《高樓外墻清洗機(jī)的設(shè)計(jì)》16000字（論文）

高樓外墻清洗機(jī)的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u9781摘要 14342第一章緒論 225491.1選題的背景與意義 2315231.2高層建筑外表面清洗技術(shù)分析 2151741.3高層建筑清洗機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r分析 318672.1高樓外墻清洗機(jī)功能指標(biāo) 5265272.2高樓外墻清洗機(jī)性能參數(shù)設(shè)計(jì) 6318482.3高樓外墻清洗機(jī)移動(dòng)方式 6214892.4高樓外墻清洗機(jī)吸附方式 797552.5高樓外墻清洗機(jī)清洗功能 756312.6高樓外墻清洗機(jī)的控制功能 82842.8高樓外墻清洗機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案 814372.7高樓外墻清洗機(jī)的安全保障功能 910233.1高樓外墻清洗機(jī)本體結(jié)構(gòu) 932883.2高樓外墻清洗機(jī)氣動(dòng)元件選擇 10121014.1高層建筑外表面附著物的形成原因 16302794.2高樓外墻清洗機(jī)清洗裝置總體設(shè)計(jì) 1699395.1可編程控制器的概述與發(fā)展 1948995.2清洗機(jī)控制系統(tǒng)PLC型號(hào)的選取 19266955.4機(jī)器人控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn) 217890參考文獻(xiàn) 29摘要高樓外墻清洗機(jī)是一種具有特定功能的專(zhuān)用機(jī)器，其主要在高層或超高層建筑的外墻表面的清潔工作中使用。本次設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外高樓外墻清洗系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)了一種新型高樓外墻清洗系統(tǒng)。其主要包括放置在高層建筑頂部起固定作用的清洗機(jī)機(jī)械起吊系統(tǒng)，清洗機(jī)本體，機(jī)械起吊系統(tǒng)和清洗機(jī)工作過(guò)程中的控制檢測(cè)系統(tǒng)。機(jī)械起吊系統(tǒng)在工作過(guò)程中提供牽引拉力，清洗機(jī)本體的供電以及清洗所需的水源，清洗機(jī)本體負(fù)責(zé)清潔，通過(guò)地面的監(jiān)控裝置對(duì)清洗機(jī)的工作狀態(tài)和工作模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。清洗機(jī)在工作過(guò)程中通過(guò)放置在高層建筑頂部的機(jī)械起吊系統(tǒng)的拉力下，通過(guò)放置在清洗機(jī)底部的兩個(gè)吸盤(pán)交替工作，從而使清洗機(jī)能夠在工作過(guò)程中自由調(diào)劑本體的受力和運(yùn)動(dòng)情況。通過(guò)機(jī)械起吊系統(tǒng)和清洗機(jī)本體底部洗盤(pán)的共同作用，從而實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)本體的全方位運(yùn)動(dòng)。并且在一些監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備的共同作用下，完成修高樓外墻的清洗工作。降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了效率，提高了清洗潔凈度。關(guān)鍵詞：清洗方式；PLC控制；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；清洗機(jī)第一章緒論1.1選題的背景與意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷能發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)在人們的日常生產(chǎn)生活等相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)得到了較大規(guī)模的應(yīng)用，其不僅在工業(yè)制造生產(chǎn)部門(mén)，航空航天場(chǎng)景，深海探索研究等特殊環(huán)境中得到了廣泛應(yīng)用；另外，機(jī)器人在教育場(chǎng)景，日常生活等方面的應(yīng)用規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。從而將人們從傳統(tǒng)的繁重單調(diào)，危害身體健康的工作中解放了出來(lái)。根據(jù)機(jī)器人工作的環(huán)境不同，我國(guó)通常將機(jī)器人分為特種類(lèi)型和工業(yè)類(lèi)型兩種，特種類(lèi)型機(jī)器人是指在非制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的機(jī)器人，其主要包括娛樂(lè)型、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)型、服務(wù)型等多種類(lèi)型，工業(yè)類(lèi)型機(jī)器人主要指應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的非單一自由度和關(guān)節(jié)機(jī)械手的機(jī)器人。近年來(lái)，特種類(lèi)型機(jī)器人發(fā)展迅速，在軍事、醫(yī)療、教育和家庭清潔等領(lǐng)域已經(jīng)得到較大規(guī)模的應(yīng)用。近年來(lái)隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程速度越來(lái)越快，土地的使用面積越來(lái)越大，為了節(jié)省和提高土地資源的利用效率，高層甚至超高層建筑不斷出現(xiàn)。為了追求建筑物外表面與城市氛圍的和諧與美觀，建筑外墻廣泛采用瓷磚或玻璃對(duì)外表面進(jìn)行裝飾。但建筑外墻長(zhǎng)期暴露在空氣中，在大氣污染物和雨水的共同作用下，建筑外墻往往會(huì)變得暗淡無(wú)光，影響美觀，因此需要定期對(duì)建筑物外墻進(jìn)行清潔工作。傳統(tǒng)的清潔方法中，對(duì)于較低層的建筑多采用搭建腳手架進(jìn)行人工清潔，而高層建筑則多采用高空垂吊工人進(jìn)行清潔的方式。傳統(tǒng)的清潔方法雖然方便，但其受天氣影響較大，工作效率低，危險(xiǎn)系數(shù)高。作為特種類(lèi)型機(jī)器人重要組成部分的清潔用機(jī)器人在多種場(chǎng)景下的應(yīng)用越來(lái)越受人們的認(rèn)可，但在高層建筑外表面的清潔方面的應(yīng)用還較少。因此，人們希望通過(guò)高層建筑清洗機(jī)器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清潔等工作，從而達(dá)到高層建筑清潔事故發(fā)生率，提高建筑外墻表面清潔質(zhì)量和效率的目的。1.2高層建筑外表面清洗技術(shù)分析目前，在對(duì)高層建筑外墻表面的清洗方面主要分為人工清潔和機(jī)器清潔兩種方式。人工清潔即通過(guò)在建筑物頂部設(shè)置卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備將清潔工人直接垂釣于半空中，然后通過(guò)傳統(tǒng)的刷具，刮板等工具對(duì)墻面進(jìn)行清潔，人工清潔雖然可忽略建筑外觀的影響，但其勞動(dòng)危險(xiǎn)性和對(duì)工人的技能熟練度要求都較高，工作效率低，難以應(yīng)對(duì)較大面積表面的清洗；經(jīng)過(guò)對(duì)傳統(tǒng)人工清潔方式缺點(diǎn)的分析，通過(guò)在建筑物頂層安裝升降平臺(tái)、吊籃系統(tǒng)與人工配合的清潔方法對(duì)高層建筑外墻表面進(jìn)行清潔，雖然在一定程度上提高了工人工作的安全性和工作效率，但其本質(zhì)上仍屬于傳統(tǒng)的人工清潔方式，其仍存在工作危險(xiǎn)性高，工作強(qiáng)度大，清潔工作質(zhì)量難以保證等缺點(diǎn)。通過(guò)機(jī)器對(duì)高層建筑外表面進(jìn)行清潔工作是社會(huì)發(fā)展的必然之需，各個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)高層建筑墻壁清潔機(jī)器人的研制工作。現(xiàn)在的墻壁清潔機(jī)器人多采用磁力吸附、風(fēng)壓吸附和負(fù)壓吸附的方法使其固定在工作表面，因?yàn)榇盼綄?duì)建筑外表面的材料有特殊要求，因此在常規(guī)使用中應(yīng)用較少；風(fēng)壓吸附主要通過(guò)在清洗機(jī)本體上安裝一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)翅，通過(guò)風(fēng)翅的快速旋轉(zhuǎn)給清洗機(jī)一個(gè)推力，使清洗機(jī)能夠緊貼工作表面，風(fēng)壓吸附具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于大部分工作場(chǎng)景，但其工作時(shí)具有不容易控制其推力大小，效率低，噪聲較大等缺點(diǎn)；負(fù)壓吸附式是通過(guò)采用真空吸附的方式使清洗機(jī)本體吸附于工作表面，因此其對(duì)吸附機(jī)構(gòu)真空度的要求較高，并且由于在清洗機(jī)移動(dòng)時(shí)，其吸附機(jī)構(gòu)與墻壁易發(fā)生摩擦導(dǎo)致吸盤(pán)破損，且當(dāng)墻壁表面出現(xiàn)裂縫或溝槽時(shí)都會(huì)對(duì)吸附功能造成影響，因此其主要適用于建筑表面光潔平整且無(wú)突起的建筑的清潔。