吸附式爬壁清洗機設計說明書

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附贈CAD圖紙和三維圖紙、說明書,領取加Q 197216396 或 11970985 摘 要 隨著城市高層建筑的興起，以玻璃壁面為代表的壁面結構逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任務，爬壁移動機器人可承擔此清洗、任務，將為人類帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 爬壁移動機器人是一種能夠在垂直壁面進行移動作業(yè)的極限作業(yè)機器人，世界機器人大國日本在極限作業(yè)機器人研究方面尤為積極。 吸附式爬壁清洗機主要由吸附部分、移動部分和清洗部分組成。爬壁清洗機應該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力大于清洗機的重力，從而防止墜落，同時還應具有驅(qū)動機構，能夠使清洗機在壁面上自由移動，并且有電機控制清潔頭旋轉，當清洗機在壁面上移動時能夠完成對壁面的清潔工作。 本文設計的吸盤吸附爬壁清洗機器人具有如下功能：吸附與行走功能、壁面適應功能、完成清洗工作的能力。 行走功能由履帶與履帶輪相嚙合形成履帶完成。 吸附機構采用真空吸附技術，設計吸附機構要能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機器人工作過程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。 清潔機構是與爬壁機器人相配合用于壁面清潔的機器人附件，實現(xiàn)對壁面的清洗。 本文設計的吸盤吸附爬壁清洗機器人結構簡單，操作方便，適合未來發(fā)展方向，有很大的市場前景。 關鍵詞：吸盤吸附 機器人 爬壁清洗 履帶 ABSTRACT With the development of city of tall buildings with glass wall, as the representative of the wall structure has evolved gradually into a gorgeous "city coat", derived from the heavy wall cleaning tasks, wall climbing robot can undertake the cleaning, tasks, will bring huge economic benefits and social benefits for human. Wall climbing robot is a kind of ultimate robot capable of moving on the vertical wall of the operation, the robots in Japan in the limit of robot has been particularly active. Adsorption type wall climbing cleaning machine is mainly composed of adsorption part, a moving part and a cleaning part. Wall climbing cleaning machine should have certain adsorption capacity, friction generated more than cleaning machine, gravity, and thus prevent the fall, but also has a drive mechanism, can make the cleaning machine free movement on the wall, and a motor control cleaning head rotation, when the cleaning machine to move on the wall surface can finish the work on time wall cleaning. The suction wall climbing cleaning robot is designed in this paper has the following functions: adsorption and walking function, adaptability to wall surfaces function, complete cleaning work. Walking function by the track and the track wheel meshed track to complete the form. The adsorption mechanism adopts vacuum adsorption, adsorption mechanism design to produce adsorption ability, it can safely and reliably adsorbed on the work surface to ensure the robot working process. Cleaning mechanism is matched with the wall climbing robot for wall cleaning robot for wall cleaning accessories. Sucking the wall climbing cleaning robot has the advantages of simple structure, convenient operation, suitable for the