畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1、IV 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì) 摘要 高層建筑清洗爬壁機(jī)器人可在垂直壁面及屋頂移動(dòng)進(jìn)行物體表面的清洗，本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人爬壁系統(tǒng)由移動(dòng)系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)組成。移動(dòng)吸附系統(tǒng)由十字框架結(jié)構(gòu)和真空吸附結(jié)構(gòu)組成，使機(jī)器人靈活移動(dòng)，避障能力強(qiáng)。機(jī)器人主體部分由可以相互平移的兩個(gè)呈十字型組合的無桿氣缸，其中任意一個(gè)無桿氣缸可以相對(duì)另一個(gè)進(jìn)行平移，每個(gè)無桿氣缸通過腿部支架可獨(dú)立控制腿足結(jié)構(gòu)。腿足結(jié)構(gòu)是由拉桿氣缸和一組真空吸盤組成。隨著腿部的交替吸附和框架主體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)壁面自由移動(dòng)的功能。驅(qū)動(dòng)方式由X方向和Y方向兩個(gè)相互垂直的機(jī)構(gòu)組成，分別選用一個(gè)雙作用無桿氣缸，安置在中間的主體支架上，真空吸盤組采用正

2、三角排列和使用氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。控制系統(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵部分，采用三菱公司的PLC-FX1N系列完成對(duì)機(jī)器人主體的吸盤脫離、本體移動(dòng)、吸盤吸附和清洗的控制。 關(guān)鍵詞：雙作用拉桿氣缸，十字架構(gòu)，無桿氣缸，PLC 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582Abstract High-rise buildings cleaning climbing robot can be in vertical wall and roof movement in the object surface cleaning, this paper designed the climbing

3、 robot system by mobile system and adsorption systems. Mobile adsorption system by the frame structure and vacuum adsorption structure, make flexible mobile robot, obstacle avoidance ability. Robot main body part can be of mutual translation by a combination of the two four-arm pneumatic rodless cyl

4、inders, including any a pneumatic rodless cylinders can relative another translation, each pneumatic rodless cylinders through the legs stent independent control leg foot structure. Leg foot structure is by tie rods and a group of cylinder of vacuum cups. As the legs of alternating the adsorption an

5、d the relative motion of the main frame, robot wall free movement function realization. Driving way X and Y directions direction by two perpendicular institutions, a double role are chosen pneumatic rodless cylinders and placed in the middle of the main body on the support, vacuum cups group I arran

6、gement, and use the pneumatic drive mode. Control system is climbing robot cleaning the key part, USES the mitsubishi company PLC-FX1N series of of the main body of the robot complete suckers, its mobile, chuck from adsorption and cleaning of control. Keywords: dual action bars cylinder, the archi

7、tecture, pneumatic rodless cylinders, PLC 目錄 1 緒論 1 1 .1選題背景及其意義 1 1.2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)） 1 1.3 研究?jī)?nèi)容 5 1.4 研究方案 6 1.5本章小結(jié) 9 2 爬壁清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 2.1 爬壁清洗機(jī)器人的材料選擇 10 2.2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)介紹 10 2.3 移動(dòng)鋁板的設(shè)計(jì)與校核 11 2.4 吸盤直徑的選取 13 2.5 電動(dòng)機(jī)的選取 16 2.6 聯(lián)軸器的選取 18 2.7 軸承的校核 19 2.8 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算 19 2.9 軸的計(jì)算 20

8、 2.10 鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算 22 2.11 軸向氣缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22 2.12 活塞桿穩(wěn)定性及撓度驗(yàn)算 24 2.13 本章小結(jié) 28 3 爬壁清洗機(jī)器人氣動(dòng)設(shè)計(jì) 30 3.1 吸附部分 30 3.2 氣缸運(yùn)動(dòng)部分 30 3.3 本章小結(jié) 32 4 爬壁清洗機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 33 4.1 PLC的概述及發(fā)展 33 4.2 PLC的I/O口分配 34 4.3 PLC選型 34 4.2 PLC控制面板 35 4.4 PLC的I/O口分配圖 35 4.5 PLC梯形圖 36 4.5 本章小結(jié) 39 5 結(jié)論 40 參考文獻(xiàn) 41 致謝 42

9、41 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì) 1 緒論 1 .1選題背景及其意義 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代都市的摩天大樓越建越多，越建越高，而城市的灰塵污染也越發(fā)嚴(yán)重，在這樣的背景下，人類需要依靠升降機(jī)平臺(tái)來逐層地清洗大樓壁面，不但浪費(fèi)時(shí)間和勞動(dòng)力，而且人類在清洗大樓壁面的環(huán)境越來越惡劣和危險(xiǎn)，本課題來自于社會(huì)實(shí)際的需求，采用爬壁機(jī)器人進(jìn)行擦洗，降低清洗工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，特別是提高安全性。如今，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家已經(jīng)采取了爬壁清洗機(jī)器人作為他們的首選工具，用來對(duì)大樓外表面進(jìn)行清理。 壁面清洗機(jī)器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動(dòng)機(jī)器人，它的出現(xiàn)將極大

10、降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)率，也必將極大的推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，壁面清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究有著良好的應(yīng)用前景。 1.2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)） 爬壁機(jī)器人是指可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業(yè)的自動(dòng)化機(jī)器人。爬壁機(jī)器人又稱為壁面移動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)榇怪北诿孀鳂I(yè)超出人的極限，因此在國(guó)外又稱為極限作業(yè)機(jī)器人。爬壁機(jī)器人必須具備吸附和移動(dòng)兩個(gè)基本功能，而常見吸附方式有負(fù)壓吸附和永磁吸附兩種。其中負(fù)壓方式可以通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式則有永磁體和電磁鐵兩種方式，只適用于吸附導(dǎo)磁性壁面。此次設(shè)計(jì)的

11、爬壁機(jī)器人主要針對(duì)建筑物外壁清洗作業(yè)。日本在爬壁機(jī)器人研究上發(fā)展迅速，中國(guó)也于20世紀(jì)90年代以來進(jìn)行類似的研究。這些年來，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中獲得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，這當(dāng)中，爬壁機(jī)器人是能夠代替人類在垂直的陡壁上進(jìn)行工作的機(jī)器人，他作為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，越來越受到人們的重視。 自動(dòng)化爬壁清洗機(jī)器人機(jī)器人是一種實(shí)惠、實(shí)用、安全可靠的科技研發(fā)項(xiàng)目,自1960年代以來,爬壁清洗機(jī)器人和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)漸漸地受到了人們的重視。作為一個(gè)高層建筑的爬壁機(jī)器人的清洗系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等雖然樣式眾多,但真正能用于實(shí)際工作中具體的設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)還是數(shù)量不多。 爬壁清洗機(jī)器人最基本的兩個(gè)功能是

