玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

）緒論課題背景與意義伴隨著城市的發(fā)展，許多城市已經(jīng)是高樓林立，這些高樓已經(jīng)是城市森林中的一道風(fēng)景。其中玻璃墻體的高樓越來越多，玻璃墻體有著采光好、整潔、美觀的有點(diǎn)，像是一面面鏡子反射著藍(lán)天，但是相對(duì)的由于高樓玻璃清洗難度大并且一旦污損會(huì)影響市容，許多發(fā)達(dá)城市都規(guī)定高層建筑一年要清洗幾次，這使得清潔工作非常繁重。目前國內(nèi)外對(duì)高層玻璃.窗的清洗方法主要有兩種:一種是利用安裝在屋頂上的履帶和吊索系統(tǒng)將窗戶清洗機(jī)與窗戶對(duì)齊進(jìn)行自動(dòng)清洗。這樣在建筑設(shè)計(jì)之初就需要考慮窗戶的清潔系統(tǒng)，不能適應(yīng)墻體的階梯形狀，限制了這種方法的使用。第二種方法是清潔工由一個(gè)升降平臺(tái)或用一根繩子直接綁在他們的腰上，用于高空清潔。這種方法雖然較為簡(jiǎn)單，但是其工作強(qiáng)度極其巨大，不僅不能夠提升工作效率，反而還會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，對(duì)于工作人員的安全無法得到應(yīng)有的保障。隨著人類科學(xué)的不斷進(jìn)步，發(fā)展的速度越來越快，人們對(duì)于生活的要求與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，生活方式的改變帶動(dòng)了工作模式的改變，原來的清潔工作不僅復(fù)雜，而且清洗工作不易到位，想要真正的從惡劣的環(huán)境當(dāng)中解放工人，應(yīng)專門發(fā)明一種具有壁面移動(dòng)能力的機(jī)器人，可以快速清洗樓體上的污垢，這種設(shè)備的出現(xiàn)一方面可以極大程度的降低其清潔成本，另外一方面可以從根本上改變其勞動(dòng)環(huán)境，真正意義上的提高工作效率，很大程度上促進(jìn)了清洗行業(yè)發(fā)展，給社會(huì)的發(fā)展帶來實(shí)質(zhì)性的改變，因此壁面清洗機(jī)器人在未來的市場(chǎng)中有著不可預(yù)估的前景。國內(nèi)外壁面清洗機(jī)器人的研究現(xiàn)狀我們中國相對(duì)國外，對(duì)玻璃幕墻清洗機(jī)器人的起步較晚。主要是因?yàn)槲覀冎匾暢鞘谢l(fā)展沒有外國早，但相對(duì)的我國城市化發(fā)展迅速。短短幾年間越來越多的高樓就像雨后春筍一樣爭(zhēng)相聳立?，F(xiàn)代化高樓普遍使用玻璃為外墻裝飾材料，如不及時(shí)清潔很容易影響市容市貌，于此同時(shí)由于樓體清潔工作難度過大，工人工作環(huán)境危險(xiǎn)，這讓研發(fā)新型玻璃幕墻清洗機(jī)器人顯得尤為重要。在本文中主要對(duì)國內(nèi)外壁面清洗機(jī)器人的吸附方式、動(dòng)力選擇、基本結(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹與探究。國外研究現(xiàn)狀德國普茨邁斯特公司制作的清洗巨人，如圖1-1所示。雖然該機(jī)器人是用于清洗飛機(jī)外表面的，但它是第一個(gè)按照，為大型物體外壁清潔為需求設(shè)計(jì)的機(jī)器人。清洗巨人是由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，手臂結(jié)構(gòu)，有著工作范圍大，可長時(shí)間工作的優(yōu)點(diǎn)，但該機(jī)器人體型龐大，工作范圍固定。圖1-1清洗巨人國內(nèi)研究現(xiàn)狀哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)研究的爬壁機(jī)器人，北京理工大學(xué)研究的爬壁機(jī)器人，如圖1-2、圖1-3所示。這兩款機(jī)器人都是采用由機(jī)器人下部或者兩側(cè)的輪控制移動(dòng)和方向，通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓吸附在墻面上，由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，輪式底盤機(jī)構(gòu)。該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活速度快，對(duì)壁面適用性強(qiáng)。但該機(jī)器人由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓所以噪音大，負(fù)載能力有限，沒有跨越障礙的能力。因此該機(jī)器人不適用于外樓體清潔，更適用于房屋內(nèi)的小面積玻璃清潔工作。圖1-2哈爾濱工業(yè)大學(xué)爬壁機(jī)器人圖1-3上海交通大學(xué)爬壁機(jī)器人清洗機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高層建筑的外觀清洗已經(jīng)成為人們生活當(dāng)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，但是現(xiàn)如今的清洗方式過于耗時(shí)耗力，同時(shí)還存在較高的危險(xiǎn)系數(shù)，給工作帶來了一定的阻礙。因此根據(jù)這一個(gè)現(xiàn)狀，在原有的基礎(chǔ)之上進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化，實(shí)現(xiàn)功能便捷，安全可靠，輕松爬壁，具有較好的吸附功能，即使在工作過程中遇到一定的阻礙，不會(huì)影響其操作。壁面清洗機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成為了達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，機(jī)器人除了具有相應(yīng)的清潔操作功能，控制功能和供應(yīng)功能外，還應(yīng)具有在墻壁上吸附和移動(dòng)的能力（因?yàn)楸疚闹饕芯繖C(jī)器人的控制系統(tǒng)，因此這部分僅作簡(jiǎn)要討論）。機(jī)器人主體，控制系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)以及供應(yīng)支持系統(tǒng)是墻壁清潔機(jī)器人的重要組成部分。機(jī)器人的每個(gè)組成部門都有其存在的道理，首先需要具備強(qiáng)大的吸附能力，同時(shí)還需要能夠自主的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人產(chǎn)生足夠強(qiáng)的吸附能力，安全的吸附在工作壁上面。機(jī)器人的移動(dòng)部分不僅可以直線行走，同時(shí)可以進(jìn)行拐彎，運(yùn)用無桿氣缸幫助完成一系列操作。機(jī)器人除了可以水平運(yùn)動(dòng)以外，還可以垂直運(yùn)動(dòng)，保證多個(gè)方向的靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)突然加速與減速，自動(dòng)化的完成一系列動(dòng)作。在機(jī)器人上面設(shè)置控制系統(tǒng)完成其基本操作，無論是對(duì)于手動(dòng)還是自動(dòng)模式而言，都必須通過控制箱進(jìn)行操作，因而需要保證控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠，安全吸附能力強(qiáng)，質(zhì)量輕，維護(hù)工序簡(jiǎn)單易操作，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還需要保證機(jī)器人的防水性能。供應(yīng)保證系統(tǒng)主要用于空氣，水和電的供應(yīng)。它由空氣壓縮機(jī)，水泵和電源組成。它們被放置在建筑物的頂部，并通過專用管道傳輸?shù)綑C(jī)器人進(jìn)行操作。此處不討論清潔系統(tǒng)。壁面清洗機(jī)器人工作原理玻璃幕墻清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)如圖2-1所示，由雙框架結(jié)構(gòu)、吸盤組、步進(jìn)及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。玻璃幕墻清洗機(jī)器人由上下兩層框架組成。每層框架各安裝三個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸連接3個(gè)吸盤。氣動(dòng)馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，會(huì)帶動(dòng)其蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中相互旋轉(zhuǎn)。在兩框架間，需要設(shè)置一個(gè)氣缸和兩個(gè)導(dǎo)軌，機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中可以沿著直線進(jìn)行移動(dòng)。根據(jù)圖2-2可見，描述機(jī)器人在最初運(yùn)動(dòng)狀態(tài)開始時(shí)平移氣缸縮回。然后將上部框架沿軌道向下部框架移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)后上部框架的吸盤吸附在工作表面上,如圖b。同理下框架吸盤松開下框架沿著導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)直到回到圖2-2（c）所示的樣式，下框架吸盤吸附，從而完成一個(gè)工作循環(huán)。機(jī)器人不僅能直線移動(dòng)，還能轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)器人須在待轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)，如圖2-2（a）。圖2-1機(jī)器人效果圖圖2-2機(jī)器人的平動(dòng)本章小結(jié)本章首先介紹了壁面清洗機(jī)器人的需求及基本構(gòu)成，分析了該機(jī)器人的工作原理。對(duì)機(jī)器人的供應(yīng)系統(tǒng)提出要求，因考慮到由地面供應(yīng)供應(yīng)系統(tǒng)為機(jī)器人供能機(jī)器人的負(fù)載過大不利于吸附穩(wěn)定，所以采用建筑物頂端供能。該機(jī)器人利用雙框架結(jié)構(gòu)上下框架交替吸附，本章對(duì)機(jī)器人的平動(dòng)行進(jìn)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方式進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。吸附可靠性分析機(jī)器人采用吸盤吸附的方式固定在壁面,吸盤采用抽真空原理利用真空負(fù)壓吸附在壁面。吸盤由通氣口把吸盤內(nèi)的氣體抽出，使得吸盤內(nèi)P2的氣壓小于外界P1的氣壓。由大氣壓力的作用下吸盤固定在壁面上P2與P1的差值越大，固定越牢固如圖3-1所示。圖3-1吸盤原理示意圖吸附強(qiáng)度校核機(jī)器人主要受到重力和傾覆力矩，在兩個(gè)力的相互作用下才會(huì)使的機(jī)器人從壁面滑落。因此在可行性分析時(shí)需要根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在上框架升高，下框架在吸附狀態(tài)時(shí)一條腿在上部和兩條腿在同一水平線時(shí)最容易墜落。