現(xiàn)代制造系統(tǒng)工程大作業(yè)

1、現(xiàn)代制造系統(tǒng)工程大作業(yè)2課 程： 現(xiàn)代制造系統(tǒng)工程 大作業(yè)題目：基于idef0的自動墻壁清洗機(jī)功能建模學(xué) 期： 20132014學(xué)年第二學(xué)期 任課教師： 何 俊 時 間： 2014年6月5日 姓 名： 學(xué) 號： 年級、專業(yè)： 2011級機(jī)電一班 西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)機(jī)械工程系基于idef0的自動墻壁清洗機(jī)功能建模 1. 題目背景及意義 本文以機(jī)械設(shè)計課程大作業(yè)所設(shè)計的自動墻壁清洗機(jī)作為建模對象，應(yīng)用idef0建模方法建立自動墻壁清洗機(jī)清洗部分功能模型，分析系統(tǒng)的功能活動及其聯(lián)系，描述保障系統(tǒng)主要保障環(huán)節(jié)的運(yùn)行過程，為實(shí)現(xiàn)并促進(jìn)自動墻壁清洗機(jī)的發(fā)展提供理論和方法基礎(chǔ)。2.國內(nèi)外正鏟液壓挖掘機(jī)產(chǎn)品

2、系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域中大量投入使用，如汽車、冶金等行業(yè)。然而，隨著人們生活水平的提高，在機(jī)器人領(lǐng)域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)。 服務(wù)機(jī)器人主要涉及清洗、運(yùn)送、監(jiān)視、檢查和探測等類型的工作，為人類提供和完成服務(wù)。其中，清洗是服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用最廣的領(lǐng)域之一。而高樓林立的今天，更需要清洗機(jī)器人的技術(shù)可以得到不斷改進(jìn)和提高。第一個成功制造出來的清洗機(jī)器人是德國漢薩斯航空公司委托制作的“skywah”（清洗巨人）。其主要結(jié)構(gòu)是一個作用距離為33米的多關(guān)節(jié)巨型伸縮臂，有11個自由度，6個主軸，3個腕關(guān)節(jié)及兩個自適應(yīng)軸，總共12個可編程序軸。其余的運(yùn)動鏈系使得它可以做各

3、復(fù)雜運(yùn)動，而其結(jié)構(gòu)不會有任何變化。所有軸均由液壓驅(qū)動并采用抗拉鋼材，因而其結(jié)構(gòu)重量輕。清洗刷長1.2m，定位精度為50mm,滾刷與飛機(jī)外形精確匹配。該機(jī)器人安裝在一個標(biāo)準(zhǔn)汽車底盤上，可以從四個位置出發(fā)，機(jī)器人在人的監(jiān)視下按照預(yù)定的模式運(yùn)動，完成對飛機(jī)幾乎所有表面的清洗工作。其特點(diǎn)是動作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機(jī)。日本be公司成功研制的一種固定軌道式自動擦窗機(jī)器人，機(jī)器人靠安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跹b系統(tǒng)使擦窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導(dǎo)槽垂直上下移動進(jìn)行清洗，清洗機(jī)構(gòu)帶有多個旋盤刷。該設(shè)備的自動化程度的效率都很高，但價格也很昂貴。另外，要求在建筑物設(shè)計之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進(jìn)去，鋪設(shè)軌道，這

4、大大限制了該機(jī)器人的使用范圍及效率。 德國馬格堡的弗勞恩霍費(fèi)爾自動控制與操作研究所（ipa）是德國主要的生產(chǎn)及自動化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自動系統(tǒng)。對柏林新建火車站的巨大玻璃隧道進(jìn)行了自動清洗。該機(jī)器人懸掛在水平的橫向軌道上，可沿軌道左右移動，同時橫向軌道可以沿垂直導(dǎo)槽上下移動，從而完成對整塊玻璃的清洗。 德國的fraunhofer研究所研制了一種名為siriusc壁面清洗機(jī)器人。該機(jī)器人作業(yè)時在機(jī)器人上方的建筑物頂部有一個隨動小車，該小車除了起一個安全作用外，還是機(jī)器人位移的定位裝置，機(jī)器人只能做上下運(yùn)動，左右運(yùn)動靠隨動小車牽引實(shí)現(xiàn)。爬行機(jī)構(gòu)是基于兩隊(duì)線性模塊上，每個模塊裝

