1、摘要高層建筑清洗爬壁機器人可在垂直壁面及屋頂移動進行物體表面的清洗，本文設計了機器人爬壁系統由移動系統和吸附系統組成。移動吸附系統由十字框架結構和真空吸附結構組成，使機器人靈活移動，避障能力強。機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行平移，每個無桿氣缸通過腿部支架可獨立控制腿足結構。腿足結構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，機器人實現壁面自由移動的功能。驅動方式由x方向和y方向兩個相互垂直的機構組成，分別選用一個雙作用無桿氣缸，安置在中間的主體支架上，真空吸盤組采用正三角排列和使用氣動的驅動方式。控制

2、系統是清洗爬壁機器人的關鍵部分，采用三菱公司的plc-fx1n系列完成對機器人主體的吸盤脫離、本體移動、吸盤吸附和清洗的控制。關鍵詞：雙作用拉桿氣缸，十字架構，無桿氣缸，plcabstracthigh-rise buildings cleaning climbing robot can be in vertical wall and roof movement in the object surface cleaning, this paper designed the climbing robot system by mobile system and adsorption systems.

3、 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 cylinders, including any a pneumatic rodless cylinders ca

4、n 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 and the relative motion of the main frame, robot wall fr

5、ee 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 arrangement, and use the pneumatic drive mode. control syst

6、em 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 architecture, pneumatic rodless cylinders, plc目錄1 緒論11 .1選題背景

7、及其意義11.2 文獻綜述（國內外研究現狀與發展趨勢）11.3 研究內容51.4 研究方案61.5本章小結92 爬壁清洗機器人總體結構設計102.1 爬壁清洗機器人的材料選擇102.2 機器人總體結構介紹102.3 移動鋁板的設計與校核112.4 吸盤直徑的選取132.5 電動機的選取162.6 聯軸器的選取182.7 軸承的校核192.8 滾動軸承壽命的計算192.9 軸的計算202.10 鍵連接的強度計算222.11 軸向氣缸的設計與計算222.12 活塞桿穩定性及撓度驗算242.13 本章小結283 爬壁清洗機器人氣動設計303.1 吸附部分303.2 氣缸運動部分303.3 本章小結3

8、24 爬壁清洗機器人控制部分設計334.1 plc的概述及發展334.2 plc的i/o口分配344.3 plc選型344.2 plc控制面板354.4 plc的i/o口分配圖354.5 plc梯形圖364.5 本章小結395 結論40參考文獻41致謝421 緒論1 .1選題背景及其意義隨著社會的不斷發展，科學技術的迅猛發展，人類社會的不斷進步，現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嚴重，在這樣的背景下，人類需要依靠升降機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，采用爬壁機器人進行擦洗，降低清

9、洗工人的勞動強度，提高工作效率，特別是提高安全性。如今，在科學技術領先的國家已經采取了爬壁清洗機器人作為他們的首選工具，用來對大樓外表面進行清理。壁面清洗機器人是以清洗高層建筑為目的的壁面移動機器人，它的出現將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環境，提高生產率，也必將極大的推動清洗業的發展，帶來相當的社會效益和經濟效益。因此，壁面清洗機器人的設計和研究有著良好的應用前景。1.2 文獻綜述（國內外研究現狀與發展趨勢）爬壁機器人是指可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業的自動化機器人。爬壁機器人又稱為壁面移動機器人，因為垂直壁面作業超出人的極限，因此在國外又稱為極限作業機器人。爬壁機器人必須具備吸

10、附和移動兩個基本功能，而常見吸附方式有負壓吸附和永磁吸附兩種。其中負壓方式可以通過吸盤內產生負壓而吸附于壁面上，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，只適用于吸附導磁性壁面。此次設計的爬壁機器人主要針對建筑物外壁清洗作業。日本在爬壁機器人研究上發展迅速，中國也于20世紀90年代以來進行類似的研究。這些年來，機器人在各個領域中獲得到了相當廣泛的應用和發展，這當中，爬壁機器人是能夠代替人類在垂直的陡壁上進行工作的機器人，他作為高空極限作業的一種自動機械裝置，越來越受到人們的重視。自動化爬壁清洗機器人機器人是一種實惠、實用、安全可靠的科技研發項目,自1960年代以來,爬壁清洗機

