollingbrushanddiscbrushrotationcleaningtoachievethepurposeofcleaningtheglassouterwall.Throughthestaticanalysisofthecleaningmachine,thecleaningcharacteristics.Keywords：Glassexteriorwallofhigh-risebuilding;cleaningmachine;scavengersystem;adsorptionsystem;Mobilesystem;Staticmechanicsanalysis目录TOC\o"1-3"\u引言 引言社会在不断地发展，随之带来的就是一座座高楼大厦在平地上被造起。而为了达到美观以及抗风、抗震能力强和不易被腐蚀的优点，一部分的高楼大厦的表面是由玻璃组成的。缺点往往伴随着优点而来，夺目的玻璃幕墙遇到雨天或者雾霾天之后墙面上就会被灰尘覆盖而变得黯淡。由此而诞生了一个新的职业：玻璃幕墙擦窗工。他们有的直接通过绳索悬吊在半空清洗玻璃有的则站在悬吊在半空的工作平台清洗。以这种方式工作危险性可想而知，从事这份工作的人也少之又少，发生直接威胁到的就是自己的生命。这份危险系数极高的工作引起了社会的强烈关注也催生了清洗机的发明来代替人工擦窗。作为清洗机应该具备移动灵活、清洗能力强、成本适中并且安全系数高的特点。本次设计的一款清洗机在工作时能够灵活移动，越过障碍物，并且有能够达到理想清洁效果的清洗系统，以及最重要的是设计出保证清洗机不掉落的吸附系统。清洗机总体方案的设计清洗机材料的选择由于清洗机是在高空作业的，所以为了在工作中不发生形变应该选择强度高的材料，并且为了减少成本耗能要尽量低一点，应该选择质量轻一点的材料。结合以上这两点，选择铝合金是最合适的。因为铝合金质量轻、强度大，而且最重要的一点是铝合金有防锈蚀的特点。清洗机清洗系统的预期目标清洗系统需要满足的要求清洗系统需要满足的几点要求：(1)清洗效率要高；(2)尽可能不对清洗机的移动带来负面影响；(3)在清洗移动的过程中不对玻璃造成划痕；(4)不浪费水资源；(5)结构不复杂。在清洗过程中不能对玻璃造成刮痕，并且不能使污水四溅对周围玻璃造成污染，清洗能力也不能低否则就会影响清洗的效率。而且清洗结构也不能太复杂，质量也不能太大否则会影响到清洗机的移动和灵活性。清洗方法的确定目前主要有化学清洗法和物理清洗法，由于主要清洗的是玻璃表面的脏东西所以选择物理清洗法即可。物理清洗法主要有激光清洗、射流清洗以及激光清洗。本次设计针对玻璃建筑外墙选择射流清洗。水流由喷头喷出。清洗机吸附方法的选择由于清洗机主要是在高空中进行作业，所以确保其安全是重中之重。因此设计吸附系统时一定要考虑到清洗机的抗滑落能力以及它的抗倾覆能力。提高附着稳定性的方法有以下几种：增大附着力、合理布置附着元件、合理地控制抗翻倒特征角、降低清洗机的重心以及对清洗机的结构设计采用合理的尺寸。为了能够让清洗机在玻璃壁面上自由移动必须具有吸附和移动两个机能。目前主要有三种吸附方式，分别是磁吸附、推力吸附、真空负压吸附。磁吸附又可以细分为永磁体吸附和电磁体吸附，永磁体可以不受环境的限制具有比较大的吸附力，但是它必须在导磁的工作环境下才能工作。相比较下电磁体就不受环境因素的影响，不过同样需要在导磁的工作环境下工作而且需要耗能才能完成吸附。推力吸附的话不需要担心气压泄露的问题，对于工作环境的适应力比较强，但是这种吸附方式负载能力小，工作效率低。真空负压吸附分为单一吸盘和多组吸盘，单一吸盘体积小，结构简单，不足的是对工作环境要求高如果不平滑的话吸附能力会大大减弱，负载能力也弱，相比单一吸盘，多吸盘的优点在于负载能力强，密封性能好，相对应的缺点就是多吸盘的结构比较复杂。所以综合多方面考虑选择了真空吸盘吸附的方式。清洗机移动方法的选择移动系统对清洗机来说是基础，只有通过移动才能完成清洗任务。