毕业设计（论文）-爬壁清洗机器人设计

IV爬壁清洗机器人设计摘要高层建筑清洗爬壁机器人可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗，本文设计了机器人爬壁系统由移动系统和吸附系统组成。移动吸附系统由十字框架结构和真空吸附结构组成，使机器人灵活移动，避障能力强。机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型组合的无杆气缸，其中任意一个无杆气缸可以相对另一个进行平移，每个无杆气缸通过腿部支架可独立控制腿足结构。腿足结构是由拉杆气缸和一组真空吸盘组成。随着腿部的交替吸附和框架主体的相对运动，机器人实现壁面自由移动的功能。驱动方式由X方向和Y方向两个相互垂直的机构组成，分别选用一个双作用无杆气缸，安置在中间的主体支架上，真空吸盘组采用正三角排列和使用气动的驱动方式。控制系统是清洗爬壁机器人的关键部分，采用三菱公司的PLC-FX1N系列完成对机器人主体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附和清洗的控制。关键词：双作用拉杆气缸，十字架构，无杆气缸，PLC全套图纸加扣 3346389411或3012250582AbstractHigh-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. 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 can 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 free 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 system 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目录1 绪论11 .1选题背景及其意义11.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）11.3 研究内容51.4 研究方案61.5本章小结92 爬壁清洗机器人总体结构设计102.1 爬壁清洗机器人的材料选择102.2 机器人总体结构介绍102.3 移动铝板的设计与校核112.4 吸盘直径的选取132.5 电动机的选取162.6 联轴器的选取182.7 轴承的校核192.8 滚动轴承寿命的计算192.9 轴的计算202.10 键连接的强度计算222.11 轴向气缸的设计与计算222.12 活塞杆稳定性及挠度验算242.13 本章小结283 爬壁清洗机器人气动设计303.1 吸附部分303.2 气缸运动部分303.3 本章小结324 爬壁清洗机器人控制部分设计334.1 PLC的概述及发展334.2 PLC的I/O口分配344.3 PLC选型344.2 PLC控制面板354.4 PLC的I/O口分配图354.5 PLC梯形图364.5 本章小结395 结论40参考文献41致谢4241爬壁清洗机器人设计1 绪论1 .1选题背景及其意义随着社会的不断发展，科学技术的迅猛发展，人类社会的不断进步，现代都市的摩天大楼越建越多，越建越高，而城市的灰尘污染也越发严重，在这样的背景下，人类需要依靠升降机平台来逐层地清洗大楼壁面，不但浪费时间和劳动力，而且人类在清洗大楼壁面的环境越来越恶劣和危险，本课题来自于社会实际的需求，采用爬壁机器人进行擦洗，降低清洗工人的劳动强度，提高工作效率，特别是提高安全性。如今，在科学技术领先的国家已经采取了爬壁清洗机器人作为他们的首选工具，用来对大楼外表面进行清理。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，也必将极大的推动清洗业的发展，带来相当的社会效益和经济效益。因此，壁面清洗机器人的设计和研究有着良好的应用前景。1.2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）爬壁机器人是指可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业的自动化机器人。爬壁机器人又称为壁面移动机器人，因为垂直壁面作业超出人的极限，因此在国外又称为极限作业机器人。爬壁机器人必须具备吸附和移动两个基本功能，而常见吸附方式有负压吸附和永磁吸附两种。其中负压方式可以通过吸盘内产生负压而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式则有永磁体和电磁铁两种方式，只适用于吸附导磁性壁面。此次设计的爬壁机器人主要针对建筑物外壁清洗作业。日本在爬壁机器人研究上发展迅速，中国也于20世纪90年代以来进行类似的研究。这些年来，机器人在各个领域中获得到了相当广泛的应用和发展，这当中，爬壁机器人是能够代替人类在垂直的陡壁上进行工作的机器人，他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。