此時(shí)機(jī)器人的受力情況如圖3-2所示:圖3-2受力示意圖圖3-2受力示意圖Ni為墻面對(duì)單吸盤的推力F為一個(gè)框架的9個(gè)吸盤的吸附力Fi為單吸盤的吸附力f為一個(gè)框架的9個(gè)吸盤的摩擦力fi為單吸盤的摩擦力G為總重力L1為上面3個(gè)吸盤與下面9個(gè)吸盤的幾何中心距做垂直連線的長度L2位機(jī)器人的重心與墻面的距離為摩擦系數(shù)為了讓機(jī)器人安全的吸附在墻面上，機(jī)器人在豎直方向上受到的合力要小于最大靜摩擦力。因此可滿足下方程：豎直方向受力（3-3）水平方向受力（3-4）以下面兩個(gè)吸盤幾何中心之間的連接線為基準(zhǔn)，計(jì)算上吸盤組幾何中心與連接線之間的距離（r為三個(gè)吸盤所在圓的半徑），并考慮吸附力、重力、壁面支撐力列出力矩方程：（3-5）根據(jù)實(shí)際情況，完全可以假設(shè)各個(gè)吸盤對(duì)避免的吸附力相等。有:；解式（2-4）得：（3-6）把式（2-5）代入式（2-2）可以求得：（3-7）吸盤要在傾覆力矩的作用下保持安全吸附必須滿足：綜合以上式子可以得三個(gè)約束條件：（3-8）（3-9）（3-10）式（3-8）和式（3-9）確保機(jī)器人不會(huì)翻轉(zhuǎn)，式(3-10)確保機(jī)器人不會(huì)在傾覆力矩的作用下墜落。吸附裝置選擇吸盤的選擇1、吸盤與工作壁面摩擦系數(shù)的選取我們使用的吸盤來自德國費(fèi)斯托公司，其材質(zhì)是丁腈橡膠。由于清洗過程中會(huì)有水漬在工作表面，因此摩擦系數(shù)會(huì)降低0.1-0.4。出于安全考慮，我們假設(shè)它將減少0.4，所以摩擦系數(shù)。2、吸盤數(shù)量與直徑的選取我們的機(jī)器人設(shè)計(jì)的本體重量20Kg，負(fù)載重量15Kg，因此，該機(jī)器人收到的總重量G=35Kg；摩擦系數(shù)經(jīng)計(jì)算=0.3；r=500mm；L2=400mm。把數(shù)據(jù)代入上式解得9個(gè)吸盤的總吸附力為F=1166.7N，每個(gè)吸盤平均吸附力為F=129.6N。由此解得吸盤直徑：p為吸盤的真空度，根據(jù)實(shí)際情況我們?nèi)?0.08MP。F為單個(gè)吸盤的吸附能力。A（有效）為吸盤有效面積（），一般取吸盤實(shí)際面積的80%。A（實(shí)際）為吸盤的實(shí)際面積。D為吸盤的實(shí)際直徑。為安全系數(shù)，我們選取為2。由該公司提供的技術(shù)參數(shù)3-11表可知，吸盤直徑取80mm。圖3-11吸盤的技術(shù)參數(shù)3、吸盤布局為保證機(jī)器人安全吸附，經(jīng)過證明每個(gè)吸盤組由三個(gè)吸盤組成。三個(gè)吸盤只有兩種布置形式:線性布置和正三角形布置（如圖3-12所示）。無論采用什么樣的布局,三個(gè)吸盤的吸附力可以合成為一個(gè)復(fù)合力量的行動(dòng)點(diǎn)與各自的幾何中心和方向三個(gè)吸盤的吸附力,其大小等于三股勢(shì)力的總和。因此，無論采用何種布局方式，對(duì)機(jī)器人整體的抗傾覆能力影響都不大?？紤]到布局的緊湊性和吸附穩(wěn)定性，我們選擇三角形布局。圖3-12吸盤布局方式本章小結(jié)本章首先對(duì)機(jī)器人在壁面工作時(shí)的吸附強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，根據(jù)機(jī)器人所受重力列出吸附強(qiáng)度表達(dá)式。其次根據(jù)吸盤材質(zhì)、工作表面特性確定摩擦系數(shù)對(duì)吸盤進(jìn)行選擇，同時(shí)代入上吸附強(qiáng)度表達(dá)式求出總吸附力，因9個(gè)吸盤共同承擔(dān)機(jī)器人的重力故求出單個(gè)吸盤的受力，把受力代入吸盤直徑表達(dá)式，求出吸盤直徑，再根據(jù)費(fèi)斯托公司給出的材料確定吸盤直徑。由于3組吸盤成并列直線排布與三角形排布受力相似，但三角形排布布局更緊湊故使用三角形排布。氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣動(dòng)元件的選擇真空發(fā)生裝置的選擇由于我們機(jī)器人為全氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，在氣源上選取真空發(fā)生器。真空發(fā)生器反應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單噪音相對(duì)較小。真空發(fā)生器有進(jìn)氣口、出氣口、真空發(fā)生口如下圖4-1，1口連接氣源，3口直接連接外界大氣，2口連接吸盤。由1，3兩口產(chǎn)生流速差，使得2口產(chǎn)生真空度。我們選擇FESTO的vad-me-1/4真空發(fā)生器如圖4-2。根據(jù)該真空發(fā)生器的給定數(shù)據(jù)可知，它可以產(chǎn)生-0.85bar的最大真空。圖4-1真空發(fā)生器原理圖圖4-2VAD-ME-1/4原理圖圖4-3真空發(fā)生器的P與的關(guān)系如圖4-3可見，當(dāng)工作壓力大于4bar時(shí)，真空發(fā)生器可產(chǎn)生-0.8bar的真空度，滿足工作要求。腿部氣缸的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)該機(jī)器人共有6條腿，在行進(jìn)或轉(zhuǎn)向時(shí)有3條腿吸附。由于腿部氣缸受到軸向力極小可忽略不計(jì)，機(jī)器人總重35kg，平均每條腿受到117N的徑向力。根據(jù)需求我們選擇費(fèi)斯托公司的DNC-40-50-ppv-a型氣缸該氣缸體積小，有多個(gè)傳感器槽具有內(nèi)六角固定螺絲固定方便安裝。如圖4-4所示：圖4-4DNC-40-50-PPV-A型氣缸該型氣缸有著以下3個(gè)優(yōu)勢(shì)負(fù)載大，可以高力矩輸出。動(dòng)作迅速，反應(yīng)快。環(huán)境適應(yīng)性好平動(dòng)氣缸的選型平動(dòng)氣缸是提供機(jī)器人水平豎直方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源。在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)上氣缸的受力各有不同。