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8张CAD高清图纸、说明书 JS系列 清洗 机器人 设计 真空 吸附 履带式 CAD 图纸 说明书 JS 系列

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内容简介：

壁面清洗机器人设计 56摘 要壁面清洗机器人是一个实用性很强的装置。自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术受到人们的广泛关注，但是，大都是进行了一些试验性质的研究，其相关的理论分析尚不成熟。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工作具有简单、重复的特点，比较适合机器人自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益和经济效益。因此，壁面清洗机器人有着良好的应用前景。本文首先对壁面清洗机器人这个课题的来源、目的及意义进行了阐述，简单介绍了国内外壁面清洗机器人的发展情况，对壁面清洗机器人的几种不同的移动方式及吸附方式进行了比较，最后采用了多吸盘的框架式结构，具有结构简单、操作方便等优点。接着对壁面清洗机器人的总体方案进行了设计，设计了行走机构以及转向机构，通过平动气缸与腿部气缸来实现机器人的移动，并且通过对壁面吸附可靠性的分析选择了吸盘、吸盘支座及快拧接头等部件，还对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了气压系统图。最后对壁面清洗机器人的控制系统进行了设计，采用了三菱的FX系列可编程控制器进行控制，并对可编程控制器的结构特点及工作原理进行了简单的介绍，然后分析了本设计中壁面清洗机器人的工作过程，对可编程控制器的输入输出端口进行了分配，并且编写了程序的梯形图。关键词：壁面清洗机器人，多吸盘的框架式结构，行走机构，转向机构，壁面吸附可靠性，可编程控制器ABSTRACTWall-cleaning robot is a very practical device.Since the sixties of this century,the climbing robot and related technology have greatly provoked word wide attention.But most of them are carried out some pilot studies,the relevant theoretical analysis is not yet mature.Used as a cleaning climbing robot,its cleaning is simple and repetitive,and to compare autonomous robots for work.Wall-cleaning robot is cleaning high-rise building wall for the purpose of mobile robot,its appearance would be extremely reduce the cost of cleaning high-rise buildings,improve the working environment of workers and increase productivity.It will also greatly promote the cleaning industry, bringing considerable social and economic benefits.Therefore,the wall-cleaning robot has a good prospect.This article first wall-cleaning robot from the subject,purpose and meaning is described,briefly introduced the development of domestic and international situation wall-cleaning robot for wall-cleaning robot moving in several different ways and adsorption compared.Finally,using the framework of multi-suction-type structure,with simple and convenient operation.Then on the wall-cleaning robot has been designed overall program designed to walk institutions and steering mechanism,through the translation cylinder and cylinder to achieve the robots legs move,and by adsorption on the wall of the reliability of selected sucker,sucker bearing and quick screw joints and other components,also carried out other pneumatic components selection,and rendering the air pressure system diagram.Finally,wall-cleaning robot control system design,using a Mitsubishi FX series programmable controller to control,and the structural features of PLC and working principle of a simple introduction,and then analyzes the design the working process of wall-cleaning robot,the programmable controller input and output ports of the distribution,and has prepared a program of the ladder.Key words:wall-cleaning robot, framework of multi-suction-type structure, walk institutions, steering mechanism, adsorption on the wall of the reliability, the programmable controller目 录1绪论11.1爬壁机器人11.2课题的来源、目的与意义21.3国内外壁面清洗机器人的研究现状21.4课题主要内容及技术参数121.5本章小结132壁面清洗机器人设计142.1壁面清洗机器人的组成142.2行走机构的设计152.3转向机构的设计232.4吸附装置的选取272.5壁面清洗机器人的框架以及吸盘安装板的设计312.6控制阀及其它气动元件的选取342.7气路的设计372.8本章小结383壁面清洗机器人控制系统设计393.1引言393.2可编程序控制器的简单介绍393.3壁面清洗机器人控制系统的设计443.4本章小结524结论53参考文献54致谢551绪论1.1爬壁机器人捷克的剧作家卡雷尔凯培尔最先提出了机器人这个词语，体现出了人类想要创造出一种能够模仿人的行动的机器，从而能代替人类去进行不同的工作的一种长久的愿望。国际ISO组织把机器人定义为一种自动的、位置可以控制的、具有编程功能的多功能机械手，然而我国的蒋新松院士则建议把机器人定义为一种拟人功能的机械电子装置。