高层建筑擦玻璃自动系统设计研究

摘要：文章基于高层建筑物的玻璃清洁作业要求，提出一种高层建筑自动擦玻璃系统，利用双轴步进电机控制器实现擦拭装置的轨迹控制，通过编程可实现不同擦玻璃模式，并采用仿人擦拭规划轨迹，适应多种擦窗需要，能实现反复多次清洗和清洁液回收功能。通过初步试验分析，得到了良好的玻璃清洁效果，实现了玻璃擦拭系统沿玻璃二维平面进行全方位作业，为高层建筑物玻璃擦拭结构设计和控制策略提供了依据，实用前景良好。

关键词：高层建筑；自动擦玻璃；结构设计；自动控制；喷水作业

前言

由于高空作业的风险性，增加了建筑物玻璃擦拭的成本[1-2]，甚至一些国家出台了禁止四层以上玻璃幕墙人工擦洗的规定。因此，改变传统的人工作业方式，运用新技术进行高层建筑物的清洁成为目前研究的热点。作为一种全新的自动清洁装置，高层建筑自动擦玻璃系统具有自动擦洗建筑物外部玻璃、价格低廉、效率高等优点[3]。目前，国内外广泛采用的擦玻璃机器人存在两个技术瓶颈：一是玻璃擦拭清洁度低；二是擦玻璃机器人的载重量较低，不能装载较多清洁剂和水[4-6]。本文提出一种高层建筑自动擦玻璃系统，可根据实际需要对步进电机控制器进行编程设定不同的擦拭路径，该系统具有安装方便，操作简单的优点，具有良好的市场推广价值和应用价值。

1系统工作原理

系统采用框架式结构，两条擦拭臂由滚珠丝杠在x轴和y轴方向正交构成，每条擦拭臂末端连接57步进电机，通过滚珠丝杠的特殊结构，将步进电机动力输出轴的转动运动转变为沿擦拭臂的直线行走运动，对二维玻璃平面的各点位置进行覆盖，实现建筑物玻璃的擦拭工作。并在擦拭臂上部搭载水箱，内装水与清洁剂的混合物，在工作之前首先由水泵将水箱内液体泵出，喷淋到玻璃表面，再由擦拭装置进行擦洗作业，自动擦玻璃系统整体结构图如图1所示。

2系统关键模块

2.1擦洗模块

作为该系统的核心模块，擦洗效果的优劣决定了整机的质量，因此，擦洗模块采用喷水―擦拭―喷清洁液―擦拭的二次清洁作业方式，首先对玻璃表面喷水，然后启动擦拭电机进行擦拭作业，这一步骤的主要目的是将玻璃表面整体润湿，初步清洁表面的浮尘和附着物等；再进行喷清洁液的操作，该步骤为主要擦拭环节，擦拭完毕后，结束该位置玻璃的清洁作业。同时，系统下部增加了挡水回收栏板，可回收大部分的液体，并可反复利用3～4次，提高了清洁液的利用效果，降低了成本。这样的双重擦拭方式，保证了工作质量，擦拭清洁度较高。

2.2擦拭臂模块

采用双步进电

长丝土工布的应用领域（1）作挡土墙回填中的加筋，或用于锚固挡土墙的面板。修筑包裹式挡土墙或桥台。（2）加固柔性路面，修补道路上的裂缝，防止路面反射裂缝。（3）增加碎石边坡及加筋土的稳定性，防止水土流失和低温时土体的冻害。（4）路道碴与路基之间的隔离层，或路基与软基之间的隔离层。（5）人工填土、堆石或材料场与地基的隔离层，不同冻土层之间的隔离，反滤和加固作用。（6）储灰坝或尾矿坝的初期上游坝面的滤层，挡土墙回填土中排水系统的滤层。（7）排水暗管周边或碎石排水暗沟周边的滤层。（8）水利工程中水井、减压井或斜压管的滤层。（9）公路、机场、铁路道渣和人工堆石等与地基之间的土工织物的隔离层。（10）土坝内部垂直或水平排水，埋入土体中消散空隙水压力。（11）土坝或土堤中的防渗土工膜后面或混凝土护面下部的排水。（12）排除隧洞周边渗水，减轻衬砌所承受的外水压力及各建筑物周围渗水。（13）人工填土地基运动场地基的排水。（14）公路（包括临时道路）铁路、堤岸、土石坝、机场、运动场等工程中用以加强软弱地基。

