智能立柱清洗裝置的設計

王 威,萬志遠,蔣瑞奇,姚夢杰

(1.山東華宇工學院 機械工程學院,山東 德州 253034; 2.山東華宇工學院 信息工程學院,山東 德州 253034;3.山東外國語職業技術大學 信息工程學院,山東 日照 276800)

0 引言

整潔便利、溫馨的居住環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構,清洗方式主要為人工擦拭或借助小工具手動擦拭,工作起來不僅費時費力且危險[3-4],故而設計一種先進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,高壓清洗部分對一次清洗不干凈的地方進行二次清洗。范艷霞[6]在一種液壓支架立柱檢修流水線裝置的設計中,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器人,在機器人頂部和底部有兩個抓手,通過交替釋放/抓握機制,沿桿子爬行清洗。

現有的技術方案是種爬升清洗機構,將攀爬與清洗技術相結合,來達到對立柱清洗[8]目的。部分場合利用純機械結構實現直徑桿攀爬對技術要求較高,利用氣壓爬行器進行攀爬還需氣源與氣壓控制系統[9]或采用噴洗清洗流體方法,并通過噴洗高壓流體來將污垢清除。而采用手持方式清除污垢,雖然可以靈活調整噴洗部位,但噴洗效果不穩定,人力成本較高,且這種人工方式及其他機械方式均存在噴洗清洗死角,難以清洗狹窄區域中建筑的立柱側面。針對上述問題,設計了一款智能立柱清洗裝置。

1 裝置的設計

智能立柱清洗裝置的研制包括底座設計、清洗裝置設計及智能控制設計。底座分為兩部分,其上表面的兩側均卡接螺紋管,在螺紋管頂部有進行螺紋連接的絲桿,絲桿頂端通過轉軸活動連接連接件,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流管,進行固定連接。

設備通過底座上的微型電機、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立柱進行清潔,提高工作效率,相比于人工清洗及較為復雜的機器清洗具有明顯優勢。

圖1為智能立柱清洗裝置,包括底座、支持移動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立柱進行清洗。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底壁,安裝座固定裝有微型水泵,底座下表面連接萬向輪,內部裝有微型電機。

圖1 結構示意圖

用于支撐清洗裝置的是螺紋管,其在水平方向呈環形陣列,分布安裝在底座上,蓄水箱內弧面連接魔術貼,通過魔術貼粘連清潔布,蓄水箱連接進水管,令設備對立柱進行沖洗、擦拭,加快立柱的風干。

1.1 底座設計

底座分為兩部分,其大部分相似。底座下表面均固定連接萬向輪,6個萬向輪均分兩組,一部分底座有3個萬向輪,用于底座的流暢移動及運行,令裝置對立柱進行卡接過程中能夠更好地對接。

上表面的兩側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,連接方式為轉軸活動連接,連接件經過螺栓固定連接蓄水箱,在蓄水箱內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流液體的導流管,導流管的輸出端固定連接噴頭,用于噴灑清洗液。

底座內部通過螺栓安裝微型電機,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。其中一個底座的一側表面與蓄水箱的一側表面均有固定卡塊,另一個底座的一側表面與蓄水箱的一側表面均開設卡槽,卡槽與卡塊相適配,對立柱的清洗無死角,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位彈簧,可在豎直方向做彈性運動,復位彈簧其中一端固定連接限位件,令兩個底座對接更加穩定,避免在清潔過程中分離。

圖2 底座設計圖

1.2 清洗裝置設計

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弧面卡接,噴頭密集分布于蓄水箱的內弧面,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。

蓄水箱內弧面的頂部固定連接魔術貼,通過魔術貼粘連清潔布,使設備在對立柱進行沖洗完成后,可以更加快速地對立柱進行擦拭,令立柱快速風干,蓄水箱上表面的一側固定連接進水管。

支撐清洗裝置為螺紋管,共4個,兩兩一組,每組螺紋管分別對應1個底座,4個螺紋管在水平方向呈環形陣列分布。

圖3 清洗裝置設計圖

1.3 智能控制設計

通過編程使立柱清洗裝置工作過程中的對接、移動、清洗、分離達到預期效果。控制系統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后控制清洗裝置及行走裝置。智能立柱清洗裝置的啟動方式為開關,與控制器相連接,啟動裝置控制器控制行走裝置行走至特定位置,對立柱進行夾持。通過傳感裝置的信號確定夾持立柱后,控制器發送清洗信號給清洗裝置,清洗裝置開始運行,直至得到控制器的停止信號。智能立柱清洗裝置配有遙控器,可對該裝置進行相應控制,方便操作,便于對立柱的清洗。

圖4 控制流程圖

1.4 應用效果

設備啟動后,兩個底座移動至立柱旁時,兩個底座與立柱卡接,使卡塊卡接在卡槽內部,此時復位彈簧復位,使限位件卡接在卡槽內部,啟動微型電機,螺紋管旋轉,令絲桿向上旋轉,隨后啟動微型水泵,清潔液由噴頭噴出,對立柱進行噴洗。通過啟動微型電機,可使蓄水箱上下運動,并通過清潔布對噴洗過的立柱進行同步擦拭,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,兩片高純度硅應片同感受壓力金屬彈性體熔為一體,誕生出耐沖擊、快響應、更靈巧的豐控玻璃微熔壓力變送器FK-PF200,適用于水壓、氣壓、油壓等常溫無頻繁沖擊場合。通過電磁兼容性、防靜電、防浪涌脈沖性能測試,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

魔術貼[10]選用深圳市卡優圣科技有限公司生產的11 cm寬3M強力背膠魔術貼,具有較強的黏合性及粘貼性,時間越長,黏性越好,毛面與勾面相互粘貼,黏合力強度好,可輕松更換拆卸。

圖6 3M強力背膠魔術貼

控制器選用Arduino系類單片機中的Arduino Mega2560 R3控制器[11],Arduino Mega2560 R3采用USB接口的核心電路板,具有54路數字輸入輸出(14個可以作為PWM輸出,16個模擬輸入口,4個硬件串口),含有1個USB連接頭、1個電源插孔、1個ICSP接口、1個復位按鍵等,支持主控器運行。相對于其他型號的Arduino控制器,Arduino mega2560 R3支持更大的運算存儲空間,適用于智能立柱清洗機裝置。

圖7 控制器

2 結束語

設計了一種可以對立柱進行智能清洗的裝置,包括底座、支持裝置移動及清洗裝置,用于清洗立柱的智能控制單元,可控制裝置行走并對立柱進行清洗。通過底座上的微型電機、螺紋管、絲桿、蓄水箱、微型水泵、噴頭與清潔布,運用魔術貼粘連清潔布進行立柱清洗。卡槽與卡塊相適配,對立柱的清洗角度達到無死角狀態,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,保障了作業人員的安全,達到美化環境的目的。