楊海龍YANG Hai-long；王詩(shī)文WANG Shi-wen；季子夫JI Zi-fu；王鐵男WANG Tie-nan；宋凱SONG Kai

（黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱 150050）

（Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活環(huán)境提出了更高的要求。在建筑業(yè)，由于玻璃的采光性好、保溫防潮性能好，彩色玻璃實(shí)用美觀，高層建筑越來(lái)越多地采用玻璃窗的結(jié)構(gòu)。但是，由于隨著時(shí)間的推移，雨雪天氣以及空氣中的灰塵，就會(huì)逐漸的蒙上一層厚厚的城市灰塵，使得這些建筑黯然失色，這樣就需要對(duì)玻璃窗進(jìn)行清洗。目前對(duì)高層建筑上玻璃的清洗工作主要是由人工完成的。高空擦洗，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)事故，造成傷亡。因此人們迫切希望能有一種清洗機(jī)器來(lái)代替人工作業(yè)。這種清洗機(jī)器的使用將大大降低高層建筑的清洗成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。所要設(shè)計(jì)的高層戶外玻璃自動(dòng)清潔器，要求既要做到簡(jiǎn)單實(shí)用，又要價(jià)格便宜。這樣經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的擦玻璃機(jī)器人想法就悠然誕生了。

1 產(chǎn)品類別的介紹

1.1 雙面玻璃擦 ①一面擦，兩面凈；②站在屋里擦窗外玻璃，安全，方便，又省力；③本產(chǎn)品通過(guò)磁力相吸的原理，內(nèi)動(dòng)外應(yīng)，從而達(dá)到一次操作，玻璃兩面干凈的效果；④同時(shí)解決了人們住樓房不便到窗外擦玻璃，極其安全。

1.2 機(jī)械臂式玻璃擦 一種手撐式電動(dòng)多功能玻璃清潔器由刷頭裝置、撐桿裝置、電動(dòng)裝置和噴霧裝置四部分構(gòu)成。功能：解決人們?cè)诟邩鞘覂?nèi)清潔窗及玻璃窗外側(cè)面玻璃的難題。撐桿上還裝有手壓泵，通過(guò)軟管可將清洗液送至刷頭噴出，擦頭罩殼內(nèi)壁上有凸棱曲線，具有收集污液的功能、可避免污染周圍環(huán)境。

1.3 撐桿式玻璃擦 玻璃擦頭固定在一根長(zhǎng)的不銹鋼管上，一側(cè)是擦玻璃的海綿體，另一側(cè)是清除玻璃上污水的刮擦。

2 主要目標(biāo)

根據(jù)所調(diào)查的資料顯示，不管是擦玻璃器還是擦玻璃機(jī)器人的開發(fā)比較完備，無(wú)論在功能上，還是材料上，因此這次“自動(dòng)擦玻璃器的設(shè)計(jì)與制作”設(shè)計(jì)主要希望實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：①功能完備化。②降低高空擦玻璃機(jī)器人的成本。

3 設(shè)計(jì)方法

具體的設(shè)計(jì)方式我們采用以下幾點(diǎn)順序原則：①資料的查詢，在圖書館查閱工具書，電子閱覽室查詢論文期刊等資料，了解自動(dòng)擦玻璃機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及狀況。②初步構(gòu)建自己的自動(dòng)擦玻璃機(jī)的圖形，繪制CAD 圖形，了解各部分的構(gòu)造。③根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)各部分的具體參數(shù)，選用電動(dòng)機(jī)、伸縮桿導(dǎo)軌滑塊，設(shè)計(jì)底盤等部分的參數(shù)。④根據(jù)所選的參數(shù)購(gòu)買和加工。⑤組裝及驗(yàn)證其功能的可行性，修改最后完成設(shè)計(jì)。

4 設(shè)計(jì)方案

4.1 運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì) 支撐機(jī)構(gòu)是玻璃擦設(shè)計(jì)中的最重要的結(jié)構(gòu)，它對(duì)玻璃擦頭的運(yùn)動(dòng)以及整個(gè)機(jī)構(gòu)的安裝位置的確定有著很大的影響，這個(gè)機(jī)構(gòu)也是設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。

蝸輪蝸桿傳動(dòng)，此種設(shè)計(jì)方案采用蝸輪蝸桿作為傳動(dòng)裝置，傳遞電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上上下運(yùn)動(dòng)，完成玻璃擦的上下擦玻璃的任務(wù)。擦玻璃的范圍由蝸輪的直徑?jīng)Q定，擦玻璃的高度有伸縮桿的長(zhǎng)度來(lái)決定，可以達(dá)到很高的地方，如圖1 所示。