机器人是一种涉及到电子学、机械工程、控制理论、人工智能、仿生学、力学等多种学科相互交叉以及计算机技术、传感器技术、控制技术、电子技术、驱动技术等多种技术相互融合的复杂系统，也是一种边缘科学。机器人技术水平的高低在某种意义上能够体现出一个国家工业生产能力与科技水平的综合能力，随着科学技术的迅速发展以及人类生产和生活需求的不断增长，机器人技术被广泛应用到人类生活中的方方面面，它已经成为了高技术领域内具有代表性的研究目标，并且为社会带来了巨大的经济效益。机器人技术的出现以及发展不但从根本上改变了传统的工业生产，对人类的社会生活也产生了深远的影响。壁面爬行机器人是从极限作业机器人中产生出的一个分支，它主要在壁面或者高空中移动的同时进行作业，由于在现代社会中有许多作业场合对人的身体有比较大的伤害，甚至不适合人类亲身投入其中，这种情况下壁面爬行机器人便可以代替人类去完成这些危险工作，因此爬壁机器人的重要性越来越得到人类的认可。目前国内外的许多现场作业中已经投入了相当数量的壁面爬行机器人，其主要集中在以下几个行业：（1）核工业：对核废液储罐进行视觉检查、测厚以及焊缝探伤等（2）石化工业：对圆形大罐或者球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐等（3）建筑行业：用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并且对瓷砖和玻璃壁面进行清洗等（4）消防部门：用于传递救援物资，进行救援工作等（5）造船行业：用于喷涂船体或轮船内壁等（6）电力行业：用于对电站锅炉水冷壁管壁厚度进行测量等本文所设计的壁面清洗机器人属于壁面爬行机器人在建筑行业中的运用，主要用于对建筑物玻璃以及光滑外壁的清洗。1.2课题的来源、目的与意义清洗工人搭乘吊篮、升降平台或者直接腰系绳索，进行高空擦洗。虽然简便易行，但劳动强度大，工作效率低，稍有不慎还就会出现坠落事故，造成伤亡，人工作业的效率也很低。随着人类社会的不断进步，科学技术的日益发展，人们对生活质量和工作环境的要求越来越高，为了提高清洗效率并且把清洗工人从恶劣的工作环境中解脱出来，有待开发一种自动清洗作业系统。壁面清洗机器人是一种实用性很强的装置。自从本世纪六十年代以来，爬壁机器人及其相关技术的研究受到了人们广泛的关注，但是大都只是进行了一些实验性质的研究，其相关的理论分析还不成熟，结构设计虽然百花齐放，但真正能用于实际工作的却很少。作为清洗用的爬壁机器人来说，其清洗工具具有简单、重复的特点，比较适合机器人的自主工作，壁面清洗机器人是以清洗高层建筑为目的的壁面移动机器人，它的出现将会极大地降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，同时提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的经济效益和社会效益。因此，壁面清洗机器人具有良好的应用前景。1.3国内外壁面清洗机器人的研究现状壁面清洗机器人是一种由两部分组成的清洗用机器人，两个组成部分分别是可以自由移动的本体以及本体上搭载的清洗系统，由于壁面清洗机器人的本体机构是设计的主体，因此壁面清洗机器人与壁面移动机器人的发展有着很大的关联。1.3.1国外壁面清洗机器人的研究现状壁面移动机器人是能够在垂直的壁面上进行移动的一种机器人，在机械上有显著成就的日本壁面移动机器人的研究方面尤其积极。1966年，大阪府立大学工学部的讲师西亮就已经用电风扇的进气一侧的低压空气所产生的负压来产生吸附力，从而制造了壁面移动机器人的原理样机。1975年，升为宫崎大学工学部教授的西亮制作了二号样机，该样机为单吸盘结构，并且使用轮子作为行走方式的爬壁机器人。1978年，化工机械技术服务株式会社制造了名为Walker的爬壁机器人，这个爬壁机器人使用单吸盘结构，用真空泵产生负压来产生吸附力，由两个滚子和两条用来行走的皮带组成行走机构，滚子和皮带能够形成真空的腔体。该爬壁机器人的转向是由两个滚子和皮带的速度之间的差来完成的。该机器人由一个严重的缺点，当壁面上出现裂缝时，它的真空便很难维持。 图1-1 Walker机器人关西电力株式会社制造的履带式壁面移动机器人利用均匀分布在履带上及本体底部的吸盘来完成直线和转向运动，但是越障能力较差。 图1-2 履带式壁面移动机器人日本日挥株式会社的佐藤多秀研发制造了一种利用负压吸盘来吸附的双吸盘结构轮式爬壁机器人，该机器人由前后两个吸盘以及中间的本体结构组成。吸盘与壁面由密封的气囊来接触，该密封气囊在机器人运动时能够维持吸盘内部的吸附压力。在机器人的前后两个吸盘上各自安装有四个轮子，吸盘通过安装在其内部的轮子来进行吸附。前后两端的轮子分别由一个电机来控制，通过同一个吸盘上的两个电机的不同转速来改变机器人的运动方向。图1-3 轮式壁面移动机器人日本宫崎大学研制的推力吸附机器人借鉴了航空航天的技术，利用螺旋桨或者涵道风扇来产生推力，从而让机器人吸附在壁面上，并且吸附稳定可靠。由于螺旋桨或涵道风扇所产生的推力是指向壁面的，因此该机器人能够非常容易地跨越障碍。图1-4 推力吸附机器人概念模型日本东京消防厅所属的消防科学研究所研究制造了一种用作急救的攀援机器人，该机器人是采用单吸盘的履带式结构的爬壁机器人，通过履带间的速度差来实现转向功能。东京煤气公司与日立制作所研发了一种用来检查工作时的球形煤气罐的焊缝的壁面爬行机器人，该机器人采用步行式的行走机构，机器人的内外两个框架上各自装了八个带吸盘的脚，由装在脚上的气缸来控制脚的伸缩，两个框架的相对运动是由直流伺服阀通过传动机构来实现的，该结构具有带负载能力强的优点。日本国际机器人公司研发的名为空中勇士的壁面清洗机器人使用了脚步式的行走机构，该机器人由两个本体组成，各自安装有三只脚，三只脚可以进行伸缩运动，每只脚的端部都装有吸盘，通过两个本体上的脚的交互吸附来实现机器人的移动。英国的朴茨茅斯大学研制了名为Robug的爬壁机器人，该机器人的脚借鉴了蜘蛛脚的结构，每个脚上都装有吸盘，通过吸盘吸附壁面从而在壁面上进行移动。Robug III型爬壁机器人有八只脚，在每只脚上都安装了微处理器和吸盘。采用气缸对脚进行驱动。该机器人与其它机器人最大的不同是每条腿上都装有控制器，通过对机器人的远程遥控可以控制机器人往任何方向移动。另外朴茨茅斯大学还设计了Bigfoot、Toad、The Nero Series Vehicles、Tribot等多种壁面爬行机器人，这些壁面爬行机器人都是根据使用要求的不同而被设计出来的。图1-5 Robug III机器人意大利卡塔尼亚大学研发制造的Alicia系列机器人是用来对壁面进行检测的爬壁机器人，其中Alicia2型机器人由一个吸盘和两个轮子所组成，吸盘的作用是对壁面进行吸附，使用两个直流电机来控制两个轮子，从而能够使转向更加的灵活。该爬壁机器人最大的缺点就是越障能力较差，而Alicia3型机器人正是由于越障能力差这种缺点而被开发出来的，该型号机器人由三个Alicia2型机器人组成，两两间用一根杆来连接，要进行越障动作时其中两个机器人吸附另外一个机器人抬起便能轻松地实现越障功能。图1-6 Alicia3机器人1986年，美国国际机器人公司研发制造了名为SkyWasher的壁面爬行机器人，该机器人用来对摩天大楼进行清洗。它由两组L型的框架相对地进行滑动以及交替地吸附来实现移动功能，在每组框架上都装有三个脚掌，每个脚掌上还安装有两个真空吸盘，真空吸盘能够与壁面进行相对的直线运动，该机器人还可以实现横向的移动，并且具有一定的越障能力。图1-7 SkyWasher机器人1990年，美国的卡内基梅隆大学的Wolfe研发制造了一种以十字几何结构为基础的直动式壁面移动机器人ANDI。该机器人采用了由龙骨和横梁构成的十字构型，在简化结构的同时提高了爬壁机器人的工作效率。机器人的横梁沿着龙骨滑动并且通过足部的吸盘对壁面交替进行吸附来实现梁式行走，在横梁上装有涡流探测器，能够起到检测的作用，在横梁沿着龙骨运动的同时能够使探测器对壁面进行扫描。