《现代制造系统工程》大作业2
课 程： 现代制造系统工程 大作业题目：基于IDEF0的自动墙壁清洗机功能建模 学 期： 2013～2014学年第二学期 任课教师： 何 俊 时 间： 2014年6月5日 姓 名： 学 号：
年级、专业： 2011级机电一班
西南交通大学峨眉校区机械工程系
基于IDEF0的自动墙壁清洗机功能建模
1. 题目背景及意义
本文以《机械设计》课程大作业所设计的自动墙壁清洗机作为建模对象，应用IDEF0建模方法建立自动墙壁清洗机清洗部分功能模型，分析系统的功能活动及其联系，描述保障系统主要保障环节的运行过程，为实现并促进自动墙壁清洗机的发展提供理论和方法基础。
2.国内外正铲液压挖掘机产品系统发展现状
工业机器人已经在机器人领域中大量投入使用，如汽车、冶金等行业。然而，随着人们生活水平的提高，在机器人领域中，一种新的、有蓬勃生命力的服务机器人已经出现。
服务机器人主要涉及清洗、运送、监视、检查和探测等类型的工作，为人类提供和完成服务。其中，清洗是服务机器人应用最广的领域之一。而高楼林立的今天，更需要清洗机器人的技术可以得到不断改进和提高。第一个成功制造出来的清洗机器人是德国汉萨斯航空公司委托制作的“SKYWAH”（清洗巨人）。其主要结构是一个作用距离为33米的多关节巨型伸缩臂，有11个自由度，6个主轴，3个腕关节及两个自适应轴，总共12个可编程序轴。其余的运动链系使得它可以做各复杂运动，而其结构不会有任何变化。所有轴均由液压驱动并采用抗拉钢材，因而其结构重量轻。清洗刷长1.2m，定位精度为50mm,滚刷与飞机外形精确匹配。该机器人安装在一个标准汽车底盘上，可以从四个位置出发，机器人在人的监视下按照预定的模式运动，完成对飞机几乎所有表面的清洗工作。其特点是动作灵活，适合于各种规格的飞机。 日本BE公司成功研制的一种固定轨道式自动擦窗机器人，机器人靠安装在楼顶的轨道及吊装系统使擦窗机对准窗户，沿固定安装在建筑物表面的导槽垂直上下移动进行清洗，清洗机构带有多个旋盘刷。该设备的自动化程度的效率都很高，但价格也很昂贵。另外，要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，铺设轨道，这大大了该机器人的使用范围及效率。
德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所（IPA）是德国主要的生产及自动化研究中心，它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自动系统。对柏林新建火车站的巨大玻璃隧道进行了自动清洗。该机器人悬挂在水平的横向轨道上，可沿轨道左右移动，同时横向轨道可以沿垂直导槽上下移动，从而完成对整块玻璃的清洗。
德国的Fraunhofer研究所研制了一种名为SIRIUSC壁面清洗机器人。该机器人作业时在机器人上方的建筑物顶部有一个随动小车，该小车除了起一个安全作用外，还是机器人位移的定位装置，机器人只能做上下运动，左右运动靠随动小车牵引实现。爬行机构是基于两队线性模块上，每个模块装有几个真空吸盘，每对模块有一个伺服电机驱动。
美国国际机器人公司研制了用于清洗摩天大楼的爬壁机器人“Sky Washer”,它重19.95kg，约0.9×0.9m，该机器人的移动由两组L型框架相对滑动，交替吸附来实现，每组框架有三只脚掌，每只脚掌上有两只真空吸盘，吸盘相对于壁面可以作直线运动，该机器人允许横向移动，并可跨越一定高度的障碍。同时配备有洗涤液和擦抹系统，以完成擦窗工作，作业能力为每天45m2，并可越5cm高、25cm宽的障碍。 除此以外，加拿大、德国、西班牙、以色列、新加坡、奥地利、俄罗斯、英国、澳大利亚等国家相继开展了壁面清洗机器人的研究。
国内爬壁机器人的研究虽然起步晚，但发展比较迅速。我国研究和发展机器人始于七十年代初。1975年在北京举办的日本科技展览会上，川崎重工公司首先在中国展出了工业机器人，以此为起点，我国掀起了第一个研制机器人的浪潮。
自1988年以来，上海大学先后研制了玻璃窗清洗机器人和球形爬壁机器人。前者采用多层框架式机构，真空吸盘吸附，伺服电机驱动，但重量大，且没有装备清洗系统。后者采用腿足式移动机构，足端为带有裙边的铰接式真空吸盘，设计者从满足稳定性和控制复杂程度的综合，考虑到吸盘稳定性较差，安全性不是很好。此外，他们还在清洗装备和工艺做了较为深入的研究，并根据玻璃幕墙障碍的特点，开发了一种全方位越障机构，大幅度提高了机器人的越障能力。
