壁面清洗机器人爬壁系统设计

壁面清洗机器人爬壁系统设计壁面清洗机器人可以在建筑物高层不平行于地面的墙壁上对建筑物外层建筑进行清洗操作，本文主要对清洗机器人的爬壁系统进行设计。该机器人的爬壁设计包含移动系统和吸附系统，其中要实现爬壁操作又必不可少的还要对控制系统进行设计。其中该机器人主体结构为两块互相垂直的铝板，两块铝板上各安装一个主体框架。铝板中部由双作用无杆气缸的滑块衔接，气缸两端连接另一块铝板的框架，通过气泵的充放气实现无杆气缸滑块的运动，滑块带动其中一个铝板运动，从而实现机器人移动。机器人共有四个腿足，各在两个铝板框架两端，腿足上装置普通双作用气缸和吸盘，吸盘提供抓壁力，双作用气缸提供腿足的抬升放下功能。控制系统采用PLC进行控制，在程序中应用自锁以及互锁以保证机器人运行的安全性和正确性。关键词：机器人，爬壁，气缸，吸盘，PLCIThedesignoftheclimbingsystemofWall-climbingrobotWall-cleaningrobotcancleantheouterbuildingthatthetopisnotparalleltotheground.Thisarticleismainlytodesignthecleaning-robotclimbingwallsystem.Therobotsclimbingwallsystemincludethemobilesystemandtheadsorptionsystem,andthenecessaryisthecontrolsystemdesign.Inthisdesign,therobotsmajorstructureistwomutuallyperpendicularaluminumplate,theeachotherofthetwoaluminumplateinstallsamainbodyframe.Themiddlepartofthealuminumplateislinkupwithdouble-actingrodlesscylinder,thecylinderendsislinkupwiththeotherframe,throughthechargepumpisdeflatedrodlesscylinderblockmovement,theslidertodriveoneofthealuminumplatemovement,whichisrealizetherobotmovement.Therobothasfourlegsandfeet,whichisintheendofaluminumframe,thelegsandfeetdeviceordinarydouble-actingcylinderandthechuck,chuckprovidewallforce,thedouble-actingcylinderofferthefunctionthatthelegsandfeetlifting.ThecontrolsystemusePLCtocontrol,inordertoensurethesafetyandvalidityoftherobot,intheprocedureuseself-lockingandinterlocking.Thekeywords:robot,climbingwall,cylinder,chuck,PLC目录1绪论.11.1选题背景及意义.11.2国内外研究现状.11.3研究内容.52壁面清洗机器人结构设计及零件的选型.62.1研究方案的确定：.62.2机器人总体结构介绍.82.3壁面清洗机器人材料的选择.92.4吸盘的选择.102.5电动机的选择.112.6联轴器的选取.122.7本章小结.143壁面清洗机器人零部件校核计算.153.1铝板的设计与校核.153.2滚动轴承的寿命计算.163.3轴的强度校核.173.4键连接的强度校核.193.5轴向气缸的设计与计算.203.6活塞杆的稳定性计算.223.7本章小结.244壁面清洗机器人气动设计及控制部分设计.254.1吸附部分.254.2气缸的运动.264.3PLC的概述及发展.274.4PLC的I/O接口分配.294.5PLC的选择.304.6PLC控制面板的设计.304.7PLCI/O接口设计.314.8PLC梯形图.324.9本章小结.38结论.39参考文献.40致谢.4101绪论1.1选题背景及意义近几十年来社会不断地发展进步，高楼如今变为了城市化象征的一个重要因素，放眼城市版图，高楼已经是城市建筑的主要旋律。