自动化爬壁清洗机器人机器人是一种实惠、实用、安全可靠的科技研发项目,自1960年代以来,爬壁清洗机器人和相关技术已经渐渐地受到了人们的重视。作为一个高层建筑的爬壁机器人的清洗系统、结构设计、运动系统等虽然样式众多,但真正能用于实际工作中具体的设计国内还是数量不多。爬壁清洗机器人最基本的两个功能是在壁面上的吸附功能和移动功能。普通的传统的爬壁机器人按吸附功能分类能分成真空吸盘吸附和磁吸附这两种类型：真空吸附又可分为单吸盘式和多吸盘式两种结构性形式，没有受到壁面材料所限制的限的优势,但如果所吸附的墙面不平整,就会容易减小吸盘中的真空度,减少吸附力，承载能力降低,导致机器人的掉落。磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种类型，电磁体式维持吸附力需要电力，但是控制比较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但是控制比较麻烦。磁吸附方式能在凹凸不平的避免上工作且适应性强，吸附力远大于真空吸附方式，而且不存在漏气的问题，但是对材料的选择则必须是导磁材料，所以大大的限制了机器人的应用范围。日本应用技术研究所研制出车轮式磁吸附爬壁机器人，如图1-1所示。图1-1 车轮式磁吸附爬壁机器人这种爬壁机器人靠磁性的车轮对壁面产生吸附力，其主要特征为：行走稳定且速度快，最高速度可以达到9m/min，能适应各种形状的壁面，而且能不损坏壁面的油漆。1989年日本东京大学的宏油茂研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间有一个很小的倾斜角度，这样吸盘对壁面的吸力仍然很大，个吸盘分别由一个电动机来驱动，与壁面线接触的吸盘旋转，爬壁机器人就随着向前移动，这种吸附机构的吸附力可以达到很大。图1-2 履带吸盘式爬壁清洗机器人图1-3 气动多吸盘爬壁机器人目前，我国对于爬壁清洗机器人的研究仍然处于一种课题研发的阶段，在我国这对于工业来说会有一个广大的前景。中国哈尔滨工业大学机器人研究所已经成功开发单一真空吸附轮行走式爬壁机器人和永磁履带行走式吸附爬壁机器人。单一轮壁面移动机器人是由吸附机构和移动机构两个机构,通过电机、齿轮减速器,轮子构成,吸附机构包括真空泵、压力调节阀、密封机构,等等。真空泵是产生负压设备,它的功能是持续从负压腔内吸出、抽出空气,使负压力腔产生一定的真空度。为了维持机器人负压腔的真空度,所以它需要密封机构,制造机器人可靠地吸附在墙上和产生足够的正压,从而驱动机制有足够的摩擦使爬壁清洗机器人具备移动功能。由于气囊是具有良好的弹性密封装置,当遇到墙壁出现凹凸不平时,可以通过空气以降低变形大小的缝隙,让爬壁机器人越过障碍有一定的能力,空气中受监管机构来控制在最理想的的情况下,调节弹簧函数有两个:1,提供必要的密封环密封正压力;2、提高能力,以适应墙床垫,还能起到减震效果。负压控制通过调整真空泵的电机电压改变电机转速,负面压力传感器作为检测元件,实时检测的负面压力变化、压力提供了依据。设置压力调节器改变本体的变化,可以防止真空泵腔高真空度和冷却空气越来越热。由于传统的爬壁机器人在很多方面有不足之处（如对壁面材料和形状的适应性不强，跨越障碍物的能力不足，体积较大，质量较重等），因此，在未来的发展中，爬壁机器人的结构应该向实用化的方向发展。（1） 吸附装置最近几年，美国、英国、俄罗斯等国的研究小组揭示了壁虎爬壁的秘密，就是分子间的作用力-范德华力。范德华力是中性分子彼此距离肥肠近时产生的一种微弱的电磁引力。从壁虎脚的附着力得到启发可用于研制爬壁机器人。在分析过程中，运用类比、模拟和模型方法，通过高分子化学材料，工程材料科学，力学和机械学的交叉研究，或许有一天能研制出与壁虎脚趾表面结构相类似的，经物理改进的高分子材料。如果这种装置能成功地研制出，将对将来爬壁机器人在生活中的应用踏出坚实的一步。（2） 移动方式在爬壁机器人的设计中，轮式和履带式的移动方式已经获得了广泛的应用，但是足式移动具有以上两种方式所没有的优点。足式移动的方式可以使机器人在作业过程中越过相对较大的障碍物，并且足式移动的方式有较多的自由度，是机器人变得更加地灵活，对凹凸不平的复杂壁面有较强的适应能力。足式机器人的立足点是离散的，跟壁面接触的面积小，能够在可达到的范围内选择最好的支撑点，即便是表面极度复杂，极度不平整的壁面也能够依靠选择最佳的支撑点达到行走自如的程度。因此，足式结构将在爬壁机器人上有着较好的应用前景。（3） 驱动设备传统的伺服电机的功率体重比低,必须安装在某个地方离驱动电机的地方叫遥远。高速运行后还应使用减速齿轮减少速度，以至于传动系统是复杂的工作环节,这个结构是一种负担,并不能满足实际需求,这需要使用功能材料组成都体积小、重量轻、效率高的密度的新电机类型。微特电机伺服系统组成的驱动和位置传感器系统是机器人控制调节速度的关键组件,研制开发直接驱动、大扭矩,体积小、重量轻、精度高、敏捷、工作可靠的各类微特电机是改善我国研究开发的机器人水平、满足国内机器人高性能微特电机的基本保证。