高層建筑擦窗機的結(jié)構(gòu)計算設(shè)計目錄TOC\o"1-1"\h\u87421前言 1289492高層建筑擦窗機的總體設(shè)計 68434 62025 830796吸附方式 823676 1546903高層建筑擦窗機力學(xué)分析 3060694市場與經(jīng)濟效益分析 3331122參考文獻 34【摘要】：隨著近些年來我國建筑業(yè)高速發(fā)展，城市內(nèi)的高層建筑不斷增多，高層建筑的玻璃窗清洗的難度與危險程度大幅度增加?，F(xiàn)如今對于高層建筑玻璃的清潔，普遍辦法是通過大型垂釣式擦窗機和工人的進行配合進行擦窗，但該方法的成本高，危險性大?，F(xiàn)如今存在的高層擦窗機有著體積過大，搬運，操作難度較高等問題。并且國內(nèi)擦窗機的起步較晚，有較大的研究發(fā)展空間。本課題旨在設(shè)計針對高層建筑玻璃窗作業(yè)的自動擦窗機，根據(jù)高層建筑外部工作環(huán)境的具體情況，對擦窗機的工作方式、外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)等進行研究，從而更好的適應(yīng)高層工作環(huán)境，綜合考慮結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計，來降低產(chǎn)品的大小與操作難度，提高產(chǎn)品的便捷性，降低使用與購買成本。使其不但成為一種能代替人工作業(yè)的方案，并且讓高層建筑擦窗機能走進千家萬戶。【關(guān)鍵詞】：擦窗機，磁吸附，高層建筑1前言21世紀(jì)以來隨著科技的快速發(fā)展，人們對智能化設(shè)備要求不斷提高，智能家居的數(shù)量、種類不斷增加。由于市場的需要，智能擦窗機的起步雖然不算晚，并且已經(jīng)經(jīng)過了多次的迭代改進，可以滿足人們?nèi)粘５幕A(chǔ)需求，但仍然存在許多的不足。關(guān)鍵技術(shù)的不成熟和日益增大的市場讓擦窗機的研究和發(fā)展充滿可能性。如今智能擦窗機發(fā)展出許多適用于不同場合分支例如：家用擦窗機，高層擦窗機，工業(yè)擦窗機等。本章就從高層建筑擦窗機的發(fā)展背景及當(dāng)前現(xiàn)狀進行敘述。課題背景及意義當(dāng)今社會正在經(jīng)歷新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。現(xiàn)如今，智能機器設(shè)備產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，正極大改變?nèi)藗兊纳畹姆绞脚c生產(chǎn)的方式。根據(jù)美國發(fā)布的《美國機器人的路線圖-從互聯(lián)網(wǎng)到機器人2020年版》隨著廉價計算、用戶界面和傳感器的逐步普及，制造設(shè)計以前難以想象的智能機器系統(tǒng)成為可能。各種技術(shù)的融合使智能化機械設(shè)備技術(shù)在日常生活各個方面的使用中發(fā)生了一場變革。越來越多的機器人走進人們的生活，目前服務(wù)機器人市場潛力巨大，以娛樂機器人、醫(yī)療機器人、清潔機器人為主撐起了現(xiàn)有的服務(wù)機器人市場，而在家用市場服務(wù)機器人領(lǐng)域，目前銷量最大的就是清潔機器人【1】。在2021年底我國正式印發(fā)了《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，通過推動了機器人高質(zhì)量發(fā)展，為建設(shè)制造強國、健康中國，創(chuàng)造美好生活提供有力支撐【2】。近年來，伴隨著城市現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，高層建筑已經(jīng)成為了經(jīng)濟快速發(fā)展的重要體現(xiàn)。為了滿足更好的采光條件，往往高層建筑所使用的都是玻璃幕墻。玻璃幕墻在帶來良好采光性的同時，如何清潔也成為了一大難題。雖然現(xiàn)在有很多不同類型的擦窗機被研制、運用出來，但大多數(shù)城市的清潔機械并不普及，目前主要的清潔方式依然是效率相對低下，危險性較高的人工清潔方式。并且，現(xiàn)今的擦窗機往往都過于笨重，難以操作。據(jù)中研產(chǎn)業(yè)研究院所公布\t"/hyzx/20220407/_blank"《2020-2025年中國智能清潔機器人行業(yè)前景預(yù)測與市場調(diào)查研究報告》中顯示，目前國內(nèi)清潔機械市場滲透率還不足5%，且預(yù)計在2024年，我國清潔機械的零售量將達到724萬臺，零售額將達到129億元。圖1-1常見人工擦窗所以，針對上述問題，本設(shè)計通過研究現(xiàn)有高層擦窗機的應(yīng)用原理，從而設(shè)計一款出一臺既能實現(xiàn)高層擦窗，結(jié)構(gòu)簡單，便捷使用，能夠在普通群眾中能廣泛運用的高層擦窗機器人。