这种机器人还装有四个摄像头，沿着龙骨排成一排，四个摄像头中紧邻探测器的摄像头为广角镜头并且处在最高的位置，能够在监控机器人的同时进行导航和避开障碍等动作。这种机器人第一次将十字构型用到机器人结构当中，这种结构不仅能够实现爬壁机器人的移动和越障功能，更能够简化控制的算法，从而提高爬壁机器人的工作效率和工作可靠性。图1-8 ANDI爬壁机器人德国的Fraunhofer研究所研发制造的SIRIUSC壁面清洗机器人在工作时在机器人工作的建筑物的顶部有一个随动小车，这个小车除了起到安全的作用外，还能够对壁面清洗机器人的侧向移动进行控制，由于该壁面清洗机器人只有上下运动的功能，随动小车则用来控制机器人的左右运动。该机器人的移动机构是由两个线性模块组成的，在每个模块上都安装了真空吸盘，模块采用伺服电机进行控制。图1-9 SIRIUSC壁面清洗机器人从1990年开始，西班牙的CSIC大学的工业自动化研究所研发制造了两种不同的磁吸附壁面爬行机器人。一种是推进式壁面爬行机器人，该机器人由两个运动链所组成，运动链的末端有两个电磁吸附元件。该机器人由三个关节组成，每个关节由一个直流电机和齿轮进行驱动，最大旋转角速度为130度/秒，运动链的长度为200毫米，机器人本体重6千克。另一种是名为REST的壁面爬行机器人，该机器人有六条腿，每条腿由电机和齿轮进行驱动，机器人的控制器装在本体上。图1-10 REST爬壁机器人加拿大的University of British Columbia研发制造的名为Window Washer的爬壁机器人主要用于清洗玻璃窗，该机器人也采用了十字构型，其水平臂和垂直臂呈十字形分布，通过电机的驱动来实现两个方向的运动，水平臂和垂直臂上都安装有吸盘组，通过吸盘组交替进行吸附与两臂的相对运动机器人能够实现垂直方向和水平方向的移动，机器人有四个圆盘刷，两个一组分别安装于垂直臂的两端，机器人沿着垂直方向运动时对壁面或玻璃进行清洗。该机器人的吸附方式采用了用电动来驱动的真空吸附式，能够改善采用全气动的驱动方式的机器人的气动位置的伺服精度以及驱动力不够的问题。图1-11 Window Washer机器人1.3.2国内壁面清洗机器人的研究现状在我们国家从七十年代的初期开始研究以及开发机器人，1975年，川崎重工业公司在北京举办的日本科技展览会上展出了Unimate-2000型的搬运机器人，从此在我国便掀起了第一个机器人的研究浪潮，许多单位都开始了对机器人的研制。哈尔滨工业大学的机器人研究所研发设计了我国的第一台爬壁式遥控检查机器人，它主要用来对核废料储罐的安全情况进行检查，该机器人的特点为用了一种称为“全方位轮”的新结构轮子作为行走的机构，这是瑞典的MECANUM公司的全新的技术。哈尔滨工业大学从1988年起研发制造了两种壁面爬行机器人，1996年研发成功的多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人是针对石油企业的储油和储水钢罐定期喷砂除锈、喷漆防腐及涂层厚度等进行检测工作而研发制作的；哈尔滨工业大学所研发制造的另外一种机器人是一种单吸盘的轮式爬壁机器人，该机器人为真空吸附式，并且采用了全方位的车轮结构，在机器人本体的方向位置不改变的状况下可以沿着任意的直线方向进行运动，这种机器人本体重量为20千克，能够负载15千克，移动速度为0-2米/分钟，控制系统采用了微机控制与遥控。图1-12 多功能履带式罐壁喷涂检测磁吸附爬壁机器人图1-13 单吸盘轮式驱动爬壁机器人北京航空航天大学从1996年开始先后研发制造了WHSHMAN、CLEANBOT、SKYCLEAN、灵巧型擦窗机器人、吊篮式擦窗机器人以及蓝天洁宝等等一系列的清洗机器人，前三种壁面清洗机器人都是全气动式的自主步行移动清洗机器人，采用了十字框架结构，机器人上所有的部件都是由气缸来驱动的，十字框架结构由两个无杆气缸组成，这样的壁面清洗机器人有着结构紧凑的特点。机器人在可以伸缩的腿部上装有真空吸盘，能够通过腿部交替的吸附以及气缸的运动在玻璃幕墙或壁面上进行横向或者纵向的运动以及实现越障功能。CLEANBOT和SKYCLEANER这两种清洗机器人在两个主要气缸之间设置了腰关节，在机器人发生偏斜的时候能够通过纠偏运动让机器人回到正常运动的状态，SKYCLEANER机器人的腿部与吸盘采用了微动铰链连接，可以克服玻璃面上的二度折角变化。灵巧型擦窗机器人重量只有20kg，尺寸为0.4m0.8m0.2m（宽长高）。吊篮式擦窗机器人通过模拟人类的手擦窗的动作来进行清洗作业，蓝天洁宝是一种被动式的清洗机器人，它具有结构简单、工作效率高等特点。图1-14 WHSHMAN机器人图1-15 CLEANBOT机器人图1-16 SKYCLEANER机器人北京清华大学的机器人与自动化实验室研发制作出名为TH-ClimberI的大型油罐的自动检测系统，该系统是以磁吸附式壁面爬行机器人作为载体的，在磁吸附式壁面爬行机器人的左右两边各自装了两个带轮，两个带轮以前后分布，分别与安装了永磁块的履带进行啮合，从而组成了机器人的移动机构。这种机器人采用了以两个后轮为主驱动轮的驱动方式，由一台直流伺服电机通过谐波减速器来带动后轮。在磁吸附式壁面爬行机器人的面对壁面的一边安装了涡流检测组件，这种组件通过直流电机与同步带机构来带动涡流探头在垂直于机器人运动路线的方向上来回地进行移动，通过继电器及行程开关来实现机器人的转向。这种机器人能够自动纠正运动路线上的偏差并且识别出机器人当前所在的位置，是一种拥有一定智能的爬壁机器人。上海大学的特种机器人技术应用研究室研发制造了多真空吸盘的多层框架式壁面爬行机器人，这种机器人拥有三层框架，上下两个框架都能够与中间框架进行相对的直线运动，中间框架则可以带动上框架一起与下框架作相对的旋转运动，在上下两个框架上分别安装了四个真空吸盘，可以通过上下框架的吸盘的交替吸附实现机器人在壁面上的移动，该机器人的最大移动速度为7m/min，机器人本体重量为50kg，负载能力为55kg，能够越过高为60mm的高度，控制系统采用了无线射频的遥控操作。浙江工业大学的机电学院正在自行研发一种以气动柔性驱动器为基础的小型多吸盘式壁面爬行机器人，这种壁面爬行机器人采用真空吸附，可以实现在平地或壁面上进行直线或弯曲的爬行。该机器人的结构主要由驱动装置、吸附装置以及提升装置构成。吸附装置包括五个吸盘以及相同数量的真空发生器，运动时保持三个以上的吸盘同时进行吸附。香港城市大学研制了一种十字架构的全气动式爬壁机器人，这种壁面爬行机器人由壁面爬行机器人本体、供应小车、空压机以及控制器组成，本体长度为1220mm，宽为1340mm，高度为370mm，机器人本体重量为30kg。该机器人的本体由两个垂直正交的气缸所组成，通过两个垂直正交的气缸的伸缩来实现机器人在各个方向上的移动，这种机器人还有一个由摆动气缸所组成的腰关节，用来校正方向上的误差。在机器人的水平和垂直气缸的端部安装有4个垂直于壁面的气缸作为机器人的腿部，通过机器人的4条退的伸缩来完成机器人的越障动作。机器人的清洗装置安装在水平气缸的两侧，清洗装置能够通过水平气缸的伸缩运动来实现对左右方向的清洗工作。机器人的每条腿上都安装有4个吸盘，机器人通过这些吸盘对壁面进行吸附，从而保证机器人不会滑落。机器人可以通过由一个CCD摄像机和两个激光二极管所组成的视觉系统来测量其本体与窗户的相对位置，视觉系统还具有识别工作表面的卫生情况以及确定要清洗的位置的功能。这种机器人由于采用了十字架构以及真空吸附，并且采用气压来进行驱动，因此结构简单，灵活性好，但是存在着清洗的盲区，以及整体的刚性比较差等缺点。图1-17 十字型架构的全气动式爬壁机器人1.4课题主要内容及技术参数课题主要内容：（1）完成壁面移动机构设计和相关计算，真空吸附、气压驱动的框架式结构的设计，清洗作业装置的设计；（2）气动系统的设计；（3）PLC控制系统设计。壁面清洗机器人的技术参数列表：（1）爬行速度：4-10m/min（2）爬行高度：0-100m（3）清洗速率：100-150mz/h（4）越障高度：50mm（5）控制方式：PLC控制（6）本体重量：20kg（7）负载能力：15kg（8）移动方式：脚步移动式1.5本章小结本章对课题的来源、目的与意义进行了介绍，对国内外壁面清洗机器人的研究现状进行了分析，并且列出了本课题的主要内容和技术参数。