吸附式爬壁清洗机设计说明书

附赠CAD图纸和三维图纸、说明书,领取加Q 197216396 或 11970985摘 要随着城市高层建筑的兴起，以玻璃壁面为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任务，爬壁移动机器人可承担此清洗、任务，将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。爬壁移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。吸附式爬壁清洗机主要由吸附部分、移动部分和清洗部分组成。爬壁清洗机应该具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力大于清洗机的重力，从而防止坠落，同时还应具有驱动机构，能够使清洗机在壁面上自由移动，并且有电机控制清洁头旋转，当清洗机在壁面上移动时能够完成对壁面的清洁工作。本文设计的吸盘吸附爬壁清洗机器人具有如下功能：吸附与行走功能、壁面适应功能、完成清洗工作的能力。行走功能由履带与履带轮相啮合形成履带完成。吸附机构采用真空吸附技术，设计吸附机构要能产生一定的吸附力，确保机器人工作过程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。清洁机构是与爬壁机器人相配合用于壁面清洁的机器人附件，实现对壁面的清洗。本文设计的吸盘吸附爬壁清洗机器人结构简单，操作方便，适合未来发展方向，有很大的市场前景。关键词：吸盘吸附 机器人 爬壁清洗 履带ABSTRACTWith 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 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1选题背景及其意义11.2国内外研究现状21.3 Pro/E软件介绍4第二章 爬壁机器人原理方案拟定72.1 履带式磁吸附爬壁72.2 车轮式磁吸附爬壁72.3 履带式吸盘吸附爬壁72.4 原理方式比较72.5履带式吸盘吸附爬壁机器人各部分方案拟定82.5.1 吸盘吸附爬壁机器人功能要求82.5.2 清扫履带结构的方案拟定92.5.3 爬行机构的方案拟定92.5.4 清洗机行走机构方案102.5.5 清洗机清洗机构的设计10第三章 传动及动力设计与计算113.1 吸盘设计113.2 吸盘机构设计153.3 清洗机构齿轮传动设计16第四章 结构设计224.1 行车主体设计224.2 清扫刷设计224.3 履带结构设计234.4 配气盘结构设计26第五章 三维建模与虚拟装配285.1 零件建模285.1.1车体底座建模295.1.2履带建模305.1.3配气盘建模305.1.4 轮轴建模315.1.5 齿轮箱盖建模315.1.5 齿轮建模325.2 虚拟装配33结 论35参考文献36致谢3839第一章 绪 论1.1选题背景及其意义机器人是人类二十一世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会产生深远的影响。机器人产业已经成为当代应用最广泛、发展迅速的高科技产业之一。机器人作为高科技领域的一个重要分支，将成为二十一世纪各国争夺的经济技术的制高点。随着城市现代化发展，特别是高层建筑的兴起，以玻璃壁面为代表的壁面结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，由此衍生出繁重的壁面清洗任务，并且许多国家已经对建筑壁面的清洗要求做出了明确规定。另一方面，越来越奇特的建筑结构使清洗的难度越来越大，甚至采用传统的清洗方法已无能为力。然而，在社会文明高度发展的今天，人们对生命安全越来越重视，要求停止使用蜘蛛人的呼声已不绝于耳，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现在高层建筑墙面清洁工作中，爬壁清洁机得到了广泛关注，它将人类从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，它凭借能够成为高空极限作业的一种自动机械装置的优良特性，越来越受到人们的重视。