1.3高層建筑清洗機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r分析1.3.1國(guó)外研究狀況目前，在對(duì)高層建筑外墻清潔方面國(guó)外多采用高壓水射流技術(shù)進(jìn)行，因高壓水射流通過(guò)加壓設(shè)備使水流高速射出，給附著在外墻表面的污漬一定的壓力，從而使污漬與墻壁表面脫離，達(dá)到清除污漬的目的，因此其具有經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性性良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清洗效率高等特點(diǎn)。當(dāng)前在高壓水射流技術(shù)方面西方工業(yè)國(guó)家已經(jīng)取得了許多技術(shù)成就，形成了完善的高壓水射流清潔設(shè)備的生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，尤其是美國(guó)、日本等國(guó)家，因其在工業(yè)化水射流技術(shù)方面的研發(fā)較早，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)發(fā)展與積累，高壓水射流清洗設(shè)備經(jīng)過(guò)過(guò)次迭代升級(jí)，率先實(shí)現(xiàn)了通過(guò)將高壓水射流設(shè)備與直升機(jī)相結(jié)合從而對(duì)高層建筑外墻進(jìn)行清洗的方法，并得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。日本作為世界上較早將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于建筑外外墻清洗的國(guó)家，其在壁面移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究。日本東京工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造一種依靠磁吸式進(jìn)行墻壁表面移動(dòng)和清洗功能的機(jī)器人，其清洗機(jī)本體采用安裝在其底面的圓形構(gòu)造的磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)墻壁的吸附，并且在磁體的一側(cè)裝備能夠使磁體與墻壁表面存在一定夾角的滾輪以達(dá)到降低磁體在清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與墻壁表面的摩擦，延長(zhǎng)磁體的使用壽命。德國(guó)Fraunhofer公司設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型壁面清洗機(jī)器人，如圖1-1所示，其主要由清洗機(jī)本體和承載清洗機(jī)的四邊形金屬框架組成，金屬框架上裝有滾動(dòng)輪可以使清洗機(jī)本體實(shí)現(xiàn)左右方向的移動(dòng)，清洗機(jī)的上下系統(tǒng)則通過(guò)裝有通過(guò)伺服電機(jī)控制的裝有負(fù)壓吸盤(pán)的四個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的攀爬模塊進(jìn)行上下移動(dòng)，金屬框架的使用不僅增加了清洗機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍，還提高了清洗機(jī)在工作過(guò)程中的安全性。美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司自行設(shè)計(jì)制造了主要面型超高承建筑外表面清潔工作的“skywasher”清潔機(jī)器人，其清洗機(jī)本體安裝在兩個(gè)可以相互運(yùn)動(dòng)的金屬矩形框架上，兩組矩形框架底部均裝有負(fù)壓吸盤(pán)，通過(guò)兩個(gè)金屬矩形框架交替吸附于墻壁外表面從而實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)的上下左右運(yùn)動(dòng)，并且由于金屬框架與吸盤(pán)間存在一定的距離，因此其具有一定的越障能力，能夠適應(yīng)更多的工作表面。圖1-1Fraunhofer清潔機(jī)器人圖1-2skywasher清潔機(jī)器人1.3.2國(guó)內(nèi)研究狀況我國(guó)在機(jī)器人研究方面起步較晚，但近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速。尤其是近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)高層建筑的不斷出現(xiàn)，高層建筑外墻表面清潔機(jī)器人開(kāi)始出現(xiàn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)作為國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行機(jī)器人研究的單位之一，通過(guò)采用抽氣以產(chǎn)生負(fù)壓的吸附裝置，其成功研制了一種通過(guò)雙驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行全方位移動(dòng)的墻壁外表面清潔機(jī)器人，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，制作了CLE-=2\*ROMANII型墻壁外表面清潔機(jī)器人，提高了清洗機(jī)的清洗效率和適應(yīng)范圍。北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)制造了一種適用于玻璃墻壁清潔的真空吸附式清潔機(jī)器人，其在清洗機(jī)底部設(shè)計(jì)了一種多足吸附裝置，增加了對(duì)多形狀墻壁表面的適應(yīng)能力，并且因其移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行，導(dǎo)致移動(dòng)速度與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比較低，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本較高。上海大學(xué)設(shè)計(jì)制造了一種清洗機(jī)本體為球形的墻壁外表面攀爬機(jī)器人和玻璃墻壁表面清潔機(jī)器人。球形墻壁外表面攀爬機(jī)器人本體上安裝的負(fù)壓式吸盤(pán)交替吸附于墻壁外表面進(jìn)行移動(dòng)，因其采用六足的移動(dòng)方式，因此其具有良好的跨越障礙的能力，能夠通過(guò)墻壁表面上的金屬橫欄，提高了墻壁外表面清潔機(jī)器人的適用范圍。玻璃墻壁表面清潔機(jī)器人則采用框架式結(jié)構(gòu)，通過(guò)安裝在框架上的吸盤(pán)吸附于墻壁外表面，通過(guò)電機(jī)對(duì)清洗機(jī)本體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成清洗工作。第2章高樓外墻清洗機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1高樓外墻清洗機(jī)功能指標(biāo)2.1.1移動(dòng)方式綜合考慮高樓外墻清洗機(jī)的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)一種能夠使清洗機(jī)本體在工作表面能夠穩(wěn)定運(yùn)行的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在使清洗機(jī)本體靈活移動(dòng)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)使其具有一定的跨越障礙的能力，如墻壁外邊面上的凸起等。2.1.2吸附方式由于高層建筑外表面的材料不盡相同，面對(duì)不同的墻壁外表面環(huán)境，需要為清洗機(jī)設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足其正常運(yùn)行所需要的吸附方式，所選用的吸附方式不僅要使清洗機(jī)能夠穩(wěn)定的停靠在墻壁外表面，還應(yīng)幫助清洗機(jī)進(jìn)行一些運(yùn)動(dòng)功能。2.1.3清洗功能建筑外表面上的雜質(zhì)附著物的種類(lèi)不同，其所需要的清洗方法也不相同，設(shè)計(jì)一種安全高效的建筑外表面雜質(zhì)清洗機(jī)構(gòu)，不僅能夠滿(mǎn)足絕大多數(shù)種類(lèi)雜質(zhì)的清潔，還能在清洗過(guò)程中盡可能減少對(duì)建筑外表面的破壞，提高清洗的工作效率。2.1.5控制功能控制系統(tǒng)作為高樓外墻清洗機(jī)的核心組成部分，清洗機(jī)各部分正常運(yùn)行的前提就是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。與傳統(tǒng)的人工電氣控制系統(tǒng)相比，高樓外墻清洗機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)該具有高性?xún)r(jià)比、低延遲和高安全性等特點(diǎn)。