12、在壁面上的吸附功能和移動(dòng)功能。 普通的傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人按吸附功能分類能分成真空吸盤吸附和磁吸附這兩種類型：真空吸附又可分為單吸盤式和多吸盤式兩種結(jié)構(gòu)性形式，沒有受到壁面材料所限制的限的優(yōu)勢(shì),但如果所吸附的墻面不平整,就會(huì)容易減小吸盤中的真空度,減少吸附力，承載能力降低,導(dǎo)致機(jī)器人的掉落。 磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種類型，電磁體式維持吸附力需要電力，但是控制比較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但是控制比較麻煩。磁吸附方式能在凹凸不平的避免上工作且適應(yīng)性強(qiáng)，吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，而且不存在漏氣的問題，但是對(duì)材料的選擇則必須是導(dǎo)磁材料，所以大大的限制了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

13、 日本應(yīng)用技術(shù)研究所研制出車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人，如圖1-1所示。 圖1-1 車輪式磁吸附爬壁機(jī)器人 這種爬壁機(jī)器人靠磁性的車輪對(duì)壁面產(chǎn)生吸附力，其主要特征為：行走穩(wěn)定且速度快，最高速度可以達(dá)到9m/min，能適應(yīng)各種形狀的壁面，而且能不損壞壁面的油漆。1989年日本東京大學(xué)的宏油茂研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機(jī)器人，吸盤與壁面之間有一個(gè)很小的傾斜角度，這樣吸盤對(duì)壁面的吸力仍然很大，個(gè)吸盤分別由一個(gè)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，與壁面線接觸的吸盤旋轉(zhuǎn)，爬壁機(jī)器人就隨著向前移動(dòng)，這種吸附機(jī)構(gòu)的吸附力可以達(dá)到很大。 圖1-2 履帶吸盤式爬壁清洗機(jī)器人 圖1-3 氣動(dòng)多吸盤爬壁機(jī)器人

14、 目前，我國(guó)對(duì)于爬壁清洗機(jī)器人的研究仍然處于一種課題研發(fā)的階段，在我國(guó)這對(duì)于工業(yè)來說會(huì)有一個(gè)廣大的前景。 中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所已經(jīng)成功開發(fā)單一真空吸附輪行走式爬壁機(jī)器人和永磁履帶行走式吸附爬壁機(jī)器人。單一輪壁面移動(dòng)機(jī)器人是由吸附機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)機(jī)構(gòu),通過電機(jī)、齒輪減速器,輪子構(gòu)成,吸附機(jī)構(gòu)包括真空泵、壓力調(diào)節(jié)閥、密封機(jī)構(gòu),等等。真空泵是產(chǎn)生負(fù)壓設(shè)備,它的功能是持續(xù)從負(fù)壓腔內(nèi)吸出、抽出空氣,使負(fù)壓力腔產(chǎn)生一定的真空度。為了維持機(jī)器人負(fù)壓腔的真空度,所以它需要密封機(jī)構(gòu),制造機(jī)器人可靠地吸附在墻上和產(chǎn)生足夠的正壓,從而驅(qū)動(dòng)機(jī)制有足夠的摩擦使爬壁清洗機(jī)器人具備移動(dòng)功能。由于氣囊是具有良好

15、的彈性密封裝置,當(dāng)遇到墻壁出現(xiàn)凹凸不平時(shí),可以通過空氣以降低變形大小的縫隙,讓爬壁機(jī)器人越過障礙有一定的能力,空氣中受監(jiān)管機(jī)構(gòu)來控制在最理想的的情況下,調(diào)節(jié)彈簧函數(shù)有兩個(gè):1,提供必要的密封環(huán)密封正壓力;2、提高能力,以適應(yīng)墻床墊,還能起到減震效果。負(fù)壓控制通過調(diào)整真空泵的電機(jī)電壓改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,負(fù)面壓力傳感器作為檢測(cè)元件,實(shí)時(shí)檢測(cè)的負(fù)面壓力變化、壓力提供了依據(jù)。設(shè)置壓力調(diào)節(jié)器改變本體的變化,可以防止真空泵腔高真空度和冷卻空氣越來越熱。 由于傳統(tǒng)的爬壁機(jī)器人在很多方面有不足之處（如對(duì)壁面材料和形狀的適應(yīng)性不強(qiáng)，跨越障礙物的能力不足，體積較大，質(zhì)量較重等），因此，在未來的發(fā)展中，爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

16、應(yīng)該向?qū)嵱没姆较虬l(fā)展。 （1） 吸附裝置 最近幾年，美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯等國(guó)的研究小組揭示了壁虎爬壁的秘密，就是分子間的作用力--范德華力。范德華力是中性分子彼此距離肥腸近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱的電磁引力。從壁虎腳的附著力得到啟發(fā)可用于研制爬壁機(jī)器人。 在分析過程中，運(yùn)用類比、模擬和模型方法，通過高分子化學(xué)材料，工程材料科學(xué)，力學(xué)和機(jī)械學(xué)的交叉研究，或許有一天能研制出與壁虎腳趾表面結(jié)構(gòu)相類似的，經(jīng)物理改進(jìn)的高分子材料。如果這種裝置能成功地研制出，將對(duì)將來爬壁機(jī)器人在生活中的應(yīng)用踏出堅(jiān)實(shí)的一步。 （2） 移動(dòng)方式 在爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，輪式和履帶式的移動(dòng)方式已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，但是足式移動(dòng)

17、具有以上兩種方式所沒有的優(yōu)點(diǎn)。足式移動(dòng)的方式可以使機(jī)器人在作業(yè)過程中越過相對(duì)較大的障礙物，并且足式移動(dòng)的方式有較多的自由度，是機(jī)器人變得更加地靈活，對(duì)凹凸不平的復(fù)雜壁面有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟壁面接觸的面積小，能夠在可達(dá)到的范圍內(nèi)選擇最好的支撐點(diǎn)，即便是表面極度復(fù)雜，極度不平整的壁面也能夠依靠選擇最佳的支撐點(diǎn)達(dá)到行走自如的程度。因此，足式結(jié)構(gòu)將在爬壁機(jī)器人上有著較好的應(yīng)用前景。 （3） 驅(qū)動(dòng)設(shè)備 傳統(tǒng)的伺服電機(jī)的功率體重比低,必須安裝在某個(gè)地方離驅(qū)動(dòng)電機(jī)的地方叫遙遠(yuǎn)。高速運(yùn)行后還應(yīng)使用減速齒輪減少速度，以至于傳動(dòng)系統(tǒng)是復(fù)雜的工作環(huán)節(jié),這個(gè)結(jié)構(gòu)是一種負(fù)擔(dān),并不能滿足實(shí)