future direction of development, have great market prospects. Keywords: suction wall climbing cleaning robot crawler 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 III 第一章 緒 論 1 1.1選題背景及其意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.3 Pro/E軟件介紹 4 第二章 爬壁機器人原理方案擬定 7 2.1 履帶式磁吸附爬壁 7 2.2 車輪式磁吸附爬壁 7 2.3 履帶式吸盤吸附爬壁 7 2.4 原理方式比較 7 2.5履帶式吸盤吸附爬壁機器人各部分方案擬定 8 2.5.1 吸盤吸附爬壁機器人功能要求 8 2.5.2 清掃履帶結構的方案擬定 9 2.5.3 爬行機構的方案擬定 9 2.5.4 清洗機行走機構方案 10 2.5.5 清洗機清洗機構的設計 10 第三章 傳動及動力設計與計算 11 3.1 吸盤設計 11 3.2 吸盤機構設計 15 3.3 清洗機構齒輪傳動設計 16 第四章 結構設計 22 4.1 行車主體設計 22 4.2 清掃刷設計 22 4.3 履帶結構設計 23 4.4 配氣盤結構設計 26 第五章 三維建模與虛擬裝配 28 5.1 零件建模 28 5.1.1車體底座建模 29 5.1.2履帶建模 30 5.1.3配氣盤建模 30 5.1.4 輪軸建模 31 5.1.5 齒輪箱蓋建模 31 5.1.5 齒輪建模 32 5.2 虛擬裝配 33 結 論 35 參考文獻 36 致謝 38 39 第一章 緒 論 1.1選題背景及其意義 機器人是人類二十一世紀的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產(chǎn)物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備，機器人技術的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學研究發(fā)生根本性的變化，而且將對人類的社會產(chǎn)生深遠的影響。機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當代應用最廣泛、發(fā)展迅速的高科技產(chǎn)業(yè)之一。機器人作為高科技領域的一個重要分支，將成為二十一世紀各國爭奪的經(jīng)濟技術的制高點。 隨著城市現(xiàn)代化發(fā)展，特別是高層建筑的興起，以玻璃壁面為代表的壁面結構逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任務，并且許多國家已經(jīng)對建筑壁面的清洗要求做出了明確規(guī)定。另一方面，越來越奇特的建筑結構使清洗的難度越來越大，甚至采用傳統(tǒng)的清洗方法已無能為力。然而，在社會文明高度發(fā)展的今天，人們對生命安全越來越重視，要求停止使用蜘蛛人的呼聲已不絕于耳，因此人們期待新的具有人性化的清洗方式出現(xiàn) 在高層建筑墻面清潔工作中，爬壁清潔機得到了廣泛關注，它將人類從繁重、危險的高樓清洗工作中解放出來，它憑借能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動機械裝置的優(yōu)良特性，越來越受到人們的重視。爬壁清洗機能有效降低高層建筑的清洗成本，提高清潔效率，同時也推動了清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當?shù)纳鐣б妗⒔?jīng)濟效益。 本課題主要設計一種履帶吸盤式爬壁清洗劑，采用履帶式移動方式，雙履帶和車體構成機器人的基本框架；真空吸盤式吸附方式加以完善的配氣系統(tǒng)，可為清洗機提供足夠的吸附力。吸盤式結構克服了現(xiàn)有爬壁機器人結構上的缺點與不足，提高了爬壁機器人的實用性能。因此，本課題的研究具有較高的科研價值和經(jīng)濟價值。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 爬壁移動機器人廣泛應用于維護、檢查、消防、救援、清洗、情報和國防領域等，必將為人類帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。各工業(yè)發(fā)達國家都投入大量人力物力，積極進行其理論和技術研究，如日本、美國、英國、俄羅斯、德國、奧地利、西班牙等國相繼研制出一些各具特色的爬壁移動機器人實驗樣機。我國在國家自然基金和863計劃的大力支持下，從上世紀90年代中期也相繼開發(fā)出一些爬壁移動機器人樣機。 爬壁移動機器人是一種能夠在垂直壁面進行移動作業(yè)的極限作業(yè)機器人，世界機器人大國日本在極限作業(yè)機器人研究方面尤為積極。早在1966年，在大阪府立大學工學部任講師的西亮利用電風扇進行側低壓空氣產(chǎn)生的負壓作為吸附力制作了一臺垂直壁面移動機器人的原理樣機。1975年，已經(jīng)身為宮崎大學工學院部教授的西亮又制作了以實用化為目標的二號樣機，這是個單吸盤結構、靠輪子行走的壁面移動機器人。此次以后各國著名的大學、研究所、公司紛紛投入力量廣泛開展用于極限作業(yè)的壁面移動式機器人的研究。 傳統(tǒng)爬壁機器人有很多的不足之處，例如對壁面的材料和形狀適應性不強、跨越障礙物的能力弱、體積大、質(zhì)量重等，因此未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的方向發(fā)展，在以下三個方面做到進一步完善或有所突破。 首先，新的吸附方式與吸附裝置的產(chǎn)生與應用。