所以微特电机在机器人的应用前景是非常乐观,微特电机技术开发也能满足机器人智能、可靠、灵活和长期生活需要。所以爬壁机器人顺应了使用微特电机技术发展的趋势,可以朝向高精度、高可靠性、直接驱动,新原理、新结构、机电一体化、超微方向改变。超声波电动机是利用压电陶瓷逆压电效应和超声振动,让弹性材料（压电陶瓷）的微变形通过磁共振放大器和摩擦耦合转化为转子或滑块宏观运动。由于它独特的运行机制，超声波电机具有传统电磁式电机不具备的优点:(1)通过摩擦传动,所以得到自己锁定功能,不需要制动设备;(2)转矩密度大、低转速下会产生很大的扭矩,不需要齿轮减速器机构，并且体积小,重量轻,控制精度高、响应快;(3)操作无噪声,不产生也不接受电磁干扰等。这是因为超声波电机的有很多优点,因此它在攀爬机器人会有很好的实用价值。（4） 能源问题迫切的需要探索出一种新的能源，体积小、供电性能强的电池，或者通过遥控途径对机器人提供能量和控制信号。目前国内外正对此进行积极研究，这方面日本取得了较大的成果。日本已经较为成功的将微波技术应用到一台无线机器人上，该技术成功的应用将会使爬壁机器人的运动范围得到较大的扩展。1.3 研究内容本文所设计的爬壁清洗机器人可实现在竖直壁面上吸附并通过巧妙地十字架构实现四个方向的移动。具体设计包括以下几方面：（1） 爬壁移动机构设计和相关计算，清洗作业装置的设计包括滚刷、喷淋和去污系统等爬壁清洗机器人的移动机构采用两个双作用无杆气缸连接在十字主体支架上，通过双作用无杆气缸的滑块实现上、下、左、右四个方向的运动。清洗作业方式中的滚刷由电机通过联轴器直接连接实现回转运动。电源及喷淋系统的水源都采取外接的方式，以减轻爬壁清洗机器人的体积和重量，并且能延长爬壁清洗机器人的工作时间。（2） 气动系统设计在本设计中一共由两个双作用无杆气缸，四个双作用拉杆气缸，四个三位五通电磁换向阀，两个两位三通电磁换向阀，十二个真空吸盘，真空泵、气压泵各一个组成。通过人工的控制实现吸盘的吸附，双作用无杆气缸滑块的移动，双作用拉杆气缸拉杆的伸缩。（3）PLC控制系统设计随着PLC性价比的不断提高，微处理器芯片及有关元器件价格大幅度降低，PLC的成本也有所下降，PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业，其应用范围也越来越大。因此，本设计的控制系统采用PLC控制，既便捷，又能控制成本。通过人为操作的方式进行移动、吸附、喷水、洗刷。1.4 研究方案1.4.1 总体方案根据爬壁清洗机器人在高空作业的要求和喷淋洗刷的要求，机器人必须先有清洗功能和控制功能,此外清洁爬壁机器人还必须在高层建筑在表面吸附和运动,从而清洁的爬壁机器人系统应该包括机器人清洗系统,攀登系统和控制系统这三个系统。（1） 爬壁清洗机器人设计清洗系统设计高层建筑壁面的污垢主要是大气污垢，清洗系统是爬壁清洗机器人的重要组成部分之一，考虑爬壁清洗机器人代替人工进行有效率的清洗工作，因此采用机械力清洗作用方式，即采用冲洗、刷洗。刮洗联合作用的方式。喷淋冲洗壁面，便于除去壁面上附着力较小的污垢并浸润壁面；电机通过同步传动齿形带带动滚刷旋转，通过滚刷刷洗，便于除去壁面上附着力较大的污垢。刮板可以刮净和回收残留在壁面的液滴，通过污水管进入污水箱。整个清洗作业系统包括滚刷系统、喷淋系统和去污系统。清洗系统如图1.4所示。图1-4 爬壁清洗机器人清洗系统设计简图1 电动机 2 机架 3喷水头 4 滚刷（2） 爬壁清洗机器人爬壁吸附系统设计机器人移动吸附系统是爬壁清洗机器人的核心部分，由移动系统和吸附系统组成，在机器人工作过程中携带机器人的清洗系统，吸附在建筑物壁面上，实现对建筑物壁面清洗的功能。机器人主体部分由可以相互平移的两个呈十字型的框架构成，其中任意一个框架可以相对另一个进行平移，准确的来说是由两个双作用无杆气缸上面的两个滑块连接着两个移动支架进行移动，每个框架成组配备可独立控制的腿足结构。腿足结构具有一个主动直动关节，即每个足部结构都是一个普通双作用气缸，气缸杆的伸出和缩进使机器人主体能够上下抬起和降下。随着腿部的交替吸附和框架主体的相对运动，机器人实现壁面自由移动功能。框架制结构主要依赖于本体自由度与腿足自由度的结构，各部分结构简单，满足灵活性和机动性的要求。另外，由于设计要求机器人能跨越50mm的障碍，因此在腿足部分要求有抬高至少50mm的能力。平面移动机构如图1-5所示。图1-5 爬壁清洗机器人爬壁吸附系统设计1、2、十字框架 3、X向气缸 4、Y向气缸 5、清洗系统 6、吸盘组建筑物壁面材料虽然多样化，但是大多数都不是导磁材料，如玻璃、瓷砖、涂料等,所以吸附方式采用真空吸附。一个吸盘虽然结构简单,容易控制,但会降低机器人在移动过程的越障能力和可靠性，吸盘组结构形式使用洗盘弹性变形,提高越障能力,确保吸盘和壁面吸附、提高机器人的工作的安全性和可靠性。框架结构使机器人结构紧凑,可以保证刚度的前提下机器人完成移动吸附过程,机器人可以自由移动。（3） 爬壁清洗机器人控制系统设计控制系统是爬壁清洗机器人的关键部分，采用PLC控制，来完成对机器人本体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附、本体越障和清洗的顺序控制。