在清洗機(jī)工作過(guò)程中將所需處理的信息傳遞到中央控制器（CPU）中，然后由CPU對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行處理從而控制清洗機(jī)各部分進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。2.1.4安全保障功能由于高樓外墻清洗機(jī)特殊的工作地點(diǎn)和工作方式都決定了清洗機(jī)在工作時(shí)需要具有一定的安全保障功能，避免一些意外情況的發(fā)生。2.2高樓外墻清洗機(jī)性能參數(shù)設(shè)計(jì)（1）清洗機(jī)移動(dòng)速度：0～2m/min（2）清洗機(jī)吸附方式：負(fù)壓吸附（3）清洗機(jī)最大負(fù)載：15Kg（4）清洗機(jī)最大清潔高度：100m2.3高樓外墻清洗機(jī)移動(dòng)方式移動(dòng)功能作為高樓外墻清洗機(jī)的基本功能，它是清洗機(jī)在工作表面完成各種動(dòng)作的基礎(chǔ)。根據(jù)高樓外墻清洗機(jī)工作模式和工作表面材質(zhì)的不同，常用的移動(dòng)方式為履帶移動(dòng)式、輪移動(dòng)式、框架結(jié)構(gòu)移動(dòng)式、軌道移動(dòng)式。各移動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2-1。表2-1各移動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)履帶移動(dòng)式與工作表面接觸面積大，負(fù)載能力強(qiáng)履帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易磨損，不易轉(zhuǎn)向輪移動(dòng)式移動(dòng)靈活，工作適應(yīng)性好，容易控制，速度快與工作表面接觸面積小，不易跨越障礙物框架結(jié)構(gòu)移動(dòng)式容易實(shí)現(xiàn)控制，負(fù)載能力強(qiáng)，工作適應(yīng)性高移動(dòng)速度較慢，不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌道移動(dòng)式負(fù)載能力強(qiáng)，移動(dòng)速度快經(jīng)濟(jì)適用性低，不能隨意轉(zhuǎn)向通過(guò)對(duì)以上四種移動(dòng)方式的分析比較，分別對(duì)高樓外墻清洗機(jī)的工作環(huán)境、經(jīng)濟(jì)適用性、負(fù)載能力等設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行分析，為了在提高清洗機(jī)承載能力的同時(shí)降低其本體的質(zhì)量，本次設(shè)計(jì)中采用框架結(jié)構(gòu)移動(dòng)式。2.4高樓外墻清洗機(jī)吸附方式由于高樓外墻清洗機(jī)是在垂直于高層建筑外表面上進(jìn)行清潔和移動(dòng)，因此首先要解決的問(wèn)題就是讓清洗機(jī)本體能夠安全穩(wěn)定的吸附于墻壁外表面上。目前，常用的吸附方式主要有磁力吸附、風(fēng)壓吸附和負(fù)壓吸附三種。磁力吸附是通過(guò)安裝在清洗機(jī)本體上的強(qiáng)磁材料與特殊導(dǎo)磁材料制造的墻壁之間的作用力實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)本體吸附于墻壁外表面。按照實(shí)現(xiàn)磁吸原理的不同，將其分為電磁式和永磁式，電磁式通過(guò)接通與斷開(kāi)與電源的連結(jié)實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)與墻壁外表面的吸附與脫離。磁力吸附的吸附力較大，對(duì)吸附表面凹凸適應(yīng)性較強(qiáng)，但其對(duì)壁面的材料要求特殊，普通建筑材料不能進(jìn)行磁力吸附，因此適用性較差。負(fù)壓吸附是通過(guò)真空發(fā)生裝置產(chǎn)生真空，使吸盤(pán)內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓從而使清洗機(jī)吸附于工作表面上，通過(guò)控制系統(tǒng)控制真空發(fā)生裝置的動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)在墻壁外表面的吸附于斷開(kāi)。負(fù)壓吸附不受墻壁材料的限制，適用于多種墻壁材料，但其對(duì)墻壁表面的平整度要求較高，當(dāng)墻壁出現(xiàn)裂縫或凹凸不平時(shí)，負(fù)壓吸盤(pán)的吸附能力就會(huì)降低，從而降低清洗機(jī)的承載能力。風(fēng)壓吸附作為一種新出現(xiàn)的吸附方式，與傳統(tǒng)的磁力吸附、負(fù)壓吸附等方式相比，其主要通過(guò)安裝在本體上的螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將清洗機(jī)本體推向工作表面上。吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表2-2所示。表2-2三種吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較吸附方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)磁力吸附欺負(fù)能力較強(qiáng)，負(fù)載較大，便于控制，具有一定的越障能力只能應(yīng)用于導(dǎo)磁的平面，適用范圍小負(fù)壓吸附移動(dòng)方便，具有一定的越障能力，控制方便對(duì)工作表面的平整度要求較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜風(fēng)壓吸附適用于多種材料的工作表面體積大，負(fù)載能力弱，工作時(shí)噪音較大綜合考慮機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境和性質(zhì)，選用多吸盤(pán)真空吸附，主要原因如下：目前高層建筑外表面材料均為建筑玻璃，因此不適合采用磁力吸附式；而由于風(fēng)壓吸附式工作時(shí)的噪音較大且不易控制推力大小，因此也不適合采用風(fēng)壓吸附式；考慮到本次設(shè)計(jì)中采用移動(dòng)方式為框架結(jié)構(gòu)移動(dòng)式，因此采用負(fù)壓吸附式。2.5高樓外墻清洗機(jī)清洗功能清洗功能作為高樓外墻清洗機(jī)的核心功能，不同的清洗方案對(duì)清洗結(jié)果和清洗效率的影響也不一樣，根據(jù)清洗原理的不同，常見(jiàn)的清洗方式主要分為物理和化學(xué)兩種。物理清洗即采用物理的方法對(duì)墻壁外表面的污染附著物進(jìn)行清潔，包括高壓水射流清洗，機(jī)械清潔、超聲波清洗和激光清洗等方法。高壓水射流清洗是將清水經(jīng)加壓后高速?lài)姵鰪亩鴮?duì)壁面上的污染附著物進(jìn)行清潔；機(jī)械清潔主要是通過(guò)使用刮板，毛刷等設(shè)備對(duì)壁面上的污染附著物進(jìn)行清潔；超聲波清洗主要是指將流體經(jīng)超聲波發(fā)生器后作用與壁面上的污染附著物，使污染附著物分解掉落從而達(dá)到清潔的目的；激光清洗是通過(guò)采用特定波長(zhǎng)的激光發(fā)生器發(fā)出激光束對(duì)壁面上的污染附著物進(jìn)行照射，壁面上的污染附著物受到激光束照射后與墻壁剝落或自接蒸發(fā)消散，從而達(dá)到清潔的目的?；瘜W(xué)清洗法即采用化學(xué)藥劑的方法噴灑在墻壁表面的污染附著物上，化學(xué)藥劑與污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使污染物自行從墻壁表面剝落脫離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)墻壁外表面的清潔。2.6高樓外墻清洗機(jī)的控制功能通過(guò)對(duì)本次設(shè)計(jì)中的高樓外墻清洗機(jī)的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)特性、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等部分進(jìn)行綜合分析，本次設(shè)計(jì)中選用可編程控制器（PLC）作為高樓外墻清洗機(jī)的控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)的控制精度、執(zhí)行效率、可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊性和擴(kuò)展能力都較強(qiáng)，能夠完成傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)不易完成的控制步驟并且安裝方便，可維護(hù)性高。高樓外墻清洗機(jī)的控制系統(tǒng)首先要保證的就是清洗機(jī)在工作表面上的運(yùn)動(dòng)功能，這是清洗機(jī)能否在工作表面上及逆行清潔工作的基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)來(lái)自安裝在氣缸端面的接近開(kāi)關(guān)等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，分析和處理，從而對(duì)相應(yīng)的元器件進(jìn)行控制。