摘要光伏板智能清掃機(jī)器人的市場(chǎng)前景很好，特別是在中國(guó)，市場(chǎng)增長(zhǎng)速度預(yù)計(jì)將超過全球平均水平。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，這一行業(yè)預(yù)計(jì)將繼續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。本研究分析了現(xiàn)有光伏板清掃技術(shù)的限制，如手動(dòng)清掃的勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，以及傳統(tǒng)清掃設(shè)備的適應(yīng)性不強(qiáng)、效率低下等問題。根據(jù)對(duì)不同清掃方式的分析對(duì)比，選擇清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。對(duì)光伏板智能清掃機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)移動(dòng)裝置、清掃裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，移動(dòng)裝置采用高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)確保機(jī)器人能夠平穩(wěn)、準(zhǔn)確地移動(dòng)到指定位置。清掃裝置則采用了可調(diào)節(jié)的滾刷進(jìn)行清掃工作，可滿足不同適應(yīng)類型、不同污染程度的光伏板清掃需求，最后，通過設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行各零部件的設(shè)計(jì)以及選材，確保清掃機(jī)器人的正常工作。本研究還對(duì)智能清掃機(jī)器人的能源管理進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠在不依賴外部電源的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作，提高了清掃作業(yè)的連續(xù)性和可靠性。通過校核驗(yàn)證，設(shè)計(jì)成果滿足光伏板清潔使用環(huán)境需求。關(guān)鍵詞：光伏板清掃；清掃機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；AbstractThemarketprospectsforphotovoltaicpanelintelligentcleaningrobotsareverypromising,especiallyinChina,wherethemarketgrowthrateisexpectedtoexceedtheglobalaverage.Withthecontinuousinnovationoftechnologyandthegrowthofmarketdemand,thisindustryisexpectedtocontinuetomaintaingrowthmomentum.Secondly,theoverallstructureofthephotovoltaicpanelintelligentcleaningrobotisdesigned,focusingonthedesignofthemobiledeviceandcleaningdevice.Themobiledeviceusesanefficientdrivesystemtoensurethattherobotcanmovesmoothlyandaccuratelytothedesignatedposition.Thecleaningdeviceadoptsadjustablerollingbrushforcleaningwork,whichcanmeettheneedsofphotovoltaicpanelcleaningwithdifferentadaptationtypesanddifferentpollutionlevels.Finally,throughthedesignscheme,thedesignandmaterialselectionofallpartsareconductedtoensurethenormalworkofthecleaningrobot.Inaddition,thisstudyalsooptimizedtheenergymanagementofintelligentcleaningrobots,enablingthemtoworkforlongperiodsoftimewithoutrelyingonexternalpowersources,improvingthecontinuityandreliabilityofcleaningoperations.Throughverification,thedesignresultsmeettherequirementsofcleanusageenvironmentforphotovoltaicpanels.Keywords:Cleaningofphotovoltaicpanels；Intelligentcleaningrobot；Structuraldesign；

目錄4417第一章緒論 554101.1研究背景 592711.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 651151.3研究意義 7261341.4本文內(nèi)容 925153第二章機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 10210452.1清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)需求與主要工作參數(shù) 10131322.2產(chǎn)品環(huán)境 11116712.3總體設(shè)計(jì)方案 11254922.4本章小結(jié) 1211829第三章清掃機(jī)器人組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12140713.1清掃裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1260013.2行走裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13101633.3機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14153713.4限位輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15248603.5控制裝置設(shè)計(jì) 15305473.6電池模塊設(shè)計(jì) 17249253.7本章小結(jié) 199821第四章傳動(dòng)方案及驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)選取 19292984.1減速器方案設(shè)計(jì) 1940054.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及選取 20316574.2.1電機(jī)選型 20217524.2.2電動(dòng)機(jī)功率要求 21308254.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的確定 21106654.4本章小結(jié) 221566第五章清掃機(jī)器人主要零件設(shè)計(jì)及校核 2359705.1主軸系設(shè)計(jì) 23190525.1.1裝置傳輸方案 23116965.1.2確定主軸材料和尺寸 23153875.1.3主軸直徑及強(qiáng)度校核 2477785.2軸承選取及校核 24277475.3聯(lián)軸器的選取 2629585.4齒輪設(shè)計(jì) 2670305.4.1減速器齒輪應(yīng)力校核 27186135.4.2減速器齒輪彎曲強(qiáng)度校核 28313575.5本章小結(jié) 2920068第六章總結(jié) 3129887參考文獻(xiàn) 31556致謝 32

