《高楼外墙清洗机的设计》16000字（论文）

高楼外墙清洗机的设计目录TOC\o"1-2"\h\u9781摘要 14342第一章绪论 225491.1选题的背景与意义 2315231.2高层建筑外表面清洗技术分析 2151741.3高层建筑清洗机国内外发展状况分析 318672.1高楼外墙清洗机功能指标 5265272.2高楼外墙清洗机性能参数设计 6318482.3高楼外墙清洗机移动方式 6214892.4高楼外墙清洗机吸附方式 797552.5高楼外墙清洗机清洗功能 756312.6高楼外墙清洗机的控制功能 82842.8高楼外墙清洗机的驱动方案 814372.7高楼外墙清洗机的安全保障功能 910233.1高楼外墙清洗机本体结构 932883.2高楼外墙清洗机气动元件选择 10121014.1高层建筑外表面附着物的形成原因 16302794.2高楼外墙清洗机清洗装置总体设计 1699395.1可编程控制器的概述与发展 1948995.2清洗机控制系统PLC型号的选取 19266955.4机器人控制系统程序实现 217890参考文献 29摘要高楼外墙清洗机是一种具有特定功能的专用机器，其主要在高层或超高层建筑的外墙表面的清洁工作中使用。本次设计中通过对现有国内外高楼外墙清洗系统的分析设计了一种新型高楼外墙清洗系统。其主要包括放置在高层建筑顶部起固定作用的清洗机机械起吊系统，清洗机本体，机械起吊系统和清洗机工作过程中的控制检测系统。机械起吊系统在工作过程中提供牵引拉力，清洗机本体的供电以及清洗所需的水源，清洗机本体负责清洁，通过地面的监控装置对清洗机的工作状态和工作模式进行监测和控制。清洗机在工作过程中通过放置在高层建筑顶部的机械起吊系统的拉力下，通过放置在清洗机底部的两个吸盘交替工作，从而使清洗机能够在工作过程中自由调剂本体的受力和运动情况。通过机械起吊系统和清洗机本体底部洗盘的共同作用，从而实现清洗机本体的全方位运动。并且在一些监测和控制设备的共同作用下，完成修高楼外墙的清洗工作。降低了工人的劳动强度，提高了效率，提高了清洗洁净度。关键词：清洗方式；PLC控制；机构设计；清洗机第一章绪论1.1选题的背景与意义随着社会经济的不断能发展和科学技术的不断进步，机器人技术在人们的日常生产生活等相关领域已经得到了较大规模的应用，其不仅在工业制造生产部门，航空航天场景，深海探索研究等特殊环境中得到了广泛应用；另外，机器人在教育场景，日常生活等方面的应用规模也逐渐扩大。从而将人们从传统的繁重单调，危害身体健康的工作中解放了出来。根据机器人工作的环境不同，我国通常将机器人分为特种类型和工业类型两种，特种类型机器人是指在非制造业领域得到广泛应用的机器人，其主要包括娱乐型、农业生产型、服务型等多种类型，工业类型机器人主要指应用于工业生产领域的非单一自由度和关节机械手的机器人。近年来，特种类型机器人发展迅速，在军事、医疗、教育和家庭清洁等领域已经得到较大规模的应用。近年来随着我国的城市化进程速度越来越快，土地的使用面积越来越大，为了节省和提高土地资源的利用效率，高层甚至超高层建筑不断出现。为了追求建筑物外表面与城市氛围的和谐与美观，建筑外墙广泛采用瓷砖或玻璃对外表面进行装饰。但建筑外墙长期暴露在空气中，在大气污染物和雨水的共同作用下，建筑外墙往往会变得暗淡无光，影响美观，因此需要定期对建筑物外墙进行清洁工作。传统的清洁方法中，对于较低层的建筑多采用搭建脚手架进行人工清洁，而高层建筑则多采用高空垂吊工人进行清洁的方式。传统的清洁方法虽然方便，但其受天气影响较大，工作效率低，危险系数高。作为特种类型机器人重要组成部分的清洁用机器人在多种场景下的应用越来越受人们的认可，但在高层建筑外表面的清洁方面的应用还较少。因此，人们希望通过高层建筑清洗机器来代替传统的人工清洁等工作，从而达到高层建筑清洁事故发生率，提高建筑外墙表面清洁质量和效率的目的。1.2高层建筑外表面清洗技术分析目前，在对高层建筑外墙表面的清洗方面主要分为人工清洁和机器清洁两种方式。人工清洁即通过在建筑物顶部设置卷扬机等设备将清洁工人直接垂钓于半空中，然后通过传统的刷具，刮板等工具对墙面进行清洁，人工清洁虽然可忽略建筑外观的影响，但其劳动危险性和对工人的技能熟练度要求都较高，工作效率低，难以应对较大面积表面的清洗；经过对传统人工清洁方式缺点的分析，通过在建筑物顶层安装升降平台、吊篮系统与人工配合的清洁方法对高层建筑外墙表面进行清洁，虽然在一定程度上提高了工人工作的安全性和工作效率，但其本质上仍属于传统的人工清洁方式，其仍存在工作危险性高，工作强度大，清洁工作质量难以保证等缺点。通过机器对高层建筑外表面进行清洁工作是社会发展的必然之需，各个国家已经开始了对高层建筑墙壁清洁机器人的研制工作。