最近幾年，美、英、俄等國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力——范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時產(chǎn)生的一種微弱電磁引力?？茖W家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，壁虎腳趾上約有650萬根次納米級的細毛，每根細毛直徑約為200至500納米，約是人類毛發(fā)的直徑的十分之一。如果壁虎腳上650萬根細毛全部附著在物體表面上時，可吸附住質(zhì)量為13千克的物體。 利用壁虎吸附壁面的原理，由美國斯坦福大學教授馬克庫特科斯基帶領的研究小組開發(fā)了一種稱為“粘蟲”( Stickybot )的“壁虎機器人”，這種機器人的足底長著人造毛(由人造橡膠制成)。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。這種突破很好地解決了吸附力不足及機器人對壁面的材料和形狀適應性不強的問題。 為了探索新的吸附方式與吸附裝置，相關研究可以綜合運用仿生學、類比、模擬和模型方法，通過高分子材料化學、工程材料科學、力學和機械學的交叉研究，以產(chǎn)生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制約機器人吸附壁面的種種瓶頸。 其次，移動方式得到改善與優(yōu)化。在移動機器人中廣泛應用的是輪式和履帶式移動方式，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對容易地跨過比較大的障礙例如瓷磚間隙、壁面小突起等；并且機器人的足具有大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，因此可以在可達到的范圍內(nèi)選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結構多樣、運動靈活，適應于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結構將在爬壁機器人上有著較好的應用前景。 第三，驅(qū)動系統(tǒng)和動力部分朝著原理更新、可靠性更高、機電一體化、超微化、新結構等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的爬壁機器人因為伺服電機功率重量比低，為平衡重量應放置在離驅(qū)動系統(tǒng)較遠的位置，但這種布置會使機器人結構更加復雜。普通的蓄電池重量大、儲能少不能滿足爬壁機器人對能源的需求。這些問題都需要驅(qū)動和能源相關技術的發(fā)展進步，需要將先進的、最新的科研成果應用于爬壁機器人的研究與開發(fā)。 相對國外，我國研究和開發(fā)機器人始于七十年代初期，國內(nèi)爬壁移動機器人研究起步較晚。1975年在北京舉行的日本科技展覽會上，川崎重工業(yè)公司首先在中國展出了工業(yè)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研制機器人的浪潮。北京自動化研究所、上海交大、沈陽自動化所、大連組合機床所。廣州機床所等十幾個單位紛紛開始研制機器人。 目前高層建筑墻面作為高樓外防護結構的現(xiàn)象越來越普遍，為了保證玻璃外觀的整潔美麗，就需要定期對玻璃表面進行清洗，而大部分玻璃幕墻采用人工清洗作業(yè)。這種清洗方法是靠升降平臺或吊繩懸掛由人進行玻璃幕墻的清洗，作業(yè)方式簡單易行，但效率低且成本高，更重要的是高空環(huán)境條件惡劣易引發(fā)安全事故。隨著控制和機電技術的發(fā)展，壁面清洗機器人應運而生。利用壁面清洗機器人作業(yè)將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，具有相當?shù)纳鐣?、?jīng)濟意義和廣闊的應用前景。玻璃幕墻爬壁清洗機器人的研制成功，將會實現(xiàn)清洗作業(yè)的自動化，給清洗業(yè)帶來一次新的革命。 1.3 Pro/E軟件介紹 Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。 Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)重要位置。 1）Pro/Engineer Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色，實體或線框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉）。Pro/Engineer是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數(shù)改變，其也相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持Postscript格式的彩色打印機。Pro/Engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)，用戶更可配上 Pro/Engineer軟件的其它模塊或自行利用 C語言編程，以增強軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下（沒有任何附加模塊）具有大部分的設計能力，組裝能力（運動分析、人機工程分析）和工程制圖能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS標準），并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀（HP，HPGL）和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形輸出。Pro/Engineer功能如下： 1．