11、器人和相關技術已經漸漸地受到了人們的重視。作為一個高層建筑的爬壁機器人的清洗系統、結構設計、運動系統等雖然樣式眾多,但真正能用于實際工作中具體的設計國內還是數量不多。爬壁清洗機器人最基本的兩個功能是在壁面上的吸附功能和移動功能。普通的傳統的爬壁機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構性形式，沒有受到壁面材料所限制的限的優勢,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,導致機器人的掉落。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

12、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性強，吸附力遠大于真空吸附方式，而且不存在漏氣的問題，但是對材料的選擇則必須是導磁材料，所以大大的限制了機器人的應用范圍。日本應用技術研究所研制出車輪式磁吸附爬壁機器人，如圖1-1所示。圖1-1 車輪式磁吸附爬壁機器人這種爬壁機器人靠磁性的車輪對壁面產生吸附力，其主要特征為：行走穩定且速度快，最高速度可以達到9m/min，能適應各種形狀的壁面，而且能不損壞壁面的油漆。1989年日本東京大學的宏油茂研究開發了吸盤式磁吸附爬壁機器人，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來驅動，與壁

13、面線接觸的吸盤旋轉，爬壁機器人就隨著向前移動，這種吸附機構的吸附力可以達到很大。圖1-2 履帶吸盤式爬壁清洗機器人圖1-3 氣動多吸盤爬壁機器人目前，我國對于爬壁清洗機器人的研究仍然處于一種課題研發的階段，在我國這對于工業來說會有一個廣大的前景。中國哈爾濱工業大學機器人研究所已經成功開發單一真空吸附輪行走式爬壁機器人和永磁履帶行走式吸附爬壁機器人。單一輪壁面移動機器人是由吸附機構和移動機構兩個機構,通過電機、齒輪減速器,輪子構成,吸附機構包括真空泵、壓力調節閥、密封機構,等等。真空泵是產生負壓設備,它的功能是持續從負壓腔內吸出、抽出空氣,使負壓力腔產生一定的真空度。為了維持機器人負壓腔的真空度

14、,所以它需要密封機構,制造機器人可靠地吸附在墻上和產生足夠的正壓,從而驅動機制有足夠的摩擦使爬壁清洗機器人具備移動功能。由于氣囊是具有良好的彈性密封裝置,當遇到墻壁出現凹凸不平時,可以通過空氣以降低變形大小的縫隙,讓爬壁機器人越過障礙有一定的能力,空氣中受監管機構來控制在最理想的的情況下,調節彈簧函數有兩個:1,提供必要的密封環密封正壓力;2、提高能力,以適應墻床墊,還能起到減震效果。負壓控制通過調整真空泵的電機電壓改變電機轉速,負面壓力傳感器作為檢測元件,實時檢測的負面壓力變化、壓力提供了依據。設置壓力調節器改變本體的變化,可以防止真空泵腔高真空度和冷卻空氣越來越熱。由于傳統的爬壁機器人在很

15、多方面有不足之處（如對壁面材料和形狀的適應性不強，跨越障礙物的能力不足，體積較大，質量較重等），因此，在未來的發展中，爬壁機器人的結構應該向實用化的方向發展。（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生的一種微弱的電磁引力。從壁虎腳的附著力得到啟發可用于研制爬壁機器人。在分析過程中，運用類比、模擬和模型方法，通過高分子化學材料，工程材料科學，力學和機械學的交叉研究，或許有一天能研制出與壁虎腳趾表面結構相類似的，經物理改進的高分子材料。如果這種裝置能成功地研制出，將對將來爬壁機器人在生活中的應

16、用踏出堅實的一步。（2） 移動方式在爬壁機器人的設計中，輪式和履帶式的移動方式已經獲得了廣泛的應用，但是足式移動具有以上兩種方式所沒有的優點。足式移動的方式可以使機器人在作業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，是機器人變得更加地靈活，對凹凸不平的復雜壁面有較強的適應能力。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，能夠在可達到的范圍內選擇最好的支撐點，即便是表面極度復雜，極度不平整的壁面也能夠依靠選擇最佳的支撐點達到行走自如的程度。因此，足式結構將在爬壁機器人上有著較好的應用前景。（3） 驅動設備傳統的伺服電機的功率體重比低,必須安裝在某個地方離驅動電機的地方叫遙

