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毕业设计说明书（论文）
高楼清洗机设计
学生姓名
所学专业
班级
学号
指导教师
XXXXXXXXX系
二○**年X X月
目录
1. 引言 (6)
2. 课题任务 (7)
2.1 主要内容 (7)
2.2 技术要求 (7)
2.3成果要求 (7)
2.4 其他要求 (7)
3. 同类课题考察 (8)
3.1 高层建筑外墙清洗机现状 (8)
3.2高层建筑外墙清洗机发展趋势 (10)
4. 总体方案拟订 (11)
4.1 对楼顶楼面的实际考察 (11)
4.1.1 楼面结构考察 (11)
4.1.2 楼顶结构考察 (12)
4.2方案选择与原理 (13)
4.2.1总体方案的确定 (13)
4.2.2总体方案内容 (16)
4.2.3材料选择 (16)
4.2.4轮的润滑问题 (17)
4.2.5轴承的润滑问题 (17)
5 重要零部件的设计与计算 (17)
5.1刷洗部分设计 (17)
5.1.1清洗速度的确定 (17)
5.1.2 盘刷部分 (17)
5.1.3电机的选择 (19)
5.1.4刷洗部分所用弹簧的设计计算 (20)
5.2内空心轴的设计 (20)
5.3 清洗机主机滚轮的设计计算 (21)
5.4 主机上传感器及行程开关的选择 (21)
5.5复合缆的结构设计 (22)
5.6风压系统的设计计算 (23)
5.6.1采用风压的意义 (23)
5.6.2 基本原理 (23)
5.6.3气动计算的原始数据与技术要求 (23)
5.6.4结构设计及相关数据计算 (24)
5.6.5抛物线中线 (26)
5.7齿轮副的确定和检验 (27)
5.7.1直齿轮的计算 (27)
5.7.2．锥齿轮副的设计计算 (33)
6 设备的使用与维护 (37)
6．1 使用方法 (37)
6．2 使用注意事项 (38)
6．3 日常维护与维修 (38)
7 CAD使用体会 (39)
参考文献 (41)
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1. 引言
随着社会进步，经济与科技的发展，城市规模越来越大，建筑越来越高，以至摩天大厦比比皆是。高层建筑更是成了一个城市面貌的核心内容，但是由此导致的城市形象问题也日趋严重，尤其是在工业城市，这种问题更是突出。靓丽的新大楼，不用多久，外表便成为灰暗一片，严重影响了城市的面貌。因此为了保持良好的城市形象，城市高层建筑的清洗工作在各大城市尤其是首都、省会等国际性大都市已经成为直接影响城市形象的问题。
高层建筑由于高空作业，给清洗工作带来了极大的不方便。目前，我国大多数高层建筑清洗工作还是由人力完成，这类清洗工作主要由工人搭乘吊篮进行高空作业来完成，工人的环境恶劣，且有一定的危险性，工作效率低，成本高，耗时长，随着机器人技术的出现和发展以及人们自我保护意识的增强，人们迫切希望能用机器人代替人进行这些高空极危险的作业，从而把人类从恶劣的环境和繁重的劳动中解脱出来。
针对这种种问题，本清洗机采用无人化清洗，自动清洗，自动供水，供清洗液。单片机系统控制，操作人员只需通过键盘即可操纵清洗机工作，而且在清洗过程中，清洗机能够自动进行边缘识别，可根据建筑楼层的具体情况选择为纵洗或横洗。本机的清洗效率较高，清洗效果良好，是高层建筑理想的清洁工具。本机的使用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，其有相当的社会效益、经济意义和广阔的应用前景。
本机器是通过对国内外同类产品考察比较后精心设计而成，使用稳定可靠，但不足之处在所难免，所以恳请老师、同学及各位同行提出宝贵意见。
2. 课题任务
2.1 主要内容