爬壁清洗机能有效降低高层建筑的清洗成本，提高清洁效率，同时也推动了清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。本课题主要设计一种履带吸盘式爬壁清洗剂，采用履带式移动方式，双履带和车体构成机器人的基本框架；真空吸盘式吸附方式加以完善的配气系统，可为清洗机提供足够的吸附力。吸盘式结构克服了现有爬壁机器人结构上的缺点与不足，提高了爬壁机器人的实用性能。因此，本课题的研究具有较高的科研价值和经济价值。1.2国内外研究现状爬壁移动机器人广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、情报和国防领域等，必将为人类带来巨大的经济效益和社会效益。各工业发达国家都投入大量人力物力，积极进行其理论和技术研究，如日本、美国、英国、俄罗斯、德国、奥地利、西班牙等国相继研制出一些各具特色的爬壁移动机器人实验样机。我国在国家自然基金和863计划的大力支持下，从上世纪90年代中期也相继开发出一些爬壁移动机器人样机。爬壁移动机器人是一种能够在垂直壁面进行移动作业的极限作业机器人，世界机器人大国日本在极限作业机器人研究方面尤为积极。早在1966年，在大阪府立大学工学部任讲师的西亮利用电风扇进行侧低压空气产生的负压作为吸附力制作了一台垂直壁面移动机器人的原理样机。1975年，已经身为宫崎大学工学院部教授的西亮又制作了以实用化为目标的二号样机，这是个单吸盘结构、靠轮子行走的壁面移动机器人。此次以后各国著名的大学、研究所、公司纷纷投入力量广泛开展用于极限作业的壁面移动式机器人的研究。传统爬壁机器人有很多的不足之处，例如对壁面的材料和形状适应性不强、跨越障碍物的能力弱、体积大、质量重等，因此未来爬壁机器人的结构应该向着实用化的方向发展，在以下三个方面做到进一步完善或有所突破。首先，新的吸附方式与吸附装置的产生与应用。最近几年，美、英、俄等国的研究小组真正揭示了壁虎在墙上爬行的秘密，这个秘密就是分子间的作用力范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。科学家在显微镜下发现，壁虎脚趾上约有650万根次纳米级的细毛，每根细毛直径约为200至500纳米，约是人类毛发的直径的十分之一。如果壁虎脚上650万根细毛全部附着在物体表面上时，可吸附住质量为13千克的物体。利用壁虎吸附壁面的原理，由美国斯坦福大学教授马克库特科斯基带领的研究小组开发了一种称为“粘虫”( Stickybot )的“壁虎机器人”，这种机器人的足底长着人造毛(由人造橡胶制成)。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。这种突破很好地解决了吸附力不足及机器人对壁面的材料和形状适应性不强的问题。为了探索新的吸附方式与吸附装置，相关研究可以综合运用仿生学、类比、模拟和模型方法，通过高分子材料化学、工程材料科学、力学和机械学的交叉研究，以产生出更多更好的吸附壁面的方式，打破制约机器人吸附壁面的种种瓶颈。其次，移动方式得到改善与优化。在移动机器人中广泛应用的是轮式和履带式移动方式，但是足式移动方式具有轮式和履带式所没有的优点。足式移动方式的机器人可以相对容易地跨过比较大的障碍例如瓷砖间隙、壁面小突起等；并且机器人的足具有大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凸凹不平的地形适应能力更强。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，因此可以在可达到的范围内选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。正是由于足式结构多样、运动灵活，适应于各种形状的壁面上，而且能够跨越障碍物，因此足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。第三，驱动系统和动力部分朝着原理更新、可靠性更高、机电一体化、超微化、新结构等方向发展。传统的爬壁机器人因为伺服电机功率重量比低，为平衡重量应放置在离驱动系统较远的位置，但这种布置会使机器人结构更加复杂。普通的蓄电池重量大、储能少不能满足爬壁机器人对能源的需求。这些问题都需要驱动和能源相关技术的发展进步，需要将先进的、最新的科研成果应用于爬壁机器人的研究与开发。