2壁面清洗机器人设计2.1壁面清洗机器人的组成一个完整的壁面清洗机器人应该包含有本体以及控制两个部分，其中本体结构又包括移动部分、吸附部分和清洗装置。移动部分包括了壁面清洗机器人的行走与转向，通过气缸来控制机器人的行走，步进电机与蜗轮蜗杆则控制机器人的转向；吸附部分由机器人腿部的吸盘组成，通过吸盘组来保证壁面清洗机器人在壁面上吸附的可靠性；清洗装置包括了三相电机与圆盘刷，通过电机带动圆盘刷转动来起到清洗的目的。控制部分则采用了可编程控制器，也就是PLC来对整个机器人的动作进行控制，以便达到控制简单可靠的目的。壁面爬行机器人的主要功能分为移动及吸附功能，由于存在多种不同的移动方式与吸附方式，因此要对这些移动和吸附方式进行分析比较，从而选择出最适合本课题的结构。表2-1 壁面移动机器人的各种移动方式比较移动方式优点缺点车轮式移动速度快，行走控制简单着地面积小，维持吸附力较困难履带式对壁面适应能力强，着地面积大体积大，结构复杂，转弯比较困难，重量较大脚步式对壁面适应能力、越障能力和带载能力均较强移动速度慢，动作有间歇性，结构复杂，控制难度大框架式结构简单，刚性较好，控制方便，越障能力和带载能力均较强移动速度慢，有间歇性表2-2 壁面移动机器人的各种吸附方式比较吸附方式优点缺点单吸盘真空吸附式容易实现小型化、轻量化且结构简单、容易控制要求壁面有一定的平滑度，越障能力低，不适应复杂壁面环境，遇到裂缝或凹凸面负压难维持多吸盘真空吸附式吸盘尺寸小，密封性较好，吸附稳定可靠，越障能力和带载能力较强吸盘的增多会带来结构的复杂化，控制的难度也增加续表2-2吸附方式优点缺点永磁体磁吸附式能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或裂缝的限制，不消耗电能，不受断电的影响只能在导磁壁面上爬行，步行时磁体与壁面脱离需要较大的力电磁体磁吸附式能产生较大的吸附力，不受壁面凹凸或裂缝的影响，控制比较方便只能在导磁壁面上爬行，维持吸附力需要耗能，电磁体本身重量很大推力吸附式无泄漏问题，对壁面形状、材料适应能力强负载小，难以控制，噪音很大，体积大效率低参照上表中对壁面清洗机器人的几种移动方式与吸附方式的分析比较，这里采用了多吸盘框架式结构的壁面清洗机器人。框架式结构比起其它几种结构有着结构简单、刚性较好、控制方便、越障能力与带载能力较强等优点。由于磁吸附式对壁面的材料有特殊要求，而推力吸附式又有着负载小、难控制、体积大等缺点，又因为多吸盘有着尺寸小、密封性好、吸附稳定可靠、越障能力和带载能力较强等优点，因此这里采用了真空吸附式的多吸盘结构来实现吸附功能。2.2行走机构的设计机器人的行走机构主要由1个平动气缸与6个腿部气缸来共同实现机器人的行走功能，机器人由两个外形相似的框架组成，每个框架上安装有三个提升气缸，每个提升气缸上则安装有一组吸盘组，两个框架中间还有一块中间旋转板，中间旋转板上装有一个平动气缸与两个导轨。当机器人要开始移动时，上框架的提升气缸的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，然后中间旋转板上的平动气缸伸出，带动上框架沿着导轨的方向移动，气缸完全伸出后，上框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住壁面，然后下框架的提升气缸上的吸盘脱离吸附，提升气缸缩回，中间旋转板上的平动气缸缩回，带动下框架移动，平动气缸完全缩回，下框架的提升气缸伸出，气缸上的吸盘吸附住壁面，这样就完成了一次行走过程。图2-1 壁面清洗机器人的平动示意图2.2.1平动气缸的设计与校核平动气缸主要用来实现壁面清洗机器人的前后移动，它安装在上下框架间的中间旋转板上，由于机器人水平运动时气缸的活塞杆会承受比较大的径向力，因此在平动气缸的两边分别安装有一个与气缸的活塞杆平行的导轨。图2-2 平动气缸与导轨的位置关系图（1）平动气缸的受力分析机器人运动时平动气缸有三种受力状态，分别是垂直向上爬行时，垂直向下爬行时与水平爬行时。1）垂直向上爬行时：当机器人垂直向上爬行时，平动气缸有两种受力情况，一种是下框架吸附时气缸带动上框架向上伸出，这时平动气缸受到轴向的压力F。图2-3 垂直上爬下框架吸附时平动气缸受力图图2-3中F为平动气缸受到的轴向压力。 （2-1）垂直向上爬时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向上运动，这时气缸的活塞杆承受拉力F。图2-4 垂直上爬上框架吸附时平动气缸受力图图2-4中F为平动气缸的活塞杆所承受的拉力。 （2-2）2）垂直向下爬行时：壁面清洗机器人在垂直向下爬行时，平动气缸也有两种不同的受力情况。一种是下框架吸附时平动气缸带动上框架向下运动，这时平动气缸的活塞杆受到拉力F。图2-5 垂直下爬下框架吸附时平动气缸受力图图2-5中F为平动气缸的活塞杆受到的拉力。垂直向下爬行时的另外一种受力情况是上框架吸附时平动气缸带动下框架向下运动，这时气缸的活塞杆受到压力F。图2-6 垂直下爬上框架吸附时平动气缸受力图图2-6中F为平动气缸的活塞杆受到的压力。3）水平运动时：壁面清洗机器人水平运动时，气缸也处于水平状态，这时气缸的伸缩只要克服径向的摩擦力，由于导轨和气缸的活塞杆都是光滑的，可以认为气缸的活塞杆不受拉力和压力，由径向力产生的弯矩由两边的导轨来承受，这样可以起到保护气缸的作用。（2）平动气缸的选型根据以上所作的受力分析来看，平动气缸承受的最大拉力与最大压力都为245N，因此选用双作用单活塞杆气缸，气缸需要满足以下式子： （2-3）式子中的D为活塞的直径，d为活塞杆的直径，F为气缸承受的最大压力，P为工作压力，这里取为6bar。经过选型这里选择德国Festo公司的DNG-40-250-PPV-A型气缸作为平动气缸，型号中的40表示活塞直径为40mm，250则表示行程为250mm。气缸的两端有可调缓冲器，该气缸在6bar工作压力下的理论推力为753N，理论返回力为633N，比计算所得的最大压力和最大拉力都大。气缸重量为1790g，气接口为G1/4，活塞杆上的螺纹为M121.25。（3）平动气缸的校核平动气缸在壁面清洗机器人的运动过程中有两种受力状态：受轴向的拉、压力和受到径向的弯矩。轴向的拉、压力大约是机器人重量的一半，气缸的活塞杆完全可以承受，因此需要校核平动气缸所受到的径向弯矩。机器人在水平移动时平动气缸的活塞杆受到径向力，为了提高抗弯强度，在平动气缸的两边分别设计了导轨和滑块，用来分担平动气缸承受到的大部分弯矩。图2-7 平动气缸弯矩校核计算图如上图所示，（a）图为平动气缸缩回时的受力图，（b）图为平动气缸伸出时的受力图，从图中可以看出平动气缸没有受到扭矩的作用，因此只需要对弯矩进行校核。首先对（a）图的状态列出力和力矩方程，以作用力N的作用线上的某一点为基准，可得： （2-4） （2-5）由式（2-5）可得：然后对（b）图的状态列出力和力矩方程，以O点位基准，可得： （2-6）由式（2-4）可得：代入式（2-6）可得： （2-7）机器人总重为35kg，G为机器人重量的一半左右，因此G可以取18N，F=0.1818=32.4N，即平动气缸的活塞杆所受的最大力为32.4N，由选定气缸的行程为250mm可在图2-8中查得所能承受的最大侧向力为45N，因此该气缸满足抗弯条件，可以使用。图2-8 Festo气缸侧向力与行程关系图2.2.2腿部气缸的设计与校核（1）腿部气缸的受力分析本课题设计的壁面清洗机器人在上下框架上分别装有三个提升气缸，移动时主要作伸出时吸附于壁面以及缩回时脱离吸附这两个动作，伸出和缩回时基本不承受任何的轴向力，但是承受一定的径向力。气缸伸出时径向力较大，等于机器人的总重，从参数列表中得出机器人总重为35kg，这个重量由机器人的提升气缸承受；缩回时的径向力由吸盘、吸盘支座及吸盘安装板所产生，由于这些部件的重量很轻，因此径向力较小。（2）腿部气缸的选型腿部气缸基本上不承受轴向的力，因此从行程和尽量轻的原则上来选型。