现在的墙壁清洁机器人多采用磁力吸附、风压吸附和负压吸附的方法使其固定在工作表面，因为磁吸式对建筑外表面的材料有特殊要求，因此在常规使用中应用较少；风压吸附主要通过在清洗机本体上安装一个高速旋转的风翅，通过风翅的快速旋转给清洗机一个推力，使清洗机能够紧贴工作表面，风压吸附具有结构简单，适用于大部分工作场景，但其工作时具有不容易控制其推力大小，效率低，噪声较大等缺点；负压吸附式是通过采用真空吸附的方式使清洗机本体吸附于工作表面，因此其对吸附机构真空度的要求较高，并且由于在清洗机移动时，其吸附机构与墙壁易发生摩擦导致吸盘破损，且当墙壁表面出现裂缝或沟槽时都会对吸附功能造成影响，因此其主要适用于建筑表面光洁平整且无突起的建筑的清洁。1.3高层建筑清洗机国内外发展状况分析1.3.1国外研究状况目前，在对高层建筑外墙清洁方面国外多采用高压水射流技术进行，因高压水射流通过加压设备使水流高速射出，给附着在外墙表面的污渍一定的压力，从而使污渍与墙壁表面脱离，达到清除污渍的目的，因此其具有经济适应性性良好，结构简单，清洗效率高等特点。当前在高压水射流技术方面西方工业国家已经取得了许多技术成就，形成了完善的高压水射流清洁设备的生产产业链，尤其是美国、日本等国家，因其在工业化水射流技术方面的研发较早，经过长时间的技术发展与积累，高压水射流清洗设备经过过次迭代升级，率先实现了通过将高压水射流设备与直升机相结合从而对高层建筑外墙进行清洗的方法，并得到了较大规模的应用。日本作为世界上较早将机器人技术应用于建筑外外墙清洗的国家，其在壁面移动机器人领域进行了许多研究。日本东京工业大学设计制造一种依靠磁吸式进行墙壁表面移动和清洗功能的机器人，其清洗机本体采用安装在其底面的圆形构造的磁体来实现对墙壁的吸附，并且在磁体的一侧装备能够使磁体与墙壁表面存在一定夹角的滚轮以达到降低磁体在清洗机运动过程中与墙壁表面的摩擦，延长磁体的使用寿命。德国Fraunhofer公司设计实现了一种新型壁面清洗机器人，如图1-1所示，其主要由清洗机本体和承载清洗机的四边形金属框架组成，金属框架上装有滚动轮可以使清洗机本体实现左右方向的移动，清洗机的上下系统则通过装有通过伺服电机控制的装有负压吸盘的四个独立运行的攀爬模块进行上下移动，金属框架的使用不仅增加了清洗机的运动范围，还提高了清洗机在工作过程中的安全性。美国国际机器人公司自行设计制造了主要面型超高承建筑外表面清洁工作的“skywasher”清洁机器人，其清洗机本体安装在两个可以相互运动的金属矩形框架上，两组矩形框架底部均装有负压吸盘，通过两个金属矩形框架交替吸附于墙壁外表面从而实现清洗机的上下左右运动，并且由于金属框架与吸盘间存在一定的距离，因此其具有一定的越障能力，能够适应更多的工作表面。图1-1Fraunhofer清洁机器人图1-2skywasher清洁机器人1.3.2国内研究状况我国在机器人研究方面起步较晚，但近年来随着经济的发展我国机器人领域的研究发展迅速。尤其是近年来随着国内高层建筑的不断出现，高层建筑外墙表面清洁机器人开始出现。哈尔滨工业大学作为国内最早进行机器人研究的单位之一，通过采用抽气以产生负压的吸附装置，其成功研制了一种通过双驱动轮进行全方位移动的墙壁外表面清洁机器人，并在此基础上进行改进，制作了CLE-=2\*ROMANII型墙壁外表面清洁机器人，提高了清洗机的清洗效率和适应范围。北京航空航天大学设计制造了一种适用于玻璃墙壁清洁的真空吸附式清洁机器人，其在清洗机底部设计了一种多足吸附装置，增加了对多形状墙壁表面的适应能力，并且因其移动机构采用的是气动驱动方式进行，导致移动速度与电机驱动相比较低，并且结构复杂，生产经济成本较高。上海大学设计制造了一种清洗机本体为球形的墙壁外表面攀爬机器人和玻璃墙壁表面清洁机器人。球形墙壁外表面攀爬机器人本体上安装的负压式吸盘交替吸附于墙壁外表面进行移动，因其采用六足的移动方式，因此其具有良好的跨越障碍的能力，能够通过墙壁表面上的金属横栏，提高了墙壁外表面清洁机器人的适用范围。玻璃墙壁表面清洁机器人则采用框架式结构，通过安装在框架上的吸盘吸附于墙壁外表面，通过电机对清洗机本体进行驱动，从而在运动过程中完成清洗工作。第2章高楼外墙清洗机系统方案设计2.1高楼外墙清洗机功能指标2.1.1移动方式综合考虑高楼外墙清洗机的工作环境，设计一种能够使清洗机本体在工作表面能够稳定运行的移动机构。设计的移动机构在使清洗机本体灵活移动的基础上，还应使其具有一定的跨越障碍的能力，如墙壁外边面上的凸起等。2.1.2吸附方式由于高层建筑外表面的材料不尽相同，面对不同的墙壁外表面环境，需要为清洗机设计一种满足其正常运行所需要的吸附方式，所选用的吸附方式不仅要使清洗机能够稳定的停靠在墙壁外表面，还应帮助清洗机进行一些运动功能。2.1.3清洗功能建筑外表面上的杂质附着物的种类不同，其所需要的清洗方法也不相同，设计一种安全高效的建筑外表面杂质清洗机构，不仅能够满足绝大多数种类杂质的清洁，还能在清洗过程中尽可能减少对建筑外表面的破坏，提高清洗的工作效率。2.1.5控制功能控制系统作为高楼外墙清洗机的核心组成部分，清洗机各部分正常运行的前提就是控制系统设计的合理性。