高層建筑擦玻璃自動系統設計研究

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摘要：文章基于高層建筑物的玻璃清潔作業要求，提出一種高層建筑自動擦玻璃系統，利用雙軸步進電機控制器實現擦拭裝置的軌跡控制，通過編程可實現不同擦玻璃模式，并采用仿人擦拭規劃軌跡，適應多種擦窗需要，能實現反復多次清洗和清潔液回收功能。通過初步試驗分析，得到了良好的玻璃清潔效果，實現了玻璃擦拭系統沿玻璃二維平面進行全方位作業，為高層建筑物玻璃擦拭結構設計和控制策略提供了依據，實用前景良好。

關鍵詞：高層建筑；自動擦玻璃；結構設計；自動控制；噴水作業

前言

由于高空作業的風險性，增加了建筑物玻璃擦拭的成本[1-2]，甚至一些國家出臺了禁止四層以上玻璃幕墻人工擦洗的規定。因此，改變傳統的人工作業方式，運用新技術進行高層建筑物的清潔成為目前研究的熱點。作為一種全新的自動清潔裝置，高層建筑自動擦玻璃系統具有自動擦洗建筑物外部玻璃、價格低廉、效率高等優點[3]。目前，國內外廣泛采用的擦玻璃機器人存在兩個技術瓶頸：一是玻璃擦拭清潔度低；二是擦玻璃機器人的載重量較低，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擦玻璃系統，可根據實際需要對步進電機控制器進行編程設定不同的擦拭路徑，該系統具有安裝方便，操作簡單的優點，具有良好的市場推廣價值和應用價值。

1系統工作原理

系統采用框架式結構，兩條擦拭臂由滾珠絲杠在x軸和y軸方向正交構成，每條擦拭臂末端連接57步進電機，通過滾珠絲杠的特殊結構，將步進電機動力輸出軸的轉動運動轉變為沿擦拭臂的直線行走運動，對二維玻璃平面的各點位置進行覆蓋，實現建筑物玻璃的擦拭工作。并在擦拭臂上部搭載水箱，內裝水與清潔劑的混合物，在工作之前首先由水泵將水箱內液體泵出，噴淋到玻璃表面，再由擦拭裝置進行擦洗作業，自動擦玻璃系統整體結構圖如圖1所示。

2系統關鍵模塊

2.1擦洗模塊

作為該系統的核心模塊，擦洗效果的優劣決定了整機的質量，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方式，首先對玻璃表面噴水，然后啟動擦拭電機進行擦拭作業，這一步驟的主要目的是將玻璃表面整體潤濕，初步清潔表面的浮塵和附著物等；再進行噴清潔液的操作，該步驟為主要擦拭環節，擦拭完畢后，結束該位置玻璃的清潔作業。同時，系統下部增加了擋水回收欄板，可回收大部分的液體，并可反復利用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，保證了工作質量，擦拭清潔度較高。

2.2擦拭臂模塊

采用雙步進電機與絲杠構成的二維平面擦洗結構能夠有效實現玻璃二維平面的清潔，兩條擦拭臂由滾珠絲杠構成，滾珠絲杠具有傳輸效率高、摩擦阻力小等優點，該結構還具有精度高的特性，能夠在較小位移下實現準確擦拭，提高了擦拭的靈活性。

2.3吸盤夾緊模塊

由于本系統為高空建筑物作業形式，因此，系統的整體固定吸附能力尤為重要，采用四吸盤方式進行固定，即在系統的四角布置四個帶有吸附功能的真空吸盤，作業前將吸盤固定到指定位置。2.4PAC運動控制模塊系統采用PAC1100控制器作為控制核心，具有功耗低、發熱量低、運算能力強等特點，利用PAC1100強大的快速編程能力實現擦拭路徑的軌跡規劃，能夠模擬人工擦拭手段進行擦拭，控制器連接示意圖如圖2所示。

2.5驅動電機模塊

選用電動機時應遵循兩個原則：一是高空環境特殊，安全第一；二是要求便于移動，能隨時改變位置到達下一準確位置。因此，選用57步進電機作為驅動電機，該系列電機具有噪音小、轉矩大以及運行平穩等諸多優點，運行發熱量較低，能夠快速響應指令運動，進行點、線位置移動。本文選擇使用BS57HB76-03型號電機，其保持轉矩為1.35N·m，長度為76mm，額定電流為3.0A，參數能夠保證擦玻璃系統的正常運行。

3程序示例

控制器工作在四種狀態之一，即：自動狀態、手動狀態、程序編輯狀態、參數設定狀態，因為控制器較少（降低輸入復雜度），所以大部分的按鍵采用復合按鍵方式，而且按鍵有長按和短按之分。控制器上電后，控制器處于手動狀態且坐標值自動清零，這時可以用手動方式進行電機運動的控制。以部分程序為例進行示例介紹，相關內容如表1所示。

4結束語

本文設計研制了一種高層建筑自動擦玻璃系統，能夠實現編程自動進行玻璃擦洗，并具有多種擦拭軌跡可調以及廢液回收等功能。在建筑物玻璃表面進行了初步試驗，實現了玻璃的清潔作業，清潔效果顯著。但是在試驗中發現，采用固定式清潔布摩擦力較大，系統需要克服較大阻力才能達到預期擦拭效果，受到步進電機的轉矩大小限制，清潔布的滑動摩擦力不能太大，否則會由于摩擦阻力過大而導致系統無法正常工作。接下來，團隊在后期將會針對清潔布的擦拭方式進行進一步研究，以期在降低擦拭摩擦力的同時還能提高擦拭效果，進而提高系統的實用性和可靠性。

參考文獻：

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[2]郭韶山，陳洋，張慎云，等.自動擦窗機器人系統設計[J].南通職業大學學報，2019，33(1)：69-75.

[3]劉凌，李江，曲紅杰.高樓自動擦玻璃裝置控制系統研究[J].機電一體化，2014，20(7)：41-43+50.

[4]劉晨，趙艷紅，張福來，等.一種攀壁式擦玻璃機器人的研究[J].南方農機，2019，50(2)：169+198.

[5]孫立新，徐良君，張明路，等.擦玻璃機器人負壓吸附特性研究[J].真空科學與技術學報，2017，37(4)：357-362.

[6]江莉麗，歐陽常童，左其波，等.壁虎擦玻璃機器人[J].電腦知識與技術，2018，14(33)：223-224.

作者：李潔 遲明路 呂廣靜 王志偉 劉松松 喬小喜 范雨軒 單位：河南工學院