为了控制方便、操作简便，控制器PLC固定在机器人本体上，通过自动控制和手动控制对机器人的整体进行控制，实现机器人个部分的协调工作和配合。1.4.2详细的壁面清洗机器人的技术参数列表爬行速度：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控制本体重量：20kg负载重量：15kg移动方式：脚步行进式1.5本章小结纵观全球，爬壁清洗机器人的技术并不成熟，在本章中了解了在一些科技先进的国家对此技术的运用及一些基础的知识，结合本课题所给出的技术参数和自己的思考初步定下设计的方向。2 爬壁清洗机器人总体结构设计2.1 爬壁清洗机器人的材料选择由于爬壁清洗机器人是代替人类在高处作业，所以为提高安全性，必须对机器人的重量有一定的控制，却不能降低机器人结构的刚度。因此从多种材料中选取高强度铝合金作为爬壁清洗机器人的各部分支架的材料，符合设计初衷和安全标准。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。具体的结构可查看装配图和零件图，为方便以下计算中个部分的计算，配以下简图供参考，见图2-1、2-2、2-3。图2-1 （a）图2-2 （b）图2-3 （c）两块移动铝板分别与一个双作用无杆气缸的滑块相连接，两个双作用无杆气缸通过轴向支架全部固定在主体支架上，通过滑块的滑动实现装在移动支架两端的“脚部”移动。在选取材料时选取铸铝为原料进行加工。最终选取ZAlCu5Mn。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。 由于作为爬壁清洗机器人的支架结构，可能经常要与水接触，即使对于高强度铝合金而言被氧化机率不是很大，但是工作时间一长也会有所氧化迹象，而且支架零件不易更换。因此，在切削加工过后需要在零件表面涂上一层防锈漆图层，以防上述情况产生。2.3 移动铝板的设计与校核首先对两块移动铝板进行受力分析（移动铝板见图2-1、2-2、2-3），通过分析得移动铝板近似中央处受到机器人主体部分（包括气缸、电机、滚刷、喷头等）的重力G，通过力的平衡分析得在移动铝板的两端受到大小等于G/2的力，详见图2-4：（N）（Nm）图2-4 移动铝板的受力分析根据设计，移动支架的截面形状为矩形，得：抗弯截面系数：（2-1）式中： b截面宽； h截面高。弯曲正应力：（2-2）式中： 最大应力。代入式2-2得：切应力：（2-3）式中： 最大剪力。代入式2-3：2.4 吸盘直径的选取真空吸盘是真空设备执行器之一,吸盘材料采用丁腈橡胶制造,具有较大的扯断力,因而广泛应用于各种 真空吸持设备上,如本次设计的爬壁清洗机器人就要将爬壁清洗机器人整体吸附在壁面上。真空吸盘又称真空吊具，一般来说，利用真空吸盘使物体吸附在壁面上是最廉价的一种方法（较磁吸式而言）。真空吸盘品种多样，橡胶制成的吸盘可在高温下进行操作，由硅橡胶制成的吸盘非常适于抓住表面粗糙的制品；由聚氨酯制成的吸盘则很耐用。另外，在实际生产中，如果要求吸盘具有耐油性，则可以考虑使用聚氨酯、丁腈橡胶或含乙烯基的聚合物等材料来制造吸盘。通常，为避免玻璃壁面的表面被划伤，最好选择由丁腈橡胶或硅橡胶制成的带有波纹管的吸盘。吸盘直径公式：（2-4）式中： M承受质量； S吸盘吸附系数，垂直吸附S=8； P真空压力（-KPa）； n吸盘个数。表2-1 吸盘参数型号电压负载电流功率流量真空度（绝对压力）负压体积（最大包容尺寸）重量（大约值）三种单位换算只V DCAWL/minKPammHgmbarKPa(mm)(g)VCH1028242.048281076100-90209781152600对于标准大气压1017601013根据表2-1所得数据代入式2-4得：因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。吸附面积：（2-5）式中： A吸附面积； D吸盘直径。代入式2-5得：吸盘直径虽表示吸盘的外径，但利用真空压力吸附物体时，因真空压会使橡胶变形，吸附面积也会随之缩小。缩小后的面积即称为有效吸附面积，此时的吸盘直径即称为有效吸盘直径。根据真空压力，吸盘橡胶的厚度以及与吸附物的摩擦系数等不同，有效吸盘直径也会有差异，一般情况可预估会缩小10%。选取D=50mm的吸盘：所以D=50mm的吸盘可行。