由于高楼数量的不断增加，对其外墙壁的清洗成为如今成为阻碍城市化的一个因素。由于楼层普遍较高，人工的对高楼清洗存在巨大的安全隐患，同时劳动效率偏低，已不符合如今社会的主要旋律。那么对壁面清洗机器人就应用而生。壁面清洗机器人的主要工作是清洗高空建筑物。壁面清洗机器人降低了高空清洗的劳动成本，提高了工人的劳动生产效率，增加了工作的安全性，它的出现必将改革已有的高空清洗方式，从而带来可观的经济效益。因此，壁面清洗机器人的研究符合着社会的需要。1.2国内外研究现状爬壁机器人是可以在不平于行于地面的墙壁上工作的机器人。壁面清洗机器人由于工作环境在高空处，已经超过了人类的能力极限，因此该机器人同时叫做极限作业机器人。机器人的吸附壁面和相对于壁面移动是壁面清洗机器人根本的两个功能。其中的吸附壁面的方式有负压和磁吸附。负压吸附由真空泵抽取吸盘内部的空气形成负压，从而吸附在壁面上。磁吸附包括永磁体式磁吸附和电磁体式磁吸附。这次设计的内容主要对壁面型机器人研究其爬壁系统。世界各国近年来对壁面机器人都有大量的研究，我国也在上个世纪九十年代开始了研究，并取得了良好的进展。这些年来，由于人类对极限条件探索以及工作的需要，可替代人类工作的机器人在众多的领域大放异彩。其中，壁面清洗机器人由于代替工人在高空作业，极大地保证了工人的安全，因此该类机器人越来越受到人们的重视以及亲睐。（1）吸附装置这些年来，西方国家研究壁虎脚掌粘贴墙壁的现象，并且解密了该现象的原理，这种现象的产生源于分子之间的作用力。分子之间的作用力是存在于分子间的一种引力，比化学键弱。研究壁虎粘贴墙壁的奥秘必将对壁面机器人的1研究产生极大地帮助。在研究的过程中模拟壁虎脚掌的构造通过化学物理方面的分析，合理的将其原理运用到机器人爬壁的研究中，必将对爬壁系统作出巨大的贡献。（2）移动方式如今机器人应用相当的普遍，而移动方式也是多种多样。主流的移动方式包括：车轮式、履带式、框架式、腿足式、轨道式等。现介绍几种主要的移动方式。车轮式移动具有以下多种类型。两轮式，只有两个车轮的构造。两车式的移动速度以及转弯由于其结构的特点不会十分的迅速。另外其结构也导致重心不稳，运行的稳定性也不会很高。三轮式：三轮式移动方式是机器人轮式移动的最基础方式，三个轮子一般呈品字型排列，后轮驱动前轮转弯。这种结构的特点是组成简单，只要三个轮子就可以实现运动，并且旋转半径任意，但由于轮子较少，其稳定性不是很高。四轮式的运动方式和驱动结构与三轮式基本类似，但由于轮子较多，比两轮式或三轮式更加的稳定。四轮式适合于高速行驶，轮子多那么稳定性也好。由于是车轮式移动，车轮的局限性导致该类移动方式对障碍性路面适应性不高，无法翻越纵深较大的障碍物。但现今也出现特殊的车轮式结构，车轮形状不是传统意义上的圆形，而是其他形状，对障碍物有了一定的适应性，但其速度普遍不高。全方位移动车，例如公路上行驶的汽车可以进行向前向后或转弯等操作，但无法进行左右的平行移动，若增加左右的一个自由度，那么必将使该类型机器人在狭窄空间（无法转弯）也可快速运动，而不用担心卡位等现象的出现，增加了该类型机器人的应用场合。2图1.1轮式机器人举例腿足式移动机器人具有双足，三足等多足移动方式。足式机器人由于重心较高，且每个腿足都可单独运动，那么该类型机器人在跨越障碍方面有先天的优势，那么就间接的增加了该类型机器人的适应性（既可以在平地上行走，又可以轻松翻越障碍物），次类型相对于其他移动方式在适应性方面具有广阔的应用前景但同时由于目前技术方面的不足，该类型机器人稳定性普遍不高。以下是足式运动的优点。1如上所诉，足式机器人由于其自身的机构特性，该机器人对运行表面的要求低，大部分表面都可运行。2足式机器人活动范围非常大，且在活动时机器人本体可以有多种水平高度位置等，那么由于该机器人非常的“自由”，依据这个特性，该机器人本体上的机械臂等就可以不必要安装的特别长，依靠机器人移动间接的增加机械臂的使用长度。图1.2足式机器人举例履带式机器人相当于轮式机器人的另一个变种，轮子上套用履带，增加轮子的摩擦力、受力面积以及抓地力，依靠并排轮子的反向旋转来进行转弯等的操作。该类型机器人对移动表面适应性强，可以依靠履带爬越一些障碍物，提升了轮式的适应性，比如说坦克。