杨海龙YANG Hai-long；王诗文WANG Shi-wen；季子夫JI Zi-fu；王铁男WANG Tie-nan；宋凯SONG Kai

（黑龙江工程学院，哈尔滨 150050）

（Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China）

0 引言

随着人民生活水平的不断提高，人们对生活环境提出了更高的要求。在建筑业，由于玻璃的采光性好、保温防潮性能好，彩色玻璃实用美观，高层建筑越来越多地采用玻璃窗的结构。但是，由于随着时间的推移，雨雪天气以及空气中的灰尘，就会逐渐的蒙上一层厚厚的城市灰尘，使得这些建筑黯然失色，这样就需要对玻璃窗进行清洗。目前对高层建筑上玻璃的清洗工作主要是由人工完成的。高空擦洗，稍有不慎就会出现事故，造成伤亡。因此人们迫切希望能有一种清洗机器来代替人工作业。这种清洗机器的使用将大大降低高层建筑的清洗成本，提高劳动生产率。所要设计的高层户外玻璃自动清洁器，要求既要做到简单实用，又要价格便宜。这样经济实惠的擦玻璃机器人想法就悠然诞生了。

1 产品类别的介绍

1.1 双面玻璃擦 ①一面擦，两面净；②站在屋里擦窗外玻璃，安全，方便，又省力；③本产品通过磁力相吸的原理，内动外应，从而达到一次操作，玻璃两面干净的效果；④同时解决了人们住楼房不便到窗外擦玻璃，极其安全。

1.2 机械臂式玻璃擦 一种手撑式电动多功能玻璃清洁器由刷头装置、撑杆装置、电动装置和喷雾装置四部分构成。功能：解决人们在高楼室内清洁窗及玻璃窗外侧面玻璃的难题。撑杆上还装有手压泵，通过软管可将清洗液送至刷头喷出，擦头罩壳内壁上有凸棱曲线，具有收集污液的功能、可避免污染周围环境。

1.3 撑杆式玻璃擦 玻璃擦头固定在一根长的不锈钢管上，一侧是擦玻璃的海绵体，另一侧是清除玻璃上污水的刮擦。

2 主要目标

根据所调查的资料显示，不管是擦玻璃器还是擦玻璃机器人的开发比较完备，无论在功能上，还是材料上，因此这次“自动擦玻璃器的设计与制作”设计主要希望实现两个目标：①功能完备化。②降低高空擦玻璃机器人的成本。

3 设计方法

具体的设计方式我们采用以下几点顺序原则：①资料的查询，在图书馆查阅工具书，电子阅览室查询论文期刊等资料，了解自动擦玻璃机的发展趋势及状况。②初步构建自己的自动擦玻璃机的图形，绘制CAD 图形，了解各部分的构造。③根据图纸设计各部分的具体参数，选用电动机、伸缩杆导轨滑块，设计底盘等部分的参数。④根据所选的参数购买和加工。⑤组装及验证其功能的可行性，修改最后完成设计。

4 设计方案

4.1 运动方式的设计 支撑机构是玻璃擦设计中的最重要的结构，它对玻璃擦头的运动以及整个机构的安装位置的确定有着很大的影响，这个机构也是设计的一个重点。

蜗轮蜗杆传动，此种设计方案采用蜗轮蜗杆作为传动装置，传递电动机的动力，带动滑块在导轨上上下运动，完成玻璃擦的上下擦玻璃的任务。擦玻璃的范围由蜗轮的直径决定，擦玻璃的高度有伸缩杆的长度来决定，可以达到很高的地方，如图1 所示。

但是此种设计方案在擦拭范围上存在很大的局限性，由于擦玻璃器主要面向家庭公寓使用，玻璃的尺寸大约为1500*1500mm，因此要求蜗轮的直径必须大于1000mm，这使得设计非常不现实，工作空间限制及其本身重量的限制使得本方案很难实际应用。

4.2 擦头组件的设计 由于两个玻璃擦头是用磁铁之间的吸引力，使其吸附在玻璃表面上，因此擦头的设计考虑的重点就是要轻便。玻璃擦头设计成一个盒子状，里面装有磁铁，清洗液存储空间等。在盒子的表面贴有擦玻璃布，刮水板。制作这样一个盒子，首先需要制作模具，然后才能做出塑料的玻璃擦头来[6]。但是模具制作相当的昂贵，对于实验阶段来说没有必要使用这种方法进行制作。对方案进行修改，把结构进行简化，只保留最基本的构件，实现设计要求。另外还需要考虑的问题：①磁铁位置的确定；②玻璃擦头的连接。

图1

4.3 底盘的设计 底盘由小轮、驱动电机组成，需要承受整个机构的重量，保证其重心的稳定，使机构在运行过程中不至于倾倒。

底盘采用600*400*25mm 的木板作为承重板，综合考虑电动机、曲柄滑块机构、导轨、玻璃擦等的重量大约为5KG，木板强度足够满足需求。木板下边在距离每个角90*50mm 的位置安装小轮，高度大于为70mm，在满足要求的基础上尽量降低重心。小轮与固定在底盘的小电机相连，实现随着擦玻璃的进行，小车实现自动运动。小电动机配备有时间继电器，能够实现间歇式的运动，配合玻璃擦的上下运动，完成擦玻璃的任务。在底盘的上面一个长边250*50mm 的位置安装一个100*100*5mm 的铝合金薄板，作为导轨安装的界面，保持导轨的稳定性。

5 零件的设计制造

5.1 连接杆的设计制造 ①连杆材料的选择。连接杆与曲柄、导轨相连，起到传递动力的作用。同曲柄一样，连接杆材料也选定为铝合金，因为铝合金质量轻，强度大且容易加工。②连杆的制造。连接杆是选用直径为22mm 的铝合金棒料通过数控铣床加工而成。经过几道工序加工之后，停车，取出曲柄，用锉把曲柄上的毛刺，锐边去除。第二部是钻孔，在钻床上夹紧，使用直径为6mm 的钻刀，在曲柄的10mm 处钻孔。每隔30mm 钻一个孔，一共钻出3 个孔，然后在连接杆的另一端的10mm 处钻孔。用锉把曲柄上的毛刺，锐边去除。连接杆加工就完成了，如图2 所示。

5.2 滑块的设计制造 螺钉的底座的厚度为3mm，用磨床把厚度磨为1mm。根据导轨的形状，选取滑块为螺钉，这样螺钉能够在导轨的凹槽里滑动，如图3 所示。

5.3 底盘的设计制造 擦玻璃器的所有零件都要固定在底盘上，底盘的底部还要安装上定向轮，所以底盘既要易于加工又需要质量轻便。底盘选取为600*400 的木板，质量轻且易于加工，在底盘上用电钻钻出16 个直径为6mm 的孔，能让4 个小轮安装在底盘上。

[1]王炎.爬壁机器人的发展现状与应用前景[N].计算机世界报,2010，27.

[2]王园宇，武利生，李元宗.壁面清洗机器人发展趋势浅析[J].引进与咨询,2009，4.

[3]谢宇，曹彤，焦晓凯.多吸盘式擦窗机器人吸附系统研究[J].液压与气动,2007.

[4]秦卓.玻璃自动清洁器[P].中国，实用新型，专利号95204302.5，2009.7.19.

[5]黄建余.高楼擦窗机[P].中国，实用新型，专利号88213921.5，2010.8.29.

[6]张厚祥,宗光华.全气动擦窗机器人的实现[J].期液压与气动,2011,11.