第一章緒論1.1研究背景隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，光伏發(fā)電作為重要的可再生能源，正迎來快速發(fā)展的黃金時(shí)期。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年，光伏發(fā)電將占全球電力供應(yīng)的16%，成為僅次于火力發(fā)電的第二大電力來源。光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，帶動(dòng)了光伏板安裝數(shù)量的快速增長(zhǎng)，同時(shí)也對(duì)光伏板清潔提出了更高的要求。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，光伏板長(zhǎng)期暴露在戶外，光伏板的表面常常會(huì)受到灰塵、鳥糞、落葉等雜物的污染，這些污染物不僅會(huì)降低光伏板的透光性，影響其發(fā)電效率，還可能引發(fā)局部過熱、損壞光伏板等問題。研究表明，光伏板的表面每增加10g/m2的灰塵，發(fā)電量將降低2%-5%。因此，定期清潔光伏板對(duì)提高發(fā)電量具有重要意義REF_Ref28383\r\h[1]。如圖1-1所示，根據(jù)太陽能發(fā)電廠的具體位置，在農(nóng)業(yè)地區(qū)，污染物由有機(jī)花粉、鳥糞、樹葉、土壤等組成回。在城市，污染物主要由汽車尾氣產(chǎn)生的碳組成，而在如阿拉伯半島、中亞、北非、南非、中國(guó)西部和東部、北美和南美等沙漠地區(qū)污染物主要由礦物（沙子、石英、二氧化硅等）組成。圖1-1光伏板表面污染物圖為了維護(hù)光伏板的性能和使用壽命，定期的對(duì)其進(jìn)行清潔和維護(hù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的光伏板清潔方法主要依靠人工定期清掃或使用簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置進(jìn)行清潔。然而，這些方法存在效率低下、成本高昂、難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等問題。特別是在大規(guī)模的光伏板陣列中，這些問題更為突出。人工清潔不僅需要大量的人力和時(shí)間，而且在某些情況下還可能存在安全隱患。而簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置雖然可以在一定程度上減輕人工負(fù)擔(dān)，但是其清潔效果并不理想，且難以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境條件。因此，開發(fā)一種能夠自主工作、適應(yīng)性強(qiáng)、清潔效率高的光伏板智能清掃機(jī)器人成為了業(yè)界的研究熱點(diǎn)REF_Ref28429\r\h[2]。近年來，隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等技術(shù)的飛速發(fā)展，為光伏板智能清掃機(jī)器人的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。通過集成這些先進(jìn)技術(shù)，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏板表面污染物的智能識(shí)別、精確定位和高效清除，從而提高光伏板的發(fā)電效率。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常占地面積較大，人工清掃工作量大、效率低、成本高。而光伏板智能清掃機(jī)器人可以自動(dòng)進(jìn)行清掃工作，節(jié)省人力成本，降低運(yùn)維成本。光伏板在長(zhǎng)期使用過程中，表面污漬的積累會(huì)導(dǎo)致光伏板局部發(fā)熱，進(jìn)而影響光伏板的使用壽命。智能清掃機(jī)器人可以及時(shí)清除光伏板表面的污漬，降低局部發(fā)熱的風(fēng)險(xiǎn)，提高光伏板的使用壽命。隨著我國(guó)環(huán)保政策的不斷加強(qiáng)，光伏發(fā)電作為一種清潔能源得到了廣泛的應(yīng)用。光伏板智能清掃機(jī)器人可以減少化學(xué)清潔劑的使用，降低對(duì)環(huán)境的污染REF_Ref28461\r\h[3]。綜上所述，光伏板智能清掃機(jī)器人的研究背景主要包括提高光伏發(fā)電效率、降低運(yùn)維成本、提高光伏板使用壽命、環(huán)保需求和技術(shù)創(chuàng)新等方面。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光伏板智能清掃機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著可再生能源的需求日益增長(zhǎng)，太陽能發(fā)電已成為全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵組成部分。光伏板作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，其維護(hù)和清潔對(duì)于保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的手動(dòng)清掃方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，而且可能對(duì)光伏板造成損傷，影響其性能和壽命。因此，開發(fā)一種自動(dòng)、高效且安全的光伏板清潔和維護(hù)方案變得尤為迫切。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，光伏產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，光伏板清掃機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用較早。美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在這一領(lǐng)域的研究相對(duì)領(lǐng)先。一些國(guó)外企業(yè)如美國(guó)的Ecoppia、以色列的CleanRobotics等已成功研發(fā)出光伏板清掃機(jī)器人產(chǎn)品，并應(yīng)用于商業(yè)化光伏發(fā)電項(xiàng)目中。國(guó)外相關(guān)研究更加注重機(jī)器人的智能化、自主化，并采用了一些前沿技術(shù)，如視覺SLAM、深度學(xué)習(xí)等。此外，國(guó)外企業(yè)更加注重產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用，與光伏發(fā)電企業(yè)合作，推進(jìn)光伏板清掃機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。國(guó)外光伏板清掃機(jī)器人的研究更加注重智能化和自主化，通過采用前沿技術(shù)如視覺SLAM、深度學(xué)習(xí)等，提高機(jī)器人的識(shí)別和清掃能力。此外，國(guó)外企業(yè)注重產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用，與光伏發(fā)電企業(yè)合作，推進(jìn)光伏板清掃機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。這些舉措有助于推動(dòng)光伏板清掃機(jī)器人的發(fā)展，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性REF_Ref28569\r\h[4]。在中國(guó)，光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了光伏板清潔技術(shù)的需求。目前，中國(guó)高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已開始關(guān)注光伏板智能清掃機(jī)器人的研究。例如，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校有相關(guān)研究項(xiàng)目。同時(shí)，一些企業(yè)如華為、陽光電源等也正在研發(fā)光伏板清掃機(jī)器人。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究取得了一些初步成果，部分產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)。然而，整體技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比仍有一定差距。國(guó)內(nèi)研究主要集中在機(jī)器人的清潔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃等方面，而在視覺識(shí)別、深度學(xué)習(xí)等智能化技術(shù)方面相對(duì)滯后。中國(guó)光伏板智能清掃機(jī)器人的研究仍處于起步階段。盡管有一些企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在積極研發(fā)，但產(chǎn)品性能、穩(wěn)定性和智能化程度與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比仍有差距REF_Ref28618\r\h[5]。