表2-2 吸盘各直径理论起吊力真空吸盘（ mm）吸附面积（）真空压力（kPa）-40-50-60-70-80-9020.0310.1260.1570.1880.2200.2510.2833.50.0960.3850.4810.5770.6730.7700.86650.1960.7850.9821.1781.3741.5711.76760.2831.1311.4141.6961.9792.2622.54580.5032.0112.5133.0163.5194.0214.524100.7853.1423.9274.7125.4986.2837.069151.777.0698.83610.6012.3714.1415.90203.1412.5715.7118.8521.9925.1328.27254.9119.6324.5429.4534.3639.2744.18307.0728.2735.3442.4149.4856.5563.62359.6238.4848.1157.7367.3576.9786.594012.5750.2762.8375.4087.96100.5113.15019.6378.5498.17117.8137.4157.1176.76028.27113.1141.4169.6197.9226.2254.58050.27201.1251.3301.6351.9402.1452.49570.88283.5354.4425.3496.2567.1637.910078.54314.2392.7471.2549.8628.3706.9120113.1452.4565.5678.6719.7904.81017.9150176.7706.9883.61060123714141590200314.21257157118852199251328272.5 电动机的选取根据系统设计课程设计指导书p56表4-1。圆柱体的转动惯量：（2-6）式中： 圆柱体质量（kg）； D圆柱体直径（cm）； L圆柱体长度或厚度（cm）。代入式2-6得：考虑到安装方式、体积、重量等因素，在交流、直流、步进电机中选取步进电机。根据系统设计课程设计指导书p63页表4-3得，初选电动机90BF003的转动惯量：（2-7）式中： 步进电机的转动惯量（）。（2-8）式中： 步进电机轴上的总转动惯量（）。代入式2-8得：设从静止到5r/s需时0.5s。（2-9）式中： 角加速度。代入式2-9得：由于电动机输出轴经联轴器直接连接滚刷轴，并且考虑联轴器摩擦的阻力，所以。式中： 传动效率。（2-10）式中： 最大加速转矩。代入式2-10得：水平方向电机的重力不产生转矩，故：负载转矩计算： （2-11）步进电机的选用：运动部件正常运行时所需的最大静转矩为： （2-12）代入式2-12得：要求步进电机正常运行时所需最大静转矩：所以符合要求，选取90BF003反应式步进电动机。2.6 联轴器的选取传动轴上的公称转矩可用下式进行计算：（2-13）式中： P传递的功率（kW）； n轴的转速，（r/min）。初选LT1弹性套柱销联轴器，其公称转矩许用转速为。传动轴上的公称转矩工作情况系数的选取如下表：机械设计p351表14-1。取1.3。代入式2-13得： 校核最高转速： 且根据电动机输出轴选取。2.7 轴承的校核根据滚刷及联轴器的质量，设定径向力，轴向载荷。已知轴承的转速为，运转时无冲击，设计寿命为10年（每天工作8小时，一年工作200天）。根据机械设计课程设计p130页表13-2得：e=0.22，Y=1.99当时，径向当量动载荷：（2-14）代入式2-14得：预计寿命：2.8 滚动轴承寿命的计算以小时数表示的轴承基本额定寿命为：（2-15）（2-16）代入式2-16得：查得该轴承基本额定动载荷。所以校核合格。2.9 轴的计算：（1）轴的强度校核计算轴的扭转强度条件为：（2-17）式中： 扭转切应力，MPa； T轴所受的扭矩，； 轴的抗扭截面系数，； n轴的转速，； P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。由式2-17可得轴的直径：（2-18）式中：代入式2-18得：所以取轴d=10mm。（2）轴的刚度校核计算轴的弯曲刚度校核计算当量直径（单位为mm）为（2-19）式中： 阶梯轴第i段的长度，mm； 阶梯轴第i段的直径，mm； L阶梯轴的计算长度，mm； Z阶梯轴计算长度内的轴段数。轴的扭转刚度校核计算圆轴扭转角单位为的计算公式为：阶梯轴（2-20）式中： T轴所受的扭矩，； G轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于钢材，； 轴截面的极惯性矩，对于圆轴，； L阶梯轴受扭矩作用长度，mm； 分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位同前； z阶梯轴受扭矩作用的段数。轴的扭转刚度条件为：式中： 为轴每米长的允许扭转角，对于一般轴，可取=0.51。2.10 键连接的强度计算：半圆键连接的强度条件为：（2-21）式中： T传递的转矩，； k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为键的高度，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，MPa。代入式2-21得：远远小于，因此校核成功。2.11 轴向气缸的设计与计算（1）缸径根据气缸所带的负载、运动状况及工作压力，气缸计算步骤如下：1）根据气缸的负载，计算气缸的轴向负载力F，常见的负载实例如图2-5。图2-5 气缸负载力示意图气缸的轴向负载力（2-22）式中： 工件与导轨间的摩擦因数； m整体质量，（kg）。