与传统的人工电气控制系统相比，高楼外墙清洗机的控制系统应该具有高性价比、低延迟和高安全性等特点。在清洗机工作过程中将所需处理的信息传递到中央控制器（CPU）中，然后由CPU对相关信息进行处理从而控制清洗机各部分进行相关动作。2.1.4安全保障功能由于高楼外墙清洗机特殊的工作地点和工作方式都决定了清洗机在工作时需要具有一定的安全保障功能，避免一些意外情况的发生。2.2高楼外墙清洗机性能参数设计（1）清洗机移动速度：0～2m/min（2）清洗机吸附方式：负压吸附（3）清洗机最大负载：15Kg（4）清洗机最大清洁高度：100m2.3高楼外墙清洗机移动方式移动功能作为高楼外墙清洗机的基本功能，它是清洗机在工作表面完成各种动作的基础。根据高楼外墙清洗机工作模式和工作表面材质的不同，常用的移动方式为履带移动式、轮移动式、框架结构移动式、轨道移动式。各移动方式优缺点对比见表2-1。表2-1各移动方式优缺点对比移动方式优点缺点履带移动式与工作表面接触面积大，负载能力强履带结构复杂，容易磨损，不易转向轮移动式移动灵活，工作适应性好，容易控制，速度快与工作表面接触面积小，不易跨越障碍物框架结构移动式容易实现控制，负载能力强，工作适应性高移动速度较慢，不易实现连续运动轨道移动式负载能力强，移动速度快经济适用性低，不能随意转向通过对以上四种移动方式的分析比较，分别对高楼外墙清洗机的工作环境、经济适用性、负载能力等设计目标进行分析，为了在提高清洗机承载能力的同时降低其本体的质量，本次设计中采用框架结构移动式。2.4高楼外墙清洗机吸附方式由于高楼外墙清洗机是在垂直于高层建筑外表面上进行清洁和移动，因此首先要解决的问题就是让清洗机本体能够安全稳定的吸附于墙壁外表面上。目前，常用的吸附方式主要有磁力吸附、风压吸附和负压吸附三种。磁力吸附是通过安装在清洗机本体上的强磁材料与特殊导磁材料制造的墙壁之间的作用力实现清洗机本体吸附于墙壁外表面。按照实现磁吸原理的不同，将其分为电磁式和永磁式，电磁式通过接通与断开与电源的连结实现清洗机与墙壁外表面的吸附与脱离。磁力吸附的吸附力较大，对吸附表面凹凸适应性较强，但其对壁面的材料要求特殊，普通建筑材料不能进行磁力吸附，因此适用性较差。负压吸附是通过真空发生装置产生真空，使吸盘内部产生负压从而使清洗机吸附于工作表面上，通过控制系统控制真空发生装置的动作从而实现清洗机在墙壁外表面的吸附于断开。负压吸附不受墙壁材料的限制，适用于多种墙壁材料，但其对墙壁表面的平整度要求较高，当墙壁出现裂缝或凹凸不平时，负压吸盘的吸附能力就会降低，从而降低清洗机的承载能力。风压吸附作为一种新出现的吸附方式，与传统的磁力吸附、负压吸附等方式相比，其主要通过安装在本体上的螺旋桨高速旋转产生的推力将清洗机本体推向工作表面上。吸附方式的优缺点如表2-2所示。表2-2三种吸附方式的优缺点比较吸附方式优点缺点磁力吸附欺负能力较强，负载较大，便于控制，具有一定的越障能力只能应用于导磁的平面，适用范围小负压吸附移动方便，具有一定的越障能力，控制方便对工作表面的平整度要求较高，结构复杂风压吸附适用于多种材料的工作表面体积大，负载能力弱，工作时噪音较大综合考虑机器人系统的作业环境和性质，选用多吸盘真空吸附，主要原因如下：目前高层建筑外表面材料均为建筑玻璃，因此不适合采用磁力吸附式；而由于风压吸附式工作时的噪音较大且不易控制推力大小，因此也不适合采用风压吸附式；考虑到本次设计中采用移动方式为框架结构移动式，因此采用负压吸附式。2.5高楼外墙清洗机清洗功能清洗功能作为高楼外墙清洗机的核心功能，不同的清洗方案对清洗结果和清洗效率的影响也不一样，根据清洗原理的不同，常见的清洗方式主要分为物理和化学两种。物理清洗即采用物理的方法对墙壁外表面的污染附着物进行清洁，包括高压水射流清洗，机械清洁、超声波清洗和激光清洗等方法。高压水射流清洗是将清水经加压后高速喷出从而对壁面上的污染附着物进行清洁；机械清洁主要是通过使用刮板，毛刷等设备对壁面上的污染附着物进行清洁；超声波清洗主要是指将流体经超声波发生器后作用与壁面上的污染附着物，使污染附着物分解掉落从而达到清洁的目的；激光清洗是通过采用特定波长的激光发生器发出激光束对壁面上的污染附着物进行照射，壁面上的污染附着物受到激光束照射后与墙壁剥落或自接蒸发消散，从而达到清洁的目的。化学清洗法即采用化学药剂的方法喷洒在墙壁表面的污染附着物上，化学药剂与污染物发生化学反应，从而使污染物自行从墙壁表面剥落脱离，从而实现对墙壁外表面的清洁。2.6高楼外墙清洗机的控制功能通过对本次设计中的高楼外墙清洗机的工作环境、结构特性、控制系统、运动规划等部分进行综合分析，本次设计中选用可编程控制器（PLC）作为高楼外墙清洗机的控制系统。与传统的电气控制系统相比，PLC控制系统的控制精度、执行效率、可靠性、结构紧凑性和扩展能力都较强，能够完成传统电气控制系统不易完成的控制步骤并且安装方便，可维护性高。