智能立柱清洗裝置的設(shè)計(jì)

王 威,萬(wàn)志遠(yuǎn),蔣瑞奇,姚夢(mèng)杰

(1.山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,山東 德州 253034; 2.山東華宇工學(xué)院 信息工程學(xué)院,山東 德州 253034;3.山東外國(guó)語(yǔ)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 信息工程學(xué)院,山東 日照 276800)

0 引言

整潔便利、溫馨的居住環(huán)境是美好生活不可或缺的重要元素[1]。伴隨人們生活水平的提升,環(huán)境美化[2]變得日益重要。而建筑物的立柱為建筑物的重要結(jié)構(gòu),清洗方式主要為人工擦拭或借助小工具手動(dòng)擦拭,工作起來(lái)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力且危險(xiǎn)[3-4],故而設(shè)計(jì)一種先進(jìn)的清洗裝置意義非凡。

徐逢澤[5]等利用推力吸附法及仿生吸附法,令機(jī)器牢牢地貼合在橋柱表面,以滾刷為清洗裝置的主體部分,高壓清洗部分對(duì)一次清洗不干凈的地方進(jìn)行二次清洗。范艷霞[6]在一種液壓支架立柱檢修流水線裝置的設(shè)計(jì)中,選用高溫高壓水清洗立柱,效果良好。Khairam H[7]等制造了一種自主爬桿機(jī)器人,在機(jī)器人頂部和底部有兩個(gè)抓手,通過(guò)交替釋放/抓握機(jī)制,沿桿子爬行清洗。

現(xiàn)有的技術(shù)方案是種爬升清洗機(jī)構(gòu),將攀爬與清洗技術(shù)相結(jié)合,來(lái)達(dá)到對(duì)立柱清洗[8]目的。部分場(chǎng)合利用純機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直徑桿攀爬對(duì)技術(shù)要求較高,利用氣壓爬行器進(jìn)行攀爬還需氣源與氣壓控制系統(tǒng)[9]或采用噴洗清洗流體方法,并通過(guò)噴洗高壓流體來(lái)將污垢清除。而采用手持方式清除污垢,雖然可以靈活調(diào)整噴洗部位,但噴洗效果不穩(wěn)定,人力成本較高,且這種人工方式及其他機(jī)械方式均存在噴洗清洗死角,難以清洗狹窄區(qū)域中建筑的立柱側(cè)面。針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一款智能立柱清洗裝置。

1 裝置的設(shè)計(jì)

智能立柱清洗裝置的研制包括底座設(shè)計(jì)、清洗裝置設(shè)計(jì)及智能控制設(shè)計(jì)。底座分為兩部分,其上表面的兩側(cè)均卡接螺紋管,在螺紋管頂部有進(jìn)行螺紋連接的絲桿,絲桿頂端通過(guò)轉(zhuǎn)軸活動(dòng)連接連接件,連接件連接蓄水箱,連接方式為螺栓固定連接,在蓄水箱內(nèi)底壁連接安裝座,并將其固定連接,微型水泵的出水口連有導(dǎo)流管,進(jìn)行固定連接。

設(shè)備通過(guò)底座上的微型電機(jī)、螺紋管、絲桿、蓄水箱、微型水泵、噴頭與清潔布可更加快速有效地對(duì)立柱進(jìn)行清潔,提高工作效率,相比于人工清洗及較為復(fù)雜的機(jī)器清洗具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖1為智能立柱清洗裝置,包括底座、支持移動(dòng)與清洗的裝置及用于清洗立柱的智能控制單元,可控制裝置行走并對(duì)立柱進(jìn)行清洗。底座上表面接螺紋管,螺紋管的頂部連接絲桿,絲桿頂端連接連接件,連接件連接蓄水箱,安裝座在蓄水箱的內(nèi)底壁,安裝座固定裝有微型水泵,底座下表面連接萬(wàn)向輪,內(nèi)部裝有微型電機(jī)。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