17、遠。高速運行后還應使用減速齒輪減少速度，以至于傳動系統是復雜的工作環節,這個結構是一種負擔,并不能滿足實際需求,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類型。微特電機伺服系統組成的驅動和位置傳感器系統是機器人控制調節速度的關鍵組件,研制開發直接驅動、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是改善我國研究開發的機器人水平、滿足國內機器人高性能微特電機的基本保證。所以微特電機在機器人的應用前景是非常樂觀,微特電機技術開發也能滿足機器人智能、可靠、靈活和長期生活需要。所以爬壁機器人順應了使用微特電機技術發展的趨勢,可以朝向高精度、高可靠性、直接驅動,新原理、新

18、結構、機電一體化、超微方向改變。超聲波電動機是利用壓電陶瓷逆壓電效應和超聲振動,讓彈性材料（壓電陶瓷）的微變形通過磁共振放大器和摩擦耦合轉化為轉子或滑塊宏觀運動。由于它獨特的運行機制，超聲波電機具有傳統電磁式電機不具備的優點:(1)通過摩擦傳動,所以得到自己鎖定功能,不需要制動設備;(2)轉矩密度大、低轉速下會產生很大的扭矩,不需要齒輪減速器機構，并且體積小,重量輕,控制精度高、響應快;(3)操作無噪聲,不產生也不接受電磁干擾等。這是因為超聲波電機的有很多優點,因此它在攀爬機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器人

19、提供能量和控制信號。目前國內外正對此進行積極研究，這方面日本取得了較大的成果。日本已經較為成功的將微波技術應用到一臺無線機器人上，該技術成功的應用將會使爬壁機器人的運動范圍得到較大的擴展。1.3 研究內容本文所設計的爬壁清洗機器人可實現在豎直壁面上吸附并通過巧妙地十字架構實現四個方向的移動。具體設計包括以下幾方面：（1） 爬壁移動機構設計和相關計算，清洗作業裝置的設計包括滾刷、噴淋和去污系統等爬壁清洗機器人的移動機構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上、下、左、右四個方向的運動。清洗作業方式中的滾刷由電機通過聯軸器直接連接實現回轉運動。電源及噴淋系統的水源

20、都采取外接的方式，以減輕爬壁清洗機器人的體積和重量，并且能延長爬壁清洗機器人的工作時間。（2） 氣動系統設計在本設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控制系統設計隨著plc性價比的不斷提高，微處理器芯片及有關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的應用日益廣泛。目前，plc在國內外已廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織

21、、環保等各行各業，其應用范圍也越來越大。因此，本設計的控制系統采用plc控制，既便捷，又能控制成本。通過人為操作的方式進行移動、吸附、噴水、洗刷。1.4 研究方案1.4.1 總體方案根據爬壁清洗機器人在高空作業的要求和噴淋洗刷的要求，機器人必須先有清洗功能和控制功能,此外清潔爬壁機器人還必須在高層建筑在表面吸附和運動,從而清潔的爬壁機器人系統應該包括機器人清洗系統,攀登系統和控制系統這三個系統。（1） 爬壁清洗機器人設計清洗系統設計高層建筑壁面的污垢主要是大氣污垢，清洗系統是爬壁清洗機器人的重要組成部分之一，考慮爬壁清洗機器人代替人工進行有效率的清洗工作，因此采用機械力清洗作用方式，即采用沖洗

22、、刷洗。刮洗聯合作用的方式。噴淋沖洗壁面，便于除去壁面上附著力較小的污垢并浸潤壁面；電機通過同步傳動齒形帶帶動滾刷旋轉，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，通過污水管進入污水箱。整個清洗作業系統包括滾刷系統、噴淋系統和去污系統。清洗系統如圖1.4所示。圖1-4 爬壁清洗機器人清洗系統設計簡圖1 電動機 2 機架 3噴水頭 4 滾刷（2） 爬壁清洗機器人爬壁吸附系統設計機器人移動吸附系統是爬壁清洗機器人的核心部分，由移動系統和吸附系統組成，在機器人工作過程中攜帶機器人的清洗系統，吸附在建筑物壁面上，實現對建筑物壁面清洗的功能。機器人主體部分由可以相互