目前世界上的研究团队主要选用轮式、轨道式、框架式、履带式、足式的移动方式。以上这几种移动方式各有其的优点和缺点。关于轮式移动，目前的研究为最少两个轮子，可以通过轮子的旋转或者滚动来选择清洗机的移动方向具有快速移动、变向容易，但是轮式移动容易造成轮子打滑、越障能力差的缺点。履带式移动具有结构牢固，履带不会被轻易磨坏，而且能够承载相对重量更大的物体，也不会影响移动的速度，但是履带式的移动对于转向来说是个弊端，吸附在玻璃上如果不考虑吸附力直接转向的话会导致清洗机掉落。轨道式移动，目前主流的轨道式清洗机基本是在建筑建造的时候就把轨道的设计规划在了里面，也有部分是后期再加上去的。轨道式的清洗机好处就是即使承重很大也不用担心掉落的危险，根据预先设计轨道的轨迹就能够进行工作，缺点也很明显由于轨道轨迹的限制有的区域可能是清洗不到的，并且轨道的铺设也是在成本预算内，所以成本也会较高。足式清洗机在市面上也不少，通过蜘蛛爬墙的灵感不少工程师设计出四足、六足甚至更多足的清洗机器人。通过足底的交替吸附来控制移动，相比较其他的移动方式足式移动具有更好的越障的能力，移动的灵活性也就增加了。缺点就是由于移动结构复杂从而会导致控制、操控复杂麻烦。框架式移动顾名思义就是通过安装在清洗机上的框架进行水平和竖直方向的移动，这种设计的优点就是质量轻，结构简单便于操作，能很好地将移动和吸附结合起来。相对不足的就是移动速度相对来说缓慢。综合考虑选择框架式移动为本清洗机的移动方式。清洗机总体图清洗机三维装配图如下图所示：图1.SEQ图\*ARABIC\s11清洗机三维装配图清洗系统的方案清洗系统的组成及流程说明清洗系统主要有滚刷、盘刷、刮板、喷头组成。首先通过喷头对玻璃表面的污染物进行湿润和软化，然后使用盘刷使污染物和玻璃分离，再通过滚刷的滚动对玻璃进行擦拭，最后由刮板对清洗液进行刮拭，达到清洗效果。图2.SEQ图\*ARABIC\s11清洗流程图滚刷的设计及相关数据的计算滚刷是清洗机完成清洗作业时的主要组成部件，外圈有柔软的刷毛制成，再加上可变性弹簧在清洗过程中假如碰到小障碍物可以轻松越过还能有避震的效果。通过安装在支架上的电机来驱动从而带动滚刷旋转。为了让滚刷完成清洗作业，目前有两种方案。方案一：由电动机作为原动力，通过带传动来带动滚刷的旋转从而来完成清洗作业工作。方案二：由电动机作为原动力，通过齿轮来带动滚刷的旋转从而来完成清洗作业工作。因为在设计中需要考虑到清洗机工作时的避障以及越障能力所以在滚刷上方设计了用来避障的可变性弹簧，这对于方案二来说是行不通的。齿轮传动的方案不能实现垂直方面的距离调节，而带传动方案恰恰避免了这个不足。所以综合考虑选择方案二。图2.SEQ图\*ARABIC\s12滚刷图滚刷中的辊由不锈钢制成，辊的外部套上清洗布，清洗布由超细纤维制成厚度为10mm，而且平滑耐用，能够防止污水飞溅。滚刷半径为180mm。在完成清洗工作的过程当中滚刷的旋转速度要与机器的移动速度相配合否则会造成事半功倍的效果。通过查阅相关资料得，清洗布与玻璃之间的滑动摩擦系数为0.6-0.75，此处取μ=0.65计算滚刷的驱动力矩（3-1）式中：——清洗布与壁面的滑动摩擦因数；——壁面对滚刷的作用力；——滚刷半径。计算驱动滚刷所需的功率：（3-2）式中：——负载系数；——滚刷角速度。图2.SEQ图\*ARABIC\s13滚刷清洗示意图图2.SEQ图\*ARABIC\s14滚刷受力分析图盘刷的设计及相关数据的计算安装在支架上的电机，将动力传递到左右两个盘刷上带动两个盘刷的转动。需要注意的是两个盘刷都得向清洗机中央转动能将污水集中起来否则的话会造成污水四溅的现象，支架上部可加装可变性弹簧加大盘刷的越障能力以及避震能力。盘刷因为需要将玻璃上的污物去除所以选择鬃毛作为刷头，鬃毛长度为65mm，以5度角插入塑料壳体中，插入长度为5mm，盘刷整体半径达120mm。再配合支架上的螺旋压缩弹簧，以便轻松越过障碍物。