高層建筑擦玻璃自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
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摘要：文章基于高層建筑物的玻璃清潔作業(yè)要求，提出一種高層建筑自動(dòng)擦玻璃系統(tǒng)，利用雙軸步進(jìn)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)擦拭裝置的軌跡控制，通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)不同擦玻璃模式，并采用仿人擦拭規(guī)劃軌跡，適應(yīng)多種擦窗需要，能實(shí)現(xiàn)反復(fù)多次清洗和清潔液回收功能。通過(guò)初步試驗(yàn)分析，得到了良好的玻璃清潔效果，實(shí)現(xiàn)了玻璃擦拭系統(tǒng)沿玻璃二維平面進(jìn)行全方位作業(yè)，為高層建筑物玻璃擦拭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制策略提供了依據(jù)，實(shí)用前景良好。
關(guān)鍵詞：高層建筑；自動(dòng)擦玻璃；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；自動(dòng)控制；噴水作業(yè)
前言
由于高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性，增加了建筑物玻璃擦拭的成本[1-2]，甚至一些國(guó)家出臺(tái)了禁止四層以上玻璃幕墻人工擦洗的規(guī)定。因此，改變傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，運(yùn)用新技術(shù)進(jìn)行高層建筑物的清潔成為目前研究的熱點(diǎn)。作為一種全新的自動(dòng)清潔裝置，高層建筑自動(dòng)擦玻璃系統(tǒng)具有自動(dòng)擦洗建筑物外部玻璃、價(jià)格低廉、效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用的擦玻璃機(jī)器人存在兩個(gè)技術(shù)瓶頸：一是玻璃擦拭清潔度低；二是擦玻璃機(jī)器人的載重量較低，不能裝載較多清潔劑和水[4-6]。本文提出一種高層建筑自動(dòng)擦玻璃系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行編程設(shè)定不同的擦拭路徑，該系統(tǒng)具有安裝方便，操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)推廣價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。
1系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)采用框架式結(jié)構(gòu)，兩條擦拭臂由滾珠絲杠在x軸和y軸方向正交構(gòu)成，每條擦拭臂末端連接57步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)滾珠絲杠的特殊結(jié)構(gòu)，將步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠夭潦帽鄣闹本€(xiàn)行走運(yùn)動(dòng)，對(duì)二維玻璃平面的各點(diǎn)位置進(jìn)行覆蓋，實(shí)現(xiàn)建筑物玻璃的擦拭工作。并在擦拭臂上部搭載水箱，內(nèi)裝水與清潔劑的混合物，在工作之前首先由水泵將水箱內(nèi)液體泵出，噴淋到玻璃表面，再由擦拭裝置進(jìn)行擦洗作業(yè)，自動(dòng)擦玻璃系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2系統(tǒng)關(guān)鍵模塊
2.1擦洗模塊
作為該系統(tǒng)的核心模塊，擦洗效果的優(yōu)劣決定了整機(jī)的質(zhì)量，因此，擦洗模塊采用噴水—擦拭—噴清潔液—擦拭的二次清潔作業(yè)方式，首先對(duì)玻璃表面噴水，然后啟動(dòng)擦拭電機(jī)進(jìn)行擦拭作業(yè)，這一步驟的主要目的是將玻璃表面整體潤(rùn)濕，初步清潔表面的浮塵和附著物等；再進(jìn)行噴清潔液的操作，該步驟為主要擦拭環(huán)節(jié)，擦拭完畢后，結(jié)束該位置玻璃的清潔作業(yè)。同時(shí)，系統(tǒng)下部增加了擋水回收欄板，可回收大部分的液體，并可反復(fù)利用3～4次，提高了清潔液的利用效果，降低了成本。這樣的雙重擦拭方式，保證了工作質(zhì)量，擦拭清潔度較高。
2.2擦拭臂模塊
采用雙步進(jìn)電機(jī)與絲杠構(gòu)成的二維平面擦洗結(jié)構(gòu)能夠有效實(shí)現(xiàn)玻璃二維平面的清潔，兩條擦拭臂由滾珠絲杠構(gòu)成，滾珠絲杠具有傳輸效率高、摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)還具有精度高的特性，能夠在較小位移下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確擦拭，提高了擦拭的靈活性。
2.3吸盤(pán)夾緊模塊
由于本系統(tǒng)為高空建筑物作業(yè)形式，因此，系統(tǒng)的整體固定吸附能力尤為重要，采用四吸盤(pán)方式進(jìn)行固定，即在系統(tǒng)的四角布置四個(gè)帶有吸附功能的真空吸盤(pán)，作業(yè)前將吸盤(pán)固定到指定位置。2.4PAC運(yùn)動(dòng)控制模塊系統(tǒng)采用PAC1100控制器作為控制核心，具有功耗低、發(fā)熱量低、運(yùn)算能力強(qiáng)等特點(diǎn)，利用PAC1100強(qiáng)大的快速編程能力實(shí)現(xiàn)擦拭路徑的軌跡規(guī)劃，能夠模擬人工擦拭手段進(jìn)行擦拭，控制器連接示意圖如圖2所示。
2.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊
選用電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)遵循兩個(gè)原則：一是高空環(huán)境特殊，安全第一；二是要求便于移動(dòng)，能隨時(shí)改變位置到達(dá)下一準(zhǔn)確位置。因此，選用57步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該系列電機(jī)具有噪音小、轉(zhuǎn)矩大以及運(yùn)行平穩(wěn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行發(fā)熱量較低，能夠快速響應(yīng)指令運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行點(diǎn)、線(xiàn)位置移動(dòng)。本文選擇使用BS57HB76-03型號(hào)電機(jī)，其保持轉(zhuǎn)矩為1.35N·m，長(zhǎng)度為76mm，額定電流為3.0A，參數(shù)能夠保證擦玻璃系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
3程序示例
控制器工作在四種狀態(tài)之一，即：自動(dòng)狀態(tài)、手動(dòng)狀態(tài)、程序編輯狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定狀態(tài)，因?yàn)榭刂破鬏^少（降低輸入復(fù)雜度），所以大部分的按鍵采用復(fù)合按鍵方式，而且按鍵有長(zhǎng)按和短按之分?？刂破魃想姾螅刂破魈幱谑謩?dòng)狀態(tài)且坐標(biāo)值自動(dòng)清零，這時(shí)可以用手動(dòng)方式進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制。以部分程序?yàn)槔M(jìn)行示例介紹，相關(guān)內(nèi)容如表1所示。
4結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)研制了一種高層建筑自動(dòng)擦玻璃系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)編程自動(dòng)進(jìn)行玻璃擦洗，并具有多種擦拭軌跡可調(diào)以及廢液回收等功能。在建筑物玻璃表面進(jìn)行了初步試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了玻璃的清潔作業(yè)，清潔效果顯著。但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用固定式清潔布摩擦力較大，系統(tǒng)需要克服較大阻力才能達(dá)到預(yù)期擦拭效果，受到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小限制，清潔布的滑動(dòng)摩擦力不能太大，否則會(huì)由于摩擦阻力過(guò)大而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)在后期將會(huì)針對(duì)清潔布的擦拭方式進(jìn)行進(jìn)一步研究，以期在降低擦拭摩擦力的同時(shí)還能提高擦拭效果，進(jìn)而提高系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。
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作者：李潔 遲明路 呂廣靜 王志偉 劉松松 喬小喜 范雨軒 單位：河南工學(xué)院