爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì) 玻璃外墻幕墻-真空吸附式【三維CREO】【5張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】
爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì) 玻璃外墻幕墻-真空吸附式【三維CREO】【5張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】,三維CREO,5張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū),爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì),玻璃外墻幕墻-真空吸附式【三維CREO】【5張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】,清洗,機(jī)器人,設(shè)計(jì),玻璃,外墻,幕墻,真空,吸附,三維,creo,cad
摘要
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和建筑行業(yè)的興起，摩天大樓如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。世界上最高的大樓是迪拜的哈利法塔，高828米，樓層共有162層，玻璃幕墻面積達(dá)到14.2萬(wàn)平方米。中國(guó)修建的最高大樓為上海中心大廈，總高度為632米，玻璃幕墻達(dá)14萬(wàn)平方米。這些建筑都是科技的結(jié)晶，也是每一個(gè)城市的地標(biāo)性建筑。但是玻璃幕墻在給人們美觀享受的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)一些清潔上的問(wèn)題。這些高樓外墻的清洗工作是由人工完成，人工清洗耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，耗資巨大也非常容易出事故，危險(xiǎn)性很高。當(dāng)機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越成熟，高層建筑大多采用玻璃做幕墻時(shí)，機(jī)器人代替人工進(jìn)行清洗作業(yè)已成為應(yīng)用趨勢(shì)。因此，爬壁清洗機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的社會(huì)效益。
本論文在機(jī)器人本體上安裝清洗裝置，利用吸盤(pán)來(lái)吸附墻面。驅(qū)動(dòng)方式采用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)的抬起和落下，通過(guò)兩個(gè)可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)行走，使玻璃幕墻的清洗過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。本文采用Proe來(lái)完成機(jī)器人的三維圖繪制并進(jìn)行結(jié)構(gòu)主體參數(shù)設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)PLC進(jìn)行爬壁清洗機(jī)器人控制部分的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：爬壁清洗機(jī)器人；Proe；PLC
Abstract
With the continuous development of the economy and the rise of the construction industry, skyscrapers have sprung up.The tallest building in the world is Burj Khalifa in Dubai. It is 828 meters high, with 162 floors and 142,000 square meters of glass curtain walls. The tallest building built in China is the Shanghai Center Tower, with a total height of 632 meters and a glass curtain wall of 140,000 square meters. These buildings are the crystallization of science and technology and are landmarks for every city. However, the glass curtain wall will bring about some clean problems while people enjoy it. The cleaning of these high-rise exterior walls is done manually. Manual cleaning takes a long time. It is very costly and accident-prone. The danger is high. When robot technology becomes more and more mature, and high-rise buildings mostly use glass as the curtain wall, robots have become an application trend instead of manual cleaning. Therefore, wall-climbing robots have broad application prospects and good social benefits.
In this paper, a cleaning device is installed on the robot body, and a sucker is used to adsorb the wall surface. The driving method adopts a cylinder to realize the lifting and falling of the sucker, and the movable walking is achieved through two suckers that can relatively rotate, so that the cleaning process of the glass curtain wall is automated. This paper uses Proe to complete the three-dimensional drawing of the robot and design the main parameters of the structure. Finally, the design of the control part of the wall-climbing robot is performed through the PLC.
Keywords: Wall climbing cleaning robot；Proe； PLC
目錄
1 緒論 1
1.1 選題背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1
1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 3
1.3高樓清洗爬壁機(jī)器人存在的問(wèn)題 3
1.4 研究?jī)?nèi)容 4
1.4.1爬壁清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4
1.4.2爬壁清洗機(jī)器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4
1.4.3爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4
1.5本章小結(jié) 5
2 爬壁清洗機(jī)器人總體方案 6
2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求 6
2.2爬壁清洗機(jī)器人行走越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
2.3 爬壁清洗機(jī)器人清洗裝置設(shè)計(jì) 7
2.4 本章小結(jié) 8
3 爬壁清洗機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9
3.1滾刷裝置的設(shè)計(jì) 9
3.2清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設(shè)計(jì) 10