水平運(yùn)動(dòng)時(shí)氣缸只收到水平方向但是摩擦力，由于氣缸桿表面光滑，氣缸受到的水平摩擦力很小。因?qū)к壋惺軞飧椎膹较蛄Γ詺飧妆旧聿皇艿綇较蛄?，也提高了氣缸的使用壽命。豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸受到豎直方向的摩擦力與框架的重力的合力，此時(shí)氣缸受壓，由導(dǎo)軌承受框架的傾覆力矩。豎直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，與豎直向上運(yùn)動(dòng)相反，氣缸受到豎直方向的摩擦力與框架重力的合力，氣缸受拉伸。根據(jù)以上受力分析，結(jié)合FESTO公司提供的一系列無桿氣缸及其性能參數(shù)，我們選用dgc-25-160-g-ppv-a型無桿氣缸，即活塞直徑25，行程160，基礎(chǔ)型，ppv兩端可調(diào)緩沖，a帶位置傳感，單缸重量1548g。清洗部分氣缸的選型1、清洗氣缸的設(shè)計(jì)1)清洗部分的氣缸受力分析清洗部分的氣缸是清洗機(jī)器人的動(dòng)力部件，它為清洗機(jī)器人的刷子上下移動(dòng)提供動(dòng)力。機(jī)器人清洗刷主要完成兩個(gè)動(dòng)作：清洗玻璃壁時(shí)，在縮回時(shí)停止清洗，停止時(shí)基本上不承受任何軸向力，但受到一定的徑向力。2）清洗氣缸的選擇由于缸體基本上沒有軸向力，所以選擇主要滿足行程和重量輕的要求。我們選擇FESTO的dnc-32-40-ppv-a，如圖4-6所示：3）旋轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)部分主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)功能，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。由于機(jī)器人基本上是圍繞旋轉(zhuǎn)軸的中心對(duì)稱形狀，當(dāng)機(jī)器人在垂直壁上工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)力矩非常?。▋H由摩擦產(chǎn)生的力矩），這是可以忽略的。我們選用的葉片擺動(dòng)式空氣馬達(dá)是費(fèi)斯托公司的mtr-ac-55-3s-aa，其主要技術(shù)參數(shù)見表4-5。表4-5MTR-AC-55-3S-AA技術(shù)參數(shù)額定馬達(dá)功率額定電壓DC額定電機(jī)電流額定轉(zhuǎn)矩468W325V1.4A0.66Nm圖4-6DNC-32-40-PPV-A型氣缸控制閥及其它氣動(dòng)元件的選取方向控制閥的選取由于上下、框架腿部氣缸各連接3個(gè)吸盤組，需要分別同步運(yùn)動(dòng)，所以上、下框架各需要一個(gè)方向控制閥，為了控制機(jī)器人的上下或左右運(yùn)動(dòng)平動(dòng)氣缸也需要方向控制閥控制。在上、下框架腿部的氣缸需要保持伸縮，平移氣缸不需要保持伸縮。根據(jù)需求，我們選擇了費(fèi)斯托公司的緊湊型方向控制閥cpe10-m1bh-5j-qs-6作為腿部氣缸。圖4-7是該換向閥的符號(hào)圖。這是一種流量大、體積小、功耗低的雙電控內(nèi)部導(dǎo)頻雙位置五通電磁閥。該電磁閥采用24V直流電源?？諝膺B接器1、2、4為快插式連接器，可插入外徑6mm的氣管道;3、5為排氣口;82和84用于控制排氣口。有兩種控制方式，手動(dòng)控制和電動(dòng)控制。該閥適用于平移氣缸和腿部氣缸的換向閥。圖4-7方向控制閥符號(hào)圖圖4-8單向節(jié)流閥符號(hào)圖2、單向節(jié)流閥的選取針對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度高、沖擊大的特點(diǎn)，在氣缸的氣動(dòng)接口上安裝單向節(jié)流閥（如圖4-8所示）。單向閥和節(jié)流法是控制系統(tǒng)裝置當(dāng)中常用的兩種組成結(jié)構(gòu)，節(jié)流閥主要運(yùn)用于氣缸的排氣，當(dāng)進(jìn)1出2單向閥全程打開，空氣可以自由靈活的交換，保證壓縮空氣能夠自由流動(dòng)。在排氣的過程中是從一號(hào)出二號(hào)口入必須單向閥門關(guān)閉，保證氣流順暢流通，形成一定的氣壓，在空氣流通的過程中形成壓力差，保證單向節(jié)流的執(zhí)行器能夠自由運(yùn)轉(zhuǎn)，通過運(yùn)用活塞的方法，氣流的空氣能夠得到一定的緩沖，在一定程度上能夠改善原有的這種特性，保證氣流的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)少對(duì)于控制系統(tǒng)的巨大沖擊。在此選用費(fèi)斯托公司的grla-1/4-qs-6-rs-b型單向節(jié)流閥（支腿油缸、平移油缸共20只，重量30g/只）。節(jié)流閥有一個(gè)快速連接插頭，用于連接標(biāo)準(zhǔn)外徑為6mm的導(dǎo)管。3、氣源處理組件由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)氣源供氣質(zhì)量有跟大的要求，為防止氣源供氣產(chǎn)生灰塵、油污等影響氣動(dòng)部件的運(yùn)行與壽命，我們選擇了費(fèi)斯托公司的frcs-1/8-d-7-mini-a氣源處理模塊。符號(hào)圖如圖4-9所示。1口為進(jìn)風(fēng)口，2口為出風(fēng)口。氣源處理總成由空氣過濾器、減壓閥、壓力表和油霧過濾器組成。氣體界面為g1/8。重量760g，氣源處理部件安裝位置一般在氣源出口。圖4-9氣源處理組件符號(hào)圖真空安全閥在機(jī)器人實(shí)際工作中，由于是9個(gè)吸盤公用一個(gè)真空發(fā)生器，為防止某個(gè)吸盤失效讓同組的9個(gè)吸盤同時(shí)失去真空。我在此使用isv-m5真空安全閥來保障機(jī)器人的吸附安全。