高楼外墙清洗机的控制系统首先要保证的就是清洗机在工作表面上的运动功能，这是清洗机能否在工作表面上及逆行清洁工作的基础，控制系统通过对来自安装在气缸端面的接近开关等传感器的数据进行搜集，分析和处理，从而对相应的元器件进行控制。2.8高楼外墙清洗机的驱动方案根据清洗机所处的工作环境不同所选取的驱动方案也不用，目前市面上常见的驱动方式包括液压驱动、气压驱动、电气驱动等多种驱动方式，在清洗机的设计过程中必须根据清洗机的工作模式和所处的工作环境来选着适合适合的驱动方式。本次设计中高楼外墙清洗机的工作地点是垂直于墙壁表面的半空中，若要采用液压驱动作为清洗机的驱动方式，则需要通过管道不断的向清洗机输送液压液，这极大的增加了清洗机在工作壁面移动的困难度，并且在清洗机完成一个动作后还需对液压液进行回收，这也在一定程度上影响了清洗机的吸附安全性，而气压传动则是通过采用空气作为传动介质，避免了液压传动需要专用管道对液压液的输送，可以直接从工作环境中获取，在降低清洗机自重的同时也提高了清洗机的运动平稳性。2.7高楼外墙清洗机的安全保障功能由于高楼外墙清洗机的工作地点通常是在半空中，因此为了避免清洗机在工作过程中因吸附功能发生故障造成的清洗坠落事故的发生，需要在楼顶安装安全保障系统。楼顶安全保障系统由支架、电源、卷扬机、吊索，空气压缩机等部件组成，主要为清洗机的正常工作提供电源、清洗液、清洗用水和安全保障等功能，从而保证清洗机的正常工作。第3章高楼外墙清洗机本体设计高楼外墙清洗机本体以爬壁系统为主要承载部件，采用电力驱动模式，通过负压吸附的方法使清洗机本体能够吸附于工作表面并进行一定的移动，在清洗机本体移动的过程中通过安装在框架上的清洗装置对附着在墙壁外表面上的污染物及逆行清洗工作。爬壁系统作为高楼外墙清洗机在墙壁外表面进行移动和吸附功能的核心，在设计过程中不仅要尽可能降低其本身的质量，还要使其具有一定的承载能力和跨越障碍物的能力。3.1高楼外墙清洗机本体结构本次设计中的高楼外墙清洗机本体由X方向和Y方向的两个气缸呈十字架形状组成。气缸不仅是高楼外墙清洗机驱动系统的主要组成部分，还是构成了清洗机本体的主要承载结构，两个气缸相互垂直安装于清洗机各原件安装板的下方，通过安装板将两个气缸连结为同一个整体。在X方向和Y方向气缸的顶部端面各安装一个可放置相关元件的安装面板，然后将其分别与负压吸盘的安装面板相连结。同时为在降低清洗机整体质量的前提下提高整体自动化程度，将清洗装置直接安装在X方向气缸的下方，在X方向移动过程中带动清洗装置直接对工作表面进行清洗。清洗机的移动系统由X方向和Y方向两个无杆气缸组成，搭配安装在气缸上的负压吸附装置，通过控制负压吸附装置的开启与断开，可以方便的实现清洗机在工作表面上下左右四个方向的移动，通过控制X方向气缸的运动带动清洗装置运动，从而在清洗机的移动过程中即可完成对工作表面大的清洗。3.2高楼外墙清洗机气动元件选择3.2.1负压吸盘的选择高楼外墙清洗机在工作过程可能会因为清洗机吸附系统吸附压力不够或者外界环境的影响从而导致清洗机从工作表面滑落事故的发生，因此设计过程中就需对清洗机的吸附能力能力进行校核。清洗机吸附系统由四个吸盘组十六个吸盘复合而成，通过气缸组成的十字架结构配合吸盘组的交替吸附从而实现了清洗机在墙壁外表面上的移动功能。对高楼外墙清洗机的本体结构和移动方式进行分析，在清洗机移动过程中，由于只有两组吸盘处于吸附状态，此时的吸附力最小，清洗机处于最易发生滑落的状态，因此需要对此时的清洗机进行力学分析。为简化分析过程，本次设计中的负压吸盘所产生的吸附力和墙壁外表面给清洗机的反作用力均视为垂直于墙壁表面，并且每个负压吸盘的吸附力都视为等值的。FpiFni：墙壁外表面对负压吸盘组所产生的反作用力；Ff：负压吸盘组在吸附过程中所产生的摩檫力；G：清洗机所受的重力；η：负压吸盘与墙壁外表面的动摩擦系数。为使清洗机在工作过程中负压吸盘组能够稳定的吸附在墙壁外表面而不产生滑落故障，即清洗机所受的重力G必须小于清洗机的最大静摩檫力，所以清洗机在工作过程中部产生滑动现象必须满足：Ff=通过对高楼外墙清洗机在墙壁外表面上的各个受力进行分析，可得出清洗机的受力平衡式：i=1i=1假设高楼外墙清洗机的每个吸盘组所提供的吸附力大小相等，即Fp1=Fp2=Fp3=Fp4=联合以上各式即可得出防止清洗机出现滑落故障的条件：G负压吸盘组的排列方式对吸盘组的吸附性能具有直接影响，目前常见的吸盘排列方式有直线型、环形、三角形和四边形等多种排列方式。通过对清洗机工作安全性和移动速度等方面进行分析，本次设计中选择四边形的吸盘排列方式。负压吸盘直径的大小也是影响吸附能力的重要因素，负压吸盘的直径D可由公式：nπ公式中各字符的含义：n为吸盘数量，p为负压吸盘真空度，W为清洗机总的负载重力，t为安全系数。本次设计中，n为16，p为0.07，W为147，t为8，经计算可得D≥47.21。由以上数据可知，可选直径为50的负压吸盘。