畢業(yè)設(shè)計（論文）-爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計

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1、IV 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計 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進(jìn)行物體表面的清洗，本文設(shè)計了機(jī)器人爬壁系統(tǒng)由移動系統(tǒng)和吸附系統(tǒng)組成。移動吸附系統(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，避障能力強。機(jī)器人主體部分由可以相互平移的兩個呈十字型組合的無桿氣缸，其中任意一個無桿氣缸可以相對另一個進(jìn)行平移，每個無桿氣缸通過腿部支架可獨立控制腿足結(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運動，機(jī)器人實現(xiàn)壁面自由移動的功能。驅(qū)動方式由X方向和Y方向兩個相互垂直的機(jī)構(gòu)組成，分別選用一個雙作用無桿氣缸，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的驅(qū)動方式?？刂葡到y(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系列完成對機(jī)器人主體的吸盤脫離、本體移動、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（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 1 1.3 研究內(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 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 移動鋁板的設(shè)計與校核 11 2.4 吸盤直徑的選取 13 2.5 電動機(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 滾動軸承壽命的計算 19 2.9 軸的計算 20

8、 2.10 鍵連接的強度計算 22 2.11 軸向氣缸的設(shè)計與計算 22 2.12 活塞桿穩(wěn)定性及撓度驗算 24 2.13 本章小結(jié) 28 3 爬壁清洗機(jī)器人氣動設(shè)計 30 3.1 吸附部分 30 3.2 氣缸運動部分 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 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 1 緒論 1 .1選題背景及其意義 隨著社會的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會的不斷進(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)平臺來逐層地清洗大樓壁面，不但浪費時間和勞動力，而且人類在清洗大樓壁面的環(huán)境越來越惡劣和危險，本課題來自于社會實際的需求，采用爬壁機(jī)器人進(jìn)行擦洗，降低清洗工人的勞動強度，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，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產(chǎn)率，也必將極大的推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б婧徒?jīng)濟(jì)效益。因此，壁面清洗機(jī)器人的設(shè)計和研究有著良好的應(yīng)用前景。 1.2 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 爬壁機(jī)器人是指可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業(yè)的自動化機(jī)器人。爬壁機(jī)器人又稱為壁面移動機(jī)器人，因為垂直壁面作業(yè)超出人的極限，因此在國外又稱為極限作業(yè)機(jī)器人。爬壁機(jī)器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，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)計的

11、爬壁機(jī)器人主要針對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)的一種自動機(jī)械裝置，越來越受到人們的重視。 自動化爬壁清洗機(jī)器人機(jī)器人是一種實惠、實用、安全可靠的科技研發(fā)項目,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。作為一個高層建筑的爬壁機(jī)器人的清洗系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動系統(tǒng)等雖然樣式眾多,但真正能用于實際工作中具體的設(shè)計國內(nèi)還是數(shù)量不多。 爬壁清洗機(jī)器人最基本的兩個功能是

12、在壁面上的吸附功能和移動功能。 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,但如果所吸附的墻面不平整,就會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，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很小的傾斜角度，這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大，個吸盤分別由一個電動機(jī)來驅(qū)動，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，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 氣動多吸盤爬壁機(jī)器人

14、 目前，我國對于爬壁清洗機(jī)器人的研究仍然處于一種課題研發(fā)的階段，在我國這對于工業(yè)來說會有一個廣大的前景。 中國哈爾濱工業(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。單一輪壁面移動機(jī)器人是由吸附機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)兩個機(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)動機(jī)制有足夠的摩擦使爬壁清洗機(jī)器人具備移動功能。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,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: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元件,實時檢測的負(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（如對壁面材料和形狀的適應(yīng)性不強，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、英國、俄羅斯等國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，將對將來爬壁機(jī)器人在生活中的應(yīng)用踏出堅實的一步。 （2） 移動方式 在爬壁機(jī)器人的設(shè)計中，輪式和履帶式的移動方式已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，但是足式移動