高层建筑外墙清洗机主要由伺服悬吊系统、清洗主机和由计算机控制系统组成，本人主要承担清洗主机设计，设计中应考虑为清洗提供足够的压墙力、刷洗部件设计、清洗液的喷洒和脏液体的收集、对左右边缘和上下行程的识别、行走机构和转位机构的设计，进行必要的设计计算。
2.2 技术要求
1)清洗效率0.2平方米s左右，清洗宽度0.8～1m，楼房高度在120米左右。
2)移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁面上移动。并可灵活、自如调
节行走的速度和方向。
3)设计安全有效的清洗机构，识别清洗质量，达到令人满意的清洗效果。边
缘识别机构：要能实现左右，上下边缘识别。
4)选择压紧力产生原理，设计相应的压紧机构，给清洗机构提供有效的压紧
力。
5)尽量选取轻型材料，使整机尽量轻便。
2.3成果要求
1)毕业设计前期工作材料。一份。
2)高层建筑外墙清洗机主机装配图一张（零号）
3)清洗机零件的强度校核
4)高层建筑外墙清洗机零件图。
5)设计说明书一份（不少于2万字，包括英文翻译）。
2.4 其他要求
1)适用于清洗平面，圆弧面外墙和玻璃表面
2)刷洗压力根据不同表面调节；
3)刷洗部件应能调换；
4)设备实现边缘识别；
5)清洗机的体积尽量小，尽量轻。
6)机体装配时应根据图纸要求简单容易的装配，维修容易，不需专门工具。
7)尽量使用标准件，对非标准件，应尽可能工艺简单，加工容易。
3. 同类课题考察
3.1 高层建筑外墙清洗机现状
机器人工程正在迅速地从工业领域转移到服务领域。它的潜力非常大，它能够代替人类在许多危险和受污染的地方做重复或繁重的工作，对老年人或者患病者进行长期持久的关怀和照顾，客运和货运，野外营救，精密手术，清洗对人体有害的或无法进入的事物（比如说清洗油箱）等等。
高层建筑外墙壁面清洗机是特种机器人的一种，其必须具有两种功能：即在壁面上的吸附功能和移动功能，由于建筑物表面的非导磁性，清洗壁面机器人多采用正压和负压两种吸附结构。其中负压吸附又成为真空吸附，由风扇、真空泵、空气压缩机等使吸盘内产生负压，依靠压差将机器人吸附在墙面上。真空吸附式壁面移动机器人又可分为单吸和多吸两种结构，单吸盘真空吸附壁面机器人可实现小型化，轻量化，且结构简单，易于控制，多吸盘脚式壁面爬行机器人的吸附稳定可靠。
九十年代最新研制成功地推进型壁面机器人，采用直升机原理，利用螺旋桨产生的高速气流带动机器人向上高速移动，螺旋桨所产生的推力与壁面大约成20度角，始终有指向壁面的推力从而实现机器人的吸附功能，使机器人可以实现紧贴壁面移动，有一定的越障能力。
目前已有报道的高层建筑擦窗机还有以下几种：
日本BE公司研制成功的一种固定轨道式全自动擦窗机器人，靠安装在楼顶的轨道及吊索系统使擦窗机对准窗口，沿固定安装在建筑物表面导槽垂直上下移动进
行自动清洗。
北京航空航天大学与北京铁路局合作研制的擦窗样机，有八个吸盘，采用“十”
字框架式结构，上有驱动装置，可驱动两框架做相对运动以实现壁面机器人在固定墙面上沿X，Y方向移动。
上海科技大学机器人研究所研制的双足式爬壁机器人，与步行式两足机器人比较，结构较为简单，省略膝关节，通过脚腕的倾斜和圆规脚的开闭适当结合起来，即可翻越一定的台阶，对诸多复杂环境具有适应性。
哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功的清洗高层建筑瓷砖壁面或玻璃幕墙的壁面清洗爬壁机器人。该机器人吸附方式为负压吸附，移动方式为轮式，移动速度为1-8米分。采用有线遥控，计算机控制。曾向深圳、香港试销二台，反映较好。最新研制成功的Ⅱ型样机，具有以下特点：
实现了控制器的小型化，可直接安放于机器人本体上，减小了体积；
1)采用电力线载波通讯进行遥控，减少了控制电缆数量，提高了机器人的爬高能力；
