一种爬壁喷涂机器人的研究与设计

编号:毕业论文(设计)题目一种爬壁喷涂机器人的研究与设计指导教师学生姓名学号专业机械设计制造及其自动化教学单位德州学院机电工程学院（盖章）二O一三年四月十日目录摘要.................................................................................................................................................11绪论..............................................................................................................................................12爬壁喷涂机器人的系统方案设计..............................................................................................32.1爬壁喷涂机器人的技术性能指标.....................................................................................32.2爬壁喷涂机器人的总体方案设计.....................................................................................33爬壁喷涂机器人的主体的设计..................................................................................................83.1爬壁喷涂机器人的爬行结构的设计...................................................................................83.2爬壁喷涂机器人的气动元件选择.....................................................................................123.3爬壁喷涂机器人主体的受力分析.....................................................................................144爬壁喷涂机器人的楼顶吊装系统的设计................................................................................165爬壁喷涂机器人的控制系统设计............................................................................................186总结............................................................................................................................................19参考文献：...................................................................................................................................20谢辞...............................................................................................................................................22德州学院机电工程学院2013届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）1一种爬壁喷涂机器人的研究与设计xxx(德州学院机电工程学院,山东德州253023)摘要：本文针对国内外现有爬壁机器人模型特点，在总结和借鉴喷涂设备的基础上，提出了一种以爬壁机器人为主体，喷涂设备为辅的高层建筑喷涂机器人方案。本次设计介绍了此种高层建筑爬壁喷涂机器人的用途，结构，及其特点。阐述了此种机器人在国内外的发展状况，并对未来该机器人的发展趋势做了预测。关键词：爬壁机器人；喷涂；PLC；楼顶吊装1绪论1.1选题背景目的及意义随着社会经济的发展和人口的增加，现代城市高层建筑越来越多，在现代都市中各种各样的摩天大楼成为一道亮丽的风景。多年来，许多城市的环境清理工作引起人们的越来越多的关注重视。建筑物已成为一个城市的外观，因此建筑物表面的喷涂和装饰建筑工作已成为人们整顿城市环境的关注重点。一般的高层建筑物喷涂工作均是由人工手动完成的，但是，人工喷涂是相当危险的，高空中由于有强气流的存在使人很难保持平衡，工作环境很不好，伤亡事故频繁发生，而且效率很低很低。工人在有毒的艰险恶劣的环境中完成这种复杂的喷涂操作，这无疑对工人的健康和生命安全造成很大的威胁。高层建筑物的壁面喷涂是一项量大面广的作业，在我国高空作业最原始的方法是通过架设脚手支架，让工人携带喷涂工具和涂料依次进行喷涂作业，一个喷涂项目完毕后再拆除脚手支架，然后进行下一个项目的喷涂作业。很明显的，这种方式很费力、费时，需要大量的辅助材料来搭建脚手支架。特别是对于高层建筑外墙的喷涂成本更高，而且效率太低，工人长期在此环境中工作会使他们的身体有一定的损伤。