机与丝杠构成的二维平面擦洗结构能够有效实现玻璃二维平面的清洁，两条擦拭臂由滚珠丝杠构成，滚珠丝杠具有传输效率高、摩擦阻力小等优点，该结构还具有精度高的特性，能够在较小位移下实现准确擦拭，提高了擦拭的灵活性。

2.3吸盘夹紧模块

由于本系统为高空建筑物作业形式，因此，系统的整体固定吸附能力尤为重要，采用四吸盘方式进行固定，即在系统的四角布置四个带有吸附功能的真空吸盘，作业前将吸盘固定到指定位置。2.4PAC运动控制模块系统采用PAC1100控制器作为控制核心，具有功耗低、发热量低、运算能力强等特点，利用PAC1100强大的快速编程能力实现擦拭路径的轨迹规划，能够模拟人工擦拭手段进行擦拭，控制器连接示意图如图2所示。

2.5驱动电机模块

选用电动机时应遵循两个原则：一是高空环境特殊，安全第一；二是要求便于移动，能随时改变位置到达下一准确位置。因此，选用57步进电机作为驱动电机，该系列电机具有噪音小、转矩大以及运行平稳等诸多优点，运行发热量较低，能够快速响应指令运动，进行点、线位置移动。本文选择使用BS57HB76-03型号电机，其保持转矩为1.35N・m，长度为76mm，额定电流为3.0A，参数能够保证擦玻璃系统的正常运行。

3程序示例

控制器工作在四种状态之一，即：自动状态、手动状态、程序编辑状态、参数设定状态，因为控制器较少（降低输入复杂度），所以大部分的按键采用复合按键方式，而且按键有长按和短按之分。控制器上电后，控制器处于手动状态且坐标值自动清零，这时可以用手动方式进行电机运动的控制。以部分程序为例进行示例介绍，相关内容如表1所示。

4结束语

本文设计研制了一种高层建筑自动擦玻璃系统，能够实现编程自动进行玻璃擦洗，并具有多种擦拭轨迹可调以及废液回收等功能。在建筑物玻璃表面进行了初步试验，实现了玻璃的清洁作业，清洁效果显著。但是在试验中发现，采用固定式清洁布摩擦力较大，系统需要克服较大阻力才能达到预期擦拭效果，受到步进电机的转矩大小限制，清洁布的滑动摩擦力不能太大，否则会由于摩擦阻力过大而导致系统无法正常工作。接下来，团队在后期将会针对清洁布的擦拭方式进行进一步研究，以期在降低擦拭摩擦力的同时还能提高擦拭效果，进而提高系统的实用性和可靠性。

参考文献：

[1]郝建龙.基于磁吸附的双面擦玻璃机器人设计[D].天津：河北工业大学，2016.

[2]郭韶山，陈洋，张慎云，等.自动擦窗机器人系统设计[J].南通职业大学学报，2019，33(1)：69-75.

[3]刘凌，李江，曲红杰.高楼自动擦玻璃装置控制系统研究[J].机电一体化，2014，20(7)：41-43+50.

[4]刘晨，赵艳红，张福来，等.一种攀壁式擦玻璃机器人的研究[J].南方农机，2019，50(2)：169+198.

[5]孙立新，徐良君，张明路，等.擦玻璃机器人负压吸附特性研究[J].真空科学与技术学报，2017，37(4)：357-362.

[6]江莉丽，欧阳常童，左其波，等.壁虎擦玻璃机器人[J].电脑知识与技术，2018，14(33)：223-224.

作者：李洁 迟明路 吕广静 王志伟 刘松松 乔小喜 范雨轩 单位：河南工学院