特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）； 2．參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； 3．通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關系來進行設計。 4．支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設計的程序化方法等）。 5．貫穿所有應用的完全相關性（任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動）。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro/ENGINEER的基本功能。 2）Pro/E機構運動仿真 工程師無需等待物理原型就能測試產(chǎn)品的動力行為。利用 Pro/ENGINEER 機構動力學仿真，您可以虛擬地仿真包含運動元件的系統(tǒng)中的作用力和加速度。而且，您可以綜合考慮諸如彈簧、電動機、摩擦力和重力等動力影響，相應地調(diào)整產(chǎn)品性能。改善檢驗和認證過程并最大程度地提高設計信心，而無需承受制造昂貴原型的負擔。 與設計和分析工具完全集成，從而無需再花費時間、精力和金錢來處理數(shù)據(jù)轉換和關聯(lián)的錯誤。 利用Pro/E機構仿真有以下優(yōu)點： ? 可以創(chuàng)建虛擬樣機在桌面計算機中進行測試，從而降低開發(fā)成本 模擬賽車懸架所受到的實際作用力。 ? 能夠更快速和更早地將變更反映在產(chǎn)品中，并從桌面計算機測試中即時獲得結果。 ? 通過縮短開發(fā)時間率先向市場推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。 ? 通過對產(chǎn)品壽命進行更準確的估計，從而可降低保修成本。 ? 利用具體的動畫式生產(chǎn)指令進行裝配，可以避免代價高昂的制造錯誤。 ? 通過利用從虛擬測試中所節(jié)省的時間來評估更多設計構思，從而可開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品。 ? 在易于學習、直觀明了的用戶界面中工作。 第二章 爬壁機器人原理方案擬定 機器人實現(xiàn)爬壁功能，有下面幾中可行方案： 2.1 履帶式磁吸附爬壁 在機器人設計中采取加長履帶、浮動支撐、載荷分散機構、柔性履帶等措施，以提高爬壁機器人的壁面適應能力， 實現(xiàn)其在壁面的安全爬行。 2.2 車輪式磁吸附爬壁 機器人靠磁性車輪對壁面產(chǎn)生吸附力吸附在各種大型構造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。 主要特征是：行走穩(wěn)定、速度快. 缺點是：磁吸附使它僅適用于導磁材料壁面，即這種原理有其使用局限性；車輪式的行走方式使維持一定的吸附力較困難，車輪的直徑會使機器人相對于壁面的扭矩增大，使機器人運行的穩(wěn)定型和安全性相應降低；車輪的行走軌跡是連續(xù)的，這不利于機器人跨越壁面的凹凸不平處，使機器人對壁面的平整質(zhì)量要求提高。 2.3 履帶式吸盤吸附爬壁 將吸盤的真空吸附方式和履帶式移動方式相結合，真空吸盤固定在柔性的履帶上，采用雙履帶對稱結構。固定式配氣盤結構作為吸盤和真空泵抽進氣系統(tǒng)相連接的媒介。主動輪置中，兩側各有一從動輪，主、從動輪和履帶銜接均是模擬齒輪齒條嚙合。壁面清潔組件、傳遞救援物資組件通過功能組件耦合處與機器人機體相連以完成相應功能。 2.4 原理方式比較 通過以上三種方式比較分析，本案例要求清洗機壁面移動速度：11-15m/min ；越障高度：50 mm；本體重量：30 Kg；負載能力：15 Kg ；作業(yè)高度：0～100 m；作業(yè)功能：可進行8 mm 以上厚度的玻璃幕墻的清洗作業(yè)。 因此，采用履帶式吸盤吸附方式更合理。 吸附式爬壁清洗機主要由吸附部分、移動部分和清洗部分組成。爬壁清洗機應該具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力應大于清洗機的重力，從而防止墜落，同時還應具有驅(qū)動機構，能夠使清洗機在壁面上自由移動，并且有電機控制清潔頭旋轉，當清洗機在壁面上移動時能夠完成對壁面的清潔工作。 同時，還要滿足以下要求： 2.5履帶式吸盤吸附爬壁機器人各部分方案擬定 2.5.1 吸盤吸附爬壁機器人功能要求 爬壁機器人要在壁面移動，對壁面進行清潔需要具備以下基本的功能： （1） 吸附與行走功能 吸附與行走是爬壁機器人所需具備的兩個基本功能，因此爬壁機器人應具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力能夠大于機器人的重力，防止墜落；同時，還應當有驅(qū)動機構，能夠使機器人在壁面上自由行走移動。 （2） 轉向功能 清潔過程中，爬壁機器人需要按照一定的路徑在壁面行走，對整個壁面完成清潔工作，就要求爬壁機器人能夠自由的轉向，從而提高清潔效率。 （3） 壁面適應功能 爬壁機器人能夠逾越較小的障礙（如玻璃接縫），即要求爬壁機器人具有一定的適應壁面凹凸不平的能力，這也是爬壁機器人的工作性質(zhì)和工作環(huán)境決定的。 （4） 完成工作任務能力 爬壁機器人在壁面上移動的同時要完成相應的功能，這就要求功能組件能夠在爬壁機器人上正確穩(wěn)定地定位，可以發(fā)揮其功能。 2.5.2 清掃履帶結構的方案擬定 爬行機構要簡單、高效、小型。使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線移動，保證機器人能夠按照地面操作人員的遙控進行工作，用履帶與履帶輪相嚙合形成履帶的設計。 