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的自動墻壁清洗機功能建模學 期： 20132014學年第二學期 任課教師： 何 俊 時 間： 2014年6月5日 姓 名： 學 號： 年級、專業(yè)： 2011級機電一班 西南交通大學峨眉校區(qū)機械工程系基于idef0的自動墻壁清洗機功能建模 1. 題目背景及意義 本文以機械設(shè)計課程大作業(yè)所設(shè)計的自動墻壁清洗機作為建模對象，應(yīng)用idef0建模方法建立自動墻壁清洗機清洗部分功能模型，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)的運行過程，為實現(xiàn)并促進自動墻壁清洗機的發(fā)展提供理論和方法基礎(chǔ)。2.國內(nèi)外正鏟液壓挖掘機產(chǎn)品

2、系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)機器人已經(jīng)在機器人領(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，在機器人領(lǐng)域中，一種新的、有蓬勃生命力的服務(wù)機器人已經(jīng)出現(xiàn)。 服務(wù)機器人主要涉及清洗、運送、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，更需要清洗機器人的技術(shù)可以得到不斷改進和提高。第一個成功制造出來的清洗機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。其余的運動鏈系使得它可以做各

3、復雜運動，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,滾刷與飛機外形精確匹配。該機器人安裝在一個標準汽車底盤上，可以從四個位置出發(fā)，機器人在人的監(jiān)視下按照預定的模式運動，完成對飛機幾乎所有表面的清洗工作。其特點是動作靈活，適合于各種規(guī)格的飛機。日本be公司成功研制的一種固定軌道式自動擦窗機器人，機器人靠安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跹b系統(tǒng)使擦窗機對準窗戶，沿固定安裝在建筑物表面的導槽垂直上下移動進行清洗，清洗機構(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)考慮進去，鋪設(shè)軌道，這

4、大大限制了該機器人的使用范圍及效率。 德國馬格堡的弗勞恩霍費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行了自動清洗。該機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壁面清洗機器人。該機器人作業(yè)時在機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，還是機器人位移的定位裝置，機器人只能做上下運動，左右運動靠隨動小車牽引實現(xiàn)。爬行機構(gòu)是基于兩隊線性模塊上，每個模塊裝

5、有幾個真空吸盤，每對模塊有一個伺服電機驅(qū)動。 美國國際機器人公司研制了用于清洗摩天大樓的爬壁機器人“sky washer”,它重19.95kg，約0.90.9m，該機器人的移動由兩組l型框架相對滑動，交替吸附來實現(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動，該機器人允許橫向移動，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器人的研究。 國內(nèi)爬壁機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)機器人，以此為起點，我國掀起了第一個研制機器人的浪潮。 自1988年以來，上海大學先后研制了玻璃窗清洗機器人和球形爬壁機器人。前者采用多層框架式機構(gòu)，真空吸盤吸附，伺服電機驅(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，開發(fā)了一種全方位越障機構(gòu)，大幅度提高了機器人的越障能力。 哈爾濱工

7、業(yè)大學也是國內(nèi)壁面移動機器人研究較早的單位，在國家“863”智能機器人的支持下，已經(jīng)先后開發(fā)出兩個系列共5個品種的爬壁機器人。較早完成的是輪式負壓吸附壁面爬行遙控檢查機器人。該機器人采用雙輪進行驅(qū)動。主體下部是一個帶有驅(qū)動輪的滑動密封式負壓吸盤。清洗機構(gòu)置于尾部，同時還設(shè)有卷揚機，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，可以在瓷磚壁面或大直徑圓柱面上運動，但越障和面面轉(zhuǎn)換能力較差。 北京航空航天大學自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、“靈巧型擦窗機器人”、“吊籃式擦窗機器人”、 “

8、藍天潔寶”等系列幕墻清洗機器人樣機。前三種均為全自動清洗機器人，采用十字構(gòu)型，為自主步行移動機器人，機器人運動和功能統(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)，以實現(xiàn)機器人運動方向的調(diào)整。之后北航又推出藍天潔士、型擦窗機器人。 2000年發(fā)展研制的“靈巧型擦窗機器人”類似于佐藤多秀研制的雙車體機器人，但重量小的多，僅有20kg。該機器人本體結(jié)構(gòu)采用具有滑動密封負壓吸附裝置的履帶式驅(qū)動的雙車體結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)越障和曲面轉(zhuǎn)換功能。2001年研制開發(fā)的“吊籃式擦窗機器人”則模擬人手擦窗的作業(yè)方式進行作業(yè)。“藍天潔寶”屬于被動清洗機器人，使用大面積負壓吸盤吸附，利用風機產(chǎn)生真空

9、，結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，具有很高的實用價值。3. 自動墻壁清洗機設(shè)計及使用功能說明 根據(jù)清洗機清洗作業(yè)的要求，整個清洗機必須具備清洗作業(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，螺旋槳風壓系統(tǒng)，齒輪傳動系統(tǒng)等組成。通過螺旋槳風壓系統(tǒng)使主機吸附在墻面上，并使刷子壓緊，產(chǎn)生一定的刷洗壓力，通過電機帶動刷子轉(zhuǎn)動，達到刷洗的目的。如圖1、2、3。圖1 圖2 圖34. 自動墻壁清洗機的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)合一些約束條件進行建模并優(yōu)化設(shè)計得到準確模型尺寸。建立如圖2的a-0圖。然后對a-0圖

10、功能圖進行細化。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)計準則、設(shè)計經(jīng)驗在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)計準則、設(shè)計經(jīng)驗在三維建模軟件建立模型，進行靜態(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)計準則、設(shè)計經(jīng)驗進行受力分析分析，對工作過程中出現(xiàn)的情況進行修訂； （4）優(yōu)化設(shè)計：針對在受力分析中出現(xiàn)的問題，進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，提供改進方案，并對各種改進方

11、案進行力學分析，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)計標準c3：設(shè)計經(jīng)驗 圖3 a0圖基于idef0的洗瓶機功能樹如下圖4所示： 圖4 圖5受力仿真發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題，洗墻機在工作中變形嚴重：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的功能模型，能夠準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)的復雜性，提高了建模的效率，為最終保證墻壁清洗機構(gòu)的可靠性的實現(xiàn)提供了重要手段。6.