CN102657492A - 一种自动化玻璃擦洗器 - Google Patents

Abstract

申请的发明涉及一种自动化玻璃擦洗器的研究与设计，属于环保型玻璃擦洗器装置。通过改变传统的清洗方式，实现了工作自动化，降低人工劳动的强度和高空劳动的危险程度。该设备采用框架导轨式结构，框架可以进行拼接，以适应不同面积的玻璃。框架周边装有气动强力吸盘对框架进行固定，框架中间有可旋转擦洗机构。自上而下有水雾喷嘴、旋转式的毛刷及橡胶刮条，喷嘴用于喷出雾化的洗涤液，毛刷起强力清洁作用，毛刷下方的橡胶刮板紧贴玻璃，用于刮去玻璃上的洗涤液。该机构可在框架内有规律的往复运动，反复擦洗。整个过程根据智能接口板内所设定的程序控制，实现了无人控制，且自动化程度较高。

Description

一种自动化玻璃擦洗器

一、所属技术领域

本发明专利涉及一种自动化玻璃擦洗器的研究与设计，属于环保型玻璃擦洗器装置。

二、技术背景

随着社会的发展，时代的进步，现代装饰对玻璃幕墙及大面积玻璃门的采用频率越来越高。玻璃窗(玻璃幕墙)是建筑物中最需经常保洁的部位，但高层及无法全部打开的玻璃窗的清洁却是最令人棘手的难题。工业现代化加重了大气的污染，尤其是在大都市中，汽车尾气和工业废气的超标排放，使空气中的二氧化碳和二氧化硫增多，一般称为城市酸雨，在建筑物外表造成强烈的局部侵蚀，展现在你面前的建筑物锈迹斑斑。建筑物外墙上所粘附的污垢，一般情况下与建筑物表面的结合很牢固，因为结合不牢的污垢已经被风雨冲刷下去了，剩下的污垢可以大致分为如下几类：

·以库仑力与墙壁结合的灰尘；

·靠有机物粘附在墙壁上的灰尘、纸屑树叶和其他固体污垢；

·以高速飞行后碰撞到墙壁上，死后又粘附在墙壁上的昆虫、小鸟残骸；

·大气污染，在外墙表面形成的锈斑；含有机物和无机盐的雨水冲刷后留下的水纹；

·从屋顶留下的雨水夹带的污垢；

频繁的沙尘暴及浮尘天气使这一问题更加突出，严重影响了玻璃的透光性及美观。只有及时做好清洗工作才能避免或减少外墙表面损坏，因此需要定时对其进行清洁。

高层建筑外墙清洁必须根据墙面材料的性质、污垢灰尘的附着情况来确定清洗剂的品种及用量。玻璃和铝型板得用中性清洗剂，瓷砖和马赛克的清洗剂需弱碱性，酸性洗涤剂主要用来对付沥青污垢和局部锈斑。

自动化玻璃擦洗器主体采用铝合金框架结构，辅助运用中空杆件和薄壁板材，同时设计出与自动化玻璃擦洗器相适应的真空吸附系统和控制系统，使得自动化玻璃擦洗器从减轻质量上得以突破，实现了自动化玻璃擦洗器的整体结构简单化，安装方便化；系统稳定性、安全性高；设计人性化、自动化与智能化程度高，有效的节约了人力、物力，同时也在节能、节水方面有显著的效果。

三、发明内容

1、总体概述

本发明擦洗器结构主要包括工作框架机构、伸缩框架机构、吸附机构。其实物模型根据德国慧鱼fischertechnik进行创意组合。

工作框架机构是擦洗器的主体部分，同时也是其他机构的安装基体。工作框架机构主体采用铝合金杆件制作，在框架下边内侧装有与框架边长等长的齿条(与清洗机构中横向行走驱动机构中的齿轮啮合)；框架上边内侧装有与框架边长等长的滑槽，对清洗机构的横向平移起到导向作用。

伸缩框架机构包括横向伸缩框架和纵向伸缩框架，工作原理完全一致。伸缩框架通过导向槽与工作框架机构联结，伸缩过程采用齿轮齿条机构进行驱动。

吸附机构主要完成吸盘的伸缩运动，通过平面连杆机构实现吸盘的伸缩。气缸的往复运动，驱动平面连杆机构运动实现吸盘的伸、缩；配合真空气动回路的工作完成吸盘的吸附(吸盘伸出时)与松开(吸盘缩回时)。