3.3水泵的選擇 12
3.4本章小結(jié) 13
4 爬壁清洗機(jī)器人爬壁越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
4.1爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 14
4.2吸附裝置的設(shè)計(jì) 14
4.3機(jī)器人跨越障礙和路徑規(guī)劃 16
4.4氣缸運(yùn)動(dòng)部分 17
4.5本章小結(jié) 18
5 爬壁清洗機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 19
5.1 PLC的概述 19
5.2 PLC的I/O口分配 19
5.3 PLC選型 20
5.4 PLC梯形圖 20
5.5本章小結(jié) 21
參考文獻(xiàn) 1
致 謝 2
附錄A 裝配圖和零件圖 3
附錄B 外文翻譯 7
V
1 緒論
1.1 選題背景及意義
機(jī)器人是人類(lèi)當(dāng)今社會(huì)的一項(xiàng)偉大的發(fā)明之一，它是利用自身機(jī)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)來(lái)達(dá)成人們想要實(shí)現(xiàn)的各種功能。機(jī)器人集合了控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子元件、計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)等綜合性學(xué)科的高科技產(chǎn)物。是一種按照設(shè)定的指令工作并高速運(yùn)行的仿人類(lèi)操作和高精度的自動(dòng)化機(jī)器。自從機(jī)器人成功問(wèn)世以來(lái)，不但使我們的制造業(yè)和科學(xué)研發(fā)向前邁進(jìn)了一大步，對(duì)人類(lèi)的生活產(chǎn)生了很深遠(yuǎn)的影響。各種各樣的機(jī)器人已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)各行各業(yè)所不能缺少的一份子。機(jī)器人的出現(xiàn)使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)的失誤率降到最低，它還代替人類(lèi)進(jìn)行手術(shù)，服務(wù)與各行各業(yè)，推動(dòng)了全世界自動(dòng)化行業(yè)的大力發(fā)展。
一個(gè)城市的興起，最先體現(xiàn)在一棟棟拔地而起的高樓上，這些高樓大多數(shù)都是采用玻璃作為幕墻。這些玻璃幕墻逐漸演繹成了一道美麗的“城市外衣”，但是對(duì)于這些越來(lái)越多的高層建筑上的玻璃幕墻，如何清洗卻成為了一個(gè)大問(wèn)題。當(dāng)越來(lái)越多的高樓采用玻璃作為幕墻后，使用傳統(tǒng)的人工清洗方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的達(dá)不到需求。而且，因?yàn)闃菍拥母叨仍絹?lái)越高，人工清洗面臨的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，停止使用蜘蛛人的呼聲也越來(lái)越急切?，F(xiàn)在急需一個(gè)新的高效清洗玻璃幕墻的方法。所以對(duì)于爬壁清洗機(jī)器人的研究就迫在眉睫了。
因?yàn)椴Ａ粔@種新型的墻體建材，它可以將建筑的外觀、節(jié)能、采光等屬性結(jié)合在一起，所以近年來(lái)成為了高層建筑外墻的首選材料。根據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)玻璃幕墻的面積大概有三十億平方米，而且每年還有近千萬(wàn)平方千米的玻璃幕墻產(chǎn)生，而玻璃幕墻的清潔費(fèi)用早超過(guò)百億元。因?yàn)槌鞘邪l(fā)展的越來(lái)越快，所以國(guó)內(nèi)多個(gè)城市對(duì)于幕墻的清潔也進(jìn)行了規(guī)范。因?yàn)槊織潣堑牟Ａ粔Χ疾幌嗤?，所以?duì)于不同的建筑清潔規(guī)定也不同，但這也不可避免的加大了市場(chǎng)對(duì)玻璃幕墻清潔服務(wù)的需求。比如：北京五星級(jí)、四星級(jí)建筑的玻璃幕墻按照政府規(guī)定每季度必須清潔一次。北京的五星級(jí)飯店就有20多家，四星級(jí)飯店也有20多家，三星級(jí)飯店有100多家，二星級(jí)飯店有168家，對(duì)于北京火車(chē)站，也是由玻璃作為幕墻的，每到重大節(jié)假日都需要人工來(lái)進(jìn)行清潔，而每一次的清潔費(fèi)用就需要20多萬(wàn)。同樣的上海聯(lián)華大廈、北京天倫王朝飯店這些玻璃幕墻一次的清潔費(fèi)都超過(guò)了10萬(wàn)元。所以說(shuō)爬壁清洗機(jī)器人有很大的潛在市場(chǎng)。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
自從爬壁機(jī)器人面世以來(lái)，就是各國(guó)重點(diǎn)研究的項(xiàng)目，每個(gè)國(guó)家都投入了大量的資源來(lái)進(jìn)行機(jī)器人的研發(fā)，如美國(guó)、日本、英國(guó)、俄羅斯等國(guó)，并且也取得了不錯(cuò)的成果。日本就是世界上最早研發(fā)成果爬壁機(jī)器人的國(guó)家，在1966年的日本大阪府立大學(xué)部西亮教授制作了第一個(gè)單吸盤(pán)爬壁機(jī)器人，并且根據(jù)樣機(jī)很快研發(fā)出了一系列的爬壁機(jī)器人。在1987年，日本成功研制除了多足爬壁機(jī)器人Walker如下圖1.1，這款機(jī)器人將人們對(duì)于爬壁機(jī)器人的研究向前推進(jìn)了一大步。1982年，日本宮崎大學(xué)成功研發(fā)出了一種爬壁機(jī)器人，這款機(jī)器人可以通過(guò)腿部頂端的吸盤(pán)來(lái)貼緊墻面，利用兩條腿的循環(huán)吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，在腳底適當(dāng)?shù)膬A斜一下，然后通過(guò)圓規(guī)腳的開(kāi)合就能越過(guò)一定的障礙物。除了吸盤(pán)式爬壁機(jī)器人外日本還研制出履帶式機(jī)器人、磁吸附車(chē)輪式機(jī)器人等等。
圖1-1 Walker 圖1-2 履帶式機(jī)器人
圖1-3 Robug 圖1-4 吸盤(pán)吸附機(jī)器人
美國(guó)對(duì)于爬壁機(jī)器人的研究也有很長(zhǎng)的時(shí)間，在1986年美國(guó)國(guó)際機(jī)器人公司就研發(fā)了一款可以成功清洗玻璃外墻的機(jī)器人“SkyWasher”。在這之后，1989年美國(guó)州立威寄托大學(xué)也研發(fā)成功了一個(gè)機(jī)器人系列ROSTAM系列，這款機(jī)器人上面有傳感器和攝像頭，可以用來(lái)探測(cè)路面和路障，它有四個(gè)吸盤(pán)組，可以進(jìn)行上下左右的移動(dòng)，在這之后美國(guó)所設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人都是在這款機(jī)器人的原型上進(jìn)行研制的。英國(guó)從上世紀(jì)80年代就開(kāi)始研發(fā)爬壁清洗機(jī)器人。在1994年終于研制成功了一款多足真空吸附的爬壁清洗機(jī)器人，如上圖1.3。在這個(gè)基礎(chǔ)上，英國(guó)人又研發(fā)出了Robug如圖1.3，這款機(jī)器人有8只類(lèi)似于蜘蛛一樣的足，每個(gè)足的根部都有一個(gè)吸盤(pán)不但可以進(jìn)行壁面移動(dòng)還可以從一個(gè)壁面移動(dòng)到另一個(gè)壁面，研發(fā)者將款機(jī)器人派往搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中。