此外，光伏板清掃機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，需要適應(yīng)不同的環(huán)境條件，這對(duì)機(jī)器人的研發(fā)提出了更高的要求。中國(guó)光伏板智能清掃機(jī)器人的發(fā)展仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程、市場(chǎng)推廣等方面。光伏板智能清掃機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀表明，中國(guó)在這一領(lǐng)域仍處于起步階段，而國(guó)外已經(jīng)形成較為成熟的產(chǎn)品和技術(shù)。中國(guó)光伏板智能清掃機(jī)器人的發(fā)展仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程、市場(chǎng)推廣等方面。中國(guó)需要加大研發(fā)力度，提高技術(shù)水平，以推動(dòng)光伏板清掃機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)可以加強(qiáng)合作，共享技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，共同推動(dòng)光伏板清掃機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展REF_Ref28778\r\h[6]。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，光伏板智能清掃機(jī)器人將迎來更大的發(fā)展機(jī)遇。1.3研究意義根據(jù)目前的市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，光伏板智能清掃機(jī)器人在全球和中國(guó)市場(chǎng)都顯示出顯著的增長(zhǎng)潛力。全球市場(chǎng)方面，據(jù)恒州誠思（YH）的研究統(tǒng)計(jì)，2022年全球光伏板清掃機(jī)器人市場(chǎng)的規(guī)模約為數(shù)十億元，預(yù)計(jì)到2029年市場(chǎng)規(guī)模將顯著增長(zhǎng)REF_Ref28866\r\h[7]REF_Ref28873\r\h[8]。中國(guó)市場(chǎng)方面，中國(guó)作為光伏板清掃機(jī)器人市場(chǎng)的重要部分，其市場(chǎng)規(guī)模在2018-2022年間展現(xiàn)了穩(wěn)定的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2022年，中國(guó)光伏面板清潔機(jī)器人行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為17.28億元，同比增長(zhǎng)29.92%。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，光伏板清潔機(jī)器人將會(huì)更加高效、智能，為全球光伏發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)更大的力量。隨著光伏發(fā)電的普及，光伏板清潔機(jī)器人的市場(chǎng)需求將不斷增長(zhǎng)。未來，隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)速度的加快和新技術(shù)、產(chǎn)業(yè)政策的推動(dòng)，中國(guó)光伏板清掃機(jī)器人市場(chǎng)將迎來更多發(fā)展機(jī)遇。在可再生能源領(lǐng)域中，太陽能發(fā)電作為一種清潔、可持續(xù)的能源方式受到了廣泛關(guān)注。然而，光伏板表面的灰塵和污染物會(huì)顯著降低其發(fā)電效率。為了解決這一問題，本文提出了一種基于光伏板的智能清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)旨在通過自動(dòng)化清掃過程，提高光伏板的維護(hù)效率和發(fā)電性能。這些數(shù)據(jù)表明，光伏板智能清掃機(jī)器人的市場(chǎng)前景很好，特別是在中國(guó)，市場(chǎng)增長(zhǎng)速度預(yù)計(jì)將超過全球平均水平。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，這一行業(yè)預(yù)計(jì)將繼續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭REF_Ref28912\r\h[9]。綜上所述，光伏板智能清掃機(jī)器人的研究具有重要意義，不僅市場(chǎng)前景很好，同時(shí)在提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率、降低清潔成本、提高清潔質(zhì)量、提高清潔安全性、提高清潔效率、提高光伏電站的智能化水平、促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及提高光伏電站的運(yùn)行可靠性等方面也有著明顯的效果。因此，光伏板智能清掃機(jī)器人的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。目前已有人工清潔、高壓水槍清潔、車載設(shè)備清潔和機(jī)器人清潔等許多清潔方法。（1）人工清潔人工清潔光伏板（圖1-2）是目前主要的清潔方式之一，然而，這種方式存在清潔質(zhì)量不穩(wěn)定，效率低，人工費(fèi)貴，清洗周期長(zhǎng)，而且很多光伏組件安裝環(huán)境危險(xiǎn)存在安全隱患，此外，人工清理時(shí)無法很好的控制清洗力度，可能導(dǎo)致光伏板的隱患，因此并不適合于大規(guī)模的光伏電站清潔。圖1-2人工清潔（2）車載設(shè)備清潔車載設(shè)備清洗是采用圖（1-3）中的專業(yè)的清掃設(shè)備和清掃劑對(duì)光伏板進(jìn)行清洗，可以確保零部件正常運(yùn)作，不受雜質(zhì)或污垢的影響，保持良好的性能，表現(xiàn)這種方式具有清洗效率高，清洗質(zhì)量高和清洗范圍廣等優(yōu)點(diǎn)適合大規(guī)模應(yīng)用，缺點(diǎn)是定期清潔車載設(shè)備需要投入大量時(shí)間和勞動(dòng)成本，特別是對(duì)于大型車輛或復(fù)雜的設(shè)備，可能需要較多的時(shí)間和人力。為了清潔更徹底，可能需要使用化學(xué)品，但某些化學(xué)品可能對(duì)環(huán)境造成污染，需要謹(jǐn)慎使用和處理，車載設(shè)備只能適用于開闊的場(chǎng)地，對(duì)光伏板的地形和排布方式有較高要求，而且設(shè)備需人工清潔，難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)清潔。圖1-3車載設(shè)備清潔系統(tǒng)光伏板清掃機(jī)器人和自動(dòng)系統(tǒng)也是光伏板清掃的理想解決方案，相比于其他清掃方式，能夠自動(dòng)清掃太陽能電池板表面，無需人工操作。這減少了人工清掃所需的時(shí)間和成本?？梢蕴岣咛柲芟到y(tǒng)的效率，機(jī)器人可以根據(jù)預(yù)定的計(jì)劃自動(dòng)執(zhí)行清掃任務(wù)，確保光伏板表面始終保持清潔，最大程度地吸收太陽能?？梢匝娱L(zhǎng)光伏板的壽命并降低性能下降的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人采用柔和的清潔方式，避免損壞光伏板表面?？梢詼p少人力資源的需求。這使得太陽能發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)更加經(jīng)濟(jì)高效?？梢赃m應(yīng)不同類型和尺寸的太陽能電池板布局，從屋頂安裝到大型地面太陽能電站。配備了智能化技術(shù)，如自主導(dǎo)航系統(tǒng)、避障傳感器和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，提高了操作的便利性和安全性。1.4本文內(nèi)容通過收集數(shù)據(jù)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集市場(chǎng)上現(xiàn)有分全自動(dòng)智能清掃機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理和功能，分析各種智能清掃機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步了解了設(shè)備控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)，分析光伏板智能清掃機(jī)器人的工作原理，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，其主要有：整體設(shè)計(jì)方案、組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再根據(jù)對(duì)清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)，材料以及選型的確定。