但是此種設(shè)計(jì)方案在擦拭范圍上存在很大的局限性，由于擦玻璃器主要面向家庭公寓使用，玻璃的尺寸大約為1500*1500mm，因此要求蝸輪的直徑必須大于1000mm，這使得設(shè)計(jì)非常不現(xiàn)實(shí)，工作空間限制及其本身重量的限制使得本方案很難實(shí)際應(yīng)用。

4.2 擦頭組件的設(shè)計(jì) 由于兩個(gè)玻璃擦頭是用磁鐵之間的吸引力，使其吸附在玻璃表面上，因此擦頭的設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)就是要輕便。玻璃擦頭設(shè)計(jì)成一個(gè)盒子狀，里面裝有磁鐵，清洗液存儲(chǔ)空間等。在盒子的表面貼有擦玻璃布，刮水板。制作這樣一個(gè)盒子，首先需要制作模具，然后才能做出塑料的玻璃擦頭來(lái)[6]。但是模具制作相當(dāng)?shù)陌嘿F，對(duì)于實(shí)驗(yàn)階段來(lái)說(shuō)沒(méi)有必要使用這種方法進(jìn)行制作。對(duì)方案進(jìn)行修改，把結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留最基本的構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。另外還需要考慮的問(wèn)題：①磁鐵位置的確定；②玻璃擦頭的連接。

圖1

4.3 底盤的設(shè)計(jì) 底盤由小輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，需要承受整個(gè)機(jī)構(gòu)的重量，保證其重心的穩(wěn)定，使機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中不至于傾倒。

底盤采用600*400*25mm 的木板作為承重板，綜合考慮電動(dòng)機(jī)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、玻璃擦等的重量大約為5KG，木板強(qiáng)度足夠滿足需求。木板下邊在距離每個(gè)角90*50mm 的位置安裝小輪，高度大于為70mm，在滿足要求的基礎(chǔ)上盡量降低重心。小輪與固定在底盤的小電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)隨著擦玻璃的進(jìn)行，小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)。小電動(dòng)機(jī)配備有時(shí)間繼電器，能夠?qū)崿F(xiàn)間歇式的運(yùn)動(dòng)，配合玻璃擦的上下運(yùn)動(dòng)，完成擦玻璃的任務(wù)。在底盤的上面一個(gè)長(zhǎng)邊250*50mm 的位置安裝一個(gè)100*100*5mm 的鋁合金薄板，作為導(dǎo)軌安裝的界面，保持導(dǎo)軌的穩(wěn)定性。

5 零件的設(shè)計(jì)制造

5.1 連接桿的設(shè)計(jì)制造 ①連桿材料的選擇。連接桿與曲柄、導(dǎo)軌相連，起到傳遞動(dòng)力的作用。同曲柄一樣，連接桿材料也選定為鋁合金，因?yàn)殇X合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度大且容易加工。②連桿的制造。連接桿是選用直徑為22mm 的鋁合金棒料通過(guò)數(shù)控銑床加工而成。經(jīng)過(guò)幾道工序加工之后，停車，取出曲柄，用銼把曲柄上的毛刺，銳邊去除。第二部是鉆孔，在鉆床上夾緊，使用直徑為6mm 的鉆刀，在曲柄的10mm 處鉆孔。每隔30mm 鉆一個(gè)孔，一共鉆出3 個(gè)孔，然后在連接桿的另一端的10mm 處鉆孔。用銼把曲柄上的毛刺，銳邊去除。連接桿加工就完成了，如圖2 所示。

5.2 滑塊的設(shè)計(jì)制造 螺釘?shù)牡鬃暮穸葹?mm，用磨床把厚度磨為1mm。根據(jù)導(dǎo)軌的形狀，選取滑塊為螺釘，這樣螺釘能夠在導(dǎo)軌的凹槽里滑動(dòng)，如圖3 所示。

5.3 底盤的設(shè)計(jì)制造 擦玻璃器的所有零件都要固定在底盤上，底盤的底部還要安裝上定向輪，所以底盤既要易于加工又需要質(zhì)量輕便。底盤選取為600*400 的木板，質(zhì)量輕且易于加工，在底盤上用電鉆鉆出16 個(gè)直徑為6mm 的孔，能讓4 個(gè)小輪安裝在底盤上。

[1]王炎.爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[N].計(jì)算機(jī)世界報(bào),2010，27.

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[6]張厚祥,宗光華.全氣動(dòng)擦窗機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)[J].期液壓與氣動(dòng),2011,11.