1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)對(duì)于爬壁清洗機(jī)器人的研究時(shí)間要比國(guó)外遲很多，在七十年代初期，我國(guó)才開(kāi)始研發(fā)壁面清洗機(jī)器人。1975年，北京舉行的科技交流會(huì)上，日本的川崎重工業(yè)公司第一次在中國(guó)演示了工業(yè)機(jī)器人，此次演示后，我國(guó)拉開(kāi)了機(jī)器人研究的序幕。上海大學(xué)是第一個(gè)由科學(xué)研究委員會(huì)和國(guó)家共同支持研究爬壁機(jī)器人的大學(xué)。在這之后，北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等學(xué)校都設(shè)立了爬壁機(jī)器人研究單位。目前都獲得了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不懈努力，先后研制了多種類(lèi)型的爬壁機(jī)器人，比如多吸盤(pán)輪式驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人如下圖（圖1-7），磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人如下圖（圖1-5）。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)出的壁虎系列爬壁機(jī)器人等，如下圖（圖1-6）該機(jī)器人利用十字型氣缸可以進(jìn)行快速的平面運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)器人周?chē)膫鞲衅鱽?lái)辨別障礙，控制系統(tǒng)有兩種人工控制和全自動(dòng)控制，該機(jī)器人可以靈活地調(diào)轉(zhuǎn)方向、行動(dòng)迅速，可以越過(guò)一定的障礙物。
圖1-5 磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人 圖1-6 十字氣缸型爬壁機(jī)器人
圖1-7 履帶吸盤(pán)式爬壁清洗機(jī)器人
1.3高樓清洗爬壁機(jī)器人存在的問(wèn)題
高樓清洗爬壁機(jī)器人的研究已有幾十年，但是現(xiàn)在的玻璃幕墻清洗大多數(shù)還是由人工完成，雖然我們研發(fā)了各種各樣的機(jī)器人，但是總體來(lái)說(shuō)每一款機(jī)器人都存在一些問(wèn)題：
1）吸附能力與玻璃幕墻壁面適應(yīng)性的矛盾。因?yàn)楝F(xiàn)在的玻璃幕墻并不是采用全玻璃，有的幕墻有縫隙有的幕墻有凸起或凹陷有的幕墻有瓷磚等。就是這種多種多樣的幕墻才使得爬壁機(jī)器人的工作難度越來(lái)越大，要實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的幕墻清洗，必須解決密封性、跨越障礙、移動(dòng)轉(zhuǎn)彎等等技術(shù)問(wèn)題，要不然會(huì)使機(jī)器人的清洗效率大大降低，
2清洗機(jī)構(gòu)與機(jī)器人負(fù)重能力的矛盾。清洗玻璃幕墻就需要大量的水，但是機(jī)器人的吸附力是有限的，不可能攜帶大量的水進(jìn)行高空作業(yè)，用水管進(jìn)行供水也只能解決一定高度的清洗問(wèn)題，因?yàn)殡S著高度的增加，水管的自身的重量也會(huì)增加，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人吸附力不足。所以就需要規(guī)劃一個(gè)水自循環(huán)的系統(tǒng)。
3）移動(dòng)技術(shù)與機(jī)器人靈活性的矛盾。因?yàn)槲覀円O(shè)計(jì)一個(gè)盡可能小型化的機(jī)器人，并且需要機(jī)器人有一定的負(fù)載攜帶能力，還需要機(jī)器人高效的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向、跨越障礙等等問(wèn)題。
1.4 研究?jī)?nèi)容
近幾年來(lái)，隨著高層建筑越來(lái)越多，人們對(duì)于幕墻清洗機(jī)器人的研究也越來(lái)越深入，出現(xiàn)了各種各樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是真正能應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很少，所以本論文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。
1.4.1爬壁清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
爬壁機(jī)器人根據(jù)爬壁方式可分為吸盤(pán)吸附爬壁機(jī)器人、磁吸附爬壁機(jī)器人、飛翔式爬壁機(jī)器人、繩子牽引式爬壁機(jī)器人、粘著劑吸附式爬壁機(jī)器人。由于幕墻的多種多樣，就會(huì)出現(xiàn)玻璃墻面高低不一的情況，會(huì)有一點(diǎn)凸起的瓷磚或者擋板，所以機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)需要有一定的越障功能。通過(guò)對(duì)機(jī)器人吸盤(pán)位置的設(shè)計(jì)、直徑的計(jì)算、吸附方式設(shè)計(jì)、跨越障礙物高度設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單方便的爬壁系統(tǒng)。
1.4.2爬壁清洗機(jī)器人的清洗作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
爬壁清洗機(jī)器人清洗作業(yè)系統(tǒng)中有噴霧沖洗、清洗盤(pán)刷洗、刮板刮洗、水循環(huán)回收等設(shè)計(jì)，噴霧裝置既可以沖刷壁面，清洗盤(pán)可以大面積清洗，刮板對(duì)水回收利用，這套清洗系統(tǒng)能有效的清洗幕墻壁面，并且加大清洗效率。
1.4.3爬壁清洗機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)采用的是PLC來(lái)進(jìn)行爬壁清洗機(jī)器人的控制，因?yàn)镻LC的操作簡(jiǎn)單，便于控制，PLC需要對(duì)該款機(jī)器人進(jìn)行吸盤(pán)脫離、吸盤(pán)吸附、電機(jī)正傳、電機(jī)反轉(zhuǎn)、清洗順序等控制。
1.5本章小結(jié)
本章主要論述了課題的鉆研背景和意義，另外對(duì)國(guó)內(nèi)外爬壁機(jī)器人的發(fā)展歷程、研究成果、和發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單的了解。對(duì)爬壁清洗機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的預(yù)期和對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，明確了主要的研究?jī)?nèi)容和研究方向。
2 爬壁清洗機(jī)器人總體方案
2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求
爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)是為了代替人工清洗，因?yàn)楦邔咏ㄖ嚯x地面過(guò)高，所以為了提高安全性，機(jī)器人的總體重量必須控制在一定范圍。因?yàn)闄C(jī)器人自身的重量和所攜帶的負(fù)載，本身需要有定的剛度。所以采用高強(qiáng)度鋁合金為爬壁清洗機(jī)器人的主要支撐架的材料。機(jī)器人總設(shè)計(jì)三維裝配圖如下：
圖2-1 機(jī)器人總設(shè)計(jì)三維裝配圖
1-移動(dòng)吸附裝置 2-刮板 3-噴管 4-接水裝置 5-水箱 6-電機(jī) 7-外殼
如上圖所示，爬壁清洗機(jī)器人由兩部分機(jī)構(gòu)組成，清洗機(jī)構(gòu)和爬壁越障機(jī)構(gòu)。1是機(jī)器人移動(dòng)吸附裝置，主要用來(lái)移動(dòng)和跨越障礙。2是清潔系統(tǒng)的刮板，主要作用是清除壁面上殘留水漬。3是清潔系統(tǒng)中的噴管，主要作用是沖洗壁面。4是清潔系統(tǒng)中的接水裝置，主要用來(lái)收集刮板上清除之后的水漬。5是水箱，主要作用提供清水。6是電機(jī)，主要作用是帶動(dòng)清洗盤(pán)。7是機(jī)身外殼，主要作用是連接各個(gè)部件。
2.2爬壁清洗機(jī)器人行走越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
爬壁清洗機(jī)器人的爬壁系統(tǒng)是由兩個(gè)固定的吸盤(pán)組成，總共有四個(gè)吸盤(pán)組。兩個(gè)吸盤(pán)都可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可以帶動(dòng)另一個(gè)吸盤(pán)動(dòng)，每一個(gè)吸盤(pán)上面裝有一個(gè)氣缸，用來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)的上下運(yùn)動(dòng)，吸盤(pán)上面有一個(gè)孔，連接的是真空發(fā)生器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)吸住和分離，采用的是負(fù)壓。氣缸上面的固定架有一個(gè)齒條，爬壁清洗機(jī)器人主體和吸盤(pán)的連接軸上有一個(gè)電機(jī)，電機(jī)上有個(gè)齒輪，這個(gè)齒輪和齒輪條嚙合，通過(guò)電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)吸盤(pán)到另一個(gè)吸盤(pán)的運(yùn)動(dòng)，也就是機(jī)器人的移動(dòng)功能。在氣缸的收縮下，吸盤(pán)可以跨越一定的高度，這個(gè)高度最大值就是氣缸的最大行程，這個(gè)也就是機(jī)器人的越障功能。移動(dòng)吸盤(pán)的三維設(shè)計(jì)圖如下圖2-2所示。