17、具有以上兩種方式所沒有的優(yōu)點。足式移動的方式可以使機(jī)器人在作業(yè)過程中越過相對較大的障礙物，并且足式移動的方式有較多的自由度，是機(jī)器人變得更加地靈活，對凹凸不平的復(fù)雜壁面有較強的適應(yīng)能力。足式機(jī)器人的立足點是離散的，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，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,必須安裝在某個地方離驅(qū)動電機(jī)的地方叫遙遠(yuǎn)。高速運行后還應(yīng)使用減速齒輪減少速度，以至于傳動系統(tǒng)是復(fù)雜的工作環(huán)節(jié),這個結(jié)構(gòu)是一種負(fù)擔(dān),并不能滿足實

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、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)是改善我國研究開發(fā)的機(jī)器人水平、滿足國內(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,可以朝向高精度、高可靠性、直接驅(qū)動,新原理、新結(jié)構(gòu)、機(jī)電一體化、超微方向改變。 超聲波電動機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和超聲振動,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)子或滑塊宏觀運動。由于它獨特的運行機(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:(1)通過摩擦傳動,所以得到自己鎖定功能,不需要制動設(shè)備;(2)轉(zhuǎn)矩密度大、低轉(zhuǎn)速下會產(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。這是因為超聲波電機(jī)的有很多優(yōu)點,因此它在攀爬機(jī)器人會有很好的實用價值。 （4） 能源問題 迫切的需要探索出一種新的能源，體積小、供電性能強的電池，或者通過遙控途徑對機(jī)器人提供能量和控制信號。目前國內(nèi)外正對此進(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)用到一臺無線機(jī)器人上，該技術(shù)成功的應(yīng)用將會使爬壁機(jī)器人的運動范圍得到較大的擴(kuò)展。 1.3 研究內(nèi)容 本文所設(shè)計的爬壁清洗機(jī)器人可實現(xiàn)在豎直壁面上吸附并通過巧妙地十字架構(gòu)實現(xiàn)四個方向的移動。具體設(shè)計包括以下幾方面： （1） 爬壁移動機(jī)構(gòu)設(shè)計和相關(guān)計算，清洗作業(yè)裝置的設(shè)計包括滾刷、噴淋和去污系統(tǒng)等 爬壁清洗機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)采用兩個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現(xiàn)上、下、左、右四個方向的運動。清洗作業(yè)方式中的滾刷由電機(jī)通過聯(lián)軸器直接連接實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。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，并且能延長爬壁清洗機(jī)

21、器人的工作時間。 （2） 氣動系統(tǒng)設(shè)計 在本設(shè)計中一共由兩個雙作用無桿氣缸，四個雙作用拉桿氣缸，四個三位五通電磁換向閥，兩個兩位三通電磁換向閥，十二個真空吸盤，真空泵、氣壓泵各一個組成。通過人工的控制實現(xiàn)吸盤的吸附，雙作用無桿氣缸滑塊的移動，雙作用拉桿氣缸拉桿的伸縮。 （3）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 隨著PLC性價比的不斷提高，微處理器芯片及有關(guān)元器件價格大幅度降低，PLC的成本也有所下降，PLC的功能大大增強，因而PLC的應(yīng)用日益廣泛。目前，PLC在國內(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、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動,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)這三個系統(tǒng)。 （1） 爬壁清洗機(jī)器人設(shè)計清洗系統(tǒng)設(shè)計 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壁面；電機(jī)通過同步傳動齒形帶帶動滾刷旋轉(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)計簡圖 1 電動機(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 機(jī)器人移動吸附系統(tǒng)是爬壁清洗機(jī)器人的核心部分，由移動系統(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，實現(xiàn)對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呈

24、十字型的框架構(gòu)成，其中任意一個框架可以相對另一個進(jìn)行平移，準(zhǔn)確的來說是由兩個雙作用無桿氣缸上面的兩個滑塊連接著兩個移動支架進(jìn)行移動，每個框架成組配備可獨立控制的腿足結(jié)構(gòu)。腿足結(jié)構(gòu)具有一個主動直動關(guān)節(jié)，即每個足部結(jié)構(gòu)都是一個普通雙作用氣缸，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運動，機(jī)器人實現(xiàn)壁面自由移動功能?？蚣苤平Y(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)簡單，滿足靈活性和機(jī)動性的要求。另外，由于設(shè)計要求機(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 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。一個吸盤雖然結(jié)構(gòu)簡單,容易控制,但會降低機(jī)器人在移動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)器人完成移動吸附過程,機(jī)器人可以自由移動。 （3） 爬壁清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計 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，來完成對機(jī)器人本體的吸盤脫離、本體移動、吸盤