代入式2-22得：F=0.25359.8=85.75N根据气缸的平均速度来选气缸的负载率。气缸的运动速度越高，负载率应选的越小。气缸平均速度，如表2-3，选负载率=0.65表2-3 气缸运动状态和负载率气缸的运动状态和负载率阻性负载（静载荷）惯性负载的运动速度v500mm/s工作压力p=0.075Mpa理论输出力（2-23）代入式2-23得：双作用气缸缸径：（2-24）代入式2-24得：故选取双作用气缸缸径为50mm，活塞杆直径取：（2）壁厚由表2-4取壁厚=2.5mm表2-4 壁厚选取壁厚/mm材料缸径20253240506380100125160200250320铝合金2AL2壁厚2.52.533.544.5520钢无缝钢管2.533.54.555.562.12 活塞杆稳定性及挠度验算压杆稳定验算气缸活塞最大行程越长,活塞杆的距离越长,活塞杆的长度是有限的。如果在活塞杆在轴向推力的极限荷载达到极限后,活塞杆能出现压杆是不稳定的,发生弯曲变形。因此，必须进行活塞杆的稳定性验算，其稳定条件为：（2-25）式中： F活塞杆承受的最大轴向压力，N； 纵向弯曲极限力，N； 稳定性安全因数，一般取1.54。极限力不仅与活塞杆材料、直径、安装长度有关，还与气缸的安装支承条件决定的末端因数m（见表2-5）有关。表2-5 安装方式及末端因数当细长比时（欧拉公式），实心圆杆 （2-26）代入式2-26得：（2-27）式中： m末端因数； E材料弹性模量，钢材； J活塞杆横截面惯性矩，； L气缸的安装长度，m； d活塞杆直径，m。代入式2-27得：图2-6 活塞杆直径、行程、轴向力对应图活塞杆稳定条件为，故稳定。式中： F活塞杆承受的最大轴向力，N； 纵向弯曲极限力，N； 稳定性安全因数，一般取1.54。图2-7 许用负载校核图通过活塞杆直径为20mm这一点，在图2-9中穿过行程为50mm，画一条延长直线。分别与弯曲挠度与许用负载两个坐标轴相交，可得出其弯曲挠度为0.08mm，最大的许用负载为3000N，因此满足要求。确定行程50mm与活塞杆d=20mm处直线的交点，至作用力F的垂线，从而可确定该气缸所能承受的最大轴向力F=20000N。2.13 本章小结本章中对此设计中的各个环节进行了大量的计算，得出该设计的可行性，并从中挑选出最佳方案，从理论的角度对各个环节进行优化。（1）对在开题报告阶段的设计思路进行具化，得出受力分析，为以下计算打下基础。（2）对选用的材料所制成的零件进行了强度的校核，是符合要求（3）对设计中标准件进行选取和强度校核，使符合要求。3 爬壁清洗机器人气动设计3.1 吸附部分选用两个两位两通电磁阀，根据在第二部分所选的真空泵和吸盘的规格，对吸附部分的设计如图3-1所示：图3-1 吸附部分气路图1、两位两通电磁阀 2、真空泵 3、单向阀 4、真空吸盘 5、过滤器由图3-1可以看出吸附部分的气动回路工作原理为：打开真空泵通过单向阀、过滤器、节流阀与油雾器，分离了空气中的水汽使工作时保持空气的干燥。当按钮无动作时，吸盘处于松开状态，当按动吸附按钮时，即电磁得电，电磁阀切换到左位，使吸盘吸附。吸盘具体的操作控制设计部分详见第四部分。3.2 气缸运动部分电磁阀的结构是在它里面有密闭腔,不同的位置打开了每个孔都出现通路都是连接不同的气管,双方面都是有两块电磁铁在上面，如果左面的电磁铁线圈得电，阀体就会被往左边吸住，如果右面的电磁铁线圈得电，阀体就会被往左边吸住，可以运用这样的操作控制预想的通路，（即堵住不想运用的气孔，打开想要运用的气孔）。如果进气孔是常开的，气流就会通过电磁铁的动作来判断所要通路气路，然后再来推动活塞杆，使气缸进行想要的操作。这就是气缸与电磁阀在机械运动中的运用。为实现爬壁机器人的上下左右的移动与整体的抬起，对运动部分的设计如图：图3-2 气动系统图1、普通双作用气缸 2、双作用无杆气缸 3、三位五通电磁阀 4、气压泵 5、过滤器 6、节流阀 7、油雾器由图3-2可以看出运动部分的气动回路工作原理为：打开气压泵通过过滤器、节流阀与油雾器，分离了空气中的水汽使工作时保持空气的干燥。当按钮无动作时，气缸处于松静止状态状态，当按动抬升按钮时，即电磁YA4、YA6得电，电磁阀切换到右位，使气缸杆伸出；当按动下降按钮时，即电磁YA3、YA5得电，电磁阀切换到左位，使气缸杆缩回；当按动向左按钮时，即电磁YA9得电，电磁阀切换到右位，使无杆气缸杆滑块向左，带动移动支架向左；当按动向右按钮时，即电磁YA10得电，电磁阀切换到左位，使无杆气缸杆滑块向右，带动移动支架向右；当按动向上按钮时，即电磁YA7得电，电磁阀切换到右位，使无杆气缸杆滑块向上，带动移动支架向上；当按动向下按钮时，即电磁YA8得电，电磁阀切换到左位，使无杆气缸杆滑块向下，带动移动支架向下。气缸具体的操作控制设计部分详见第四部分。3.3 本章小结本系统运用了两个部分的回路：吸附部分和运动部分。在吸附部分的气动回路中，采用了单向伐，以防吸盘中的真空度不够，导致吸附力未达到设计要求的数值。在运动部分采用了电磁换向阀，使气缸的运动达到第二章节所描述的运动要求。