哈尔滨工业大学也是国内壁面移动机器人研究较早的单位，在国家“863”智能机器人的支持下，已经先后开发出两个系列共5个品种的爬壁机器人。较早完成的是轮式负压吸附壁面爬行遥控检查机器人。该机器人采用双轮进行驱动。主体下部是一个带有驱动轮的滑动密封式负压吸盘。清洗机构置于尾部，同时还设有卷扬机，地面支援小车等附属设施。由于密封装置采用柔性设计，对壁面的适应能力较强，可以在瓷砖壁面或大直径圆柱面上运动，但越障和面面转换能力较差。
北京航空航天大学自1996年以来，在国家“863”计划的大力资助下，先后研制成功了WASHMAN、CLEANBOTⅠ、SKYCLEAN、“灵巧型擦窗机器人”、“吊篮式擦窗机器人”、 “蓝天洁宝”等系列幕墙清洗机器人样机。前三种均为全自动清洗机器人，采用十字构型，为自主步行移动机器人，机器人运动和功能统一。其中CLEANBOT-Ⅰ的纵横气缸之间有一能做微小角度转动的腰关节，以实现机器人运动方向的调整。之后北航又推出蓝天洁士Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型擦窗机器人。
2000年发展研制的“灵巧型擦窗机器人”类似于佐藤多秀研制的双车体机器人，但重量小的多，仅有20kg。该机器人本体结构采用具有滑动密封负压吸附装置的履带式驱动的双车体结构，能实现越障和曲面转换功能。2001年研制开发的“吊篮式擦窗机器人”则模拟人手擦窗的作业方式进行作业。“蓝天洁宝”属于被动清洗机器人，使用大面积负压吸盘吸附，利用风机产生真空，结构简单，工作效率高，具有很高的实用价值。
3. 自动墙壁清洗机设计及使用功能说明
根据清洗机清洗作业的要求，整个清洗机必须具备清洗作业功能，行动功能和控制功能。其中行动工能与控制功能集成于房顶移动供给装置。
墙面清洗系统主要由支撑架，刷子，电机，螺旋桨风压系统，齿轮传动系统等组成。通过螺旋桨风压系统使主机吸附在墙面上，并使刷子压紧，产生一定的刷洗压力，通过电机带动刷子转动，达到刷洗的目的。如图1、2、3。
1
图
图2 图3 4. 自动墙壁清洗机的IDEF0模型
建立该功能模型的主要目的是通过设计书给出的工作参数结合一些约束条件进行建模并优化设计得到准确模型尺寸。建立如图2的A-0图。然后对A-0图功能图进行细化。根据建模的先后顺序，将建模过程分为设计草图、模型建立、受力仿真、优化设计4个子模块。各模块具体说明如下：
（1）设计草图：该模块是设计人员通过设计书给出的工作参数结合设计要求、设计准则、设计经验在PROE中绘制出模型零件草图，确定各个尺寸；
（2）模型建立：该模块是设计人员通过草图结合设计要求、设计准则、设计经验在三维建模软件建立模型，进行静态干涉分析与局部修改；
（3）受力分析：该模块是设计人员通过建立的模型结合设计要求、设计准则、设计经验进行受力分析分析，对工作过程中出现的情况进行修订；
（4）优化设计：针对在受力分析中出现的问题，进行结构的优化设计，提供改进方案，并对各种改进方案进行力学分析，直到确定最终方案。
图2 A-0图
c1c2c3 设计草图 c1c2c3 模型建立 模型建立 c1c2c2 受力仿真 受力仿真 c1c2c3 优化设计 优化设计
C1: 设计要求 C2：设计标准 C3：设计经验
图3 A0图
基于IDEF0的洗瓶机功能树如下图4所示：
设计草图
图4
图5
受力仿真发现结构问题，洗墙机在工作中变形严重：
优化设计： 方案一：
方案二：
方案三：
5.结束语
利用IDEF0 方法建立自动墙壁清洗机的功能模型，能够准确地把握组成建模各模块的功能活动及相互
关系，将墙壁清洗机构的整个设计过程有序地系统化，直观地描述建模功能信息，从而有效地控制了系统的复杂性，提高了建模的效率，为最终保证墙壁清洗机构的可靠性的实现提供了重要手段。
6.参考文献
[1]罗雪山,朱德成,沈雪石.IDEF0方法在军事综合电子信息系统分析设计中的应用[M].国防科技大学C3I系统研究中心
[2]陈禹六.IDEF0建模分析与设计方法［Ｍ］.北京：清华大学出版,2000
[3]倪明,徐福缘,沈运红.基于IDEF0方法的企业信息化建设复杂系统[J].系统工程,2005 [4]李晓燕.快速成形网络化制造系统的IDEF0 建模[J].机械制造,2004