讓高層擦窗機可像家庭擦窗機一樣走入大眾生活中。研究這類機器也是一種必要的需求，對未來發(fā)展擦窗機器人的多樣性上具有重要意義。高層建筑擦窗機發(fā)展現(xiàn)狀擦窗機的研究最早是由國外發(fā)起的，并且早期的擦窗機便是針對室外環(huán)境、高層環(huán)境設(shè)計的，而不是現(xiàn)今教常見的室內(nèi)家用擦窗機。在20世紀(jì)60年代日本就開始了對擦窗機的研究，并且取得較大的成果，形成了一定的較為成熟的技術(shù)【3】。早期在1982年時日本bisoh公司便研制出能縱向移動的擦窗機器人。雖然該機器存在只能縱向移動，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴等問題，但也為未來擦窗機器人的發(fā)展作出了一定的參考。圖1-2日本BISOH公司幕墻清洗機器人圖1-3SERBOT公司GEKKOFacadeRobot國外的擦窗機發(fā)展至今已經(jīng)可以滿足絕大多數(shù)的場景要求，并且現(xiàn)今國外擦窗機已經(jīng)可以滿足一些特定窗面墻面的清潔，例如瑞士的公司設(shè)計了專門用于清潔大型建筑的機器人，名為。它是一款可自行在垂直或傾斜表面上攀爬的商用機器人，機器人前部使用旋轉(zhuǎn)刷和軟化水結(jié)合的方式保證清潔效果。該機器人每小時可清潔，年月法國盧浮宮的玻璃金字塔清潔工作正是由改機器人完成的。而我國的發(fā)展較晚，早些年我國的很多相對較為成熟的機器技術(shù)都引自國外，并且價格昂貴。但鑒于迫切的發(fā)展需求以及有國家政策的支持，近些年各大高校、科研院所、企業(yè)對擦窗機的研究，都有了不錯的成果，很多的專利也已經(jīng)產(chǎn)品化?，F(xiàn)如今市場上也有著大量價高價低的擦窗產(chǎn)品可以供消費者選擇，即使是同一個公司，產(chǎn)品也已經(jīng)多樣化，多元化，更具有針對性。例如科沃斯，銀星等企業(yè)。并且我國所研制的擦窗機能和其他智能家居產(chǎn)生聯(lián)動例如共用充電設(shè)施，共用app等，在智能家居的整合上占有優(yōu)勢。圖1-4科沃斯擦窗機器人窗寶WINBOT就現(xiàn)今國內(nèi)外擦窗機技術(shù)對比，無論是研究時長或者是技術(shù)的可靠性、成熟性，仍是國外擦窗清潔技術(shù)具有優(yōu)勢。1.3本設(shè)計的目標(biāo)和內(nèi)容通過論文和資料的查找閱讀可知，目前國內(nèi)市場上普通家用擦窗機雖趨于成熟，但針對不同環(huán)境下的特異性擦窗機的發(fā)展還遠遠不足，并且大多數(shù)的擦窗機價格昂貴。因此，作為機電一體化設(shè)備，擦窗機依舊有很大的發(fā)展空間【6】。本設(shè)計由吸附機構(gòu)，擦拭機構(gòu)，清潔機構(gòu)三大主要機構(gòu)以及輔助機構(gòu)組成。目標(biāo)是設(shè)計一臺相對簡易操作簡單的高層擦窗機。其設(shè)計內(nèi)容主要針對高層建筑擦窗機的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。首先，通過對高層建筑擦窗機結(jié)構(gòu)及原理進行分析，通過查詢各類相關(guān)資料，在此基礎(chǔ)上提出了高層建筑擦窗機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并做進一步的優(yōu)化設(shè)計與改進；之后，對擦窗機的零部件參數(shù)進行計算選型，對擦窗機的整體情況進行靜力學(xué)分析和動力學(xué)分析。再對相關(guān)機構(gòu)進行了設(shè)計與校核；然后，通過Creo6.0和AutoCAD等軟件完成高層建筑擦窗機建模和繪制裝配圖及零件圖，并對三維圖形進行分析；最后完成對論文的撰寫。2高層建筑擦窗機的總體設(shè)計課題所研究的雙面雙側(cè)擦拭擦窗機器人應(yīng)能適用于高層商場或酒店等大型高層玻璃清潔。通過查閱相關(guān)資料，可以得到常見高層櫥窗尺寸與相關(guān)參數(shù)分別如表2-1,2-2所示。特征尺寸參數(shù)櫥窗平臺高于室內(nèi)地面>0.2m，高于室外地面>10m櫥窗高度2-3米櫥窗寬度小型1-1.5m，大型1.5-3m玻璃厚度8-10mm特征尺寸參數(shù)大型表面1.5×1.8m-1.8×2.2m大型辦公廳1.3×1.6m-1.6×2.0m小型辦公廳1.2×1.5m-1.5×1.8m衛(wèi)生間0.6×0.9m-0.9×1.4m所設(shè)計擦窗機應(yīng)當(dāng)在高層工作環(huán)境下保持較高的吸附性，靈活性和高效性等特點。[7-8]具體需求如下所示：靈活的運動性能擦窗機在工作過程中應(yīng)能夠克服自身的重力、外部環(huán)境產(chǎn)生的其他力（如風(fēng)力等）和摩擦力。