为了实现大型玻璃的清洗，该设备采用框架导轨式结构，框架可以进行拼接，以适应不同面积的玻璃。框架周边装有气动强力吸盘对框架进行固定，框架中间有可旋转擦洗机构。自上而下有水雾喷嘴、旋转式的毛刷及橡胶刮条，喷嘴用于喷出雾化的洗涤液，毛刷起强力清洁作用，毛刷下方的橡胶刮板紧贴玻璃，用于刮去玻璃上的洗涤液。该机构可在框架内有规律的往复运动，反复擦洗。整个过程实现了无人控制，且自动化程度较高。

对于小面积玻璃，可直接根据其大小组装框架，而对于位置比较高、面积较大的玻璃幕墙等，可使用框架上的伸缩机构进行多次行走擦洗。在伸缩机构上装有足够的吸盘，通过伸缩机构与主体框架的交替吸附，可以实现主体框架的水平移动及垂直移动。在框架移动的过程中，擦洗设备处于停机状态，当移动到位之后，擦洗机构再次开始工作。在框架周边设有传感器，能自动检测是否行进至玻璃边缘。

2、核心结构分析

2.1擦洗机构

擦洗机构由毛刷盘、电机、雾化喷水系统、废水回收槽等四部分组成。

2.1.1毛刷盘系统

毛刷盘分前、后两个盘，后盘(也可设计成支架)固定于升降机构上。前盘边缘为齿轮状结构，上面承载有清洁液雾化喷头、旋转清洁毛刷及橡胶刮板，三个装置自上而下顺序排列。当清洗机从初始位置开始工作时，喷嘴、毛刷、刮板自上而下依次排列。擦洗器运行至主体框架顶端时，转盘在旋转电机作用下逆时针旋转180度，返回至底部时再顺时针旋转180度。此过程由行程开关控制，定位准确。齿盘的设计具有传动效率较高，传动比稳定等特点。转盘垂直于喷头、毛刷一线的直径两端设置有打杆，固定板上装有行程开关，当打杆触动行程开关时，转盘旋转电机即时停止工作。由此可实现准确的定位，和顺序清洁调整动作的快速完成。

2.1.2雾化喷水系统

该机构含有两个水箱，一个装有清洁液，另一个为清水，工作时置于幕墙顶端安全位置。两个水箱通过水泵、水管与雾化喷嘴连接，当设备第一次进行清洁时，喷头喷出雾状清洁液；擦洗器完成一个单位面积的擦洗，返回初始位置并进行第二次擦洗时，喷头换喷清水进行清洗。雾化喷水器既可以很好的达到湿润并清洁玻璃的目的，同时也节约了大量的清洁液和清水。喷头的安装采用螺栓联接方式固定于转盘上。

2.1.3废水回收槽

废水回收槽为一半圆形薄壁槽，与玻璃贴合一边设置刮板；刮板采用天然橡胶制成，其具有耐热、耐寒、耐酸碱、抗腐蚀等特性，能很好的贴合玻璃，减轻马达负担，降低噪音，拨水性强，且质软不易刮伤玻璃。

2.1.4毛刷盘升降机构

升降机构主要动作部分由螺母与螺杆构成，前端有铝合金支撑杆对擦洗器的升降进行导向，两侧所设置的不锈钢材质圆杆可保证擦洗器的运行稳定。升降电机置于底座上，通过减速器将动力传递给螺杆，螺杆的转动使得蜗轮上升或下降。螺母前端装有延伸杆用于安装转盘机构，该延伸杆通过其两端的铝合金立柱进行导向。延伸杆前端设计有一块条形平板，前面用于固定转盘，后面两侧装有可在不锈钢杆上滑动的稳定套，保证了擦洗器在运行过程中的稳定性，避免了左右摇摆现象的出现。升降双螺母的设计使得设备在整个运行过程中更加平稳。整个立柱的上下两端均装有行程开关，用于检测擦洗器的运动方向和控制升降电机的旋转方向。螺杆旋转使蜗轮带动擦洗器上升，运行至顶部触碰到顶部行程开关时，升降电机停止，转盘旋转电机工作，待转盘旋转到位后，升降电机开始反转，擦洗器下降。下行至底部时，动作与前述一致。