根据以上条件设计出毛孔直径为2mm，毛孔间距为1mm，孔深为5mm每个孔插入1根鬃毛的盘刷。查阅资料得鬃毛与玻璃之间的摩擦系数为0.32~0.61，为了确保清洗机能够正常工作此处取最大值μ=0.61。计算盘刷的驱动力矩：（3-3）计算驱动盘刷所需的功率：（3-4）式中：——壁面对盘刷的作用力；——盘刷的角速度。图2.SEQ图\*ARABIC\s15盘刷示意图清洗系统中弹簧的设计及相关数据的计算弹簧名称为：圆柱型螺旋压缩弹簧。为了确保弹簧能够连续工作和其安全可靠性，弹簧的材料不仅需要有足够的韧性和塑性还得有高的疲劳极限和弹性。并且还需要控制成本，为了满足以上条件选取材料为碳素弹簧钢。根据清洗要求，设弹簧的圈数为15.5圈设弹簧丝直径为d=3.7mm抗拉强度为1820MPa极限负荷下的单圈变形为F=1.66N单圈刚度为P=150N/mm最大工作载荷为P1=39kg极限工作载荷为P2=50.5kg弹簧节距为：t=4.8mm弹簧工作圈数为n=13圈弹簧旋向为右旋弹簧中径：（3-5）弹簧内径：（3-6）弹簧间隙：（3-7）弹簧的自由高度为：（3-8）刮板的设计刮板在清洗机的设计中是必不可少的，其主要作用为除去残留在玻璃表面的清洗污液，为了达到彻底刮净清洗液的效果需要选择大小合适的刮板。刮板设计为长条形，刮板底部那部分为上粗下尖形便于刮水，刮板不仅需要起到刮去残留在玻璃上的清洗污水还要起到防止污水飞溅的一个作用。本次设计的刮板长为720mm，宽为8mm，高为345mm。底部的倾角为55°。图2.SEQ图\*ARABIC\s16刮板正面示意图图2.SEQ图\*ARABIC\s17刮板胶条侧面示意图喷嘴的设计采用压力式雾化喷嘴作用就是把清洗液进行雾化，让其均匀附着在玻璃的表面，并且雾化还能节约用水的成本。不过需要注意的是要防止细小颗粒物将雾化嘴堵住影响工作。喷嘴的喷射过程可分为初始阶段和最终阶段，从初始阶段到最终阶段的过程当中水流的雾化程度越来越明显，对玻璃的喷射面积也是越来越大，有明显的扩散作用。选用喷嘴直径为1.29mm，射流压力为0.15MPa的压力式雾化喷嘴。图2.SEQ图\*ARABIC\s18喷嘴示意图清洗系统整体示意图图2.SEQ图\*ARABIC\s19清洗部分总示意图吸附系统的方案吸附系统的设计吸附系统主要由吸盘和气缸组成。为了确保安全性，清洗机的吸盘部分的设计由16个小吸盘组成，分别均匀分布在上下左右4个框架上。如果吸附力过大会导致清洗机无法移动但是吸附力过小就会导致清洗机有坠落的风险。吸附机构由吸盘组和气缸等一系列元件组成。出于对安全的考虑每个吸盘都得连接一个真空安全阀，用来避免吸盘因为突然失去吸附力而造成坠落的危险。在清洗机移动的过程中，压缩气体通过外部连接的真空发生器产生的负压，使得吸盘能够在玻璃上面完成吸附的动作。气缸安装在框架上，和吸盘连接在一起，通过活塞运动完成吸盘的上升和下落。这样就不影响清洗机的移动了。吸盘的分布形式和数量大小直接关系到清洗机的吸附性能和制作清洗机的成本。预期设想中有三角分布形式、四角分布形式和五角分布形式，不同的分布形式由于它们的吸盘数量的不同以及受力分析的不同会导致它们的抗倾覆能力是不一样的而且相差是很大的。综合安全性能以及成本问题的考虑，选择四角分布形式的吸盘。图3.SEQ图\*ARABIC\s11吸盘分布图由于吸盘是采取真空吸附的方式，所以一定要确保吸盘的密封性。因此吸盘的密封圈需要能够适应玻璃壁面，与玻璃壁面的摩擦系数也要适合。而且密封圈的质量也要好，不能因为长时间的工作降低了密封圈的使用寿命。图3.SEQ图\*ARABIC\s12吸盘图吸盘密封装置的设计吸盘的密封机构的主要作用就是让吸盘的空气泄漏达到一个预计的允许范围里。使得清洗机的吸盘腔内的负压保持在一个合理的范围内，从而让清洗机能够牢牢地贴附在玻璃壁面上，并且可以在玻璃壁面完成移动。由于高层建筑的玻璃壁面往往是由一块一块的玻璃组成的所以它们之间是存在缝隙的。