毕业设计（论文）-基于PROE擦窗机器人运动机构的模型建立与运动.pdf

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日毕业设计任务书毕业设计任务书设计题目：基于PROE擦窗机器人运动机构的模型建立与运动仿真系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号：112011116学生：申建斌指导教师（含职称）：田静（讲师）1课题意义及目标课题意义是利用PROE建立擦窗机器人的运动模型并进行仿真，可以在不制造出样品的情况下观察设计的运动模型的可行性和优劣性。通过设计擦窗机器人需要综合利用各种知识，使我对本专业知识有个整体的认识和系统的复习。课题目标是通过毕业设计为制造擦窗机器人运动机构提供一定的理论依据也使我可以更熟练的操作和使用PROE这一软件。2主要任务1）通过查阅有关资料，了解擦窗机器人主要功能和技术参数。2)擦窗机器人的功能选择与运动机构的设计。3）根据设计的运动机构建立PROE模型。4）利用PROE进行运动的仿真，验证所要实现的功能是否具备。5）完成毕业设计说明书的撰写。3主要参考资料1宗光华.高层建筑擦窗机器人J.机器人技术与应用，1998，022张兆君，周延武，宗光华.擦窗机器人在高层建筑中的应用J.建筑技术2001093王硕.智能家居中玻璃窗自动清洗装置的研制D.大连:大连工业大学20124进度安排设计各阶段名称起止日期1查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告3月3日3月23日2广泛阅读相关文献，制定机器人的设计方案3月24日4月13日3完成机器人运动机构的设计，完成中期检查4月14日5月4日4完成PROE运动机构模型建立和运动仿真5月5日6月1日5完成毕业设计说明书的撰写及答辩工作6月2日6月22日审核人审核人：年月日I基于PROE擦窗机器人运动机构的模型建立与运动仿真摘要：针对人工清洁玻璃工作环境比较危险、清洁成本高、花费时间长。现有擦窗机器人清洁效果不理想、清洁效率低、价格昂贵的情况，作者设计了一种适合普通家庭和个人使用的擦窗机器人，它具有成本低廉，转向灵活，可以清洁到玻璃的边角地方等优点。本设计首先介绍了擦窗机器人的设计背景和国内外研究进展，然后介绍了该擦窗机器人的设计方案其吸附机构采用真空吸盘移动机构采用履带式结构控制系统采用PLC控制。本设计完成的工作是设计了擦窗机器人的运动机构对擦窗机器人的运动路径进行了规划并通过PLC控制实现了该路径的运行，最后利用PROE对该运动机构进行了运动仿真，验证了该设计的可行性和合理性。关键词：关键词：擦窗机器人，真空吸盘，履带式结构，PLC控制，PROE运动仿真BasedOnThePROECleaningWindowRobotMotionMechanismModelEstablishmentandMotionSimulationAbstract:Asmanualcleaningglasshassomedisadvantagessuchasdangerousworkingenvironmenthighcleaningcostslongtimeinaddition.Andtheexistingwindowcleaningrobotshaveseveralshortcomingslikeunsatisfactoryeffectslowcleaningefficiencyhighpricesandsoon.Thereforetheauthordesignedacleaningwindowrobotwhicharesuitableforordinaryfamilyandindividual.Thiscleaningwindowrobothasmanyadvantages.Forinstancecheapcostsflexiblesteeringevencleaningthecornerofglassandsoon.Thisarticlefirstintroducedthedesignbackgroundofthecleaningwindowrobotanditsstudyprocessathomeandabroad.AndthenintroducingitsdesignplanaswellitsadsorptionmechanismusingvacuumsuctioncupsthemovingmechanismusingcrawlerstructureanditscontrolsystemusingPLCcontrol.ThisdesignworkedoutseveralworkincludingdesignedthecleaningwindowrobotmotionmechanismplannedthemotionpathofthecleaningwindowrobotandachievedtheoperationofthemotionpathbyPLCcontrolfinallyconductingthemotionsimulationforthemotionmechanismbyusingPROEandverifiedthefeasibilityandrationalityofthedesign.Keywords:windowcleaningrobot，vacuumcupscrawlerstructurePLCcontrolPROEmotionsimulationII目录1绪论.11.1擦窗机器人的设计背景.11.2擦窗机器人国内外研究现状.12擦窗机器人总体设计方案.62.1擦窗机器人的设计要求.62.2擦窗机器人的总体布局.72.3擦窗机器人的研究步骤.72.3.1擦窗机器人的整体结构设计.72.3.2擦窗机器人的控制系统设计.82.3.3擦窗机器人的PROE建模及运动仿真.82.4本章小结.83擦窗机器人吸附机构的设计和选择.93.1擦窗机器人真空吸盘的设计和选择.93.2擦窗机器人真空泵的选择.93.3本章小结.114擦窗机器人移动机构的设计和选择.124.1擦窗机器人履带设计.124.2擦窗机器人驱动电机的选择.134.3本章小结.155擦窗机器人清洁系统的设计.165.1擦窗机器人清洁液喷洒装置设计.165.2擦窗机器人清洁布设计.165.3本章小结.176擦窗机器人路径规划和控制系统设计.186.1擦窗机器人路径规划.186.1.1现有擦窗机器人的运动路径.186.1.2本文设计擦窗机器人运动路径.196.2PLC可编程控制系统简介.19III6.3PLC可编程控制电路设计.206.3.1擦窗机器人控制电路.206.3.2擦窗机器人控制系统程序.226.4本章小结.237基于PROE擦窗机器人运动机构模型建立与运动仿真.247.1PROE软件概述.247.2擦窗机器人运动机构模型建立.247.3擦窗机器人运动机构仿真.267.4本章小结.278结论.28参考文献.29致谢.30太原工业学院毕业设计11绪论绪论1.1擦窗机器人的设计背景擦窗机器人的设计背景玻璃作为一种古老的建筑材料，由于其良好的透光性和美观性，而被大量使用在现代的高楼大厦中。但问题随之而来，玻璃常年暴露在空气中，会有灰尘或一些微小的杂物落在上面，为了使其保持良好的透光性和美观性，必须经常对其进行清洁。目前使用最广泛的清洁方式主要有两种：一种是人工利用吊篮或升降平台到达指定位置进行清洁，这种方法工人在高空作业，不仅工作危险性比较大，而且费用较高，不适合普通家庭或个人使用，第二种方法是在建造楼房时，在楼顶预装上轨道或吊索，通过轨道或吊索将擦窗机对准窗户进行清洁，这种方法安装维护比较麻烦，同样不适合个人使用。擦窗机器人就是专门为解决这一难题而设计的，擦窗机器人体积小巧，可以吸附在玻璃上，利用驱动系统带动清洁布在玻璃上移动，代替人工对玻璃进行擦拭。现在已经研究出了一些适合家庭或个人使用的擦窗机器人，但由于其清洁效率低、转向不灵活和制造成本较高等因素的制约，而没有被广泛得到使用。因此，擦窗机器人还有改进的空间，研究设计工作还需继续进行，利用PROE建立运动机构模型并进行运动仿真，可以在电脑上模拟机构的运动，验证机构的可行性和合理性，节约制造成本，而且便于修改，对设计工作有巨大的帮助。