综合以上参数，本次设计中选择Festo公式生产的ESG-50-Eu-HA-G型号负压吸盘。负压吸盘三维图见图3-1，规格参数见表3-1。表3-1负压吸盘规格参数最小工件直径160mm吸盘直径50mm吸盘容积51.61cm3有效的吸盘直径62.7mm设计结构圆形加深工作介质压缩空气耐腐等级CRC1环境温度-30C-200C70%真空时的起步阻力275N肖氏硬度605与吸盘支架间的关系尺寸5颜色黑色真空接口M101.5吸盘安装件M101.5安装螺纹M101.5吸盘材料聚氨酯3.2.2驱动气缸的选择驱动气缸作为组成高楼外墙清洗机主要框架结构的重要元器件，驱动气缸的选择直接决定了清洗机的运行效率。目前常用的气缸类型分为活塞杆气缸和无杆气缸两种，活塞杆气缸经济适用性好，容易安装和操作，广泛应用于推拉、加紧等场景中，但因为活塞杆长期进行伸出和收缩运动极易造成活塞杆磨损的发生，从而导致活塞运动精度降低。与活塞杆气缸相比，无杆气缸工作时所需的空间小，自身质量小，运行平稳，可维护性强、运动和停止性能强并且能够承受高直接负载。综合以上因素，本次设计中的驱动气缸采用Festo公司生产制造的DGPL-32-600-PPV-A-GF-B型无杆气缸。驱动气缸三维图见图3-2，规格参数见表3-2。图3-2DGPL-32-600-PPV-A-GF-B型无杆气缸表3-2DGPL-32-600-PPV-A-GF-B型无杆气缸规格参数缸径32mm动作型式双作用行程600mm保证耐压1.2MPa最高使用压力0.8MPa最低使用压力0.1MPa活塞速度1m/s缓冲型式可调式气缓冲接近开关SME8缓冲长度20mm工作介质过滤压缩空气接口尺寸G1/8轴承类型滑动式温度范围-10C-60C耐腐等级CRC2 装配位置任意6bar时理论作用力483N移动质量840g0mm行程移动质量840g0mm行程基本质量2390g3.2.2真空发生器的选择真空发生器作为一种高效经济的小型真空元器件，其主要工作模式是通过安装在真空发生器内部的电池阀对供气动作进行控制，通过给电磁阀发送电信号，使压缩空气顺利进入真空发生器中从而产生负压，停止发送电信号，电磁阀断开，负压消失。真空发生器的使用场景十分广泛，在医疗设备制造、包装机械、汽车生产制造、食品加工等领域已得到广泛应用。本次设计中，根据清洗机的运动特点选用Festo公司生产制造的VADMI-95-N型真空发生器。真空发生器三维图见图3-3，规格参数见表3-3。图3-3VADMI-95-N型真空发生器表3-3ADMI-95-N型真空发生器规格参数结构特点块状结构工作介质润滑或未润滑的压缩空气安装位置任意喷射器特性高真空型安装方式通过壳体上的通孔最大真空度80%工作压力1.5bar-10bar环境温度-20C-80C真空接口螺纹G1/8带螺纹气接口G1/8耐腐等级CRC2材料说明不含铜和聚四氟乙烯3.2.3吸盘组提升气缸的选择高楼外墙清洗机吸盘组的抬起和落下主要由安装在负压吸盘组安装面板上的提升气缸进行控制。本次设计中选用Festo公司生产制造的ADVC-12-5-A-P型号的短行程气缸作为提升气缸，其具有体积小，安装方便，动作灵敏等特点。ADVC-12-5-A-P型号短行程气缸三维视图见图3-4，规格参数见表3-4。图3-4短行程气缸三维视图表3-4提升气缸规格参数活塞直径12mm设计结构活塞活塞杆行程5mm缓冲型式两端带弹性缓冲工作介质过滤压缩空气气动连接M56bar时理论作用力61N温度范围-20C-80C耐腐等级CRC1装配位置任意动作型式双作用移动质量6.6g安装类型带通孔产品质量34g为本次设计中采用气动架构作为清洗机的框架结构，因此气动原件选取的不同就会导致清洗机移动效率的不同。本次设计中采用Festo公司生产制造的无杆气缸作为主要气动原件。Festo作为世界上生产气动元件的著名厂家，其设计制造的产品不仅性能好，而且能够进行模块化组合，辅以Festo公司为其产品所适配的开发软件，可以使顾客能够按照自己的实际需要快速的配置相关气动元件。本次设计中高楼外墙清洗机所使用的气动元件都为Festo公司的产品。采用气动元件如表3-5所示。表3-5清洗机气动元器件列表序号名称型号数量1真空发生器VADMI-95-N22真空吸盘ESG-80-Eu-HA-G163Z向吸盘提升气缸ADVC-12-5-A-P44X、Y驱动气缸DGPL-32-600-PPV-A-GF-B25电磁阀CPE14-M1BH-5J-1/846单向节流阀GRLA-1/8-QS-6-D87分气块FR-8-G1/8-428分气块QSLV2-G1/8-429管接头QS-3/8-6210QS-1/8-44411真空安全阀ISV-1/8812气管PLN-6X1-NTT50m第4章高楼外墙清洗机清洗系统设计清洗系统作为高楼外墙清洗机进行清洗工作的具体执行部分，是清洗机的设计过程中的重要一环。