自动爬墙机器人控制系统设计.doc

毕业设计（论文）自动爬壁机器人的设计与实现Design and implementation of automatic climbing wall robot 班 级 机 械 122 学生姓名 张辽原 学号 1232205236 指导教师 任海东 职称 讲 师 导师单位 徐州工业职业技术学院机电学院 论文提交日期 2014年11月20日 徐州工业职业技术学院毕业论文（设计）任务书课题名称基于PLC的爬壁机器人控制系统设计课题性质 设计制作类 班 级 机 械 122 学生姓名 张 辽 原 学 号 1232205236 指导教师 任 海 东 导师职称 讲 师 一、课题名称：基于PLC的爬壁机器人控制系统的设计二、毕业论文（设计）主要内容：设计一种以PLC为核心控制的吸盘式爬壁机器人控制系统,用于高空壁面作业等。设计的机器人采用有线控制和PLC控制相结合，有线控制是通过有线控制盒的按钮开关来控制电机正反转、控制真空泵的工作状态。PLC控制是基于已经编好的PLC程序对机器人进行自动控制。电源管理模块主要为PLC提供12V电压, 用以驱动PLC和控制负载; 电机驱动模块主要是驱动两路行走电机及真空泵。三、计划进度：1.第8-9周 控制方案设计2.第10-11周 PLC控制设计3.第12周 PLC的选择4.第13周 有线控制电路设计四、毕业论文（设计）结束应提交的材料： 1、PLC编程图 2、机器人实物指导教师 教研室主任 年 月 日 年 月 日论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。毕业生签名： 日 期： 指导教师关于学生论文真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。指导教师签名： 日 期： 目录目录I摘要IAbstractII第一章 绪论11.1设计背景11.2 爬壁机器人的研究发展现状11.3 主要研究内容2第二章 基于PLC的控制系统设计32.1 控制系统的方案选择32.2 PLC的技术特点32.3 PLC的选型42.4 输入信号及输出信号的配置52.4.1输入信号及输入器件52.4.2输出信号及输出设备52.5 输入输出接线及系统控制模式和电路设计62.5.1 PLC的I/O端口接线设计62.5.2系统控制模式和控制电路设计62.6控制程序设计92.6.1 程序结构92.6.2程序梯形图设计10致谢13参考文献14总结15摘要爬壁机器人是一种能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。本文简单介绍爬壁机器人的国内外研究现状的基础上，真空吸附爬壁机器人的本体机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算及校核计算，重点是爬壁机器人的移动结构、吸附结构和驱动系统的设计计算。本文设计的爬壁机器人采用间歇式吸盘运动机器人，结构简单；采用真空吸盘吸附方式，选用真空发生器为吸盘提供正负压，利用机器结构完成机器人真空吸盘的吸附与释放控制，降低了控制难度；采用丝杠带动螺母运动，一个电机驱动丝杠，一个电机驱动齿轮使机器人实现转动，机器人可以在水平面或者垂直表面直线行走。对控制系统设计，本文采用了编程简便、工作可靠、有良好的人机界面的可编程控制器(PLC)。 关键词 : 真空吸附 齿轮机构 电机驱动 移动式AbstractWall climbing robot is a kind to be able to work in a vertical cliff on the robot, as a kind of automatic machinery device for high-altitude limit operation, people pay more and more attention. A brief introduction of the wall climbing robot research status at home and abroad on the basis of the vacuum adsorption body wall climbing robot is designed, on some of the key parts of the design calculation and checking calculation, the focus is on the design and calculation of wall climbing robot moving structure, adsorption structure and drive system.In this paper, the design of the wall climbing robot using intermittent suction robot, the structure is simple; use vacuum sucker adsorption method, selection of vacuum generator provides a positive and negative pressure for suction cups, the use of machine structure to complete the robot vacuum sucker adsorption and release control, reduce control