1.2擦窗机器人国内外研究现状擦窗机器人国内外研究现状随着人民生活水平的提高，机器人家族出现了一名年轻的成员服务机器人。他们被应用在清洁、维修、救援、看护和保安等领域。清洁机器人是服务机人中应用最广泛的领域之一。我国服务机器人相比较国外起步较晚，但在国家863计划的大力支持下，我国服务机器人发展迅速。世界上第一台研制成功的清洗机器人是普茨迈斯特公司等受德国汉萨航空公司委托历时5年研制出来的“清洗巨人”（SKYWASH），它主要用于清洗各种类型飞机，如图1.1所示是SKYWASH正在工作的场景，它有一条33米的巨型伸缩臂，几乎可以对飞机所有表面进行清洁，而且它拥有11个自由度，可以灵活的完成各种动作。太原工业学院毕业设计2图1.1Skywash在清洗现场图1.2所示的是德国IPA研制成功的清洗机器人之一，它被用于柏林火车站玻璃隧道的清洁，它可以沿着导轨做上下左右的移动，来清洁整块玻璃。图1.3所示的是日本BVE公司研制的一种可以沿固定轨道清洁玻璃的擦窗机，该机器自动化程度较高，但成本较高，而且需要建楼时就预铺轨道。这两种是国外研究成功较早的玻璃清洁机器人。图1.2IPA清洗机器人图1.3日本固定轨道擦窗机国内清洗机器人的研究起步虽然没有国外早，但在国家政策的大力支持下，我国许多大学在清洁机器人方面取得了突破性进展。太原工业学院毕业设计3图1-4是哈尔滨工业大学研制的CLE-II型清洁机器人，它采用单吸盘负压双轮驱动式结构，清洁装置在机器人尾部，另外还配有卷扬机和地面支援小车等设备，这款清洁机器人清洁效率较高，动作也比较灵活。图1.4哈尔滨工业大学CLE-型壁面清洗爬壁机器人图1-5是北京航空航天大学成功研制的清洁机器人中的一种，该清洗机器人采用十字型结构，利用两个相互垂直的气缸交替作用实现移动和清洁作用，该机器人的重量为35kg清洁效率是2000-3000平方米日。图1.5北航的多足式清洗机器人图1.6北航的3W清洗机器人图1-6是北京航空航天大学研制的另一款清洗机器人，该清洁机器人通过一个涵道风扇将机器人压在壁面上，该机器人有四个导向轮控制行进路线，但没有驱动装置，依靠楼顶的缆车拉动缆绳提供动力，它的清洁效率为10min。除此之外，北京航空航天大学还研制成功了蓝天洁士等清洁机器人。太原工业学院毕业设计4图1.7上海大学的清洗机器人图1-7是上海大学研究出来的清洁机器人的结构简图，它采用真空吸附轮式结构，该机器人可以跨越一些行进路线上的窗框等障碍物。Cleanbot-Cleanbot-图1.8香港城市大学研制的高楼清洗爬壁机器人图1-8所示的是香港城市大学研制的两种清洗机器人，第一种是以北京航空航天大学的清洁机器人为原型设计的，第二种是采用多吸盘履带式结构，动作比较灵活，清洁效率也较高，但吸盘较多结构比较复杂。太原工业学院毕业设计5图1.9德国玻妞擦窗机器人图1-9所示的是德国玻妞擦窗机器人外形尺寸为295148120mm总重量为940g额定功率为80w真空吸附能力56kpa工作原理是两个吸盘交替作用同时以正在产生作用的那个吸盘为圆心另一个吸盘转动从而达到前进的效果。这种擦窗机器人动作灵活，但清洁部位是圆形，清洁方形玻璃时，玻璃的边角部位无法清洁到。图1.10科沃斯擦窗机器人图1-10所示的是科沃斯擦窗机器人，外形尺寸为23222595mm，重量为2kg，真空吸附能力50kpa，它的工作原理是利用真空吸盘吸附在玻璃上，利用履带式结构驱动，机器人前后各安装一块清洁布进行擦拭。这种清洁机器人动作灵活，结构简单，运行平稳，但转向不灵活，边角清洁比较困难。太原工业学院毕业设计62擦窗机器人总体设计方案擦窗机器人总体设计方案2.1擦窗机器人的设计要求擦窗机器人的设计要求现在国内外研究的擦窗机器人大多转向不够灵活，无法清洁到玻璃的边角部位，而且价格较贵。针对这些情况本文作者设计了一款性价比较高的擦窗机器人，这种擦窗机器人主要面向普通家庭和个人使用，因此，对设计的擦窗机器人有如下几点要求：（1）体积小巧，重量较轻。由于定位是普通家庭使用，所以玻璃面积不会太大（如图2.1所示），体积小巧可以使机器人动作更加灵活，清洁效果更好。