真空開關(guān)在機(jī)器人工作期間，吸盤從開始工作到建立真空需要時(shí)間。真空開關(guān)就像傳感器一樣是該機(jī)器人的感覺器官我們需要真空開關(guān)把氣動(dòng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而告知PLC可以執(zhí)行下一部操作。我在此選擇PEN-m5型真空開關(guān)，改型真空開關(guān)為常開壓力可調(diào)式，工作區(qū)間為-0.95至+8bar。分氣塊該機(jī)器人由于只有單一氣源，工作吸盤需要多個(gè)出氣口。需要分氣塊來增加出氣口，我在此選擇Festo公司FR-12-M5型分氣塊，如圖4-11所示。這種分氣塊有2個(gè)進(jìn)氣口（G1/8，其中一個(gè)被堵頭密封），12個(gè)出氣口(M5)。圖4-10PEN-M5型氣電轉(zhuǎn)換器圖4-11FR-12-M5型分氣塊表4-12本機(jī)器人氣動(dòng)系統(tǒng)所需要的氣動(dòng)元件元件產(chǎn)品代號(hào)型號(hào)單件重量（g）備注氣缸163339DNC-40-50-PPV-A1025腿部氣缸163306DNC-32-40-PPV-A1024清洗部分氣缸532447DGC-25-160-G-PPV-A1790平動(dòng)氣缸電磁閥196877CPE10-M1BH-5J-QS-695單向節(jié)流閥162967GRLA-1/4-QS-6-RS-B30用于163339、36341真空發(fā)生器35555VAD-ME-1/4210真空吸盤189318ESS-80-SN133吸盤支座189201ESH-HA-5-G84真空安全閥151217ISV-M54直接通過螺紋固定在4525上分氣塊4525FR-12-M540分氣接頭153210QSQ-8-620.5與194858相連186234QSLV-G1/8-640g左右腿部氣缸電磁閥出口的分氣真空開關(guān)8625PEN-M5240直接連接在4525上快插接頭153292QSK-M5-610g左右用于15121（18個(gè)），用于8625（2個(gè)）186277QSR-G1/8-610g左右用35555、4525各2個(gè)189201上18個(gè)186297QSR-G1/8-810g左右用于194858186278QSR-G1/4-610g左右用于35555153023QSF-1/8-6-B18用于186234氣管159664PUN-6×1-BL19g/m159666PUN×1.25-BL30g/m空位堵頭3843B-M51用于4525消聲器534218UC-M7-509用于196877氣源處理組件194858FRCS-1/8-D-7-MINI-A760放置在地面雙耳環(huán)安裝件31762LBG-40300和9262連接關(guān)節(jié)軸承9262SGS-M1×1.25105用于36341腳架安裝架32948HNG-40270用于36341機(jī)器人本體上負(fù)載的氣動(dòng)元器件總重（不包含氣源處理組件及其上邊的兩個(gè)快接插頭100m氣管）15218.5g氣路的設(shè)計(jì)經(jīng)過對(duì)氣動(dòng)部件的選取，氣源給定的工作壓力為8bar。由于把導(dǎo)管放置在地面會(huì)使機(jī)器人負(fù)載隨著機(jī)器人工作的高度增加而增加，所以把機(jī)器人的氣源，水源等置于樓層頂部，通過一根外徑為8mm的PUN-8×1.25-BL型氣管給機(jī)器人本體輸送壓縮空氣。上下框架氣缸氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)該機(jī)器人上下框架需要實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。上下框架分別由三條腿組成。上下框架吸盤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全一致。每條腿的下部都有一套吸盤。當(dāng)氣缸伸展和收縮時(shí)，吸盤將會(huì)吸附和脫離墻壁。由于三支腿都在剛性框架上，所以三支腿的吸附和脫離是完全同步的。上下框架腿氣動(dòng)回路如圖4-13所示。圖4-13上、下框架腿氣缸氣動(dòng)回路機(jī)器人的平移運(yùn)動(dòng)平移運(yùn)動(dòng)是通過無桿氣缸的伸縮和腿氣缸的伸長與收縮來實(shí)現(xiàn)的。在兩個(gè)框架之間有兩個(gè)導(dǎo)軌，機(jī)器人可以沿著軌道進(jìn)行直線的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖所示進(jìn)行回路。在最初運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，先將上層框架的腿吸盤與吸附進(jìn)行分離，保證氣缸能夠準(zhǔn)確無誤的縮回，機(jī)器人的腿最后才能縮回?？蚣苤g的氣缸能夠自由的進(jìn)行伸展，保證上部框架與下部框架之間能夠相互移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到一定的位置以后，可以將第三個(gè)氣缸進(jìn)行展開全部吸附在氣缸的表面，通過吸盤的伸縮可以保證兩者之間的復(fù)位，不會(huì)影響其自由的伸縮。機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)機(jī)器在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中保證下框架處于靜止的狀態(tài)，下框架能夠移動(dòng)自由的升降，同時(shí)帶動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，配合一定的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，保證上框架與下框架之間能夠自由的升降，吸盤能夠完全的吸住不會(huì)脫離，氣缸在完成工作以后又會(huì)相同的角度進(jìn)行再次的旋轉(zhuǎn)，保證與一開始框架的角度完全一致，進(jìn)而完成整個(gè)旋轉(zhuǎn)的過程。