高楼外墙清洗机的爬壁系统本质上只是高楼外墙清洗机清洗装置的承载装置，在实现清洗机在墙壁外表面上的移动功能后，就需要考虑清洗机清洗装置的清洁质量和清洁效率。本次设计的主要目标为设计出一种适应高层建筑外表面工作环境的清洁机器人，通过在清洗机本体上安装设计好的清洗装置，从而代替人工对附着在墙壁外表面的杂质进行清洗。4.1高层建筑外表面附着物的形成原因建筑物外墙表面暴露大气中的污染物、雨水和太阳直射等各种环境中，其表面极易受到破坏。长时间的太阳直射造成墙体外表面材料的老化的主要原因，长时间的太阳照射会使墙壁材料失去原有的抗腐蚀能力，极易受到大气中污染物的侵袭，轻则使建筑物外表面失去光泽，严重的甚至会使墙体表面形成裂纹。其次是风雨对建筑表面造成的侵袭，随着今年来高层建筑的不断出现，高层建筑受风雨侵蚀的影响也越来越大，风雨中夹杂着尘土和一些化学污染物，使墙体表面的材料受到损坏，尤其近年来年随着工业化进程的不断出现，大气污染物二氧化碳，二氧化硫等排放逐年递增，混合雨后形成酸雨对建筑物便面造成腐蚀。建筑外表面遭到腐蚀后对建筑物的外观造成极大的影响，因此近年来高层建筑外表面的清洁变得越来越重要。为了降低人工清洁的危险性，提高清洁效率，必须设计出一种高效并且低风险的清洗方式。4.2高楼外墙清洗机清洗装置总体设计为了实现清洗装置的自动化运行，清洗装置的设计必须符合自动化的设计。在具体设计清洗装置之前，要对清洗效率、清洗效果、清洗装置结构设计难易程度等多方面进行考虑。目前，常用的清洗作业方式主要分为冲洗和刷洗两种，本次设计中，为了提高清洗装置的清洁效率，选择冲洗和刷洗相结合的方式对建筑外表面进行清洁作业。首先，采用高压水射流对墙壁外表面进行第一次清洁，目的是除去附着在外表面的灰尘等较小杂质；高压水射流冲洗后采用刷盘与清洗剂对墙壁外表面进行精细清洁，目的是除去附着力较强的较大体积的杂质。整个清洗装置的设计主要由喷淋系统、洗刷系统等部分组成。在清洗前首先对墙壁外边面污染物的主要类型进行分析，面对不同类型的污染物和污染等级选择不同的清洗剂完成清洁作业。4.2.1喷淋系统的设计通过对墙壁外表面污染附着物的形成原因及逆行分析，单独的水流冲洗或刷洗都不能有效的对污染附着物进行清洁，因此需要采用复合的清洗方法对墙壁污染附着物进行清洗。经研究发现，传统人工清洁的方法与机器清洁的方法是不相同的，人工清洁可以多次对同一污染附着物及逆行清洁，针对性更强；而机器清洗的方法属于自动化清洁，其清洗过程是在清洗机运动过程中自主完成的，具有一次性的特点，因此当面对的污染附着物成分较复杂时，单独一种清洁方式往往不能达到理想的清洗结果，故高楼外墙清洗机采用两步清洗法进行清洗，先采用高压水射流对附着度较低的污染物进行清洗，然后采用清洗刷与清洗剂相配合的方法对顽固的污染附着物进行深度清洁。4.2.2清洗刷的设计高楼外墙清洗机的主要功能是对建筑物外墙上的污染附着物进行清洁，清洁工作主要通过安装在清洗机本体下部的清洁装置进行，清洁装置的设计是否符合清洁工作的需要直接影响着清洗机的清洁效率和清洁效果。目前在高楼外墙清洗机上常用的清洁装置分为刮板清洁式和圆盘旋转清洁式，刮板清洁式通过刮板的往复运动对工作表面进行清洁，因刮板是一个具有直角的工作部件，所以其能对工作表面的边角部分进行有效的清洁；圆盘旋转清洁式是通过一个圆盘状的清洗刷高速旋转来对工作表面进行清洁，圆盘旋转清洁式的效率较高，但受其形状制约，不能很好的对工作表面的边角部分进行清洁。为了提高楼外墙清洗机的自动化层度，降低控制难度和清洗机本体的质量，本次设计中通过将清洗刷安装在X方向的气缸的两端，在X方向气缸运动过程中即可跟随气缸的运动自动完成对污染附着物的清洗。图4-1清洗刷连结件的设计图4-2清洗刷刷毛固定件图4-2清洗刷刷毛固定件第5章高楼外墙清洗机控制系统设计控制系统作为高楼外墙清洗机的控制核心部件，是整个清洗系统的控制中心，控制系统设计的完善与否关乎着清洗机工作的稳定程度。在控制系统设计之初就要考虑清洗机控制系统的可靠性与可维护性。5.1可编程控制器的概述与发展可编程控制器（PLC）又称为可编程逻辑控制器，是因为其最主要是通过对开关量进行逻辑控制从而达到控制相关元器件动作的目的。可编程控制器以计算机技术的发展为基础，与传统的电气控制相比，PLC具有体积小，控制性能强，可维护性能强、可编程并且适用于多种工作场合等特点，因此PLC在工业控制领域方面应用广泛。PLC的本质就是一种专门面向工业领域的控制用微型计算机，其组成结构与传统计算机相类似。PLC的发明本就是为使用工业工作环境所制造的，因此其具有很强的工作环境适应性，能够抵挡一定程度的干扰，并且操作简单，代替了传统的继电器控制方式，极大的提高了控制系统的执行效率。5.2清洗机控制系统PLC型号的选取PLC作为高楼外墙清洗机控制系统的核心，其输入量为相关按钮和接近开关的开关量，输出量为相应的电磁线圈。本次设计中采用真空度压力传感器作为检测负压吸盘真空度正常压力范围的检测装置，安装在X方向和Y方向气缸端部的传感器在清洗控制系统也起接近开关的作用。