圖1 三履帶輪平行履帶 2.5.3 爬行機構的方案擬定 吸附機構采用真空吸附技術，設計吸附機構要能產(chǎn)生一定的吸附力，確保機器人工作過程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。 圖2 爬壁機器人受力示意圖 Fi：清洗機爬行所用的力；G:爬壁清洗機的重力；d:壁面與爬壁清洗機重心的距離 2.5.4 清洗機行走機構方案 設計清洗機的行走機構能夠在壁面上完成直線移動，并且能夠跨越高度為5厘米的障礙，并且在運動過程中實現(xiàn)清洗的目的。 圖3 履帶與履帶輪嚙合原理圖` 2.5.5 清洗機清洗機構的設計 清潔機構是與爬壁機器人相配合用于壁面清潔的機器人附件，實現(xiàn)對壁面的清洗。 圖4 清洗機清洗部分示意簡圖 第三章 傳動及動力設計與計算 3.1 吸盤設計 為了確定吸盤式爬壁機器人的負載能力和安全性能，必須對機器人所受的力進行分析。當機器人吸附在玻璃壁面上時，受力情況如圖3-1，各符號意義如下: ———墻壁對第i組吸盤的法向支撐力(垂直于墻面) ，i = 1，…，4； ———作用在第i組吸盤上的真空吸力，i = 1，…，4 ； ———墻壁作用在第i吸盤上的摩擦力， i = 1，…，4 ； G ———作用在機器人上的重力(包括外設) ； p ———相鄰兩組吸盤之間的距離； d ———機器人的等效重心到玻璃壁面的距離； 圖3-1 爬壁機器人受力示意圖 機器人在工作時，當其在玻璃壁面上移動時有兩種危險的情況可能發(fā)生：一種情況是它從墻面上滑落；另一種情況是由于最上方接觸的吸盤由于受傾翻力矩太大脫離墻面，引起機器人的傾翻。設計中，機器人的吸附機構受力應避免滑落和傾翻兩種情況發(fā)生，為了簡化分析計算，這里只考慮了靜態(tài)吸附情況。 (1)避免機器人從墻面上滑落。根據(jù)摩擦力的特性，同樣工況下，最大靜摩擦力要大于滑動摩擦力，所以有： G < min(，) = = Nμ 式中：μ———最小摩擦因數(shù)； N ———兩接觸表面間的正壓力。 (2)避免機器人從玻璃幕墻上傾翻下來。在顛覆力矩的作用下，應該滿足： > 0 　( i = 1，…，4) 假設作用在支撐輪上的力不加考慮，認為墻壁對機器人的反作用力只作用在與墻壁接觸的吸盤上，由此靜態(tài)下，機器人在x 、y 方向受力分別滿足： 所受的平衡力矩為(以O 點為參照點) ： 并假定各個吸盤的真空度是均衡的，則作用在吸盤上的吸力為： V = = sv 式中： s ———每組吸盤總的吸附面積； v ———工作吸盤內(nèi)的真空度。 為了方便計算 ，假設幾個約定條件，設作用于吸盤上的支撐力 ( i = 1…，5) 形成一對，并且從到比例增加，以上假設可用下式表示為： - = - ( i = 1，2) 聯(lián)立解式(2-12)，(2-13) ，(2-14) ，得到 ( i = 1，…，4) 表示式： 理論上，由式(2-16) 可知，只要滿足 > 0 ,則條件(2) 滿足條件，求得： 機器人牢靠吸附在工作面上(不從玻璃壁面上滑落或傾翻下來) 的條件應該滿足: G < min(，) 理論上： = 5μV 　 f c2 = 在進行爬壁機開發(fā)和設計時，可以根據(jù)具體的尺寸p，d確定，的大小，根據(jù)計算式來計算設計是否滿足爬壁機不滑落不傾翻的條件。（在計算時基于安全考慮，玻璃與吸盤間的典型摩擦因數(shù)按最小計μ = 0. 11 。） 根據(jù)計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是（1）或（2）。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機器人安全地工作?？紤]到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應當另外增加安全系數(shù)，在設計時,考慮只有下面4 組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保： 或表示為： 式中：G ———機器人和負載總的質(zhì)量G=30KG； 　 ———作用在機器人吸盤上吸力的總和，； 　　　λ = 1/ μ；μ = 0. 11 　　　 n ———安全系數(shù)n=1.2。 根據(jù)設計數(shù)據(jù)可知，p=207.99mm，d=100mm，當負載為大約300N時應取真空度V=，最小摩擦因數(shù)取0.11，由此可以得到： 根據(jù)計算分析出最可能發(fā)生危險的情形是爬墻機從壁面滑落。在保證次危險安全的情況下，保證最危險的情況不會發(fā)生，由此才能保證爬壁機安全地工作。考慮到機器人在越障時第一組吸盤可能發(fā)生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，應當另外增加安全系數(shù)，在設計時，考慮只有下面4組吸盤組工作時機器人仍能夠安全吸附。因此，保證機器人的安全，要確保： 取安全系數(shù)為2.5，根據(jù)爬壁機器人的設計要求，總重量M=30kg，故： G< 可知，爬墻機不會發(fā)生滑落的危險，由知其也不會從壁面傾翻。 吸盤吸附材料采用軟橡膠。機器人的工作狀況與吸盤的吸力大小有關，如圖所示為機器人靜止吸附在壁面時的受力情況。 圖2-4 機器人靜止吸附在壁面時的受力情況 機器人能維持吸附的條件為: （設） 式中： F 為摩擦力，為摩擦系數(shù)，為單個吸盤的吸力，G 為機器人自重與其附件重量之和，n 為吸盤的個數(shù)。由于機器人重心離壁面距離為h， 與F 形成的力矩將影響到重心上半部分對壁面的有效壓力，同時，考慮到由于地面有縫隙而減少真正吸附壁面的吸盤個數(shù)，引入安全系數(shù)，則單個吸盤的吸附力為： 值的大小取決于壁面灰塵、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障礙物如電線、導氣管等因素，一般取2~3。 