重量要求单手可以拿起，以便于操作和降低能耗。（2）操作简单，运行平稳。擦窗机器人在高层建筑户外使用，运行开始后不便于操作，所以要求擦窗机器人在运行开始时，一次操作可以运行到清洁完成。玻璃表面比较光滑，所以容易发生打滑现象，因此需要采用合理结构，使运动平稳可靠，不会出现打滑现象。（3）安全可靠，价格低廉。擦窗机器人在高层建筑工作，如果掉落可能会出现严重事故，所以吸附系统需要安全可靠。该设计是面向普通家庭和个人，所以产品价格要比较低，适合普通家庭消费。图2.1民用玻璃窗实物图太原工业学院毕业设计72.2擦窗机器人的总体布局擦窗机器人的总体布局擦窗机器人主要由吸附机构、移动机构、清洁系统和控制系统四部分组成。吸附系统主要由真空吸盘和微型真空泵组成，真空吸盘位于整个擦窗机器人中央，这样整体结构更加平稳，微型真空泵位于真空吸盘上方安装在擦窗机器人底盘上。移动机构主要由直流减速电动机和履带结构组成，直流减速电动机由直流电动机和微型减速器构成，整体结构体积小巧，而且直流电动机调速调速简单且比较平稳。采用两条履带结构分别位于真空吸盘两侧，各由一个直流减速电动机驱动，分别位于两条履带的前端和后端（如图2.2所示）。图2.2内部装置分布图清洁系统是由两块清洁布、一个储存清洁液的罐和四个喷雾嘴组成，一块清洁布安装在擦窗机器人四周起清洁作用，另一块包裹在吸盘上使吸盘可移动性提高，四个喷雾嘴安装在擦窗机器人四面，在擦窗机人前进过程中喷洒清洁液。控制系统有开关和PLC可编程控制器组成，在按下启动开关后，擦窗机器人在PLC可编程控制器的控制下按照预先规划的路径进行清洁。2.3擦窗机器人的研究步骤擦窗机器人的研究步骤2.3.1擦窗机器人的整体结构设计擦窗机器人的整体结构设计太原工业学院毕业设计8（1）根据设计所要达到的要求，对擦窗机器人的外壳形状以及吸附机构、移动机构、清洁系统等部分在擦窗机器人中所处的位置进行预先规划和设计。（2）根据预先设计的整体尺寸，合理选择吸附机构中真空吸盘的尺寸，然后预先估计擦窗机器人的整体重量，根据其重量选择合适真空度的微型真空泵，并预留一定安全范围，增加擦窗机器人的安全性。（3）根据擦窗机器人的重量、尺寸和真空泵的真空度，选择履带的材质、长度和宽度。根据擦窗机器人的整体重量以及与玻璃接触面的摩擦系数，确定驱动电机所需的功率及转矩，然后确定电动机的型号以及个数。（4）根据擦窗机器人的外形，确定清洁布的位置以及大小和清洁液喷雾嘴型号以及需要安排的位置。2.3.2擦窗机器人的控制系统设计擦窗机器人的控制系统设计首先，根据自己设计的擦窗机器人的运动特点规划出合理的清洁路径，并与其他清洁路径进行对比，确定该清洁路径简单而且合理，确实可以提高清洁效率，然后，利用PLC可编程控制器控制擦窗机器人按照预先规划的路径进行清洁，做出该控制系统的控制程序，并用梯形图表示出来。2.3.3擦窗机器人的擦窗机器人的PROE建模及运动仿真建模及运动仿真首先，利用PROE建立擦窗机器人外壳、履带、履带轮、轴、轴承和底盘等运动机构的三维模型。然后，将各运动部件利用合适的约束装配到一起。最后，利用其运动仿真功能对擦窗机器人运动机构模型进行运动仿真，验证该设计的可行性和合理性。2.4本章小结本章小结本章首先阐述了擦窗机器人针对的使用群体和设计要求，然后针对前面的要求确定了擦窗机器人的各部分结构和整体布局，最后在确定设计标准后，说明了该设计准备采用的研究步骤，并按照该步骤进行了具体实施。太原工业学院毕业设计93擦窗机器人吸附机构的设计和选择擦窗机器人吸附机构的设计和选择3.1擦窗机器人真空吸盘的设计和选择3.1擦窗机器人真空吸盘的设计和选择真空吸盘常用的品种有平直型、平直带肋型、深凹型和风琴型等有着不同的适用场合。平直型真空吸盘主要适合应用在表面平整且不变形的工件上尺寸有2、4、6、8、10、13、16、20、25、32、40、50。平直带肋型真空吸盘适用于容易发生变形的工件上，尺寸有10、13、16、20、25、32、40、50。深凹型真空吸盘主要适用于曲面工件，尺寸有10、16、25、40。