而现在随着科技创新技术的发展，目前我国对高层建筑外墙的喷涂工作主要是用专门的载人提升设备吊篮，将工人及喷涂工具和材料等依次悬挂于墙面附近，虽然主要还是要靠人工来进行，但其比起最简单的方式来说有了很大的进步，这种方法使用的设备简单，工人手持喷枪对墙面进行喷涂，工人的工作条件有所改善，效率有所提高，但为了工人的安全着想，还是需要一个人单独工作，喷涂效率仍然很低，并且采用手工喷涂的涂层质量受人为控制的因素影响比较大，如移动喷枪的速度、喷涂的距离、涂料的流量、所用的喷涂方法和工人的技术水平等。所以高层建筑壁面喷涂自动化的问题急需解决。解决这个问题的最好方法就是用机器人代替德州学院机电工程学院2013届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）2工人进行高空喷涂作业。由机器人来代替工人作业，实现喷涂的自动化，这将是高空喷涂作业的发展方向。虽然在机器人工作过程中还是需要人工的操作，但是这样已经可以在很大程度上降低工人的劳动强度，工人的工作环境有了很大的改善，也提高了喷涂效率及质量。随着科技的进步，爬壁机器人的应用越来越广泛，这使得高层建筑喷涂机器人的诞生成为了可能。而本文所设计的高层建筑爬壁喷涂机器人是爬壁机器人的一种应用。本文针对国内外现有爬壁机器人模型特点，在总结和借鉴喷涂设备的基础上，提出了一种集爬壁机器人、喷涂设备于一体的高层建筑爬壁喷涂机器人方案。1.2爬壁机器人的发展概况机器人是传统的机构学与现代电子技术结合的产物，是计算机科学﹑控制论、机构学、信息科学和传感技术等多种学科的综合性的高新技术产品，是一种能够进行高速运行、重复操作并且精确度较高的自动化设备。可以用机器人来代替人类去从事各种危险的、重复的、单调的及工作环境比较危险的工作，这将是社会发展的趋势。爬壁机器人是机器人的一个分支，主要运用于建筑和玻璃的表面和化学反应罐的内部进行清洗、除锈、喷涂等的作业过程中。现代社会中，在一些对国民经济的发展有着重要的作用的工作中必须要采取安全的防范措施，而爬壁机器人在这方面是得到大力发展的其中的主要开发项目之一。所以现在已经有很多各种各样的爬壁机器人已经被投放到或即将要被投放到各种作业的现场中，其主要被应用有许多方面比如核工业，核工业中辐射力比较强，而对核废液储罐进行焊缝探伤、罐体壁厚的测量和核废液的泄露检查等工作如果靠人工作业将会对工人的身体产生很大的损伤；在建筑行业也有一些工作需要机器人代替工人去作业像高层建筑表面的玻璃幕墙清洗、瓷砖等外装饰的安装，外墙壁表面的喷涂和墙面的清洁等，此外还有消防部门，造船行业，石油化工等行业。总之随着科技的发展机器人的应用将会得到越来越快的发展。爬壁机器人的发展历史是比较长的，早在1966年，日本大阪府立大学的西亮讲师设计出了一台简单的原理样机，此样机所用用的原理是利用电风扇旋转在其墙壁附近产生低压空气然后再由低压空气产生的负压作为吸附动力使机器人本体吸附在墙壁表面上，这被看作是爬壁机器人领域的研究开端。自此以后，爬壁机器人技术在世界范围内得到了迅猛的发展，而在这一领域内，日本所取得的成绩最为突出，美国、英国等多个国家也相继取得了不小的成就；在国内，对爬壁机器人最早的研究，是在1988年由哈尔滨工业大学率先进行的，经过了十几年的发展，我国先后加入了一些知名的学府及研究所等研究机构比德州学院机电工程学院2013届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）3如说上海交通大学，上海大学，长春光机所，北京航天航空大学等，他们都为国内爬壁机器人的研究做出了重要的贡献，到目前为止，国内的爬壁机器人也取得了不小的进展[1]。1.3喷涂设备的发展概况随着工业技术的发展，简单的手工操作已经无法满足市场的需求，而在改革开放以后，工业技术自动化越来越普遍，在这种环境下在喷涂作业已由手工向工业自动化的方向发展，而且喷涂自动化的程度也越来越高，所以喷涂生产线的应用也越来越广泛，并已经深入到国民经济的很多方面。现在市场上广泛应用的喷涂设备按照自动化程度的高低可分为：手动喷涂设备、半自动喷涂设备和全自动喷涂设备三种[2]。目前为止，国内主要的喷涂方式主要是高压无气喷涂。高压无气喷涂的原理是喷枪利用空气压缩泵提供的高压气流将涂料喷出，由于气压较高因此涂料以雾状喷射到被涂物体的表面上。要完成高压无气喷涂其所需要的设备主要包括空气压缩泵，喷枪，蓄压桶，软气管等。2爬壁喷涂机器人的系统方案设计2.1爬壁喷涂机器人的技术性能指标在经过了一定时间的考察和查阅整理资料后，本人认真分析了目前现有的各种爬壁机器人和喷涂设备的优缺点，结合现实的情况做了以下技术性能及要求：(1）该方案要能够保证实现平稳喷涂使喷涂的图涂层均匀；(2）本设计方案能够适于喷涂较大的平面；(4）高层建筑喷涂机器人要求通过无线通信控制由人工进行远程控制；(5）该机体的加工制作要尽量使用标准件，对于非标准件，应尽量是加工工艺简单；(6)该机体的装配和操作要简单容易，使普通工人在培训之后即可熟练操作。2.2爬壁喷涂机器人的总体方案设计在拟定方案的时候，经过多方的考察检阅资料，以集思广益、自由阐述的方式，讨论了设计方案，经过多方的比较，全方位的考虑，最终将所有方案的优点结合在一起，确定了现在的设计方案。该爬壁喷涂机器人在现有技术的情况下其总体结构采用传统的四部分组成：机器人本体系统，喷涂作业系统，地面遥控与监控系统和楼顶悬挂系统。爬壁喷涂机器人的设计方案主要包括机器人的本体方案设计和机器人的控制系统设计。其中机器人的本体方案设计包括机器人的移动方式、吸附方式、喷涂装置的设计。而机器人的控制系统设计方案主要德州学院机电工程学院2013届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）4是机器人的控制方式设计。2.2.1爬壁喷涂机器人的吸附方式爬壁机器人的吸附方式有三种：真空吸附、磁吸附和推力吸附。不同吸附方式的机器人都各有自己特点，能够应用于不同的场合，使用时需要根据具体的使用条件来进行吸附方式的选择。下面列出各种吸附方案的优缺点：1）真空吸附。真空吸附分为单吸盘和多吸盘吸附，单吸盘结构简单允许有一定的泄露，但是单吸盘会使系统稳定性差，吸盘没有冗余性，断了电之后就没有了