2.8高樓外墻清洗機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案根據(jù)清洗機(jī)所處的工作環(huán)境不同所選取的驅(qū)動(dòng)方案也不用，目前市面上常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式包括液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)等多種驅(qū)動(dòng)方式，在清洗機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須根據(jù)清洗機(jī)的工作模式和所處的工作環(huán)境來(lái)選著適合適合的驅(qū)動(dòng)方式。本次設(shè)計(jì)中高樓外墻清洗機(jī)的工作地點(diǎn)是垂直于墻壁表面的半空中，若要采用液壓驅(qū)動(dòng)作為清洗機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，則需要通過(guò)管道不斷的向清洗機(jī)輸送液壓液，這極大的增加了清洗機(jī)在工作壁面移動(dòng)的困難度，并且在清洗機(jī)完成一個(gè)動(dòng)作后還需對(duì)液壓液進(jìn)行回收，這也在一定程度上影響了清洗機(jī)的吸附安全性，而氣壓傳動(dòng)則是通過(guò)采用空氣作為傳動(dòng)介質(zhì)，避免了液壓傳動(dòng)需要專(zhuān)用管道對(duì)液壓液的輸送，可以直接從工作環(huán)境中獲取，在降低清洗機(jī)自重的同時(shí)也提高了清洗機(jī)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。2.7高樓外墻清洗機(jī)的安全保障功能由于高樓外墻清洗機(jī)的工作地點(diǎn)通常是在半空中，因此為了避免清洗機(jī)在工作過(guò)程中因吸附功能發(fā)生故障造成的清洗墜落事故的發(fā)生，需要在樓頂安裝安全保障系統(tǒng)。樓頂安全保障系統(tǒng)由支架、電源、卷?yè)P(yáng)機(jī)、吊索，空氣壓縮機(jī)等部件組成，主要為清洗機(jī)的正常工作提供電源、清洗液、清洗用水和安全保障等功能，從而保證清洗機(jī)的正常工作。第3章高樓外墻清洗機(jī)本體設(shè)計(jì)高樓外墻清洗機(jī)本體以爬壁系統(tǒng)為主要承載部件，采用電力驅(qū)動(dòng)模式，通過(guò)負(fù)壓吸附的方法使清洗機(jī)本體能夠吸附于工作表面并進(jìn)行一定的移動(dòng)，在清洗機(jī)本體移動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)安裝在框架上的清洗裝置對(duì)附著在墻壁外表面上的污染物及逆行清洗工作。爬壁系統(tǒng)作為高樓外墻清洗機(jī)在墻壁外表面進(jìn)行移動(dòng)和吸附功能的核心，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要盡可能降低其本身的質(zhì)量，還要使其具有一定的承載能力和跨越障礙物的能力。3.1高樓外墻清洗機(jī)本體結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)中的高樓外墻清洗機(jī)本體由X方向和Y方向的兩個(gè)氣缸呈十字架形狀組成。氣缸不僅是高樓外墻清洗機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分，還是構(gòu)成了清洗機(jī)本體的主要承載結(jié)構(gòu)，兩個(gè)氣缸相互垂直安裝于清洗機(jī)各原件安裝板的下方，通過(guò)安裝板將兩個(gè)氣缸連結(jié)為同一個(gè)整體。在X方向和Y方向氣缸的頂部端面各安裝一個(gè)可放置相關(guān)元件的安裝面板，然后將其分別與負(fù)壓吸盤(pán)的安裝面板相連結(jié)。同時(shí)為在降低清洗機(jī)整體質(zhì)量的前提下提高整體自動(dòng)化程度，將清洗裝置直接安裝在X方向氣缸的下方，在X方向移動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)清洗裝置直接對(duì)工作表面進(jìn)行清洗。清洗機(jī)的移動(dòng)系統(tǒng)由X方向和Y方向兩個(gè)無(wú)桿氣缸組成，搭配安裝在氣缸上的負(fù)壓吸附裝置，通過(guò)控制負(fù)壓吸附裝置的開(kāi)啟與斷開(kāi)，可以方便的實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)在工作表面上下左右四個(gè)方向的移動(dòng)，通過(guò)控制X方向氣缸的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)清洗裝置運(yùn)動(dòng)，從而在清洗機(jī)的移動(dòng)過(guò)程中即可完成對(duì)工作表面大的清洗。3.2高樓外墻清洗機(jī)氣動(dòng)元件選擇3.2.1負(fù)壓吸盤(pán)的選擇高樓外墻清洗機(jī)在工作過(guò)程可能會(huì)因?yàn)榍逑礄C(jī)吸附系統(tǒng)吸附壓力不夠或者外界環(huán)境的影響從而導(dǎo)致清洗機(jī)從工作表面滑落事故的發(fā)生，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中就需對(duì)清洗機(jī)的吸附能力能力進(jìn)行校核。清洗機(jī)吸附系統(tǒng)由四個(gè)吸盤(pán)組十六個(gè)吸盤(pán)復(fù)合而成，通過(guò)氣缸組成的十字架結(jié)構(gòu)配合吸盤(pán)組的交替吸附從而實(shí)現(xiàn)了清洗機(jī)在墻壁外表面上的移動(dòng)功能。對(duì)高樓外墻清洗機(jī)的本體結(jié)構(gòu)和移動(dòng)方式進(jìn)行分析，在清洗機(jī)移動(dòng)過(guò)程中，由于只有兩組吸盤(pán)處于吸附狀態(tài)，此時(shí)的吸附力最小，清洗機(jī)處于最易發(fā)生滑落的狀態(tài)，因此需要對(duì)此時(shí)的清洗機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本次設(shè)計(jì)中的負(fù)壓吸盤(pán)所產(chǎn)生的吸附力和墻壁外表面給清洗機(jī)的反作用力均視為垂直于墻壁表面，并且每個(gè)負(fù)壓吸盤(pán)的吸附力都視為等值的。FpiFni：墻壁外表面對(duì)負(fù)壓吸盤(pán)組所產(chǎn)生的反作用力；Ff：負(fù)壓吸盤(pán)組在吸附過(guò)程中所產(chǎn)生的摩檫力；G：清洗機(jī)所受的重力；η：負(fù)壓吸盤(pán)與墻壁外表面的動(dòng)摩擦系數(shù)。為使清洗機(jī)在工作過(guò)程中負(fù)壓吸盤(pán)組能夠穩(wěn)定的吸附在墻壁外表面而不產(chǎn)生滑落故障，即清洗機(jī)所受的重力G必須小于清洗機(jī)的最大靜摩檫力，所以清洗機(jī)在工作過(guò)程中部產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象必須滿(mǎn)足：Ff=通過(guò)對(duì)高樓外墻清洗機(jī)在墻壁外表面上的各個(gè)受力進(jìn)行分析，可得出清洗機(jī)的受力平衡式：i=1i=1假設(shè)高樓外墻清洗機(jī)的每個(gè)吸盤(pán)組所提供的吸附力大小相等，即Fp1=Fp2=Fp3=Fp4=聯(lián)合以上各式即可得出防止清洗機(jī)出現(xiàn)滑落故障的條件：G負(fù)壓吸盤(pán)組的排列方式對(duì)吸盤(pán)組的吸附性能具有直接影響，目前常見(jiàn)的吸盤(pán)排列方式有直線(xiàn)型、環(huán)形、三角形和四邊形等多種排列方式。通過(guò)對(duì)清洗機(jī)工作安全性和移動(dòng)速度等方面進(jìn)行分析，本次設(shè)計(jì)中選擇四邊形的吸盤(pán)排列方式。負(fù)壓吸盤(pán)直徑的大小也是影響吸附能力的重要因素，負(fù)壓吸盤(pán)的直徑D可由公式：nπ公式中各字符的含義：n為吸盤(pán)數(shù)量，p為負(fù)壓吸盤(pán)真空度，W為清洗機(jī)總的負(fù)載重力，t為安全系數(shù)。本次設(shè)計(jì)中，n為16，p為0.07，W為147，t為8，經(jīng)計(jì)算可得D≥47.21。由以上數(shù)據(jù)可知，可選直徑為50的負(fù)壓吸盤(pán)。綜合以上參數(shù)，本次設(shè)計(jì)中選擇Festo公式生產(chǎn)的ESG-50-Eu-HA-G型號(hào)負(fù)壓吸盤(pán)。負(fù)壓吸盤(pán)三維圖見(jiàn)圖3-1，規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表3-1。表3-1負(fù)壓吸盤(pán)規(guī)格參數(shù)最小工件直徑160mm吸盤(pán)直徑50mm吸盤(pán)容積51.61cm3有效的吸盤(pán)直徑62.7mm設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圓形加深工作介質(zhì)壓縮空氣耐腐等級(jí)CRC1環(huán)境溫度-30C-200C70%真空時(shí)的起步阻力275N肖氏硬度605與吸盤(pán)支架間的關(guān)系尺寸5顏色黑色真空接口M101.5吸盤(pán)安裝件M101.5安裝螺紋M101.5吸盤(pán)材料聚氨酯3.2.2驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇驅(qū)動(dòng)氣缸作為組成高樓外墻清洗機(jī)主要框架結(jié)構(gòu)的重要元器件，驅(qū)動(dòng)氣缸的選擇直接決定了清洗機(jī)的運(yùn)行效率。