风琴型真空吸盘适合用在没用缓冲的空间或吸盘吸附面倾斜的场合尺寸有6-50。真空吸盘需要定做的品种有长圆型、头可摇摆型、长行程带缓冲型、大型和抗静电型。长圆型真空吸盘主要应用于长工件，尺寸宽长从3.57至830。头可摇摆型真空吸盘适用于吸着面倾斜的工件，尺寸有10-50。长行程带缓冲型真空吸盘主要应用在吸吊工件高度变动又需缓冲的场合。大型真空吸盘适用于吸吊重型工件，尺寸有40、50、63、80、100、125、150200、250。抗静电型真空吸盘适用于带静电工件。根据以上介绍，综合考虑擦窗机器人外形尺寸和清洁效率，初步选择直径为100的大型真空吸盘。3.2擦窗机器人真空泵的选择擦窗机器人真空泵的选择微型气泵是指体积比较小巧，工作介质通常为气态，主要作用是用于气体循环、气体采样、真空保压、真空吸附、打气、增压、抽气等多种用途的一种气体输送装置。微型气泵按用途分类可分为：微型气体循环泵、微型气体采样泵、微型气泵、微型真空泵、微型打气泵、微型抽气泵和微型抽气打气两用泵等。微型气泵按工作原理分为：叶轮式、隔膜式、活塞式和电磁式等。微型真空泵是实验室、仪器、仪表、医疗卫生、环保、化工、科研等行业适用较广泛的微型气泵。太原工业学院毕业设计10真空吸盘的理论吸力计算公式是tPsW11.0，式中W表示工件的重量，单位是N，P表示真空压力，单位是kPa，S表示真空吸盘有效截面积，单位是，t表示安全系数，如果水平吸取工件，t取4以上，如果垂直吸取工件，t取8以上。图3.1吸取方式由于前面真空吸盘选择直径为100的大型真空吸盘，擦窗机器人预计整体重量不超过5，计算时按5计算，由理论吸力计算公式可得：50=50.1P18计算得P=50N。根据以上计算可知：微型真空泵选择真空度为50kPa，根据真空度要求选择品牌为pumtip，型号为TYAP127型隔膜微型真空泵，该微型真空泵额定电压为12V，额定功率为3.6W，最高压力1.5bar，最大流量5Lmin，管径4mm，重量146g，外形尺寸为745132，材质为工程塑料+铸铁，驱动方式为电动。该微型真空泵有功耗小、噪声低、易于操作、免维护、体积小巧、便于携带、允许介质富含水汽等优点，最主要的是该微型真空泵是干式无油的，不会污染工作介质，无需添加润滑油或真空泵油，而且价格比较便宜。太原工业学院毕业设计11图3.2外形尺寸图3.3微型真空泵3.3本章小结本章小结本章首先对真空吸盘进行简单的介绍并对擦窗机器人的吸附机构中真空吸盘进行选型，确定选择直径为100的大型真空吸盘，然后根据真空吸盘理论吸力计算公式计算出微型真空泵的合适真空度，最后根据这个计算出的真空度选出符合要求的真空吸盘。太原工业学院毕业设计124擦窗机器人移动机构的设计和选择擦窗机器人移动机构的设计和选择4.1擦窗机器人履带设计擦窗机器人履带设计擦窗机器人的履带拟采用梯形齿同步带作为擦窗机器人的履带，该履带传动靠同步带齿和同步带轮上的齿啮合，传动比精确，耐磨性好，结构紧凑，材料使用硅橡胶作为带梯形齿同步带的制作材料，因为该材质跟玻璃等材料的摩擦系数较大，利用该材料做履带可以保证擦窗机器人在运动过程中不会发生打滑现象。根据图4.1梯形齿同步带的齿形尺寸表格，由于带宽为10mm，所以选择XL型梯形齿同步带作为履带，由图可知该履带节距为5.080mm，齿形角为50，齿根厚2.57mm，齿高1.27mm，带高2.30。图4.1梯形齿同步带的齿形尺寸根据图4.2带轮尺寸和公差，可以查出同步带轮的齿槽底宽为1.320.05，齿槽深为008.065.1，槽半角为25，齿根圆角半径为0.41mm，齿顶圆角半径为05.0064.0，节顶距为0.508mm，外圆直径2padd，外圆节距为zdaaP，式中z为带轮齿数，根圆直径为gafhdd2，根据以上尺寸即可利用PROE画出同步带轮的三维模型。太原工业学院毕业设计13图4.2同步带轮尺寸和公差4.2擦窗机器人驱动电机的选择擦窗机器人驱动电机的选择根据擦窗机器人的设计要求它的体积必须较为小巧所以要求驱动电机必须选用微型电动机最好可以直接连接现有的微型减速器.根据以上要求选用TG系列微型直流减速器电动机该系列直流减速器电动机具有寿命长、抗干扰能力强、精度高和节能等优点，被广泛应用于家庭自动化、办公自动化、医疗器械和生产自动化等领域。