相对国外，我国研究和开发机器人始于七十年代初期，国内爬壁移动机器人研究起步较晚。1975年在北京举行的日本科技展览会上，川崎重工业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。北京自动化研究所、上海交大、沈阳自动化所、大连组合机床所。广州机床所等十几个单位纷纷开始研制机器人。目前高层建筑墙面作为高楼外防护结构的现象越来越普遍，为了保证玻璃外观的整洁美丽，就需要定期对玻璃表面进行清洗，而大部分玻璃幕墙采用人工清洗作业。这种清洗方法是靠升降平台或吊绳悬挂由人进行玻璃幕墙的清洗，作业方式简单易行，但效率低且成本高，更重要的是高空环境条件恶劣易引发安全事故。随着控制和机电技术的发展，壁面清洗机器人应运而生。利用壁面清洗机器人作业将大大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率，具有相当的社会、经济意义和广阔的应用前景。玻璃幕墙爬壁清洗机器人的研制成功，将会实现清洗作业的自动化，给清洗业带来一次新的革命。1.3 Pro/E软件介绍Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。1）Pro/EngineerPro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。4支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。5贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。2）Pro/E机构运动仿真工程师无需等待物理原型就能测试产品的动力行为。利用 Pro/ENGINEER 机构动力学仿真，您可以虚拟地仿真包含运动元件的系统中的作用力和加速度。而且，您可以综合考虑诸如弹簧、电动机、摩擦力和重力等动力影响，相应地调整产品性能。改善检验和认证过程并最大程度地提高设计信心，而无需承受制造昂贵原型的负担。与设计和分析工具完全集成，从而无需再花费时间、精力和金钱来处理数据转换和关联的错误。利用Pro/E机构仿真有以下优点： 可以创建虚拟样机在桌面计算机中进行测试，从而降低开发成本 模拟赛车悬架所受到的实际作用力。 能够更快速和更早地将变更反映在产品中，并从桌面计算机测试中即时获得结果。 通过缩短开发时间率先向市场推出更优质的产品。 通过对产品寿命进行更准确的估计，从而可降低保修成本。 利用具体的动画式生产指令进行装配，可以避免代价高昂的制造错误。 通过利用从虚拟测试中所节省的时间来评估更多设计构思，从而可开发出更新颖的产品。 在易于学习、直观明了的用户界面中工作。第二章 爬壁机器人原理方案拟定机器人实现爬壁功能，有下面几中可行方案：2.1 履带式磁吸附爬壁在机器人设计中采取加长履带、浮动支撑、载荷分散机构、柔性履带等措施，以提高爬壁机器人的壁面适应能力， 实现其在壁面的安全爬行。2.2 车轮式磁吸附爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。主要特征是：行走稳定、速度快.缺点是：磁吸附使它仅适用于导磁材料壁面，即这种原理有其使用局限性；车轮式的行走方式使维持一定的吸附力较困难，车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定型和安全性相应降低；车轮的行走轨迹是连续的，这不利于机器人跨越壁面的凹凸不平处，使机器人对壁面的平整质量要求提高。2.3 履带式吸盘吸附爬壁将吸盘的真空吸附方式和履带式移动方式相结合，真空吸盘固定在柔性的履带上，采用双履带对称结构。固定式配气盘结构作为吸盘和真空泵抽进气系统相连接的媒介。主动轮置中，两侧各有一从动轮，主、从动轮和履带衔接均是模拟齿轮齿条啮合。壁面清洁组件、传递救援物资组件通过功能组件耦合处与机器人机体相连以完成相应功能。2.4 原理方式比较通过以上三种方式比较分析，本案例要求清洗机壁面移动速度：11-15m/min ；越障高度：50 mm；本体重量：30 Kg；负载能力：15 Kg ；作业高度：0100 m；作业功能：可进行8 mm 以上厚度的玻璃幕墙的清洗作业。因此，采用履带式吸盘吸附方式更合理。吸附式爬壁清洗机主要由吸附部分、移动部分和清洗部分组成。