23、平移的兩個呈十字型的框架構成，其中任意一個框架可以相對另一個進行平移，準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行移動，每個框架成組配備可獨立控制的腿足結構。腿足結構具有一個主動直動關節，即每個足部結構都是一個普通雙作用氣缸，氣缸桿的伸出和縮進使機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，機器人實現壁面自由移動功能。框架制結構主要依賴于本體自由度與腿足自由度的結構，各部分結構簡單，滿足靈活性和機動性的要求。另外，由于設計要求機器人能跨越50mm的障礙，因此在腿足部分要求有抬高至少50mm的能力。平面移動機構如圖1-5所示。圖1-5 爬壁清洗機器

24、人爬壁吸附系統設計1、2、十字框架 3、x向氣缸 4、y向氣缸 5、清洗系統 6、吸盤組建筑物壁面材料雖然多樣化，但是大多數都不是導磁材料，如玻璃、瓷磚、涂料等,所以吸附方式采用真空吸附。一個吸盤雖然結構簡單,容易控制,但會降低機器人在移動過程的越障能力和可靠性，吸盤組結構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、提高機器人的工作的安全性和可靠性。框架結構使機器人結構緊湊,可以保證剛度的前提下機器人完成移動吸附過程,機器人可以自由移動。（3） 爬壁清洗機器人控制系統設計控制系統是爬壁清洗機器人的關鍵部分，采用plc控制，來完成對機器人本體的吸盤脫離、本體移動、吸盤吸附、本體越障和

25、清洗的順序控制。為了控制方便、操作簡便，控制器plc固定在機器人本體上，通過自動控制和手動控制對機器人的整體進行控制，實現機器人個部分的協調工作和配合。1.4.2詳細的壁面清洗機器人的技術參數列表爬行速度：5-8m/min爬行高度：0-80m清洗速率：100-150m/h越障高度：50mm控制方式：plc控制本體重量：20kg負載重量：15kg移動方式：腳步行進式1.5本章小結縱觀全球，爬壁清洗機器人的技術并不成熟，在本章中了解了在一些科技先進的國家對此技術的運用及一些基礎的知識，結合本課題所給出的技術參數和自己的思考初步定下設計的方向。2 爬壁清洗機器人總體結構設計2.1 爬壁清洗機器人的材

26、料選擇由于爬壁清洗機器人是代替人類在高處作業，所以為提高安全性，必須對機器人的重量有一定的控制，卻不能降低機器人結構的剛度。因此從多種材料中選取高強度鋁合金作為爬壁清洗機器人的各部分支架的材料，符合設計初衷和安全標準。2.2 機器人總體結構介紹本次設計的爬壁清洗機器人采用了十字架構的設計，通過與各種氣缸的連接實現移動。具體的結構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裝在

27、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器人的支架結構，可能經常要與水接觸，即使對于高強度鋁合金而言被氧化機率不是很大，但是工作時間一長也會有所氧化跡象，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，以防上述情況產生。2.3 移動鋁

28、板的設計與校核首先對兩塊移動鋁板進行受力分析（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器人主體部分（包括氣缸、電機、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）（nm）圖2-4 移動鋁板的受力分析根據設計，移動支架的截面形狀為矩形，得：抗彎截面系數：（2-1）式中： b截面寬； h截面高。彎曲正應力：（2-2）式中： 最大應力。代入式2-2得：切應力：（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備執行器之一,吸盤材料采用丁腈橡膠制造,具有較大的扯斷力,因而廣泛應用于各種

29、 真空吸持設備上,如本次設計的爬壁清洗機器人就要將爬壁清洗機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，在實際生產中，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承受質量； s吸盤吸附系數，垂直吸附s=8； p真空壓力（-kpa

30、）； n吸盤個數。表2-1 吸盤參數型號電壓負載電流功率流量真空度（絕對壓力）負壓體積（最大包容尺寸）重量（大約值）三種單位換算只v dcawl/minkpammhgmbarkpa(mm)(g)vch1028242.048281076100-90209781152600對于標準大氣壓1017601013根據表2-1所得數據代入式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。變形度根據吸盤的材質，形狀，橡膠的硬度而有區別，因此，在計算得出吸盤直徑時需留出余量。安全系數中包括變形部分。吸附面積：（2-5）式中： a吸附面積； d吸盤直徑。代入式2-5得：吸盤直徑雖表示吸盤的外徑，