26、吸附、本體越障和清洗的順序控制。為了控制方便、操作簡便，控制器PLC固定在機(jī)器人本體上，通過自動控制和手動控制對機(jī)器人的整體進(jìn)行控制，實現(xiàn)機(jī)器人個部分的協(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)的國家對此技術(shù)的運用及一些基礎(chǔ)的知識，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)計的

27、方向。 2 爬壁清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)計的爬壁清洗機(jī)器人采用了十字架構(gòu)的設(shè)計，通過與各種氣缸的連接實現(xiàn)移動。具體的結(jié)構(gòu)可查看裝配圖和零件圖，為方便以下計算中個部分的計算，配以下簡圖供參考，見圖2-1、2-2、2-3。 圖2-1 （a） 圖2-2 （b） 圖2-3 （c） 兩塊移動鋁板

28、分別與一個雙作用無桿氣缸的滑塊相連接，兩個雙作用無桿氣缸通過軸向支架全部固定在主體支架上，通過滑塊的滑動實現(xiàn)裝在移動支架兩端的“腳部”移動。 在選取材料時選取鑄鋁為原料進(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可熱處理強化,熱處理后強度高,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，即使對于高強度鋁合金而言被氧化機(jī)率不是很大，但是工作時間一長也

29、會有所氧化跡象，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 移動鋁板的設(shè)計與校核 首先對兩塊移動鋁板進(jìn)行受力分析（移動鋁板見圖2-1、2-2、2-3），通過分析得移動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 移動鋁板的受力分析 根據(jù)設(shè)計，移動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——吸盤個數(shù)。  表2-1 吸盤參數(shù) 型號 電壓 負(fù)載電流 功率 流量 真空度（絕對壓力） 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： 因為真空壓力會使吸盤變形，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，在計算得出吸盤直徑時需留出余量。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，因真空壓會使橡膠變形，吸附面積也會隨之縮小?？s小后的面積即稱為有效吸附面積，此時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，有效吸盤直徑也會有差異，一般情況可預(yù)估會縮小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 電動機(jī)的選取 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書p56表4-1。 圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量： （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)計課程設(shè)計指導(dǎo)書p63頁表4-3得，初選電動機(jī)90

38、BF003的轉(zhuǎn)動慣量： （2-7） 式中： ——步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（）。 （2-8） 式中： ——步進(jìn)電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（）。 代入式2-8得： 設(shè)從靜止到5r/s需時0.5s。 （2-9） 式中： ——角加速度。 代入式2-9得： 由于電動機(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)矩計算： （2-11） 步進(jìn)電機(jī)的選用： 運動部件正常運行時所需的

39、最大靜轉(zhuǎn)矩為： （2-12） 代入式2-12得： 要求步進(jìn)電機(jī)正常運行時所需最大靜轉(zhuǎn)矩： 所以符合要求，選取90BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。 2.6 聯(lián)軸器的選取 傳動軸上的公稱轉(zhuǎn)矩可用下式進(jìn)行計算： （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，運轉(zhuǎn)時無沖擊，設(shè)計壽命為10年（每天工作8小時，一年工作200天）。 根據(jù)機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計p130頁表13-2得： e=0.22，Y=1.99 當(dāng)時，徑向當(dāng)量動載荷： （2-14） 代入式2-14得： 預(yù)計壽命： 2.8 滾動軸承壽命的計算 以小時數(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載荷。 所以校核合格。 2.9 軸的計算： （1）軸的強度校核計算 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為： （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）軸的剛度校核計算 軸的彎曲剛度校核計算 當(dāng)量直徑（單位為mm）為 （2-19） 式中： ——階梯軸第i段的長度，mm； ——階