爬壁清洗机应该具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力应大于清洗机的重力，从而防止坠落，同时还应具有驱动机构，能够使清洗机在壁面上自由移动，并且有电机控制清洁头旋转，当清洗机在壁面上移动时能够完成对壁面的清洁工作。同时，还要满足以下要求：2.5履带式吸盘吸附爬壁机器人各部分方案拟定2.5.1 吸盘吸附爬壁机器人功能要求爬壁机器人要在壁面移动，对壁面进行清洁需要具备以下基本的功能：（1） 吸附与行走功能吸附与行走是爬壁机器人所需具备的两个基本功能，因此爬壁机器人应具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力能够大于机器人的重力，防止坠落；同时，还应当有驱动机构，能够使机器人在壁面上自由行走移动。（2） 转向功能清洁过程中，爬壁机器人需要按照一定的路径在壁面行走，对整个壁面完成清洁工作，就要求爬壁机器人能够自由的转向，从而提高清洁效率。（3） 壁面适应功能爬壁机器人能够逾越较小的障碍（如玻璃接缝），即要求爬壁机器人具有一定的适应壁面凹凸不平的能力，这也是爬壁机器人的工作性质和工作环境决定的。（4） 完成工作任务能力爬壁机器人在壁面上移动的同时要完成相应的功能，这就要求功能组件能够在爬壁机器人上正确稳定地定位，可以发挥其功能。2.5.2 清扫履带结构的方案拟定爬行机构要简单、高效、小型。使机器人能够实现直线移动，保证机器人能够按照地面操作人员的遥控进行工作，用履带与履带轮相啮合形成履带的设计。 图1 三履带轮平行履带2.5.3 爬行机构的方案拟定吸附机构采用真空吸附技术，设计吸附机构要能产生一定的吸附力，确保机器人工作过程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。图2 爬壁机器人受力示意图Fi：清洗机爬行所用的力；G:爬壁清洗机的重力；d:壁面与爬壁清洗机重心的距离2.5.4 清洗机行走机构方案设计清洗机的行走机构能够在壁面上完成直线移动，并且能够跨越高度为5厘米的障碍，并且在运动过程中实现清洗的目的。图3 履带与履带轮啮合原理图2.5.5 清洗机清洗机构的设计清洁机构是与爬壁机器人相配合用于壁面清洁的机器人附件，实现对壁面的清洗。图4 清洗机清洗部分示意简图第三章 传动及动力设计与计算3.1 吸盘设计为了确定吸盘式爬壁机器人的负载能力和安全性能，必须对机器人所受的力进行分析。当机器人吸附在玻璃壁面上时，受力情况如图3-1，各符号意义如下:墙壁对第i组吸盘的法向支撑力(垂直于墙面) ，i = 1，4；作用在第i组吸盘上的真空吸力，i = 1，4 ；墙壁作用在第i吸盘上的摩擦力， i = 1，4 ；G 作用在机器人上的重力(包括外设) ；p 相邻两组吸盘之间的距离；d 机器人的等效重心到玻璃壁面的距离； 图3-1 爬壁机器人受力示意图 机器人在工作时，当其在玻璃壁面上移动时有两种危险的情况可能发生：一种情况是它从墙面上滑落；另一种情况是由于最上方接触的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面，引起机器人的倾翻。设计中，机器人的吸附机构受力应避免滑落和倾翻两种情况发生，为了简化分析计算，这里只考虑了静态吸附情况。(1)避免机器人从墙面上滑落。根据摩擦力的特性，同样工况下，最大静摩擦力要大于滑动摩擦力，所以有：G 0 ( i = 1，4) 假设作用在支撑轮上的力不加考虑，认为墙壁对机器人的反作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上，由此静态下，机器人在x 、y 方向受力分别满足： 所受的平衡力矩为(以O 点为参照点) ： 并假定各个吸盘的真空度是均衡的，则作用在吸盘上的吸力为：V = = sv 式中： s 每组吸盘总的吸附面积；v 工作吸盘内的真空度。为了方便计算 ，假设几个约定条件，设作用于吸盘上的支撑力 ( i = 1，5) 形成一对，并且从到比例增加，以上假设可用下式表示为：- = - ( i = 1，2) 联立解式(2-12)，(2-13) ，(2-14) ，得到 ( i = 1，4) 表示式： 理论上，由式(2-16) 可知，只要满足 0 ,则条件(2) 满足条件，求得： 机器人牢靠吸附在工作面上(不从玻璃壁面上滑落或倾翻下来) 的条件应该满足:G min(，) 理论上： = 5V f c2 = 在进行爬壁机开发和设计时，可以根据具体的尺寸p，d确定，的大小，根据计算式来计算设计是否满足爬壁机不滑落不倾翻的条件。