用于支撐清洗裝置的是螺紋管,其在水平方向呈環(huán)形陣列,分布安裝在底座上,蓄水箱內(nèi)弧面連接魔術(shù)貼,通過(guò)魔術(shù)貼粘連清潔布,蓄水箱連接進(jìn)水管,令設(shè)備對(duì)立柱進(jìn)行沖洗、擦拭,加快立柱的風(fēng)干。

1.1 底座設(shè)計(jì)

底座分為兩部分,其大部分相似。底座下表面均固定連接萬(wàn)向輪,6個(gè)萬(wàn)向輪均分兩組,一部分底座有3個(gè)萬(wàn)向輪,用于底座的流暢移動(dòng)及運(yùn)行,令裝置對(duì)立柱進(jìn)行卡接過(guò)程中能夠更好地對(duì)接。

上表面的兩側(cè)均卡接用于升降的螺紋管,頂部以螺紋連接的方式連接絲桿,絲桿頂端連接連接件,連接方式為轉(zhuǎn)軸活動(dòng)連接,連接件經(jīng)過(guò)螺栓固定連接蓄水箱,在蓄水箱內(nèi)底壁上固定連接安裝座,安裝座上固定安裝微型水泵,微型水泵的出水口固定連接用于導(dǎo)流液體的導(dǎo)流管,導(dǎo)流管的輸出端固定連接噴頭,用于噴灑清洗液。

底座內(nèi)部通過(guò)螺栓安裝微型電機(jī),其輸出端與螺紋管底部固定連接,可方便地升降絲桿的位置,清洗不同高度的立柱。其中一個(gè)底座的一側(cè)表面與蓄水箱的一側(cè)表面均有固定卡塊,另一個(gè)底座的一側(cè)表面與蓄水箱的一側(cè)表面均開(kāi)設(shè)卡槽,卡槽與卡塊相適配,對(duì)立柱的清洗無(wú)死角,保證了清潔力度,提高了清潔效率。

卡塊上下表面的中部均固定連接復(fù)位彈簧,可在豎直方向做彈性運(yùn)動(dòng),復(fù)位彈簧其中一端固定連接限位件,令兩個(gè)底座對(duì)接更加穩(wěn)定,避免在清潔過(guò)程中分離。

圖2 底座設(shè)計(jì)圖

1.2 清洗裝置設(shè)計(jì)

清洗裝置包括噴頭、蓄水箱、清潔布。噴頭的一端與蓄水箱的內(nèi)弧面卡接,噴頭密集分布于蓄水箱的內(nèi)弧面,均勻等距地分布在蓄水箱上,使清洗液的噴灑更加均勻,令立柱清潔更加全面。

蓄水箱內(nèi)弧面的頂部固定連接魔術(shù)貼,通過(guò)魔術(shù)貼粘連清潔布,使設(shè)備在對(duì)立柱進(jìn)行沖洗完成后,可以更加快速地對(duì)立柱進(jìn)行擦拭,令立柱快速風(fēng)干,蓄水箱上表面的一側(cè)固定連接進(jìn)水管。

支撐清洗裝置為螺紋管,共4個(gè),兩兩一組,每組螺紋管分別對(duì)應(yīng)1個(gè)底座,4個(gè)螺紋管在水平方向呈環(huán)形陣列分布。

圖3 清洗裝置設(shè)計(jì)圖

1.3 智能控制設(shè)計(jì)

通過(guò)編程使立柱清洗裝置工作過(guò)程中的對(duì)接、移動(dòng)、清洗、分離達(dá)到預(yù)期效果。控制系統(tǒng)包括控制器及傳感裝置,傳感裝置連接控制器,收到控制器傳遞的信號(hào)后控制清洗裝置及行走裝置。智能立柱清洗裝置的啟動(dòng)方式為開(kāi)關(guān),與控制器相連接,啟動(dòng)裝置控制器控制行走裝置行走至特定位置,對(duì)立柱進(jìn)行夾持。通過(guò)傳感裝置的信號(hào)確定夾持立柱后,控制器發(fā)送清洗信號(hào)給清洗裝置,清洗裝置開(kāi)始運(yùn)行,直至得到控制器的停止信號(hào)。智能立柱清洗裝置配有遙控器,可對(duì)該裝置進(jìn)行相應(yīng)控制,方便操作,便于對(duì)立柱的清洗。