18、際需求,這需要使用功能材料組成都體積小、重量輕、效率高的密度的新電機(jī)類型。 微特電機(jī)伺服系統(tǒng)組成的驅(qū)動(dòng)和位置傳感器系統(tǒng)是機(jī)器人控制調(diào)節(jié)速度的關(guān)鍵組件,研制開發(fā)直接驅(qū)動(dòng)、大扭矩,體積小、重量輕、精度高、敏捷、工作可靠的各類微特電機(jī)是改善我國(guó)研究開發(fā)的機(jī)器人水平、滿足國(guó)內(nèi)機(jī)器人高性能微特電機(jī)的基本保證。所以微特電機(jī)在機(jī)器人的應(yīng)用前景是非常樂觀,微特電機(jī)技術(shù)開發(fā)也能滿足機(jī)器人智能、可靠、靈活和長(zhǎng)期生活需要。所以爬壁機(jī)器人順應(yīng)了使用微特電機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),可以朝向高精度、高可靠性、直接驅(qū)動(dòng),新原理、新結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化、超微方向改變。 超聲波電動(dòng)機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng),讓彈性材料（壓電

19、陶瓷）的微變形通過磁共振放大器和摩擦耦合轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子或滑塊宏觀運(yùn)動(dòng)。由于它獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)制，超聲波電機(jī)具有傳統(tǒng)電磁式電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn):(1)通過摩擦傳動(dòng),所以得到自己鎖定功能,不需要制動(dòng)設(shè)備;(2)轉(zhuǎn)矩密度大、低轉(zhuǎn)速下會(huì)產(chǎn)生很大的扭矩,不需要齒輪減速器機(jī)構(gòu)，并且體積小,重量輕,控制精度高、響應(yīng)快;(3)操作無噪聲,不產(chǎn)生也不接受電磁干擾等。這是因?yàn)槌暡姍C(jī)的有很多優(yōu)點(diǎn),因此它在攀爬機(jī)器人會(huì)有很好的實(shí)用價(jià)值。 （4） 能源問題 迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強(qiáng)的電池，或者通過遙控途徑對(duì)機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外正對(duì)此進(jìn)行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經(jīng)較

20、為成功的將微波技術(shù)應(yīng)用到一臺(tái)無線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會(huì)使爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍得到較大的擴(kuò)展。 1.3 研究?jī)?nèi)容 本文所設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在豎直壁面上吸附并通過巧妙地十字架構(gòu)實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向的移動(dòng)。具體設(shè)計(jì)包括以下幾方面： （1） 爬壁移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計(jì)包括滾刷、噴淋和去污系統(tǒng)等 爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)雙作用無桿氣缸連接在十字主體支架上，通過雙作用無桿氣缸的滑塊實(shí)現(xiàn)上、下、左、右四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。清洗作業(yè)方式中的滾刷由電機(jī)通過聯(lián)軸器直接連接實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電源及噴淋系統(tǒng)的水源都采取外接的方式，以減輕爬壁清洗機(jī)器人的體積和重量，并且能延長(zhǎng)爬壁清洗機(jī)

21、器人的工作時(shí)間。 （2） 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中一共由兩個(gè)雙作用無桿氣缸，四個(gè)雙作用拉桿氣缸，四個(gè)三位五通電磁換向閥，兩個(gè)兩位三通電磁換向閥，十二個(gè)真空吸盤，真空泵、氣壓泵各一個(gè)組成。通過人工的控制實(shí)現(xiàn)吸盤的吸附，雙作用無桿氣缸滑塊的移動(dòng)，雙作用拉桿氣缸拉桿的伸縮。 （3）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 隨著PLC性價(jià)比的不斷提高，微處理器芯片及有關(guān)元器件價(jià)格大幅度降低，PLC的成本也有所下降，PLC的功能大大增強(qiáng)，因而PLC的應(yīng)用日益廣泛。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保等各行各業(yè)，其應(yīng)用范圍也越來越大。因此，本設(shè)計(jì)的控

22、制系統(tǒng)采用PLC控制，既便捷，又能控制成本。通過人為操作的方式進(jìn)行移動(dòng)、吸附、噴水、洗刷。 1.4 研究方案 1.4.1 總體方案 根據(jù)爬壁清洗機(jī)器人在高空作業(yè)的要求和噴淋洗刷的要求，機(jī)器人必須先有清洗功能和控制功能,此外清潔爬壁機(jī)器人還必須在高層建筑在表面吸附和運(yùn)動(dòng),從而清潔的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)該包括機(jī)器人清洗系統(tǒng),攀登系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三個(gè)系統(tǒng)。 （1） 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高層建筑壁面的污垢主要是大氣污垢，清洗系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的重要組成部分之一，考慮爬壁清洗機(jī)器人代替人工進(jìn)行有效率的清洗工作，因此采用機(jī)械力清洗作用方式，即采用沖洗、刷洗。刮洗聯(lián)合作用的方式。噴淋沖洗

23、壁面，便于除去壁面上附著力較小的污垢并浸潤(rùn)壁面；電機(jī)通過同步傳動(dòng)齒形帶帶動(dòng)滾刷旋轉(zhuǎn)，通過滾刷刷洗，便于除去壁面上附著力較大的污垢。刮板可以刮凈和回收殘留在壁面的液滴，通過污水管進(jìn)入污水箱。整個(gè)清洗作業(yè)系統(tǒng)包括滾刷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)和去污系統(tǒng)。清洗系統(tǒng)如圖1.4所示。 圖1-4 爬壁清洗機(jī)器人清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖 1 電動(dòng)機(jī) 2 機(jī)架 3噴水頭 4 滾刷 （2） 爬壁清洗機(jī)器人爬壁吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人移動(dòng)吸附系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的核心部分，由移動(dòng)系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)組成，在機(jī)器人工作過程中攜帶機(jī)器人的清洗系統(tǒng)，吸附在建筑物壁面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物壁面清洗的功能。機(jī)器人主體部分由可以相互平移的兩個(gè)呈

24、十字型的框架構(gòu)成，其中任意一個(gè)框架可以相對(duì)另一個(gè)進(jìn)行平移，準(zhǔn)確的來說是由兩個(gè)雙作用無桿氣缸上面的兩個(gè)滑塊連接著兩個(gè)移動(dòng)支架進(jìn)行移動(dòng)，每個(gè)框架成組配備可獨(dú)立控制的腿足結(jié)構(gòu)。腿足結(jié)構(gòu)具有一個(gè)主動(dòng)直動(dòng)關(guān)節(jié)，即每個(gè)足部結(jié)構(gòu)都是一個(gè)普通雙作用氣缸，氣缸桿的伸出和縮進(jìn)使機(jī)器人主體能夠上下抬起和降下。隨著腿部的交替吸附和框架主體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)壁面自由移動(dòng)功能。框架制結(jié)構(gòu)主要依賴于本體自由度與腿足自由度的結(jié)構(gòu)，各部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足靈活性和機(jī)動(dòng)性的要求。另外，由于設(shè)計(jì)要求機(jī)器人能跨越50mm的障礙，因此在腿足部分要求有抬高至少50mm的能力。平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1-5所示。 圖1-5 爬壁清洗機(jī)器