升降机构由导向杆，齿轮螺杆、轴承、升降平台共同组成。并且通过导向杆与往复运动机构中上下导向滑槽上的孔形成的配合与往复运动机构固定在一起。

设计中采用了四根导向杆成矩形对称分布的形式，保证了升降平台的绝对水平。设计中为了减少升降平台在升降过程中与导向杆之间相互摩擦而产生摩擦阻力，在平台的上下两面分别设计了四组滚动体，将滑动摩擦降低为滚动摩擦。

升降平台的升降运动是靠固定在上导向滑槽上的电机通过齿轮传动带动齿轮螺杆转动，再通过升降平台上的螺纹孔与螺杆之间形成的运动副将转动转化为线性运动而实现的。

2.1.5毛刷盘行走机构

行走机构的主要功能是实现擦洗器部分的平移动作。擦洗器通过齿轮齿条的配合实现平移。行走电机M3通过减速箱输出动力，由下方的齿轮与齿条啮合实现左右移动。电机上方搭载有平板，平板承载了整套清洁设备的工作部分。行走机构的左、右移动都是通过智能接口板进行控制的，每次移动时间为1s(该时间可根据毛刷转盘的擦洗范围具体调整)。整个行走装置通过电机尾部和两端的稳定块来保持擦洗器的姿态，以及平稳运行。

2.2越障机构

玻璃幕墙的表面会有许多凸起的支撑架，不是完全平整的，因此要求自动化玻璃擦洗器在移动过程中具有一定的越障功能。

设计中将吸附系统的吸盘与伸缩气压缸的伸缩杆连接在一起成为一个整体，在主体伸缩机构工作的同时伸缩气压缸也开始工作，使吸附系统的吸盘与幕墙玻璃表面保持适当的距离，以便越过必要的障碍。

2.3辅助机构

辅助机构由安全保险装置组成。主体支撑结构的顶端设有保险挂钩，用于系保险绳，使得擦洗器在吸附系统无法正常工作时不至于坠落，以保证擦洗器和行人的安全。

此外，自动化玻璃擦洗器上共装有十八个强力吸盘，擦洗器工作时，十八个吸盘全部吸附在玻璃上。当伸缩机构需要工作时，伸缩机构上的吸盘松开，伸出后完全时吸紧。随后框架轨道上剩下的吸盘松开，擦洗器由伸缩机构的收回而前进，前进完毕时，此时剩下的吸盘再次吸紧。目前，由于德国HR强力吸盘单个可承受20～30kg的重量，因此我们所设计的吸盘足以支撑整个系统的运行重量。

3、程序详细设计

该擦洗器可根据设定的程序对平板式的玻璃进行自动化清洗。其程序主要根据德国慧鱼图形化的编程语言ROBPRO软件进行编程。

3.1程序复位自检控制

该系统程序控制由一个智能接口板和两个I/O扩展板组成。将该设备接触到玻璃墙壁，吸盘自动抽气，形成真空，吸附在玻璃表面。然后按下复位开关，则会执行以下程序，实现各装置自检，并且恢复到初始位置，方便后面的程序运行。

3.2擦洗机构控制

当按下开始开关时，系统进入自动运行状态。升降电机启动，擦洗器向上运动。当擦洗器运行至最高点，触动行程开关，升降电机反向，擦洗器转盘旋转180度。当擦洗器降至最低点触动行程开关时，擦洗器转盘反转180度，升降电机停转1s，同时左右行走电机运转1s(电机停转时间可调)，实现擦洗器的横向平移。平移到位后，擦洗器同时开始新一轮工作。擦洗器行至轨道端点时，触动行程开关，行走电机停止，擦洗器工作一次。