完成零件圖的繪制，預(yù)期完成清掃機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)、并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行校核滿足使用要求。機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案2.1清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)需求與主要工作參數(shù)根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際工作場(chǎng)景，對(duì)設(shè)計(jì)的光伏板清掃機(jī)器人提出以下要求：移動(dòng)要求：可沿著具有一定傾斜度的光伏板自動(dòng)行走，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，行走時(shí)能夠按固定軌跡，與光伏板軸線平行進(jìn)行行走，避免滑動(dòng)或傾斜的情況發(fā)生，具有限位輪等裝置，清掃工作時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致位置錯(cuò)位，以確保清掃效果。清掃要求：機(jī)器人需要擁有完美地清掃光伏發(fā)電板表面，以保障光伏板發(fā)電效率最大化。穩(wěn)定、耐用，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清掃，自動(dòng)化控制，控制穩(wěn)定。清掃裝置應(yīng)選擇軟質(zhì)毛刷并具有一定韌性，既能夠清掃除去灰塵等雜物，又不會(huì)對(duì)光伏板、光伏玻璃造成傷害。為了節(jié)約水資源，提高除塵效率并降低成本，應(yīng)考慮無水除塵技術(shù)。輕量化要求：機(jī)器人的移動(dòng)時(shí)，為保證穩(wěn)定性和避免對(duì)光伏板造成損害，機(jī)器人需盡可能地輕量化。此外，輕量化還可以提高機(jī)器人的行走效率以及靈活性。經(jīng)濟(jì)性要求：考慮整個(gè)機(jī)器人的生命周期成本，維護(hù)、和更新?lián)Q代等方面盡量降低成本，確保機(jī)器人的投資回報(bào)率。此外，機(jī)器人應(yīng)具有較低的能源消耗和人工操作，以降低運(yùn)營(yíng)成本。光伏發(fā)電站通常由多組光伏排列排成一個(gè)矩形陣列組成，如圖2-1所示；一般來說，光伏板沒有標(biāo)準(zhǔn)尺寸。在我國(guó)，光伏電站的光伏板相對(duì)于地面的安裝斜率從幾乎水平到20°不等，每個(gè)光伏板之間的距離約為10毫米。圖2-1光伏電站光伏板布置除以上設(shè)計(jì)要求外，設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)還要考慮表2-1中的光伏板的各項(xiàng)參數(shù)。表2-1光伏板尺寸參數(shù)項(xiàng)目單位參考值單塊光伏板寬度mm2205單塊光伏板長(zhǎng)度mm1000光伏板邊緣厚度mm35光伏板面板厚度mm5光伏板智能清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)：整機(jī)尺寸：長(zhǎng)1600mm寬370mm高256mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)：24V/280W；速度及距離：最大行走速度80r/min，最大清掃距離1000m；電機(jī)轉(zhuǎn)速：750r/min；越障及爬坡：端面/平面越障50mm，爬坡角度20°控制方式：自動(dòng)運(yùn)行和本地監(jiān)控。2.2產(chǎn)品環(huán)境智能清掃設(shè)備通常對(duì)光伏區(qū)組件進(jìn)行清掃工作，待機(jī)溫度-30℃?60℃，啟動(dòng)清掃溫度-30℃~50℃，需將電池加熱至-20℃以上，電池充電溫度0℃~45℃，0℃以下需加熱至0℃以上。海拔3000M，相對(duì)濕度95%，無冷凝。大氣環(huán)境腐蝕性分類等級(jí)C4。2.3總體設(shè)計(jì)方案圖2-2光伏板清掃機(jī)器人整體設(shè)計(jì)圖對(duì)整體方案進(jìn)行介紹說明：光伏板智能清掃機(jī)器人可以沿著具有一定傾斜度的光伏板自動(dòng)行走，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，帶有獨(dú)立電源，行走時(shí)能夠按固定軌跡，與光伏板軸線平行進(jìn)行行走。具有限位輪等裝置，可清掃工作時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致位置錯(cuò)位。清掃裝置穩(wěn)定、耐用，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清掃，自動(dòng)化控制，控制穩(wěn)定。毛刷具有一定韌性，既能夠清掃除去灰塵等雜物，又不會(huì)對(duì)光伏板、光伏玻璃造成傷害?？刂葡到y(tǒng)具有邏輯，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，具有定位功能，有存儲(chǔ)模塊，能夠?qū)崟r(shí)查詢故障、運(yùn)行參數(shù)等信息。2.4本章小結(jié)詳細(xì)介紹了一種光伏板智能清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，旨在提高光伏板的維護(hù)效率、安全性，并降低維護(hù)成本，光伏發(fā)電板的參數(shù)以及光伏板智能清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)要求和參數(shù)。第三章清掃機(jī)器人組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1清掃裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)清掃裝置是光伏板智能清掃機(jī)器人最重要的核心部分，它的結(jié)構(gòu)影響到除塵效果，同時(shí)也決定其他機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)清掃結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮光伏板表面的污漬類型進(jìn)行分析。不同地區(qū)光伏面板的表面的污漬類型也有所不同，如（沙漠干旱地區(qū)、潮濕多雨地區(qū)）等。為了所設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人有更廣泛的適用性，本次設(shè)計(jì)采用無水方式的同時(shí)，還確保對(duì)光伏板表面結(jié)合較為緊密的顧固污漬也能有效清掃。根據(jù)刷子移動(dòng)方式的不同可以分成滑動(dòng)式和滾動(dòng)式兩種清掃模式。其中滑動(dòng)式清潔是一種常見的清潔結(jié)構(gòu)，其原理是通過拖動(dòng)刷子沿著光伏板表面的切向進(jìn)行清潔，以去除污漬。滑動(dòng)式清潔的問題在于，刷子與光伏板表面需要有足夠的壓緊力和較大的相對(duì)速度才能使刷子作用于光伏板表面污漬的清掃力要大于污漬與光伏板表面的范德華力，進(jìn)而有效的去除光伏板表面的污漬，難以根據(jù)實(shí)際的污漬類型進(jìn)行靈活調(diào)整。此外，對(duì)于需要反復(fù)清掃的位置，智能清掃機(jī)器人整體在光伏板上來回運(yùn)動(dòng)是非常不合理的。本文設(shè)計(jì)的清掃機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)式清掃模式，通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾刷在光伏板表面旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污漬的清理，滾刷由毛刷和滾筒構(gòu)成，滾刷與光伏板表面間的相對(duì)清掃速度由機(jī)器人的移動(dòng)速度和滾刷的旋轉(zhuǎn)速度決定，可以在任意運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通過調(diào)整滾刷轉(zhuǎn)速控制相對(duì)清掃速度。