2708 高楼清洗机机电系统设计
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毕 业 设 计 开 题 报 告设 计 题 目 : 高楼清洗机机电系统设计 院 系 名 称: 机电工程学院 专 业 班 级: 机械设计 08-12 班 学 生 姓 名: 金鹏 导 师 姓 名: 国绍文 开 题 时 间: 2012 年 3 月 16 号 1. 课题研究的目的和意义指导委员会审查意见:签字: 年 月 日随着城市现代化得发展和人口的日益增加,为了节省土地资源,高层建筑越来越多,各式各样的摩天大楼成为现代都市中一道亮丽的风景。在建筑业中,由于玻璃的采光性好,保温、防潮,而且采用彩色玻璃使用美观,高层建筑的外观越来越多的采用玻璃幕墙结构没有玻璃覆盖的地方也多采用瓷砖覆盖以增加建筑的美感,但也衍生出繁重的幕墙清洗任务。我国大多数高层建筑清洗工作还是由传统的人力完成,这种高空极限作业相当危险,如遇强空气流,对人身安全及玻璃面都有很大的威胁。因此需要一种能代替人工完成高层建筑清洗任务又有一定灵活性和适应性的自动机器来取代人工作业。高层外墙清洗机正是在这种背景下应用而生,它可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗。它的出现及进一步研究将极大降低建筑外墙的清洗成本改善工人的劳动环境,提高生产效率,并带来相当的社会效益和经济效益。2文献综述(课题研究现状及分析)工业机器人已经在机器人领域中大量投入使用,如汽车、冶金等行业。然而,随着人们生活水平的提高,在机器人领域中,一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现。服务机器人主要涉及清洗、运送、监视、检查和探测等类型的工作,为人类提供和完成服务。其中,清洗是服务机器人应用最广的领域之一。而高楼林立的今天,更需要爬壁清洗机器人的技术可以得到不断改进和提高。2.1 国外壁面清洗机器人研究现状第一个成功制造出来的清洗机器人是德国汉萨斯航空公司委托制作的“SKYWAH”(清洗巨人),如图 1 所示。其主要结构是一个作用距离为 33米的多关节巨型伸缩臂,有 11 个自由度,6 个主轴,3 个腕关节及两个自适应轴,总共 12 个可编程序轴。余的运动链系使得它可以做各复杂运动,而其结构不会有任何变化。所有轴均由液压驱动并采用抗拉钢材,因而其结构重量轻。清洗刷长 1.2m,定位精度为 50mm,滚刷与飞机外形精确匹配。该机器人安装在一个标准汽车地盘上,可以从四个位置出发,机器人在人的监视下按照预定的模式运动,完成对飞机几乎所有表面的清洗工作。其特点是动作灵活,适合于各种规格的飞机。日本 BE 公司成功研制的一种固定轨道式自动擦窗机器人,机器人靠安装在楼顶的轨道及吊装系统使擦窗机对准窗户,沿固定安装在建筑物表面的导槽垂直上下移动进行清洗,清洗机构带有多个旋盘刷。该设备的自动化程度的效率都很高,但价格也很昂贵。另外,要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去,铺设轨道,这大大限制了该机器人的使用范围及效率。图 1 图 2德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所(IPA)是德国主要的生产及自动化研究中心,它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自动系统。图 2 所示是其中之一,对柏林新建火车站的巨大玻璃隧道进行了自动清洗。该机器人悬挂在水平的横向轨道上,可沿轨道左右移动,同时横向轨道可以沿垂直导槽上下移动,从而完成对整块玻璃的清洗。德国的 Fraunhofer 研究所研制了一种名为 SIRIUSC 壁面清洗机器人。该机器人作业时在机器人上方的建筑物顶部有一个随动小车,该小车除了起一个安全作用外,还是机器人位移的定位装置,机器人只能做上下运动,左右运动靠随动小车牵引实现。爬行机构是基于两队线性模块上,每个模块装有几个真空吸盘,每对模块有一个伺服电机驱动。