目前常用的氣缸類(lèi)型分為活塞桿氣缸和無(wú)桿氣缸兩種，活塞桿氣缸經(jīng)濟(jì)適用性好，容易安裝和操作，廣泛應(yīng)用于推拉、加緊等場(chǎng)景中，但因?yàn)榛钊麠U長(zhǎng)期進(jìn)行伸出和收縮運(yùn)動(dòng)極易造成活塞桿磨損的發(fā)生，從而導(dǎo)致活塞運(yùn)動(dòng)精度降低。與活塞桿氣缸相比，無(wú)桿氣缸工作時(shí)所需的空間小，自身質(zhì)量小，運(yùn)行平穩(wěn)，可維護(hù)性強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)和停止性能強(qiáng)并且能夠承受高直接負(fù)載。綜合以上因素，本次設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)氣缸采用Festo公司生產(chǎn)制造的DGPL-32-600-PPV-A-GF-B型無(wú)桿氣缸。驅(qū)動(dòng)氣缸三維圖見(jiàn)圖3-2，規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表3-2。圖3-2DGPL-32-600-PPV-A-GF-B型無(wú)桿氣缸表3-2DGPL-32-600-PPV-A-GF-B型無(wú)桿氣缸規(guī)格參數(shù)缸徑32mm動(dòng)作型式雙作用行程600mm保證耐壓1.2MPa最高使用壓力0.8MPa最低使用壓力0.1MPa活塞速度1m/s緩沖型式可調(diào)式氣緩沖接近開(kāi)關(guān)SME8緩沖長(zhǎng)度20mm工作介質(zhì)過(guò)濾壓縮空氣接口尺寸G1/8軸承類(lèi)型滑動(dòng)式溫度范圍-10C-60C耐腐等級(jí)CRC2 裝配位置任意6bar時(shí)理論作用力483N移動(dòng)質(zhì)量840g0mm行程移動(dòng)質(zhì)量840g0mm行程基本質(zhì)量2390g3.2.2真空發(fā)生器的選擇真空發(fā)生器作為一種高效經(jīng)濟(jì)的小型真空元器件，其主要工作模式是通過(guò)安裝在真空發(fā)生器內(nèi)部的電池閥對(duì)供氣動(dòng)作進(jìn)行控制，通過(guò)給電磁閥發(fā)送電信號(hào)，使壓縮空氣順利進(jìn)入真空發(fā)生器中從而產(chǎn)生負(fù)壓，停止發(fā)送電信號(hào)，電磁閥斷開(kāi)，負(fù)壓消失。真空發(fā)生器的使用場(chǎng)景十分廣泛，在醫(yī)療設(shè)備制造、包裝機(jī)械、汽車(chē)生產(chǎn)制造、食品加工等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)清洗機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)選用Festo公司生產(chǎn)制造的VADMI-95-N型真空發(fā)生器。真空發(fā)生器三維圖見(jiàn)圖3-3，規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表3-3。圖3-3VADMI-95-N型真空發(fā)生器表3-3ADMI-95-N型真空發(fā)生器規(guī)格參數(shù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)塊狀結(jié)構(gòu)工作介質(zhì)潤(rùn)滑或未潤(rùn)滑的壓縮空氣安裝位置任意噴射器特性高真空型安裝方式通過(guò)殼體上的通孔最大真空度80%工作壓力1.5bar-10bar環(huán)境溫度-20C-80C真空接口螺紋G1/8帶螺紋氣接口G1/8耐腐等級(jí)CRC2材料說(shuō)明不含銅和聚四氟乙烯3.2.3吸盤(pán)組提升氣缸的選擇高樓外墻清洗機(jī)吸盤(pán)組的抬起和落下主要由安裝在負(fù)壓吸盤(pán)組安裝面板上的提升氣缸進(jìn)行控制。本次設(shè)計(jì)中選用Festo公司生產(chǎn)制造的ADVC-12-5-A-P型號(hào)的短行程氣缸作為提升氣缸，其具有體積小，安裝方便，動(dòng)作靈敏等特點(diǎn)。ADVC-12-5-A-P型號(hào)短行程氣缸三維視圖見(jiàn)圖3-4，規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表3-4。圖3-4短行程氣缸三維視圖表3-4提升氣缸規(guī)格參數(shù)活塞直徑12mm設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)活塞活塞桿行程5mm緩沖型式兩端帶彈性緩沖工作介質(zhì)過(guò)濾壓縮空氣氣動(dòng)連接M56bar時(shí)理論作用力61N溫度范圍-20C-80C耐腐等級(jí)CRC1裝配位置任意動(dòng)作型式雙作用移動(dòng)質(zhì)量6.6g安裝類(lèi)型帶通孔產(chǎn)品質(zhì)量34g為本次設(shè)計(jì)中采用氣動(dòng)架構(gòu)作為清洗機(jī)的框架結(jié)構(gòu)，因此氣動(dòng)原件選取的不同就會(huì)導(dǎo)致清洗機(jī)移動(dòng)效率的不同。本次設(shè)計(jì)中采用Festo公司生產(chǎn)制造的無(wú)桿氣缸作為主要?dú)鈩?dòng)原件。Festo作為世界上生產(chǎn)氣動(dòng)元件的著名廠家，其設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品不僅性能好，而且能夠進(jìn)行模塊化組合，輔以Festo公司為其產(chǎn)品所適配的開(kāi)發(fā)軟件，可以使顧客能夠按照自己的實(shí)際需要快速的配置相關(guān)氣動(dòng)元件。本次設(shè)計(jì)中高樓外墻清洗機(jī)所使用的氣動(dòng)元件都為Festo公司的產(chǎn)品。采用氣動(dòng)元件如表3-5所示。表3-5清洗機(jī)氣動(dòng)元器件列表序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量1真空發(fā)生器VADMI-95-N22真空吸盤(pán)ESG-80-Eu-HA-G163Z向吸盤(pán)提升氣缸ADVC-12-5-A-P44X、Y驅(qū)動(dòng)氣缸DGPL-32-600-PPV-A-GF-B25電磁閥CPE14-M1BH-5J-1/846單向節(jié)流閥GRLA-1/8-QS-6-D87分氣塊FR-8-G1/8-428分氣塊QSLV2-G1/8-429管接頭QS-3/8-6210QS-1/8-44411真空安全閥ISV-1/8812氣管PLN-6X1-NTT50m第4章高樓外墻清洗機(jī)清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)清洗系統(tǒng)作為高樓外墻清洗機(jī)進(jìn)行清洗工作的具體執(zhí)行部分，是清洗機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要一環(huán)。高樓外墻清洗機(jī)的爬壁系統(tǒng)本質(zhì)上只是高樓外墻清洗機(jī)清洗裝置的承載裝置，在實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)在墻壁外表面上的移動(dòng)功能后，就需要考慮清洗機(jī)清洗裝置的清潔質(zhì)量和清潔效率。本次設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)高層建筑外表面工作環(huán)境的清潔機(jī)器人，通過(guò)在清洗機(jī)本體上安裝設(shè)計(jì)好的清洗裝置，從而代替人工對(duì)附著在墻壁外表面的雜質(zhì)進(jìn)行清洗。4.1高層建筑外表面附著物的形成原因建筑物外墻表面暴露大氣中的污染物、雨水和太陽(yáng)直射等各種環(huán)境中，其表面極易受到破壞。長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)直射造成墻體外表面材料的老化的主要原因，長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)照射會(huì)使墻壁材料失去原有的抗腐蝕能力，極易受到大氣中污染物的侵襲，輕則使建筑物外表面失去光澤，嚴(yán)重的甚至?xí)箟w表面形成裂紋。其次是風(fēng)雨對(duì)建筑表面造成的侵襲，隨著今年來(lái)高層建筑的不斷出現(xiàn)，高層建筑受風(fēng)雨侵蝕的影響也越來(lái)越大，風(fēng)雨中夾雜著塵土和一些化學(xué)污染物，使墻體表面的材料受到損壞，尤其近年來(lái)年隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷出現(xiàn)，大氣污染物二氧化碳，二氧化硫等排放逐年遞增，混合雨后形成酸雨對(duì)建筑物便面造成腐蝕。建筑外表面遭到腐蝕后對(duì)建筑物的外觀造成極大的影響，因此近年來(lái)高層建筑外表面的清潔變得越來(lái)越重要。為了降低人工清潔的危險(xiǎn)性，提高清潔效率，必須設(shè)計(jì)出一種高效并且低風(fēng)險(xiǎn)的清洗方式。4.2高樓外墻清洗機(jī)清洗裝置總體設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)清洗裝置的自動(dòng)化運(yùn)行，清洗裝置的設(shè)計(jì)必須符合自動(dòng)化的設(shè)計(jì)。