本课题的腿部气缸选择了德国Festo公司的DNC-40-50-PPV-A型气缸，型号中的40代表活塞的直径为40mm，50代表气缸的行程为50mm，气缸两端有可调缓冲器，气缸重量为1025g，气接口为G1/4，活塞杆的螺纹为M121.25，通过该螺纹实现气缸与吸盘安装板的连接。图2-9 腿部气缸、吸盘与吸盘安装板的安装示意图（3）腿部气缸的校核通过上面的受力分析可以知道，腿部气缸在伸出时承受机器人的总重，这时腿部气缸主要承受弯矩，而在缩回时则主要承受吸盘、吸盘支座和吸盘安装板等部件的重力所产生的弯矩和扭矩，要分别对弯矩和扭矩进行校核。1）弯矩校核：分析腿部气缸伸出和缩回时的弯矩大小可以得知气缸伸出时受到的弯矩要远远大于缩回时受到的弯矩，因此这里针对气缸伸出时的弯矩进行校核。根据所选气缸的型号可以得知腿部气缸的行程为50mm，查图2-8得气缸可以承受的最大侧向力为140N，当三个气缸同时作用时能承受的最大侧向力则为1403=420N。壁面清洗机器人的总重为35kg，完全可以满足弯矩条件。2）扭矩校核：由于气缸只在活塞杆缩回时才可能受到扭矩的作用，若受到扭矩的作用，该扭矩由吸盘、吸盘支架与吸盘安装板产生。活塞杆伸出时，至少有三个气缸呈正三角形分布吸附，因此气缸没有受到扭矩的作用，这里要校核扭矩只需要对气缸活塞杆伸出时的情况进行分析。图2-10 腿部气缸力臂图如图2-10所示，MN为一条铅垂线，图中的三个圆代表了三个吸盘，它们呈正三角形分布，O点代表气缸的轴心，A、B、C三点代表把吸盘假象为一个质点的位置，角为吸盘组顺时针转过的角度，r1、r2、r3为三个吸盘的力臂，假设每个吸盘以及吸盘支架的重量为G，正三角形ABC的边长为a。则可得： （2-8） （2-9） （2-10）由式（2-8）、（2-9）、（2-10）可得： （2-11）由上式可以看出中心点O受到的扭矩为0，因此气缸的活塞杆所受的扭矩为0，所选气缸可以使用。2.3转向机构的设计本课题设计的壁面清洗机器人拥有转向的功能，转向机构由一个步进电机和一对蜗轮蜗杆的减速机构组成。一开始机器人的六个腿部气缸都处于吸附状态，当开始转动时，上框架脱离吸附，气缸缩回，步进电机带动蜗轮蜗杆转动，蜗轮再带动中间旋转板和上框架一起转动，转动完毕后上框架的气缸伸出吸附，这样安装在中间旋转板上的平动气缸与导轨也转动了相同的角度，机器人便完成了一次转动。图2-11 步进电机与蜗轮蜗杆安装示意图2.3.1步进电机的选型本设计中的壁面清洗机器人是一个关于转轴的中心对称的结构，机器人在壁面进行工作时受到的转动力矩很小（只有摩擦产生的力矩），基本上可以忽略不计，在步进电机的选型上本设计选用了南京华兴电机制造有限公司所生产的57BYG3504型三相混合式步进电机，主要参数如下表：表2-3 步进电机参数列表型号步距角相数驱动电压（V）相电流（A）保持转矩（Nm）空载起动频率（步/秒）空载运行频率（千步/秒）转动惯量（Kgcm2）相电感（mH）重量（Kg）57BYG35040.633631.11600200.46-蜗轮蜗杆的设计与校核壁面清洗机器人的动力源为三相混合式步进电机，其中蜗杆与电动机直联，蜗轮通过蜗轮轴与中间旋转板固接。（1）蜗杆的选型GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI蜗杆）。（2）蜗杆副的材料壁面清洗机器人中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1，采用金属模铸造。（3）蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸取中心距a=50mm，传动比i=82，模数m=1mm。蜗杆的参数与尺寸：头数，模数m=1mm，轴向齿距为： （2-12）轴向齿厚为： （2-13）分度圆直径，直径系数为： （2-14）分度圆导程角为： （2-15）取齿顶高系数，径向间隙系数，则齿顶圆直径为： （2-16）齿根圆直径为： （2-17）蜗轮的参数与尺寸：齿数，模数m=1mm，分度圆直径为： （2-18）变位系数为： （2-19）蜗轮喉圆直径为： （2-20）蜗轮齿根圆直径为： （2-21）蜗轮咽喉母圆半径为： （2-22）（4）校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度由蜗杆头数，传动比i=82，可以算出蜗轮齿数。则蜗轮的当量齿数为： （2-23）根据蜗轮变位系数和当量齿数，查得齿形系数，螺旋角影响系数为： （2-24）根据蜗轮的材料和制造方法，查得蜗轮的基本许用弯曲应力为：蜗轮的寿命系数为： （2-25）蜗轮的许用弯曲应力为： （2-26）蜗轮的齿根弯曲应力为： （2-27）可见，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。2.4吸附装置的选取2.4.1吸附可靠性分析壁面清洗机器人要可靠稳定地吸附在壁面上需要克服两个力：重力和倾覆力矩。克服重力的作用是要使壁面清洗机器人在重力的作用下不会滑落，克服倾覆力矩的作用是使壁面清洗机器人不会再倾覆力矩的作用下脱离吸附。综合分析本设计中的壁面清洗机器人的结构及运动特点可以得出，上框架的气缸缩回、下框架的气缸吸附并且一个腿部气缸在上、两个腿部气缸在下处于同一水平线上时最容易跌落，因此对这种状态下的机器人的受力情况进行分析。图2-12 壁面清洗机器人的受力分析图上图中F为吸盘组的真空吸附力，N为壁面对吸盘组的法向推力，G为壁面清洗机器人的总重力，f为吸盘组受到的摩擦力，为上面一组吸盘的几何中心与后面两组吸盘的几何中心的连线的垂直距离，为壁面清洗机器人以及负载的等效中心与壁面的距离。壁面清洗机器人能够可靠吸附壁面的条件是重力要比最大静摩擦力小，根据摩擦力的特性，在一般的工作情况下，最大静摩擦力比滑动摩擦力大，为了防止壁面清洗机器人从壁面上滑落，必须要满足以下式子： （2-28）上式中f为下框架所有吸盘组的总滑动摩擦力，为吸盘对于壁面的滑动摩擦系数。分析垂直于壁面方向与平行于壁面方向的受力情况，可以列出以下两个力的平衡方程： （2-29） （2-30）上面一组吸盘的几何中心到下面两组吸盘的几何中心的连线的距离为 （2-31）上式中r为三个吸盘组所在的圆的半径。考虑到真空吸附力、壁面对吸盘的法向推力和重力可以列出以下力矩方程： （2-32）为了使计算更加简单，这里假设每个吸盘组的真空度是相同的，这样每个吸盘组受到的真空吸附力也是相同的，壁面对下面两组吸盘的法向推力也是相同的，这样可以得出，代入式（2-32）可得： （2-33）把式（2-33）代入式（2-29）得： （2-34）吸盘要克服倾覆力矩保持不脱落要满足的条件。结合上述式子可以得出： （2-35） （2-36） （2-37）上面三个式子为壁面清洗机器人在壁面上工作的可靠吸附条件，式（2-35）、（2-36）为壁面清洗机器人不会倾覆的条件，式（2-37）为壁面清洗机器人在重力的作用下不会下滑的条件。2.4.2吸附装置的选取（1）吸盘等吸附装置的选取本设计中壁面清洗机器人的所有气动元件都是德国Festo公司的产品，吸盘与建筑壁面的摩擦系数也是根据Festo公司所提供的数据选取。本设计中选择的吸盘材料为丁腈橡胶，考虑到壁面清洗机器人的工作表面为瓷砖或玻璃，相比瓷砖玻璃的摩擦系数更小，因此出于安全考虑这里采用玻璃的摩擦系数，其值为0.5，由于清洗时玻璃表面会变得湿润，因此摩擦系数将会降低10%40%，为了使机器人的吸附更加安全可靠，这里取摩擦系数会降低的最大值40%，可求得摩擦系数为： （2-38）从所给的壁面清洗机器人的技术参数可以得知机器人的本体重量为20kg，负载能力为15kg，因此总重G=35kg。从绘制的装配图中可以量得三个吸盘组所在的圆的半径为r=572mm，上面一组吸盘的几何中心与后面两组吸盘的几何中心的连线的垂直距离，将这些参数代入式（2-35）可得F=448N，代入式（2-36）可得，代入式（2-37）可得F=1166.7N。式（2-36）是一个验证条件，在选取吸盘的计算中可以不考虑，但是在选取吸盘后要用这个式子来验证。