根據(jù)設(shè)計(jì)，它需要三次旋轉(zhuǎn)一個(gè)直角。氣動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)接頭如圖4-15所示。圖4-14平動(dòng)無桿缸驅(qū)動(dòng)回路圖4-15氣動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)整個(gè)氣路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖圖4-16氣路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖本章小結(jié)本章首先對(duì)機(jī)器人各個(gè)部件所需的氣動(dòng)部件進(jìn)行了選擇，做到各部件節(jié)省空間、高效、適用性強(qiáng)和安全性高。其次對(duì)氣路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，由于上、下框架分別共用一個(gè)真空發(fā)生器所以在設(shè)計(jì)中加入真空安全閥來確保機(jī)器人在工作過程中不會(huì)出現(xiàn)墜落以保證安全，繪制出在用于機(jī)器人線性運(yùn)動(dòng)中上、下框架氣路原理圖與旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)部件的氣路原理圖。機(jī)器人上下框架之間利用氣動(dòng)馬達(dá)控制上下框架產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而使機(jī)器人轉(zhuǎn)向，氣動(dòng)馬達(dá)由PLC控制其轉(zhuǎn)向時(shí)間從而控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度，PLC控制氣動(dòng)馬達(dá)使上下框架相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)30°，所以機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)90°需要?dú)鈩?dòng)馬達(dá)工作3次。壁面清洗機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)機(jī)器人工作過程1、平動(dòng)機(jī)器人在初始狀態(tài)時(shí)下框架3個(gè)腿部氣缸伸出，上框架3個(gè)腿部氣缸縮回，導(dǎo)軌氣缸縮回，氣動(dòng)馬達(dá)為停止工作狀態(tài)。機(jī)器人平動(dòng)共分為4個(gè)步驟。下框架9個(gè)吸盤吸附如圖5-1（a）。導(dǎo)軌氣缸伸出，上框架9個(gè)吸盤吸附如圖5-1（c）。下框架9個(gè)吸盤解除吸附狀態(tài)，3個(gè)腿部氣缸縮回，導(dǎo)軌氣缸縮回如圖5-1（d）。下框架3個(gè)腿部氣缸伸出，9個(gè)吸盤吸附如圖5-1（f）。上框架9個(gè)吸盤解除吸附，3個(gè)腿部氣缸縮回，回到初始狀態(tài)開始下一輪指令如圖5-1（a）。 a上框架吸盤脫離吸附b清洗刷伸出清洗，平動(dòng)氣缸伸出c上框架吸盤附 d下框架吸盤脫離吸附e清洗刷縮回，平動(dòng)氣缸縮回f下框架吸盤吸附，開始下一輪圖5-1平動(dòng)動(dòng)作示意圖2、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人在轉(zhuǎn)動(dòng)開始之前回到初始狀態(tài)如圖5-2（a），在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)分為4個(gè)步驟。兩框架間的氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)蝸輪蝸桿使上框架按需要方向旋轉(zhuǎn)30°角如圖5-2（b）。上框架3個(gè)腿部氣缸伸出，9個(gè)吸盤吸附如圖5-2（c）。下框架9個(gè)吸盤解除吸附狀態(tài)，3個(gè)腿部氣缸縮回如圖5-2（d）。兩框架間的氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)蝸輪蝸桿使下框架按需要方向旋轉(zhuǎn)30°角如圖5-2（e）。下框架3個(gè)腿部氣缸伸出，9個(gè)吸盤吸附如圖5-2（f）。上框架9個(gè)吸盤解除吸附，3個(gè)腿部氣缸縮回。兩框架間的氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)蝸輪蝸桿使上框架按需要方向旋轉(zhuǎn)30°角，回到初始狀態(tài)開始下一輪指令如圖5-2（a）。 a上框架吸盤脫離吸附b馬達(dá)帶動(dòng)上框架旋轉(zhuǎn)c上腳部氣缸伸出，吸盤吸附 d下腳部氣缸縮回e馬達(dá)帶動(dòng)下框架旋轉(zhuǎn) f下框架吸盤吸附圖5-2轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作示意圖控制要求根據(jù)機(jī)器人的兩種工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了兩種工作模式：自動(dòng)操作和手動(dòng)操作。自動(dòng)操作主要是指實(shí)現(xiàn)連續(xù)平移或旋轉(zhuǎn)（連續(xù)旋轉(zhuǎn)三次，總旋轉(zhuǎn)角度90°）。如果需要旋轉(zhuǎn)，則根據(jù)實(shí)際工作情況按下左旋轉(zhuǎn)或右旋轉(zhuǎn)按鈕。手動(dòng)操作主要指一次一個(gè)平移循環(huán)（向前）或一個(gè)旋轉(zhuǎn)循環(huán)（以30度角旋轉(zhuǎn)）然后停止。手動(dòng)操作主要用于設(shè)備的調(diào)整、檢測(cè)和個(gè)別地方的反復(fù)擦洗。