智能立柱清洗装置的设计

王 威,万志远,蒋瑞奇,姚梦杰

(1.山东华宇工学院 机械工程学院,山东 德州 253034; 2.山东华宇工学院 信息工程学院,山东 德州 253034;3.山东外国语职业技术大学 信息工程学院,山东 日照 276800)

0 引言

整洁便利、温馨的居住环境是美好生活不可或缺的重要元素[1]。伴随人们生活水平的提升,环境美化[2]变得日益重要。而建筑物的立柱为建筑物的重要结构,清洗方式主要为人工擦拭或借助小工具手动擦拭,工作起来不仅费时费力且危险[3-4],故而设计一种先进的清洗装置意义非凡。

徐逢泽[5]等利用推力吸附法及仿生吸附法,令机器牢牢地贴合在桥柱表面,以滚刷为清洗装置的主体部分,高压清洗部分对一次清洗不干净的地方进行二次清洗。范艳霞[6]在一种液压支架立柱检修流水线装置的设计中,选用高温高压水清洗立柱,效果良好。Khairam H[7]等制造了一种自主爬杆机器人,在机器人顶部和底部有两个抓手,通过交替释放/抓握机制,沿杆子爬行清洗。

现有的技术方案是种爬升清洗机构,将攀爬与清洗技术相结合,来达到对立柱清洗[8]目的。部分场合利用纯机械结构实现直径杆攀爬对技术要求较高,利用气压爬行器进行攀爬还需气源与气压控制系统[9]或采用喷洗清洗流体方法,并通过喷洗高压流体来将污垢清除。而采用手持方式清除污垢,虽然可以灵活调整喷洗部位,但喷洗效果不稳定,人力成本较高,且这种人工方式及其他机械方式均存在喷洗清洗死角,难以清洗狭窄区域中建筑的立柱侧面。针对上述问题,设计了一款智能立柱清洗装置。

1 装置的设计

智能立柱清洗装置的研制包括底座设计、清洗装置设计及智能控制设计。底座分为两部分,其上表面的两侧均卡接螺纹管,在螺纹管顶部有进行螺纹连接的丝杆,丝杆顶端通过转轴活动连接连接件,连接件连接蓄水箱,连接方式为螺栓固定连接,在蓄水箱内底壁连接安装座,并将其固定连接,微型水泵的出水口连有导流管,进行固定连接。

设备通过底座上的微型电机、螺纹管、丝杆、蓄水箱、微型水泵、喷头与清洁布可更加快速有效地对立柱进行清洁,提高工作效率,相比于人工清洗及较为复杂的机器清洗具有明显优势。

图1为智能立柱清洗装置,包括底座、支持移动与清洗的装置及用于清洗立柱的智能控制单元,可控制装置行走并对立柱进行清洗。底座上表面接螺纹管,螺纹管的顶部连接丝杆,丝杆顶端连接连接件,连接件连接蓄水箱,安装座在蓄水箱的内底壁,安装座固定装有微型水泵,底座下表面连接万向轮,内部装有微型电机。

图1 结构示意图

用于支撑清洗装置的是螺纹管,其在水平方向呈环形阵列,分布安装在底座上,蓄水箱内弧面连接魔术贴,通过魔术贴粘连清洁布,蓄水箱连接进水管,令设备对立柱进行冲洗、擦拭,加快立柱的风干。

1.1 底座设计

底座分为两部分,其大部分相似。底座下表面均固定连接万向轮,6个万向轮均分两组,一部分底座有3个万向轮,用于底座的流畅移动及运行,令装置对立柱进行卡接过程中能够更好地对接。

上表面的两侧均卡接用于升降的螺纹管,顶部以螺纹连接的方式连接丝杆,丝杆顶端连接连接件,连接方式为转轴活动连接,连接件经过螺栓固定连接蓄水箱,在蓄水箱内底壁上固定连接安装座,安装座上固定安装微型水泵,微型水泵的出水口固定连接用于导流液体的导流管,导流管的输出端固定连接喷头,用于喷洒清洗液。

底座内部通过螺栓安装微型电机,其输出端与螺纹管底部固定连接,可方便地升降丝杆的位置,清洗不同高度的立柱。其中一个底座的一侧表面与蓄水箱的一侧表面均有固定卡块,另一个底座的一侧表面与蓄水箱的一侧表面均开设卡槽,卡槽与卡块相适配,对立柱的清洗无死角,保证了清洁力度,提高了清洁效率。