开关量的多少决定了PLC的输入输出点数的分配，本次设计中需要采用的输出点数为12位，输入点数位18位。因受清洗机工作环境和体积的限制，本次设计中选择日本三菱公司设计生产FX2N-48MR小型PLC。该型号PLC包括扩展模块、编程器、存储器、特殊功能模块、输入输出设备和中央处理器等模块组成。FX2N-48MR型号的PLC基本组成如图5-2：图5-2PLC组成示意图5.3.2控制系统的主要任务高楼外墙清洗机控制系统需要保证清洗机本体在控制系统的控制下完成上下左右四个方向的基本运动，通过这四个方向运动的相互组合就可完成在墙壁外表面上的各种运动。高楼外墙清洗机驱动系统原理图如5-3所示。图5-3驱动系统原理图为了实现清洗机在高层建筑墙壁外表面上的运动目标，PLC首先要将各个传感器采集到的信息进行整合分析，然后按照相关程序及控制方法来控制相关元器件的动作，从而实现清洗机运动清洗的目的。高楼外墙清洗机元器件列表如表5-1所示。表5-1高楼外墙清洗机元器件列表名称编号数量横向执行元件X横向驱动气缸X1X真空吸盘提升气缸A，B2真空吸盘V1-V88PLC输出控制元件真空供给阀Z11（共1点）真空破坏阀Z21（共1点）电磁阀Z3，Z42（共4点）PLC输入传感器X气缸接近开关XN0-XN12（共2点）吸盘提升气缸行程开关A0-A1，B0-B14（共4点）真空压力开关S11（共1点）纵向执行元件Y横向驱动气缸Y1Y真空吸盘提升气缸C，D2真空吸盘V9-V168PLC输出控制元件真空供给阀Z51（共1点）真空破坏阀Z61（共1点）电磁阀Z7，Z82（共4点）PLC输入传感器Y气缸接近开关YN0-YN12（共2点）吸盘提升气缸行程开关C0-C1，D0-D14（共4点）真空压力开关S21（共1点）高楼外墙清洗机上下左右四个方向移动动作的完成，是通过负压吸盘的吸附与断开、气缸的来回运动等来实现的，而这些元器件的动作则是通过PLC控制相应电磁阀的开关来完成的。在清洗机工作过程中通过接近开关来检测气缸是否移动到目标位置，通过真空压力传感器来对负压吸盘的吸附能力进行监测。5.4机器人控制系统程序实现5.4.1PLC软件系统程序结构硬件系统作为整个控制系统顺利运行的现实基础，但单纯的硬件系统并不能使控制系统顺利运行，为使控制系统运行起来，还需将软件系统与硬件系统相互搭配才能完成对各个组成部分的精确控制，从而提高整个系统的运行效率和运行稳定性。本次设计中的高楼外墙清洗机的控制系统通过采用模块化设计的原则，不同的系统部分相互区别又相互联系，极大的扩展了清洗机的可扩展性。清洗机控制系统软件结构如图5-5所示：图5-5控制系统软件结构5.4.2PLC接口信号的定义系统中控制命令信息、传感器信息以及控制输出信息等需要首先连接到PLC控制系统中，并分配相应的输入输出逻辑映射继电器标志。表5-2输入地址分配表（共16点）输入端子号输入信号说明X0无PLC启动按扭X1无PLC停止按扭X2X0X向无杆气缸左移X3X1X向无杆气缸右移X4A0X向吸盘提升气缸伸出X5B0X6A1X向吸盘提升气缸缩回X7B1X8C0Y向吸盘提升气缸伸出X9D0X10C1Y向吸盘提升气缸缩回X11D1X12Y0Y向无杆气缸下移X13Y1Y向无杆气缸上移X14S1X向吸盘真空压力开关X15S2Y向吸盘真空压力开关表5-3输出地址分配表（共12点）输出端子号执行元件说明YO1DT控制X向气缸换向的电磁阀Y12DTY23DT控制X向吸盘提升气缸换向的电磁阀Y34DTY45DT控制Y向吸盘提升气缸换向的电磁阀Y56DTY67DT控制Y向气缸换向的电磁阀Y78DTY89DT破坏X向吸盘的真空的电磁阀Y910DT产生X向吸盘的真空的电磁阀Y1011DT破坏Y向吸盘的真空的电磁阀Y1112DT产生Y向吸盘的真空的电磁阀5.4.3初始化程序初始化程序可以使清洗机在正式开始工作前使其处于静止状态，即X方向与Y方向的气缸处于中间未运动状态，而X方向与Y方向的提升气缸则处于工作状态，通过真空发生器为安装在气缸顶部的负压吸盘提供负压，使清洗机能够稳定的停止与工作表面上。系统初始化动作如表5-4所示。表5-4系统的初始化动作序号动作动作完成信号1X气缸向左X1X气缸向右XN02Y气缸向上YN0Y气缸向下Y13横向吸盘提升气缸缩回A0，BO横向吸盘提升气缸伸出A1，B14纵向吸盘提升气缸缩回C0，D0纵向吸盘提升气缸伸出C1，D15横向吸盘提供真空S1纵向吸盘提供真空S25.4.4四个基本动作的程序实现由于本次设计中的清洗机本体是一个对称的十字架结构，因此清洗机完成上下左右四个运动动作具有一定的对称性。对每个方向运动的动作进行分析，则可将每个方向的动作分为气缸处于极限位置两端这两种状态。（1）向左运动动作分析首先对X方向气缸的运动状态进行分析，此时X方向气缸的运动状态不影响Y方向气缸的运动状态。由于X方向气缸只能进行左右方向的运动，因此当X方向气缸开始向左运动时，X方向的气缸分为左极限位置X0和右极限位置X1。