TG系列微型直流减速器电动机不带减速器时的主要技术参数如图4.3所示。太原工业学院毕业设计14图4.3TG系列微型直流电动机主要技术参数根据直流电动机的功率范围初步选择TG-06D型电动机，配减速器后技术参数如图4.3，外形及安装尺寸如图4.4。图4.4TG-06系列减速器（SR）电动机技术参数太原工业学院毕业设计15图4.5TG-06-SR型电动机外形尺寸由履带轮直径d=35mm，直流电动机选择配SR型减速器，转速选择n=19rmin，由此可知履带轮周长L=d=35=110mm=0.11m，擦窗机器人的速度为v=nL=190.11mmin=2.09mmin=0.035ms，擦窗机器人克服重力消耗的功率为P=Fv=500.035W=1.75W。由图4.3可知，TG-06D-SR型直流减速器电动机的转矩为T=588mNm，由此可得驱动力F=T（d2）=588（0.0352）mN=33.6N由此可知，一个驱动电机无法提供足够的驱动力，所以选择两个驱动电机同时提供驱动力，这样不仅可以提供足够的动力，而且可以利用电动机的正反转方便的控制擦窗机器人的转向。擦窗机器人的转向由一个深沟球轴承配合履带完成，深沟球轴承选用61834型轴承，重量1.81kg。在擦窗机器人行走到玻璃边角处需要转向时，由于履带与轴承内圈连接，外壳与轴承外圈连接，转向时履带一条前进，一条后退，带动轴承内圈转动，而外壳和轴承外圈在玻璃边框作用下保持不动，在内圈转过90后，两条履带同时正转，继续前进。4.3本章小结本章小结本章首先对擦窗机器人的履带结构进行了设计，然后对驱动电机进行了选型，根据要求选择了自带减速器的直流电动机作为驱动电机，在选好后根据履带轮的直径和电动机的转速等，对电动机的功率和转矩进行验证，全部符合设计要求，最后利用一个深沟球轴承和两条履带配合解决了擦窗机器人的转向问题，并使擦窗机器人的转向更加灵活，提高了擦窗机器人的工作效率。太原工业学院毕业设计165擦窗机器人清洁系统的设计擦窗机器人清洁系统的设计擦窗机器人的清洁系统由两块清洁布、一个清洁液储存装置和四个喷雾嘴组成。5.1擦窗机器人清洁液喷洒装置设计擦窗机器人清洁液喷洒装置设计清洁液储存装置只要密封性良好即可，里面通两条软管，一条较长通到清洁液底部，另一条通到清洁液上方，较长的软管与四个扇形喷雾嘴相连，较短的软管与真空泵的出气口相连，利用真空泵工作时产生的气流，给清洁液储存装置加压，便于清洁液喷出，提高真空泵的利用率，图5.1清洁液喷洒装置所用喷雾嘴的图片，将该喷雾嘴安装在擦窗机器人正方形外壳四个边的中间位置，就可以在擦窗机器人运动过程中将清洁液均匀的喷洒在将要走过的路径上，增强了清洁效果。图5.1扇形喷雾嘴5.2擦窗机器人清洁布设计擦窗机器人清洁布设计两块清洁布其中一块安装在擦窗机器人的下部外壳四周起主要清洁作用，另一块包裹在真空吸盘上，用于提高擦窗机器人的可移动性，同时也起到清洁作用，图5.2是两块清洁布所处的位置和尺寸大小示意图，该清洁布的材质应该选用质的比较柔软，与玻璃动摩擦系数较小，清洁效果较好的细绒布作为清洁布，这样清洁过程中不会划伤玻璃，而且前进阻力较小，可以节约能源，更有利于推广使用。太原工业学院毕业设计17图5.2清洁布尺寸及分布图5.3本章小结本章小结本章主要介绍了擦窗机器人的清洁系统，首先设计了擦窗机器人的清洁液喷洒装置，主要由清洁液储存罐和扇形喷雾嘴组成。然后是清洁布的设计是由两块质地柔软的细绒布组成，不仅清洁过程不损伤玻璃，清洁效果良好，而且可以提高擦窗机器人的可移动性。太原工业学院毕业设计186擦窗机器人路径规划和控制系统设计擦窗机器人路径规划和控制系统设计6.1擦窗机器人路径规划擦窗机器人路径规划6.1.1现有擦窗机器人的运动路径现有擦窗机器人的运动路径图6.1是现有擦窗机器人的运动路径显示图，由于现有的擦窗机器人转向方式限制，转向时必须先退出安全的转弯半径，然后再利用两条履带的速度差进行转向，所以其转向不灵活，无法快速转向和频繁转向，因此，该擦窗机器人在第一次清洁时边角无法清洁，所以需要在清洁完后需要进行一次扫边专门来清洁边角地方，降低了擦窗机器人的清洁效率，而且一些角落是无法清洁到的。