P=2 3.2 吸盤機構設計 如圖所示為單個吸盤的結構圖，它是由鋼球1、彈簧、彈簧、導氣管組成。 在忽略氣體摩擦和位置時，由伯努利方程得： 即 圖 單個吸盤的結構圖 式中：V 為氣體的速度，K 為氣壓壓縮系數(shù)，P 為壓力，為密度，C 為常數(shù)。機器人工作前，可根據(jù)工作壁面的性質(zhì)和載重量通過手動調(diào)節(jié)閥設定氣流通過導氣管的速度；在機器人工作時，當導氣管中的氣壓減小，同時有幾個吸盤（正常工作時有4組吸盤）已經(jīng)處于有效吸附的情況下，吸盤在大氣壓力的作用下吸附于壁面。而在縫隙上的吸盤將與大氣相通，因此V值將增大，氣體進入吸盤，吸盤即脫離壁面。 式中：為氣體密度，Q 為流量， 為氣體流速的改變量，g為重力加速度，k為彈簧屈強系數(shù)，為壓縮位移。則： 3.3 清洗機構齒輪傳動設計 （一）選精度等級、材料及齒數(shù) 為提高傳動平穩(wěn)性及強度，選用斜齒圓柱齒輪 小齒輪材料：45鋼調(diào)質(zhì) HBS1=280 接觸疲勞強度極限MPa （由[1]P207圖10-21d） 彎曲疲勞強度極限 Mpa （由[1]P204圖10-20c） 大齒輪材料：45號鋼正火 HBS2=240 接觸疲勞強度極限 MPa （由[1]P206圖10-21c） 彎曲疲勞強度極限 Mpa （由[1]P204圖10-20b） 精度等級選用7級精度 初選小齒輪齒數(shù)24 大齒輪齒數(shù)Z2 = Z1= 244=96取96 （二）按齒面接觸強度設計 計算公式： mm （由[1]P216式10-21） 1）確定公式內(nèi)的各計算參數(shù)數(shù)值 初選載荷系數(shù) 小齒輪傳遞的轉矩 Nmm 齒寬系數(shù) （由[1]P201表10-7） 材料的彈性影響系數(shù) Mpa1/2 （由[1]P198表10-6） 區(qū)域系數(shù) （由[1]P215圖10-30） ， （由[1]P214圖10-26） 應力循環(huán)次數(shù) 接觸疲勞壽命系數(shù) （由[1]P203圖10-19） 接觸疲勞許用應力 取安全系數(shù)1.0 ∴ 取 （三）計算 （1）試算小齒輪分度圓直徑 =24.03mm （2）計算圓周速度 m/s （3）計算齒寬b及模數(shù)mnt mm b/h=10.99 ﹙4﹚計算縱向重合度 =2.0933 （5） 計算載荷系數(shù) ① 使用系數(shù) <由[1] P190表10-2> 根據(jù)電動機驅(qū)動得 ② 動載系數(shù) <由[1] P192表10-8> 根據(jù)v=1.43m/s、 7級精度 ＝1.1 ③ 按齒面接觸強度計算時的齒向載荷分布系數(shù) <由[1]P194表10-4> 根據(jù)小齒輪相對支承為非對稱布置、7級精度、=1.0、 mm，得 =1.42 ④ 按齒根彎曲強度計算時的齒向載荷分布系數(shù) <由[1]P195圖10-13> 根據(jù)b/h=10.99、 ⑤ 齒向載荷分配系數(shù)、 <由[1]P193表10-3> 假設，根據(jù)7級精度，軟齒面?zhèn)鲃?，? ∴=2.72 （6） 按實際的載荷系數(shù)修正所算得的分度圓直徑 <由[1]P200式(10-10a)> mm （7） 計算模數(shù) （四）按齒根彎曲強度設計 <由[1]P198式(10-5)> 1 確定計算參數(shù) （1）計算載荷系數(shù)K （2）螺旋角影響系數(shù) <由[1]P215圖10-28> 根據(jù)縱向重合系數(shù)，得 0.92 （3）彎曲疲勞系數(shù)KFN <由[1]P202圖10-18> 得 （4）計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.2 <由[1]P202式(10-12)>得 （6）查取齒型系數(shù)YFα 應力校正系數(shù)YSα <由[1]P197表10-5> 得 （7）計算大小齒輪的 并加以比較 比較 < 所以大齒輪的數(shù)值大，故取0.014269。 （五）計算 =0.63mm 取1 （六）分析對比計算結果 對比計算結果，取=1.0已可滿足齒根彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，需按接觸疲勞強度算得的d1＝28.68mm來計算應有的 取30 取120 （七）幾何尺寸計算 1 計算中心距阿a 將a圓整為75mm 3 計算大小齒輪的分度圓直徑d1、d2 mm mm 4計算齒寬度 B=mm 取B1=16mm，B2＝16mm 第四章 結構設計 4.1 行車主體設計 爬壁機器人車體長為863mm，寬為534mm，Q235鑄件壁厚3mm，上下車體連接螺栓使用M6，共12個螺栓，均布在上下車體連接凸出面上。上車體上面凸出室分為兩個空間分別放置電池和供氣系統(tǒng)，頂端一個控制盒，用來放置控制系統(tǒng)，下車體后部有功能部件聯(lián)結口，功能部件由螺栓安裝在下車體上。圖41-為車體的裝配圖。 圖4-1 行車主體設計 4.2 清掃刷設計 壁面清潔系統(tǒng)部件是與爬壁機器人相配合用于壁面清潔的機器人附件。它由清潔系統(tǒng)支架、清潔電機、清潔頭、傳動齒輪、毛刷組成，清潔口安裝在齒輪伸出桿上。閉合控制開關，清潔頭旋轉，機器人在壁面上移動時即可完成對壁面的清潔工作。圖4-2所示為壁面清潔系統(tǒng)圖。 圖4-2 清潔系統(tǒng) 4.3 履帶結構設計 履帶采用橡膠履帶，橡膠履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料，通過模壓硫化而制成。橡膠履帶具有接地比壓小、牽引力大、振動小、噪音低、濕田通過性能好、不損傷路面、速度快的優(yōu)點。履帶輪采用的材料為聚碳酸酯注塑而成。履帶和履帶輪聯(lián)結模擬齒輪齒條嚙合，相嚙合齒的模數(shù)為1.5。 