42、梯軸第i段的直徑，mm； L——階梯軸的計算長度，mm； Z——階梯軸計算長度內(nèi)的軸段數(shù)。 軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算 圓軸扭轉(zhuǎn)角[單位為]的計算公式為： 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，對于鋼材，； ——軸截面的極慣性矩，，對于圓軸，； L——階梯軸受扭矩作用長度，mm； ——分別代表階梯軸第i段上所受的扭矩、長度和極慣性矩，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： 為軸每米長的允許扭轉(zhuǎn)角，對于一般軸，可取=0.5~1。 2.10 鍵連接的強度計算： 半圓鍵連接的強度條件為： （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——鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵l=L-b，這里L(fēng)為鍵的公稱長度，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)計與計算 （1）缸徑 根據(jù)氣缸所帶的負(fù)載、運動狀況及工作壓力，氣缸計算步驟如下： 1）根據(jù)氣缸的負(fù)載，計算氣缸的軸向負(fù)載力F，常見的負(fù)載實例如圖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。氣缸的運動速度越高，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 氣缸運動狀態(tài)和負(fù)載率 氣缸的運動狀態(tài)和負(fù)載率 阻性負(fù)

45、載 （靜載荷） 慣性負(fù)載的運動速度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)定性及撓度驗算 壓桿穩(wěn)定驗算 氣缸活塞最大行程越長,活塞桿的距離越長,活塞桿的長度是有限的。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)長比時（歐拉公式）， 實心圓桿 （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——氣缸的安裝長度，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，在圖2-9中穿過行程為50mm，畫一條延長直線。分別與彎曲撓度與許用負(fù)載兩個坐標(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，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) 本章中對此設(shè)計中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量的計算，得出該設(shè)計的可行性，并從中挑選出最佳方案，從理論的角度對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。（1）對在開題報告階段的設(shè)計思路進(jìn)行

49、具化，得出受力分析，為以下計算打下基礎(chǔ)。（2）對選用的材料所制成的零件進(jìn)行了強度的校核，是符合要求（3）對設(shè)計中標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選取和強度校核，使符合要求。 3 爬壁清洗機(jī)器人氣動設(shè)計 3.1 吸附部分 選用兩個兩位兩通電磁閥，根據(jù)在第二部分所選的真空泵和吸盤的規(guī)格，對吸附部分的設(shè)計如圖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保持空氣的干燥。當(dāng)按鈕無動作時，吸盤處于松開狀態(tài)，當(dāng)按動吸附按鈕時，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)計部分詳見第四部分。 3.2 氣缸運動部分 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，閥體就會被往左邊吸住，如果右面的電磁鐵線圈得電，閥體就會被往左邊吸住，可以運用這樣的操作控制預(yù)想的通路，（即堵住不想運用的氣孔，打開想要運用的氣孔）。如果進(jìn)氣孔是常開的，氣流就會通過電磁鐵的動作來判斷所要通路氣路，然后再來推動活塞桿，使氣缸進(jìn)行想要的操作。這就是氣缸與電磁閥在機(jī)械運動中的運用。 為實現(xiàn)爬壁機(jī)器人的上下左右的移動與整體的抬起，對運動部

51、分的設(shè)計如圖： 圖3-2 氣動系統(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可以看出運動部分的氣動回路工作原理為：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保持空氣的干燥。當(dāng)按鈕無動作時，氣缸處于松靜止?fàn)顟B(tài)狀態(tài)，當(dāng)按動抬升按鈕時，即電磁YA4、YA6得電，電磁閥切換到右位，使氣缸桿伸出；當(dāng)按動下降按鈕時，即電磁YA3、YA5得電，電磁閥切換到左位，使氣缸桿縮回；當(dāng)按動向左按鈕時，即電磁YA9得電，電磁閥切換到右位，使無桿氣缸桿滑塊向左，帶動移動支架向左；當(dāng)按動向右按鈕時，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，帶動移動支架向右；當(dāng)按動向上按鈕時，即電磁YA7得電，電磁閥切換到右位，使無桿氣缸桿滑塊向上，帶動移動支架向上；當(dāng)按動向下按鈕時，即電磁YA8得電，電磁閥切換到左位，使無桿氣缸桿滑塊向下，帶動移動支架向下。氣缸具體的操作控制設(shè)計部分詳見第四部分。 3.3 本章小結(jié) 本系統(tǒng)運用了兩個部分的回路：吸附部分和運動部分。在吸附部分的氣動回路中，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)計要求的數(shù)值。在運動部分采用了電磁換向閥，使氣缸的運動達(dá)到第二章節(jié)所描述的運動要求。在兩大部分都安裝了氣動三元件，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 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)成為最重要的一個可靠性和應(yīng)用場合最好、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)自動化三大支柱。 最早的的PLC僅僅運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優(yōu)勢和優(yōu)點，而且汲取了并且發(fā)展了別的控制設(shè)備的優(yōu)點,涵括了計算機(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，國際電工委員會(IEC)對可編程控制器的定義是：一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的。它采用了可編程序的儲存器，用來在其內(nèi)部儲存執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運