遇到難以清潔的頑固污漬時(shí)，可以讓機(jī)器人停下來，利用滾刷自身的旋轉(zhuǎn)反復(fù)清掃同一位置。實(shí)現(xiàn)更好的清掃效果。通常毛刷采用是去靜電尼龍材質(zhì)的毛，通過電機(jī)帶動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，在組件表面來回滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清掃功能。圖3-1清掃機(jī)器人滾刷模型圖在清掃過程中，毛刷對(duì)光伏組件施加以下三種負(fù)載：（1）平行負(fù)載：毛刷以平行于光伏板表面的方向施加力，主要用于清除覆蓋在光伏板表面的灰塵。（2）有一定夾角的負(fù)載：毛刷以一定角度斜向施加力，有助于破壞積灰層與光伏板之間的粘附力，提高清掃效果。（3）旋轉(zhuǎn)力矩：毛刷旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩，用于破壞積灰層內(nèi)部的粘附力，使灰塵更容易被清除。通過上述三種負(fù)載的協(xié)同作用，清掃模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高效清除光伏板表面的積灰，提高發(fā)電效率。3.2行走裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.行走部分：傳動(dòng)軸采用高強(qiáng)度材料制造，確保傳動(dòng)軸在承載和傳動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和耐用性。行走輪采用耐磨材料制造，并采用合適的接觸面積設(shè)計(jì)，以提高輪子的耐磨性和承載能力，在驅(qū)動(dòng)模塊的關(guān)鍵部位，選用高強(qiáng)度的材料，以提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和耐用性，在傳動(dòng)軸等關(guān)鍵部位設(shè)置防護(hù)裝置，防止灰塵進(jìn)入，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。2.傳動(dòng)部分：傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式可以分為齒輪傳動(dòng)與帶傳動(dòng)等，通過對(duì)齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比，最終選擇帶傳動(dòng)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳遞的一種機(jī)械傳動(dòng)。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動(dòng)力，且其造價(jià)低廉、不需潤(rùn)滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)，在近代機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛。電機(jī)的選取通過對(duì)電機(jī)的特點(diǎn)、工作原理以及控制方式分析；根據(jù)本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人所用電機(jī)的基本要求，選用高質(zhì)量的直流減速電機(jī)，保證電機(jī)輸出功率和扭矩滿足清掃需求，同時(shí)提高電機(jī)的穩(wěn)定性和耐用性。3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使驅(qū)動(dòng)模塊的受力分布更加均勻，避免局部過載，從而提高整個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊的穩(wěn)定性和耐用性。3.3機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常方法，強(qiáng)度、剛度的要求是設(shè)計(jì)安裝梁首要考慮的問題，其次梁的穩(wěn)定性，成本問題也納入方案考量范圍。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)首要是梁的截面尺寸，隨之考慮的問題，對(duì)所選梁的截面進(jìn)行驗(yàn)算，包括剛度、強(qiáng)度、局面及整體穩(wěn)定。經(jīng)驗(yàn)算后數(shù)據(jù)，設(shè)定的要求假如無法滿足，那么則重新挑選截面或甄選其他方法來修正。對(duì)于組合梁，從成本角度出發(fā)，變截面梁的選擇需要甄別，以便于讓截面的延長(zhǎng)度，能配合彎矩的變化。另外，翼緣與腹板的連接是待解決的問題，主要考慮受限因素有鋼材的規(guī)格、安裝位置、運(yùn)輸條件。從而不得不設(shè)置拼接，安裝梁的支座、及相關(guān)的構(gòu)件連接等，型鋼梁能滿足局部穩(wěn)定要求。對(duì)于焊接組合梁，翼緣可以通過限制板件寬厚比保證其不發(fā)生局部失穩(wěn)。腹板則較為復(fù)雜，一種方法是通過設(shè)置加勁肋的方法保證其不發(fā)生局部失穩(wěn)；另一種方法是允許腹板發(fā)生局部失穩(wěn)，利用其屈曲后承載力。3.4限位輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限位開關(guān)分為上下限位，限位輪包括底座、銷軸、滾子軸承、滾輪、上下支撐板、底板。在待清掃一側(cè)安裝停機(jī)位，非作業(yè)時(shí)間，停靠在停機(jī)位上，通過上限位輪掛住停機(jī)位上沿；在作業(yè)時(shí)間，上限位輪掛住并沿組件邊框上沿行走。圖3-3限位輪結(jié)構(gòu)圖3.5控制裝置設(shè)計(jì)控制裝置主要由清掃機(jī)器人的行走模塊、控制中心、驅(qū)動(dòng)模塊和遠(yuǎn)程模塊組成。（1）控制中心：由樹莓派、樹莓派基礎(chǔ)電路和接口電路組成，是清掃機(jī)器人的“大腦”，負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和清掃作業(yè)。控制中心可以根據(jù)外部傳感器的信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整清掃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和清掃模式。（2）行走裝置：負(fù)責(zé)控制清掃機(jī)器人的行進(jìn)方向和速度。根據(jù)控制中心的指令，行走模塊可以控制機(jī)器人在光伏板表面行進(jìn)，并按照預(yù)設(shè)的清掃路徑進(jìn)行清掃。（3）驅(qū)動(dòng)裝置：驅(qū)動(dòng)清掃機(jī)器人的清掃機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)清掃作業(yè)。根據(jù)控制中心的指令，驅(qū)動(dòng)模塊可以控制清掃毛刷的轉(zhuǎn)速和清掃力度，以實(shí)現(xiàn)高效的清掃效果。（4）遠(yuǎn)程模塊：由GPS和GPRS組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控清掃機(jī)器人的位置和工作狀態(tài)。工作人員可以通過遠(yuǎn)程模塊，隨時(shí)了解清掃機(jī)器人的運(yùn)行情況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和故障診斷。控制模塊通過各組成部分的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)清掃機(jī)器人的精確控制，實(shí)現(xiàn)自主清掃、路徑規(guī)劃、故障診斷等功能，提高清掃效率和安全性。下面根據(jù)描述自行繪制了一個(gè)簡(jiǎn)化的控制模塊工作流程圖：圖3-4控制模塊工作流程圖具體步驟如下：（1）輸入傳感器信號(hào)：外部傳感器（如接近開關(guān)、光敏開關(guān)等）檢測(cè)環(huán)境信息和機(jī)器人狀態(tài)，并將信號(hào)輸入到控制中心。（2）控制中心分析：控制中心（樹莓派等）分析傳感器信號(hào)，判斷清掃機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)和清掃環(huán)境。（3）控制指令輸出：控制中心根據(jù)分析結(jié)果，輸出控制指令給行走模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。（4）行走模塊執(zhí)行：行走模塊根據(jù)控制指令，控制清掃機(jī)器人的行進(jìn)方向和速度。