擦玻璃機械手的方案設計分析

楊海龍YANG Hai-long；王詩文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，彩色玻璃實用美觀，高層建筑越來越多地采用玻璃窗的結構。但是，由于隨著時間的推移，雨雪天氣以及空氣中的灰塵，就會逐漸的蒙上一層厚厚的城市灰塵，使得這些建筑黯然失色，這樣就需要對玻璃窗進行清洗。目前對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，稍有不慎就會出現事故，造成傷亡。因此人們迫切希望能有一種清洗機器來代替人工作業(yè)。這種清洗機器的使用將大大降低高層建筑的清洗成本，提高勞動生產率。所要設計的高層戶外玻璃自動清潔器，要求既要做到簡單實用，又要價格便宜。這樣經濟實惠的擦玻璃機器人想法就悠然誕生了。

1 產品類別的介紹

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本產品通過磁力相吸的原理，內動外應，從而達到一次操作，玻璃兩面干凈的效果；④同時解決了人們住樓房不便到窗外擦玻璃，極其安全。

1.2 機械臂式玻璃擦 一種手撐式電動多功能玻璃清潔器由刷頭裝置、撐桿裝置、電動裝置和噴霧裝置四部分構成。功能：解決人們在高樓室內清潔窗及玻璃窗外側面玻璃的難題。撐桿上還裝有手壓泵，通過軟管可將清洗液送至刷頭噴出，擦頭罩殼內壁上有凸棱曲線，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的不銹鋼管上，一側是擦玻璃的海綿體，另一側是清除玻璃上污水的刮擦。

2 主要目標

根據所調查的資料顯示，不管是擦玻璃器還是擦玻璃機器人的開發(fā)比較完備，無論在功能上，還是材料上，因此這次“自動擦玻璃器的設計與制作”設計主要希望實現兩個目標：①功能完備化。②降低高空擦玻璃機器人的成本。

3 設計方法

具體的設計方式我們采用以下幾點順序原則：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，了解自動擦玻璃機的發(fā)展趨勢及狀況。②初步構建自己的自動擦玻璃機的圖形，繪制CAD 圖形，了解各部分的構造。③根據圖紙設計各部分的具體參數，選用電動機、伸縮桿導軌滑塊，設計底盤等部分的參數。④根據所選的參數購買和加工。⑤組裝及驗證其功能的可行性，修改最后完成設計。

4 設計方案

4.1 運動方式的設計 支撐機構是玻璃擦設計中的最重要的結構，它對玻璃擦頭的運動以及整個機構的安裝位置的確定有著很大的影響，這個機構也是設計的一個重點。

蝸輪蝸桿傳動，此種設計方案采用蝸輪蝸桿作為傳動裝置，傳遞電動機的動力，帶動滑塊在導軌上上下運動，完成玻璃擦的上下擦玻璃的任務。擦玻璃的范圍由蝸輪的直徑決定，擦玻璃的高度有伸縮桿的長度來決定，可以達到很高的地方，如圖1 所示。

但是此種設計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，這使得設計非常不現實，工作空間限制及其本身重量的限制使得本方案很難實際應用。

4.2 擦頭組件的設計 由于兩個玻璃擦頭是用磁鐵之間的吸引力，使其吸附在玻璃表面上，因此擦頭的設計考慮的重點就是要輕便。玻璃擦頭設計成一個盒子狀，里面裝有磁鐵，清洗液存儲空間等。在盒子的表面貼有擦玻璃布，刮水板。制作這樣一個盒子，首先需要制作模具，然后才能做出塑料的玻璃擦頭來[6]。但是模具制作相當的昂貴，對于實驗階段來說沒有必要使用這種方法進行制作。對方案進行修改，把結構進行簡化，只保留最基本的構件，實現設計要求。另外還需要考慮的問題：①磁鐵位置的確定；②玻璃擦頭的連接。

圖1

4.3 底盤的設計 底盤由小輪、驅動電機組成，需要承受整個機構的重量，保證其重心的穩(wěn)定，使機構在運行過程中不至于傾倒。

底盤采用600*400*25mm 的木板作為承重板，綜合考慮電動機、曲柄滑塊機構、導軌、玻璃擦等的重量大約為5KG，木板強度足夠滿足需求。木板下邊在距離每個角90*50mm 的位置安裝小輪，高度大于為70mm，在滿足要求的基礎上盡量降低重心。小輪與固定在底盤的小電機相連，實現隨著擦玻璃的進行，小車實現自動運動。小電動機配備有時間繼電器，能夠實現間歇式的運動，配合玻璃擦的上下運動，完成擦玻璃的任務。在底盤的上面一個長邊250*50mm 的位置安裝一個100*100*5mm 的鋁合金薄板，作為導軌安裝的界面，保持導軌的穩(wěn)定性。

5 零件的設計制造

5.1 連接桿的設計制造 ①連桿材料的選擇。連接桿與曲柄、導軌相連，起到傳遞動力的作用。同曲柄一樣，連接桿材料也選定為鋁合金，因為鋁合金質量輕，強度大且容易加工。②連桿的制造。連接桿是選用直徑為22mm 的鋁合金棒料通過數控銑床加工而成。經過幾道工序加工之后，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 鉆一個孔，一共鉆出3 個孔，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 滑塊的設計制造 螺釘的底座的厚度為3mm，用磨床把厚度磨為1mm。根據導軌的形狀，選取滑塊為螺釘，這樣螺釘能夠在導軌的凹槽里滑動，如圖3 所示。

5.3 底盤的設計制造 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量輕便。底盤選取為600*400 的木板，質量輕且易于加工，在底盤上用電鉆鉆出16 個直徑為6mm 的孔，能讓4 個小輪安裝在底盤上。

[1]王炎.爬壁機器人的發(fā)展現狀與應用前景[N].計算機世界報,2010，27.

[2]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機器人發(fā)展趨勢淺析[J].引進與咨詢,2009，4.

[3]謝宇，曹彤，焦曉凱.多吸盤式擦窗機器人吸附系統(tǒng)研究[J].液壓與氣動,2007.

[4]秦卓.玻璃自動清潔器[P].中國，實用新型，專利號95204302.5，2009.7.19.

[5]黃建余.高樓擦窗機[P].中國，實用新型，專利號88213921.5，2010.8.29.

[6]張厚祥,宗光華.全氣動擦窗機器人的實現[J].期液壓與氣動,2011,11.