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)字運算操作的電子系統(tǒng)——實質(zhì)是計算機(jī)；（2）專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計；（3）面向用戶指令——編程方便；（4）邏輯運算、順序控制、定時計算、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算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。此時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。個人計算機(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，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)入實用化發(fā)展階段，計算機(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,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)化國家已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。世界生產(chǎn)的可編程控制器的國家增加、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最快的時期,每年的增長率仍為百分之三十到百分之四十。在這個時期,PLC在處理模擬能力,數(shù)字運

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 首先對機(jī)器人所需要控制的動作進(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口個數(shù)進(jìn)行選型選用FX1N-24MR-001，該PLC品牌為三菱，輸入點數(shù)：24；輸出點數(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)計控制面板時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、人的運行動作，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，在編程的時候會有一些互鎖的環(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，并實現(xiàn)自鎖，按下S

61、B2和SB4分別使電磁YA1和YA2失電，實現(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軸向氣缸放下時才能使X軸向氣缸放下。并分別實現(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軸向氣缸放下時才能使Y軸向氣缸放下。并分別實現(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軸向氣缸放下時才能使X軸向無桿氣缸氣缸向右。并分別實現(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軸向氣缸放下時才能使Y軸向無桿氣缸氣缸向下。

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

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，實現(xiàn)機(jī)器人腳步的移動，通過四只腳上的雙作用拉桿氣缸的伸縮，實現(xiàn)對機(jī)器人整體的抬升降低。 通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計及相關(guān)計算。包括整體支架、電機(jī)、氣壓控制部分的計算，結(jié)合市面上已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參考，對機(jī)構(gòu)中氣壓控制和PLC控制方式分析聯(lián)系，最終設(shè)計出氣動回路。 在設(shè)計的過程中，系統(tǒng)主要零件和部件的校核計算最為重要，直接關(guān)系到機(jī)器人運行時的穩(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

65、bing Robot.遼寧撫順:遼寧石油化工大學(xué)信息工程學(xué)院，113001 [2]姬國釗,張世偉,王奇斌,李俊秀,王卓真.空吸盤式爬壁清洗機(jī)器人的研究與開發(fā).遼寧沈陽:東北大學(xué),110004 [3]高九崗,吳神麗,李宏穆.一種新型高樓清洗爬壁機(jī)器人的設(shè)計.四川成都:成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院,610059 [4]張厚祥,劉榮,王巍,宗光華.爬壁機(jī)器人氣動位置伺服控制研究.北京:北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,100083 [5]孫錦山,楊慶華,阮健.氣動多吸盤爬壁機(jī)器人Pneumatic Mult-i suckered Wal-l climbing Robot.浙江杭州:

66、浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,310014 [6]閻軍濤．壁面清洗機(jī)器人的運動控制系統(tǒng)設(shè)計［D］．重慶:重慶大學(xué)，2007． [7]李華斌.氣動PWM位置控制及擦玻璃機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[ D].北京:北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院, 1998. [8]郭成.微型爬壁機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)[J].制造業(yè)自動化,2004(7). [9]李華峰.超聲波電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)展[J].微特電機(jī),2001(2). [10]張思明.微特電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用與發(fā)展[J].世界電子元器件,2002(3). [11]徐小云.六足移動式微型仿生機(jī)器人的研究[J].機(jī)器人,2002(5). [12]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(6). [13]劉淑霞,王炎.爬壁機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)器人,1999(2). [14]楊慶華,張立彬,阮健.氣動彎曲關(guān)節(jié)的特性研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,2002,9(3) . [15]于海斌,朱云龍.可集成的制造執(zhí)行系統(tǒng).計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS,2000,6( 6):1~ 6. [16] 尹志強等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)