5、有幾個真空吸盤，每對模塊有一個伺服電機(jī)驅(qū)動。 美國國際機(jī)器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機(jī)器人“sky washer”,它重19.95kg，約0.90.9m，該機(jī)器人的移動由兩組l型框架相對滑動，交替吸附來實(shí)現(xiàn)，每組框架有三只腳掌，每只腳掌上有兩只真空吸盤，吸盤相對于壁面可以作直線運(yùn)動，該機(jī)器人允許橫向移動，并可跨越一定高度的障礙。同時配備有洗滌液和擦抹系統(tǒng)，以完成擦窗工作，作業(yè)能力為每天4645m2，并可越5cm高、25cm寬的障礙。除此以外，加拿大、德國、西班牙、以色列、新加坡、奧地利、俄羅斯、英國、澳大利亞等國家相繼開展了壁面清洗機(jī)器人的研究。 國內(nèi)爬壁機(jī)器人的研究雖然起步晚，但發(fā)展

6、比較迅速。我國研究和發(fā)展機(jī)器人始于七十年代初。1975年在北京舉辦的日本科技展覽會上，川崎重工公司首先在中國展出了工業(yè)機(jī)器人，以此為起點(diǎn)，我國掀起了第一個研制機(jī)器人的浪潮。 自1988年以來，上海大學(xué)先后研制了玻璃窗清洗機(jī)器人和球形爬壁機(jī)器人。前者采用多層框架式機(jī)構(gòu)，真空吸盤吸附，伺服電機(jī)驅(qū)動，但重量大，且沒有裝備清洗系統(tǒng)。后者采用腿足式移動機(jī)構(gòu)，足端為帶有裙邊的鉸接式真空吸盤，設(shè)計者從滿足穩(wěn)定性和控制復(fù)雜程度的綜合，考慮到吸盤穩(wěn)定性較差，安全性不是很好。此外，他們還在清洗裝備和工藝做了較為深入的研究，并根據(jù)玻璃幕墻障礙的特點(diǎn)，開發(fā)了一種全方位越障機(jī)構(gòu)，大幅度提高了機(jī)器人的越障能力。 哈爾濱工

7、業(yè)大學(xué)也是國內(nèi)壁面移動機(jī)器人研究較早的單位，在國家“863”智能機(jī)器人的支持下，已經(jīng)先后開發(fā)出兩個系列共5個品種的爬壁機(jī)器人。較早完成的是輪式負(fù)壓吸附壁面爬行遙控檢查機(jī)器人。該機(jī)器人采用雙輪進(jìn)行驅(qū)動。主體下部是一個帶有驅(qū)動輪的滑動密封式負(fù)壓吸盤。清洗機(jī)構(gòu)置于尾部，同時還設(shè)有卷揚(yáng)機(jī)，地面支援小車等附屬設(shè)施。由于密封裝置采用柔性設(shè)計，對壁面的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運(yùn)動，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。 北京航空航天大學(xué)自1996年以來，在國家“863”計劃的大力資助下，先后研制成功了washman、cleanbot、skyclean、“靈巧型擦窗機(jī)器人”、“吊籃式擦窗機(jī)器人”、 “