difficulty; using screw drives the movement of the nut, a motor, a motor driving gear to realize the rotation so that the robot, the robot can in a horizontal or vertical surface straight line. On the design of control system, this paper adopts the programming is simple and reliable, has good man-machine interface of the programmable controller (PLC).Keywords : vacuum adsorption gear mechanism motor driven movable typeI第一章 绪论1.1设计背景 爬壁机器人是一种能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，爬壁机器人主要用于：核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等；石化企业：对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐、测量和保养；建筑行业：用于对巨型壁面的喷涂，玻璃壁面的清洗，磁砖安装，桥梁探伤等；消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作；造船业：用于喷涂船体的内外壁等。它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。1.2 爬壁机器人的研究发展现状驱动、传感、控制等硬软件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展,实际应用的需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战,爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下几方面。(1)新型吸附技术的发展。吸附技术决定了机器人的应用范围，目前应用比较成熟的吸附技术主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性,在很多情况下难以满足实际应用的要求。因此,开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向，其中，仿壁虎脚掌仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展趋势。(2)爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业,作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们则希望爬壁机器人能够装备多种工具,在不同的场合进行工作，实现一机多用的功能。这样可以减小人类使用机器人的成本，有利于爬壁机器人的发展。(3)小型化、微型化是当前爬壁机器人发展的趋势。在满足功能要求的前提下,体积小、质量轻的机器人可较小能耗,具有较高灵活性,可以承载更多的负荷，有利于实现爬壁机器人的多功能性，并且在某些特殊场合也需要机器人具有小的体积。各种微型驱动元件、控制元件及能源供应方式的发展,以及在纳米材料方面取得的进步，为小型化、微型化奠定了基础。1.3 主要研究内容（1）爬壁机器人的吸附设计：根据移动和吸附功能要求，通过计算确定吸盘的直径、数量，合理选择吸盘；考虑系统的负载和用气量选择合适的气缸；绘制气路图。（2）爬壁机器人移动设计。机器人要完成相关壁面作业任务，必须具有在保持机体姿态不变的情况下，能够在壁面上沿任意方向移动的功能，而解决的关键技术是全方位运动机能的实现方式。（3）爬壁机器人的控制设计：本系统采用可编程控制器(PLC)完成对机器人主体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附、清洗的顺序控制。为了控制方便、操作简便，控制器PLC固定在机器人本体上，人在地面通过控制盒实现有线控制。第二章 基于PLC的控制系统设计2.1 控制系统的方案选择目前常用的控制方式有单片机、DSP、PLC三种。单片机控制系统具有较高的性价比，但控制系统则需进行难度较大的系统软硬件设计和抗干扰设计，须进行工作量较大的硬件组装，开发周期长且技术难度较大，对我们无较多控制要求爬墙机器人不适宜。DSP控制系统用于数字信号数据处理，计算速度快，但也需进行较多的系统软硬件设计和抗干扰设计，难度也较大。因此DSP的控制方式也不适宜。综合爬壁机器人的运动特点和控制功能的要求等各种因素，对三类控制方式进行对比，设计方案中首选采用可编程控制器（PLC）作为爬壁机器人控制系统的设计方案。2.2 PLC的技术特点可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），一种具有微处理机的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可编程控制器由内部CPU，指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。 