圖4-3 履帶行走機構 圖4-4 主動齒輪 表格4-1所示為橡膠履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的主要性能，表格3-2為履帶輪材料聚碳酸酯的主要。 表4-1 天然橡膠和順丁橡膠的主要性能 品種 抗拉強度 （MPa） 伸長率 （%） 使用溫度 （<（）） 天然橡膠 25~35 650~900 120 順丁橡膠 18~25 450~800 120 表4-2 聚碳酸酯的主要性能 塑料名稱 密度 ( 透明性 抗拉強度 （MPa） 抗拉彈性模量 （ 熔點 （） 聚碳酸酯 （PC） 1.2 透 66~70 2.2~25 220~230 由表格4-1和表格4-2可以看出，履帶基質(zhì)天然橡膠和順丁橡膠的抗拉強度比履帶輪材料聚碳酸酯低。但是履帶是由橡膠主體、芯金、簾線骨架材料組成，碳素彈簧鋼絲（如直徑為0.08mm）抗拉強度為2059~2452MPa，因此履帶輪出現(xiàn)危險的可能性大，下面對履帶輪進行校核。 履帶輪驅(qū)動履帶轉動時，根據(jù)功率的關系可得： 式中各符號的意義為： P——驅(qū)動輪傳遞給履帶的功率，單位為W； ——主動輪驅(qū)動履帶的扭矩，單位為； ——為主動輪轉動的角速度，單位rad/s； ——安全系數(shù)，是為了保證有一定的功率裕量和功率損耗，一般取2~3； ——機器人的總質(zhì)量，單位為； ——重力加速度，單位為； ——機器人在壁面上運行的速度，單位。 設在主動輪工作中一個齒上的剪力為，則有： 式中，A——主動輪齒底部的截面積，單位為； ——主動輪輪齒底部受到的切應力，單位為Pa； ——主動輪輪齒底部截面的長度，單位為； ——主動輪輪齒底部截面的寬度，單位為。 對主動輪中心取矩，由平衡方程，可得： 式中，——主動輪工作中一個齒上的剪力為； ——主動輪的直徑，單位為mm； ——同時處于工作狀態(tài)的齒輪數(shù)； 對于主動輪的轉動有： 式中，r——主動輪的半徑，單位m； 可以得到，主動輪輪齒底部受到的切應力： 式中，安全系數(shù)k取2.5，機器人的總重量m為30Kg，重力加速度g取9.8，機器人工作時同時處于工作狀態(tài)的輪齒數(shù)取2.3，主動輪輪齒底部寬為26mm，主動輪輪齒底部長度b為4.2mm，將以上數(shù)據(jù)代入式（3-16），可以得到： 對于主動輪的聚碳酸酯材料可以由其抗拉強度參考其抗切應力的強度，故有： 可知，爬壁機器人的主動輪強度滿足要求，綜合以上討論證明可知爬壁機器人的行走機構滿足強度要求，能夠保證機器人安全可靠地完成工作任務。 4.4 配氣盤結構設計 配氣盤結構的作用是在爬壁機器人工作時完成吸盤的抽氣與進氣，配氣盤結構主要有配氣盤、密封氈、配氣接口組成，配氣盤通過配氣盤固定桿固定于下車體上，密封氈緊貼于配氣盤的內(nèi)表面；配氣接口安裝于配氣盤的下側，用于完成對即將進入工作或退出工作狀態(tài)的吸盤完成抽氣、進氣工作。 圖2-7為履帶與配氣盤的聯(lián)結示意圖，履帶的突起部恰好裝配于配氣盤和密封氈的凹槽內(nèi)；當機器人工作時，履帶處于旋轉狀態(tài)，當相應的吸盤進入或退出工作狀態(tài)時，由配氣孔完成它們的抽氣、進氣工作。 圖4-5 聯(lián)接示意圖 圖 4-6 聯(lián)接完成后示意圖 第五章 三維建模與虛擬裝配 5.1 零件建模 在三維建模中主要有以下3種特征： (1)實體特征　它是構建三維模型的基本單元和主要設計對象。實體特征可以是正空間特征(如實體的突出部分)，也可以是負空間特征(如實體上的孔、槽等)。在Pro/E中，根據(jù)建模方式和原理的差異，把實體特征進一步分為基礎特征和工程特征基礎特征是三維模型設計的起點，包括拉伸特征、旋轉特征、掃描特征和混合特征等。工程特征是在基礎特征上的附加特征，它的創(chuàng)建依賴于已存在的基礎特征，是有一定工程應用價值的特征，包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。 (2)曲面特征　它是一種沒有質(zhì)量和體積的幾何特征，對曲面的精確描述比較復雜，在目前三維造型中通常采用“B樣條曲線”為基礎，通過曲率分布圖對曲線進行編輯，進而得到高質(zhì)量的曲面造型曲面特征主要用于產(chǎn)品的概念設計、外形設計和逆向工程等設計領域。 (3)基準特征　指參數(shù)化設計的基準點、基準軸、基準曲線、基準平面和坐標系等。一般來說，基準特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。 利用Pro/E建模首先從整體研究將要建模的零件，分析其特征組成，明確不同特征之間的關系和內(nèi)在聯(lián)系，確定零件特征的創(chuàng)建順序，在此基礎上進行建模、添加工程特征等設計。通過二維平面草繪圖的旋轉、拉伸、掃描和混合等工具來實現(xiàn)三維實體模型的構建。Pro/E三維模型將線框、曲面和實體三者有機地結合起來，形成一個整體，整個建模過程是基于特征為基本單位的參數(shù)化設計過程。其中參數(shù)包括幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)。幾何參數(shù)確定了實體特征基本位置的固定關系，尺寸參數(shù)決定了產(chǎn)品外觀尺寸和相對距離。利用參數(shù)可以準確控制和修改所建立的三維模型。 Pro/E建模的一般過程如下： (1) 建立或選取基準特征作為模型空間定位的基準：如基準面、基準軸和基準坐標系等。建立每個實體特征時，都要利用基準特征作為參照; (2) 建立基礎實體特征：拉伸、旋轉、掃描、混合等; (3) 建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等; (4) 特征的修改：特征陣列、特征復制等編輯操作； 5.1.1車體底座建模 主要利用拉伸、抽殼、打孔，倒圓角、倒角等命令，創(chuàng)建出如主體焊接件及蓋板零件。 