（5）驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行：驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)控制指令，控制清掃毛刷的轉(zhuǎn)速和清掃力度。（6）遠(yuǎn)程模塊反饋：遠(yuǎn)程模塊實(shí)時(shí)反饋清掃機(jī)器人的位置和工作狀態(tài)，供工作人員監(jiān)控。（7）結(jié)束：當(dāng)清掃任務(wù)完成后，控制模塊結(jié)束當(dāng)前工作流程。清掃機(jī)器人的整體運(yùn)行方式如圖3-5所示。圖3-5整體的運(yùn)行方式清掃機(jī)器人的具體控制系統(tǒng)如圖3-6所示。圖3-6控制系統(tǒng)上述的控制模塊是通過各組成部分的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)清掃機(jī)器人的精確控制，實(shí)現(xiàn)自主清掃、路徑規(guī)劃、故障診斷等功能，提高清掃效率和安全性。3.6電池模塊設(shè)計(jì)電池模塊是光伏板機(jī)器人的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)為整個(gè)機(jī)器人提供所需的電力。其工作原理主要包括以下幾個(gè)方面：（1）能量存儲(chǔ)：電池模塊采用高容量、高安全性的電池，如12V60AH的鐵鋰電池。鐵鋰電池具有體積小、重量輕、安全性強(qiáng)、高功率輸出、長(zhǎng)循環(huán)壽命等特點(diǎn)，能夠?yàn)闄C(jī)器人提供足夠的能量支持長(zhǎng)時(shí)間的工作。（2）充放電管理：電池模塊配備有充放電管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的充放電狀態(tài)，確保電池在充放電過程中安全穩(wěn)定。充放電管理系統(tǒng)可以控制電池的充放電電流和電壓，防止電池過充、過放，延長(zhǎng)電池的使用壽命。（3）能量轉(zhuǎn)換：電池模塊通過充放電管理系統(tǒng)，將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，為機(jī)器人提供動(dòng)力。在充電過程中，電能通過充放電管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)在電池中；在放電過程中，化學(xué)能通過充放電管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能，為機(jī)器人提供動(dòng)力。（4）能量分配：電池模塊根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際需求，合理分配電能。在清掃過程中，電池模塊會(huì)優(yōu)先為清掃模塊和行走模塊提供電力，確保清掃效率和機(jī)器人的正常運(yùn)行。在非清掃過程中，電池模塊會(huì)為控制模塊和其他輔助設(shè)備提供電力，保證機(jī)器人的正常運(yùn)行。（5）故障檢測(cè)與保護(hù)：電池模塊具備故障檢測(cè)與保護(hù)功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，如過充、過放、短路等，立即啟動(dòng)保護(hù)措施，防止電池?fù)p壞，確保機(jī)器人的安全運(yùn)行。圖3-7中展示了電池模塊的詳細(xì)布局，包括電池單元、電池管理系統(tǒng)（BMS）組件、連接器等。展示了電池單元到電池管理系統(tǒng)（BMS）再到機(jī)器人組件（如清潔機(jī)構(gòu)和電機(jī)）的能量流動(dòng)過程。同時(shí)，還展示了故障檢測(cè)和保護(hù)過程，每個(gè)步驟都有清晰的標(biāo)簽和箭頭。圖3-7電池模塊圖解電池模塊的整個(gè)工作原理，首先由太陽能電池板通過電纜連接，將太陽光能轉(zhuǎn)化為直流電能，此時(shí)直流電能通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電能，供家庭或設(shè)備使用，其中的部分交流電能被存儲(chǔ)在電池管理系統(tǒng)（BMS）中的電池組中。當(dāng)機(jī)器人組件中的電機(jī)需要?jiǎng)恿r(shí)，電池模塊就會(huì)釋放電能為其供電。此外，還有專門的電路和傳感器用于故障檢測(cè)和保護(hù)，以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。最后，系統(tǒng)還具有智能控制功能，可以根據(jù)天氣情況和用電需求調(diào)整充電和放電策略。圖3-7中清晰地展示了光伏板機(jī)器人電池模塊從輸入到輸出，以及各個(gè)組件之間的互動(dòng)關(guān)系。3.7本章小結(jié)清掃機(jī)器人組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括清掃裝置、移動(dòng)裝置、控住模塊和電池模塊，從而提升太陽能發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。設(shè)計(jì)的核心在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)檢測(cè)、清潔和維修功能。第四章傳動(dòng)方案及驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)選取4.1減速器方案設(shè)計(jì)在清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中想到了三個(gè)方案：電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪構(gòu)成的減速器：1，斜齒輪1帶動(dòng)斜齒輪2，挾斜齒輪2帶動(dòng)斜齒輪3，斜齒輪上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃；圖4-1方案一電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪構(gòu)成的減速器：1，錐齒輪1帶動(dòng)錐齒輪2，有錐齒輪2上的軸連接滾刷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清掃；圖4-4方案二(3)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿構(gòu)成的減速器：，蝸桿兩端接渦輪，兩個(gè)渦輪的軸上分別接刷子，從而實(shí)現(xiàn)清掃；圖4-3方案三因?yàn)樗O(shè)計(jì)的機(jī)器人它的體積有限制，要放置有清掃機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)收集處理機(jī)構(gòu)，同時(shí)還得留下放電池、控制中心、觀察中心的地方，而方案一易于安裝，傳動(dòng)平穩(wěn)，直齒斜齒輪所占的面積較小，承載較大，因而定了這種方案；方案二中，錐齒輪傳動(dòng)不如斜齒輪平穩(wěn)，同時(shí)錐齒輪一所占的體積也比較大，而清掃機(jī)構(gòu)又是本次設(shè)計(jì)中最重要的部分，因而選用錐齒輪的弊端也很大，所以經(jīng)過計(jì)算及各個(gè)機(jī)構(gòu)總體布局的綜合考慮，舍棄了方案二；方案三中通過點(diǎn)擊帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再有蝸桿帶動(dòng)其兩端的蝸輪，由蝸輪上的軸帶動(dòng)固定在其上的刷子旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了清掃的目的REF_Ref29212\r\h[15]。而在選種中心距的情況下，渦輪蝸桿的尺寸都比較大，雖然能夠放置下，但是渦輪蝸桿這個(gè)裝置就顯得比較笨重，所占的重量很大，這就加重了機(jī)器的人的總重量，因而這種方案也不是很合理REF_Ref29274\r\h[16]。以上三種方案通過對(duì)比以及由設(shè)計(jì)的要求所限制，最終選擇圖4-1方案一為清電機(jī)帶動(dòng)斜齒輪構(gòu)成的減速器。4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及選取4.2.1電機(jī)選型本次設(shè)計(jì)的光伏板智能清掃機(jī)器人所用電機(jī)的基本要求：?jiǎn)?dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性。正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定。良好的抗干擾能力，對(duì)輸出來說，體積小、重量輕。維修容易，不用保養(yǎng)?？