2)采用喷雾、刷洗与多层橡胶板刷洗工序的综合清洗机构，对清洗玻璃幕墙十分有效。
该机器人采用负压吸附、双轮驱动、气垫密封结构、有线遥控与专用清洗机构，满足了可靠吸附，灵活移动和高效清洗的要求，设计是成功的，并在解决密封，遥控和清洗等关键技术上创新。
除此之外，我们分别在图书馆，专利局，网络等各种途径还搜集到以下资料：
①壁面清洗机器人及其控制系统
刘淑良邵浩高波杨宏赵炎正王言
（哈尔滨工业大学）
《黑龙江自动化技术及应用》1997.3
②高楼壁面清洗机器人及其相关技术的研究
刘淑霞赵炎正王言
（哈尔滨工业大学机器人研究所）《技术纵横》
③爬壁机器人技术应用
刘淑霞
《机器人》1999. 2
④高层建筑墙面自动清洗装置
设计人：项中贷
专利号：96205687.1
⑤高层建筑外墙清洗机
设计人：蒋崇伟
专利号：96228332.0
⑥垂直壁面行走机器人系统研制
谈力士沈林勇陈振华
⑦组合式高楼外墙清洗机（网上查询）
⑧硬平整表面的清洗设备（美国专利）
⑨壁虎式自动擦窗机
⑩高层智能化墙体清洗机
设计人：马骥
专利号：95219263.2
从以上调研的情况看，清洗对象主要是墙面，其次是圆弧面和一些不规则的墙面；其壁面材料为瓷砖，玻璃幕墙，喷涂面，其中以瓷砖和喷涂面为多，故设计时可重点考虑这两种材料的墙面；
3.2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：是应与凭证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：适应于复杂墙面，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。
4. 总体方案拟订
4.1 对楼顶楼面的实际考察
在接受课题之后，为了顺利地完成我们的毕业设计任务，我们参观了省会石家庄几处典型的高层建筑。并且查阅了多种关于高层建筑和以往对建筑物的清洗的相关资料，其中大部分是难以人工清洗的，因此设计开发高层建筑外墙清洗机是非常必要的。
4.1.1 楼面结构考察
参观调查得到初步方案，清洗机主要由楼顶的随动小车和清洗主机部分组成，并且采用单片机控制。楼顶的随动小车在楼顶上预装的轨道上行走，可使悬吊的清洗机部件实现纵洗和横洗；清洗机部件利用风压使之贴在墙壁上，通过盘刷和滚刷完成清洗墙面的工作。因此，楼面情况就决定了我们如何设计轨道、变向、压紧和清洗液的输送、回收等问题。
几种典型建筑物楼面结构如图4-1：
4.1.2 楼顶结构考察
几种典型建筑物楼顶结构如图4-2：
4-2 几种典型建筑物楼顶结构
4.2方案选择与原理
4.2.1总体方案的确定
根据以上提出的技术性能及要求，初步确定总体方案如下：
清洗机主体贴在垂直墙面上，清洗液通过水泵从水箱抽出，喷在外墙上，自动电机驱动轮子及主清洗机行走；楼顶铺有导轨，随动小车沿导轨与清洗主机随动。
我们经过认真考虑及分析确定以下方案：
第一种：结构简图如图4-3：
图4-3 方案一
此种方案采用负压履带吸盘式盘滚组合式清洗，由于受到墙表面材料的影响较大，一般情况下，每两块瓷砖之间都有4~5毫米的缝隙，密封不可靠。
第二种：结构简图如图4-4：
图4-4 方案二
这种方案采用了风压式压紧，盘滚组合式清洗，清洗效率高，可靠性高，可以采用。但由于中间传动的需要，结构不对称,风扇的中心与刷子的中心不重合，刷洗压力不均匀，中心不稳定，容易引起震动问题。但可以考虑配重问题。
第三种：结构简图如图：
这种方案吸取了第二种方案的优点，传动的改变，使振动的问题减小，机体尺寸减小。
图4-5 方案三
这种方案为螺旋桨风压式高层建筑外墙清洗机，其优点是：①在清洗机外机架背后安装可调风压系统来提供连续均匀的清洗力，螺旋桨可调节转速来控制清洗压力；②机架内采用一清洗系统旋转装置，方便的实现了纵横两不同清洗方向的调整，减少非作业时间，增加了工作柔性，大大提高了工作效率；③应用两盘两滚相结合的清洗方式，清洗液和清水分别由盘刷和滚刷提供以达到最佳清洗效果。
