擦玻璃幕墙机器人结构设计参考模板

声 明本 人 郑 重 声 明 ： 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 的 指 导 下 进行 的 研 究 工 作 及 取 得 研 究 结 果 。 论 文 在 引 用 他 人 已 经 发 表 或 撰 写的 研 究 成 果 时 ， 已 经 作 了 明 确 的 标 识 ； 除 此 之 外 ， 论 文 中 不 包 括其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 ， 均 为 独 立 完 成 。 其 它 同 志 对本 文 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 做 了 明 确 的 说 明 并 表 达 了 谢 意 。学 生 签 名 ： _ 年 月 日导 师 签 名 ： _ 年 月 日这里的日期为正式论文提交的日期，应在规定的提交日期之前。不用此信息时，删除此框。毕 业 设 计（论 文）任 务 书_一、学生姓名： 二、题目:擦玻璃幕墙机器人结构设计三、题目来源：真实 Error! Reference source not found.、 自拟Error! Reference source not found.四、结业方式：设计 Error! Reference source not found.、 论文Error! Reference source not found.五、主要内容：1. 国内外机器人的发展概况及发展前景； 2. 擦玻璃幕墙机器人的设计方案的确定与设计计算； 3. 擦玻璃幕墙机器人的三维模型与工程图绘制； 4. 主要零件的强度刚度分析。 六、主要（技术）要求：1、 工作速度 0.10.5m/s，工作最高高度 0.3m，工作重量 30kg； 2、 设备装置有足够的机械强度和刚度，运动平稳。 3、 结构简单，维修方便； 4、 工作量按学校统一要求。 七、日程安排：第 1-2 周：资料准备、实习、实习报告、外文资料翻译、开题报告； 第 3-4 周：方案比较、确定； 第 5-7 周：主要零件设计计算； 第 8-11 周：绘制三维模型零部件； 第 12-14 周：工程图绘制； 第 15-16 周：撰写论文；答辩。 八、主要参考文献和书目：1刘极峰, 丁继斌. 机器人技术基础 北京:高等教育出版社,2012 2李金泉, 杨向东, 付铁.码垛机器人机械结构与控制系统设计 .北京:北京理工大学出版社,2011 3日本机器人学会编 ,宗光华, 程君实等译. 新版机器人技术手册.北京:科学出版社,2007 4. 宋伟刚.机器人学:运动学、动力学与控制.北京:科学出版社,2007 5. 赵长明, 刘万菊. 数控加工工艺及设备.北京:高等教育出版社,2008 6. 成大先.机械设计手册.化学工业出版社 .2010 7.Houxiang Zhang, Jianwei Zhang, Guanghua Zong. Realization of a Service Climbing Robot for Glass-wall Cleaning. Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics August 22 - 26, 2004, Shenyang, China, 0-7803-8641-8/04/ 2004 IEEE 8. Mohammad A. Jaradat, Mohammad Tauseef, Yousuf Altaf, Roba Saab, Hussam Adel, Nadeem Yousuf, and Yousef H. Zurigat. A FULLY PORTABLE ROBOT SYSTEM FOR CLEANING SOLAR PANELS . 978-1-4673-7797-3/15/ 2015 IEEE 指导教师签字： 年 月 日 学 生 签 字： 年 月 日 系（所）负责人章： 年 月 日 - I -摘 要随着小型机械和控制技术的发展，机器人逐步走进了人们的生活。一些高危工作、重复性工作、工作环境恶劣的工作都将由机器人来代替人类执行，如高空作业、粉尘含量高的工作环境等。机器人作业的优点是在机器人不出故障的前提下可以连续作业、工作质量均匀等。