3图1.3履带式机器人举例（3）驱动装置在如今的壁面机器人中，往往由于传统的伺服电机重量比低，电机无法在驱动近的地方安装，那么对传动齿轮的需求就比较的大，这样就造成了机构复杂，结构冗余。那么就必须研究新型电机以满足现实的要求，其中超声波电机就是研究的一个新的方向。超声波电机：利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于该类型电机本省的一些特性，那么它具有普通电机所无法具有的一些优点（1）该类型电机依靠摩擦力来进行驱动，当电机断电后仍可以实现自锁；（2）转矩密度大，低速下可产生大转矩，不需齿轮减速机构，因而体积小、质量轻、控制精度高、响应速度快；（3）运动杂音小，抗干扰能力强。由于该类型电机在其特性上具有众多的优点，那么它必将广泛的应用到壁面清洗机器人上。（4）能源装置在如今的壁面机器人中，能源装置往往不是外部连接就是内部提供能源。外部连接的类型由于是外界能源，那么就导致机器人在移动的过程中受限过多，无法做到想去哪就去哪。同时由于如今能源传输大多为电缆传送，那么这样就在无形中增加了运行的不便性。内部电源一般为电池，而机器人运行消耗的能4源一般较多，那么就极大的限制了机器人的续航能力，而壁面机器人由于在高空工作，对续航能力的要求更高。现在迫切的需要一种体积小，续航能力强劲且安全环保的能源。中外众多国家对此作了很多研究，以及很多尝试，但进展不是很大。若这种能源装置研发成功，那么必将极大的激励机器人的发展特别是壁面机器人的发展。1.3研究内容本设计主要采用框架式移动方式，由XY两个框架构成十字型主体架构，实现左右上下的移动。(1)主体架构的设计，对其中的机构进行选择设计运算，得到具体参数。该机器人由两个双作用无杆气缸安装在十字架构上构成主要的结构，通过查阅资料以及运算求出主体材料、吸盘、电机、联轴器、轴承等的相关参数。(2)气动设计本设计中由双作用无杆气缸、普通双作用气缸，三位五通电磁阀、两位两通电磁阀、真空吸盘、空气泵、真空泵共同组成其气动系统。通过真空泵抽放气实现吸盘的吸附，空气泵为气缸充气，电磁阀提供换向操作，滑块的移动带动框架的移动，普通双作用气缸的抬升与降下带动框架整体的抬升与降下。（3）PLC设计由于近年来科技的不断进步，微处理芯片成本及性能的大幅度提高，以及PLC控制技术的不断成熟，如今PLC的应用已经十分的广泛。本设计机器人控制方式运用PLC控制，PLC控制具有如下优点：可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强;维护工作量小；体积小，重量轻，能耗低。PLC控制的特点对于该机器人来说是十分的适合，因此选用PLC控制。5相关设计参数爬行速度：5-8m/min爬行高度：0-100清洗速率：80-100m/h越障高度：50mm控制方式：PLC控制本体重量：20kg负载重量：15kg移动方式：脚步行进式2壁面清洗机器人结构设计及零件的选型2.1研究方案的确定：吸附方式选择：（1）真空吸附实现真空吸附一般选用真空吸盘，依据吸盘个数的多少分为单吸盘和多吸盘两种。真空吸附通过真空装置，使吸盘内部产生负压，从而使内外环境存在压力差，产生吸附力，使机器人牢牢的贴在墙壁上。形成负压的操作可以：1.通过真空泵对吸盘内部空气的抽取，使吸盘内部形成负压。2.也可以使用真空喷嘴将吸盘内空气喷出形成负压。（2）磁力吸附磁力吸附依靠磁体产生的磁力吸附在磁性物质上。该类型机器人分为永磁体式和电磁体式两种形式。电磁体式依靠外接电源产生磁力。永磁体式机器人则不受电力影响，但由于永磁体磁力相对于电磁铁较低，使其吸附能力不足。（3）推进吸附推进吸附式机器人采用喷射空气产生反向推力的方式吸附在壁面上。空气喷射装置安装在机器人下部，当喷射空气时产生的反向力分解为一个向上的力一个压向墙壁的力，从而使机器人吸附和移动。上诉几种方式各有优缺点，但实际考虑本次设计为壁面清洗机器人，工作6环境为大型玻璃幕墙或者其他较为光滑墙壁表面，材质为磁性材质的情况较少，因此不考虑磁力吸附方式。同时，进行壁面清洗，工作环境不允许产生较大噪音，但推进式机器人在工作时由于动力装置的作用，会产生较大噪音，另一方面当前科技在推进吸附式的进展不大，安全性不高，因此推进吸附式也不考虑。真空吸附式对爬壁壁面材料限制较小，工作噪音不是很高，安全系数大，因此本设计采用真空吸附方式。