综合比较以上三种方案，根据设计要求，由于对于墙面的压力要求大，工作稳定，结构容易实现，最后我决定用第三种方案。
通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使盘刷和滚刷压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净墙面。滚刷喷的是清水，将墙面冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀墙面，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回
程时间，以达到提高效率的目的。
4.2.2总体方案内容
本主机主要由箱体，支撑架，防护罩，刷子，电机，螺旋桨风压系统，齿轮传动系统等组成。，通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使刷子压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。
本主机有一悬吊支撑架，其外侧与悬吊系统相连，可调风压系统安装在悬吊支撑架背后，风压系统可通过调节螺旋浆转速控制清洗力，悬吊支撑架通过一圆导轨和箱体（其上安装两盘两滚）相连，所有的清洗装置均安装在该箱体上，清洗系统由固定在悬吊支撑架上的步进电机通过齿轮传动系统执行以90度为单位的转动动作以实现横洗和纵洗的转换。箱体上有两个圆盘形清洗刷，盘刷底部都有十二个清洗液喷射孔，另有两圆柱形滚刷，在其行走前方有清水喷射孔，并安装一软质刮水板，以使清洗过的部位快速风干并避免留下来的清洗液腐蚀墙面。箱体上还有一电机通过锥形齿轮将转动传到其中一个盘型清洗刷上，再通过齿轮传动系统将转动传递给另一盘刷，所以两盘刷转动方向相反，可以达到更好的清洗效果，圆柱形滚刷是由电机尾部的轴通过V带驱动的。在悬吊支撑架上有防护罩，防止清洗液四溅。清水，清洗液，电机的供电和控制电缆都是是由复合缆供给的，复合缆连接悬吊系统。在风压支架上有配重块，配重块可以沿光杠丝杠移动。通过调节配重块可以调节系统平衡，以达到减小震动的效果。在清洗机主体的上下部安放超声波传感器，以进行边缘识别。箱体上装有两对滚轮，滚轮通过电机驱动，以实现前后移动，而转向通过箱体的转动实现。
本方案通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使盘刷和滚刷压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。旋转的刷子的轨迹为包络线，从而清洗干净墙面。滚刷喷的是清水，将墙面冲洗干净，以避免留下来的清洗机腐蚀墙面，同时盘刷和滚刷采用一个电机驱动，减小了清洗主机的重量，清洁度提高，清洗效率也提高了一倍；由于采用两盘两滚结构可减少不必要的回程时间，以达到提高效率的目的。
4.2.3材料选择
根据课题要求，总体重量越轻越好，由于使用清洗液，耐腐蚀性能也要好而且此产品是轻载荷，故材料首先选用铝合金材料及非金属材料。
整个及其涉及到齿轮减速器的地方，齿轮的材料经过筛选与比较采用聚甲醛（均聚），见《金属机械加工工艺人员手册》P.244。
本机的各个传动轴均采用硬质合金LY11。
螺旋桨材料选用尼龙66。
机架的材料采用铝合金。
其他机件的选择根据通常材料在重量最轻原则下进行确定。
4.2.4轮的润滑问题
由于齿轮的材料已确定为聚甲醛，据《机械工程手册》（第二版）2-369，其工作要求少润滑或无润滑，。故不考虑齿轮的润滑问题。
4.2.5轴承的润滑问题