假如不能保证吸盘和玻璃壁面之间良好的密封性能的话，吸盘内的真空就不能保持，就有风险会导致清洗机不能够正常的工作。假如情况严重的话还会出现滑落或者是倾覆等威胁到安全的情况。所以吸附系统中的关键技术之一就对吸盘的密封装置进行合理的研究设计。目前研究领域主要有以下三种密封形式：填料密封、迷宫密封以及机械组合密封。由于清洗机是在玻璃壁面上移动，并且本次密封的是气体所以选择迷宫密封的方法不可取。填料密封在移动中阻力较大，产生密封效果的径向力，而且此方法不是对于气体采取的密封方法所以不可用；机械组合同样不是对于气体采取的密封方法，所以也不可取。所以此次选择橡胶圈的方式达到密封效果。本次研究中，清洗机是一个多吸盘吸附的一个机构，需要对玻璃壁面的凹凸和缝隙有足够的适应能力。所以为了防止吸盘和玻璃壁面之间接触时产生漏气的现象，将整个橡胶圈卡主来保证其的密封性。吸附系统的计算方位角不同，清洗机的越障能力也是不同的。由公式可得，式中：θ为吸盘对角线与水平方向的夹角；d为吸盘的直径；s为吸盘之间的距离；t为玻璃胶缝的宽度。当θ大于-45度或者小于45°时，清洗机的抗滑落能力不会受到影响，因为吸盘组吸在胶缝上。当θ小于-45°或者θ大于45°时，吸盘吸附在玻璃胶缝处时就会有滑落的风险。抗滑落能力为W，W=FS(sinθ+cosθ），由此公式可得出抗滑落能力与吸盘的位置、直径以及吸盘和吸盘之间的间距有关。所以当吸盘对角线与水平方向的夹角θ=±45°时，W取最大值。吸盘直径d可由公式（4-1）式中：n为清洗机中吸盘的数量；P为吸盘的真空度；G为清洗机本体的重力；t为安全系数，查阅资料得垂直吸附时取t=10，水平吸附时取t=5代入上式公式中得（4-2）取d=75mm得一个吸盘的真空吸附力为:（4-3）图3.SEQ图\*ARABIC\s13吸盘受力图系统抗倾覆能力的计算这款清洗机不仅需要尽量使结构简单来减小成本而且减小损坏的风险同时也是在对它自身的重量上面尽量减轻，不过清洗机的运动能力不能下降。所以在清洗机运动的过程当中确保它的动态负载能力和平衡变得非常重要，这也是对安全的保障。清洗机在壁面上移动的时候，不管是前后移动还是左右移动，在坐标轴上表示就是X方向和Y方向的移动。两种方向的移动都是通过吸盘来提供吸附力来维持在玻璃幕墙上移动时的力的平衡。式中：F表示清洗机在玻璃幕墙移动时吸盘提供的吸附力；G表示清洗机本体的重力；N表示玻璃幕墙对吸盘提供的支持力；L1表示为吸盘的力臂；L2表示为清洗机的力臂；F×L1表示为真空吸盘产生的力矩；G×L2表示为清洗机重力力矩。假如要让清洗机稳定地在玻璃幕墙上移动和工作就必须满足以下条件：（4-4）为达到更加安全的效果，就应该相应地增加吸盘的吸附力，同时增加其力臂L1。并且，在减小清洗机本体重量的同时，还需要减小力臂L2。在清洗机工作过程当中，最危险的情况为Y方向吸盘吸附，X方向吸盘松开。这种情况下，L1为800mm，L2为310mm。图3.SEQ图\*ARABIC\s14清洗机受力分析图此时吸盘产生的力矩为：（4-5）重力力矩为：（4-6）由上述等式可以得出F×L1大于G×L2，满足要求，所以清洗机的抗倾覆力矩满足设计的要求。气缸的选择气缸是由压缩气体来驱动的，从而可以使吸附元件通过活塞的运动来完成往复直线运动的一个装置。本台清洗机由于一共有16个吸盘，所以配有16个气缸。在清洗机清洗的过程当中，气缸不会承受轴向力的作用，所以径向力主要就是清洗机的重量。在选择气缸时，因为气缸基本不受到轴向力的作用，所以这次设计对轻量化和行程方面的考虑是关键，带动吸盘上下移动的气缸选择亚德客公司生产的ACQ63×100气缸，这款气缸的缸径为63mm，行程为100mm。图3.SEQ图\*ARABIC\s15带有气缸的吸盘示意图移动系统的方案移动系统的设计移动系统是清洗机实现高层作业的重要装置。移动系统采用四周框架的设计，上下左右各一段框架由驱动装置联接来实现清洗机的直线移动。