移动方式选择（1）车轮式移动车轮式移动机器人在一个或几个电机及其他驱动装置的带动下，使机器人行走及运动。（2）履带式移动履带式移动机器人由电机带动两个或者多个无轨道履带带动机器人行进，此类机器人对壁接触面积大，壁面适应性强，但是结构复杂，体积庞大，移动过程中灵活性不高。（3）框架式移动框架式移动机器人每个框架可独立移动。当一组吸附装置吸附时，另一组吸附装置进行移动或者转动，通过轮流移动来使整体移动。（4）足脚式移动足脚式移动机器人采用多个脚按照一定次序队壁面进行吸附和脱离运动，从而实现机器人的行进。（5）轨道式移动轨道式移动机器车轮在轨道上，当车轮转动时，通过车轮与轨道的摩擦力进行上下左右移动。上诉的几种移动方式中，各有各的优缺点。车轮式移动与履带式移动灵活多变并且快速，但不易在垂直的壁面进行实现。足脚式移动灵活但关节自由度繁杂，且机械结构复杂，设计成本过高。轨道式安全可靠，运行速度快，但铺设轨道繁杂，运行前工作过多。综上所诉，采用方案为吸附采用真空吸附，移动方式采用框架式移动方式。机器人本体由能够互相平移的两个呈十字型的框架组成，其中任何一个框架可以相对于另一个进行平移，两个双作用无杆气缸上面的两个滑块分别连接着两快铝板进行移动，每个框架两端分别具有腿足结构，腿足上安装真空吸盘。每7个腿足上安装一个普通双作用气缸，气缸的充气与放气实现框架的抬升与放下。随着腿部的相互抬起放下加上框架的相对移动实现机器人的移动（如图2.1所示）。本设计可大量减少人员数量，一到二人即可进行操作，降低人力成本，故采用此种操作。图2.1框架图1十字框架3X轴气缸4Y轴气缸5清洗装置6吸盘2.2机器人总体结构介绍本次设计的爬壁清洗机器人采用了十字架构的设计，通过与各种气缸的连接实现移动。以下是机器人的三视图。8图2.2机器人三视图每块铝板下端安装一个框架，双作用气缸的滑块连接在铝板上，两端连接在框架上。当双作用气缸放气和充气时，滑块滑动带动连接的铝板运动。2.3壁面清洗机器人材料的选择由于壁面清洗机器人的工作环境在高空，那么机器人本身的材料就必须有9高强度并且低重量的特点，因此高强度铝合金是一个比较好的选择。通过比较，选取铸铝（ZAlCu5Mn）为材料进行机器人主体进行加工。ZAlCu5Mn为加入少量锰、钛元素的铝铜合金。ZAlCu5Mn可热处理强化,热处理后强度高,塑性、韧性、焊接性能及可切削加工性能良好，耐热性和强度是铸造铝合金中最好的。耐腐蚀性能差,铸造性能不好,流动性差,形成热裂和缩孔的倾向大、线收缩大、气密性低,但吸气倾向小。2.4吸盘的选择真空吸盘又称为真空吊具，是真空设备之一，具有广泛用途，简单便捷。真空吸盘直径公式为（2.1）PnSMD108.9M承受质量S安全系数，垂直S=8，水平S=4；P真空压力（KPa）n吸盘个数由于设计可知在清洗工具工作时只有Y轴框架的吸盘吸附在壁面上，拟定此情况吸盘个数为四个，其中真空泵选取CXW55-VCH1028微型真空泵，此种真空泵可以提供90KPa的负压。把已知条件带入式2.1。mm27.49041.389)25(D由于实际吸附过程中，吸盘会变形，那么实际的吸附直径要比吸盘工件直径小很多。（2.2）104.32A其中A为实际吸附面积，D为吸盘直径。m6.910427.310表2.1吸盘型号由已知条件吸盘直径49.27mm以及实际吸附面积19.06mm选取标准50mm直径的吸盘。那么由上可知总共吸盘选取六个，其中Y轴框架两端各两个，X轴框架两端各一个。2.5电动机的选择依据查及资料可知，要对电动机进行选择，首先要确定传动系统的等效转动惯量，由实际可知传动系统为圆柱体，圆柱体的转动惯量为（2.3）82DmJj依据机构设等效圆柱体质量为m=0.4kg，直径为D=4cm。代入式2.3得：22c.kg08J轴通过考虑机构的实际情况选取步进电机。选取90BF003反应式步进电动机。该电动机的转动惯量为2mckg6.0J求得总转动惯量（2.4）轴n112ncm.kg416.08J设从禁止达到每秒5转需要0.5s的时间。（2.5）221/sradta其中为角加速度。2/8.65.0sr由于电机旁还需安装联轴器，那么就必会产生摩擦力，所以取。98.0其中为传动效率。