筛鶕?jù)電源類型、運(yùn)行條件(溫度、環(huán)境、空間大小)和負(fù)載特性)性質(zhì)、大小、起動(dòng)性能和過載條件來選擇電機(jī)類型和結(jié)構(gòu)，清掃清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中常用電機(jī)有直流電機(jī)、和步進(jìn)電機(jī)，它們的特點(diǎn)和控制方式如下表4-1所示。表4-1三種電機(jī)的主要特點(diǎn)、控制方式電機(jī)選型主要特點(diǎn)控制方式直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的調(diào)速性能，調(diào)速穩(wěn)定方便，速連續(xù)輸出額定扭矩，調(diào)速比達(dá)120;過載能力強(qiáng)，能夠承受頻繁的沖擊負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)頻繁的快速啟動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向;購買方便，款式多，操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電流通常較大，需要減速機(jī)減速，需要維護(hù)工作。轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用電壓控制方式，轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式。步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：是步角小，功率小，過載能力強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)頻率高，停電時(shí)定位扭矩大，型號(hào)多，適合室內(nèi)自動(dòng)清掃機(jī)的速度。缺點(diǎn)：是功率重量比小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差，低速性能好，體積大，負(fù)載能力低，運(yùn)動(dòng)時(shí)有振動(dòng)。永磁式、反應(yīng)式、混合式、大多數(shù)清潔工都在室外工作，需要簡(jiǎn)單的控制和順暢的操作。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人所用電機(jī)的基本要求及電機(jī)的特點(diǎn)選擇直流減速電機(jī)。4.2.2電動(dòng)機(jī)功率要求電機(jī)功率合理，能源效率高，始終滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。降低效率和功率因數(shù)，增加耗電量，造成大量的浪費(fèi)。電動(dòng)機(jī)的容量主要由電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量決定。電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和它的工作狀態(tài)有關(guān)。在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，如果所選擇的電動(dòng)機(jī)的額定功率p在所需電動(dòng)機(jī)功率P以上，則負(fù)荷變動(dòng)小。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)過熱，不需要發(fā)熱和啟動(dòng)扭矩檢查REF_Ref29363\r\h[18]。4.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的確定圓盤材料選用尼龍材料。圓盤毛刷受力約為F1=55N，轉(zhuǎn)速為n1=80r/min。滾筒受力約為1.圓盤毛刷轉(zhuǎn)矩:T1所需功率:P1圓盤毛刷到減速器間用帶傳動(dòng)，傳遞效率90%。減速器橫放斜齒輪=3\*ROMANI軸處的功率為：P減速器齒輪間的傳遞效率為90%豎放齒輪處的功率為：P滾筒處=2\*ROMANII軸的轉(zhuǎn)矩:T=FR=75×0.2=15N此處的功率：P電機(jī)到=1\*ROMANI軸之間用帶傳動(dòng)，傳遞效率90%電機(jī)的輸出功率：P工作速度為80r/min，為較低轉(zhuǎn)速故選用24V/280W，其輸出轉(zhuǎn)速為750r/min。通過以上計(jì)算與比較，最終選擇博山的直流減速電動(dòng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如表4-2所示：表4-2直流減速電機(jī)的技術(shù)參數(shù)型號(hào)轉(zhuǎn)矩（mN·m）轉(zhuǎn)速（r/min）功率（W）電壓（V）電流（A）110SZ552780750308241.24.4本章小結(jié)深入探討了光伏板智能清掃機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中考慮了多種傳動(dòng)方案，并最終選擇了方案一，即電機(jī)通過斜齒輪驅(qū)動(dòng)皮帶輪，再由皮帶輪上的軸連接刷子進(jìn)行清掃。這一選擇基于機(jī)器人體積限制、安裝便利性、傳動(dòng)平穩(wěn)性以及承載能力等因素的綜合考量。通過各種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)以及控制方式選擇合適的電機(jī)。第五章清掃機(jī)器人主要零件設(shè)計(jì)及校核5.1主軸系設(shè)計(jì)5.1.1裝置傳輸方案專用裝置的傳動(dòng)方案可采用皮帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)。為了方便工件的拆卸,為了縮短軸向尺寸,使結(jié)構(gòu)緊湊,特殊裝置采用齒輪傳動(dòng)方案。傳輸方法如下所示:電機(jī)-齒輪1-齒輪2-主軸-桅桿5.1.2確定主軸材料和尺寸(1)主軸材料主軸上的負(fù)載相對(duì)較小。在正常情況下,由此產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼的屈服極限,因此機(jī)械強(qiáng)度不是選擇主軸材料的基礎(chǔ)。當(dāng)主軸的直徑、支承、跨度、懸臂等尺寸參數(shù)保持不變時(shí),主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不固定,主軸的剛度取決于材料的彈性模量。然而,各種鋼的彈性模量e何S2.06105MPa,幾乎沒有差別,所以剛度不是主軸選擇的基礎(chǔ)。主軸材料只能根據(jù)耐磨性、熱處理方法和熱處理變形來選擇,耐磨性取決于硬度。自動(dòng)機(jī)主軸為淬火鋼或滲碳淬火鋼,高頻淬火,普通自動(dòng)機(jī)主軸可選用45鋼。這里的主要材料可以是相同的材料45鋼。經(jīng)查詢《材料力學(xué)》表19-1后可知：45鋼的，其屈服極限，且查表19-2知，對(duì)塑性材料有：（1）彎曲應(yīng)力；（2）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；（3）擠壓應(yīng)力;（4）剪切應(yīng)力。經(jīng)查閱得知45鋼許用拉應(yīng)力為：[σ]=σ上式中n為安全系數(shù)，對(duì)塑性材料通常取1.5-2.2，所以，。5.1.3主軸直徑及強(qiáng)度校核根據(jù)洗盤扭矩計(jì)算主軸直徑公式：d=B3p式中：P——選定的電機(jī)功率；b——系數(shù)；主軸的最小直徑計(jì)算為d=25mm。主軸直徑應(yīng)根據(jù)桅桿尾的結(jié)構(gòu)確定,主軸前端應(yīng)采用萬向節(jié)的形式。直徑90mm。因此,根據(jù)d2=(0.7~0.85)d1x(44.5~55.25mm)之間的關(guān)系,d1x65mm為主軸前支撐軸,d2=55mm為后支撐,d2=60mm為中間殘余直徑(平均直徑)。確定主軸的前端,通過浮動(dòng)連接到桅桿上。根據(jù)主軸支架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),軸向和徑向力小,主軸轉(zhuǎn)速高。前支撐軸承7013AC,如軸承手冊(cè)所示。根據(jù)上述方法,主軸的最小直徑為d=28mm。圖5-1軸的結(jié)構(gòu)圖根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可以使用相應(yīng)的校核公式計(jì)算其主要承受轉(zhuǎn)矩為：T=9.55×式中：T——轉(zhuǎn)矩，單位（N·m）；P——電機(jī)功率，單位（KW）；n——額定轉(zhuǎn)速，單位（r/min）。軸是傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要的部分之一，它承受著較大的扭矩荷載。