25、人爬壁吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、2、十字框架 3、X向氣缸 4、Y向氣缸 5、清洗系統(tǒng) 6、吸盤組 建筑物壁面材料雖然多樣化，但是大多數(shù)都不是導(dǎo)磁材料，如玻璃、瓷磚、涂料等,所以吸附方式采用真空吸附。一個(gè)吸盤雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易控制,但會(huì)降低機(jī)器人在移動(dòng)過程的越障能力和可靠性，吸盤組結(jié)構(gòu)形式使用洗盤彈性變形,提高越障能力,確保吸盤和壁面吸附、提高機(jī)器人的工作的安全性和可靠性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)使機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊,可以保證剛度的前提下機(jī)器人完成移動(dòng)吸附過程,機(jī)器人可以自由移動(dòng)。 （3） 爬壁清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的關(guān)鍵部分，采用PLC控制，來完成對(duì)機(jī)器人本體的吸盤脫離、本體移動(dòng)、吸盤

26、吸附、本體越障和清洗的順序控制。為了控制方便、操作簡(jiǎn)便，控制器PLC固定在機(jī)器人本體上，通過自動(dòng)控制和手動(dòng)控制對(duì)機(jī)器人的整體進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作和配合。 1.4.2詳細(xì)的壁面清洗機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)列表 爬行速度：5-8m/min 爬行高度：0-80m 清洗速率：100-150m2/h 越障高度：50mm 控制方式：PLC控制 本體重量：20kg 負(fù)載重量：15kg 移動(dòng)方式：腳步行進(jìn)式 1.5本章小結(jié) 縱觀全球，爬壁清洗機(jī)器人的技術(shù)并不成熟，在本章中了解了在一些科技先進(jìn)的國(guó)家對(duì)此技術(shù)的運(yùn)用及一些基礎(chǔ)的知識(shí)，結(jié)合本課題所給出的技術(shù)參數(shù)和自己的思考初步定下設(shè)計(jì)的

27、方向。 2 爬壁清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 爬壁清洗機(jī)器人的材料選擇 由于爬壁清洗機(jī)器人是代替人類在高處作業(yè)，所以為提高安全性，必須對(duì)機(jī)器人的重量有一定的控制，卻不能降低機(jī)器人結(jié)構(gòu)的剛度。因此從多種材料中選取高強(qiáng)度鋁合金作為爬壁清洗機(jī)器人的各部分支架的材料，符合設(shè)計(jì)初衷和安全標(biāo)準(zhǔn)。 2.2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)介紹 本次設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人采用了十字架構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過與各種氣缸的連接實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。具體的結(jié)構(gòu)可查看裝配圖和零件圖，為方便以下計(jì)算中個(gè)部分的計(jì)算，配以下簡(jiǎn)圖供參考，見圖2-1、2-2、2-3。 圖2-1 （a） 圖2-2 （b） 圖2-3 （c） 兩塊移動(dòng)鋁板

28、分別與一個(gè)雙作用無桿氣缸的滑塊相連接，兩個(gè)雙作用無桿氣缸通過軸向支架全部固定在主體支架上，通過滑塊的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝在移動(dòng)支架兩端的“腳部”移動(dòng)。 在選取材料時(shí)選取鑄鋁為原料進(jìn)行加工。最終選取ZAlCu5Mn。 ZAlCu5Mn為加入少量錳、鈦元素的鋁-銅合金。ZAlCu5Mn可熱處理強(qiáng)化,熱處理后強(qiáng)度高,塑性、韌性、焊接性能及可切削加工性能良好，耐熱性和強(qiáng)度是鑄造鋁合金中最好的。耐腐蝕性能差,鑄造性能不好,流動(dòng)性差,形成熱裂和縮孔的傾向大、線收縮大、氣密性低,但吸氣傾向小。 由于作為爬壁清洗機(jī)器人的支架結(jié)構(gòu)，可能經(jīng)常要與水接觸，即使對(duì)于高強(qiáng)度鋁合金而言被氧化機(jī)率不是很大，但是工作時(shí)間一長(zhǎng)也

29、會(huì)有所氧化跡象，而且支架零件不易更換。因此，在切削加工過后需要在零件表面涂上一層防銹漆圖層，以防上述情況產(chǎn)生。 2.3 移動(dòng)鋁板的設(shè)計(jì)與校核 首先對(duì)兩塊移動(dòng)鋁板進(jìn)行受力分析（移動(dòng)鋁板見圖2-1、2-2、2-3），通過分析得移動(dòng)鋁板近似中央處受到機(jī)器人主體部分（包括氣缸、電機(jī)、滾刷、噴頭等）的重力G，通過力的平衡分析得在移動(dòng)鋁板的兩端受到大小等于G/2的力，詳見圖2-4： （N） （N·m） 圖2-4 移動(dòng)鋁板的受力分析 根據(jù)設(shè)計(jì)，移動(dòng)支架的截面形狀為矩形，得： 抗彎截面系數(shù)： （2-1） 式中： b——截面寬； h——截面高。 彎曲正應(yīng)力：

30、 （2-2） 式中： ——最大應(yīng)力。 代入式2-2得： 切應(yīng)力： （2-3） 式中： ——最大剪力。 代入式2-3： 2.4 吸盤直徑的選取 真空吸盤是真空設(shè)備執(zhí)行器之一,吸盤材料采用丁腈橡膠制造,具有較大的扯斷力,因而廣泛應(yīng)用于各種 真空吸持設(shè)備上,如本次設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人就要將爬壁清洗機(jī)器人整體吸附在壁面上。真空吸盤又稱真空吊具，一般來說，利用真空吸盤使物體吸附在壁面上是最廉價(jià)的一種方法（較磁吸式而言）。真空吸盤品種多樣，橡膠制成的吸盤可在高溫下進(jìn)行操作，由硅橡膠制成的吸盤非常適于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盤則很耐用。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，

31、如果要求吸盤具有耐油性，則可以考慮使用聚氨酯、丁腈橡膠或含乙烯基的聚合物等材料來制造吸盤。通常，為避免玻璃壁面的表面被劃傷，最好選擇由丁腈橡膠或硅橡膠制成的帶有波紋管的吸盤。 吸盤直徑公式： （2-4） 式中： M——承受質(zhì)量； S——吸盤吸附系數(shù)，垂直吸附S=8； P——真空壓力（-KPa）； n——吸盤個(gè)數(shù)。  表2-1 吸盤參數(shù) 型號(hào) 電壓 負(fù)載電流 功率 流量 真空度（絕對(duì)壓力） 負(fù)壓 體積 （最大包容尺寸） 重量 （大約值） 三種單位換算只 V DC A W L/min