圖2-2移動(dòng)吸盤(pán)
1-電機(jī) 2-離合器 3-氣缸 4-真空發(fā)生器 5-吸盤(pán)
如上圖所示。1是電機(jī)，主要作用是帶動(dòng)吸盤(pán)做相互運(yùn)動(dòng)和在兩個(gè)吸盤(pán)之間移動(dòng)。2是離合器，主要作用是用來(lái)對(duì)電機(jī)軸的分離合嚙合。3是氣缸，主要用來(lái)推動(dòng)吸盤(pán)做上下運(yùn)動(dòng)。4是真空發(fā)生器，主要用來(lái)使吸盤(pán)產(chǎn)生負(fù)壓吸住壁面。5是吸盤(pán)，起吸附作用。
2.3 爬壁清洗機(jī)器人清洗裝置設(shè)計(jì)
高層建筑玻璃幕墻上面的污垢基本上都是大氣塵土，沒(méi)有特別難以清洗的污漬，清潔系統(tǒng)采用滾刷盤(pán)的形式，一次清洗到位，而且可以達(dá)到最大清洗面積。機(jī)器人前面有噴嘴沖洗、中間有滾刷盤(pán)的刷洗、后面還有刮板刮洗，采用這種聯(lián)合清洗方式就可以完全清除幕墻上面的大氣塵土。具體設(shè)計(jì)如下圖2-3所示。
圖2-3 清洗系統(tǒng)裝配圖
1-噴管 2-刮板 3-接水器 4-水箱 5-外殼 6-電機(jī)
清洗系統(tǒng)的清洗步驟：先由1號(hào)噴嘴通過(guò)水箱中水泵抽出形成噴霧沖洗玻璃幕墻，可以清除玻璃幕墻上附著力小的污漬，并且還能浸泡玻璃幕墻；然后6號(hào)電機(jī)通過(guò)主軸帶動(dòng)5號(hào)清洗盤(pán)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)清洗盤(pán)上的刷子進(jìn)行進(jìn)一步清洗，之后由2號(hào)刮板刮去殘留污漬和水漬，再經(jīng)由3號(hào)接水裝置通過(guò)管道流入水箱。形成水的循環(huán)利用。通過(guò)這種聯(lián)合清洗的方式可以完全清楚玻璃幕墻上的大氣塵土。
2.4 本章小結(jié)
本章確定了爬壁清洗機(jī)器人材料的選擇，詳細(xì)闡述了機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)、爬壁系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)。對(duì)機(jī)器人的總體框架進(jìn)行了構(gòu)思，對(duì)移動(dòng)越障方案、清洗方案設(shè)計(jì)、水循環(huán)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
3 爬壁清洗機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
爬壁清洗機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)是圓形的清洗機(jī)構(gòu)，這種清洗機(jī)構(gòu)即可以清洗徹底，而且清洗面積大，并且驅(qū)動(dòng)方便，只需要一個(gè)電機(jī)和減速裝置就可以帶動(dòng)清洗盤(pán)清洗。水循環(huán)系統(tǒng)由刮板底下的接水漏斗通過(guò)管道伸入水箱中的過(guò)濾裝置來(lái)完成水循環(huán)，這樣可以節(jié)約用水。因?yàn)闄C(jī)器人會(huì)向左或者向右移動(dòng)，所以機(jī)器人的左右兩邊都需要放置一個(gè)噴管和刮板，需要兩個(gè)水泵。沖洗方式是噴霧式灑水，水泵連接一個(gè)有多個(gè)噴嘴的管道，機(jī)器人開(kāi)始行動(dòng)，水泵就同步啟動(dòng)，會(huì)將水箱里面的水噴灑到玻璃表面，霧狀噴灑可以有效節(jié)約用水，并且噴灑均勻。
3.1滾刷裝置的設(shè)計(jì)
圖3-1 滾刷盤(pán)
1-刷子 2-滾刷盤(pán) 3-滾刷盤(pán)軸心
如上圖3-1所示，清洗機(jī)構(gòu)成圓形清洗裝置。清洗面上有多個(gè)塑料制作的刷頭，2號(hào)圓形洗盤(pán)的直徑為400mm,上面對(duì)應(yīng)1號(hào)刷頭的螺紋孔為15mm。這個(gè)刷頭一頭是毛刷，一頭是螺紋式的，直接擰進(jìn)清洗圓盤(pán)上的螺紋孔。毛刷的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越容易跨過(guò)障礙，也不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)就會(huì)使吸盤(pán)所承受的拉力增大。所以毛刷的長(zhǎng)度為80mm。3號(hào)電機(jī)軸直徑為40mm。圓形的清洗裝置可以實(shí)現(xiàn)最大面積的清洗區(qū)域，可以有效保證玻璃的清潔度。吸盤(pán)吸住墻面，清洗盤(pán)就會(huì)開(kāi)始工作。
3.2清洗液的噴灑和循環(huán)裝置設(shè)計(jì)
機(jī)器人左右兩邊各有一個(gè)刮板，刮板主要是在清洗盤(pán)清洗過(guò)后刮去上面的水漬，刮板尾部有一個(gè)接水裝置，將刮板收集的水漬收集處理，通過(guò)過(guò)濾流回水箱，這樣可以實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用，節(jié)約水資源。刮板設(shè)計(jì)圖如下圖3-2所示。
圖3-2 刮板
1-支撐架 2-刮板
上圖3-2中。1是支撐架，長(zhǎng)度230mm，主要作用是連接刮板和機(jī)器人外殼。2是刮板，長(zhǎng)度60mm，主要作用是刮去壁面殘留水漬。因?yàn)槲窖b置是吸盤(pán)吸附墻面，所以墻面上的水漬不能太多，不然會(huì)影響吸盤(pán)在墻面的吸附，那么就需要一個(gè)刮板來(lái)去除墻面多余水漬。刮板結(jié)構(gòu)由兩部分組成，支撐架和刮板。市面上刮板和支撐架的材料類(lèi)型有鐵、鋁合金和塑料三種。刮板需要對(duì)壁面保持一定的壓力，并且還需要一定彈性，所以支撐架的制作材料為塑料。因?yàn)榍逑幢P(pán)為圓形，清洗外殼也是圓形，沒(méi)有豎直的平面安防刮板，只能采取類(lèi)7形狀的裝置從清洗盤(pán)的頂部通過(guò)螺絲來(lái)固定刮板。這樣設(shè)計(jì)可以使刮板具備良好的韌性。
下圖3-3中.1是噴管，長(zhǎng)度400mm,主要作用噴灑清水或清潔液、沖洗壁面。2是支架,長(zhǎng)度為330mm,主要作用是連接噴管和機(jī)器人外殼。噴管的設(shè)計(jì)主要是為了沖洗墻面上的浮土和浸潤(rùn)墻面，刮板的設(shè)計(jì)為類(lèi)7字型，所以噴管也設(shè)計(jì)成7字型，這樣既可以保持一致，也能更好的固定噴管。只需要在水箱里裝一個(gè)小型水泵，通過(guò)水泵將水送入2噴水管道中，再由2噴水管道上的噴嘴噴出形成沖擊力清洗墻面。噴管的設(shè)計(jì)如下圖所示:
圖3-3噴管
1—噴管支架 2—噴水管道
因?yàn)闄C(jī)器人是用四個(gè)吸盤(pán)來(lái)固定，每個(gè)吸盤(pán)所能承受的力大約是機(jī)器人總重量的四分之一，機(jī)器人攜帶的水箱越大，一次清洗的面積也就越大，相應(yīng)的每個(gè)吸盤(pán)所承受的力也就越大，為了達(dá)到清洗面積的最大值。就需要對(duì)水進(jìn)行循環(huán)利用，這樣不僅可以減輕機(jī)器人總體重量，也可以讓吸盤(pán)在墻面達(dá)到最好的吸附效果，還能節(jié)約用水，保護(hù)環(huán)境。水循環(huán)示意圖如下圖。
圖3-4 水循環(huán)示意圖
如上圖所示，清水從水箱中噴灑沖洗壁面，然后經(jīng)過(guò)滾刷盤(pán)的刷洗，再由刮板通過(guò)漏斗狀接水裝置收集起來(lái)，通過(guò)污水過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，然后流回水箱。這樣就實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)利用，節(jié)約水資源的同時(shí)，也減輕了機(jī)器人的負(fù)載。
3.3水泵的選擇
因?yàn)闄C(jī)器人總體尺寸的限制，本次設(shè)計(jì)的水泵為微型水泵，水泵的選擇需要確定液體在管道中的流動(dòng)數(shù)，需要知道液體在在管道中流動(dòng)的雷諾數(shù)。在水管中流動(dòng)的水流，局部壓力損失很小，需要確定的是壓力損失，根據(jù)雷諾數(shù)公式：
Re=Vdv （3-1）
上式中：Re—雷諾數(shù)；
V—流體的平均速度,單位m/s；
d—管道的直徑。單位m;
v—流體運(yùn)動(dòng)粘度，單位m2/s。