因为铝合金的能够在相对自身质量低的情况下确保负载能力以及防腐蚀，所以本次框架的材料选取铝合金。上下两段铝合金框架长800mm，宽40mm，高40mm；左右两段铝合金框架长850mm，宽40mm，高40mm。框架的驱动装置分为横向驱动装置和纵向驱动装置。横向驱动装置是清洗机清洗时完成水平方向双向移动的动力源，纵向驱动装置是清洗机完成竖直方向双向移动的动力源。驱动装置包括了电机、电机座、丝杠、联轴器、滑块等组成。纵向驱动装置的滑块、电机座分别安装在左右两段框架下，通过螺旋传动带动滑块的移动从而以实现清洗机的上下移动。横向驱动装置的支撑座、电机座分别安装在上下两段框架内，通过螺旋传动带动滑块的移动从而以实现清洗机的左右移动。螺旋传动的原理为通过螺旋和螺纹牙面旋合实现回转运动与直线运动转换的机械传动，从而传递动力。根据它们的摩擦性质的不同可以分为以下三类：滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动。与滚动螺旋传动和滑动螺旋传动相比，静压螺旋传动拥有摩擦阻力小、工件寿命长、还能保证它的工作效率可以高达99%，并且具有定位精度高、传动平稳以及传动精度高的特点，而且具有这种传动方式的方向可逆但是缺点就是其结构以及加工复杂。滚动螺旋传动在工作效率、工件寿命、摩擦阻力等各方面都略差于静压螺旋传动，但是好于滑动螺旋传动。滑动螺旋传动也不是没有优点，它具有传动比大、驱动负载能力强而且有能够自锁的优点，但是其效率低，磨损快。因为本次设计中由于移动系统的精度要求不需要太高，但是需要此传动方法拥有自锁的功能，因此本次的传动方法选用滑动螺旋传动。移动系统相关数据的计算丝杆选择螺距为4mm，公称直径为18mm，螺纹长度为700mm，直线度为0.3mm/300mm的梯形丝杆。表4.SEQ表\*ARABIC\s11联轴器的基本参数型号额定扭矩（N·m）最大扭矩（N·m）容许径向（mm）容许角向（°）容许轴向（mm）最高转速（rpm）惯性矩（kg·M2）静态扭转刚度（N·M/rad）重量（g）CH-25×28241.23+0.2100003.1×10-613025考虑清洗机的清洗速度、移动的精度以及制作成本的几个问题，横向驱动装置和纵向驱动装置均选择的电机型号为57HS09的步进电机。表4.SEQ表\*ARABIC\s12型号57HS09步进电机的基本参数型号保持转矩（N·m）额定电流（A）转动惯量（kg·m2）定位转矩（N·m）质量（Kg）57HS090.9532.8×10-50.040.6步进电机轴上的最大负载转矩TL由下式计算：（5-1）式中，m为清洗机的质量，m=28kg，P为丝杆的螺距，单位为m， η为机械效率，清洗机框架的负载与转动惯量JL为：（5-2）丝杆的转动惯量JS为：（5-3）式中，ρ是丝杆的密度，单位为kg/m3，查阅资料得，ρ=7930kg/m3；L是丝杆螺纹的长度，单位是m；D是丝杆的直径，单位是m；电机轴上的转动惯量J0为：（5-4）式中，JC为联轴器的转动惯量，单位为Kg·m2，见上表。电机的起动转矩T0为:（5-5）式中，n是该电机所需要的转速，单位为r/min；t是电机加速需要的时间，单位为s，此处取0.9s；JD是电机的转动惯量，单位为kg·m2。根据对清洗系统的设计，为了有足够高的工作效率，要求清洗机的移动速度为V=2.1m/min，则电机所需转速为：（5-6）所以可以求出电机的起动转矩为T0=0.013N·m。图4.SEQ图\*ARABIC\s11驱动装置示意图图4.SEQ图\*ARABIC\s12清洗机框架图清洗机的作业规划横向的移动使框架3与框架4上的8个吸盘处于吸附状态，框架1与框架2的8个吸盘处于脱离状态，通过框架1与框架2的左右方向移动来实现清洗机的横向位置的转移。图5.SEQ图\*ARABIC\s11横向移动示意图纵向的移动使框架1与框架2的8个吸盘处于吸附状态，框架3与框架4的8个吸盘处于脱离状态，通过框架3与框架4的上下方向的移动来实现清洗机的纵向位置的转移。