（在计算时基于安全考虑，玻璃与吸盘间的典型摩擦因数按最小计 = 0. 11 。）根据计算分析出最可能发生危险的情形是（1）或（2）。在保证次危险安全的情况下，保证最危险的情况不会发生，由此才能保证爬壁机器人安全地工作。考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，应当另外增加安全系数，在设计时,考虑只有下面4 组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此，保证机器人的安全，要确保： 或表示为： 式中：G 机器人和负载总的质量G=30KG； 作用在机器人吸盘上吸力的总和，； = 1/ ； = 0. 11 n 安全系数n=1.2。根据设计数据可知，p=207.99mm，d=100mm，当负载为大约300N时应取真空度V=，最小摩擦因数取0.11，由此可以得到： 根据计算分析出最可能发生危险的情形是爬墙机从壁面滑落。在保证次危险安全的情况下，保证最危险的情况不会发生，由此才能保证爬壁机安全地工作。考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，应当另外增加安全系数，在设计时，考虑只有下面4组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此，保证机器人的安全，要确保： 取安全系数为2.5，根据爬壁机器人的设计要求，总重量M=30kg，故： G 可知，爬墙机不会发生滑落的危险，由知其也不会从壁面倾翻。吸盘吸附材料采用软橡胶。机器人的工作状况与吸盘的吸力大小有关，如图所示为机器人静止吸附在壁面时的受力情况。图2-4 机器人静止吸附在壁面时的受力情况 机器人能维持吸附的条件为: （设） 式中： F 为摩擦力，为摩擦系数，为单个吸盘的吸力，G 为机器人自重与其附件重量之和，n 为吸盘的个数。由于机器人重心离壁面距离为h， 与F 形成的力矩将影响到重心上半部分对壁面的有效压力，同时，考虑到由于地面有缝隙而减少真正吸附壁面的吸盘个数，引入安全系数，则单个吸盘的吸附力为： 值的大小取决于壁面灰尘、空隙大小、凹凸平度以及行走中遇到障碍物如电线、导气管等因素，一般取23。P=23.2 吸盘机构设计如图所示为单个吸盘的结构图，它是由钢球1、弹簧、弹簧、导气管组成。在忽略气体摩擦和位置时，由伯努利方程得： 即 图 单个吸盘的结构图式中：V 为气体的速度，K 为气压压缩系数，P 为压力，为密度，C 为常数。机器人工作前，可根据工作壁面的性质和载重量通过手动调节阀设定气流通过导气管的速度；在机器人工作时，当导气管中的气压减小，同时有几个吸盘（正常工作时有4组吸盘）已经处于有效吸附的情况下，吸盘在大气压力的作用下吸附于壁面。而在缝隙上的吸盘将与大气相通，因此V值将增大，气体进入吸盘，吸盘即脱离壁面。 式中：为气体密度，Q 为流量， 为气体流速的改变量，g为重力加速度，k为弹簧屈强系数，为压缩位移。则： 3.3 清洗机构齿轮传动设计（一）选精度等级、材料及齿数为提高传动平稳性及强度，选用斜齿圆柱齿轮小齿轮材料：45钢调质 HBS1=280接触疲劳强度极限MPa （由1P207图10-21d）弯曲疲劳强度极限 Mpa （由1P204图10-20c）大齿轮材料：45号钢正火 HBS2=240接触疲劳强度极限 MPa （由1P206图10-21c） 弯曲疲劳强度极限 Mpa （由1P204图10-20b）精度等级选用7级精度初选小齿轮齿数24大齿轮齿数Z2 = Z1= 244=96取96（二）按齿面接触强度设计 计算公式： mm （由1P216式10-21） 1）确定公式内的各计算参数数值初选载荷系数小齿轮传递的转矩 Nmm齿宽系数 （由1P201表10-7） 材料的弹性影响系数 Mpa1/2 （由1P198表10-6）区域系数 （由1P215图10-30）， （由1P214图10-26）应力循环次数接触疲劳寿命系数 （由1P203图10-19）接触疲劳许用应力取安全系数1.0 取 （三）计算（1）试算小齿轮分度圆直径=24.03mm（2）计算圆周速度 m/s（3）计算齿宽b及模数mnt