圖4 控制流程圖

1.4 應(yīng)用效果

設(shè)備啟動(dòng)后,兩個(gè)底座移動(dòng)至立柱旁時(shí),兩個(gè)底座與立柱卡接,使卡塊卡接在卡槽內(nèi)部,此時(shí)復(fù)位彈簧復(fù)位,使限位件卡接在卡槽內(nèi)部,啟動(dòng)微型電機(jī),螺紋管旋轉(zhuǎn),令絲桿向上旋轉(zhuǎn),隨后啟動(dòng)微型水泵,清潔液由噴頭噴出,對(duì)立柱進(jìn)行噴洗。通過(guò)啟動(dòng)微型電機(jī),可使蓄水箱上下運(yùn)動(dòng),并通過(guò)清潔布對(duì)噴洗過(guò)的立柱進(jìn)行同步擦拭,有效保證了裝置的工作效率。

1.5 元件選用種類及作用

水壓控制器選用杭州豐控儀表有限公司FULLKON品牌FK-300-E型號(hào)的壓力傳感器/變送器。在500 ℃高溫煅燒作用下,絲印玻璃膠微微融化時(shí),兩片高純度硅應(yīng)片同感受壓力金屬?gòu)椥泽w熔為一體,誕生出耐沖擊、快響應(yīng)、更靈巧的豐控玻璃微熔壓力變送器FK-PF200,適用于水壓、氣壓、油壓等常溫?zé)o頻繁沖擊場(chǎng)合。通過(guò)電磁兼容性、防靜電、防浪涌脈沖性能測(cè)試,恒壓供水可直接連接變頻器。

表1 元件選用表

圖5 水壓控制器

魔術(shù)貼[10]選用深圳市卡優(yōu)圣科技有限公司生產(chǎn)的11 cm寬3M強(qiáng)力背膠魔術(shù)貼,具有較強(qiáng)的黏合性及粘貼性,時(shí)間越長(zhǎng),黏性越好,毛面與勾面相互粘貼,黏合力強(qiáng)度好,可輕松更換拆卸。

圖6 3M強(qiáng)力背膠魔術(shù)貼

控制器選用Arduino系類單片機(jī)中的Arduino Mega2560 R3控制器[11],Arduino Mega2560 R3采用USB接口的核心電路板,具有54路數(shù)字輸入輸出(14個(gè)可以作為PWM輸出,16個(gè)模擬輸入口,4個(gè)硬件串口),含有1個(gè)USB連接頭、1個(gè)電源插孔、1個(gè)ICSP接口、1個(gè)復(fù)位按鍵等,支持主控器運(yùn)行。相對(duì)于其他型號(hào)的Arduino控制器,Arduino mega2560 R3支持更大的運(yùn)算存儲(chǔ)空間,適用于智能立柱清洗機(jī)裝置。

圖7 控制器

2 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)立柱進(jìn)行智能清洗的裝置,包括底座、支持裝置移動(dòng)及清洗裝置,用于清洗立柱的智能控制單元,可控制裝置行走并對(duì)立柱進(jìn)行清洗。通過(guò)底座上的微型電機(jī)、螺紋管、絲桿、蓄水箱、微型水泵、噴頭與清潔布,運(yùn)用魔術(shù)貼粘連清潔布進(jìn)行立柱清洗?？ú叟c卡塊相適配,對(duì)立柱的清洗角度達(dá)到無(wú)死角狀態(tài),保證了清潔力度,提高了清潔效率,替代了人工清洗立柱,降低了成本,保障了作業(yè)人員的安全,達(dá)到美化環(huán)境的目的。