计算最大加速转矩maxT（2.6）1maxJT把上面结果代入式2.6得MN.1097.8.06214.3max水平方向电机的重力产生不了转矩，那么0XT重力负载转矩计算：n（2.7）mNXan3mx1097.8重力部件在正常运行时所需要的最大静转矩为（2.8）MTJ.25.03max90BF003反应式步进电动机的最大静转矩查资料为mNT96.1电机max96.1JTN电机由上可知，符合要求，那么就选用90BF003反应式步进电动机。2.6联轴器的选取用来联接不同机构中的主动轴和从动轴使之共同旋转以传递扭矩的机械零件称之为联轴器。根据公式,求得传动轴上公称转矩，其中由上可知T=0.022N.M。TKAca12表2.2不同情况KA系数由表2.2可知，选取,代入上式，求得。3.1AK（2.9）mNTAca0286.31表2.3查表2.3可知，选取LT1型号联轴器。90BF003步进电机的转速为，该型号联轴器许用转速min/30rmin/80rn校核最高转速可知：13maxn那么联轴器可以选择LT1型号。2.7本章小结本章主要对机器人研究方案进行了确定，设计了总体结构同时对部分零部件进行了选取。143壁面清洗机器人零部件校核计算3.1铝板的设计与校核首先对两块铝板进行受力分析通过，经过分析可知板中央受到主体重量G，两端受到G/2的重量，如图3.1所示：图3.1受力分许依据设计横梁截面为矩形抗弯矩截面系数W为（3.1）62/1/h23bhIZ其中，a为横梁长1.5mb为截面宽位0.1mh为截面高为0.015m弯曲正应力：max15（3.2）2maxaxmax6bhMW其中由上可知=Ga/4AX将相关数据带入上式得MPa60a3.4015.4.89262max）（）（切应力为：（3.3）bhFSmaxax23其中为最大剪力，由图3.1可知为GSMAXMPaaPa6034.034015.89)(max由上几式可知，符合要求3.2滚动轴承的寿命计算初步选用深沟球轴承6000型通过联轴器的质量，设径向力，轴向载荷。NFa50NFr5.1轴承的转速为，设计使用寿命10年，每天工作8个小时，工作min/180r200天。轴承当量载荷计算公式为（3.4）)(fparYFXP查资料可知，基本额定静载荷.则相对轴向载荷为KNCOR98.1（3.5）025.98.1/50/3aORC查机械设计课本可知，当相对轴向载荷等于0.025时，判断系数e=0.22，那么Y就等于2.0。让与e作比较可知ra/F（3.6）3.r16那么X=0.56同时根据查表载荷系数由于无冲击或轻微冲击，应该选取1pf由于轴承主要承受径向载荷，那么径向动载荷rP（3.7）arrFP0.256.把相关代入式3.7则Nr84.15.1.由以上假设可知，基本额定寿命hLLh6028基本额定寿命公式为（3.8）PCnht6f01其中温度系数由于工作环境温度小于，那么取1tfC120tf同时当为球轴承时3当为滚子轴承时/10那么基本额定载荷C为（3.9）360hnLPC将以上已知条件代入式3.9可知N67.511084.1036查的型号6000的深沟球轴承基本额定动载荷C=4.58KN，561.67N4580N所以校核合格。3.3轴的强度校核轴的材料选取40Cr，该材料具有最佳的综合力学性能，同时淬透性也高于45号刚，40Cr相关参数见表3.1。17表3.1不同材料详情轴的扭矩强度条件为（3.10）TTdnPW32.095其中：扭转切应力，MPa；TT轴所受的扭矩，；mN轴的抗扭截面系数，；3n轴的转速，；in/rP轴传递的功率，kW；d计算截面处轴的直径，mm；许用扭转切应力，MPa。T由上式可知，轴的直径为（3.11）303332.0952.095nPAnPdTT其中（3.12）30.TA查表3.1，需用扭转应力选用50MPa那么代入式3.17得5.9802.530A由前几部分可知传递功率为0.3KW，转速为300转每分，将已知条件带入3.11求出直径为18md85.9305.98那么轴的直径应该大于9.85mm，取直径为10mm3.4键连接的强度校核键连接采用半圆键连接，半圆键是键连接的一种类型。半圆键的上端为平面，下端为半圆弧面，两侧为平面，一般称作月牙键。它与平键连接相同，一般用于带有锥度的轴和轮毂相连，拆卸简单。这种键连接方式削弱了轴的强度适用于受力小的位置。由于设计机构受力小，综合考虑采用半圆键连接。