mmb/h=10.994计算纵向重合度 =2.0933（5） 计算载荷系数 使用系数 根据电动机驱动得 动载系数 根据v=1.43m/s、 7级精度1.1 按齿面接触强度计算时的齿向载荷分布系数 根据小齿轮相对支承为非对称布置、7级精度、=1.0、 mm，得 =1.42 按齿根弯曲强度计算时的齿向载荷分布系数 根据b/h=10.99、 齿向载荷分配系数、 假设，根据7级精度，软齿面传动，得 =2.72（6） 按实际的载荷系数修正所算得的分度圆直径 mm（7） 计算模数（四）按齿根弯曲强度设计 1 确定计算参数（1）计算载荷系数K （2）螺旋角影响系数 根据纵向重合系数，得0.92（3）弯曲疲劳系数KFN 得 （4）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.2 得（6）查取齿型系数YF 应力校正系数YS 得 （7）计算大小齿轮的 并加以比较比较所以大齿轮的数值大，故取0.014269。（五）计算=0.63mm取1（六）分析对比计算结果对比计算结果，取=1.0已可满足齿根弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的d128.68mm来计算应有的 取30 取120（七）几何尺寸计算1 计算中心距阿a将a圆整为75mm3 计算大小齿轮的分度圆直径d1、d2 mmmm 4计算齿宽度 B=mm 取B1=16mm，B216mm第四章 结构设计4.1 行车主体设计爬壁机器人车体长为863mm，宽为534mm，Q235铸件壁厚3mm，上下车体连接螺栓使用M6，共12个螺栓，均布在上下车体连接凸出面上。上车体上面凸出室分为两个空间分别放置电池和供气系统，顶端一个控制盒，用来放置控制系统，下车体后部有功能部件联结口，功能部件由螺栓安装在下车体上。图41-为车体的装配图。图4-1 行车主体设计4.2 清扫刷设计壁面清洁系统部件是与爬壁机器人相配合用于壁面清洁的机器人附件。它由清洁系统支架、清洁电机、清洁头、传动齿轮、毛刷组成，清洁口安装在齿轮伸出杆上。闭合控制开关，清洁头旋转，机器人在壁面上移动时即可完成对壁面的清洁工作。图4-2所示为壁面清洁系统图。图4-2 清洁系统4.3 履带结构设计履带采用橡胶履带，橡胶履带是由橡胶主体、芯金、帘线骨架材料，通过模压硫化而制成。橡胶履带具有接地比压小、牵引力大、振动小、噪音低、湿田通过性能好、不损伤路面、速度快的优点。履带轮采用的材料为聚碳酸酯注塑而成。履带和履带轮联结模拟齿轮齿条啮合，相啮合齿的模数为1.5。图4-3 履带行走机构图4-4 主动齿轮表格4-1所示为橡胶履带基质天然橡胶和顺丁橡胶的主要性能，表格3-2为履带轮材料聚碳酸酯的主要。表4-1 天然橡胶和顺丁橡胶的主要性能品种抗拉强度（MPa）伸长率（%）使用温度（）天然橡胶2535650900120顺丁橡胶1825450800120表4-2 聚碳酸酯的主要性能塑料名称密度(透明性抗拉强度（MPa）抗拉弹性模量（熔点（）聚碳酸酯（PC） 1.2透66702.225220230由表格4-1和表格4-2可以看出，履带基质天然橡胶和顺丁橡胶的抗拉强度比履带轮材料聚碳酸酯低。但是履带是由橡胶主体、芯金、帘线骨架材料组成，碳素弹簧钢丝（如直径为0.08mm）抗拉强度为20592452MPa，因此履带轮出现危险的可能性大，下面对履带轮进行校核。履带轮驱动履带转动时，根据功率的关系可得： 式中各符号的意义为：P驱动轮传递给履带的功率，单位为W；主动轮驱动履带的扭矩，单位为；为主动轮转动的角速度，单位rad/s；安全系数，是为了保证有一定的功率裕量和功率损耗，一般取23；机器人的总质量，单位为；重力加速度，单位为；机器人在壁面上运行的速度，单位。设在主动轮工作中一个齿上的剪力为，则有： 式中，A主动轮齿底部的截面积，单位为；主动轮轮齿底部受到的切应力，单位为Pa；主动轮轮齿底部截面的长度，单位为；主动轮轮齿底部截面的宽度，单位为。对主动轮中心取矩，由平衡方程，可得： 式中，主动轮工作中一个齿上的剪力为；主动轮的直径，单位为mm；同时处于工作状态的齿轮数；对于主动轮的转动有： 式中，r主动轮的半径，单位m；可以得到，主动轮轮齿底部受到的切应力： 式中，安全系数k取2.5，机器人的总重量m为30Kg，重力加速度g取9.8，机器人工作时同时处于工作状态的轮齿数取2.3，主动轮轮齿底部宽为26mm，主动轮轮齿底部长度b为4.2mm，将以上数据代入式（3-16），可以得到： 对于主动轮的聚碳酸酯材料可以由其抗拉强度参考其抗切应力的强度，故有： 可知，爬壁机器人的主动轮强度满足要求，综合以上讨论证明可知爬壁机器人的行走机构满足强度要求，能够保证机器人安全可靠地完成工作任务。