从三个式子的计算结果可以得出对于壁面清洗机器人的吸附可靠性影响最大的是式（2-37），即机器人在重力作用下的下滑力，因此选取吸盘时以式（2-37）为依据。从式（2-37）可以看出所有处于吸附状态的吸盘要保证机器人在重力的作用下不下滑所要产生的真空吸附力为1166.7N，这个真空吸附力由三个吸盘组共9个吸盘来分担，每个吸盘要分担129.6N的力。由下式可以选取吸盘的直径： （2-39）上式中F为单个吸盘的吸附能力，p为吸盘的真空度，根据实际情况取-0.08MP，为吸盘的实际面积，为吸盘的有效面积，一般取吸盘实际面积的80%，为安全系数，选取为2。由这些参数可以得到吸盘的实际直径为： （2-40）从计算结果可以选择吸盘的直径为80mm，从Festo公司给的吸盘参数可以看出直径80mm的吸盘在-0.07MP下的脱离力为309.7N，结合式子（2-36）可以得出：只要有四个吸盘同时吸附并且最上面的吸盘组至少有一个吸盘吸附时壁面清洗机器人就不会从壁面脱离从而导致滑落或倾覆。本设计中选取了Festo公司的ESS-80-SN型的真空吸盘及ESH-HA-5-G型的支座，吸盘型号中的ESH代表该型号的整套吸盘，80代表吸盘的直径为80mm，SN代表材料为丁腈橡胶的普通圆形吸盘，另外为了气管便于安装，为每一个吸盘配了一个快拧接头，安装在吸盘支座的上面，快拧接头的型号为QSR-G1/8-6,这种快拧接头的优点是质量轻、便于安装、气管固定牢靠、即便在腿部气缸的伸缩所产生的较大的张力之下也可以正常地工作。图2-13 吸盘、吸盘支座与快拧接头的结构图（2）吸盘的布局根据计算可得每组吸盘由三个单独的吸盘组成，吸盘组的排列一般有两种形式：正三角形与直线形。无论采用哪种排列方式，根据力的合成原理总可以把三个吸盘的吸附力合成为一个作用在几何中心的、方向与三个吸盘各自的吸附力方向相同的、力的大小等于三个吸盘的力的大小总和的合成力，并且不附加任何的力矩，因此采取任何一种排列方式都对壁面清洗机器人整体的抵抗倾覆的能力没有大的影响，但是考虑到吸盘组排列的紧凑性与吸附的稳定性，这里就采用了三角形的排列形式。图2-14 吸盘的两种排列形式2.5壁面清洗机器人的框架以及吸盘安装板的设计本设计中壁面清洗机器人的框架及吸盘的安装板等都是由自己设计的，为了减轻机器人的重量以及满足强度的要求，材料都选用铝合金，铝合金的密度为，比钢铁的密度要小得多，强度也满足需要。2.5.1下框架的设计下框架上安装有3个腿部气缸，蜗轮蜗杆被安装在下框架的下部，蜗轮轴通过下框架中心的孔与中间旋转板固接，在机器人转向时下框架负责吸附壁面，以保持机器人转向时的稳定。下框架采用铝合金材料，板的厚度为5mm，设计时要满足结构简单质量轻的条件，还要满足强度的要求，整块板采用了铸造工艺，成型后再进行切削加工。图2-15 下框架的结构图2.5.2上框架的设计上框架的结构与下框架相似，由于上框架与下框架有一定的垂直距离，为了保持腿部气缸在同一个平面上工作，在上框架上设计了一个凸出的平台，腿部气缸安装在平台上，这样就可以使上下框架上安装的腿部气缸没有垂直距离差。上框架通过双耳环与安装在中间旋转板上的平动气缸连接，另外在上框架上安装有两个滑块，与中间旋转板上的导轨配合，通过平动气缸的伸出带动上框架向前运动来实现机器人的前进，转向时蜗轮通过与中间旋转板固接的轴带动中间旋转板转动，中间旋转板则通过平动气缸与导轨来带动上框架一起转动。图2-16 上框架的结构图2.5.3中间旋转板的设计在上下两框架的中间设计了一块中间旋转板，中间旋转板通过一根垂直的轴与下框架连接，当蜗轮蜗杆工作时可以相对下框架进行转动，从而实现机器人的转向功能。中间旋转板还通过平动气缸的双耳环与两个导轨滑块与上框架连接，中间旋转板与上框架可以相对滑动，但是无法相对转动。同时在中间旋转板上开有两个圆形孔，能起到减轻重量的作用。图2-17 中间旋转板的结构图2.5.4吸盘安装板的设计吸盘安装板是用来连接腿部气缸与吸盘支座的自制板，为了避免吸盘的变形对壁面清洗机器人的工作的影响，三个吸盘的间隔设定为10mm，在吸盘安装板中心的周围有五个用来减轻重量的减重孔，吸盘安装板的厚度为5mm。图2-18 吸盘安装板的结构图2.6控制阀及其它气动元件的选取2.6.1气源处理组件的选取由于在气压传动中，作为动力源的压缩空气中会夹带水分、油污或灰尘，这样会影响到气动元件的可靠性和使用寿命，因此气路中要有过滤净化的装置，另外气动元件的调压与润滑等都需要安装不同的装置。本设计中的气源处理组件选用了Festo公司生产的FRCS-1/8-D-7-MINI-A型的气源处理组件。图2-19 气源处理组件的符号图如图2-19所示，口1为进气口，口2为出气口，气源处理组件中从左到右为空气过滤器、减压阀、压力表、油雾器。空气过滤器的作用是过滤空气和分离水，能够过滤大于40m的污垢与灰尘，分离出的水可以自动排除；减压阀的作用是减压和稳定压力；压力表的作用是观察工作时的压力；油雾器的作用是使润滑油雾化，从而注入到空气流当中，随着空气流进入需要润滑的部位，从而能够对气动元件进行润滑。这种气源处理组件的气接口为G1/8，重量为760g，一般安装在气源的出口位置。2.6.2方向控制阀的选取本设计中一共使用了7个气缸，其中有6个腿部气缸和一个平动气缸，6个腿部气缸分别装在上下框架上，每个框架上安装的3个腿部气缸的工作状态是一致的，因此上下框架上的气缸各自使用一个方向控制阀来控制，还有一个方向控制阀用来控制平动气缸。本设计中选用了Festo公司生产的用于标准应用场合的紧凑型方向控制阀CPE10-M1BH-5J-QS-6,这种方向控制阀的流量大、体积小并且功耗低，是一种双电控的内先导式两位五通电磁阀。图2-20 方向控制阀的符号图如图2-20所示，气接口1、2、4为快插接头，可以接外径6mm的气管，3、5为M7的排气口，82、84为M3，控制气路的排气口。这种方向控制阀由先导阀和主阀组成，先导阀为电磁阀，主阀为气动阀，压力空气通过主阀的进气口1进入先导阀，因此为内先导型。先导阀左侧通电时在左位工作，压力空气从口1经过先导阀进入主阀的左腔，推动主阀的阀芯换向，从而使主阀也在左位工作，右位工作时的情况与左位相似。主阀阀芯的工作状态就是整个方向控制阀的工作状态，这种方向控制阀有手动和电控两种不同的控制方式。2.6.3单向节流阀的选取气动元件具有速度快和流量大的特点，因此在气缸的气接口处安装单向节流阀，单向节流阀由单向阀和节流阀所组成，用来控制双作用气缸的排气流量。这里选取Festo公司生产的GRLA-1/4-QS-6-RS-B型单向节流阀，这种节流阀自带快接插头，可以连接外径为6mm的气管。图2-21 单向节流阀的符号图如图2-21所示，进气时压缩空气从口1进入，从口2排出；排气时压缩空气从口2进入，从口1排出，单向阀关闭，压缩空气经过节流阀节流以后排出，在进气口与排气口形成压力差，该压力差就是单向节流阀为气动执行元件所提供的背压，能够使活塞保持在空气缓冲之间，可以帮助气缸平稳地运行并且减少了冲击。2.6.4真空安全阀的选取由于每个框架上的吸盘共用一个真空发生器，如果有一个吸盘遇到墙壁裂缝就会造成所有吸盘都无法达到真空状态，因此本设计采用了真空安全阀。真空安全阀用在多个吸盘并行安装的情况，如果有一个或者多个吸盘失效的话，真空安全阀会关闭失效的吸盘，这样其它吸盘就能达到真空的状态，从而保证机器人能安全地吸附在壁面上。本设计中选用了Festo公司生产的ISV-M5型真空安全阀，这种阀的进气口为M5内螺纹，出气口为M5外螺纹。图2-22 真空安全阀的符号图2.6.5分气块的选取本设计中每个真空发生器要负责9个吸盘的真空状态，在真空发生器与真空安全阀之间有一个真空开关，因此分气块至少需要10个出气口。本设计中选取了Festo公司生产的FR-12-M5型分气块，该分气块有两个G1/8的进气口和12个M5的出气口。2.6.6气电压力转换器的选取壁面清洗机器人在工作时需要一个真空的建立时间，在真空建立时间内另外一组吸盘不能脱离吸附，当吸盘的真空度达到要求时另外一组吸盘才能脱离吸附，因此需要一个气电压力转换器来把压力信号转化为电信号，从而检测吸盘的真空度是否达到要求。