32、KPa mmHg mbar KPa (mm) (g) VCH1028 24 <2.0 <48 28 10 76 100 -90 209×78×115 2600 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 101 760 1013 根據(jù)表2-1所得數(shù)據(jù)代入式2-4得： 因?yàn)檎婵諌毫?huì)使吸盤變形，所以吸附面積要比吸盤直徑小。變形度根據(jù)吸盤的材質(zhì)，形狀，橡膠的硬度而有區(qū)別，因此，在計(jì)算得出吸盤直徑時(shí)需留出余量。安全系數(shù)中包括變形部分。 吸附面積： （2-5） 式中： A——吸附面積； D——吸盤直徑。 代入式2-5得： 吸盤直徑雖表示

33、吸盤的外徑，但利用真空壓力吸附物體時(shí)，因真空壓會(huì)使橡膠變形，吸附面積也會(huì)隨之縮小?？s小后的面積即稱為有效吸附面積，此時(shí)的吸盤直徑即稱為有效吸盤直徑。 根據(jù)真空壓力，吸盤橡膠的厚度以及與吸附物的摩擦系數(shù)等不同，有效吸盤直徑也會(huì)有差異，一般情況可預(yù)估會(huì)縮小10%。 選取D=50mm的吸盤： 所以D=50mm的吸盤可行。 表2-2 吸盤各直徑理論起吊力 真空吸盤 （ф mm） 吸附面積 （） 真空壓力（kPa） -40 -50 -60 -70 -80 -90 2 0.031 0.126 0.157 0.188 0.220 0.251 0.283 3

34、.5 0.096 0.385 0.481 0.577 0.673 0.770 0.866 5 0.196 0.785 0.982 1.178 1.374 1.571 1.767 6 0.283 1.131 1.414 1.696 1.979 2.262 2.545 8 0.503 2.011 2.513 3.016 3.519 4.021 4.524 10 0.785 3.142 3.927 4.712 5.498 6.283 7.069 15 1.77 7.069 8.836 10.60 12.37

35、14.14 15.90 20 3.14 12.57 15.71 18.85 21.99 25.13 28.27 25 4.91 19.63 24.54 29.45 34.36 39.27 44.18 30 7.07 28.27 35.34 42.41 49.48 56.55 63.62 35 9.62 38.48 48.11 57.73 67.35 76.97 86.59 40 12.57 50.27 62.83 75.40 87.96 100.5 113.1 50 19.63 78.54 98.17

36、117.8 137.4 157.1 176.7 60 28.27 113.1 141.4 169.6 197.9 226.2 254.5 80 50.27 201.1 251.3 301.6 351.9 402.1 452.4 95 70.88 283.5 354.4 425.3 496.2 567.1 637.9 100 78.54 314.2 392.7 471.2 549.8 628.3 706.9 120 113.1 452.4 565.5 678.6 719.7 904.8 1017.9 150

37、 176.7 706.9 883.6 1060 1237 1414 1590 200 314.2 1257 1571 1885 2199 2513 2827 2.5 電動(dòng)機(jī)的選取 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書p56表4-1。 圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （2-6） 式中： ——圓柱體質(zhì)量（kg）； D——圓柱體直徑（cm）； L——圓柱體長(zhǎng)度或厚度（cm）。 代入式2-6得： 考慮到安裝方式、體積、重量等因素，在交流、直流、步進(jìn)電機(jī)中選取步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書p63頁(yè)表4-3得，初選電動(dòng)機(jī)90

38、BF003的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （2-7） 式中： ——步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）。 （2-8） 式中： ——步進(jìn)電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）。 代入式2-8得： 設(shè)從靜止到5r/s需時(shí)0.5s。 （2-9） 式中： ——角加速度。 代入式2-9得： 由于電動(dòng)機(jī)輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器直接連接滾刷軸，并且考慮聯(lián)軸器摩擦的阻力，所以。 式中： ——傳動(dòng)效率。 （2-10） 式中： ——最大加速轉(zhuǎn)矩。 代入式2-10得： 水平方向電機(jī)的重力不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，故： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算： （2-11） 步進(jìn)電機(jī)的選用： 運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的

39、最大靜轉(zhuǎn)矩為： （2-12） 代入式2-12得： 要求步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所需最大靜轉(zhuǎn)矩： 所以符合要求，選取90BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 2.6 聯(lián)軸器的選取 傳動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩可用下式進(jìn)行計(jì)算： （2-13） 式中： P——傳遞的功率（kW）； n——軸的轉(zhuǎn)速，（r/min）。 初選LT1彈性套柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩許用轉(zhuǎn)速為。 傳動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩工作情況系數(shù)的選取如下表：機(jī)械設(shè)計(jì)p351表14-1。 取1.3。 代入式2-13得： 校核最高轉(zhuǎn)速： 且根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出軸選取。 2.7 軸承的

40、校核 根據(jù)滾刷及聯(lián)軸器的質(zhì)量，設(shè)定徑向力，軸向載荷。 已知軸承的轉(zhuǎn)速為，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無沖擊，設(shè)計(jì)壽命為10年（每天工作8小時(shí)，一年工作200天）。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)p130頁(yè)表13-2得： e=0.22，Y=1.99 當(dāng)時(shí)，徑向當(dāng)量動(dòng)載荷： （2-14） 代入式2-14得： 預(yù)計(jì)壽命： 2.8 滾動(dòng)軸承壽命的計(jì)算 以小時(shí)數(shù)表示的軸承基本額定壽命為： （2-15） （2-16） 代入式2-16得： 查得該軸承基本額定動(dòng)載荷。 所以校核合格。 2.9 軸的計(jì)算： （1）軸的強(qiáng)度校核計(jì)算 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （2-17） 式

41、中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； T——軸所受的扭矩，； ——軸的抗扭截面系數(shù)，； n——軸的轉(zhuǎn)速，； P——軸傳遞的功率，kW； d——計(jì)算截面處軸的直徑，mm； ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 由式2-17可得軸的直徑： （2-18） 式中： 代入式2-18得： 所以取軸d=10mm。 （2）軸的剛度校核計(jì)算 軸的彎曲剛度校核計(jì)算 當(dāng)量直徑（單位為mm）為 （2-19） 式中： ——階梯軸第i段的長(zhǎng)度，mm； ——階

42、梯軸第i段的直徑，mm； L——階梯軸的計(jì)算長(zhǎng)度，mm； Z——階梯軸計(jì)算長(zhǎng)度內(nèi)的軸段數(shù)。 軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算 圓軸扭轉(zhuǎn)角[單位為]的計(jì)算公式為： 階梯軸 （2-20） 式中： T——軸所受的扭矩，； G——軸的材料的剪切彈性模量，MPa，對(duì)于鋼材，； ——軸截面的極慣性矩，，對(duì)于圓軸，； L——階梯軸受扭矩作用長(zhǎng)度，mm； ——分別代表階梯軸第i段上所受的扭矩、長(zhǎng)度和極慣性矩，單位同前； z——階梯軸受扭矩作用的段數(shù)。 軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為：