則擦窗機需要保證能夠安全吸附，其次保證能夠平穩(wěn)的運行。較為長效的續(xù)航擦窗機在工作的過程中應(yīng)當(dāng)增大電池容量，減少耗電量，例如減少機器中所需耗電裝置，減少質(zhì)量等，使機器能根據(jù)規(guī)劃路線軌跡完成工作，并且長效的續(xù)航能增大安全性。較高的安全性擦窗機在高層作業(yè)時所受到的風(fēng)力較大，容易有脫落的風(fēng)險，應(yīng)有合適的防護措施保證擦窗機在脫落時對周圍環(huán)境和人造成的傷害較小。4、良好的擦拭效果擦窗機最主要的作用就是擦拭玻璃,良好的清潔能力也是衡量機器能力的一個重要體現(xiàn)。在擦拭效果上應(yīng)滿足高效率，高覆蓋，高去污的特點。根據(jù)上述條件設(shè)計擦窗機的整機參數(shù)如下表2-3所示：特征設(shè)計參數(shù)工作環(huán)境玻璃面積>600×700mm，玻璃厚度12>d>5mm整機參數(shù)質(zhì)量<2kg，外形<200×200×75mm運動性能速度≥8cm/s（擦拭速度）清潔速度V>30s-50s/m2擦窗機最關(guān)鍵的技術(shù)是運動方式和清洗方式，而運動方式又可分為吸附方式和驅(qū)動方式。通過對這三個技術(shù)層面現(xiàn)有的成熟技術(shù)進行分析，從而選取適用于本課題的擦窗機設(shè)計方案。吸附方式目前在市場上最常見的擦窗機的吸附方式主要是：真空吸附和磁吸附，真空吸附可分為負壓吸附和吸盤吸附【9】。此外在翻閱論文中可知在研究領(lǐng)域常見的還有推力吸附，如通過無人機搭載擦窗工具進行擦洗就是典型的推力吸附【10】。真空吸附系統(tǒng)具有輕量化、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等諸多特點，是壁面清洗機器人關(guān)鍵技術(shù)之一并在多種氣動機器人中得到了廣泛應(yīng)用。并且真空吸附式是現(xiàn)今在市場上占有率最高，技術(shù)最成熟的方向。在吸盤吸附擦窗機中，由于擦窗機的真空吸附系統(tǒng)受到諸多條件限制例如工作環(huán)境（包括障礙、表面缺陷、面面轉(zhuǎn)換、曲面度等）、受力狀態(tài)等。孤立地考慮單個吸盤的工作狀態(tài)是不夠的。往往需要設(shè)置多個吸盤并將其當(dāng)做一個整體，即以吸盤組的形式考慮。所以產(chǎn)生了如圖2-1的多吸盤式擦窗機。但吸盤式擦窗機存在著運動時貼合較差，難以運動，容易漏氣的問題。圖2-1多吸盤式擦窗機在負壓吸附擦窗機中，如圖2-2所示為常見負壓機器人結(jié)構(gòu)。大多數(shù)的負壓機都是通過葉輪抽取負壓腔內(nèi)空氣形成負壓從而吸附在玻璃表面，實現(xiàn)在玻璃面上運動，并且通過改變?nèi)~輪的運轉(zhuǎn)功率，可以使機器適應(yīng)在不同情況以及環(huán)境下的壓力。負壓式機器在運動過程中對動力消耗較小，但對環(huán)境要求較高，葉輪容易受到外部環(huán)境影響，不適合用于高層建筑。并且關(guān)鍵部位負壓腔和密封結(jié)構(gòu)技術(shù)難度較大。圖2-2多吸盤式擦窗機磁吸附式擦窗機作為現(xiàn)今國內(nèi)外研究最廣的存在，以其結(jié)構(gòu)簡單，并且設(shè)計制造成本較低【8】。磁吸附方式可分為永磁式與電磁式兩種，布局方式如圖2-5所示。但兩種方式大同小異，都需設(shè)計機器人的主動機和隨動機。電磁鐵吸力較大，但對電路控制要求較高，在突然斷電的情況下安全問題堪憂，永磁式磁鐵成本較低，并且安全性較高，但吸附能力較差【11】。圖2-3磁吸擦窗機常見布局方式在推力吸附式中，以最常見的無人機式為例，如圖2-4為國內(nèi)所研究的一種擦窗無人機結(jié)構(gòu)。作為一種較新穎的應(yīng)用方式，無人機在自動擦窗方面有很大的應(yīng)用潛力。它可以在保持飛行穩(wěn)定性的同時向壁面施加一個法向力。當(dāng)無人機飛行到指定高度后，操作者通過射頻信號控制，指揮無人機進行清潔工作。但無人機的續(xù)航較低，工作時所耗電較大，并且對環(huán)境要求較高，在風(fēng)大的環(huán)境下容易發(fā)生危險。圖2-4一種無人機式擦窗機14、21-清潔模塊11-儲水器12-輸水管22、23、24-飛行模塊通過以上分析可總結(jié)各吸附方式特點對照表如表2-4所示：吸附方式優(yōu)點缺點負壓吸附（真空吸附式）結(jié)構(gòu)簡單，壁面適應(yīng)性好工作噪聲較大吸盤吸附（真空吸附式）密封性，穩(wěn)定性好對壁面平整度要求較高電磁吸附（磁吸附式）吸附力便于控制需消耗電能，穩(wěn)定性差永磁吸附（磁吸附式）安全性好，無需電能吸附力較小，拿取困難無人機式對壁面的材料適應(yīng)性好無法清潔內(nèi)面，安全性差2.2.2驅(qū)動方式現(xiàn)今市場上常見的，運用教廣泛的擦窗機的驅(qū)動方式有：履帶式驅(qū)動，輪式驅(qū)動兩種，其余還有多足步行式，框架式驅(qū)動和無人機驅(qū)動等。