在具體設(shè)計(jì)清洗裝置之前，要對(duì)清洗效率、清洗效果、清洗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難易程度等多方面進(jìn)行考慮。目前，常用的清洗作業(yè)方式主要分為沖洗和刷洗兩種，本次設(shè)計(jì)中，為了提高清洗裝置的清潔效率，選擇沖洗和刷洗相結(jié)合的方式對(duì)建筑外表面進(jìn)行清潔作業(yè)。首先，采用高壓水射流對(duì)墻壁外表面進(jìn)行第一次清潔，目的是除去附著在外表面的灰塵等較小雜質(zhì)；高壓水射流沖洗后采用刷盤(pán)與清洗劑對(duì)墻壁外表面進(jìn)行精細(xì)清潔，目的是除去附著力較強(qiáng)的較大體積的雜質(zhì)。整個(gè)清洗裝置的設(shè)計(jì)主要由噴淋系統(tǒng)、洗刷系統(tǒng)等部分組成。在清洗前首先對(duì)墻壁外邊面污染物的主要類(lèi)型進(jìn)行分析，面對(duì)不同類(lèi)型的污染物和污染等級(jí)選擇不同的清洗劑完成清潔作業(yè)。4.2.1噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)墻壁外表面污染附著物的形成原因及逆行分析，單獨(dú)的水流沖洗或刷洗都不能有效的對(duì)污染附著物進(jìn)行清潔，因此需要采用復(fù)合的清洗方法對(duì)墻壁污染附著物進(jìn)行清洗。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)人工清潔的方法與機(jī)器清潔的方法是不相同的，人工清潔可以多次對(duì)同一污染附著物及逆行清潔，針對(duì)性更強(qiáng)；而機(jī)器清洗的方法屬于自動(dòng)化清潔，其清洗過(guò)程是在清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自主完成的，具有一次性的特點(diǎn)，因此當(dāng)面對(duì)的污染附著物成分較復(fù)雜時(shí)，單獨(dú)一種清潔方式往往不能達(dá)到理想的清洗結(jié)果，故高樓外墻清洗機(jī)采用兩步清洗法進(jìn)行清洗，先采用高壓水射流對(duì)附著度較低的污染物進(jìn)行清洗，然后采用清洗刷與清洗劑相配合的方法對(duì)頑固的污染附著物進(jìn)行深度清潔。4.2.2清洗刷的設(shè)計(jì)高樓外墻清洗機(jī)的主要功能是對(duì)建筑物外墻上的污染附著物進(jìn)行清潔，清潔工作主要通過(guò)安裝在清洗機(jī)本體下部的清潔裝置進(jìn)行，清潔裝置的設(shè)計(jì)是否符合清潔工作的需要直接影響著清洗機(jī)的清潔效率和清潔效果。目前在高樓外墻清洗機(jī)上常用的清潔裝置分為刮板清潔式和圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)清潔式，刮板清潔式通過(guò)刮板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)工作表面進(jìn)行清潔，因刮板是一個(gè)具有直角的工作部件，所以其能對(duì)工作表面的邊角部分進(jìn)行有效的清潔；圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)清潔式是通過(guò)一個(gè)圓盤(pán)狀的清洗刷高速旋轉(zhuǎn)來(lái)對(duì)工作表面進(jìn)行清潔，圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)清潔式的效率較高，但受其形狀制約，不能很好的對(duì)工作表面的邊角部分進(jìn)行清潔。為了提高樓外墻清洗機(jī)的自動(dòng)化層度，降低控制難度和清洗機(jī)本體的質(zhì)量，本次設(shè)計(jì)中通過(guò)將清洗刷安裝在X方向的氣缸的兩端，在X方向氣缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中即可跟隨氣缸的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)完成對(duì)污染附著物的清洗。圖4-1清洗刷連結(jié)件的設(shè)計(jì)圖4-2清洗刷刷毛固定件圖4-2清洗刷刷毛固定件第5章高樓外墻清洗機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)作為高樓外墻清洗機(jī)的控制核心部件，是整個(gè)清洗系統(tǒng)的控制中心，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善與否關(guān)乎著清洗機(jī)工作的穩(wěn)定程度。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就要考慮清洗機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。5.1可編程控制器的概述與發(fā)展可編程控制器（PLC）又稱(chēng)為可編程邏輯控制器，是因?yàn)槠渥钪饕峭ㄟ^(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行邏輯控制從而達(dá)到控制相關(guān)元器件動(dòng)作的目的。可編程控制器以計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的電氣控制相比，PLC具有體積小，控制性能強(qiáng)，可維護(hù)性能強(qiáng)、可編程并且適用于多種工作場(chǎng)合等特點(diǎn)，因此PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域方面應(yīng)用廣泛。PLC的本質(zhì)就是一種專(zhuān)門(mén)面向工業(yè)領(lǐng)域的控制用微型計(jì)算機(jī)，其組成結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相類(lèi)似。PLC的發(fā)明本就是為使用工業(yè)工作環(huán)境所制造的，因此其具有很強(qiáng)的工作環(huán)境適應(yīng)性，能夠抵擋一定程度的干擾，并且操作簡(jiǎn)單，代替了傳統(tǒng)的繼電器控制方式，極大的提高了控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率。5.2清洗機(jī)控制系統(tǒng)PLC型號(hào)的選取PLC作為高樓外墻清洗機(jī)控制系統(tǒng)的核心，其輸入量為相關(guān)按鈕和接近開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)量，輸出量為相應(yīng)的電磁線(xiàn)圈。本次設(shè)計(jì)中采用真空度壓力傳感器作為檢測(cè)負(fù)壓吸盤(pán)真空度正常壓力范圍的檢測(cè)裝置，安裝在X方向和Y方向氣缸端部的傳感器在清洗控制系統(tǒng)也起接近開(kāi)關(guān)的作用。開(kāi)關(guān)量的多少?zèng)Q定了PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配，本次設(shè)計(jì)中需要采用的輸出點(diǎn)數(shù)為12位，輸入點(diǎn)數(shù)位18位。因受清洗機(jī)工作環(huán)境和體積的限制，本次設(shè)計(jì)中選擇日本三菱公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)FX2N-48MR小型PLC。該型號(hào)PLC包括擴(kuò)展模塊、編程器、存儲(chǔ)器、特殊功能模塊、輸入輸出設(shè)備和中央處理器等模塊組成。FX2N-48MR型號(hào)的PLC基本組成如圖5-2：圖5-2PLC組成示意圖5.3.2控制系統(tǒng)的主要任務(wù)高樓外墻清洗機(jī)控制系統(tǒng)需要保證清洗機(jī)本體在控制系統(tǒng)的控制下完成上下左右四個(gè)方向的基本運(yùn)動(dòng)，通過(guò)這四個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的相互組合就可完成在墻壁外表面上的各種運(yùn)動(dòng)。高樓外墻清洗機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如5-3所示。圖5-3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖為了實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)在高層建筑墻壁外表面上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，PLC首先要將各個(gè)傳感器采集到的信息進(jìn)行整合分析，然后按照相關(guān)程序及控制方法來(lái)控制相關(guān)元器件的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)清洗的目的。高樓外墻清洗機(jī)元器件列表如表5-1所示。