图5.SEQ图\*ARABIC\s12纵向移动示意图清洗机的路径规划由于本次设计的清洗机主要工作的场景是在高层建筑全封闭的玻璃幕墙上面，工作时面积大从而导致工作时间长，所以清洗机的清洗质量和清洗效率就非常关键，解决这个关键问题就需要合理的路径规划。清洗机本体的作业路径规划应该尽量简单，其工作时的动作应该要尽量减少，并且还要尽可能地多覆盖清洗区域。对周围环境也要避免进行二次污染，同时也应该使清洗机的能源消耗尽可能的要低。根据本文设计的清洗机本体结构和移动方式的选择，该清洗机采用主要竖直运动来实现的清洗路径作业。路径如图（5.3）所示，改清洗机本体的运动可以分解为横方向移动和纵方向移动，清洗机本体沿规划的路径通过直线运动的形式来进行清洗作业，保证清洗机的运动方向与规划的路径方向相同。至其达到上下边线时横向改变工作的方向，如此往复运动，可以清洁整个区域。图5.SEQ图\*ARABIC\s13清洗机路径规划示意图静力学分析清洗机有限元分析清洗机在清洗的过程当中，由于受到外界环境干扰以及自身的因素影响，清洗机静态特性将直接影响到其的使用寿命以及它工作时的状态。所以有必要对清洗机进行静力学然后再根据结果，如果结果不适合再对结果进行优化，让其工作时更加安全和稳定。有限元最早在二十世纪五十年代形成。有限元求解的主要步骤可以分为以下三步：（1）通过将连续的结构，离散成有限的多个单元，并在每个单元中设定有限的多个节点，从而将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；（2）选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似的插值函数以表示单元中场函数的分布规律；（3）利用力学中的变分原理建立用以求解节点未知的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。ANSYS的介绍ANSYS软件是ANSYS公司研制的大型通用有限元软件。由于简单的操作和强大的功能，使其成为全球最流行的有限元分析的软件。它主要运用领域有：航空航天业、汽车工业、重型机械行业等等。此软件主要包括了三个部分：分析计算模块、前处理模块以及后处理模块。本次毕业设计使用的为ANSYSWorkbench。Workbench的主要功能为协同仿真环境，它能够对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、流体动力学、结构热等等。与传统的ANSYSMechanicalAPDL相比较，主要有三点不同：客户化、集成性、参数化。在如今的社会研究环境下，Workbench必将会为研究带来巨大的进步。吸盘支撑件的静力学分析吸盘支撑件由铝合金6061组成，弹性模量为70gpa，泊松比为0.3，密度为2.82g/cm3。极限抗拉强度为205MPa以上，受压屈服强度为55.2MPa，弹性系数为68.9GPa，弯曲极限强度为228MPa，弯曲屈服强度为103MPa。因为清洗机本体质量为29.4kg，一共16个吸盘支撑件。最少情况下有8个吸盘吸附，所以每个吸盘支撑件受到36.015N的压力。设计最大不可超过0.01mm。进行ANSYS静力学分析得：图6.SEQ图\*ARABIC\s11吸附元件的网格划分图由图可知，模型一共产生4769个节点、2538个单元。图6.SEQ图\*ARABIC\s12吸附元件的总变形图由图可知，吸盘支撑件的最大变形为0.00042428mm。图6.SEQ图\*ARABIC\s13吸附元件的应力云图由图可知，可以得出最大应力为0.498756MPa。由以上数据可以得出，吸附支撑件的最大应力小于材料的屈服极限，最大变形也在可接受范围内，所以符合预期目标，不需要优化。结论本文针对当前玻璃幕墙清洗机机器人研究中，对壁面的适应