半圆键的连接强度条件为：（3.13）PPkldT3102式中：T传递的转矩，；2dFymNk键与轮毂键槽的连接高度，k=0.5h，此处h为键的高度，mm；l键的工作长度，mm，圆头平键l=L-b，这里L为键的公称长度，mm；b为键的宽度，mm；d轴的直径，mm；键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPaP由于轴的长度最后校核为10mm，查表3.2可知选取大于等于810mm，那么选取3*3的公称尺寸，长度选取10mm，轴的直径为10mm，公称转矩由前面数据可知为0.0286N.M。表3.2平键尺寸表19将相关数据带入式3.13得MPaP54.0175.28603查找机械设计课本如表3.3表3.3不同情况挤压应力由表可知远远小于许用应力，因此校核成功。3.5轴向气缸的设计与计算引导活塞在圆筒内进行往复直线运动的金属构件称之为气缸。在印刷、半导体制作、自动化控制及机器人的运动中气缸的应用较为广泛。（1）缸径由气缸带动的负载以及运动情况等进行设计。1）根据气缸的负载算出，计算出轴向负载力F，图示3.1图3.1受力分析气缸的轴向负载力（3.14）mgF式中为导轨与工件摩擦系数，直线导轨摩擦系数一般在0.01与0.02之间，在实际的工作中由于要消除间隙采取预警，导致往往大于理论值，一般采取，式中m为整体质量，该机器人整体质量为总重量20kg，负重15kg。15.0将以上已知条件代入3.14：F=0.15359.8=51.45N当气缸在一般工作条件下运行时，其平均速度约为500mm/s左右，则选取速度为500mm/s。其中负载率由气缸运行速度确定。20表3.3不同速度阻性负载查表3.3可知负载率取0.5.理论输出力0F（3.15）0将已知条件代入公式NF8.1025./40双作用气缸（3.16）pD0其中p为工作压力，由于压力泵选取型号为CXW55-VCH1028，此压力泵可提供0.09MPa的压力，考虑到调压阀减小一部分，那么工作压力选取0.07MPa的压力。将已知条件代入3.16则m25.4307.138D表3.4气缸参数21由表3.4选择缸径为50mm气缸查找液压与气压传动书，p223页，表12-1可知，当气缸直径选取50mm时，活塞杆直径选取16mm。2）壁厚的选择表3.5不同缸径壁厚由于机器人动力及机械强度方面不需要太高，那么选取铝合金2AL2材料，同时为进一步减小机构重量，对照表3.5壁厚选取2.5mm。3.6活塞杆的稳定性计算通过总机械结构考虑，试确定安装长度为L=0.24m。活塞杆直径0.016m，那么要进行压杆的稳定性校核，同时由于，不对其进行强度d10Ld10L校核，及活塞杆直径。压杆稳定性的验算气缸在工作条件下，压杆由于受到推力的作用下会发生变形。那么为保证气缸的正常运作，必须要对压杆的稳定性作出计算，压杆的稳定条件为：（3.17）knF式中：F活塞杆承受的最大轴向压力，N；纵向弯曲极限力，N；k稳定性安全因数，一般取1.54，取3。n活塞杆回转半径k，由于活塞杆为实心圆杆，则。通过计算与4dkkL/（其中m为末端因素）的大小关系85通过比较，那么纵向弯曲极限力公式为L85/（3.18）2EJFk22式中：m末端因数；E材料弹性模量，钢材；paE10.2J活塞杆横截面惯性矩，；4mL气缸的安装长度，m；d活塞杆直径，m。其中末端因素m由表3.6确定表3.6不同情况末端系数由前文可知，气缸的安装为第二种情况固定-自由方式，那么选取的末端因素m=1/4。其中的活塞杆横截面惯性矩由下公式确定（3.19）64dJ式中，d为活塞杆直径，有前文可知d为16mm。将已知条件代入式3.19则：4944m102.360.13J将以上已知条件带入3.18得：NLEJmFk291624.0.4/112将已知的带入式3.17，则k23NnF97053/216k图3.2活塞杆直径、行程、轴向力关系气缸行程根据实际及尺寸选取200mm行程，则根据图3.2可知，当活塞杆直径为16mm，行程为200mm时，轴向力，则适应，则稳定NF810knF性符合要求。3.7本章小结本章的主要工作对铝板进行设计及其强度校核，对滚动轴承进行计算校核同时对其寿命进行校核，轴以及键连接进行强度校核计算，对气缸进行设计及计算，对活塞杆进行设计计算。从理论知识方面优化设计内容，在计算的过程中，通过网上以及图书馆查阅资料，更加深入的了解此设计的内在考虑点，对设计内容有了更加深入的了解，对之后气动以及控制部分的设计有了帮助。