其动作序列如表5-5：表5-5向左运动的动作序列（X0）序号动作说明控制说明动作结束标志1横向吸盘释放真空通过定时器T0T02横向吸盘提升气缸缩回A0，B03横向驱动气缸X向左运动XN14横向吸盘提升气缸伸出A1，B15横向吸盘提供真空S16纵向吸盘释放真空通过定时器T1T17纵向吸盘提升气缸缩回C0，DO8横向气缸滑块向左运动XN09纵向吸盘提升气缸伸出C1，D110纵向吸盘提供真空S2通过对表5-5中的动作序列进行分析可得，序列三和序列八是高楼外墙清洗机在墙壁外表面移动的关键动作。序列三动作的特点是Y方向气缸静止不动，X方向气缸相对于工作壁面进行移动；序列八动作的特点是X方向气缸停止，而X方向气缸上的滑块带动Y方向气缸向左移动。通过上述两个序列动作，从而实现了清洗机本体整体的左移。如果横向气缸的初始状态处于右极限位置X1处，则要完成向左运动，其运动序列如下表5-6：表5-6向左运动的动作序列（X1）序号动作说明控制说明动作结束标志1纵向吸盘释放真空通过定时器T1T12纵向吸盘提升气缸缩回C0，D03横向气缸滑块向左运动XN04纵向吸盘提升气缸伸出C1，D15纵向吸盘提供真空S26横向吸盘释放真空通过定时器T0T07横向吸盘提升气缸缩回A0，B08横向气缸向左运动XN19横向吸盘提升气缸伸出A1，B110横向气缸提供真空S1（2）向右运动动作分析由清洗机运动的对称性可知，向右与向左运动具有一定程度的相似性，以向左运动为示例对向右运动进行分析。以X方向气缸处于右极限位置为例进行分析。其实现向右动作的动作序列如表5-7所示。表5-7向右运动动作序列（X1）序号动作说明控制说明动作结束标志1横向吸盘释放真空通过定时器T0T02横向吸盘提升气缸缩回A0，B03横向气缸向右运动XN04横向吸盘提升气缸伸出A1，B15横向吸盘提供真空S16纵向吸盘释放真空通过定时器T1T17纵向吸盘提升气缸缩回C0，D08横向气缸滑块向右运动XN19纵向吸盘提升气缸伸出C1，D110纵向吸盘提供真空S2对表5-7中的动作序列进行分析，序列三和序列八高楼外墙清洗机在墙壁外表面移动的关键动作。序列三动作的特点是Y方向气缸静止不动，X方向气缸相对于工作壁面进行移动；序列八动作的特点是X方向气缸停止，而X方向气缸上的滑块带动Y方向气缸向右移动。通过上述两个序列动作，从而实现了清洗机本体整体的右移。如果以横向气缸X处于左极限位置X0处为初始状态，若要完成向右的动作，其动作序列如下表5-所示：表5-8向右动作序列（X0）序号动作说明控制说明动作结束标志1纵向吸盘释放真空通过定时器T1T12纵向吸盘提升气缸缩回C0，D03横向气缸滑块向右运动XN14纵向气缸提升气缸伸出C1，D15纵向吸盘提供真空S26横向吸盘释放真空通过定时器T0T07横向吸盘提升气缸缩回A0，B08横向气缸向右运动XN09横向吸盘提升气缸伸出A1，B110横向吸盘提供真空S1（3）向上运动动作分析首先对Y方向气缸的运动状态进行分析，此时Y方向气缸的运动状态不影响X方向气缸的运动状态。由于Y方向气缸只能进行上下方向的运动，因此当Y方向气缸开始向上运动时，Y方向的气缸分为上极限位置Y1和下极限位置Y0。首先以Y方向气缸处于Y1位置时的状态为示例进行分析。其动作序列如表5-9所示。表5-9向上运动动作序列（Y1）序号动作说明控制说明动作结束标志1纵向吸盘释放真空通过定时器T1T12纵向吸盘提升气缸缩回C0，DO3纵向气缸向上运动YN04纵向吸盘提升气缸伸出C1，D15纵向吸盘提供真空S26横向吸盘释放真空通过定时器T0T07横向吸盘提升气缸缩回A0，B08纵向气缸的滑块向上运动YN19横向吸盘提升气缸伸出A1，B110横向吸盘提供真空S1如果以纵向气缸处于下极限位置Y0为初始状态是，要完成向上的运动，其动作序列如下表5-10所示：表5-10向上运动动作序列（Y0）序号动作说明控制说明动作结束标志1横向吸盘释放真空通过定时器T0T02横向吸盘提升气缸缩回A0，B03纵向气缸的滑块向上运动YN14横向吸盘提升气缸伸出A1，B15横向吸盘提供真空S16纵向吸盘释放真空通过定时器T1T17纵向吸盘提升气缸缩回C0，D08纵向气缸向上运动YN09纵向吸盘提升气缸伸出C1，D110纵向吸盘提供真空S2（4）向下运动动作分析由清洗机运动的对称性可知，向上与向下运动具有一定程度的相似性，以向上运动为示例对向下运动进行分析。以Y方向气缸处于下极限位置为例进行分析。其实现向右动作的动作序列如表5-11所示。表5-11向下动作的序列（Y0）序列动作说明控制说明动作结束标志1纵向吸盘释放真空通过定时器T1T12纵向吸盘提升气缸缩回C0，D03纵向气缸向下运动YN14纵向吸盘提升气缸伸出C1，C15纵向吸盘提供真空S26横向吸盘释放真空通过定时器T0T07横向吸盘提升气缸缩回A0，B08纵向气缸滑块向下运动YN09横向吸盘提升气