除了框架式驅(qū)動外，擦窗機往往都是通過自身內(nèi)部的直流電機或交流電機帶動驅(qū)動設(shè)備進行運動。履帶式和輪式都是通過驅(qū)動設(shè)備上的橡膠與玻璃表面產(chǎn)生摩擦從而提供運動的驅(qū)動力。如圖2-5,2-6所示履帶式驅(qū)動具有比輪式驅(qū)動更大的接觸面，所帶來的摩擦力更大，但同樣也存在著轉(zhuǎn)向困難的問題。圖2-5輪式驅(qū)動擦窗機1—吸附機構(gòu)；2—驅(qū)動車輪；3—直流電機；4—激光雷達圖2-6擦窗機同步帶機構(gòu)框架式擦窗機類似早期所研制的擦窗機類型，機器本體往往是橫向安裝或縱向安裝，并且機器只能實現(xiàn)橫向或縱向的單一運動，框架式機器本身較大，可進行大面積的幕墻清洗。無人機式與上文吸附方式中的無人機式相同，通過改變無人機的飛行方向從而對墻面施加壓力。多足步行式移動足部可以采用的吸附方式較多，例如吸盤吸附，負壓吸附，電磁吸附等【13】。這種方式有著很強的越障能力，移動較為靈活。但移速慢清潔效率低下，且需要較為復(fù)雜的控制方法。通過對比可以總結(jié)各驅(qū)動方式特點如表2-4所示：表2-4各運動方式對比驅(qū)動方式優(yōu)點缺點輪式結(jié)構(gòu)簡單，容易轉(zhuǎn)向驅(qū)動力小履帶式結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動力大轉(zhuǎn)向能力差多足步行式越障，運動能力強行走緩慢，控制較為復(fù)雜無人機式材料適應(yīng)性強耗電量大框架式清潔面積大體積較大，自由度低2.2.3擦拭方式目前在市場上投入使用的擦窗機種類很多，清洗方式也分多種，對于擦窗機而言，良好的擦拭效果與良好的驅(qū)動往往是一對矛盾體。在增大擦窗機與壁面間的壓力時，往往會帶來更好的清潔效果，但同時機構(gòu)的運動也變得更加困難。目前市面上常見的清潔裝置有：擦布，海綿，玻璃刮條（如圖2-7b），毛刷等。相對昂貴的有高級纖維布，魚鱗布（如圖2-7a）等。使用海綿或抹布等擦窗工具往往需要先進行浸泡處理，以保證清潔時的順滑，而這種方式容易留下水漬，導(dǎo)致清潔不徹底。玻璃刮條往往安裝在機器部，可以減少抹布等清潔裝置留下的水漬，但玻璃刮條會增大機器的摩擦力。若機器整體安裝多個刮條，則在運動時要克服較大阻力。好的擦窗布往往會配上專用的擦窗液，專用潤滑液可對污垢有軟化作用，減少機器運動過程中阻力的效果，因此清潔液的配合是十分關(guān)鍵的，但這些耗材價格昂貴性價比不足。（a）魚鱗布（b）玻璃刮條圖2-7常見清潔部件通過上述的對比研究可以確認出本次畢業(yè)設(shè)計高層建筑擦窗機的設(shè)計方案以及設(shè)計流程如圖2-8所示：圖2-8整體方案圖吸附機構(gòu)設(shè)計：采用永磁式吸附，通過擦窗機主動機和隨動機之間的永磁鐵相互吸附使擦窗機能固定在墻面上。運動機構(gòu)設(shè)計：采用輪式結(jié)構(gòu)，雙直流步進電機驅(qū)動，與微動開關(guān)識別機構(gòu)。其中一個電機控制擦窗機的直線運動，當(dāng)微動開關(guān)觸碰到邊緣障礙時，另一個電機負責(zé)控制擦窗機的轉(zhuǎn)向運動。清潔機構(gòu)設(shè)計：采用噴水清洗和擦拭兩部分完成清潔。擦窗機頂部水箱清潔機構(gòu)預(yù)先噴水清潔，之后由底部擦拭布進行二次清潔。安全機構(gòu)設(shè)計：包括隨動機上的卷尺安全機構(gòu)和安裝在玻璃窗邊的防掉落安全機構(gòu)。卷尺安全機構(gòu)可以保證主隨機構(gòu)的一體性，防掉落機構(gòu)能在意外發(fā)生時提供保護。其他設(shè)計：包括擦窗機整體的供電設(shè)備，單片機，機體外殼，握把等設(shè)計。其中吸附機構(gòu)和安全機構(gòu)的設(shè)計主要影響了擦窗機的外殼體結(jié)構(gòu)，運動機構(gòu)，清潔機構(gòu)和其他機構(gòu)主要影響了擦窗機內(nèi)殼體和供電系統(tǒng)的設(shè)計。在完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計后對機器的靜力學(xué)、動力學(xué)分析、關(guān)鍵部件的計算，對機器進行優(yōu)化設(shè)計，最后完成零件的選型等后續(xù)工作。2.4工作原理簡述圖2-9為高層建筑擦窗機工作放置圖。圖2-10為高層建筑擦窗機在玻璃表面工作流程圖。1-主動機2-隨動機3-安全帶式機構(gòu)圖2-9擦窗機工作放置圖圖2-10高層建筑擦窗機工作流程圖在開始工作時先將窗戶打開，在窗戶周邊或窗戶上固定好安全機構(gòu)后，再將主副電機依次放置在窗戶的正反兩面。