美国国际机器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁机器人“Sky Washer”,它重 19.95kg,约 0.90.9m,该机器人的移动由两组 L 型框架相对滑动,交替吸附来实现,每组框架有三只脚掌,每只脚掌上有两只真空吸盘,吸盘相对于壁面可以作直线运动,该机器人允许横向移动,并可跨越一定高度的障碍。同时配备有洗涤液和擦抹系统,以完成擦窗工作,作业能力为每天4645,并可越 5cm 高、25cm 宽的障碍。除此以外,加拿大、德国、西班牙、以色列、新加坡、奥地利、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家相继开展了壁面清洗机器人的研究。2.2 国内壁面清洗机器人研究现状国内爬壁机器人的研究虽然起步晚,但发展比较迅速。我国研究和发展机器人始于七十年代初。1975 年在北京举办的日本科技展览会上,川崎重工公司首先在中国展出了工业机器人,以此为起点,我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。上海大学从 1987 年开始在上海市科委和国家“863”的支持下,率先从事爬壁机器人的研究,此后,哈尔滨工业大学,北京航空航天大学、上海交通大学等单位也相继在幕墙清洗、高空检查、锅炉水冷壁检测、大桥拉索涂装和维护等领域开展研究。自 1988 年以来,上海大学先后研制了玻璃窗清洗机器人和球形爬壁机器人。前者采用多层框架式机构,真空吸盘吸附,伺服电机驱动,但重量大,且没有装备清洗系统。后者采用腿足式移动机构,足端为带有裙边的铰接式真空吸盘,设计者从满足稳定性和控制复杂程度的综合,考虑到吸盘稳定性较差,安全性不是很好。此外,他们还在清洗装备和工艺做了较为深入的研究,并根据玻璃幕墙障碍的特点,开发了一种全方位越障机构,大幅度提高了机器人的越障能力。哈尔滨工业大学也是国内壁面移动机器人研究较早的单位,在国家“863”智能机器人的支持下,已经先后开发出两个系列共 5 个品种的爬壁机器人。较早完成的是轮式负压吸附壁面爬行遥控检查机器人,如图 3 所示。该机器人采用双轮进行驱动。主体下部是一个带有驱动轮的滑动密封式负压吸盘。清洗机构置于尾部,同时还设有卷扬机,地面支援小车等附属设施。由于密封装置采用柔性设计,对壁面的适应能力较强,可以在瓷砖壁面或大直径圆柱面上运动,但越障和面面转换能力较差。图 3 图 4北京航空航天大学自 1996 年以来,在国家“863”计划的大力资助下,先后研制成功了 WASHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、“灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、 “蓝天洁宝”等系列幕墙清洗机器人样机。前三种均为全自动清洗机器人,采用十字构型,为自主步行移动机器人,机器人运动和功能统一。其中 CLEANBOT-的纵横气缸之间有一能做微小角度转动的腰关节,以实现机器人运动方向的调整,如图 4 所示。之后北航又推出蓝天洁士、型擦窗机器人。2000 年发展研制的“灵巧型擦窗机器人”类似于佐藤多秀研制的双车体机器人,但重量小的多,仅有 20kg。该机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构,能实现越障和曲面转换功能。2001 年研制开发的“吊篮式擦窗机器人”则模拟人手擦窗的作业方式进行作业。“蓝天洁宝”属于被动清洗机器人,使用大面积负压吸盘吸附,利用风机产生真空,结构简单,工作效率高,具有很高的实用价值。香港大学和内地大学合作,研制了一系列高楼清洗爬壁机器人。Cleanbot-采用北航机器人原型,Cleanbot-采用了一种仿坦克的爬壁机器人原型设计。该机器人采用多个转盘组成的吸附机构和单链条爬行及转向机构,可以在玻璃幕墙和船壳等墙面上连续爬行,并有一定的越障能力。2.3 高层建筑外墙清洗机发展趋势由于清洗工作环境及任务的特殊性,清洗爬壁机器人的总体设计要求相当苛刻。其总的设计原则是:减轻重量,降低造价,安全可靠,能适应多种建筑物表面,且要有足够高的清洗效率。从清洗机的工作环境来看,其主机可能有两个发展方向:其一:适用于平整瓷砖和玻璃幕墙清洗,它结构简单,易于控制,属小型轻量化。其二:适用于复杂墙面,如阶梯墙面,壁面多窗户的壁面清洗,它的结构、动作、控制都很复杂。