8、藍(lán)天潔寶”等系列幕墻清洗機(jī)器人樣機(jī)。前三種均為全自動清洗機(jī)器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)動和功能統(tǒng)一。其中cleanbot-的縱橫氣缸之間有一能做微小角度轉(zhuǎn)動的腰關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動方向的調(diào)整。之后北航又推出藍(lán)天潔士、型擦窗機(jī)器人。 2000年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機(jī)器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機(jī)器人，但重量小的多，僅有20kg。該機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動密封負(fù)壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動的雙車體結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機(jī)器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進(jìn)行作業(yè)?！八{(lán)天潔寶”屬于被動清洗機(jī)器人，使用大面積負(fù)壓吸盤吸附，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空

9、，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，具有很高的實(shí)用價值。3. 自動墻壁清洗機(jī)設(shè)計及使用功能說明 根據(jù)清洗機(jī)清洗作業(yè)的要求，整個清洗機(jī)必須具備清洗作業(yè)功能，行動功能和控制功能。其中行動工能與控制功能集成于房頂移動供給裝置。 墻面清洗系統(tǒng)主要由支撐架，刷子，電機(jī)，螺旋槳風(fēng)壓系統(tǒng)，齒輪傳動系統(tǒng)等組成。通過螺旋槳風(fēng)壓系統(tǒng)使主機(jī)吸附在墻面上，并使刷子壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機(jī)帶動刷子轉(zhuǎn)動，達(dá)到刷洗的目的。如圖1、2、3。圖1 圖2 圖34. 自動墻壁清洗機(jī)的idef0模型建立該功能模型的主要目的是通過設(shè)計書給出的工作參數(shù)結(jié)合一些約束條件進(jìn)行建模并優(yōu)化設(shè)計得到準(zhǔn)確模型尺寸。建立如圖2的a-0圖。然后對a-0圖

10、功能圖進(jìn)行細(xì)化。根據(jù)建模的先后順序，將建模過程分為設(shè)計草圖、模型建立、受力仿真、優(yōu)化設(shè)計4個子模塊。各模塊具體說明如下：（1）設(shè)計草圖：該模塊是設(shè)計人員通過設(shè)計書給出的工作參數(shù)結(jié)合設(shè)計要求、設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計經(jīng)驗(yàn)在proe中繪制出模型零件草圖，確定各個尺寸；（2）模型建立：該模塊是設(shè)計人員通過草圖結(jié)合設(shè)計要求、設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計經(jīng)驗(yàn)在三維建模軟件建立模型，進(jìn)行靜態(tài)干涉分析與局部修改；（3）受力分析：該模塊是設(shè)計人員通過建立的模型結(jié)合設(shè)計要求、設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行受力分析分析，對工作過程中出現(xiàn)的情況進(jìn)行修訂； （4）優(yōu)化設(shè)計：針對在受力分析中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，提供改進(jìn)方案，并對各種改進(jìn)方

11、案進(jìn)行力學(xué)分析，直到確定最終方案。圖2 a-0圖設(shè)計草圖 c1c2c3 設(shè)計草圖模型建立 c1c2c3 模型建立 c1c2c2 受力仿真 受力仿真 優(yōu)化設(shè)計 c1c2c3 優(yōu)化設(shè)計c1: 設(shè)計要求c2：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)c3：設(shè)計經(jīng)驗(yàn) 圖3 a0圖基于idef0的洗瓶機(jī)功能樹如下圖4所示： 圖4 圖5受力仿真發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題，洗墻機(jī)在工作中變形嚴(yán)重：優(yōu)化設(shè)計：方案一：方案二：方案三：5.結(jié)束語利用idef0 方法建立自動墻壁清洗機(jī)的功能模型，能夠準(zhǔn)確地把握組成建模各模塊的功能活動及相互關(guān)系，將墻壁清洗機(jī)構(gòu)的整個設(shè)計過程有序地系統(tǒng)化，直觀地描述建模功能信息，從而有效地控制了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了建模的效率，為最終保證墻壁清洗機(jī)構(gòu)的可靠性的實(shí)現(xiàn)提供了重要手段。6.