網(wǎng)上查知水泵參數(shù)如下表
表3-1水泵技術(shù)參數(shù)表
型號(hào)
工作電壓
工作電流
功率
開(kāi)口流量
吸程
最大輸出壓力
體積（最大外形）
重量
(V DC)
(A)
(W)
(L/min)
(M)
(Bar/M pa)
(mm)
(kg)
HSP11050T
12
≤126.0
≤126.0
7
約1
11.0/1.1
225×103×100
2.8
24
≤6.0
≤144.0
HSP11050
12
≤10.5
≤126.0
7
約1
11.0/1.1
255×110×100
2.6
24
≤6.0
≤144.0
HSP8050
12
≤9.5
≤114.0
5.5
約1
8.0/0.8
24
≤5.6
≤134.4
HSP4045
12
≤7.0
≤84.0
4.5
約1
4.1/0.4
196×110×100
2.2
24
≤4.0
≤96.0
根據(jù)表3.1中參數(shù)和實(shí)際需求選擇水泵型號(hào)為HSP8050，該款水泵工作電壓24V，工作電流≤5.6A，功率≤134.4W，開(kāi)口流量5.5，吸程約為1，最大輸出壓力8.0，重量2.6KG。
水泵性能參數(shù)如下圖：
圖3-6 HSP8050的Q-H曲線
由圖3-6可知，在開(kāi)口流量為5.5時(shí)，該水泵揚(yáng)程為15米，按照雷諾數(shù)公式可得：
Re=0.13×151.005×10-6=1.94×106 （3—2）
由機(jī)械手冊(cè)得知，當(dāng)Re=1.94×106時(shí)，該管道的沿程能量損失為0.0045米，基本可以忽略不計(jì)。所以型號(hào)為HSP8050的微型水泵滿(mǎn)足條件。
3.4本章小結(jié)
本章內(nèi)主要介紹了爬壁清洗機(jī)器人的清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)清洗系統(tǒng)各個(gè)部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，還有對(duì)水循環(huán)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，選擇水泵的樣式也做了說(shuō)明。
4 爬壁清洗機(jī)器人爬壁越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在爬壁清洗機(jī)器人中，機(jī)器人的爬壁和越障的非常重要，一個(gè)完善的設(shè)計(jì)方案，不但可以使機(jī)器人快速行走、可靠爬行，還可以實(shí)現(xiàn)跨越障礙，靈活轉(zhuǎn)彎等功能。
4.1爬壁清洗機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式
我們常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種方式。
液壓驅(qū)動(dòng)因?yàn)槭怯捎凸芟嗷ソ釉谝黄鸬?，它可以隨意的放置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。液壓驅(qū)動(dòng)裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小也是一大優(yōu)點(diǎn)，而且可以大范圍的實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化速度也比較穩(wěn)定。但是也因?yàn)橐后w傳動(dòng)，系統(tǒng)中也存在漏油的缺點(diǎn)，因?yàn)橐簤河蛯?duì)溫度特別敏感，所以液壓傳動(dòng)也受溫度影響較大。
氣壓傳動(dòng)是以大氣作為介質(zhì)，取之不竭用之不盡。用過(guò)之后可以直接排放，不用考慮尾氣處理等問(wèn)題。氣壓傳動(dòng)用時(shí)較小，響應(yīng)時(shí)間段，而且維修也簡(jiǎn)單。并且氣體的粘度很小，只有液壓油的萬(wàn)分之一，所以氣體流動(dòng)阻力也小，便于向氣缸中供氣。但是由于空氣的可壓縮性很大，氣壓傳動(dòng)的速度穩(wěn)定性一般，對(duì)那些要求快速高精度的系統(tǒng)有較大影響，而且氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲很大，尤其是排出氣體時(shí)，必須要加消音器，降低噪音。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是精度高，節(jié)省能源，調(diào)速方便，能改善環(huán)保水平，但推力較小，大推力時(shí)的成本很高。
綜上所述，選擇氣壓驅(qū)動(dòng)方式作為爬壁清洗機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式。
4.2吸附裝置的設(shè)計(jì)
爬壁清洗機(jī)器人中移動(dòng)系統(tǒng)是最重要的。爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)是由四個(gè)相同的吸盤(pán)組構(gòu)成的，每個(gè)吸盤(pán)組中有兩個(gè)吸盤(pán)，這兩個(gè)吸盤(pán)都可以和另一個(gè)吸盤(pán)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由PLC來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制吸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如果左右移動(dòng)，吸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就是180°或-180°，如果上下移動(dòng)就是90°或者-90°。因?yàn)槲P(pán)主要依靠吸力來(lái)克服機(jī)器人的重力，所以給每個(gè)吸盤(pán)配備了一個(gè)真空發(fā)生器，由這個(gè)真空發(fā)生器來(lái)保證吸盤(pán)具備足夠的吸力。每個(gè)吸盤(pán)上面還會(huì)有一個(gè)氣缸，這個(gè)氣缸會(huì)使吸盤(pán)進(jìn)行垂直于壁面的運(yùn)動(dòng)，這樣機(jī)器人就會(huì)具備一定的越障能力，跨越障礙的高度取決于氣缸的行程。氣缸上面有一個(gè)離合器，離合器的作用就是分開(kāi)使吸盤(pán)的自轉(zhuǎn)和齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)所分開(kāi)。離合器上面就是齒輪，齒輪軸是由一個(gè)小型步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的，當(dāng)吸盤(pán)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，離合器嚙合，齒輪不轉(zhuǎn)。當(dāng)離合器分開(kāi)的時(shí)候，吸盤(pán)不轉(zhuǎn)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人做移動(dòng)。爬壁清洗機(jī)器人的吸盤(pán)組三維設(shè)計(jì)圖如下圖4-1所示。
圖4-1 吸盤(pán)組三維圖
1-電機(jī) 2-離合器 3，8-氣缸 4，6-真空發(fā)生器 5-吸盤(pán)
爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)主要就是靠上圖中的電機(jī)帶動(dòng)齒輪的正傳反轉(zhuǎn)，正傳會(huì)使機(jī)器人從右邊的吸盤(pán)移動(dòng)到左邊的吸盤(pán)，反轉(zhuǎn)會(huì)使機(jī)器人從左邊的吸盤(pán)移動(dòng)到右邊的吸盤(pán)。具體的移動(dòng)過(guò)程為：5、6號(hào)吸盤(pán)吸住墻面1號(hào)電機(jī)正傳，從6號(hào)吸盤(pán)移動(dòng)到5號(hào)吸盤(pán)，7號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉，6號(hào)吸盤(pán)松開(kāi)壁面，8號(hào)氣缸收縮,1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)180°，8號(hào)氣缸伸出，7號(hào)發(fā)生器開(kāi)啟，6號(hào)吸盤(pán)吸住壁面，1號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)從5號(hào)吸盤(pán)移動(dòng)到6號(hào)吸盤(pán)，4號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉，5號(hào)吸盤(pán)松開(kāi)壁面，3號(hào)氣缸收縮，1號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)180°，3號(hào)氣缸伸出，4號(hào)真空發(fā)生器打開(kāi)，5號(hào)吸盤(pán)吸住壁面這樣重復(fù)動(dòng)作。下圖4-2是爬壁清洗機(jī)器人的齒輪齒條三維設(shè)計(jì)圖。