在两大部分都安装了气动三元件，为了保证在回路中的空气是干燥的。4 爬壁清洗机器人控制部分设计4.1 PLC的概述及发展在二十世纪六十年代末，70年代初，PLC控制在世界技术发达国家产生，历经38年的改进，目前已经成为最重要的一个可靠性和应用场合最好、最多的工业控制超小型电脑。这应用了大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展的阶段性成果形成多种多样的优点和微软、小型、中型大型,超大型等各种规格的用于系列产品PLC控制系统,监控计算机之间的许多过程控制领域。可以与控制器理论编程已经数控技术及产业用机器人一同工业自动化三大支柱。最早的的PLC仅仅运用在逻辑控制的地方，更替原有的继电器所制成的控制系统。随着微电子技术的发展,PLC为微处理器的核心,应用于开关量、数量和模拟控制的数字量,它进入了过程控制和位置控制等控制域。现在,可编程控制器仍然有可编程逻辑控制器的全部优势和优点，而且汲取了并且发展了别的控制设备的优点,涵括了计算机控制系统、过程仪表控制系统、离散系统,分散的系统,等等。在大多数使用过程中,和可编程控制器,能够让各种各样综合控制系统中,例如一个逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集及控制系统、图形工作站,等等。在二十世纪八十到九十年代期间，国际电工委员会(IEC)对可编程控制器的定义是：一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用了可编程序的储存器，用来在其内部储存执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入输出，控制各种类型的的机械或生产过程。（1）数字运算操作的电子系统实质是计算机；（2）专为在工业环境下应用而设计；（3）面向用户指令编程方便；（4）逻辑运算、顺序控制、定时计算、和算术操作；（5）数字量或模拟量输入输出控制；（6）易与控制系统连成一体；（7）易于扩充。20世纪70年代初出现了微处理器。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。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器（即PLC）进入实用化发展阶段，计算机技术介绍可编程控制器,使其功能的飞跃。高速度、小体积、更可靠的工业抗干扰设计,模拟操作,高比率的PID,是它在现代工业的现状。在1980年代,可编程逻辑控制器在先进的工业化国家已经被广泛应用。世界生产的可编程控制器的国家增加、生产日益提高。这标志着一种可编程控制器已进入成熟阶段。在1980年代到90年代,是一种可编程逻辑控制器增长最快的时期,每年的增长率仍为百分之三十到百分之四十。在这个时期,PLC在处理模拟能力,数字运算能力,人机界面和网络容量的能力大大提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域,在某些应用程序中取代了在过程控制领域处于主导地位的DCS系统。20世纪,可编程逻辑控制器的发展特点是更适应现代工业的需要。这期间,大型机和小型机发展,诞生了各种特殊功能单元,生产各种人机界面单元,沟通单元,使应用程序可编程逻辑控制器工业控制设备支持更容易。4.2 PLC的I/O口分配首先对机器人所需要控制的动作进行分析，得出输入端口的操作控制和输出端口的执行操作，详见表4-1。表4-1 PLC的I/O口分配端口操作控制端口执行操作X0000X轴向洗盘吸住Y0000X轴向洗盘吸住X0001X轴向吸盘放开Y0001Y轴向吸盘吸住X0002Y轴向吸盘吸住Y0002X轴向气缸抬起X0003Y轴向吸盘放开Y0003X轴向气缸放下X0004X轴向气缸抬起Y0004Y轴向气缸抬起X0005X轴向气缸放下Y0005Y轴向气缸放下X0006Y轴向气缸抬起Y0006X轴向无杆气缸向左X0007Y轴向气缸放下Y0007X轴向无杆气缸向右X0008X轴向无杆气缸向左Y0008Y轴向无杆气缸向上X0009X轴向无杆气缸向右Y0009Y轴向无杆气缸向下X0010Y轴向无杆气缸向上Y0010电机正转X0011Y轴向无杆气缸向下Y0011喷头打开4.3 PLC选型根据表4-1中I/O口个数进行选型选用FX1N-24MR-001，该PLC品牌为三菱，输入点数：24；输出点数：16。FX1N-24MR-001三菱PLC FX1N系列是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制（例如本设计中的爬壁清洗机器人）。它具有卓越的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸，这使得它们能用在以前常规PLC无法安装的地方故符合要求。4.2 PLC控制面板在设计控制面板时考虑到要使操作人员直观地通过操作面板了解到机器人的运行动作，把控制方向的按钮（SB9、SB10、SB11、SB12）制造成方向键的形状，使操作简单易懂。