31、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。縮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。根據真空壓力，吸盤橡膠的厚度以及與吸附物的摩擦系數等不同，有效吸盤直徑也會有差異，一般情況可預估會縮小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（ mm）吸附面積（）真空壓力（kpa）-40-50-60-70-80-9020.0310.1260.1570.1880.2200.2510.2833.50.0960.3850.4810.5770.6730.7700.86650.1960.7850.9821.17

32、81.3741.5711.76760.2831.1311.4141.6961.9792.2622.54580.5032.0112.5133.0163.5194.0214.524100.7853.1423.9274.7125.4986.2837.069151.777.0698.83610.6012.3714.1415.90203.1412.5715.7118.8521.9925.1328.27254.9119.6324.5429.4534.3639.2744.18307.0728.2735.3442.4149.4856.5563.62359.6238.4848.1157.7367.3576.97

33、86.594012.5750.2762.8375.4087.96100.5113.15019.6378.5498.17117.8137.4157.1176.76028.27113.1141.4169.6197.9226.2254.58050.27201.1251.3301.6351.9402.1452.49570.88283.5354.4425.3496.2567.1637.910078.54314.2392.7471.2549.8628.3706.9120113.1452.4565.5678.6719.7904.81017.9150176.7706.9883.6106012371414159

34、0200314.21257157118852199251328272.5 電動機的選取根據系統設計課程設計指導書p56表4-1。圓柱體的轉動慣量：（2-6）式中： 圓柱體質量（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、步進電機中選取步進電機。根據系統設計課程設計指導書p63頁表4-3得，初選電動機90bf003的轉動慣量：（2-7）式中： 步進電機的轉動慣量（）。（2-8）式中： 步進電機軸上的總轉動慣量（）。代入式2-8得：設從靜止到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

35、輸出軸經聯軸器直接連接滾刷軸，并且考慮聯軸器摩擦的阻力，所以。式中： 傳動效率。（2-10）式中： 最大加速轉矩。代入式2-10得：水平方向電機的重力不產生轉矩，故：負載轉矩計算： （2-11）步進電機的選用：運動部件正常運行時所需的最大靜轉矩為： （2-12）代入式2-12得：要求步進電機正常運行時所需最大靜轉矩：所以符合要求，選取90bf003反應式步進電動機。2.6 聯軸器的選取傳動軸上的公稱轉矩可用下式進行計算：（2-13）式中： p傳遞的功率（kw）； n軸的轉速，（r/min）。初選lt1彈性套柱銷聯軸器，其公稱轉矩許用轉速為。傳動軸上的公稱轉矩工作情況系數的選取如下表：機械設計p

36、351表14-1。取1.3。代入式2-13得： 校核最高轉速： 且根據電動機輸出軸選取。2.7 軸承的校核根據滾刷及聯軸器的質量，設定徑向力，軸向載荷。已知軸承的轉速為，運轉時無沖擊，設計壽命為10年（每天工作8小時，一年工作200天）。根據機械設計課程設計p130頁表13-2得：e=0.22，y=1.99當時，徑向當量動載荷：（2-14）代入式2-14得：預計壽命：2.8 滾動軸承壽命的計算以小時數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強度條件為：（2-17）式中： 扭轉切應

37、力，mpa； t軸所受的扭矩，； 軸的抗扭截面系數，； n軸的轉速，； p軸傳遞的功率，kw； d計算截面處軸的直徑，mm； 許用扭轉切應力，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量直徑（單位為mm）為（2-19）式中： 階梯軸第i段的長度，mm； 階梯軸第i段的直徑，mm； l階梯軸的計算長度，mm； z階梯軸計算長度內的軸段數。軸的扭轉剛度校核計算圓軸扭轉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

38、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。軸的扭轉剛度條件為：式中： 為軸每米長的允許扭轉角，對于一般軸，可取=0.51。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力，mpa。代入式2-21得：遠遠小于，因此校核成功。2.11 軸向氣缸的設計與計算