擦窗機開始工作后沿著窗戶邊緣走n字形運動（如圖2-11所示）。在開始工作后推桿電機會依次將蓄水壺中的清潔液推出。再由機器底部的擦拭布擦去。當(dāng)擦窗機運動到窗戶的邊緣與墻體，障礙或窗邊接觸時，微動開關(guān)會發(fā)出信號提示機器進行轉(zhuǎn)向運動，擦窗機的副電機便開始工作，帶動底部驅(qū)動機構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向完成后機器重復(fù)上述運動，直至工作完成。在機器運動循環(huán)運動結(jié)束完成擦窗時。先將隨動機取下，再取下主動機，最后將安全裝置取下。圖2-11擦窗機運動軌跡圖2.5高層建筑擦窗機結(jié)構(gòu)設(shè)計擦窗機的結(jié)構(gòu)主要包括吸附機構(gòu)，安全機構(gòu)，運動機構(gòu)，清潔機構(gòu)和其他機構(gòu)。安全機構(gòu)中的安全帶式機構(gòu)為獨立一部分。擦窗機的主副機的機構(gòu)相似，除了安全機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)之間存在一定差異，其他部分結(jié)構(gòu)相同。隨動機未展示機構(gòu)默認與主動機相同。所以后續(xù)介紹圍繞主動機展開介紹。圖2-12為主動機展示圖，圖2-13,2-14為爆炸圖與各機構(gòu)展示圖。圖2-12主動機外形圖1-機蓋與握把2-電池3-機殼4-單片機5-清潔系統(tǒng)6-運動系統(tǒng)7-吸附系統(tǒng)8-微動開關(guān)圖2-13主動機爆炸圖圖2-14安全帶式安全系統(tǒng)與卷尺式安全系統(tǒng)2.5.1運動機構(gòu)設(shè)計1運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計擦窗機運動機構(gòu)的設(shè)計主要包括了直線運動機構(gòu)的設(shè)計和轉(zhuǎn)動運動機構(gòu)的設(shè)計，主隨動機之間的轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計相同，如圖2-15所示。1-轉(zhuǎn)向電機2-曲柄搖桿機構(gòu)3-電機底座圖2-15轉(zhuǎn)向機構(gòu)當(dāng)分布于擦窗機四周的探框結(jié)構(gòu)（如圖2-16所示）探測到障礙后，變向轉(zhuǎn)向機構(gòu)發(fā)出轉(zhuǎn)向命令。通過低速轉(zhuǎn)向電機帶動曲柄搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動，再通過曲柄搖桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動來帶動底部整體底盤轉(zhuǎn)動從而改變直線運動機構(gòu)的運動方向，以達到整體擦窗機轉(zhuǎn)向的效果。該轉(zhuǎn)向方式為滑動轉(zhuǎn)向，所需半徑較大，但由于轉(zhuǎn)向機構(gòu)出于擦窗機的內(nèi)部，由此可以不受該問題影響，但滑動轉(zhuǎn)向?qū)﹄姍C要求較高，需施加相對于滾動轉(zhuǎn)向更大的力。因此使用轉(zhuǎn)向電機單獨控制轉(zhuǎn)向運動。圖2-16微動開關(guān)如今常見的擦窗機常使用紅外傳感器作為擦窗機的探框結(jié)構(gòu)，但紅外傳感器控制成本高，往往需要大量的機器學(xué)習(xí)，才能保證精準(zhǔn)度，普通的紅外傳感器雖然對距離有著較為靈敏的識別，但往往在機構(gòu)還未運動到玻璃的底部時就發(fā)出了轉(zhuǎn)向指令，使玻璃的清潔不夠全面。因此探框結(jié)構(gòu)選用歐姆龍公司的超小型微動開關(guān)D2F-02,采取四周環(huán)繞式排布，保證機器的探測范圍足夠全面。該微動開關(guān)是一種施壓促動的快速轉(zhuǎn)換開關(guān)，其開關(guān)具有觸點間距比較小，反應(yīng)速度快的特點。保證擦窗機能夠?qū)⒉ＡП砻娓采w的較為全面，并且殼體整體的盒式結(jié)構(gòu)可以有效的與微動開關(guān)進行配合保證探測范圍。其次主隨動機的直線運動機構(gòu)如圖2-17,2-18所示：圖2-17主動機直線運動機構(gòu)圖2-18隨動機直線運動機構(gòu)主動機的直線運動機構(gòu)通過電機作為執(zhí)行元件，通過錐齒輪帶動底座上的橡膠驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)擦窗機在墻面上的直線運動。由于磁力的特性，在主動機運動時會帶動隨動機一起在玻璃面上運動。因此隨動機上的隨動輪不需要電機和齒輪來帶動底部隨動輪轉(zhuǎn)動。可以相對減少電機和錐齒輪的使用，減少成本。