因此本文对涉及高空作业、重复性工作和大量灰尘的玻璃幕墙清洁工作提出了一种机器人作业方案。本设计通过 AUTO INVENTOR 和 AUTO CAD 等计算机辅助设计软件进行结构设计，采用机械、气动、电气等复合设计，从而达到高效、高可靠性的要求。本文通过对机器人常用吸附方式、载体结构、驱动方式等的比较，确定了本文所研究的擦玻璃幕墙机器人的总体方案。本设计中的擦玻璃幕墙机器人是工作范围较大的大型机器人，其中，机器人本体采用 6061 铝合金型材组合机架，整个机体通过真空吸盘吸附在玻璃幕墙上。通过 300mm 的大行程气缸推动机器人前进，通过 50mm 的小行程气缸对机器人进行压下，从而调节毛刷的压下力。通过 86 系列步进电机带动装有三个圆盘刷的运动梁在机架上滑动进行扫刷，通过 42 系列直流电机带动圆盘刷转动，其中直流电机采用速比为 27 的行星减速器进行减速增矩。该机器人的特点是效率高，清洁效率约为 ；越障性能好，采210m/h用框架结构可以有效避免窗框对机器人的阻碍；工作半径大，机器人静止时的工作范围是 。0.75m.关键词： 玻璃幕墙，清洁，机器人，真空吸附，气动执行机构- III -Construction Design of a Glass Cleaning RobotAbstractWith the development of small machinery and control technology, the robot has gradually come into peoples life. Some works which are high-risk, repetitive and operating environment hostile will be performed by the robot, which replaces human implementation. such as high-altitude operations, high dust content of the work environment, etc The advantages of the robot is that the robot can work continuously and the quality of the work is even and so on. So this paper puts forward a kind of robot work plan for the cleaning work of the glass wall which involves aerial work, repetitive work and a lot of dust.This robot is designed by AUTO INVENTOR and AUTO CAD which is used for structural design. And it uses mechanical, pneumatic, electrical and other complex design, so as to meet the requirements of high efficiency and high reliability.Based on the comparison of the commonly used methods of adsorption, the structure and the driving mode of the robot, this paper determined the overall scheme of the glass wall robot. The design of clean glass wall robot is the scope of work of large robot. The robot uses frame combined by 6061 aluminum alloy profile, and the whole body adsorbs on the glass wall by vacuum sucker. Besides, the robot is propelled forward by the 300mm large stroke