39、（1）缸徑根據氣缸所帶的負載、運動狀況及工作壓力，氣缸計算步驟如下：1）根據氣缸的負載，計算氣缸的軸向負載力f，常見的負載實例如圖2-5。圖2-5 氣缸負載力示意圖氣缸的軸向負載力（2-22）式中： 工件與導軌間的摩擦因數； m整體質量，（kg）。代入式2-22得：f=0.25359.8=85.75n根據氣缸的平均速度來選氣缸的負載率。氣缸的運動速度越高，負載率應選的越小。氣缸平均速度，如表2-3，選負載率=0.65表2-3 氣缸運動狀態和負載率氣缸的運動狀態和負載率阻性負載（靜載荷）慣性負載的運動速度v500mm/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

40、缸缸徑：（2-24）代入式2-24得：故選取雙作用氣缸缸徑為50mm，活塞桿直徑取：（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20253240506380100125160200250320鋁合金2al2壁厚2.52.533.544.5520鋼無縫鋼管2.533.54.555.562.12 活塞桿穩定性及撓度驗算壓桿穩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到極限后,活塞桿能出現壓桿是不穩定的,發生彎曲變形。因此，必須進行活塞桿的穩定性驗算，其穩定條件為：（2-25）式中： f活塞桿承受的最大軸向壓力

41、，n； 縱向彎曲極限力，n； 穩定性安全因數，一般取1.54。極限力不僅與活塞桿材料、直徑、安裝長度有關，還與氣缸的安裝支承條件決定的末端因數m（見表2-5）有關。表2-5 安裝方式及末端因數當細長比時（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； 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、軸向力對應圖活塞桿穩定條件為，故穩定。式中： f活塞桿承受的最大軸向力，n； 縱向彎曲極限力，n； 穩定性安全因數，一般取1.54。圖2-7 許用負載校核圖通過活塞桿直徑為

42、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載兩個坐標軸相交，可得出其彎曲撓度為0.08mm，最大的許用負載為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 本章小結本章中對此設計中的各個環節進行了大量的計算，得出該設計的可行性，并從中挑選出最佳方案，從理論的角度對各個環節進行優化。（1）對在開題報告階段的設計思路進行具化，得出受力分析，為以下計算打下基礎。（2）對選用的材料所制成的零件進行了強度的校核，是符合要求（3）對設計中標準件進行選取和

43、強度校核，使符合要求。3 爬壁清洗機器人氣動設計3.1 吸附部分選用兩個兩位兩通電磁閥，根據在第二部分所選的真空泵和吸盤的規格，對吸附部分的設計如圖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。當按鈕無動作時，吸盤處于松開狀態，當按動吸附按鈕時，即電磁得電，電磁閥切換到左位，使吸盤吸附。吸盤具體的操作控制設計部分詳見第四部分。3.2 氣缸運動部分電磁閥的結構是在它里面有密閉腔,不同的位置打開了每個孔都出

44、現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，使氣缸進行想要的操作。這就是氣缸與電磁閥在機械運動中的運用。為實現爬壁機器人的上下左右的移動與整體的抬起，對運動部分的設計如圖：圖3-2 氣動系統圖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、節流閥 7、油霧器由圖3-2可以看出運動部分的氣

45、動回路工作原理為：打開氣壓泵通過過濾器、節流閥與油霧器，分離了空氣中的水汽使工作時保持空氣的干燥。當按鈕無動作時，氣缸處于松靜止狀態狀態，當按動抬升按鈕時，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；當按動向右按鈕時，即電磁ya10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；當按動向下按鈕時，即電磁y

46、a8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計部分詳見第四部分。3.3 本章小結本系統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，導致吸附力未達到設計要求的數值。在運動部分采用了電磁換向閥，使氣缸的運動達到第二章節所描述的運動要求。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 爬壁清洗機器人控制部分設計4.1 plc的概述及發展在二十世紀六十年代末，70年代初，plc控制在世界技術發達國家產生，歷經38年的改進，目前已經成為最重要的一個可靠性和應用場合最好、最多的工業控制