43、 式中： 為軸每米長(zhǎng)的允許扭轉(zhuǎn)角，對(duì)于一般軸，可取=0.5~1。 2.10 鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算： 半圓鍵連接的強(qiáng)度條件為： （2-21） 式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，； k——鍵與輪轂鍵槽的連接高度，k=0.5h，此處h為鍵的高度，mm； l——鍵的工作長(zhǎng)度，mm，圓頭平鍵l=L-b，這里L(fēng)為鍵的公稱長(zhǎng)度，mm； b為鍵的高度，mm； d——軸的直徑，mm； ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa。 代入式2-21得： 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于，因此校核成功。 2.11

44、 軸向氣缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1）缸徑 根據(jù)氣缸所帶的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)狀況及工作壓力，氣缸計(jì)算步驟如下： 1）根據(jù)氣缸的負(fù)載，計(jì)算氣缸的軸向負(fù)載力F，常見的負(fù)載實(shí)例如圖2-5。 圖2-5 氣缸負(fù)載力示意圖 氣缸的軸向負(fù)載力 （2-22） 式中： ——工件與導(dǎo)軌間的摩擦因數(shù)； m——整體質(zhì)量，（kg）。 代入式2-22得： F=0.25×35×9.8=85.75N 根據(jù)氣缸的平均速度來選氣缸的負(fù)載率。氣缸的運(yùn)動(dòng)速度越高，負(fù)載率應(yīng)選的越小。 氣缸平均速度，如表2-3，選負(fù)載率=0.65 表2-3 氣缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和負(fù)載率 氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和負(fù)載率 阻性負(fù)

45、載 （靜載荷） 慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度v <100mm/s 100~500mm/s >500mm/s 工作壓力p=0.075Mpa 理論輸出力 （2-23） 代入式2-23得： 雙作用氣缸缸徑： （2-24） 代入式2-24得： 故選取雙作用氣缸缸徑為50mm，活塞桿直徑?。? （2）壁厚 由表2-4取壁厚=2.5mm 表2-4 壁厚選取 壁厚/mm 材料 缸徑 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 鋁合金2AL2 壁厚 2.5 2.5~3

46、 3.5~4 4.5~5 20鋼無縫鋼管 2.5 3 3.5 4.5~5 5.5~6 2.12 活塞桿穩(wěn)定性及撓度驗(yàn)算 壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算 氣缸活塞最大行程越長(zhǎng),活塞桿的距離越長(zhǎng),活塞桿的長(zhǎng)度是有限的。如果在活塞桿在軸向推力的極限荷載達(dá)到極限后,活塞桿能出現(xiàn)壓桿是不穩(wěn)定的,發(fā)生彎曲變形。因此，必須進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性驗(yàn)算，其穩(wěn)定條件為： （2-25） 式中： F——活塞桿承受的最大軸向壓力，N； ——縱向彎曲極限力，N； ——穩(wěn)定性安全因數(shù)，一般取1.5~4。 極限力不僅與活塞桿材料、直徑、安裝長(zhǎng)度有關(guān)，還與氣缸的安裝支承條件決定

47、的末端因數(shù)m（見表2-5）有關(guān)。  表2-5 安裝方式及末端因數(shù) 當(dāng)細(xì)長(zhǎng)比時(shí)（歐拉公式）， 實(shí)心圓桿 （2-26） 代入式2-26得： （2-27） 式中： m——末端因數(shù)； E——材料彈性模量，鋼材； J——活塞桿橫截面慣性矩，； L——?dú)飧椎陌惭b長(zhǎng)度，m； d——活塞桿直徑，m。 代入式2-27得： 圖2-6 活塞桿直徑、行程、軸向力對(duì)應(yīng)圖 活塞桿穩(wěn)定條件為，故穩(wěn)定。 式中： F——活塞桿承受的最大軸向力，N； ——縱向彎曲極限力，

48、N； ——穩(wěn)定性安全因數(shù)，一般取1.5~4。 圖2-7 許用負(fù)載校核圖 通過活塞桿直徑為20mm這一點(diǎn)，在圖2-9中穿過行程為50mm，畫一條延長(zhǎng)直線。分別與彎曲撓度與許用負(fù)載兩個(gè)坐標(biāo)軸相交，可得出其彎曲撓度為0.08mm，最大的許用負(fù)載為3000N，因此滿足要求。 確定行程50mm與活塞桿d=20mm處直線的交點(diǎn)，至作用力F的垂線，從而可確定該氣缸所能承受的最大軸向力F=20000N。 2.13 本章小結(jié) 本章中對(duì)此設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的計(jì)算，得出該設(shè)計(jì)的可行性，并從中挑選出最佳方案，從理論的角度對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。（1）對(duì)在開題報(bào)告階段的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行

49、具化，得出受力分析，為以下計(jì)算打下基礎(chǔ)。（2）對(duì)選用的材料所制成的零件進(jìn)行了強(qiáng)度的校核，是符合要求（3）對(duì)設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選取和強(qiáng)度校核，使符合要求。 3 爬壁清洗機(jī)器人氣動(dòng)設(shè)計(jì) 3.1 吸附部分 選用兩個(gè)兩位兩通電磁閥，根據(jù)在第二部分所選的真空泵和吸盤的規(guī)格，對(duì)吸附部分的設(shè)計(jì)如圖3-1所示： 圖3-1 吸附部分氣路圖 1、兩位兩通電磁閥 2、真空泵 3、單向閥 4、真空吸盤 5、過濾器 由圖3-1可以看出吸附部分的氣動(dòng)回路工作原理為：打開真空泵通過單向閥、過濾器、節(jié)流閥與油霧器，分離了空氣中的水汽使工作時(shí)保持空氣的干燥。當(dāng)按鈕無動(dòng)作時(shí)，吸盤處于松開狀態(tài)，當(dāng)按動(dòng)吸附按鈕時(shí)，即

50、電磁得電，電磁閥切換到左位，使吸盤吸附。吸盤具體的操作控制設(shè)計(jì)部分詳見第四部分。 3.2 氣缸運(yùn)動(dòng)部分 電磁閥的結(jié)構(gòu)是在它里面有密閉腔,不同的位置打開了每個(gè)孔都出現(xiàn)通路都是連接不同的氣管,雙方面都是有兩塊電磁鐵在上面，如果左面的電磁鐵線圈得電，閥體就會(huì)被往左邊吸住，如果右面的電磁鐵線圈得電，閥體就會(huì)被往左邊吸住，可以運(yùn)用這樣的操作控制預(yù)想的通路，（即堵住不想運(yùn)用的氣孔，打開想要運(yùn)用的氣孔）。如果進(jìn)氣孔是常開的，氣流就會(huì)通過電磁鐵的動(dòng)作來判斷所要通路氣路，然后再來推動(dòng)活塞桿，使氣缸進(jìn)行想要的操作。這就是氣缸與電磁閥在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)用。 為實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的上下左右的移動(dòng)與整體的抬起，對(duì)運(yùn)動(dòng)部