1）上下吸盤中各放置一個(gè)真空開關(guān)，用于檢測(cè)工作中吸盤的狀態(tài)已告知PLC是否執(zhí)行下一步操作。當(dāng)真空開關(guān)檢測(cè)到吸盤內(nèi)部的真空度為0.2bar時(shí)吸盤成功吸附，當(dāng)檢測(cè)到吸盤內(nèi)部的真空度為0時(shí)吸盤處于未吸附或吸附不牢靠狀態(tài)。2）啟動(dòng)機(jī)器人需要按下啟動(dòng)按鈕，在按下之后機(jī)器人會(huì)檢測(cè)上下框架吸盤真空度，當(dāng)上框架或下框架吸盤真空度為0.2bar時(shí)，收回真空度未在0.2bar的吸盤腿部氣缸。檢測(cè)真空度完畢、腿部氣缸收回后，機(jī)器人開始等待命令執(zhí)行下一步操作。3）執(zhí)行氣缸中機(jī)器人腿部氣缸和平動(dòng)氣缸的伸出和縮回都是采用雙線圈的電磁驅(qū)動(dòng)閥驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)動(dòng)作的完成是由線圈決定的。4）機(jī)器人從上一個(gè)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)動(dòng)作的前提條件是需滿足吸盤真空的前提條件，而這一前提條件由自動(dòng)的壓力檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)。5）當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)吸盤吸附不牢固的情況，操作人員應(yīng)立即按下急停按鈕。機(jī)器人在每一個(gè)工作步驟前都需要檢測(cè)吸盤內(nèi)的真空度以保證吸盤穩(wěn)固的吸附，這樣才能夠達(dá)到最佳吸附以保證安全。6）當(dāng)按下機(jī)器人停止按鈕后，機(jī)器人繼續(xù)工作至此時(shí)正在運(yùn)行的循環(huán)結(jié)束，機(jī)器人回到初始工作狀態(tài)后停止工作。本章小結(jié)本章分別介紹了機(jī)器人在運(yùn)行中直行與旋轉(zhuǎn)步驟的運(yùn)動(dòng)過程，機(jī)器人采用雙框架結(jié)構(gòu)交替吸附使機(jī)器人行進(jìn)。制定了控制要求，控制要求分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。機(jī)器人足部吸盤安裝真空開關(guān)用于檢測(cè)吸盤內(nèi)真空度，當(dāng)真空度達(dá)到要求才會(huì)直行下一步，以保證機(jī)器人工作中的吸附牢固確保安全。列舉了機(jī)器人在工作中氣缸吸盤等元件的控制要求。PLC的選型及程序設(shè)計(jì)PLC的選型過程目前市面上的PLC種類繁多，不同的系列按照需求有這不同的功能。但無論是選擇哪個(gè)系列的PLC，都應(yīng)該按照實(shí)際所需要目的進(jìn)行選擇，考慮其經(jīng)濟(jì)性、功能性，要物盡其用。I/O口數(shù)I/O口數(shù)就是指該P(yáng)LC與外界連接的通道數(shù)量，通道數(shù)量越多PLC控制的器件就越多，因此I/O口數(shù)是衡量PLC功能的重要指標(biāo)。在本次設(shè)計(jì)中機(jī)器人共用到22個(gè)輸入，16個(gè)輸出。PLC的存儲(chǔ)容量不同的程序占用存儲(chǔ)容量的大小也不一樣，程序越復(fù)雜，控制的外部器件越多程序越大，在PLC選型中應(yīng)保證其容量有著50%到100%的冗余容量，方便程序的擴(kuò)展改良，方便PLC的運(yùn)行。3）PLC輸入輸出相應(yīng)時(shí)間PLC輸入輸出相應(yīng)時(shí)間決定這PLC對(duì)程序相應(yīng)，控制外部器件的反應(yīng)時(shí)間，其反應(yīng)越快其PLC功能越強(qiáng)，在本次設(shè)計(jì)中沒有過高的要求。4）指令種類及條數(shù)指令種類及條數(shù)是衡量OLC編程能力的主要指標(biāo)。其中指令種類及條數(shù)越多，氣編程能力就越強(qiáng)，及處理能力頓號(hào)控制能力越強(qiáng)。在本次設(shè)計(jì)中主要用到計(jì)數(shù)器指令、定時(shí)器指令。5）內(nèi)部器件的種類和數(shù)量?jī)?nèi)部器件主要包括繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。其種類越多PLC功能越強(qiáng)大。PLC的選擇隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，PLC的應(yīng)用領(lǐng)域越來越大，不同型號(hào)的PLC其性能、容量、編程方式上有這很大的不同，所以在選擇PLC上要把各個(gè)因素綜合考慮。我選用西門子公司的S7-226CN型PLC。該型PLC共有24個(gè)輸入，16個(gè)輸出，4個(gè)中斷輸入，滿足控制所需端子數(shù)。PLC的系統(tǒng)配置PLC的選擇和I/O地址分配分配PLC的I/O端子接線如圖6-1所示。圖6-1PLC的I/O端子接線控制程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用PLC控制，我們選擇西門子公司的S7-226CN型PLC，改型PLC采用順序控制。順序控制是指按照機(jī)器人的工作流程分別根據(jù)機(jī)器人的直行、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分部設(shè)計(jì)讓各個(gè)執(zhí)行元件有序的工作。如圖6-2所示，首先PLC在啟動(dòng)時(shí)調(diào)用初始化程序。1、機(jī)器人在進(jìn)行平動(dòng)時(shí)具體分為10個(gè)步驟運(yùn)行初始化程序，接通上框架真空發(fā)生器電磁閥上框架腿部氣缸伸出，使腿部氣缸伸出到制定位置。按下啟動(dòng)開關(guān)后C0、C1計(jì)數(shù)器清零下框架真空發(fā)生器電磁閥接通，當(dāng)下框架壓力傳感器檢測(cè)壓力到達(dá)設(shè)定值時(shí)下框架腿部氣缸伸出。