本设计中选取了Festo公司生产的PEN-M5型气电压力转换器，这种气电压力转换器是一种常开型差压开关，压力是可以调节的。当吸盘的真空度达到要求时，气电压力转换器闭合并且输出电信号，通知控制器执行壁面清洗机器人的下一个动作。图2-23 气电压力转换器的符号图2.6.7真空发生器的选取壁面清洗机器人一共有18个吸盘，分别安装在上下两个框架上，由于每个框架上吸盘的脱离和吸附时同步的，因此每个框架都采用一个真空发生器来使吸盘达到真空状态。本设计中选用Festo公司生产的VAD-ME-1/4型真空发生器。图2-24 真空发生器的符号图如图2-24所示，口1为G1/8的进气口，口2为G1/4的真空发生口，真空发生器的左边是带手动功能的电磁阀，中间位真空发生器，右边为消声器。气体从口1进入再从口3流出，将扩散腔2中的气体抽走，使2形成真空。真空发生器具有结构简单、安装方便、成本低和真空产生快等优点。2.7气路的设计除了上述选取的气动元件之外，气路中要有一个气源，气源需要能够连续地工作，并且可以提供最高为8bar的工作压力，气源还应该尽量结构简单、重量轻，以便于运输。根据实际的工作环境，以及出于减轻负载的考虑，气源以及空气处理组件放置在楼顶，通过一根外径为8mm的PUN-81.25-BL型气管把压缩空气输送给壁面清洗机器人的本体。图2-25 壁面清洗机器人的气压系统图2.8本章小结本章对壁面清洗机器人的本体结构进行了系统的分析，对行走机构以及转向机构进行了设计计算，通过分析壁面清洗机器人的吸附可靠性对吸盘、吸盘支座及快拧接头进行了计算和选型，也对一些自制件进行了材料的选择和结构的设计，最后对其它的气动元件进行了选型，并且绘制了壁面清洗机器人的气压系统图。3壁面清洗机器人控制系统设计3.1引言本设计中壁面清洗机器人的控制系统采用三菱的FX系列PLC，它能完成壁面清洗机器人的逻辑控制、顺序控制以及延时控制。PLC全称为可编程序控制器，是应用十分广泛的微机控制装置，也是自动控制系统的关键设备。三菱的FX系列PLC具有功能强、性能价格比高、应用广等特点。3.2可编程序控制器的简单介绍3.2.1PLC的结构与特点随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。可编程序控制器（PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化中的应用也得到了迅速的发展。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种控制功能外，还有与其它计算机通信联网的功能功能。（1）PLC的基本结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的特殊功能模块用来完成某些特殊的任务。1）CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。2）I/O模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号电压较高，例如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能会损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器材来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。3）编程器编程器用来生成用户程序，并用它来进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。4）电源PLC一般使用AC220V或DC24V电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、DC12V和DC24V等电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（例如接近开关）提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。（2）PLC的特点1）编程方法简单易学梯形图是使用得最广的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，将它“翻译”成汇编语言后再去执行。2）功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。通过修改用户程序，可以方便快速地适应工艺条件的变化。4）可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触电接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可以减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，大大减少了因触电接触不良造成的故障。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于由强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5）系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，输入信号可用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管观察输出信号的状态。在现场调试过程中发现的大多数问题可以通过修改程序来解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。6）维修工作量小、维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。7）体积小，能耗低控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此开关柜的体积比原来的小得多。PLC控制系统的配线比继电器控制系统少得多。（3）PLC的应用领域在发达的工业国家，PLC已经广泛应用于所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围也不断扩大。PLC主要用于以下方面。1）开关量逻辑控制PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触电和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭中。2）运动控制PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起，有的可以实现单轴、双轴、3轴和多轴位置控制。PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。3）闭环过程控制闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换与D/A转换，并对模拟量实行闭环PID（比例-积分-微分）控制。现代的PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。其PID闭环控制功能已经广泛应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。4）数据处理现代的PLC具有数学运算（包括四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位和浮点数运算等）和数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。