大空心轴的转速较低为400rmin,鼓起润滑方式应为脂润滑，润滑脂为钙机润滑脂。
注：以上润滑脂的选择见《非标准设备设计手册》P.582
5 重要零部件的设计与计算
5.1刷洗部分设计
5.1.1清洗速度的确定
以离我校最近的送变电大厦为例：
设计要求两天时间清洗完成，每天按8小时计算（7小时工作时间，一小时的装拆时间），共计2×7×60=840min
送变电大厦周长为120m，建筑物高度为80m,初步估算清洗面积约为9600㎡，效率约为：9600840=11.4㎡min=0.19㎡s 取清洗效率为0.2㎡s
以纵向清洗为例，因清洗宽度为900mm，则可计算移动速度为：0.20.9约为
0.22ms
以下设计按上述要求完成，尽可能完成设计要求。
5.1.2 盘刷部分
1）盘刷
采用在塑料体上在塑料毛的盘刷，其具有一定的弹性和刚度，可保证一定的压紧力来清洗墙面，同时若墙面有一定高度的凸出物，塑料毛有一定的弹性可以退让，
顺利通过。刷子半径214，有毛半径208，刷毛长度为50，盘刷与联刷体可通过螺栓来装配连接。
2）联刷体
入未硬化的壳体内，卡子插入后，待壳体凝固，便把刷毛固定下来，这样整个植毛工艺就完成了。
根据上述原理，盘刷也可以采用这种方法制作，其技术要求：
毛孔直径：2.5mm
间距：5mm
孔深：10 mm
每孔刷毛密度：五根
下面滚刷原理与上面相同
5.1.2滚刷
采用在钢轴外面加套橡胶轴套，在橡胶轴上栽刷毛的方法做成，可通过调换橡胶套的方法调换滚刷，滚刷半径为106，有刷毛部分长度为940。滚刷结构如图5-2：
图5-2 滚刷结构图
5.1.3电机的选择
为了控制的方便，减轻主机的重量，应尽量减轻电机的数量，所以盘刷、滚刷共用一双输出轴电机，中间用齿轮和V带传动；从经济的角度考虑，采用普通的三相电机，带动两盘两滚共四个清洗刷。
依据实际实验，取洗刷的压强为螺旋桨工作压力为20公斤力。
四个角轮分别承受3公斤力。
盘滚刷均承受两公斤力
刷毛与墙面的摩擦系数为0.1～0.2，取μ=0.15
对盘刷求积分转矩为 : F=20N×0.15=3N.m
⑴．洗力矩：
盘刷M1=P×S×U×R=4.2N.M
两个刷子的转矩:T=2×M1=8.4N.M
滚刷：M2=0.206×78×5=0.8034N．M
所需总的刷洗力矩：
M=2×M1+M2=8.4+0.8034=9.2034N．M
(2)．初定盘刷转速：360rmin
-802-6，额定功率0.55KW,转速900rmin,平键4×20，根据刷洗力矩，型号为Y
2
保持转矩为9.8N.M(查GBM)
5.1.4刷洗部分所用弹簧的设计计算
1）弹簧的种类：采用圆柱螺旋压缩弹簧;
2) 弹簧的材料：根据《机械设计手册》选用碳素弹簧钢；
3）弹簧的设计计算
⑴根据《机械设计手册》取弹簧的工作圈数5.65.11=+=N N ⑵根据《机械设计手册》取弹簧丝直径：D=3.5，
允许极限负荷下的单圈变形：75.13=F
单圈刚度：mm kg P /3.331=
弹簧节距：T=5.2
最大工作载荷：kg P 462=
极限工作载荷：kg P 5.573=
弹簧每圈展开长度：L=52mm
⑶计算数据
弹簧中径：mm d D D 5.165.3202=-=-=
弹簧内径：d D D ?-=21＝２０－２×３.５＝１３mm
弹簧间隙：mm d t 7.15.32.5=-=-=δ
弹簧总展开长度：L=1×n=52×5=260mm
螺旋角： 7=α
弹簧自由高度：H=mm d n n 75.34*)1(*1=++δ
允许极限负载时弹簧高度：
mm F H H 1.2665.875.3433=-=-=
弹簧旋向：左旋右旋均可
5.2内空心轴的设计
为了在盘刷中心喷清洗液，并使喷嘴不随盘刷转动，需在盘刷内用滚动轴承固定。空心轴的一端连接盘刷体，另一端与水管相连，在盘刷体转动时，空心轴固定