图6.1路径规划太原工业学院毕业设计196.1.2本文设计擦窗机器人运动路径本文设计擦窗机器人运动路径图6.2路径规划图6.2是本文设计的擦窗机器人的运动路径的规划，由于本文设计的擦窗机器人可以在原地进行转向，所以本文设计的擦窗机器人的运动路径可以得到明显简化。通过对比两个擦窗机器人清洁路径，可以发现在相同的运行速度下，第二种运动路径不第一种快了一倍左右，大大提升了擦窗机器人的清洁效率，节约了时间和消耗的资源，降低了使用成本。6.2PLC可编程控制系统简介PLC可编程控制系统简介PLC可编程控制器是一种专为工业应用而设计的用数字运算来操作的电子系统，它采用可以编写程序的存储器，在其内部存储并执行顺序控制、算术运算、计数、定时和逻辑运算等操作指令，并通过模拟式、数字式的输出和输入控制各种生产和机械过程。PLC发展趋势是向小体积、高速度、高性能、易使用、高集成度和大容量等方向发展。PLC通常应用在数据处理、过程控制、通信网络、顺序控制和运动控制等范围。太原工业学院毕业设计20PLC由于具有编程简单方便、通用灵活、功能完善，扩展能力强、可靠性高，抗干扰能力强、体积小巧，重量轻，便于安装和设计、调试周期短，维护方便等优点，所以比较适合作为擦窗机器人控制系统使用。PLC通常使用梯形图和语句表等编程语言来进行编程。6.3PLC可编程控制电路设计PLC可编程控制电路设计根据前面吸附机构、移动机构、清洁系统的设计，需要控制的元件有真空泵的起停，两个驱动电机的正反转，和四个喷雾嘴的开关。真空泵的控制需要从开始工作起动到工作结束停止。两个驱动电机的正反转需要通过PLC的控制，实现擦窗机器人按照预先规划的路径运行。四个喷雾嘴的控制需要实现擦窗机器人朝哪个方向运动，该方向的喷雾嘴就开始工作。可编程控制器初步选择S7-200型的PLC。6.3.1擦窗机器人控制电路擦窗机器人控制电路图6.3是擦窗机器人开关按钮分布图，图中有8个开关分别为I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5I0.6、I0.7和I0.8，前四个安装在转向轴承的内外圈之间，是接触式开关，对擦窗机器人的转向进行限位和控制喷雾嘴开关，后四个为边缘检测开关，安装在擦窗机器人外壳的四个边上，当擦窗机器人运动到玻璃边缘位置，对应位置的开关闭合，擦窗机器人开始转向。图6.4是擦窗机器人驱动电机的电路连接图，通过图中的左右两个直流减速电动机的正反转可以实现擦窗机器人的前进、后退以及转向等功能。图6.5是擦窗机器人的控制系统PLC的电路连接图，通过将预先编好的控制程序下载到PLC内部，就可以通过与PLC连接的按钮等输入设备实现擦窗机器人按照设定好的路径进行有规律擦拭运动，实现擦窗机器人的智能化。太原工业学院毕业设计21图6.3擦窗机器人开关分布图图6.4电动机电路图图6.5PLC电路图太原工业学院毕业设计226.3.2擦窗机器人控制系统程序擦窗机器人控制系统程序图6.6擦窗机器人控制电路梯形图太原工业学院毕业设计23图6.6是擦窗机器人控制电路的梯形图，图中I0.0表示PLC控制系统上电启动，I0.9表示断电停止，Q0.0表示在图6.3所示位置时左边电动机正转，Q0.1表示左边电动机反转，Q0.2表示右边电动机正转，Q0.3表示右边电动机反转，Q0.4表示断电停止。6.4本章小结本章小结在这一章里，首先对擦窗机器人的清洁路径进行了规划，并与现在已经研究成功的擦窗机器人清洁路径进行了对比，直观的体现了本文所研究的擦窗机器人的路径的简洁性，然后对PLC可编程控制器做了简单的介绍，最后做出了擦窗机器人的连接电路图和PLC控制系统的梯形图。太原工业学院毕业设计247基于PROE擦窗机器人运动机构模型建立与运动仿真基于PROE擦窗机器人运动机构模型建立与运动仿真7.1PROE软件概述PROE软件概述PROE是美国PTC公司开发的一款集CADCAECAM一体的三维软件。它的主要模块有ProEngineer、ProDesktop、ProMechanical和ProMoldesign等。