4.4 配气盘结构设计配气盘结构的作用是在爬壁机器人工作时完成吸盘的抽气与进气，配气盘结构主要有配气盘、密封毡、配气接口组成，配气盘通过配气盘固定杆固定于下车体上，密封毡紧贴于配气盘的内表面；配气接口安装于配气盘的下侧，用于完成对即将进入工作或退出工作状态的吸盘完成抽气、进气工作。图2-7为履带与配气盘的联结示意图，履带的突起部恰好装配于配气盘和密封毡的凹槽内；当机器人工作时，履带处于旋转状态，当相应的吸盘进入或退出工作状态时，由配气孔完成它们的抽气、进气工作。图4-5 联接示意图图 4-6 联接完成后示意图第五章 三维建模与虚拟装配5.1 零件建模在三维建模中主要有以下3种特征： (1)实体特征它是构建三维模型的基本单元和主要设计对象。实体特征可以是正空间特征(如实体的突出部分)，也可以是负空间特征(如实体上的孔、槽等)。在Pro/E中，根据建模方式和原理的差异，把实体特征进一步分为基础特征和工程特征基础特征是三维模型设计的起点，包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等。工程特征是在基础特征上的附加特征，它的创建依赖于已存在的基础特征，是有一定工程应用价值的特征，包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。(2)曲面特征它是一种没有质量和体积的几何特征，对曲面的精确描述比较复杂，在目前三维造型中通常采用“B样条曲线”为基础，通过曲率分布图对曲线进行编辑，进而得到高质量的曲面造型曲面特征主要用于产品的概念设计、外形设计和逆向工程等设计领域。(3)基准特征指参数化设计的基准点、基准轴、基准曲线、基准平面和坐标系等。一般来说，基准特征主要用于辅助三维模型的创建。利用Pro/E建模首先从整体研究将要建模的零件，分析其特征组成，明确不同特征之间的关系和内在联系，确定零件特征的创建顺序，在此基础上进行建模、添加工程特征等设计。通过二维平面草绘图的旋转、拉伸、扫描和混合等工具来实现三维实体模型的构建。Pro/E三维模型将线框、曲面和实体三者有机地结合起来，形成一个整体，整个建模过程是基于特征为基本单位的参数化设计过程。其中参数包括几何参数和尺寸参数。几何参数确定了实体特征基本位置的固定关系，尺寸参数决定了产品外观尺寸和相对距离。利用参数可以准确控制和修改所建立的三维模型。Pro/E建模的一般过程如下：(1) 建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时，都要利用基准特征作为参照;(2) 建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等;(3) 建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等;(4) 特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作；5.1.1车体底座建模主要利用拉伸、抽壳、打孔，倒圆角、倒角等命令，创建出如主体焊接件及盖板零件。图5-1 车体底座图5-2 车体盖5.1.2履带建模履带建模主要利用拉伸，扫描、打孔等命令，创建出如下履带：图5-3 履带5.1.3配气盘建模利用拉伸，扫描、打孔等命令，创建出如下配气盘组件：图5-4 配气盘5.1.4 轮轴建模利用拉伸，打孔等命令，创建出如下轮轴：图5-5 轮轴5.1.5 齿轮箱盖建模利用拉伸，打孔等命令，创建出如下齿轮箱盖：图5-6 齿轮箱盖5.1.5 齿轮建模利用参数化，拉伸，打孔等命令，创建出如下齿轮模型：图5-7 传动小齿轮5.2 虚拟装配虚拟装配就是利用零部件的链接关系建立装配。PRO/E的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发方法。所谓自下而上的设计模式,即先在零件模块中构造各个零件的三维模型,然后在装配模块中建立零部件之间的链接关系,这种链接关系的建立是通过配对条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。