cylinder. The robot reduces the height by 50 small stroke cylinder, so as to adjust the brush pressure force. By 86 series of step motor drive with three disc brushes moving beam on the frame sliding brush, it uses 42 series DC motor which uses ratio 27 planetary reducer to decelerate and increase the moment to drive the circular disc brush, Key Words： Glass wall， Cleaning， Robot，Vac-sorb ， Pneumatic actuator- V -目 录摘 要 IAbstract III附表清单 VII插图清单 .VIII注释说明清单 IX1 引 言 12 设计系统总体方案 22.1 吸附方式的比较 22.2 载体结构的比较 22.3 驱动方式比较 32.4 总体方案简图 32.5 传感器选择（气动擦窗机器人的控制和环境检测） 43 选择动力装置 53.1 真空吸盘选型(真空吸盘的设计及应用) .53.1.1 真空吸盘吸附原理 53.1.2 真空吸盘的吸附能力 53.1.3 吸盘安全性验算 83.2 真空发生器选型(http:/www.s-ns.com) 83.2.1 真空发生装置选择 83.2.2 真空发生器原理 83.3 气泵选型 93.4 电动机选型 103.4.1 毛刷设计 103.4.2 运动梁步进电机选型 103.4.3 带传动设计 113.4.4 毛刷旋转普通电机选型 143.5 减速器选型 163.5.1 真空吸盘的切换频率 163.6 结构件选型 174 选择执行机构 184.1 推进气缸选型 184.2 压下气缸选型 21- VI -5 传动装置设计 255.1 圆盘驱动轴设计 255.1.1 按转矩估算轴径 255.2 圆盘驱动轴承选型 255.2.1 初选轴承型号 265.2.2 计算当量动载荷 265.2.3 求寿命 265.3 带轮驱动轴设计 265.3.1 按转矩估算轴径 265.4 圆盘驱动轴承选型 275.4.1 初选轴承型号 275.4.2 计算当量动载荷 275.4.3 求寿命 276 受力分析 286.1 框架简支梁受力分析 286.1.1 强度计算 286.1.2 刚度计算 297 重量校合 318 结 论 32参考文献 33附录 A 外文文献原文 35附录 B 外文文献译文 37附录 C单击键入论文“附录标题” 样式：b 附录标题 .39在学取得成果 40致 谢 41- VII -附表清单表 1.1 壁面移动机器人几种吸附方式的比较 .2表 1.2 壁面移动机器人几种载体结构的比较 .2表 2.1 机器人三种驱动方式比较 .3表 3.1 真空发生器技术参数 18表 3.2 真空发生器技术参数 29表 3.4 便携式车载气泵技术参数 10表 3.5 气缸技术参数 .11- VIII -插图清单图 2.1 总体驱动方案 .3图 2.2 清洗驱动方案 .4图 2.3 吸盘吸附原理 .5图 2.4 吸盘剖视图 .7图 2.5 吸盘配管 .8图 2.7 气缸实物图 .11图 2.8 铝型材截面图及工艺参数 .13图 3.1 真空发生器符号图 .8图 3.2 真空发生器实物图 .8图 3.3 便携式车载气泵实物图 10图 4.1 机器人每次向前 推进爬行时的受力分析 12- IX -注释说明清单单击键入论文“注释说明清单”的正文样式：b 正文提示信息：此页并非必要。符号、标志、缩略词、首字母缩写、计量单位等的注释说明，如需汇集，可集中置于此页。根据所列内容，将本页标题分别更改为“符号清单”、“标志清单”、“缩写清单”、“计量单位清单”等。不用此信息时，删除此框。此页并非必要，不用此页时，请删除此页。（鼠标移到此框四边，鼠标变为十字箭头 ，点击边框选中此框，然后按 Del 删除）- 1 -1 引 言2015 年 3 月 5 日，十二届全国人大三次会议在人民大会堂举行开幕会，国务院总理李克强作政府工作报告上提出“中国制造 2025”，这不仅是对我国工业下一阶段发展的重要指导，也是向世界先进水平看齐的重要策略。