當(dāng)吸盤到達(dá)壁面時(shí)下框架接近傳感器發(fā)出信號(hào)清洗刷頭氣缸伸出，當(dāng)?shù)竭_(dá)壁面時(shí)刷子尾部接近傳感器發(fā)出信號(hào)清洗刷頭開始轉(zhuǎn)動(dòng)，T37定時(shí)器控制刷頭清洗時(shí)間。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間下框架吸盤解除真空狀態(tài)，下框架真空傳感器檢測(cè)到吸盤內(nèi)真空度為0bar時(shí)下框架腿部氣缸縮回。當(dāng)氣缸縮回到制定位置，下框架頭部接近傳感器發(fā)出信號(hào)使氣缸停止運(yùn)動(dòng)同時(shí)使平動(dòng)氣缸伸出，平動(dòng)氣缸伸出到指定位置時(shí)，平動(dòng)氣缸尾部的接近傳感器發(fā)出信號(hào)使平動(dòng)氣缸停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接通下框架真空發(fā)生器電磁閥。當(dāng)下框架壓力傳感器檢測(cè)到吸盤真空度為0.8bar是，接通下框架腿部氣缸伸出電磁閥。當(dāng)下框架腿部吸盤到達(dá)指定位置時(shí)，下框架尾部接近傳感器發(fā)出信號(hào)使下框架腿部氣缸停止伸出，同時(shí)接通上框架真空發(fā)生器截止電磁閥。當(dāng)上框架真空傳感器檢測(cè)到吸盤壓力為0bar時(shí)，上框架腿部氣缸縮回，當(dāng)上框架腿部氣缸縮回到指定位置時(shí)，上框架頭部接近傳感器發(fā)出信號(hào)使上框架腿部氣缸停止縮回同時(shí)使平動(dòng)氣缸縮回。當(dāng)平動(dòng)氣缸到達(dá)指定位置時(shí)，平動(dòng)氣缸頭部接近傳感器發(fā)出信號(hào)使平動(dòng)氣缸停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接通上框架真空發(fā)生器電磁閥。當(dāng)上框架壓力傳感器檢測(cè)到吸盤內(nèi)壓力達(dá)到0.8bar時(shí)，上框架腿部氣缸伸出。2、機(jī)器人在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具體分為6個(gè)步驟接通上框架真空截止電磁閥線圈使吸盤解除真空狀態(tài)，上框架真空傳感器檢測(cè)到吸盤內(nèi)真空度為0bar時(shí)上框架腿部氣缸縮回。當(dāng)上框架腿部氣缸縮回到指定位置時(shí)，上框架頭部接近傳感器發(fā)出信號(hào)使上框架腿部氣缸停止運(yùn)動(dòng)同時(shí)使氣動(dòng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)。通過定時(shí)器使氣動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)固定時(shí)間從而達(dá)到所需角度。當(dāng)定時(shí)器達(dá)到指定時(shí)間時(shí)，接通上框架真空發(fā)生器電磁閥當(dāng)上框架壓力傳感器檢測(cè)到吸盤內(nèi)壓力為0.8bar時(shí)上框架腿部氣缸伸出。上框架腿部氣缸伸出到指定位置時(shí)，上框架尾部接近傳感器發(fā)出信號(hào)使腿部氣缸停止運(yùn)動(dòng)。下框架吸盤解除真空狀態(tài)，當(dāng)下框架真空傳感器檢測(cè)到吸盤內(nèi)的真空度為0bar時(shí)下框架腿部氣缸縮回。當(dāng)下框架腿部氣缸縮回到指定位置時(shí)，下框架頭部接近傳感器發(fā)出信號(hào)使下框架腿部氣缸停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使氣動(dòng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)。圖6-2平移、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作順序功能圖梯形圖設(shè)計(jì)1、PLC編程基本原則（1）PLC中的繼電器線圈、TIM、CTU等內(nèi)部元件的觸點(diǎn)可被多次使用，故在本設(shè)計(jì)中控制清洗部件的TIM與控制轉(zhuǎn)向和自動(dòng)控制計(jì)數(shù)運(yùn)動(dòng)距離的CTU各只需一個(gè)，不需要浪費(fèi)PLC的接觸點(diǎn)線圈數(shù)量。（2）繪制梯形圖時(shí)必須從左側(cè)母線開始，到右側(cè)線圈結(jié)束。（3）右側(cè)線圈不可以直接與左側(cè)目前直接連接，在線圈與母線直接必須有開關(guān)觸點(diǎn)形成的邏輯關(guān)系。如需要常通線圈，可以使用PLC中的常閉觸點(diǎn)使PLC工作。（4）同一線圈在程序中多次輸出成為多線圈輸出。多線圈輸出易發(fā)生運(yùn)算錯(cuò)誤，在多線圈輸出時(shí)梯形圖上方的線圈輸出無效，梯形圖下方的線圈輸出生效。因多線圈輸出易發(fā)生錯(cuò)誤所以在PLC梯形圖編程時(shí)應(yīng)該盡量減少多線圈輸出。（5）梯形圖程序在運(yùn)行中是根據(jù)從左到右，從上到下執(zhí)行。在編程時(shí)必須按照順序控制的原則進(jìn)行編程。（6）梯形圖中串、并聯(lián)接觸點(diǎn)沒有次數(shù)限制，可以一個(gè)觸點(diǎn)可控制多個(gè)線圈反之多個(gè)觸點(diǎn)通過邏輯關(guān)系也可以控制一個(gè)線圈。2、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)根據(jù)平移、旋轉(zhuǎn)的順序功能圖畫出程序的梯形圖，如圖3-6所示。(a)(b)(c)(d)圖6-3平移、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作梯形圖本章小結(jié)本章首先列舉了P