卡块上下表面的中部均固定连接复位弹簧,可在竖直方向做弹性运动,复位弹簧其中一端固定连接限位件,令两个底座对接更加稳定,避免在清洁过程中分离。

图2 底座设计图

1.2 清洗装置设计

清洗装置包括喷头、蓄水箱、清洁布。喷头的一端与蓄水箱的内弧面卡接,喷头密集分布于蓄水箱的内弧面,均匀等距地分布在蓄水箱上,使清洗液的喷洒更加均匀,令立柱清洁更加全面。

蓄水箱内弧面的顶部固定连接魔术贴,通过魔术贴粘连清洁布,使设备在对立柱进行冲洗完成后,可以更加快速地对立柱进行擦拭,令立柱快速风干,蓄水箱上表面的一侧固定连接进水管。

支撑清洗装置为螺纹管,共4个,两两一组,每组螺纹管分别对应1个底座,4个螺纹管在水平方向呈环形阵列分布。

图3 清洗装置设计图

1.3 智能控制设计

通过编程使立柱清洗装置工作过程中的对接、移动、清洗、分离达到预期效果。控制系统包括控制器及传感装置,传感装置连接控制器,收到控制器传递的信号后控制清洗装置及行走装置。智能立柱清洗装置的启动方式为开关,与控制器相连接,启动装置控制器控制行走装置行走至特定位置,对立柱进行夹持。通过传感装置的信号确定夹持立柱后,控制器发送清洗信号给清洗装置,清洗装置开始运行,直至得到控制器的停止信号。智能立柱清洗装置配有遥控器,可对该装置进行相应控制,方便操作,便于对立柱的清洗。

图4 控制流程图

1.4 应用效果

设备启动后,两个底座移动至立柱旁时,两个底座与立柱卡接,使卡块卡接在卡槽内部,此时复位弹簧复位,使限位件卡接在卡槽内部,启动微型电机,螺纹管旋转,令丝杆向上旋转,随后启动微型水泵,清洁液由喷头喷出,对立柱进行喷洗。通过启动微型电机,可使蓄水箱上下运动,并通过清洁布对喷洗过的立柱进行同步擦拭,有效保证了装置的工作效率。

1.5 元件选用种类及作用

水压控制器选用杭州丰控仪表有限公司FULLKON品牌FK-300-E型号的压力传感器/变送器。在500 ℃高温煅烧作用下,丝印玻璃胶微微融化时,两片高纯度硅应片同感受压力金属弹性体熔为一体,诞生出耐冲击、快响应、更灵巧的丰控玻璃微熔压力变送器FK-PF200,适用于水压、气压、油压等常温无频繁冲击场合。通过电磁兼容性、防静电、防浪涌脉冲性能测试,恒压供水可直接连接变频器。

表1 元件选用表

图5 水压控制器

魔术贴[10]选用深圳市卡优圣科技有限公司生产的11 cm宽3M强力背胶魔术贴,具有较强的黏合性及粘贴性,时间越长,黏性越好,毛面与勾面相互粘贴,黏合力强度好,可轻松更换拆卸。

图6 3M强力背胶魔术贴

控制器选用Arduino系类单片机中的Arduino Mega2560 R3控制器[11],Arduino Mega2560 R3采用USB接口的核心电路板,具有54路数字输入输出(14个可以作为PWM输出,16个模拟输入口,4个硬件串口),含有1个USB连接头、1个电源插孔、1个ICSP接口、1个复位按键等,支持主控器运行。相对于其他型号的Arduino控制器,Arduino mega2560 R3支持更大的运算存储空间,适用于智能立柱清洗机装置。

图7 控制器

2 结束语

设计了一种可以对立柱进行智能清洗的装置,包括底座、支持装置移动及清洗装置,用于清洗立柱的智能控制单元,可控制装置行走并对立柱进行清洗。通过底座上的微型电机、螺纹管、丝杆、蓄水箱、微型水泵、喷头与清洁布,运用魔术贴粘连清洁布进行立柱清洗。卡槽与卡块相适配,对立柱的清洗角度达到无死角状态,保证了清洁力度,提高了清洁效率,替代了人工清洗立柱,降低了成本,保障了作业人员的安全,达到美化环境的目的。