因此机器人的发展必将成为历史舞台的主角，特别是特种机器人的发展，将会更受关注。特种机器人包含一个重要的领域生活服务类机器人。这也将成为极其重要的一个研究领域，从某种程度上讲，生活服务类机器人不仅是一个国家科技水平的体现，也是人民生活水平的重要决定因素。随着建筑水平的提高，玻璃幕墙建筑在我们的现实生活中越来越多，因为它有光鲜亮丽的特点，所以被人们所青睐。但是，玻璃幕墙由于风吹日晒雨淋的缘故极容易结灰尘，因此擦玻璃幕墙机器人成了很多学者和企业研究的对象。前人在擦玻璃幕墙机器人方面也做了一些研究，但是大多都受到工作效率低、不能连续工作，安全性差、容易伤人的限制。因此本文在前人的研究基础上对擦玻璃幕墙机器人进行了较大的改进。基于安全性的考虑，该机器人采用安全绳悬挂，防止因机器人意外坠落砸到玻璃幕墙下方的人。基于机器人本体重量的考虑，该机器人采用外部供水的方式对玻璃进行清洗。基于机器人工作的连续性，该机器人采用外部供电的方式进行作业。因此该机器人可以在墙面上安全连续地工作而不需要考虑加水、充电等问题。本文中设计的机器人机械结构简单，易于加工、装配和维修，而且成本低、效率高。其中，机器人采用铝合金型材框架，大大减轻了工作重量。框架的推进采用 4 个大行程气缸同时推动，不仅行进速度快而且清洁环保。同时框架的压下也使用气缸压下，使得毛刷的压下力更易于控制。毛刷装在动梁上，与框架和墙壁垂直，动梁可以在框架上来回移动，使得玻璃清洁的更干净。- 2 -2 设计系统总体方案机器人的总体机械结构方案多种多样，有连杆式、框架式、箱体式等；执行机构也是多种多样，有电动马达执行机构、液压马达执行机构、气动执行机构，甚至有现在流行的直线电机执行机构等。本节通过对常用设计方案进行比较，确定本文设计的机器人的总体方案。2.1 吸附方式的比较表 2. 1 壁面移动机器人几种吸附方式的比较 1 吸附方式 优点 缺点单吸盘易实现小型化，轻量化，结构简单，易于控制。要求壁面有一定的平滑度，越障能力低，对于复杂壁面不适应，遇到缝隙或凹凸面，负压难以维持。真空吸附多吸盘吸盘尺寸小，密封性较好，吸盘吸附稳定可靠，越障能力和带负载能力均较强。吸盘增多会使结构复杂化，控制难度增加。永磁体能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或缝隙的限制，不消耗电能，不受断电的影响。只能在导磁壁面上爬行，步行时磁体与壁面难脱离。磁吸附 电磁体能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或缝隙的限制，控制较方便。只能在导磁壁面上爬行，维持吸附力需要耗能，电磁体本身很重。推力吸附 对壁面形状材料适应能力强。 负载小，难控制，噪声大，体积大， 效率低。综合以上，选择多吸盘真空吸附式机器人。2.2 载体结构的比较表 2. 2 壁面移动机器人几种载体结构的比较 1载体类型 优点 缺点车轮式 移动速度快，行走控制简单 着地面积小，维持吸附力比较困难履带式 对壁面适应能力强，着地面积大 体积大，结构复杂，转弯较为困难， 重量较大脚步式 对壁而适应能力强，越障能力和带负 载能力均较强 移动速度慢，动作有间歇性，结构 复杂，控制难度大框架式 结构简单，刚性较好，控制方便，越 移动速度慢，有间歇性- 3 -障能力和带载能力均较强综合以上，选择框架式结构。2.3 驱动方式比较表 2. 3 机器人三种驱动方式比较特点 液压传动 气压传动 电机传动结构重量 轻 重 一般控制距离 中短 短 不限信号转换 容易 较难 很容易技术成熟性 好 好 好构造难度 方便 一般 一般负载能力 一般 较大 较大可靠性 好 好 好可控性 一般 好 好综合以上，选择气压传动驱动方式。2.4 总体方案简图综合以上方案比较，机器人的总体驱动方案简图如下：图 2.1 总体驱动方案1234567- 4 -1清洗机构运动梁 2同步带轮 3压下机构 4滑块 5吸盘固定板 6吸盘 7步进电机图 2.2 清洗驱动方案1电机 2谐波减速器 3联轴器 4清洗圆盘刷1234- 5 -3 选择动力装置单击键入论文“正文” 样式：b 正文3.1 真空吸盘选型 (真空吸盘的设 计及应用)3.1.1 真空吸盘吸附原理真空吸附装置是依靠真空源产生的真空吸力来对物体进行起吊、搬运及夹持的一种省力机械。