圖4-2 輪齒條的設(shè)計(jì)
1-齒條 2-齒輪
4.3機(jī)器人跨越障礙和路徑規(guī)劃
爬壁清洗機(jī)器人氣缸的最大行程為95mm，吸盤(pán)上面的刷子長(zhǎng)度為80mm，所以機(jī)器人跨越障礙的理論最大高度為80mm，實(shí)際上，為了機(jī)器人的安全，機(jī)器人跨越障礙的最大高度必須不超過(guò)刷子的80%，也就是64mm。
因?yàn)楝F(xiàn)在的玻璃幕墻一般都是長(zhǎng)方形，所以機(jī)器人的路徑規(guī)劃為弓字形路徑，這樣的軌跡簡(jiǎn)單，而且沒(méi)有遺漏，還可以避開(kāi)大多數(shù)障礙物，能使機(jī)器人盡可能的節(jié)約能量。機(jī)器人從玻璃幕墻上的角落開(kāi)始平行行走，走到最右邊的時(shí)候向下走一個(gè)身位的距離，然后往左走，走到最左邊的時(shí)候，再向下走，走一個(gè)身位的距離，再向右走，重復(fù)這樣。爬壁清洗機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程示意圖如下圖4-3所示。
圖4-3 爬壁清洗機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程示意圖
吸盤(pán)直徑的選取。真空吸盤(pán)的種類(lèi)有很多，硅橡膠類(lèi)的吸盤(pán)可以在高溫下長(zhǎng)時(shí)間的工作，硅橡膠做成的吸盤(pán)很是適合于吸住玻璃幕墻做成的平面，吸盤(pán)的選材用聚氨酯，因?yàn)樗容^耐用。而且用真空吸盤(pán)抓取平面是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一種方式。另外，在生產(chǎn)真空吸盤(pán)的過(guò)程中，因?yàn)槲P(pán)需要具備耐油性，那么我們就可以使用聚氨酯、丁腈橡膠或則含乙烯基的聚合物等材料來(lái)制作吸盤(pán)。我們?yōu)榱吮苊獗晃P(pán)的表面劃傷，最好的選擇就是由丁腈橡膠或硅橡膠制作而成的帶有波紋管的吸盤(pán)。因?yàn)檫@種吸盤(pán)具備很大的扯斷力，是真空裝備的執(zhí)行器之一。
吸盤(pán)直徑公式
D≥M×9.8×S×1000π×n×p （4-1）
式中： M—承受質(zhì)量
S—吸盤(pán)吸附系數(shù)，垂直吸附S=8;
P—真空壓力（Kpa）;
n—吸盤(pán)個(gè)數(shù)
吸盤(pán)的參數(shù)如下表所示：
表4—1 吸盤(pán)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
V DC
A
W
L/min
K pa
mmHg
mbar
K Pa
（mm）
（g）
VCH1028
24
＜2.0
＜48
28
10
76
100
209×78×115
2600
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓
101
760
1013
根據(jù)表4—1所示的數(shù)據(jù)代入得：
D≥50×9.8×8×1000π×6×90=48mm （4-2）
因?yàn)槲P(pán)在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生形變，所以吸盤(pán)的吸附面積要比吸盤(pán)直徑小一點(diǎn)，吸附面積因?yàn)槲P(pán)制作的材質(zhì)、形狀、橡膠等不同而有所區(qū)別。因此，我在計(jì)算吸盤(pán)直徑時(shí)需要留出一定的余量,吸盤(pán)計(jì)算中的安全系數(shù)中也包括了其中的變形部分。
吸附面積：
A=3.14×D24×100 （4-3）
上式中：A—吸附面積（cm2）;
D—吸盤(pán)直徑（mm）。
將吸盤(pán)直徑代入上式4-3中得：
Amin=3.14×4824×100=18.08cm2 （4-4）
吸盤(pán)的外徑就是吸盤(pán)的直徑，但是吸盤(pán)工作時(shí)因?yàn)檎婵粘槿⌒纬韶?fù)壓，吸盤(pán)的吸附面積也會(huì)比吸盤(pán)原本的直徑小，變小后的吸盤(pán)吸附面積稱(chēng)之為吸盤(pán)的有效吸附面積，而這時(shí)吸盤(pán)的直徑稱(chēng)之為有效吸盤(pán)直徑。
因?yàn)槲P(pán)的制作方式、吸附面的摩擦系數(shù)、材料本身以及真空壓力的不同，有效吸盤(pán)直徑也會(huì)不同，一般情況下吸盤(pán)的有效吸附直徑都會(huì)比吸盤(pán)原本直徑小。
當(dāng)吸盤(pán)直徑D=50mm：
A有效=3.14×5024×100×90%=17.66cm2>Amin （4-5）
所以直徑為D=50mm的吸盤(pán)符合要求。
4.4氣缸運(yùn)動(dòng)部分
爬壁清洗機(jī)器人的移動(dòng)方式大體上可以分為三類(lèi)，履帶式、車(chē)輪式和腳步行式，履帶式機(jī)器人對(duì)墻面的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是體積太大，而且不容易轉(zhuǎn)彎。車(chē)輪式移動(dòng)方式是由很多帶有吸盤(pán)的輪子組成，每個(gè)輪子都有電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)速度快，便于控制，但是摩擦力小。腳步式移動(dòng)是由多個(gè)腳的反復(fù)吸附與脫落進(jìn)行移動(dòng)，帶負(fù)載能力強(qiáng)，吸附力強(qiáng)，挪動(dòng)速度較慢。綜合考慮，選擇了一種新的腳步式移動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行移動(dòng)。
4.5本章小結(jié)
本章通過(guò)對(duì)機(jī)器人工作環(huán)境和工作方式的研究，設(shè)計(jì)機(jī)器人的移動(dòng)方案和跨越障礙方案。選擇了氣動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，利用吸盤(pán)組來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下左右運(yùn)動(dòng)，利用吸盤(pán)組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的掉頭轉(zhuǎn)向，并對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)機(jī)器人路徑進(jìn)行了最優(yōu)規(guī)劃。吸盤(pán)的選擇做了計(jì)算。
5 爬壁清洗機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)
5.1 PLC的概述
PLC控制系統(tǒng)，Programmable Logic Controller，是一種可以用編寫(xiě)的程序來(lái)進(jìn)行控制的系統(tǒng)，它是為工業(yè)生產(chǎn)所設(shè)計(jì)的一種將數(shù)字信息改為控制信息的電子裝備。在20世紀(jì)70年代生產(chǎn)出來(lái)的PLC就可完成順序控制功能， 20世紀(jì)70年代末至80年代初，可編程控制器的處置速率大進(jìn)步，增加了很多提別的功效，使得可編程控制器不但可以進(jìn)行邏輯節(jié)制，而且可以對(duì)模擬量進(jìn)行定制。
20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器為核心的可編程控制器也得到迅猛發(fā)展，其功能越來(lái)越強(qiáng)。
國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年2月公布了PLC的尺度草案（第三稿），草案對(duì)PLC作了以下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操縱的電子原件，專(zhuān)為了控制操作。它采取可編程序的存儲(chǔ)器方式，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行步驟控制、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等指令，并經(jīng)由數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類(lèi)型的裝置或運(yùn)動(dòng)過(guò)程。PLC有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、模塊化結(jié)構(gòu)、編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)、容易安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單等。