通络系统而理论的计算，得出了一下机器人设计过程中必要的参数，对机器人的设计具有重大的意义。244壁面清洗机器人气动设计及控制部分设计4.1吸附部分选用两个两位两通电磁阀，根据前面计算部分得出的真空泵以及洗盘的规格，对吸附部分进行设计。设计如图4.1：图4.1吸附部分1.两位两通电磁阀2.过滤器3.真空泵4.单向阀5.吸盘两位两通电磁阀内部包括电磁继电器，通过通电和断电来实现充气和放气。过滤器在真空泵工作时对空气进行过滤，由于机器人的工作环境水汽以及灰尘较多，防止空气中的杂质堵塞管道，造成不必要的麻烦。真空泵为吸盘提供压力。单向阀又称为回止阀或逆止阀，防止压缩空气逆向流动。吸盘通过负压来抓取壁面，实现壁面悬挂。打开真空泵，使空气通过单向阀以及过滤器在管道中流动，当按钮无动作时，吸盘处于松开状态。当按钮按下时，电磁阀到左边，真空泵将吸盘内部空25气吸出形成负压，吸盘吸附在壁面上。4.2气缸的运动电磁阀结构是里面有密闭腔,里面的孔连接着不同的气管,有两块电磁铁在上面，如果是左面的磁铁线圈通电，那么阀体就会被往左边吸，如果右面的磁铁线圈通电，那么阀体就会被往右边吸，如是可以运用这样的操作控制通路。电磁铁依靠信号对通道进行通断操作，而气流通过这些通道到达指定的位置，以此来推动活塞杆运动，实现要求的动作。为了实现机器人在上下左右以及腿足抬升的运动，现对气缸运动部分作出如下设计，如图4.2所示。图4.2气缸运动部分1、普通双作用气缸2、油雾器3过滤器4、减压阀5、气压泵6、双作用无杆气缸7、三位五通电磁阀其中普通双作用气缸用来实现腿足的抬升与下降，XY框架分别有两个腿足，每个腿足各有一个普通双作用气缸，每个框架上的气缸同时充气放气，使之框26架抬起降下。双作用无杆气缸用来实现机器人整体的的上下左右的移动，XY两个框架各一个双作用无杆气缸控制框架上下移动。节流阀控制腿足抬升的稳定与速度，由于气压装置运动不是十分的稳定，需要节流阀来控制。油雾器的作用是对气体进行润滑，起到保护装置的作用。由上可看出运动部分的气动回路动作：打开气压泵通过过滤器、节流阀与油雾器，使之空气干燥减少水汽，同时用节流阀控制气缸运行速度，使之运行稳定。当操作按钮无动作时，气缸处于非运动状态。当按下某一框架抬升按钮时，电磁YA4或YA6得电，电磁阀切换到右位，使气缸伸出，从而使某一框架抬升。当按下某一框架降下按钮时，电磁YA3或YA5得电，电磁阀切换到左位，使气缸缩回，从而使某一框架降下。当按下向左移动按钮时，电磁YA7得电，电磁阀切换到右位，从而使无杆气缸滑块向左，使框架向左移动。当按下向右移动按钮时，电磁YA8得电，电磁阀切换到左位，从而使双作用滑块向右移动，使框架向右移动。当按下向上按钮移动时，电磁YA10得电，电磁阀切换到右位，从而使无杆气缸滑块向上，使框架向上移动。当按下向下按钮时，电磁YA9得电，电磁阀切换到左位，从而使无杆气缸滑块向下，使框架向下移动。4.3PLC的概述及发展PLC英文全名为ProgrammableLogicController，中文名为可编程逻辑控制器。在PLC的内部存在一种可编程的存储器，该可编程存储器可以进行内部程序存储、逻辑运算、顺序控制、定时计数以及算术方面的操作。PLC通过数字模拟的输出和输出以此来控制各类型的生产活动。PLC的控制方式具有如下优点：1.可靠性高，抗干扰能力强电气控制必须要有高的可靠性能，这是其实现控制的基础。PLC实际上是大规模的集成电路，在制作的过程中采用了严格的生产工艺，搭建集成电路时采用先进的抗干扰技术，稳定性很高。国际上生产PLC的优秀厂商非常多，三菱西门子等是其中的代表企业，三菱公司的F系列PLC平均可以无故障的使用30万个小时。特别是那些采用冗余CPU技术的PLC使用时间更长。使用了PLC的控制电路与常规的继电器电路相比，电气接线和开关接点减少了相当数量，由于这些的减少，故障的发生率降到很低。而且PLC在制作的过程中嵌入27了故障自我报警功能，当出现故障的时候会自动发出报警。在实际操作的过程中，编写者还可以为除PLC以外的其他电路和设备编写故障自我报警，监控其他设备。由于以上的一些措施PLC的可靠性非常的高。2.配套齐全，功能完善，适用性强PLC从刚开始到如今，其已经形成了多种大小规模的各类产品。能够用于多种规模的工业控制场所。