2運動機構(gòu)電機選型計算轉(zhuǎn)向電機和直線運動電機的選型如下：轉(zhuǎn)向電機選用GA12-N20減速馬達（6v），考慮到成本和實際工作情況。如今直流電機快速發(fā)展并具有穩(wěn)定性好，控制簡單等特點。該機構(gòu)所需轉(zhuǎn)動慣量公式： J0=式中：m0L0底盤在旋轉(zhuǎn)時玻璃表面和橡膠的摩擦系數(shù)μ約為0.6則旋轉(zhuǎn)時所受摩擦力為： F=μmg=0.6×2但轉(zhuǎn)動電機需額外帶動推桿運動，于是預(yù)估作用力為F=20N。則負載所需轉(zhuǎn)矩T為： Tt=轉(zhuǎn)向運動所需轉(zhuǎn)速較慢，因此所需轉(zhuǎn)速n約為： n=60×1000×VπDμ—橡膠和玻璃表面摩擦系數(shù)D—電動機軸直徑mmη—整體傳遞效率其中N20馬達參數(shù)如下：電機型號負載轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量GA12-N20480.0588N·M0.14×10-3kg·m2負載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)矩都大于所需要求。由查閱《機械原理（第8版）》可得REF_Ref13295\r\h[21]，負載轉(zhuǎn)動慣量和電機轉(zhuǎn)動慣量比J負載J電機< J負載J因此負載轉(zhuǎn)動慣量也符合要求。直線驅(qū)動電機選型如下：其中驅(qū)動輪的材料通過對比選用橡膠材質(zhì)，橡膠材質(zhì)有著耐磨性好，與玻璃摩擦系數(shù)高等特點。其在玻璃表面的摩擦系數(shù)μ約為0.6~0.75。齒輪選用24齒和36齒的錐齒輪傳動比1.5:1。驅(qū)動電機選用17HS3401電機直流步進電機，整體選型與轉(zhuǎn)向電機類似： n=vπD J0=1T =9×10Z1Z2wa—ta—電機啟動的加速時間s電機型號步距角相數(shù)額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量17HS34011.820.28N·M38g·cm2該電機符合工作所需要求，同理可知負載轉(zhuǎn)動慣量和電機轉(zhuǎn)動慣量比J負載J2.5.2吸附機構(gòu)設(shè)計擦窗機吸附機構(gòu)的設(shè)計包括磁鐵類型的選擇和磁鐵排布方式的設(shè)計。選用磁鐵時應(yīng)當(dāng)保證磁鐵具有磁力大、體積小的特點。常見磁鐵永磁材料有紹鎳鈷、鋇鐵氧體和錯鐵氧體、杉鈷和錢鐵硼【18】。如今永磁鐵中釹鐵硼磁鐵符合要求并且該磁鐵的造價低廉，錢鐵硼永磁材料具有極高的磁能積和矯頑力，經(jīng)對比選用牌號N42H，厚度10mm永磁鐵【16】。其具體參數(shù)如下：性能牌號磁感矯頑力Hcb最大磁能積(BHmax)KOeKA/mMGOeKJ/m3N42H>11.9>94740-43318-342通過對磁學(xué)文獻的查閱和實際分析，并對比如圖2-19兩類磁鐵排列方式，最選用方法2的四周環(huán)繞式磁鐵排列[17]。圖2-19磁鐵排列方式對比這種方式不但能提供較大的磁力，并且也能使擦窗機的主隨電機與玻璃的貼合面更大，增大摩擦力，保證更好的清潔效果和安全性。2.5.3清潔機構(gòu)設(shè)計擦窗機的擦拭機構(gòu)主要包括了擦窗機底部的擦拭布和機身的噴水裝置兩部分擦拭方式以擦拭為主，噴水為輔。擦拭布安裝在圖2-20的位置。圖2-20擦窗機底部底部的擦拭布形狀與擦窗機底盤想重合，都是正方形中間掏空。擦拭布通過底部的四個固定孔與擦窗機底部固定，可通過塞入橡膠塞固定，且為可拆卸式結(jié)構(gòu)方便擦拭布更換。在擦窗機工作前需將布微微潤濕，保證擦窗機的潤滑性。擦窗機的噴水裝置由電機座，推桿電機，蓄水壺，噴嘴四部分組成。如圖2-21所示：1-電機座2-推桿電機3-蓄水壺4噴嘴圖2-21噴水機構(gòu)在工作時，擦窗機發(fā)出指令，推桿電機將壺內(nèi)清潔液通過噴嘴勻速推出，對擦窗機進行初步的清潔工作，使擦窗機的前方路線保持濕潤狀態(tài)，當(dāng)擦窗機經(jīng)過噴壺濕潤過的路徑時，底部的擦窗布可擦去前方水分并發(fā)生毛細現(xiàn)象，補充擦窗布水分。其中推桿電機選用格爾GR11電動推桿。該推桿的額定行程為50mm，水箱總長度約為72mm，而水箱中可用行程約為55mm。噴嘴選用可調(diào)節(jié)式花灑噴嘴，該噴嘴位于擦窗機外側(cè)，可通過跟換噴頭來改變蓄水壺的出水量從而應(yīng)對不同玻璃表面。其中推桿電機可通過單片機所發(fā)出的指令進行伸縮和收回。且推桿電機可推出最大30N的力，遠大于設(shè)計所需。2.5.4安全機構(gòu)設(shè)計擦窗機在高空作業(yè)時不可靠因素相對于傳統(tǒng)家用擦窗會大幅增多。因此防護措施是必不可少的，合理的防護措施能降低擦窗機掉落的風(fēng)險和擦窗機掉落時帶來的影響。防護措施在前文圖2-14（連接繩被隱藏未展示）中有所展示，本片段主要敘述防護裝置的工作原理。