和机械、电磁起吊装置相比，具有以下特点：(1)结构简单、成本低；(2)安装方便、操作容易，(3) 维修费用少；(4) 不损伤工件；(5) 吸附、放开工件迅速，(6) 工件材料的种类不限，(7) 最大吸附力有限，(8)难以得到准确的位置精度。真空吸盘是真空吸附装置的执行元件，它将真空能转化为机械能。真空吸盘设计的合理程度直接影响着真空吸附装置的工作性能。根据不同的应用场合，有效地选择、设计真空吸盘是成功地应用真空吸附技术的关键之一。图 2.3 吸盘吸附原理3.1.2 真空吸盘的吸附能力根据实际情况，真空吸盘最大真空度取-0.08Mpa，由于工作表面是玻璃，工作过程中取摩擦系数为【8 真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究_田静眉】(3- 1)0.5真空吸附技术是以大气压为作用力。在吸盘与工件形成的密闭容积内(图 1 所示)，通过真空源抽出一定量的气体分于来使压力降低，使吸盘的内外形成压力差。在这个压力差的作用下把吸盘压向工件，从而把工件吸起。吸盘所产生的吸附力为：(3- 2)PAWS- 6 -式中： 吸附力， ；WN吸盘内真空度(相对压力)， ；P吸盘的有效吸附面积， ；A2m安全系数。S通常取吸盘的有效吸附面积为吸盘面积的 80%左右，真空度取最大值的 90%左右。安全系数随使用条件而异，水平吸附时取 ，垂直吸附时取 。4S8S安全系数除上述条件外，还应考虑以下因素：(1)工件吸附表面的粗糙度；(2)工件表面是否有油份附着；(3) 工件移动的加速度，(4) 工件重心与吸附力作用线是否重合；(6) 工件的材料。要根据实际情况再增加 1-2 倍。由于该机器人要求的最大工作质量是 ，机器人本体的质量预估是1M30kg，故则该机器人工作时的总质量为 ，总重力是2M5kg 85，依据图 2.1，爬行时，最少只有 4 条腿（20 个吸盘）处于G89.N3工作状态，记单个吸盘与墙壁的摩擦力为 ，故fF(3- 3)f0Ff8341.652摩擦力 (3- 4)fWfF.N83.05真空度 (3- 5)PKa9%720Pa由式(3- 6) 吸盘有效面积 2eWS83.A.956m吸盘面积 20.956m0.1吸盘直径 .D2.37因此，选取 SMC 公司的丁睛橡胶吸盘 ZPT125HNA16，其剖视图和配管分别是图 2.5 和图 2.6。- 7 -图 4.4 吸盘剖视图- 8 -图 4.5 吸盘配管3.1.3 吸盘安全性验算由第五章 玻璃的力学性能得玻璃强度 ，取玻璃强度78150Pa:为 ，吸盘面积为 ，玻璃可以承受的最大吸盘力7810Pa2A0.68m，故此时玻璃足够安全。mFA.68N54 3.2 真空发生器选型(http:/www.s-ns.com)3.2.1 真空发生装置选择真空发生装置一般有两种：真空泵和真空发生器。真空发生器和真空泵有结构简单、成本低、安装维修方便、真空产生解除快的优点，但消耗功率大，要不间断的供应压缩空气。由于本机器人是全气动的，必须有一个连续供气的气源，从各个方面综合考虑选择真空发生器作为真空发生装置。3.2.2 真空发生器原理真空发生器是利用文丘利原理工作的，它利用空气射流的卷吸现象，在喷管两端压差高于定值后，喷射管射出高速射流，将扩散腔的气体抽走，使该腔形成很低的真空度。在吸附口装上吸盘就可以形成一定的吸力而工作。图 3.1 所示为真空发生器符号图，P 为进气口，右侧为出气口，V 为真空口。高速气流从 P 口入右侧口出，将扩散腔 V 中的气体抽走，使 V 中形成一定的真空度。图 3.1 真空发生器符号图根据技术参数见表 3.1，真空发生器选择 SMC 公司的 ZH 系列盒式标准型真空发生器 ZH07BS-06-06，其中供气口和真空口的直径均为 ，节流口的直径为60.7mm，真空度为-88kPa，质量 28g。其实物图见图 3.2。- 9 -图 3.2 真空发生器实物图表 3.1 真空发生器技术参数 13.3 气泵选型 （https:/detail.tmall.com/item.htm?id=19528816429dP kW工作机需要的输入功率， ;w电动机到工作机之间传动装置的总效率。*由于工作机采用 2 级同步带传动，同步带传动效率 【同步带传动_百0.98度百科】 ，故 *220.98.64wfvPkW1工作机阻力， ;fN工作机线速度， ;vm/s工作机的效率。