因此，在設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行扭應(yīng)力強(qiáng)度的校核，確保軸的安全可靠性?？傻茫害邮街校篢W將以上各項(xiàng)參數(shù)代入到3-36中可得：τ由于本設(shè)計(jì)采用的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸結(jié)構(gòu)方案、尺寸、材料均一致，故校核主動(dòng)軸強(qiáng)度即可。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人的工作軸強(qiáng)度符合要求，具備一定的使用條件。5.2軸承選取及校核軸承預(yù)計(jì)壽命：L查滾動(dòng)軸承角接觸球承7208C,基本額定動(dòng)載荷C=36.8KN，基本額定動(dòng)載荷C0=25.8KN，求兩軸承受到的徑向動(dòng)載荷F求兩軸承計(jì)算軸向力Fa1對(duì)于7000C型軸承，軸承派生軸向力，其中e為判斷系數(shù)，其值由FaC0的大小決定的。軸承軸向力,,所以,所以根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》徑向動(dòng)載系數(shù)X和軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y標(biāo)，插值計(jì)算得e1=0.5425,,計(jì)算的Fa/Co的值相差不大,由此可以確定e1=0.5425,e2=0.5533.Fa1=7636N,Fa2=9386N(2)求軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷和由于；分別查表和插值的X和Y值。對(duì)于軸承1而言：x1=0.44；y1=1；對(duì)于軸承2而言：x1=0.44；y1=1。又因?yàn)檩S承運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，查表可得，取，則：(3)驗(yàn)算軸承壽命：由于,所以按軸承2的受力大小驗(yàn)算：軸承滿足壽命要求。5.3聯(lián)軸器的選取主動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩T(N·m)可用下式進(jìn)行計(jì)算：T=9550×式中：P—傳遞的功率kW；N—軸的轉(zhuǎn)速r/min；初選LT1彈性套筒銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩Tn傳動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩Tca=k代入式得到：TT校核最高轉(zhuǎn)速：n=750r/min[n]=8800r/minn≤滿足要求。5.4齒輪設(shè)計(jì)滿足勞動(dòng)條件:不同的產(chǎn)業(yè)狀況對(duì)齒輪傳動(dòng)有不同的要求，所以對(duì)齒輪材料有不同的要求。但是，一般的動(dòng)力傳動(dòng)系要求足夠的強(qiáng)度和耐磨性，齒面的硬度，芯的柔軟性。（2）適當(dāng)選擇材料組合:對(duì)于硬度±350HBS的軟軟齒輪，為了使兩個(gè)齒輪的使用壽命相近，小齒輪材料的硬度應(yīng)超過稍大的齒輪，兩個(gè)齒輪的硬度差應(yīng)在30~50HBS左右。為提高齒輪的防膠性能，齒輪尺寸應(yīng)具有不同的鋼材材料。（3）考慮加工工藝和熱處理工藝:由于一對(duì)齒輪參與了驅(qū)動(dòng)和磨損，對(duì)齒輪的沖擊載荷也很大，要求齒輪的彎曲強(qiáng)度。必須使用硬齒面齒輪組合。20CrMnTi碳化后，所有齒輪表面都會(huì)硬化，硬度為58~62HRC。國(guó)內(nèi)減速器齒輪常用材料為20CrMnTi（鋼號(hào)為18CrMnTi）和20N2TiB、20nvb和20MnMoB。對(duì)于大型撥盤型齒輪，可使用25CrMnMo、20CrNiMo、12Cr3A等鋼。這些低碳合金鋼需要隨后的碳化和淬火來提高表面硬度和提煉材料顆粒。為了消除內(nèi)部的壓力，需要回火。齒輪齒面碳化層的推薦深度范圍如下：≤3.5滲碳層深度0.8～1.2mm；3.5＜＜5滲碳層深度0.9～1.0mm；≥5滲碳層深度1.0～1.6mm。滲碳齒輪在淬火、回火后要求齒輪的表面硬度為HRC58～63，心部硬度為HRC33。5.4.1減速器齒輪應(yīng)力校核主動(dòng)齒輪：已知：N·mm；；；mm；；；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.14，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：MPa從動(dòng)齒輪：已知：N·mm；；；mm；；；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.16，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：MPa主動(dòng)齒輪：已知：N·mm；；；mm；；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.16，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：MPa從動(dòng)齒輪：已知：N·mm；；；mm；；；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.155，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：MPa5.4.2減速器齒輪彎曲強(qiáng)度校核齒輪彎曲強(qiáng)度校核（斜齒輪）（5-1）式中：——圓周力（N），；——計(jì)算載荷（N·mm）；——節(jié)圓直徑（mm），，為法向模數(shù)（mm）；——斜齒輪螺旋角（°）；——應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；——齒面寬（mm）；——法向齒距，；——齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在齒形系數(shù)圖5.1中查得；——重合度影響系數(shù)，=2.0。圖5-1齒形系數(shù)圖【8】將上述有關(guān)參數(shù)據(jù)代入公式圖（5-1）中，整理得到σw=25.5本章小結(jié)本章節(jié)專注于光伏板智能清掃機(jī)器人的主要零件設(shè)計(jì)，包括主軸系設(shè)計(jì)、軸承選取及校核、聯(lián)軸器設(shè)計(jì)和齒輪設(shè)計(jì)等關(guān)鍵部分。設(shè)計(jì)決策基于機(jī)器人的功能需求、操作效率和耐用性，確保了清掃機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過對(duì)主軸、軸承和齒輪的精心設(shè)計(jì)和校核，為光伏板智能清掃機(jī)器人的高效運(yùn)行和長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。并對(duì)減速器齒輪的應(yīng)力和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，確保了齒輪設(shè)計(jì)的安全性和合理性。這些校核步驟對(duì)于保證清掃機(jī)器人長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，同時(shí)也為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。通過這些詳細(xì)的計(jì)算和分析，設(shè)計(jì)者可以對(duì)齒輪的承載能力和使用壽命有一個(gè)清晰的了解，從而做出更加精確的設(shè)計(jì)決策。第6章總結(jié)設(shè)計(jì)光伏板智能清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要用于中規(guī)模光伏電站。在本次設(shè)計(jì)中，我們對(duì)光伏板智能清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)清掃裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)方案和工作裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過對(duì)主要零件的設(shè)計(jì)，對(duì)主軸、聯(lián)軸器、軸承和減速器中得齒輪等部件進(jìn)行合理的選型。通過零件組裝圖(軸系)、組裝圖、二維圖紙來表現(xiàn)最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。由于時(shí)間限制，設(shè)計(jì)過