圖2-22為副電機上的卷尺機構(gòu)，其機構(gòu)類似于常見的卷尺，該機構(gòu)的工作原理為通過機構(gòu)內(nèi)部的彈簧片來帶動連接主隨動機的連接繩伸出和收回。機構(gòu)的頂座和底座通過類螺紋連接方便拆卸。卷尺機構(gòu)和底座為一體式，保證機構(gòu)的穩(wěn)定性。連接繩連接著主隨動機，當(dāng)擦窗機工作時發(fā)生意外掉落?？梢员ＷC主隨動機分別掉落在窗戶的兩側(cè)，主動機可以在建筑的內(nèi)部拉住隨動機，從而不讓隨動機從高樓掉落。1-頂座2-彈簧3-卷尺機構(gòu)4-底座圖2-22卷尺機構(gòu)在高空作業(yè)時往往單獨的一個安全裝置是無法滿足安全需求的，所以需要外部安全機構(gòu)來為擦窗機提供第二重保護。因此設(shè)計第二個安全帶防護器來保證擦窗機在跌落時能及時被拉住，防止高空墜落。整體外觀如圖2-14，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-23。圖2-23安全帶式機構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)整體借鑒常見的安全帶式機構(gòu)，在我們平時生活中正常拉安全帶，安全帶可以被緩緩拉出，但用力拉安全帶或車輛碰撞時安全帶則不會被拉出。其原理為與速差式防墜器相同，該類型防墜器被大量運用在我們的生活中，其主要原理是將防墜器的一端固定在作業(yè)人員或物體上，將安全帶與防墜器的掛鉤相連。在正常工作時安全繩會隨著工作人員或物體上下移動【19】。一旦觸發(fā)下墜動作時，由于人或物體的快速下墜，會產(chǎn)生速度差，而這速度差會導(dǎo)致防墜器內(nèi)部的卡環(huán)快速甩出，與棘輪相互鎖死，阻止繼續(xù)下落的發(fā)生。該機構(gòu)應(yīng)放置于窗戶的內(nèi)部，于主動機相連接，以保證安全，若安全機構(gòu)也發(fā)生意外，也能夠保證機構(gòu)落在房屋內(nèi)側(cè)。2.5.5其他設(shè)計1電池系統(tǒng)設(shè)計，電池選用祺索12V鋰電池組，該電池有2200mh蓄電量，能保證擦窗機的基礎(chǔ)工作運行。2安全帶式機構(gòu)的底座采用兩個半徑35cm蘑菇頭式吸盤，該吸盤單個便能提供10kg拉力，遠大于擦窗機本身自重。3單片機選用PIC16F57單片機，可以滿足擦窗機工作的基本需求。4其余未具體描述部件都采用pbt塑料材質(zhì)加工。3高層建筑擦窗機力學(xué)分析在傳統(tǒng)的擦窗機工作時往往可以分為靜止，運動，以及轉(zhuǎn)向三種情況。并且在大多數(shù)情況下，擦窗機在轉(zhuǎn)向時所受到的力最為復(fù)雜，所需磁力和輸出扭矩最大【20】,并且有許多復(fù)雜的功耗分析。但由于本設(shè)計將轉(zhuǎn)向工作放置在機身內(nèi)部實現(xiàn)，則可以有效避免擦窗機在工作過程中掉落的情況。本設(shè)計目標(biāo)為能在高層使用的擦窗機，則相比傳統(tǒng)擦窗機在進行穩(wěn)定性計算時需要額外考慮高空作業(yè)時的風(fēng)載荷的影響。由于隨動機放置位置為窗外，受風(fēng)力影響，更容易產(chǎn)生掉落，則以下分析以隨動機為主。3.1風(fēng)力計算在高空作業(yè)時，風(fēng)力對擦窗機外機的影響較大。則作為高空作業(yè)設(shè)備，在設(shè)計的過程中需考慮風(fēng)載荷對機體系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響【15】。通過文獻查閱和實際結(jié)合可知，在正常工作狀態(tài)下，擦窗機所受風(fēng)力大多數(shù)為側(cè)向風(fēng)力。作用在擦窗機上的風(fēng)力為Pw，則風(fēng)力 Pw=CK?pA式中：C——風(fēng)力系數(shù)，受物體尺寸影響。k?——p——風(fēng)壓大小，根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件決定。A——迎風(fēng)面積，高層擦窗機在工作時與風(fēng)力作用方向垂直投影面。擦窗機的長度為15cm，高度為7cm，則擦窗機的迎風(fēng)面積為： A=a×b=15×7=105cm2=0.0105m通過查風(fēng)力系數(shù)概述圖可設(shè)風(fēng)力系數(shù)為0.9，擦窗機在運動時高度變化系數(shù)取1，在大于20m小于100m的高層作業(yè)時風(fēng)力大小約為250~500pa。則帶入式中Pw=0.9×1×5003.2擦窗機靜力學(xué)分析擦窗機在墻面工作時，主要受到水平的風(fēng)力，自身的重力，墻面的摩擦力和墻面的支持力作用。因此我們可以將擦窗機分為x軸方向和y軸方向分別討論。