51、分的設(shè)計(jì)如圖： 圖3-2 氣動(dòng)系統(tǒng)圖 1、普通雙作用氣缸 2、雙作用無桿氣缸 3、三位五通電磁閥 4、氣壓泵 5、過濾器 6、節(jié)流閥 7、油霧器 由圖3-2可以看出運(yùn)動(dòng)部分的氣動(dòng)回路工作原理為：打開氣壓泵通過過濾器、節(jié)流閥與油霧器，分離了空氣中的水汽使工作時(shí)保持空氣的干燥。當(dāng)按鈕無動(dòng)作時(shí)，氣缸處于松靜止?fàn)顟B(tài)狀態(tài)，當(dāng)按動(dòng)抬升按鈕時(shí)，即電磁YA4、YA6得電，電磁閥切換到右位，使氣缸桿伸出；當(dāng)按動(dòng)下降按鈕時(shí)，即電磁YA3、YA5得電，電磁閥切換到左位，使氣缸桿縮回；當(dāng)按動(dòng)向左按鈕時(shí)，即電磁YA9得電，電磁閥切換到右位，使無桿氣缸桿滑塊向左，帶動(dòng)移動(dòng)支架向左；當(dāng)按動(dòng)向右按鈕時(shí)，即電磁YA1

52、0得電，電磁閥切換到左位，使無桿氣缸桿滑塊向右，帶動(dòng)移動(dòng)支架向右；當(dāng)按動(dòng)向上按鈕時(shí)，即電磁YA7得電，電磁閥切換到右位，使無桿氣缸桿滑塊向上，帶動(dòng)移動(dòng)支架向上；當(dāng)按動(dòng)向下按鈕時(shí)，即電磁YA8得電，電磁閥切換到左位，使無桿氣缸桿滑塊向下，帶動(dòng)移動(dòng)支架向下。氣缸具體的操作控制設(shè)計(jì)部分詳見第四部分。 3.3 本章小結(jié) 本系統(tǒng)運(yùn)用了兩個(gè)部分的回路：吸附部分和運(yùn)動(dòng)部分。在吸附部分的氣動(dòng)回路中，采用了單向伐，以防吸盤中的真空度不夠，導(dǎo)致吸附力未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的數(shù)值。在運(yùn)動(dòng)部分采用了電磁換向閥，使氣缸的運(yùn)動(dòng)達(dá)到第二章節(jié)所描述的運(yùn)動(dòng)要求。在兩大部分都安裝了氣動(dòng)三元件，為了保證在回路中的空氣是干燥的。 4

53、 爬壁清洗機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 4.1 PLC的概述及發(fā)展 在二十世紀(jì)六十年代末，70年代初，PLC控制在世界技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)生，歷經(jīng)38年的改進(jìn)，目前已經(jīng)成為最重要的一個(gè)可靠性和應(yīng)用場(chǎng)合最好、最多的工業(yè)控制超小型電腦。這應(yīng)用了大規(guī)模集成電路、微型機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展的階段性成果形成多種多樣的優(yōu)點(diǎn)和微軟、小型、中型大型,超大型等各種規(guī)格的用于系列產(chǎn)品PLC控制系統(tǒng),監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的許多過程控制領(lǐng)域?？梢耘c控制器理論編程已經(jīng)數(shù)控技術(shù)及產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人一同工業(yè)自動(dòng)化三大支柱。 最早的的PLC僅僅運(yùn)用在邏輯控制的地方，更替原有的繼電器所制成的控制系統(tǒng)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,PLC為微處理器的核心,應(yīng)

54、用于開關(guān)量、數(shù)量和模擬控制的數(shù)字量,它進(jìn)入了過程控制和位置控制等控制域?，F(xiàn)在,可編程控制器仍然有可編程邏輯控制器的全部?jī)?yōu)勢(shì)和優(yōu)點(diǎn)，而且汲取了并且發(fā)展了別的控制設(shè)備的優(yōu)點(diǎn),涵括了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、離散系統(tǒng),分散的系統(tǒng),等等。在大多數(shù)使用過程中,和可編程控制器,能夠讓各種各樣綜合控制系統(tǒng)中,例如一個(gè)邏輯控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)、圖形工作站,等等。 在二十世紀(jì)八十到九十年代期間，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)可編程控制器的定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用了可編程序的儲(chǔ)存器，用來在其內(nèi)部?jī)?chǔ)存執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)

55、算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入輸出，控制各種類型的的機(jī)械或生產(chǎn)過程。（1）數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)——實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)；（2）專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)；（3）面向用戶指令——編程方便；（4）邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)算、和算術(shù)操作；（5）數(shù)字量或模擬量輸入輸出控制；（6）易與控制系統(tǒng)連成一體；（7）易于擴(kuò)充。 20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程邏輯控制器，使可編程邏輯控制器增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。此時(shí)的可編程邏輯控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能

56、特點(diǎn)，可編程邏輯控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。20世紀(jì)70年代中末期，可編程邏輯控制器（即PLC）進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)介紹可編程控制器,使其功能的飛躍。高速度、小體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì),模擬操作,高比率的PID,是它在現(xiàn)代工業(yè)的現(xiàn)狀。在1980年代,可編程邏輯控制器在先進(jìn)的工業(yè)化國(guó)家已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。世界生產(chǎn)的可編程控制器的國(guó)家增加、生產(chǎn)日益提高。這標(biāo)志著一種可編程控制器已進(jìn)入成熟階段。在1980年代到90年代,是一種可編程邏輯控制器增長(zhǎng)最快的時(shí)期,每年的增長(zhǎng)率仍為百分之三十到百分之四十。在這個(gè)時(shí)期,PLC在處理模擬能力,數(shù)字運(yùn)

57、算能力,人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)容量的能力大大提高，可編程邏輯控制器逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域,在某些應(yīng)用程序中取代了在過程控制領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位的DCS系統(tǒng)。20世紀(jì),可編程邏輯控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的需要。這期間,大型機(jī)和小型機(jī)發(fā)展,誕生了各種特殊功能單元,生產(chǎn)各種人機(jī)界面單元,溝通單元,使應(yīng)用程序可編程邏輯控制器工業(yè)控制設(shè)備支持更容易。 4.2 PLC的I/O口分配 首先對(duì)機(jī)器人所需要控制的動(dòng)作進(jìn)行分析，得出輸入端口的操作控制和輸出端口的執(zhí)行操作，詳見表4-1。 表4-1 PLC的I/O口分配 端口 操作控制 端口 執(zhí)行操作 X0000 X軸向洗盤吸住 Y0000 X軸向洗