该过程完成后，行走电机反向，进行第二次擦洗，原理同上。

3.3擦洗器行走避障控制

当一个回合擦洗结束，行走机构回至初始位，触动行程开关时，升降电机、行走电机、转盘旋转电机、毛刷工作电机及喷嘴停止工作，伸缩框架上的6个吸盘放松，且吸盘收回，同时伸缩电机运转，将伸缩框架伸出。伸缩框架到位后，伸缩电机停转3s，伸缩框架上的吸盘伸出，吸盘吸紧，然后框架轨道上的吸盘组放松，吸盘收回，伸缩电机反转，拖动轨道框架，在这个过程中，红色警示灯亮，当擦洗器到位后，框架轨道上的吸盘组伸出，吸盘组吸气，清洗机进入新一轮循环，红色灯灭。在移动框架外围装有传感器，如果移动框架遇到不可逾越的障碍，或者前方已经接近边缘没有路可走的时候，就会发出报警，并根据程序作出相应的调整。

3.4擦洗器紧急停止控制

当触发紧急停止开关是，整个系统会停止工作。

3.5擦洗器总程序控制

该设备运作的总程序包括了程序复位自检控制，擦洗机构控制，擦洗器行走避障控制，擦洗器紧急停止控制几大模块。

4、气动系统设计

自动化玻璃擦洗器气动系统包括两部分：驱动气缸气动回路和真空气动回路。驱动气缸气动回路是对吸盘伸缩机构进行驱动及控制，三组(工作框架、横向伸缩框架、纵向伸缩框架各一组，每组两个)六个气缸的往复运动实现吸盘的伸、缩动作。真空气动回路由一个真空发生器组合构成，分别向12个真空吸盘(V1-V12)提供真空。

5、真空气动回路及其主要参数

自动化玻璃擦洗器的真空气动回路采用一种带喷射开关、内置单向阀的组合真空发生器。喷射开关由电磁阀II和节流阀构成。吸盘与真空口相连。真空发生器真空的产生和消失是由电磁阀I控制的。电磁阀断电后，内置单向阀可保持真空。若电磁阀II通电，则压缩空气经阀II和节流阀使真空快速释放。调节节流阀开度，能调整真空释放时间。这种组合型真空发生器真空气动回路的最大特点在于内置单向阀可保持真空，节约了大量能源。真空开关用来控制真空度，以适应不同光洁度的工作表面。真空安全阀保证在一个吸盘失效后，仍维持系统的真空不变。由于自动化玻璃擦洗器的工作框架和横向、纵向伸缩框架的气动回路是对称关系，所以布置在工作框架和横向、纵向伸缩框架上的三组吸盘的气动回路完全一致。

本次设计的自动化玻璃擦洗器具备以下特点：(1)采用框架式结构，大大减轻了自动化玻璃擦洗器的质量；(2)采用机构模块化处理，结构简单，使安装更加方便；(3)真空式吸附方式，定位精准，功能全面系统稳定；(4)擦洗过程由智能接口板内所设定的程序控制，实现了工作自动化，几乎不用人为干涉其工作过程，大大降低了人工劳动的强度和高空劳动的危险程度。

四、附图说明

图1：自动化玻璃擦洗器结构展示图；图2：擦洗机构的组成；图3：升降机构的组成；图4：导向杆分布及平台的特殊结构；图5：升降机构传动方式；图6：越障机构爆炸图；图7：越障机构的两种极限状态；图8：保险装置实物示意图；图9：自动化玻璃擦洗器；图10：自检程序；图11：擦洗程序；图12：行走避障程序；图13：紧急停止程序；图14：总程序；图15：自动化玻璃擦洗器真空气动回路。