在虚拟装配中,零部件的几何体是被装配利用,而不是复制到装配中。基于PRO/E具有单一数据库的特性,不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件,整个装配部件保持关联性,如果修改整个零部件,则引用它的装配件自动更新,反映零部件的最新变化。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束,在PRO/E中建立装配关系是用帖合、平面和基准面对齐,坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起。虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策，由此拟定装配草图它以产品可装配性的全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计修改最终保证所设计的产品从技术角度来讲装配是合理可行的，从经济角度来讲应尽可能降低产品总成本，同时还必须兼顾人因工程和环保等社会因素按如上论述的方法，装配焊烟净化设备。首先将零件装配成部件组件，再装组件及零件装配成设备主体。图5-8 从动齿轮组件图5-8 履带组件图5-9 清扫机构图5-10 吸附式爬壁清洗机总装三维图结 论吸附式爬壁清洗机主要由吸附部分、移动部分和清洗部分组成。爬壁清洗机具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力大于清洗机的重力，具有驱动机构，能够使清洗机在壁面上自由移动，有电机控制清洁头旋转，当清洗机在壁面上移动时能够完成对壁面的清洁工作。吸附式爬壁清洗机能够实现直线移动，保证机器人能够按照地面操作人员的遥控进行工作，用履带与履带轮相啮合的方式进行驱动，由吸附机构产生一定的吸附力，确保机器人工作过程中能安全可靠地吸附在工作壁面上。清洗机的行走机构能够在壁面上完成直线移动，并且能够跨越高度为5厘米的障碍，并且在运动过程中实现清洗的目的。爬壁清洗机融合了吸盘式真空吸附和履带式移动方式的优点，吸盘在履带上的分布和履带自身柔性使得清洗机能够跨越障碍物，又因为有吸盘的存在，使履带不直接与壁面接触，可能的障碍有玻璃的连接处等，壁面凹凸起伏不大，履带吸盘式的结构具有逾越较小障碍的功能；同时，考虑到机器人运行的平稳性和履带的使用寿命，因此清洗机履带结构由驱动轮（主动轮）置中，导向轮（从动轮）对称分布，从动轮对称布置的方式使履带受力最大处避开了履带弯曲处，驱动轮及导向轮兼做支撑轮，可增大接触面积且使履带上受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害提高了履带的使用寿命。本清洗机结构紧凑，使用维护方便，生产制造成本较低，操作简单。通过这次设计，提高了我分析和解决问题的能力，扩宽和深化了学过的知识，掌握了设计的一般程序规范和方法，培养了我们正确使用产品材料、国家标准、图册等工具书的能力。总的说来，本次设计在严谨、求实中完成，这将对我的一生都有启迪和警示作用。由于本人经验不足，设计中不妥之处在所难免，恳请各位老师和同学提出建议和意见，我会诚恳地接受并在今后的设计中改正。参考文献1 何雪明， 丁毅，朱明波. 真空吸附式爬壁机器人设计.西北轻工业学院学报，19972胡启宝.多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计.上海交通大学，20073蔡丽君.履带式爬壁机器人设计与研究.上海工程技术大学，20114田静眉.真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究.西南交通大学，20135吴神丽.新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计.成都理工大学，20096 徐东; 杨鸣凯; 齐文; 陈戈. 竖直玻璃幕墙清洗机器人的设计.中国科技信息，20117陈沛富.高楼玻璃幕墙清洗机器人设计研究.重庆大学，20068 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