圖5-1 車體底座 圖5-2 車體蓋 5.1.2履帶建模 履帶建模主要利用拉伸，掃描、打孔等命令，創(chuàng)建出如下履帶： 圖5-3 履帶 5.1.3配氣盤建模 利用拉伸，掃描、打孔等命令，創(chuàng)建出如下配氣盤組件： 圖5-4 配氣盤 5.1.4 輪軸建模 利用拉伸，打孔等命令，創(chuàng)建出如下輪軸： 圖5-5 輪軸 5.1.5 齒輪箱蓋建模 利用拉伸，打孔等命令，創(chuàng)建出如下齒輪箱蓋： 圖5-6 齒輪箱蓋 5.1.5 齒輪建模 利用參數(shù)化，拉伸，打孔等命令，創(chuàng)建出如下齒輪模型： 圖5-7 傳動小齒輪 5.2 虛擬裝配 虛擬裝配就是利用零部件的鏈接關系建立裝配。 PRO/E的裝配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的產(chǎn)品開發(fā)方法。所謂自下而上的設計模式,即先在零件模塊中構造各個零件的三維模型,然后在裝配模塊中建立零部件之間的鏈接關系,這種鏈接關系的建立是通過配對條件在零部件之間建立約束關系來確定零部件在產(chǎn)品中的位置。 在虛擬裝配中,零部件的幾何體是被裝配利用,而不是復制到裝配中?；赑RO/E具有單一數(shù)據(jù)庫的特性,不管如何編輯零部件和在何處編輯零部件,整個裝配部件保持關聯(lián)性,如果修改整個零部件,則引用它的裝配件自動更新,反映零部件的最新變化。 進行零件裝配時最重要的步驟就是對零部件進行適當?shù)募s束,在PRO/E中建立裝配關系是用帖合、平面和基準面對齊,坐標系各個軸相互對齊等約束命令將所有的零部件按要求裝配在一起。 　虛擬裝配是在產(chǎn)品設計過程中，為了更好地幫助進行與裝配有關的設計決策，由此擬定裝配草圖．它以產(chǎn)品可裝配性的全面改善為目的，通過模擬試裝和定量分析，找出零部件結構設計中不適合裝配或裝配性能不好的結構特征，進行設計修改．最終保證所設計的產(chǎn)品從技術角度來講裝配是合理可行的，從經(jīng)濟角度來講應盡可能降低產(chǎn)品總成本，同時還必須兼顧人因工程和環(huán)保等社會因素． 按如上論述的方法，裝配焊煙凈化設備。 首先將零件裝配成部件組件，再裝組件及零件裝配成設備主體。 圖5-8 從動齒輪組件 圖5-8 履帶組件 圖5-9 清掃機構 圖5-10 吸附式爬壁清洗機總裝三維圖 結 論 吸附式爬壁清洗機主要由吸附部分、移動部分和清洗部分組成。爬壁清洗機具有一定的吸附能力，其產(chǎn)生的摩擦力大于清洗機的重力，具有驅(qū)動機構，能夠使清洗機在壁面上自由移動，有電機控制清潔頭旋轉，當清洗機在壁面上移動時能夠完成對壁面的清潔工作。 吸附式爬壁清洗機能夠?qū)崿F(xiàn)直線移動，保證機器人能夠按照地面操作人員的遙控進行工作，用履帶與履帶輪相嚙合的方式進行驅(qū)動，由吸附機構產(chǎn)生一定的吸附力，確保機器人工作過程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。 清洗機的行走機構能夠在壁面上完成直線移動，并且能夠跨越高度為5厘米的障礙，并且在運動過程中實現(xiàn)清洗的目的。 爬壁清洗機融合了吸盤式真空吸附和履帶式移動方式的優(yōu)點，吸盤在履帶上的分布和履帶自身柔性使得清洗機能夠跨越障礙物，又因為有吸盤的存在，使履帶不直接與壁面接觸，可能的障礙有玻璃的連接處等，壁面凹凸起伏不大，履帶吸盤式的結構具有逾越較小障礙的功能；同時，考慮到機器人運行的平穩(wěn)性和履帶的使用壽命，因此清洗機履帶結構由驅(qū)動輪（主動輪）置中，導向輪（從動輪）對稱分布，從動輪對稱布置的方式使履帶受力最大處避開了履帶彎曲處，驅(qū)動輪及導向輪兼做支撐輪，可增大接觸面積且使履帶上受力集中處遠離履帶彎曲處，減少了對履帶的損害提高了履帶的使用壽命。 本清洗機結構緊湊，使用維護方便，生產(chǎn)制造成本較低，操作簡單。 通過這次設計，提高了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學過的知識，掌握了設計的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用產(chǎn)品材料、國家標準、圖冊等工具書的能力。 總的說來，本次設計在嚴謹、求實中完成，這將對我的一生都有啟迪和警示作用。由于本人經(jīng)驗不足，設計中不妥之處在所難免，懇請各位老師和同學提出建議和意見，我會誠懇地接受并在今后的設計中改正。 參考文獻 [1] 何雪明， 丁毅，朱明波. 真空吸附式爬壁機器人設計.西北輕工業(yè)學院學報，1997 [2]胡啟寶.多吸盤式玻璃幕墻清洗機器人本體設計.上海交通大學，2007 [3]蔡麗君.履帶式爬壁機器人設計與研究.上海工程技術大學，2011 [4]田靜眉.真空吸附式壁面清洗機器人結構設計與研究.西南交通大學，2013 [5]吳神麗.新型高樓清洗爬壁機器人的研究與設計.成都理工大學，2009 [6] 徐東; 楊鳴凱; 齊文; 陳戈. 豎直玻璃幕墻清洗機器人的設計.中國科技信息，2011 [7]陳沛富.高樓玻璃幕墻清洗機器人設計研究.重慶大學，2006 [8] 姬國釗，張世偉，王奇斌，李俊秀，王卓.真空吸附式爬壁清洗機器人的研制.中國真空學會2008年學術年會論文摘要集，2008 [9]張國平，楊杰，高婧宇.爬壁機器人真空吸附及運動方式探討.液壓氣動與密封，2007 [10] 白琨. 履帶式移動機器人越障能力的研究.內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2007 [11]濮良貴，紀名剛主編.機械設計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5 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