5）通信联网PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其它智能控制设备（例如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其它智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。3.2.2PLC的工作原理PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，例如输入继电器、输出继电器等。这种用计算机程序实现的“软继电器”,与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。（1）扫描工作方式PLC有两种基本的工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式。在运行模式，PLC通过反复执行用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP模式。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可以分为5个阶段。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。在通信服务阶段，PLC与其它的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。PLC处于STOP模式时，只执行以上的操作。PLC处于RUN模式时，还要完成另外三个阶段的操作。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC梯形图中的其它编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，PLC把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。某一编程元件对应的映像寄存器为1状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为0状态时，称该编程元件为OFF。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或其它元件映像寄存器中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0、1状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器为0状态，在输出处理阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。（2）扫描周期PLC在RUN工作模式时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值约为1100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。有的编程软件或编程器可以提供扫描周期的当前值，有的还可以提供扫描周期的最大值和最小值。（3）输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触电动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可能达两三个扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其它措施。3.3壁面清洗机器人控制系统的设计3.3.1壁面清洗机器人工作过程的分析机器人在不工作时保持初始状态，每次的循环运动都是从初始状态开始，在初始状态下壁面清洗机器人的6个腿部气缸都伸出，吸盘保持吸附，运动时有两种工作状态。（1）平动当壁面清洗机器人在平动的工作状态时，依次完成以下的工作步骤：1）上框架的吸盘脱离吸附：机器人要开始作平动时，上框架的真空发生器电磁阀的电磁线圈断电，吸盘解除真空状态。2）上框架的腿部气缸缩回：用气电压力传感器来检测上框架上吸盘的真空度，当真空度为0bar时，上框架的腿部气缸就缩回，当腿部气缸完全缩回时接近传感器就发出信号，平动气缸的电磁阀的一侧线圈接通。3）平动气缸伸出：平动气缸完全伸出时装在平动气缸头部的接近传感器就会发出信号，上框架上的腿部气缸的电磁阀就会接通。4）上框架的腿部气缸伸出：上框架上的腿部气缸的电磁阀接通，线圈得电使得腿部气缸伸出，当气缸完全伸出时，装在腿部气缸的头部的接近传感器就会发出信号，上框架上的真空发生器的电磁阀接通。5）上框架的吸盘吸附：上框架上的真空发生器的电磁阀接通，线圈得电，真空发生器开始产生真空，当真空度达到要求时，上框架的吸盘便完成吸附，真空传感器开始工作，发出信号使下框架上的真空发生器的电磁阀的线圈断电。6）下框架的吸盘脱离吸附：下框架上的真空发生器的电磁阀的线圈断电，吸盘开始脱离吸附，当吸盘的真空度降到0bar时，气电压力传感器发出信号，使得下框架上的腿部气缸的电磁阀的线圈得电。7）下框架的腿部气缸缩回：下框架的腿部气缸的电磁阀线圈得电，使得腿部气缸缩回，当腿部气缸完全缩回时，装在气缸尾部的接近传感器就发出信号，平动气缸电磁阀的另外一侧就会接通。8）平动气缸缩回：平动气缸电磁阀的另外一侧接通，使得平动气缸开始缩回，当平动气缸完全缩回时，装在平动气缸尾部的接近传感器就会发出信号，使得下框架上的腿部气缸的电磁阀的线圈的另一侧接通。9）下框架的腿部气缸伸出：下框架上的腿部气缸的电磁阀线圈的另一侧接通，使得腿部气缸开始伸出，当腿部气缸完全伸出时，腿部气缸头部的接近传感器就会发出信号，使得下框架上的真空发生器的电磁阀线圈接通。10）下框架的吸盘吸附：下框架上的真空发生器的电磁阀线圈接通，使得真空发生器开始产生真空，当吸盘的真空度达到要求时，气电压力传感器就会给出信号，这样的话机器人的一个循环过程结束，机器人再次进入初始状态。图3-1 平动方式下机器人完成的工作步骤（2）转动当壁面清洗机器人在转动的工作状态时，依次完成以下的工作步骤：1）上框架的吸盘脱离吸附：壁面清洗机器人接收到转动的指令后，上框架的真空发生器的电磁阀线圈断电，吸盘的真空状态解除。2）上框架的腿部气缸缩回：当吸盘的真空度降到0bar时，气电压力传感器给出信号，上框架的腿部气缸开始缩回，当腿部气缸完全缩回时，装在腿部气缸尾部的接近传感器发出信号，使得步进电机接通。3）上框架转动一定的角度：步进电机接通开始工作，当步进电机根据给出的脉冲转动了一定的角度以后，上框架的腿部气缸的电磁阀线圈的一侧得电。4）上框架的腿部气缸伸出：上框架的腿部气缸的电磁阀线圈一侧得电，使得上框架的腿部气缸开始伸出，当腿部气缸完全伸出时，装在腿部气缸头部的接近传感器便会发出信号，使得上框架上的真空发生器的电磁阀接通。5）上框架的吸盘吸附：上框架上的真空发生器的电磁阀接通，线圈得电，真空发生器开始产生真空，当吸盘的真空度达到要求时，气电压力传感器就会给出信号，这样机器人的一次转动过程结束，机器人再次进入初始状态。图3-2 转动方式下机器人完成的工作步骤根据壁面清洗机器人的两种不同的工作状态设计了两种工作模式，分别是自动模式和手动模式。自动模式下壁面清洗机器人首先连续地进行平动，然后转动，转动还要按照工作情况的不同分为左转和右转，转动结束后机器人再次进入连续的平动；手动模式下壁面清洗机器人一次只进行一个平动或者转动，然后就停止工作，这种模式主要是用来对壁面清洗机器人进行调整和检测，以及对同一个地方进行反复的擦洗。3.3.2控制的要求（1）在上下框架的吸盘组内部装有两个真空开关，分别检测吸盘的真空度，当真空度达到工作要求时，一个真空开关为ON状态，当真空度为0时，另外一个真空开关为ON状态。（2）当壁面清洗机器人在初始状态时，按下自动/手动开关后，先检测上框架的吸盘的真空度，如果真空度为0才开始上框架腿部气缸的缩回动作。（3）壁面清洗机器人腿部气缸和平动气缸的伸出和缩回用双线圈的两位电磁阀来实现，每一个线圈负责气缸的伸出和缩回的其中一个动作。（4）壁面清洗机器人自动走完一个循环以后再次进入初始状态，真空