線桿小廣告清洗儀設(shè)計(jì)

韓天潮 鐘澤鑫 崔醒 劉偉民

摘要：線桿小廣告清洗儀主要針對(duì)街邊電線桿上的小廣告進(jìn)行清理。線桿小廣告清洗儀由夾緊機(jī)構(gòu)、上升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)等組成。清洗機(jī)構(gòu)由浮動(dòng)刷頭構(gòu)成，刷頭由桿組實(shí)現(xiàn)抬升，回轉(zhuǎn)與上升運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該清理儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作和攜帶，自動(dòng)化程度高，工作效率高，制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，能有效節(jié)省勞動(dòng)力，有較高實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：清洗儀；桿組；自動(dòng)化

一、背景

道路的兩邊都安裝有電線桿，電線桿上經(jīng)常被人貼上各種小廣告。這些廣告不僅影響市容，而且難以清理。目前去除廣告的方法主要是利用高壓水槍或是手工清洗，前者效率高但水資源浪費(fèi)嚴(yán)重且清洗后廣告碎屑隨隨流飛濺，難以收集，造成二次污染，后者效率低且清洗效果差，對(duì)人力和時(shí)間消耗較大。因此設(shè)計(jì)一種高效、節(jié)能的線桿廣告清理儀有現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)有的小廣告清洗儀主要有兩類：第一類主要是一種利用手持桿抬高刷頭位置將刷頭安置在手持桿末工作的清洗儀，這種清洗儀采用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刷頭進(jìn)行工作，在刷頭周圍布置噴水裝置，先對(duì)廣告紙濕潤之后再啟動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)刷頭進(jìn)行清洗工作[1]或利用改進(jìn)的噴刷傳動(dòng)軸[2]在噴水裝置的輔助下在噴水的同時(shí)清洗廣告兩種形式，這種清洗儀自動(dòng)化程度較差，需要人工手持清洗儀對(duì)廣告進(jìn)行清洗。第二類主要通過爬桿機(jī)構(gòu)[3]將刷頭運(yùn)送至需要高度再進(jìn)行清洗，這種清洗儀爬桿機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高。電線桿上廣告張貼高度一般較低，刷頭所要求高度范圍小，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種底座固定，通過桿組抬升實(shí)現(xiàn)刷頭上升，工作電機(jī)由單片機(jī)控制的廣告清洗儀，使其兼具廣告清理自動(dòng)化和成本控制的優(yōu)點(diǎn)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小廣告清理儀設(shè)計(jì)用于清理張貼在電線桿上的小廣告，廣告張貼高度一般在1m以上2.5m以下，清洗儀工作過程設(shè)計(jì)為：（1）將清洗儀固定安裝在電線桿上；（2）清洗機(jī)構(gòu)上升至需要清理高度；（3）清洗機(jī)構(gòu)開始工作實(shí)現(xiàn)電線桿全周向的清洗。

（一）整體設(shè)計(jì)方案

如圖1線桿小廣告清理儀主要由底座、升降桿組、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、浮動(dòng)刷頭、噴罐組成。

（二）清洗儀結(jié)構(gòu)

1.聯(lián)接及固定結(jié)構(gòu)

如圖2底座由前后兩部分組成，一側(cè)通過鉸鏈連接，另一側(cè)通過具有鋸齒形板的旋鈕聯(lián)接，旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，鋸齒形板與底座前瓣的齒形分離，底座前瓣可與底座后瓣分離，旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，鋸齒形板與底座前瓣的齒形結(jié)合，齒形傾斜保證結(jié)合不松脫，此結(jié)構(gòu)使得底座固定時(shí)抱緊線桿。升降桿組底端聯(lián)接在底座兩側(cè)，桿組通過鉸接相連，桿組中間安裝滾子與導(dǎo)軌相連，桿組頂端一側(cè)安裝滾子在旋轉(zhuǎn)臺(tái)底部滑槽中滑動(dòng)，另一側(cè)鉸接于滑槽末端。

如圖3，刷頭后部由彈簧和底部燕尾槽與旋轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)連接，既能保證旋轉(zhuǎn)臺(tái)上升過程中與電線桿的相對(duì)位置，減小桿組變形提高使用壽命，又能保證清洗過程中刷頭對(duì)電線桿的夾緊。

2.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

本方案設(shè)計(jì)的清洗儀傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)桿旋轉(zhuǎn)臺(tái)的上升，回轉(zhuǎn)以及刷頭旋轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)類型均為電機(jī)齒輪減速傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖4。

上升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)齒輪，通過末端連桿上部分內(nèi)齒減速；回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上半部分的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)齒輪，通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)下半部分上部分內(nèi)齒輪減速；刷頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為普通直流電機(jī)單機(jī)齒輪減速。