47、超小型電腦。這應用了大規模集成電路、微型機技術和通信技術的發展的階段性成果形成多種多樣的優點和微軟、小型、中型大型,超大型等各種規格的用于系列產品plc控制系統,監控計算機之間的許多過程控制領域。可以與控制器理論編程已經數控技術及產業用機器人一同工業自動化三大支柱。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。隨著微電子技術的發展,plc為微處理器的核心,應用于開關量、數量和模擬控制的數字量,它進入了過程控制和位置控制等控制域。現在,可編程控制器仍然有可編程邏輯控制器的全部優勢和優點，而且汲取了并且發展了別的控制設備的優點,涵括了計算機控制系統、過程儀表控制系統、離

48、散系統,分散的系統,等等。在大多數使用過程中,和可編程控制器,能夠讓各種各樣綜合控制系統中,例如一個邏輯控制系統、過程控制系統、數據采集及控制系統、圖形工作站,等等。在二十世紀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：一種數字運算操作電子系統，專為在工業環境下應用而設計的。它采用了可編程序的儲存器，用來在其內部儲存執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入輸出，控制各種類型的的機械或生產過程。（1）數字運算操作的電子系統實質是計算機；（2）專為在工業環境下應用而設計；（3）面向用戶指令編程方便；（4）邏輯運算、順序控制、定時計算

49、、和算術操作；（5）數字量或模擬量輸入輸出控制；（6）易與控制系統連成一體；（7）易于擴充。20世紀70年代初出現了微處理器。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、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業控制裝置。此時的可編程邏輯控制器為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。個人計算機發展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能特點，可編程邏輯控制器定名為programmable logic controller（plc）。20世紀70年代中末期，可編程邏輯控制器（即plc）進入實用化發展階段，計算機技術介紹可編程控制器,使其功能的飛躍。高速度、小體積

50、、更可靠的工業抗干擾設計,模擬操作,高比率的pid,是它在現代工業的現狀。在1980年代,可編程邏輯控制器在先進的工業化國家已經被廣泛應用。世界生產的可編程控制器的國家增加、生產日益提高。這標志著一種可編程控制器已進入成熟階段。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,數字運算能力,人機界面和網絡容量的能力大大提高，可編程邏輯控制器逐漸進入過程控制領域,在某些應用程序中取代了在過程控制領域處于主導地位的dcs系統。20世紀,可編程邏輯控制器的發展特點是更適應現代工業的需要。這期間,大型機和小型機發展

51、,誕生了各種特殊功能單元,生產各種人機界面單元,溝通單元,使應用程序可編程邏輯控制器工業控制設備支持更容易。4.2 plc的i/o口分配首先對機器人所需要控制的動作進行分析，得出輸入端口的操作控制和輸出端口的執行操作，詳見表4-1。表4-1 plc的i/o口分配端口操作控制端口執行操作x0000x軸向洗盤吸住y0000x軸向洗盤吸住x0001x軸向吸盤放開y0001y軸向吸盤吸住x0002y軸向吸盤吸住y0002x軸向氣缸抬起x0003y軸向吸盤放開y0003x軸向氣缸放下x0004x軸向氣缸抬起y0004y軸向氣缸抬起x0005x軸向氣缸放下y0005y軸向氣缸放下x0006y軸向氣缸抬起y

52、0006x軸向無桿氣缸向左x0007y軸向氣缸放下y0007x軸向無桿氣缸向右x0008x軸向無桿氣缸向左y0008y軸向無桿氣缸向上x0009x軸向無桿氣缸向右y0009y軸向無桿氣缸向下x0010y軸向無桿氣缸向上y0010電機正轉x0011y軸向無桿氣缸向下y0011噴頭打開4.3 plc選型根據表4-1中i/o口個數進行選型選用fx1n-24mr-001，該plc品牌為三菱，輸入點數：24；輸出點數：16。fx1n-24mr-001三菱plc fx1n系列是一種卡片大小的plc，適合在小型環境中進行控制（例如本設計中的爬壁清洗機器人）。它具有卓越的性能、串行通訊功能以及緊湊的尺寸，這使

53、得它們能用在以前常規plc無法安裝的地方故符合要求。4.2 plc控制面板在設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器人的運行動作，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口分配圖結合表4-1與圖4-1中的內容在plc上進行接線，詳見圖4-2。圖4-2 plc的i/o口分配圖4.5 plc梯形圖由于本次設計的爬壁清洗機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節，以防機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，并實現自鎖，按下sb2和sb4分別使電磁ya1和ya2失電，實現松開吸盤的操作圖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