ProEngineer主要用于特征参数化建模，大型部件装配，基于Web零件库。ProMechanical主要用于结构、运动、热、潮流、疲劳等分析和动画仿真。ProDesktop主要用于概念设计。ProMoldesign主要用于模具设计。在本次毕业设计过程中主要用到PROE的两大模块，分别是ProEngineer模块和ProMechanical模块。首先利用ProEngineer模块建立运动机构的三维模型，并将其三维模型添加合适的约束装配在一起。然后，将装配好的运动机构利用带传动的方式，在适当位置给其添加一定数量的伺服电动机，使其进行运动仿真。7.2擦窗机器人运动机构模型建立擦窗机器人运动机构模型建立图7.1是擦窗机器人履带轮的PROE模型，它经过七次拉伸、两次阵列以及倒圆角等步骤完成。图7.1履带轮模型太原工业学院毕业设计25图7.2是擦窗机器人的外壳，左边是下面贴着玻璃部分的外壳，右边是外壳的上部，外壳下半部分由四次拉伸，一次抽壳和一次倒圆角等步骤完成。外壳上半部分由三次拉伸，一次抽壳和一次倒圆角完成。经过抽壳可以使外壳质量大幅下降，而且可以节约制作材料。经过倒圆角可以使制作工艺简单，而且避免被尖角划伤。（下）（上）图7.2擦窗机器人外壳图7.3是深沟球轴承与擦窗机器人底盘组合在一起，整个建模过程有两次旋转、六次拉伸、一次阵列和一次镜像等步骤完成。图7.3轴承和底盘太原工业学院毕业设计26图7.4是擦窗机器人的装配图，它由四个履带轮、四根轴、两条履带、一个轴承和底盘组合件、一个外壳下半部分和一个外壳上半部分装配而成。图7.4擦窗机器人装配图7.3擦窗机器人运动机构仿真擦窗机器人运动机构仿真首先，创建一块玻璃模型，将规划好的清洁路径画到玻璃板模型上。然后，将装配好的擦窗机器人装进来，约束到玻璃板平面，接下来继续添加新的约束，将擦窗机器人上预先建的两个点分别与玻璃板上所画的轨迹利用槽连接。再然后，选择应用程序中的机构，进入机构页面后，添加电动机选择运动轴，接下来，设定前面算出的速度，按照同样的方法添加所有用到的电动机，设定合适的速度。打开快照功能，准备记录下仿真过程，点击机构分析进入后设定合适的结束时间，并选择快照功能，然后再点击电动机，设定电动机的起止时间，最后，添加槽连接的电动机，设定合适的速度和时间，然后点击运行，观看完成的动画是否达到要求，点击回放，进入动画页面，点击捕获按钮，制作成视频短片。太原工业学院毕业设计27图7.5PROE运动仿真界面7.4本章小结本章小结本章首先对擦窗机器人建立运动模型和运动仿真的软件PROE进行了简单的介绍，然后根据各运动部件的尺寸特征建立运动模型，最后将各运动部件装配起来，进入机构页面，添加合适的约束和适当数量的电动机，并给定每个电动机的起止时间和运动速度，然后进行运动仿真，验证设计的合理性和可行性。太原工业学院毕业设计288结论8结论本文针对现有的擦窗机器人转向不灵活、价格昂贵等缺点，设计了一款适合普通家庭和个人使用的擦窗机器人，它的吸附机构是采用真空吸盘和微型真空泵组合结构来使其吸附在玻璃上，其微型真空泵抽出的气体又供给清洁系统中的清洁液储存罐，使其内部压力升高，有利于清洁液排出。它的运动系统有两个驱动电机、四个履带轮、两条履带和一个深沟球轴承组成，驱动电机采用两个TG-06D-SR型直流电动机，既可以保证有足够的驱动力，又可以方便的利用两个电动机的正反转结合深沟球轴承实现灵活转向。它的清洁系统由两块清洁布、四个扇形喷雾嘴和清洁液储存罐组成，清洁过程中喷雾嘴均匀喷洒清洁液，清洁布随后进行擦拭，清洁过程简单方便，清洁效果良好。它的控制系统采用PLC进行控制，提前输入规划的清洁路径的程序，擦窗机器人就能在启动后自动按照预设路径进行清洁，操作简单、智能化程度高。本文所设计的擦窗机器人最大的特点是利用了一个深沟球轴承配合驱动电机的正反转，实现了擦窗机器人的原地转向，与现有的擦窗机器人需要先倒退出足够的转弯半径才可以转向相比较，本文所设计的擦窗机器人转向灵活性得到了很大提高。另外，由于转向非常灵活，所以规划的清洁路径得到极大的简化，提高了清洁效率