五、具体实施方式

1、工作准备

擦洗器放置到工作起始位置后，由真空泵首先开始工作，将主框架轨道固定在需清洁的玻璃表面上(此时所有吸盘参与固定)。此时，操作者可开始进行远程控制该装置的工作。

2、擦洗过程

当操作者按下复位按钮时，伸缩框架上的吸盘放松，吸盘伸缩气缸运动，将吸盘收回，然后行走框架收回，吸盘吸附。擦洗器构回到主体框架的左下端，即擦洗器工作的初始位置。按下开始按钮，绿灯常亮(表示此时系统运行正常)，系统进入自动运行状态。同时，擦洗机构的毛刷旋转电机启动，雾化喷头开始喷洒雾状清洗液，升降电机同时启动，擦洗器向上运动。当擦洗器运行至最高点时，触动行程开关，升降电机停止。转盘旋转电机启动，使得擦洗器转盘旋转180度。转盘旋转到位后，升降电机开始反向旋转，使擦洗器下降。当擦洗器降至最低点触动行程开关时，擦洗器转盘反转180度，升降电机停转1s，同时左右行走电机运转1s(电机停转时间可调)，实现擦洗器的横向移动。移动到位后，擦洗器同时开始新一轮工作。擦洗器行至轨道右端点时，触动行程开关，行走电机停止，擦洗器工作一次。该过程完成后，行走电机反向，进行第二次擦洗，同时喷嘴换喷清水。

3、擦洗器的移动

当擦洗器构回至初始位置触动行程开关时，升降电机、行走电机、转盘旋转电机、毛刷工作电机及喷嘴停止工作，伸缩框架上的吸盘组放松，且吸盘收回，同时伸缩电机运转，将伸缩框架伸出。伸缩框架到位后，伸缩电机停转，伸缩框架上的吸盘组伸出，吸盘吸紧，然后框架轨道上的吸盘组放松，吸盘收回，伸缩电机反转，拖动轨道框架。在这个过程中，红色警示灯亮，当擦洗器到位后，框架轨道上的吸盘组伸出，吸盘组吸气，清洗机进入新一轮循环，红色灯灭。擦洗器的移动距离及各电机的运行、停止时间可根据实际需要，对控制程序进行调整。

4、紧急停止

在日常的擦洗过程中，如果遇到紧急情况，如：暴雨、雷电、狂风等意外情况，需要紧急停止时，可按下紧急停止按钮，使系统即刻停止工作，但吸盘吸气系统仍然维持工作状态。

Claims (11)

1.一种自动化玻璃擦洗器的研究与设计，其特征在于：主要包括工作框架机构、伸缩框架机构、吸附机构。

2.如权利要求1所述的自动化玻璃擦洗器工作框架机构，其特征在于：由擦洗机构、毛刷盘升降机构、毛刷盘行走机构、辅助机构组成。

3.如权利要求1所述的自动化玻璃擦洗器伸缩框架机构，其特征在于：该机构实现伸缩框架的伸缩及框架轨道的平移，伸缩框架的伸缩通过齿轮齿条的配合来实现。

4.如权利要求1所述的自动化玻璃擦洗器吸附机构，其特征在于：由越障机构、详细的程序设计、气动控制系统组成。

5.如权利要求2所述的自动化玻璃擦洗器擦洗机构，其特征在于：所述的擦洗机构由毛刷盘、电机、雾化喷水系统、废水回收槽四部分组成。

6.如权利要求2所述的自动化玻璃擦洗器毛刷盘升降机构，其特征在于：所述的升降机构由导向杆，齿轮螺杆、轴承、升降平台共同组成，通过导向杆与往复运动机构中上下导向滑槽上的孔形成的配合与往复运动机构固定在一起。

7.如权利要求2所述的自动化玻璃擦洗器毛刷盘行走机构，其特征在于：主要功能是实现擦洗器部分的平移动作，通过齿轮齿条的配合实现其平移。

8.如权利要求2所述的自动化玻璃擦洗器辅助机构，其特征在于：所述的辅助机构由安全保险装置组成，用于系保险绳，使得擦洗器在吸附系统无法正常工作时不至于坠落，以保证擦洗器和行人的安全。

9.如权利要求4所述的自动化玻璃擦洗器越障机构，其特征在于：将吸附系统的吸盘与伸缩气压缸的伸缩杆连接在一起成为一个整体，主体伸缩机构工作的同时伸缩气压缸也开始工作，使吸附系统的吸盘与幕墙玻璃表面保持适当的距离，以便越过障碍。

10.如权利要求4所述的自动化玻璃擦洗器详细的程序设计，其特征在于：所述的程序详细设计包括程序复位自检控制、擦洗机构控制、擦洗器行走避障控制、擦洗器紧急停止控制、擦洗器总程序控制。

11.如权利要求4所述的自动化玻璃擦洗器气动控制系统，其特征在于：由气动系统控制吸盘伸缩机构；主要有：驱动气缸气动回路和真空气动回路。

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