线杆小广告清洗仪设计

韩天潮 钟泽鑫 崔醒 刘伟民

摘要：线杆小广告清洗仪主要针对街边电线杆上的小广告进行清理。线杆小广告清洗仪由夹紧机构、上升机构、回转机构、清洗机构等组成。清洗机构由浮动刷头构成，刷头由杆组实现抬升，回转与上升运动由步进电机实现，电机由单片机实现自动控制。该清理仪具有结构简单，便于操作和携带，自动化程度高，工作效率高，制造成本低的优点，能有效节省劳动力，有较高实用价值。

关键词：清洗仪；杆组；自动化

一、背景

道路的两边都安装有电线杆，电线杆上经常被人贴上各种小广告。这些广告不仅影响市容，而且难以清理。目前去除广告的方法主要是利用高压水枪或是手工清洗，前者效率高但水资源浪费严重且清洗后广告碎屑随随流飞溅，难以收集，造成二次污染，后者效率低且清洗效果差，对人力和时间消耗较大。因此设计一种高效、节能的线杆广告清理仪有现实意义。

现有的小广告清洗仪主要有两类：第一类主要是一种利用手持杆抬高刷头位置将刷头安置在手持杆末工作的清洗仪，这种清洗仪采用直流电动机带动刷头进行工作，在刷头周围布置喷水装置，先对广告纸湿润之后再启动直流电机带动刷头进行清洗工作[1]或利用改进的喷刷传动轴[2]在喷水装置的辅助下在喷水的同时清洗广告两种形式，这种清洗仪自动化程度较差，需要人工手持清洗仪对广告进行清洗。第二类主要通过爬杆机构[3]将刷头运送至需要高度再进行清洗，这种清洗仪爬杆机构复杂，成本高。电线杆上广告张贴高度一般较低，刷头所要求高度范围小，现设计一种底座固定，通过杆组抬升实现刷头上升，工作电机由单片机控制的广告清洗仪，使其兼具广告清理自动化和成本控制的优点。

二、系统设计

小广告清理仪设计用于清理张贴在电线杆上的小广告，广告张贴高度一般在1m以上2.5m以下，清洗仪工作过程设计为：（1）将清洗仪固定安装在电线杆上；（2）清洗机构上升至需要清理高度；（3）清洗机构开始工作实现电线杆全周向的清洗。

（一）整体设计方案

如图1线杆小广告清理仪主要由底座、升降杆组、旋转台、浮动刷头、喷罐组成。

（二）清洗仪结构

1.联接及固定结构

如图2底座由前后两部分组成，一侧通过铰链连接，另一侧通过具有锯齿形板的旋钮联接，旋钮逆时针旋转，锯齿形板与底座前瓣的齿形分离，底座前瓣可与底座后瓣分离，旋钮顺时针旋转，锯齿形板与底座前瓣的齿形结合，齿形倾斜保证结合不松脱，此结构使得底座固定时抱紧线杆。升降杆组底端联接在底座两侧，杆组通过铰接相连，杆组中间安装滚子与导轨相连，杆组顶端一侧安装滚子在旋转台底部滑槽中滑动，另一侧铰接于滑槽末端。

如图3，刷头后部由弹簧和底部燕尾槽与旋转台实现浮动连接，既能保证旋转台上升过程中与电线杆的相对位置，减小杆组变形提高使用寿命，又能保证清洗过程中刷头对电线杆的夹紧。

2.传动结构

本方案设计的清洗仪传动结构主要实现杆旋转台的上升，回转以及刷头旋转三种运动，传动类型均为电机齿轮减速传动，结构如图4。

上升传动机构为步进电机带动电机齿轮，通过末端连杆上部分内齿减速；回转传动机构为安装在旋转台上半部分的步进电机带动电机齿轮，通过旋转台下半部分上部分内齿轮减速；刷头传动机构为普通直流电机单机齿轮减速。