3.主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

電線桿直徑一般為200mm，底座閉合后內(nèi)徑為220mm，底座兩側(cè)內(nèi)壁各粘貼12mm厚軟膠墊，電線桿與底座之間間隙通過軟膠墊和底座連接處鋸齒補(bǔ)償。桿組末端桿長(zhǎng)160mm，其余桿長(zhǎng)320mm，噴刷中心上升運(yùn)動(dòng)離地最大高度為2500mm，最小高度為950mm，能滿足一般小廣告張貼高度要求。旋轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)范圍為45°至45°，刷頭有效長(zhǎng)度為220mm，采用弧面結(jié)構(gòu)，通過回轉(zhuǎn)能實(shí)現(xiàn)線桿全周向清潔。

電機(jī)及齒輪參數(shù)如下表：

4.控制設(shè)計(jì)

上述電機(jī)由三塊SST89C52的單片機(jī)控制，第一塊安裝在底座側(cè)面，編號(hào)為1，控制實(shí)現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)；第二塊安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，編號(hào)為2，控制實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)和實(shí)現(xiàn)刷頭旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)；第三塊安裝在外接無刷水泵旁，編號(hào)為3，控制驅(qū)動(dòng)水泵的直流電機(jī)。三塊單片機(jī)由同一紅外遙控器，通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外遙控器的解碼[4]以及對(duì)三塊單片機(jī)的單獨(dú)控制。

工作過程：（1）通過遙控器控制上升步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)使回轉(zhuǎn)臺(tái)到達(dá)指定高度。（2）單片機(jī)自動(dòng)運(yùn)行：a.回轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)α。b.水泵電機(jī)啟動(dòng)同時(shí)回轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)β后兩電機(jī)停止，對(duì)廣告進(jìn)行濕潤；刷頭電機(jī)啟動(dòng)回轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)β再反轉(zhuǎn)β后兩電機(jī)停止；上升步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)γ后停止。c.第2步進(jìn)行n個(gè)周期回轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)α，回轉(zhuǎn)臺(tái)回到初始位置。（3）通過遙控器控制上升步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)使回轉(zhuǎn)臺(tái)下降。

運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)計(jì)算：以高度為300mm的廣告，刷頭壓緊接觸高度為10mm計(jì)算。旋轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)45度，回轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)α=45×9610=432°，β=2×α=864°；第2步每個(gè)周期上升步進(jìn)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度γ近似為2m時(shí)下降10mm上升步進(jìn)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度，經(jīng)solidworks仿真，γ=（37.8635.38）×2010=4.96°；第2步進(jìn)行周期n=30010=30。

單片機(jī)接收到遙控器發(fā)出的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，單片機(jī)1通過對(duì)相應(yīng)的輸出端口輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)上升電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)升降桿組向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)單片機(jī)1和單片機(jī)2啟動(dòng)定時(shí)器0以工作方式1開始計(jì)時(shí)，其中，兩單片機(jī)使用的晶振的頻率為12MHz，故其最小定時(shí)時(shí)間Tmin和最大定時(shí)時(shí)間Tmax為：

Tmin=[216-（216-1）]×112×10-6×12=1μsTmax=[216-0]×112×10-6×12=65536μs≈66ms

設(shè)定兩定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為50ms，故單片機(jī)定時(shí)器填充的初值X 為：

X=216-50×10-3×112×106×12=15536

將X轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制即X=3CB0分兩段分別存入TH0和TL0。書寫程序并結(jié)合定時(shí)器中斷設(shè)置時(shí)間T，使得單片機(jī)1從啟動(dòng)開始經(jīng)過時(shí)n×T=30T后改變上升電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，即控制升降桿組向下運(yùn)動(dòng)；單片機(jī)2從啟動(dòng)開始經(jīng)過時(shí)間α÷8×T=54T后啟動(dòng)回轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)β÷8×T=108T后反轉(zhuǎn)，同時(shí)水泵電機(jī)啟動(dòng)，經(jīng)108T后回轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)水泵電機(jī)停止，回轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)54T后回到原點(diǎn)，刷頭電機(jī)啟動(dòng)與回轉(zhuǎn)電機(jī)正轉(zhuǎn)54T后反轉(zhuǎn)108T，如此往復(fù)運(yùn)行，直到接受到停止信號(hào)，升降臺(tái)復(fù)位，工作結(jié)束。

兩四相步進(jìn)電機(jī)均采用單雙八拍方式驅(qū)動(dòng)，[6]具有穩(wěn)定性好，不容易發(fā)送失步等優(yōu)點(diǎn)。

三、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的線桿小廣告清理儀較現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案主要有以下特點(diǎn)：采用底座固定桿組抬升機(jī)構(gòu)較通過爬桿運(yùn)送實(shí)現(xiàn)刷頭的上升能耗更低；以外接水泵方式供水較固定噴水結(jié)構(gòu)更便于改變噴水量，節(jié)約水資源；噴刷設(shè)計(jì)成弧面結(jié)構(gòu)與浮動(dòng)刷頭結(jié)構(gòu)結(jié)合增大刷頭與線桿接觸面積，提高工作效率；分塊控制的單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)便于維修與更換。

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[5]李俊.無師自通51單片機(jī)[M].北京：北京航空航天出版社，2014.3.

[6]潘再平.電機(jī)學(xué)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2008.8.

作者簡(jiǎn)介：韓天潮（1998），男，漢族，江蘇無錫人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。