58、盤吸住 X0001 X軸向吸盤放開 Y0001 Y軸向吸盤吸住 X0002 Y軸向吸盤吸住 Y0002 X軸向氣缸抬起 X0003 Y軸向吸盤放開 Y0003 X軸向氣缸放下 X0004 X軸向氣缸抬起 Y0004 Y軸向氣缸抬起 X0005 X軸向氣缸放下 Y0005 Y軸向氣缸放下 X0006 Y軸向氣缸抬起 Y0006 X軸向無桿氣缸向左 X0007 Y軸向氣缸放下 Y0007 X軸向無桿氣缸向右 X0008 X軸向無桿氣缸向左 Y0008 Y軸向無桿氣缸向上 X0009 X軸向無桿氣缸向右 Y0009 Y軸向無桿氣

59、缸向下 X0010 Y軸向無桿氣缸向上 Y0010 電機(jī)正轉(zhuǎn) X0011 Y軸向無桿氣缸向下 Y0011 噴頭打開 4.3 PLC選型 根據(jù)表4-1中I/O口個(gè)數(shù)進(jìn)行選型選用FX1N-24MR-001，該P(yáng)LC品牌為三菱，輸入點(diǎn)數(shù)：24；輸出點(diǎn)數(shù)：16。FX1N-24MR-001三菱PLC FX1N系列是一種卡片大小的PLC，適合在小型環(huán)境中進(jìn)行控制（例如本設(shè)計(jì)中的爬壁清洗機(jī)器人）。它具有卓越的性能、串行通訊功能以及緊湊的尺寸，這使得它們能用在以前常規(guī)PLC無法安裝的地方故符合要求。 4.2 PLC控制面板 在設(shè)計(jì)控制面板時(shí)考慮到要使操作人員直觀地通過操作面板了解到機(jī)器

60、人的運(yùn)行動(dòng)作，把控制方向的按鈕（SB9、SB10、SB11、SB12）制造成方向鍵的形狀，使操作簡(jiǎn)單易懂。詳見圖4-1。 圖4-1 PLC控制面板 4.4 PLC的I/O口分配圖 結(jié)合表4-1與圖4-1中的內(nèi)容在PLC上進(jìn)行接線，詳見圖4-2。 圖4-2 PLC的I/O口分配圖 4.5 PLC梯形圖 由于本次設(shè)計(jì)的爬壁清洗機(jī)器人的控制為人工在地面操作，出于安全的考慮，在編程的時(shí)候會(huì)有一些互鎖的環(huán)節(jié)，以防機(jī)器人的掉落及誤操作。 圖4-3 PLC梯形圖1 如圖4-3所示，此操作為按下SB1和SB3分別使電磁YA1和YA2得電，通過真空泵使吸盤吸附，并實(shí)現(xiàn)自鎖，按下S

61、B2和SB4分別使電磁YA1和YA2失電，實(shí)現(xiàn)松開吸盤的操作 圖4-4 PLC梯形圖2 如圖4-4所示，此操作為按下SB5使電磁YA3得電，并且只能在Y軸向吸盤吸住、Y軸向氣缸放下時(shí)才能使X軸向氣缸抬起；按下SB6使電磁YA4得電，并且只能在Y軸向吸盤吸住、Y軸向氣缸放下時(shí)才能使X軸向氣缸放下。并分別實(shí)現(xiàn)自鎖。 圖4-5 PLC梯形圖3 如圖4-5所示，此操作為按下SB7使電磁YA5得電，并且只能在X軸向吸盤吸住、X軸向氣缸放下時(shí)才能使Y軸向氣缸抬起；按下SB8使電磁YA6得電，并且只能在X軸向吸盤吸住、X軸向氣缸放下時(shí)才能使Y軸向氣缸放下。并分別實(shí)現(xiàn)自鎖。 圖4

62、-6 PLC梯形圖4 如圖4-6所示，此操作為按下SB9使電磁YA10得電，并且只能在Y軸向氣缸抬起、Y軸向吸盤吸住、X軸向氣缸放下時(shí)才能使X軸向無桿氣缸氣缸向左；按下SB10使電磁YA9得電，并且只能在Y軸向氣缸抬起、Y軸向吸盤吸住、X軸向氣缸放下時(shí)才能使X軸向無桿氣缸氣缸向右。并分別實(shí)現(xiàn)自鎖。 圖4-7 PLC梯形圖5 如圖4-7所示，此操作為按下SB11使電磁YA8得電，并且只能在X軸向氣缸抬起、X軸向吸盤吸住、Y軸向氣缸放下時(shí)才能使Y軸向無桿氣缸氣缸向上；按下SB12使電磁YA7得電，并且只能在X軸向氣缸抬起、X軸向吸盤吸住、Y軸向氣缸放下時(shí)才能使Y軸向無桿氣缸氣缸向下。

63、并分別實(shí)現(xiàn)自鎖。 圖4-8 PLC梯形圖6 如圖4-8所示，當(dāng)四個(gè)腳上的雙作用拉桿氣缸都收縮時(shí)（即爬壁清洗機(jī)器人整體放下時(shí)），電機(jī)正轉(zhuǎn)，噴淋啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)自鎖。 4.5 本章小結(jié) 本章中對(duì)爬壁清洗機(jī)器人的控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)于控制的簡(jiǎn)繁程度進(jìn)行優(yōu)化，給出最簡(jiǎn)單最方便的控制面板以便人們快速上手。其次，在運(yùn)用是的安全方面進(jìn)行考慮，在梯形圖中有表現(xiàn)出幾個(gè)控制的互鎖，以防機(jī)器人的掉落和運(yùn)行不合理。 5 結(jié)論 經(jīng)過這最后一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我真正懂得了學(xué)以致用的道理，本設(shè)計(jì)的題目是爬壁清洗機(jī)器人，本設(shè)計(jì)是以降低人工成本、降低人工操作安全隱患為目的，通過真空泵連接在真空吸盤上，實(shí)

64、現(xiàn)機(jī)器人在豎直墻面的吸附，通過雙作用無桿氣缸上的滑塊的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腳步的移動(dòng)，通過四只腳上的雙作用拉桿氣缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人整體的抬升降低。 通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算。包括整體支架、電機(jī)、氣壓控制部分的計(jì)算，結(jié)合市面上已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參考，對(duì)機(jī)構(gòu)中氣壓控制和PLC控制方式分析聯(lián)系，最終設(shè)計(jì)出氣動(dòng)回路。 在設(shè)計(jì)的過程中，系統(tǒng)主要零件和部件的校核計(jì)算最為重要，直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。 參考文獻(xiàn) [1]肖立，佟仕忠，丁啟敏，吳俊生.爬壁機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展The Current Situation and Development of the Wall-Clim

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