广泛应用于目前的工业控制领域可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；并能与计算进行通讯，实现工作过程的综合自动化。二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他控制方式。2.3 PLC的选型PLC的输入输出模块选择要根据系统所需的输入输出点数来确定，PLC作为机器人控制核心，其输入主要为接近开关和操作按钮开关的开关量，输出主要为各个电机和真空泵的开关量，这些开关量决定PLC输入输出点数。表2-1系统输入输出总点数输出点元器件或功能元器件数或功能数每个元器件所需点数所需点数移动驱动电动机224微型真空泵212蜂鸣器111输出总点数7输入点元器件或功能元器件数或功能数每个元器件所需点数所需点数按钮开关111接近开关414输入总点数5总共需要输出点数7点，输入点数为5点。考虑以后的扩展的需要和预算限制，我们选择仿三菱的国产工控板FX2N-30MR PLC。它加工便宜，可以实现原控制板95%的功能，能满足爬壁机器人所需的各种控制要求。该款PLC具有16个输入点和14个输出点，最大内存容量为8000步，采用继电器输出可以分别适应交流负载和直流负载。因PLC对系统硬件结构，IO接口功能，应用程序设计语言，抗干扰措施等一系列技术内容均已作了理想周密的设计和技术处理，在组成PLC应用控制系统时，我们所需进行的工作主要是外部输入设备、输出设备与PLC的接线和控制程序设计及调试。2.4 输入信号及输出信号的配置 2.4.1输入信号及输入器件PLC的输入信号是PLC在每个扫描周期第一阶段所采样的来自现场的实时命令信息和设备状态信息，是PLC在第二阶段进行逻辑运算按控制程序产生输出信号的依据。该爬墙机器人吸附运动功能所要求的输入信号应包括控制按钮、接近开关等开关量信号，考虑操作及调试要求还需设置工作方式选择开关，以选择自动或手动控制方式。2.4.2输出信号及输出设备PLC输出信号是PLC采样现场输入信号后，根据用户程序规定的控制功能进行逻辑运算，经放大于第三阶段刷新至输出端的控制信号，输出信号直接用于改变控制被控对象的工作状态，以完成爬壁机器人吸附运动要求规定的工作内容。该PLC输出信号所控制的外部设备主要包括直流电机、微型真空泵、蜂鸣器。表2-2 PLC I/O分配表输入信号输出信号名称地址名称地址启动X0外框架真空泵Y0左接近开关X1蜂鸣器Y1右接近开关X2电机1正转Y2上接近开关X3内框架真空泵泵Y3下接近开关X4电机1反转Y4电机2正转Y5电机2反转Y62.5 输入输出接线及系统控制模式和电路设计2.5.1 PLC的I/O端口接线设计根据上述的输入输出点编号即可设计出机器人控制系统PLC的I/O外部接线图。然后根据接线图进行PLC的I/O端口接线。 图2-1 PLC的I/O端口接线2.5.2系统控制模式和控制电路设计本控制系统强电部分既包括手动模式的开关按钮、一般继电接触电路的电路单元，又包含有自动模式的PLC输出继电器的输出触点驱动执行电器的电路单元。控制电路中所有工作电器的逻辑处理可以由PLC系统自动控制或手动有线控制两种方式完成。2.5.2.1有线控制电路设计B5、SB6为手动控制的电动按钮用于控制真空泵1和真空泵2的运行于停止。KM1、KM2、KM3、KM4用于控制两个驱动电机的正反转。KM1、 KM3闭合驱动电机M1、M2正转，KM2、 KM4闭合驱动电机M1、M2反转。SB1、SB2、SB3、SB4为控制按钮，SB5控制正空泵1，SB6控制真空泵2，SB7控制PLC开关。图2-2 有线控制两台电机正反转电路图图2-3 有线控制面板1.急停开关 2.外泵控制开关 3.PLC3控制开关 4.电源开关 5.启动按钮6.内泵开关 7.电机2正转 8.电机2正转 9.电机1反转 10.电机2反转 图2-4 有线控制电路使用的排线2.5.2.2有线控制电路设计SB8为PLC的控制开关，Y0和Y2 两个输出继电器用于控制真空泵1和真空泵2。KM5、KM6、KM7、KM8用于控制两个驱动电机的正反转。KM5、 KM7闭合驱动电机M1、M2正转，KM6、 KM8闭合驱动电机M1、M2反转。图2-5 PLC控制两台电机正反转电路图 图2-6 两台电机正反转总控制电路2.6控制程序设计2.6.1 程序结构根据该爬壁机器人吸附和运动的控制要求，结合机器人操控模式，拟定该爬壁机器人控制程序主要包括三个控制内容。 初始化程序部分手动操作程序部分自动控制程序部分 启动初始化模式选择按键检测输入预设高度执行自动模式执行手动模式 图2-7 程序设计流程图2.6.2程序梯形图设计致谢时光荏苒，如白驹过隙，随着毕业设计的结尾，短暂而又充实的三年大学生涯也将落下帷幕。三年来，给我帮助的人太多太多，令我感动的时刻数不胜数，岁月的脚步依然匆匆，我会把每一份关怀，每一份勉励都铭记、珍藏。回首往事兮景幻多，感念吾师兮梦婆娑。感谢我的老师们对我学习的支持、勉励。三年来，我能深深感觉到各位老师严谨踏实的治学态度和平易近人的人格魅力潜移默化地熏陶着我。桃李无言，下自成蹊，感念吾师，祈望今后能有结草衔环之机会以报涌泉之恩。感谢任海东老师在论文开题、写作过程中提出的宝贵意见和有益的启发。“手浇桃李千行绿，点缀春光满上林。”一批又一批的学生来了又走了，不变的是老师们无怨无悔承担起的育人树人之责、传道授业解惑之任，在此真诚的祝福老师们一生平安幸福，工作顺利。 感谢三年来与我倾心相交的朋友们，你们的名字已经成为我心底深深的印记：110的兄弟王飞、王豪、李春义、杨胜、周祥。怀念我们相互支持、共同进取的日子，怀念我们一起青梅煮酒，纵论天下的日子