其三:以壁面机器人为载体,配以专用的清洗机构,可以适应不同壁面机构。3. 基本内容、拟解决的主要问题3.1 设计基本内容1) 清洗爬壁机器人总体方案设计(1)方案概述(2)方案选择(3)对整体方案的改进设计2) 清洗机器人的清洗系统方案设计(1( 传动方案设计(2( 滚刷设计(3( 清洗喷水装置设计3) 清洗机器人的爬壁系统方案设计(1( 驱动方式方案(2( 移动方式方案(3( 吸附方式方案(4( 各方案参数确定(5( 性能分析4) 清洗机器人的控制系统方案设计(1)单片机控制方案(2)控制系统硬件设计(3)控制系统软件设计3.2 拟待解决问题1. 传动方案设计:各参数的计算,校核。2. 清洗方案:滚刷转速、喷水量及回收水装置的参数计算3. 吸附系统的各参数计算,校核及可行性。4. 单片机控制系统的设计4. 技术路线或研究方法1 参阅相关产品的技术资料,拟确定各结构设计方案,从而实现高楼清洗机的机电传动及清洗功能。2 要从各种方案中选择合适的方案,分析出各方案的优缺点,综合优化各种设计方案,确定最后设计方案。如图 5 所示3完成清洗机各机构的设计、强度计算、校核计算,确定各机构主要零件结构尺寸并画出草图4完成总装配图,零件图,部件图设计和说明书的撰写。 机器人本体吸附部分 推进部分 清洁部分 控制部分 安全保护部分风压悬吊吸附履足 冲洗、滚筒刷洗、盘洗联合作用单片机控制 绳索牵引保护图 55. 进度安排2 月 27 日3 月 16 日:查找和阅读参考资料,熟悉课题,撰写完成开题报告。3 月 17 日4 月 10 日:机电系统总体技术方案设计与优化。4 月 11 日4 月 30 日:机械系统详细设计。5 月 1 日5 月 20 日:控制系统详细设计。5 月 21 日5 月 31 日:导师审核图纸和说明书。6 月 1 日6 月 15 日:修改图纸和设计说明书,准备答辩。6. 主要参考文献1 于今, 刘雪飞. 一种新型爬壁机器人研究J. 液压与气动, 2010, (10).2 吴成东, 赵博宇, 陈莉. 一种基于 DSP 的爬壁机器人控制系统设计J. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2011, (2).3 黄之峰, 王鹏飞, 李满天等. 基于柔性静电吸附技术的爬壁机器人研究J. 机械设计与制造. 2011, (6).4 刘明芹, 戴永雄, 黄文攀等. 小型吸附式爬壁机器人机械结构及平衡性J. 机械设计与制造. 2011, (5).5 吴神丽 新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计D. 四川成都理工大学. 硕士学位论文. 2009, (5)6 张澎涛. 玻璃幕墙清洗机器人及控制系统D. 上海交通大学. 硕士学位论文. 2005, (2)7 张兴悟. 高机动性小型清洁爬壁机器人的研究 D. 中国科技技术大学.硕士学位论文. 2007, (1)8 祝胜光 伍晓宇. 建筑外墙清洗机器人研究开发J. TP242.2 2009, (7)9 郭秀丽. 新型载体高楼壁面清洗机器人D. 天津大学. 硕士学位论文. 2005,(1)10谈力士, 沈林勇. 垂直壁面行走机器人系统研制J. 机器人, 2004, 18(4): 242-247.11廖广奎,飞机清洗机器人“SKYWASH”J. 机器人技术与应用,1996,5(27):12-14.12阎军涛. 壁面清洗机器人的运动控制系统设计D. 重庆:重庆大学,2007.13郑春崎. 国外机器人在建筑业中的应用J. 沈阳建筑大学学报(自然科学版),2005,9(3):301-306.14Shinji Naito. Wall surface robot with Magnetic crawlers J. Journal of the robotics society of Japan.,2001.Vol.10,No.5:50-5215A.Nishi. Development of Wall-climbing robotJ. Computer&Electrical Engineering, 2002, 22(2): 123-149.
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