表5-1高樓外墻清洗機(jī)元器件列表名稱(chēng)編號(hào)數(shù)量橫向執(zhí)行元件X橫向驅(qū)動(dòng)氣缸X1X真空吸盤(pán)提升氣缸A，B2真空吸盤(pán)V1-V88PLC輸出控制元件真空供給閥Z11（共1點(diǎn)）真空破壞閥Z21（共1點(diǎn)）電磁閥Z3，Z42（共4點(diǎn)）PLC輸入傳感器X氣缸接近開(kāi)關(guān)XN0-XN12（共2點(diǎn)）吸盤(pán)提升氣缸行程開(kāi)關(guān)A0-A1，B0-B14（共4點(diǎn)）真空壓力開(kāi)關(guān)S11（共1點(diǎn)）縱向執(zhí)行元件Y橫向驅(qū)動(dòng)氣缸Y1Y真空吸盤(pán)提升氣缸C，D2真空吸盤(pán)V9-V168PLC輸出控制元件真空供給閥Z51（共1點(diǎn)）真空破壞閥Z61（共1點(diǎn)）電磁閥Z7，Z82（共4點(diǎn)）PLC輸入傳感器Y氣缸接近開(kāi)關(guān)YN0-YN12（共2點(diǎn)）吸盤(pán)提升氣缸行程開(kāi)關(guān)C0-C1，D0-D14（共4點(diǎn)）真空壓力開(kāi)關(guān)S21（共1點(diǎn)）高樓外墻清洗機(jī)上下左右四個(gè)方向移動(dòng)動(dòng)作的完成，是通過(guò)負(fù)壓吸盤(pán)的吸附與斷開(kāi)、氣缸的來(lái)回運(yùn)動(dòng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這些元器件的動(dòng)作則是通過(guò)PLC控制相應(yīng)電磁閥的開(kāi)關(guān)來(lái)完成的。在清洗機(jī)工作過(guò)程中通過(guò)接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)氣缸是否移動(dòng)到目標(biāo)位置，通過(guò)真空壓力傳感器來(lái)對(duì)負(fù)壓吸盤(pán)的吸附能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。5.4機(jī)器人控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)5.4.1PLC軟件系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)作為整個(gè)控制系統(tǒng)順利運(yùn)行的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，但單純的硬件系統(tǒng)并不能使控制系統(tǒng)順利運(yùn)行，為使控制系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，還需將軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)相互搭配才能完成對(duì)各個(gè)組成部分的精確控制，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)中的高樓外墻清洗機(jī)的控制系統(tǒng)通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)的原則，不同的系統(tǒng)部分相互區(qū)別又相互聯(lián)系，極大的擴(kuò)展了清洗機(jī)的可擴(kuò)展性。清洗機(jī)控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5-5所示：圖5-5控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)5.4.2PLC接口信號(hào)的定義系統(tǒng)中控制命令信息、傳感器信息以及控制輸出信息等需要首先連接到PLC控制系統(tǒng)中，并分配相應(yīng)的輸入輸出邏輯映射繼電器標(biāo)志。表5-2輸入地址分配表（共16點(diǎn)）輸入端子號(hào)輸入信號(hào)說(shuō)明X0無(wú)PLC啟動(dòng)按扭X1無(wú)PLC停止按扭X2X0X向無(wú)桿氣缸左移X3X1X向無(wú)桿氣缸右移X4A0X向吸盤(pán)提升氣缸伸出X5B0X6A1X向吸盤(pán)提升氣缸縮回X7B1X8C0Y向吸盤(pán)提升氣缸伸出X9D0X10C1Y向吸盤(pán)提升氣缸縮回X11D1X12Y0Y向無(wú)桿氣缸下移X13Y1Y向無(wú)桿氣缸上移X14S1X向吸盤(pán)真空壓力開(kāi)關(guān)X15S2Y向吸盤(pán)真空壓力開(kāi)關(guān)表5-3輸出地址分配表（共12點(diǎn)）輸出端子號(hào)執(zhí)行元件說(shuō)明YO1DT控制X向氣缸換向的電磁閥Y12DTY23DT控制X向吸盤(pán)提升氣缸換向的電磁閥Y34DTY45DT控制Y向吸盤(pán)提升氣缸換向的電磁閥Y56DTY67DT控制Y向氣缸換向的電磁閥Y78DTY89DT破壞X向吸盤(pán)的真空的電磁閥Y910DT產(chǎn)生X向吸盤(pán)的真空的電磁閥Y1011DT破壞Y向吸盤(pán)的真空的電磁閥Y1112DT產(chǎn)生Y向吸盤(pán)的真空的電磁閥5.4.3初始化程序初始化程序可以使清洗機(jī)在正式開(kāi)始工作前使其處于靜止?fàn)顟B(tài)，即X方向與Y方向的氣缸處于中間未運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而X方向與Y方向的提升氣缸則處于工作狀態(tài)，通過(guò)真空發(fā)生器為安裝在氣缸頂部的負(fù)壓吸盤(pán)提供負(fù)壓，使清洗機(jī)能夠穩(wěn)定的停止與工作表面上。系統(tǒng)初始化動(dòng)作如表5-4所示。表5-4系統(tǒng)的初始化動(dòng)作序號(hào)動(dòng)作動(dòng)作完成信號(hào)1X氣缸向左X1X氣缸向右XN02Y氣缸向上YN0Y氣缸向下Y13橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，BO橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出A1，B14縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，D0縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出C1，D15橫向吸盤(pán)提供真空S1縱向吸盤(pán)提供真空S25.4.4四個(gè)基本動(dòng)作的程序?qū)崿F(xiàn)由于本次設(shè)計(jì)中的清洗機(jī)本體是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的十字架結(jié)構(gòu)，因此清洗機(jī)完成上下左右四個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作具有一定的對(duì)稱(chēng)性。對(duì)每個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作進(jìn)行分析，則可將每個(gè)方向的動(dòng)作分為氣缸處于極限位置兩端這兩種狀態(tài)。（1）向左運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析首先對(duì)X方向氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，此時(shí)X方向氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不影響Y方向氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于X方向氣缸只能進(jìn)行左右方向的運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)X方向氣缸開(kāi)始向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，X方向的氣缸分為左極限位置X0和右極限位置X1。其動(dòng)作序列如表5-5：表5-5向左運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作序列（X0）序號(hào)動(dòng)作說(shuō)明控制說(shuō)明動(dòng)作結(jié)束標(biāo)志1橫向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T0T02橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，B03橫向驅(qū)動(dòng)氣缸X向左運(yùn)動(dòng)XN14橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出A1，B15橫向吸盤(pán)提供真空S16縱向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T1T17縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，DO8橫向氣缸滑塊向左運(yùn)動(dòng)XN09縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出C1，D110縱向吸盤(pán)提供真空S2通過(guò)對(duì)表5-5中的動(dòng)作序列進(jìn)行分析可得，序列三和序列八是高樓外墻清洗機(jī)在墻壁外表面移動(dòng)的關(guān)鍵動(dòng)作。序列三動(dòng)作的特點(diǎn)是Y方向氣缸靜止不動(dòng)，X方向氣缸相對(duì)于工作壁面進(jìn)行移動(dòng)；序列八動(dòng)作的特點(diǎn)是X方向氣缸停止，而X方向氣缸上的滑塊帶動(dòng)Y方向氣缸向左移動(dòng)。通過(guò)上述兩個(gè)序列動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了清洗機(jī)本體整體的左移。