則當(dāng)擦窗機在工作時其分別受力應(yīng)滿足：在x軸方向上： x=0 (3-3) F=N1在y軸方向上： y=0 (3-5) G=f1 G=mg (3-7) f1≤N f2≤式中：F：擦窗機對墻壁的總吸附力；N1,NN3N4G:擦窗機所受重力；μ：擦窗機與壁面的滑動摩擦系數(shù)；f1，f在式中可知N4=5N,g取10m/s2由于兩驅(qū)動輪為對稱分布，因此fN1,N2大于f1而磁鐵整體能為擦窗機提供40N的力因此N3并且： F>N在工作狀態(tài)下，要保證擦窗機不發(fā)生傾覆，需要使擦窗機的受到的總力矩滿足： M=0 (3-11)當(dāng)擦窗機與工作時與地面相平齊，所受力矩的平衡條件為： GH+N3式中：L1：F1，H:擦窗機重心高度擦窗機的磁力由四個部分共同提供，則每一個部分所提供的力大小為：14由于小車工作時水箱在上，因此整體重心會偏向上方。由于兩驅(qū)動輪之間大小相同，與擦窗機整體距離也相同，因此對玻璃面的吸引力也相同。綜上所述，結(jié)合公式3-12可推出擦窗機整體不發(fā)生傾覆的條件為： GH≤F4其中重心高度約為3cm，F(xiàn)為40N，L1為5cm，N204060<62.5因此不會發(fā)生傾覆，符合要求。4市場與經(jīng)濟效益分析根據(jù)查找各廠商報價，和市場調(diào)研，通過對比調(diào)研，選出合適的廠商進行零件的加工和購買。各零件價格如下：表4-1為標(biāo)準(zhǔn)件和市場上可已有生產(chǎn)的產(chǎn)品件，表4-2為需要定制的零件價格。表4-1可直接購買零件的價格零件名稱數(shù)量價格/元小型電機2個20錐齒輪2個10電池座2個10電池2個60橡膠輪2套10推桿電機2個30微動開關(guān)16個5單片機2個50永磁鐵8組5緊固件（螺栓、螺母等）若干30真空吸盤2個10擦拭布2個20連繩1套10總價570表4-2定制零件的價格零件名稱數(shù)量價格/元定制機殼2個150水箱裝置2個20卷尺盤1組20安全機構(gòu)外殼1個20棘輪機構(gòu)1套40總價420綜上所示，該擦窗機的設(shè)計制造成本約為570+420=990元，該設(shè)備能完成高層建筑基本窗面的清潔工作。相對于人工擦窗，排除人工成本，單純傳統(tǒng)擦窗機的制造成本都要接近萬元，而該擦窗機在安全性和擦窗速度上都能超過人工。在一定程度上該擦窗機能代替人工進行高層擦窗，能大幅提升高層擦窗的安全性和效率，并且能夠節(jié)約成本，具有一定的經(jīng)濟效益。5總結(jié)與展望本設(shè)計的題目是“高層建筑擦窗機設(shè)計”，現(xiàn)如今的高層建筑依舊存在清潔困難的問題，大多數(shù)擦窗依舊需要人工完成，現(xiàn)存的高層擦窗機大多數(shù)體型龐大笨重。針對次問題，通過結(jié)合家用擦窗機的特點，設(shè)計一款既能實現(xiàn)高層擦窗又便捷簡單，且能較好完成預(yù)定功能的擦窗設(shè)備。此設(shè)計主要分為主動機，隨動機，窗外安全系統(tǒng)設(shè)計三部分。其中主隨動機設(shè)計包括吸附機構(gòu)，安全機構(gòu)，清潔機構(gòu)，運動機構(gòu)及其他運動的設(shè)計。在設(shè)計完成之后對設(shè)備進行了靜力學(xué)計算和動力學(xué)計算。最后完成圖紙的繪制工作。最后，經(jīng)過反復(fù)的修改，本設(shè)備可以基本達到預(yù)期目標(biāo)，該設(shè)備對比現(xiàn)今擦窗機有一定的優(yōu)勢但也存在著許多不足需要再改進優(yōu)化：1在擦窗機的運動控制上存在受力較為不均勻的問題，可提出優(yōu)化方案改變擦窗機的驅(qū)動系統(tǒng)。2擦窗機的外殼設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易進行加工處理，應(yīng)通過調(diào)整內(nèi)部零件位置，部分位置適當(dāng)增厚減薄等手段對殼體進行優(yōu)化設(shè)計。從而提升整機的安全性和降低加工難度。3主動機與隨動機內(nèi)部零件重復(fù)率過高，有一定的優(yōu)化空間4擦窗的探測設(shè)計過于簡陋，應(yīng)適當(dāng)增加不同的傳感器設(shè)備，豐富擦窗機的功能，以面對不同的運用場合。參考文獻[1]HenrikI.Christensenetal.“ARoadmapforUSRobotics-FromInternettoRobotics2020Edition”(2021).[2]《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》解讀[J].自動化博覽,2022,39(03):14-15.[3]GradetskyV,RachkovM.Wallclimbingrobotanditsapplicationsforbuildingconstruction[J]