PLC的類(lèi)別有：按輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分：小型機(jī)（小型的PLC I/O總點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下，用戶(hù)程序存儲(chǔ)容量在4KB左右。）、中型機(jī)（中型PLC I/O總點(diǎn)數(shù)在256∽2048點(diǎn)之間，用戶(hù)程序存儲(chǔ)容量在8KB左右）、大型機(jī)（大型PLC I/O總點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶(hù)程序存儲(chǔ)容量在16KB以上。）。
5.2 PLC選型
?根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需要的I/O口個(gè)數(shù)，選用三菱FX1N-24MR-001。FX1N有很多的優(yōu)點(diǎn)，I/O點(diǎn)最多可擴(kuò)展128，對(duì)于一些需要特殊需求的控制系統(tǒng)它也可以增設(shè)，還可以繼續(xù)給系統(tǒng)加入擴(kuò)展板。他有非常好的通信功能，對(duì)于一些在體積、特殊功能或者對(duì)通信方面要求較高的系統(tǒng)，這款PLC可以起到很好的控制作用。它還有其他很多重要功能，比如內(nèi)置24V電源，可以作為其他電子設(shè)備的電源來(lái)使用。還有時(shí)鐘和計(jì)時(shí)功能，而且時(shí)鐘指令操作簡(jiǎn)單，對(duì)于設(shè)備維護(hù)，計(jì)時(shí)功能可以根據(jù)時(shí)長(zhǎng)來(lái)確定何時(shí)維護(hù)。它可以設(shè)計(jì)一個(gè)八位數(shù)的密碼來(lái)保護(hù)程序不被泄漏。還有遠(yuǎn)程維護(hù)功能、在線程序編程功能、持續(xù)掃描功能等等。
5.3 PLC的I/O口分配
由爬壁清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知，輸入端口的操作控制和輸出端口的執(zhí)行操作，詳情見(jiàn)下表。
表5—1 PLC輸入與輸出控制端口
端口
操作控制
端口
執(zhí)行操作
X0000
1號(hào)吸盤(pán)吸住
Y0000
1號(hào)吸盤(pán)吸住
X0001
1號(hào)吸盤(pán)放開(kāi)
Y0001
1號(hào)吸盤(pán)放開(kāi)
X0002
2號(hào)吸盤(pán)吸住
Y0002
2號(hào)吸盤(pán)吸住
X0003
2號(hào)吸盤(pán)放開(kāi)
Y0003
2號(hào)吸盤(pán)放開(kāi)
X0004
1號(hào)氣缸抬起
Y0004
1號(hào)氣缸抬起
X0005
1號(hào)氣缸放下
Y0005
1號(hào)氣缸放下
X0006
2號(hào)氣缸抬起
Y0006
2號(hào)氣缸抬起
X0007
2號(hào)氣缸放下
Y0007
2號(hào)氣缸放下
X0008
清洗盤(pán)電機(jī)打開(kāi)
Y0008
清洗盤(pán)電機(jī)打開(kāi)
X0009
噴頭打開(kāi)
Y0009
噴頭打開(kāi)
X0010
吸盤(pán)電機(jī)正轉(zhuǎn)（90°）
Y0010
吸盤(pán)電機(jī)正轉(zhuǎn)（90°）
X0011
吸盤(pán)電機(jī)反轉(zhuǎn)（90°）
Y0011
吸盤(pán)電機(jī)反轉(zhuǎn)（90°）
X0012
吸盤(pán)電機(jī)正傳（1—2）
Y0012
吸盤(pán)電機(jī)正傳（1—2）
X0013
吸盤(pán)電機(jī)反轉(zhuǎn)（2—1）
Y0013
吸盤(pán)電機(jī)反轉(zhuǎn)（2—1）
X0014
吸盤(pán)電機(jī)正傳（180°）
Y0014
吸盤(pán)電機(jī)正傳（180°）
X0015
吸盤(pán)電機(jī)反轉(zhuǎn)（180°）
Y0015
吸盤(pán)電機(jī)反轉(zhuǎn)（180°）
X0016
1號(hào)真空發(fā)生器打開(kāi)
Y0016
1號(hào)真空發(fā)生器打開(kāi)
X0017
1號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉
Y0017
1號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉
X0018
2號(hào)真空發(fā)生器打開(kāi)
Y0018
2號(hào)真空發(fā)生器打開(kāi)
X0019
2號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉
Y0019
2號(hào)真空發(fā)生器關(guān)閉
X0020
停止
5.4 PLC控制框圖
根據(jù)所選擇的PLC性能和爬壁機(jī)器人的移動(dòng)步驟可以設(shè)計(jì)PLC框圖如下圖5-1所示。
圖5-1 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖
因?yàn)楸菊撐脑O(shè)計(jì)的機(jī)器人是全自動(dòng)行走，所以必須設(shè)計(jì)機(jī)器人過(guò)載保護(hù)，以防止機(jī)器人因?yàn)檫^(guò)載而掉落。
圖5-2 機(jī)器人過(guò)載保護(hù)
5.5本章小結(jié)
本章對(duì)PLC進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)于本論文所選的三菱FX1N-24MR-001特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)于I/O口進(jìn)行了分配，對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖和過(guò)載保護(hù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
結(jié)論
通過(guò)一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我發(fā)揮出了所學(xué)知識(shí)，針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)高層建筑人工清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低的清洗弊端，在國(guó)內(nèi)外清洗機(jī)器人的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種利用電氣驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行移動(dòng)和清洗的爬壁機(jī)器人。并得到了以下結(jié)論。
1）爬壁機(jī)器人清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本論文設(shè)計(jì)的是一個(gè)自帶水循環(huán)利用的清潔系統(tǒng)，水循環(huán)為：水從水箱中微型水泵到噴灑水管、刮板集水再通過(guò)管道流入過(guò)濾流回水箱。
2）爬壁機(jī)器人爬壁越障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本論文設(shè)計(jì)的吸盤(pán)組利用吸盤(pán)來(lái)吸附壁面，固定機(jī)器人、吸盤(pán)組的相互移動(dòng)來(lái)進(jìn)行平面移動(dòng)，利用氣缸的伸縮跨越障礙物，能適應(yīng)大多數(shù)的高空幕墻。為了節(jié)約能源，機(jī)器人需要用最短的路線來(lái)達(dá)到最優(yōu)的清洗面積。本論文設(shè)計(jì)了“弓”字型移動(dòng)路徑，從上到下清洗。本論文采用三菱FX1N-24MR-001對(duì)機(jī)器人進(jìn)行吸盤(pán)吸附、電機(jī)正反轉(zhuǎn)、清潔系統(tǒng)順序吸附的控制。
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爬壁清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)
參考文獻(xiàn)
[1] 吳神麗.新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[D].成都理工大學(xué)，2009.