如果橫向氣缸的初始狀態(tài)處于右極限位置X1處，則要完成向左運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)序列如下表5-6：表5-6向左運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作序列（X1）序號(hào)動(dòng)作說(shuō)明控制說(shuō)明動(dòng)作結(jié)束標(biāo)志1縱向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T1T12縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，D03橫向氣缸滑塊向左運(yùn)動(dòng)XN04縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出C1，D15縱向吸盤(pán)提供真空S26橫向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T0T07橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，B08橫向氣缸向左運(yùn)動(dòng)XN19橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出A1，B110橫向氣缸提供真空S1（2）向右運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析由清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性可知，向右與向左運(yùn)動(dòng)具有一定程度的相似性，以向左運(yùn)動(dòng)為示例對(duì)向右運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。以X方向氣缸處于右極限位置為例進(jìn)行分析。其實(shí)現(xiàn)向右動(dòng)作的動(dòng)作序列如表5-7所示。表5-7向右運(yùn)動(dòng)動(dòng)作序列（X1）序號(hào)動(dòng)作說(shuō)明控制說(shuō)明動(dòng)作結(jié)束標(biāo)志1橫向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T0T02橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，B03橫向氣缸向右運(yùn)動(dòng)XN04橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出A1，B15橫向吸盤(pán)提供真空S16縱向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T1T17縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，D08橫向氣缸滑塊向右運(yùn)動(dòng)XN19縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出C1，D110縱向吸盤(pán)提供真空S2對(duì)表5-7中的動(dòng)作序列進(jìn)行分析，序列三和序列八高樓外墻清洗機(jī)在墻壁外表面移動(dòng)的關(guān)鍵動(dòng)作。序列三動(dòng)作的特點(diǎn)是Y方向氣缸靜止不動(dòng)，X方向氣缸相對(duì)于工作壁面進(jìn)行移動(dòng)；序列八動(dòng)作的特點(diǎn)是X方向氣缸停止，而X方向氣缸上的滑塊帶動(dòng)Y方向氣缸向右移動(dòng)。通過(guò)上述兩個(gè)序列動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了清洗機(jī)本體整體的右移。如果以橫向氣缸X處于左極限位置X0處為初始狀態(tài)，若要完成向右的動(dòng)作，其動(dòng)作序列如下表5-所示：表5-8向右動(dòng)作序列（X0）序號(hào)動(dòng)作說(shuō)明控制說(shuō)明動(dòng)作結(jié)束標(biāo)志1縱向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T1T12縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，D03橫向氣缸滑塊向右運(yùn)動(dòng)XN14縱向氣缸提升氣缸伸出C1，D15縱向吸盤(pán)提供真空S26橫向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T0T07橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，B08橫向氣缸向右運(yùn)動(dòng)XN09橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出A1，B110橫向吸盤(pán)提供真空S1（3）向上運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析首先對(duì)Y方向氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，此時(shí)Y方向氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不影響X方向氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于Y方向氣缸只能進(jìn)行上下方向的運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)Y方向氣缸開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，Y方向的氣缸分為上極限位置Y1和下極限位置Y0。首先以Y方向氣缸處于Y1位置時(shí)的狀態(tài)為示例進(jìn)行分析。其動(dòng)作序列如表5-9所示。表5-9向上運(yùn)動(dòng)動(dòng)作序列（Y1）序號(hào)動(dòng)作說(shuō)明控制說(shuō)明動(dòng)作結(jié)束標(biāo)志1縱向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T1T12縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，DO3縱向氣缸向上運(yùn)動(dòng)YN04縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出C1，D15縱向吸盤(pán)提供真空S26橫向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T0T07橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，B08縱向氣缸的滑塊向上運(yùn)動(dòng)YN19橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出A1，B110橫向吸盤(pán)提供真空S1如果以縱向氣缸處于下極限位置Y0為初始狀態(tài)是，要完成向上的運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)作序列如下表5-10所示：表5-10向上運(yùn)動(dòng)動(dòng)作序列（Y0）序號(hào)動(dòng)作說(shuō)明控制說(shuō)明動(dòng)作結(jié)束標(biāo)志1橫向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T0T02橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，B03縱向氣缸的滑塊向上運(yùn)動(dòng)YN14橫向吸盤(pán)提升氣缸伸出A1，B15橫向吸盤(pán)提供真空S16縱向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T1T17縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，D08縱向氣缸向上運(yùn)動(dòng)YN09縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出C1，D110縱向吸盤(pán)提供真空S2（4）向下運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析由清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性可知，向上與向下運(yùn)動(dòng)具有一定程度的相似性，以向上運(yùn)動(dòng)為示例對(duì)向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。以Y方向氣缸處于下極限位置為例進(jìn)行分析。其實(shí)現(xiàn)向右動(dòng)作的動(dòng)作序列如表5-11所示。表5-11向下動(dòng)作的序列（Y0）序列動(dòng)作說(shuō)明控制說(shuō)明動(dòng)作結(jié)束標(biāo)志1縱向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T1T12縱向吸盤(pán)提升氣缸縮回C0，D03縱向氣缸向下運(yùn)動(dòng)YN14縱向吸盤(pán)提升氣缸伸出C1，C15縱向吸盤(pán)提供真空S26橫向吸盤(pán)釋放真空通過(guò)定時(shí)器T0T07橫向吸盤(pán)提升氣缸縮回A0，B08縱向氣缸滑塊向下運(yùn)動(dòng)YN09橫向吸盤(pán)提升氣