详见图4-1。图4-1 PLC控制面板4.4 PLC的I/O口分配图结合表4-1与图4-1中的内容在PLC上进行接线，详见图4-2。图4-2 PLC的I/O口分配图4.5 PLC梯形图由于本次设计的爬壁清洗机器人的控制为人工在地面操作，出于安全的考虑，在编程的时候会有一些互锁的环节，以防机器人的掉落及误操作。图4-3 PLC梯形图1如图4-3所示，此操作为按下SB1和SB3分别使电磁YA1和YA2得电，通过真空泵使吸盘吸附，并实现自锁，按下SB2和SB4分别使电磁YA1和YA2失电，实现松开吸盘的操作图4-4 PLC梯形图2如图4-4所示，此操作为按下SB5使电磁YA3得电，并且只能在Y轴向吸盘吸住、Y轴向气缸放下时才能使X轴向气缸抬起；按下SB6使电磁YA4得电，并且只能在Y轴向吸盘吸住、Y轴向气缸放下时才能使X轴向气缸放下。并分别实现自锁。图4-5 PLC梯形图3如图4-5所示，此操作为按下SB7使电磁YA5得电，并且只能在X轴向吸盘吸住、X轴向气缸放下时才能使Y轴向气缸抬起；按下SB8使电磁YA6得电，并且只能在X轴向吸盘吸住、X轴向气缸放下时才能使Y轴向气缸放下。并分别实现自锁。图4-6 PLC梯形图4如图4-6所示，此操作为按下SB9使电磁YA10得电，并且只能在Y轴向气缸抬起、Y轴向吸盘吸住、X轴向气缸放下时才能使X轴向无杆气缸气缸向左；按下SB10使电磁YA9得电，并且只能在Y轴向气缸抬起、Y轴向吸盘吸住、X轴向气缸放下时才能使X轴向无杆气缸气缸向右。并分别实现自锁。图4-7 PLC梯形图5如图4-7所示，此操作为按下SB11使电磁YA8得电，并且只能在X轴向气缸抬起、X轴向吸盘吸住、Y轴向气缸放下时才能使Y轴向无杆气缸气缸向上；按下SB12使电磁YA7得电，并且只能在X轴向气缸抬起、X轴向吸盘吸住、Y轴向气缸放下时才能使Y轴向无杆气缸气缸向下。并分别实现自锁。图4-8 PLC梯形图6如图4-8所示，当四个脚上的双作用拉杆气缸都收缩时（即爬壁清洗机器人整体放下时），电机正转，喷淋启动，并实现自锁。4.5 本章小结本章中对爬壁清洗机器人的控制部分进行了设计，对于控制的简繁程度进行优化，给出最简单最方便的控制面板以便人们快速上手。其次，在运用是的安全方面进行考虑，在梯形图中有表现出几个控制的互锁，以防机器人的掉落和运行不合理。5 结论 经过这最后一个学期的毕业设计，使我真正懂得了学以致用的道理，本设计的题目是爬壁清洗机器人，本设计是以降低人工成本、降低人工操作安全隐患为目的，通过真空泵连接在真空吸盘上，实现机器人在竖直墙面的吸附，通过双作用无杆气缸上的滑块的移动，实现机器人脚步的移动，通过四只脚上的双作用拉杆气缸的伸缩，实现对机器人整体的抬升降低。通过对机械系统的设计及相关计算。包括整体支架、电机、气压控制部分的计算，结合市面上已有产品的结构进行参考，对机构中气压控制和PLC控制方式分析联系，最终设计出气动回路。在设计的过程中，系统主要零件和部件的校核计算最为重要，直接关系到机器人运行时的稳定性和安全性。参考文献1肖立，佟仕忠，丁启敏，吴俊生.爬壁机器人的现状与发展The Current Situation and Development of the Wall-Climbing Robot.辽宁抚顺:辽宁石油化工大学信息工程学院，1130012姬国钊,张世伟,王奇斌,李俊秀,王卓真.空吸盘式爬壁清洗机器人的研究与开发.辽宁沈阳:东北大学,1100043高九岗,吴神丽,李宏穆.一种新型高楼清洗爬壁机器人的设计.四川成都:成都理工大学核技术与自动化工程学院,6100594张厚祥,刘荣,王巍,宗光华.爬壁机器人气动位置伺服控制研究.北京:北京航空航天大学机械工程及自动化学院,1000835孙锦山,杨庆华,阮健.气动多吸盘爬壁机器人Pneumatic Mult-i suckered Wal-l climbing Robot.浙江杭州:浙江工业大学机电学院,3100146阎军涛壁面清洗机器人的运动控制系统设计D重庆:重庆大学，2007 7李华斌.气动PWM位置控制及擦玻璃机器人控制系统研究 D.北京:北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 1998.8郭成.微型爬壁机器人研究的关键技术J.制造业自动化,2004(7).9李华峰.超声波电机控制技术进展J.微特电机,2001(2).10张思明.微特电机在机器人中的应用与发展J.世界电子元器件,2002(3).11徐小云.六足移动式微型仿生机器人的研究J.机器人,2002(5).12潘沛霖,韩秀琴.日本爬壁机器人研究现状J.机器人,1994(6).13刘淑霞,王炎.爬壁机器人技术的应用J.机器人,1999(2).14杨庆华,张立彬,阮健.气动弯曲关节的特性研究J.工程设计学报,2002,9(3) .15于海斌,朱云龙.可集成的制造执行系统.计算机集成制造系统CIMS,2000,6( 6):1 6.16 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导