[2] 吳洪興，趙言正，高學(xué)山.高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,7(4).
[3] 宗光華.高層建筑擦窗機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,1998(2).
[4] 談士力,沈林勇,陳振華,龔振邦.垂直壁面行走機(jī)器人系統(tǒng)研制[J].機(jī)器人,1996,18(4).
[5] 王榮華.爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)及動(dòng)力性能研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2007.
[6] 孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理（第八版）[M].高等教育出版社，2013.
[7] 濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)（第九版）[M].高等教育出版社，2013.
[8] 張運(yùn)剛，宋小春，郭武強(qiáng).從入門(mén)到精通—西門(mén)子S7300/400PLC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.
[9] 閆軍濤。壁面清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，2007.
[10] 徐小云.六組移動(dòng)式微型仿生機(jī)器人的研究[J].機(jī)器人，2002,5.
[11] 陳敏華.機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化綜合[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2003,20(4).
[12] 陳沛富.高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.
[13] 郭秀麗.新型載體高樓壁面清洗機(jī)器人[D].天津：天津大學(xué)，2005.
[14] 錢(qián)志源.帶滑輪式吸盤(pán)的爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性分析及其應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2006.
[15] 潘沛霖，韓秀琴.日本爬壁機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J].機(jī)器人，1994.
[16] 張厚祥，劉榮，王巍，宗光華.爬壁機(jī)器人氣動(dòng)位置伺服控制研究.[J]北京：北京航空航天大學(xué)，2004.
[17] 陳震.避免爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2006.
[18] 陳敏華.機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化綜合[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2003,20（4）.
致 謝
首先需要感謝吳神麗老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中給我的幫助和指導(dǎo)，在這一學(xué)期的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)中，老師經(jīng)常督促我們抓緊時(shí)間找資料、找論文，從開(kāi)題報(bào)告開(kāi)始，老師就經(jīng)常詢(xún)問(wèn)我們?cè)O(shè)計(jì)進(jìn)度。每一次的設(shè)計(jì)方案，都有老師的身影，在不斷失敗，不斷改進(jìn)中，老師不僅教會(huì)了我簡(jiǎn)單高效的學(xué)習(xí)方法，還對(duì)我生活工作中多方關(guān)懷，是老師的經(jīng)常督促和悉心指導(dǎo)使我的畢業(yè)論文順利進(jìn)行，再一次衷心地感謝吳老師。
感謝在撰寫(xiě)論文時(shí)給提供設(shè)計(jì)思路的同學(xué)、舍友，感謝在畢業(yè)論文期間給我生活幫助的所有人，是他們的幫助使我能更好的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。
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附錄A 裝配圖和零件圖
附1- 1 刮板零件圖
附1- 2 清洗盤(pán)零件圖
附1- 3 噴管零件圖
附1- 4 裝配圖
附1- 5 爬壁機(jī)器人俯視圖
附1- 6 爬壁機(jī)器人裝配圖左視圖
附1- 7 爬壁機(jī)器人裝配圖俯視圖
附1- 8 爬壁機(jī)器人裝配圖斜視圖
附錄B 外文翻譯
With the development of urban construction, more and more high-rise buildings stand in modern cities. For the sake of beauty and lighting, many high-rise buildings have adopted glass curtain walls, which has brought about the problem of cleaning the glass windows (ceilings, walls). It is a heavy and dangerous job to clean the windows of tall buildings and is currently in the country. There are two main methods used. One is to lift the glass window and wall manually by lifters or hanging baskets; the other is to align the window wiper with the track and sling system installed on the roof. Windows are automatically scrubbed. For example, the Shinjuku Center Tower, which is 219.5 meters high in Tokyo, Japan, uses this method to clean 54 high-rise windows.Adopting the second method requires that the window cleaning system be taken into account at the beginning of the building design, and it cannot adapt to the wall surface or window surface of the ladder shape, which limits the use of this method. Therefore, the first method is still widely used glass scrubbing of high-rise buildings. In recent years, high-rise glass windows have mushroomed in China. As the building design is still not standard, most of the high-rise buildings in China are still cleaned by baskets, such as the Beijing-Guangzhou Building. Manually cleaning high-rise buildings is not only inefficient, but also very cumbersome and costly to operate. Modern railway terminal buildings also face this problem. Railway passenger station is the window of transportation. The railway passenger station is the window of transportation. It is one of the symbols of the spiritual civilization of the environmental health department. The railway department urgently needs to clean the window and mechanize and automate it. In view of this situation, in 1996 the Robot Research Institute of Beijing University of Aeronautics and Astronautics and the Beijing Railway Research Institute of the Ministry of Railways jointly developed a practical high-rise building window cleaning robot prototype for the Beijing West Railway Station glass roof (about 3,000 square meters).
The robot is driven by full air pressure and consists of two parts: the robot body and the ground support vehicle.
The robot body (hereinafter referred to as the robot) is the subject that crawls along the glass wall and completes the scrubbing action. He is lightweight (only 25 kg), can walk and scrub dexterously according to the actual environment, and has extremely high reliability. He has the following main features:
1. The “Ten” frame type structure is adopted, and there are two rodless cylinders with a cross shape of “10”. The robot can move along the X or Y direction on the glass surface. The combination of such structural components and drive components has the advantages of simplified structure and reduced weight.
2. There are four Z-guiding cylinders at the top of the X and Y directio
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