PLC除了严密的逻辑处理能力还兼并了优良的数据运算的能力，并应用于各种类型的数字领域。这些年来PLC功能单元不断隔成出新，每时每刻都会出现不同的类型，这样使得PLC控制技术渗透到了多个行业多个领域的控制方面。由于PLC技术的愈发成熟，控制也变得愈发简单，使得PLC控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC是面向工矿企业工业方面控制的微型计算机。PLC面向的是广大的技术人员，那么就必须要考虑他是否简单易用。PLC的接口操作容易，编程语言也较其他语言易于技术人员接受，只要用少量的开关逻辑控制指令就可以实现继电器电路的功能。这些先决条件为那些不熟悉电路、不了解计算机及其汇编语言的人提供了良好的使用计算机进行工业控制的条件，深深地收到了技术人员的欢迎。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC逻辑方面由接线逻辑变为了存储逻辑，极大地减少了外部接线，极大缩短了系统建造以及设计的周期，从而导致维护起来相当容易。同时改变了一个机器一种生产过程的模式，将只要改变程序那么生产过程也会改变变为可能。这样就增加了PLC的应用领域。5.体积小，重量轻，能耗低PLC发展到现在已经由最初的较大体积变为了现在的超小型。最小的PLC底部尺寸仅10cm，重量低于150g，耗能数瓦。如此小的体积极大地鼓舞了机器人的发展。PLC历经多年的研发已经变为一项成熟的技术，下面是对它的起源与发展做出的一些说明：起源1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969年，美国数字设备公司研制出了第一台PLCPDP-14，该第一代PLC28在通用公司生产线上试验成功，标志PLC的产生。1971年，日本研制出第一台DCS-8；1973年，德国西门子公司（SIEMENS）研制出欧洲第一台PLC，型号为SIMATICS4；1974年，中国研制出第一台PLC，1977年开始工业应用。发展二十世纪七十年代微处理器研发成功。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。二十世纪七十年代中末期，PLC进入实用化阶段，开始进入工业领域，PLC中全面应用计算机技术，如此一来使得PLC的功能越发的完善。运算速度更高、体积超小、抗干扰能力显著提高以及极高的性价比等这些条件绝定了PLC在工业控制方面的霸主地位。二十世纪八十年代初，PLC控制技术在发达国家得到较快的发展，在工业方面的应用越发的成熟。同时世界上PLC的生产也进入了大规模生产阶段，产量不断地提高。工业方面的大量应用显示PLC已步入成熟阶段。二十世纪八十年代到九十年代，PLC的发展达到了最快，年产量一直保持在百分之三十到四十。在这一阶段PLC的数字处理能力、处理模拟能力得到了很大的提高。PLC控制技术进入了过程控制范畴。20世纪末期，PLC由于其特点决定了他更加适应现代工业的要求。在这一阶段诞生了大型机和小型机，出现了众多的功能单元，适应了多种类型的工业控制，使得其配套性在工业方面得到了较大的发展。4.4PLC的I/O接口分配经过对清洗机器人的运动流程的分析，得出输入端的操作和输出端的动作进行列表，表4.1为操作表：29表4.1输出输出操作表端口操作控制端口执行操作X000X轴向洗盘吸住Y000X轴向洗盘吸住X001X轴向吸盘放开Y001Y轴向吸盘吸住X002Y轴向吸盘吸住Y002X轴向气缸抬起X003Y轴向吸盘放开Y003X轴向气缸放下X004X轴向气缸抬起Y004Y轴向气缸抬起X005X轴向气缸放下Y005Y轴向气缸放下X006Y轴向气缸抬起Y006X轴向无杆气缸向左X007Y轴向气缸放下Y007X轴向无杆气缸向右X008X轴向无杆气缸向左Y008Y轴向无杆气缸向上X009X轴向无杆气缸向右Y009Y轴向无杆气缸向下X010Y轴向无杆气缸向上Y010电机正转X011Y轴向无杆气缸向下Y011喷头打开4.5PLC的选择根据上表的I/O口个数进行PLC的选择，拟选用FX1N-40MR-001型。该型号生产厂商为三菱公司，具有24个输入点，16个输出点为继电器输出。该PLC是三菱公司FX1N系列是一种小型的PLC。适应小型环境的控制特点。该PLC性能强劲，具有串行通讯功能，整体结构紧凑。304.6PLC控制面板的设计