w取 ，w0.96wfv1845PkWk1.75W10.wd*.762093.4.3 带传动设计计算项代号 公式及数据单位 说明- 12 -目设计功率dP0K1.6420W1.860.13kW取 0K1.6带型由于 ，选择带轮转速mv.5/s，故选择 L 型带。1n80rin节距 bP9.525 m带速 vv0.5m/s/s带轮节径1d ，160.3.052n8取 1d54.7m传动比为 1， ，2dZ带轮齿数1Z，取1b3.0217.498P951Z节线长pL122101dd2acos80754.7m5.，取 pL6初定中心距（0a） ，取m07m121dsinaa2b212PZM83.m67.5m，bZ612PM89.52083.mZb1121PZZent ent9a2取括号内的ent整数部分- 13 -0P2a02Tmv14.695012kW故一条带即可满足设计要求。查表得基准宽度同步带的许用工作拉力，aT24.6N单位长度的重量 m0.95kg/pL故电机的阻力矩 。1d54.7Tf8.9N3.272210根据图 3-4，选择中国米思米公司 86 系列 HSTM86 型保持力矩为步进电机，重量 1.7kg。3kgfcm.234N注： 1f0.98m图 3.4 电机参数 1- 14 -图 3.5 毛刷受力分析 13.4.4 毛刷旋转普通电机选型图 3.6 毛刷受力分析 2每个毛刷受到玻璃的摩擦阻力所产生的阻力矩为1R 1f 200NNR3MrdfrdR9- 15 -其中 R 为圆盘毛刷的半径故 1f2N0.5148.70.25MNm.0799每个工作机功率 wTnPkW50工作机阻力矩， ;TNm工作机转速， ;wnr/i工作机的效率。取 ，w0.96wn180r/minfwMTn2.57PkWkkW40.39955.96 每个电动机功率 *wdP工作机实际需要的电动机输出功率， ;dP k工作机需要的输入功率， ;w电动机到工作机之间传动装置的总效率。*由于工作机最多采用 2 级同步带传动，同步带传动效率 【同步带传0.98动_百度百科】 ，故 *220.98.64wd*P43W05.根据图 3-7，选择中国米思米公司 42 系列 FBLM42 型 52.5W 无刷直流电机，重 0.45kg。图 3.7 电机参数 2- 16 -3.5 减速器选型选择普菲德数控公司的 SEN SUDRIVE 42 行星减速机，减速比27：1。https:/detail.tmall.com/item.htm?spm=a220o.1000855.1998025129.1.KtoNZ7&id=40878818063&pvid=0e473e96-c5a6-4f67-aef4-0e0f24478098&abbucket=_AB-M32_B15&acm=03054.1003.1.587829&aldid=fyLpw8rI&abtest=_AB-LR32-PR32&scm=1007.12559.21524.100200300000000&pos=1https:/detail.tmall.com/item.htm?spm=a220o.1000855.0.0.sCXJRl&id=521020539909&rn=c070de9b70e07c78c01e0c0d0a6e0d9a&abbucket=14https:/detail.tmall.com/item.htm?spm=a220o.1000855.0.0.sCXJRl&id=40864331500&rn=a207f17d153b5d2105c776ada3da5ef1&abbucket=143.5.1 真空吸盘的切换频率对于固定的吸盘容积，其内真空达到所需值的时间 t1 和解除真空的时间 t2之和，称为该吸盘的切换周期。切换周期的倒数称为吸盘的切换频率。切换频率的大小反映了吸盘的动作快慢程度，在实际工作中，需满足机器的整个工作循环时间对该项技术指标的要求。真空形成时间 t1 受两个因素的影响：(1)真空源本身的抽吸能力；(2)管道对气流的阻碍作用。对于真空发生器，则(3)11Vt()C式中，V真空系统的容积，(L)；C由真空度而定的常数，真空发生器的型式指数。其中 C、 是生产厂家给定的参数，在真空发生器的产品样本或说明书中可以查到。