3.主要结构参数

电线杆直径一般为200mm，底座闭合后内径为220mm，底座两侧内壁各粘贴12mm厚软胶垫，电线杆与底座之间间隙通过软胶垫和底座连接处锯齿补偿。杆组末端杆长160mm，其余杆长320mm，喷刷中心上升运动离地最大高度为2500mm，最小高度为950mm，能满足一般小广告张贴高度要求。旋转台回转范围为45°至45°，刷头有效长度为220mm，采用弧面结构，通过回转能实现线杆全周向清洁。

电机及齿轮参数如下表：

4.控制設计

上述电机由三块SST89C52的单片机控制，第一块安装在底座侧面，编号为1，控制实现上升运动的步进电机；第二块安装在旋转台上，编号为2，控制实现回转运动的步进电机和实现刷头旋转的直流电机；第三块安装在外接无刷水泵旁，编号为3，控制驱动水泵的直流电机。三块单片机由同一红外遥控器，通过编程实现对红外遥控器的解码[4]以及对三块单片机的单独控制。

工作过程：（1）通过遥控器控制上升步进电机正转使回转台到达指定高度。（2）单片机自动运行：a.回转步进电机正转α。b.水泵电机启动同时回转电机反转β后两电机停止，对广告进行湿润；刷头电机启动回转电机正转β再反转β后两电机停止；上升步进电机反转γ后停止。c.第2步进行n个周期回转步进电机反转α，回转台回到初始位置。（3）通过遥控器控制上升步进电机反转使回转台下降。

运转参数计算：以高度为300mm的广告，刷头压紧接触高度为10mm计算。旋转台回转45度，回转步进电机旋转α=45×9610=432°，β=2×α=864°；第2步每个周期上升步进电机回转角度γ近似为2m时下降10mm上升步进电机回转角度，经solidworks仿真，γ=（37.8635.38）×2010=4.96°；第2步进行周期n=30010=30。

单片机接收到遥控器发出的启动信号时，单片机1通过对相应的输出端口输出控制信号实现上升电机以一定的转速带动升降杆组向上运动，同时单片机1和单片机2启动定时器0以工作方式1开始计时，其中，两单片机使用的晶振的频率为12MHz，故其最小定时时间Tmin和最大定时时间Tmax为：

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

设定两定时器的定时时间为50ms，故单片机定时器填充的初值X 为：

X=216-50×10-3×112×106×12=15536

将X转换为16进制即X=3CB0分两段分别存入TH0和TL0。书写程序并结合定时器中断设置时间T，使得单片机1从启动开始经过时n×T=30T后改变上升电机的旋转方向，即控制升降杆组向下运动；单片机2从启动开始经过时间α÷8×T=54T后启动回转电机正转β÷8×T=108T后反转，同时水泵电机启动，经108T后回转电机正转水泵电机停止，回转电机反转54T后回到原点，刷头电机启动与回转电机正转54T后反转108T，如此往复运行，直到接受到停止信号，升降台复位，工作结束。

两四相步进电机均采用单双八拍方式驱动，[6]具有稳定性好，不容易发送失步等优点。

三、结语

本文设计的线杆小广告清理仪较现有设计方案主要有以下特点：采用底座固定杆组抬升机构较通过爬杆运送实现刷头的上升能耗更低；以外接水泵方式供水较固定喷水结构更便于改变喷水量，节约水资源；喷刷设计成弧面结构与浮动刷头结构结合增大刷头与线杆接触面积，提高工作效率；分块控制的单片机控制结构便于维修与更换。

参考文献：

[1]孙晓雪.小广告清洗机的研究[J].科技风，2017（15）：1112.

[2]蒋云峰，赵玉山，肖秋硕，闫语，王志豪，孙晓雪.小广告清洗机传动轴和轴套的设计[J].科技风，2017（13）：170171.

[3]王振秋，薛建琪，张宇崴，狄海廷.新型爬杆清洁机器人的设计与仿真[J].科技创新与应用，2017（19）：1516.

[4]李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础[M].北京：北京航空航天出版社，2007.6.

[5]李俊.无师自通51单片机[M].北京：北京航空航天出版社，2014.3.

[6]潘再平.电机学[M].杭州：浙江大学出版社，2008.8.

作者简介：韩天潮（1998），男，汉族，江苏无锡人，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。