智能吸尘器全自动

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高距离吸尘器

设计者：李浪，孙雁涛，刘胜魁，李旭辉，邱艳，

指导教师：孙明，张克猛

（西安交通大学城市学院机械工程系，西安，710018）

作品内容简介

本作品的主题是民用清洁类机械。针对高空墙面及天花板的除尘，在普通地面吸尘器的基础上，设计

了可以自由升降、旋转、移动的顶棚吸尘器支架，改进了传统吸尘器的洗尘刷结构，研制出了顶棚吸尘器。

本作品由丝杠螺母传动机构带动剪叉式的升降平行四边形机构，实现升降平台的自由升降；通过电机带动，

实现吸尘管在空间的自由转动；整个升降平台置于小车之上，从而使吸尘刷具有上、下，前、后，左、右

多个自由度，并通过单片机控制，洗尘刷可在高空完成上下、左右移动的除尘作业，进一步还可利用电机

驱动小车，使吸尘刷前后运动也实现自动控制，从而实现本作品的完全机电一体化。作为清洁机械，本作

品形成产品后，可供家庭及学校、机关、医院、会馆、教堂等部门使用。

联系人：孙明

联系电话：866544228

Email：msun@

1作品研制背景及意义

1.1吸尘器发展历史

1901年，英国土木工程师布斯到伦敦莱斯特广场的帝国音乐厅参观美国一种车厢除尘器示范表演。这

种除尘器使用压缩空气把尘埃吹入容器内，布斯认为此法并不高明，因为许多尘埃未能吹入容器。后来，

它反其道而行之，用吸尘法，布斯做了个很简单的试验：将一块手帕蒙在椅子扶手上，用口对这手帕吸气，

结果使手帕附上了一层灰尘，于是，他制成了吸尘器，用强力电泵把空气吸入软管，通过布袋将灰尘过滤。

1902年布斯的服务公司奉召到西敏斯大教堂，把爱德华七世加冕典礼所用的地毯清理干净。此后生意

日益兴隆。1906年布斯制成了家庭小型吸尘器，虽名为“小型”，但吸尘器却重达88磅（1磅=0.4536千

克），因太重而无法普及。

1907年，美国俄亥俄州的发明家斯班格拉制成轻巧的吸尘器，他当时在一家商店里做管理员，为了减

轻清扫地毯的负担，制成了一种吸尘器，用电扇造成真空将灰尘吸入机器，然后吹入口袋。由于他本人无

能力生产销售，1908年把专利转让给皮毛制造商胡佛。当年胡佛便开始制造一种带轮的“O”型真空吸尘

器，销路相当好，这种最早的家用吸尘器设计比较合理，发展至今也无太大原理上的改动。

最早设计的吸尘器是直立式的。1913年瑞典斯德哥尔摩的温勒·戈林发明了横罐形真空吸尘器，2002

年，iRobot开发出智能吸尘器人。

1.2吸尘器的分类

1卧式

2

在亚欧市场较为常见的吸尘器类型，占整体市场的80%以上。其特点是外形小巧，存放方便，卧式吸

尘器也分为“尘盒式吸尘器”和“尘袋式吸尘器”。

卧式吸尘器

2.立式

美洲市场较为常见，适用于大面积的地毯清洁。

立式吸尘器

3.手持式

体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘，电器等也有良好效果。缺点是：功

率较小，吸力不够强劲。

4.桶式

商用吸尘器，多为保洁公司，酒店，写字楼所使用，特点是容量大，能吸水。

5.杆式

近几年逐步增多，多为充电式，特点是体型小巧，使用方便。

6.机器人吸尘器

iRobot机器人吸尘器英文名称为“Roomba”，中文为“伦巴”，是由美国iRobot公司生产的。美国麻

省理工学院（MIT）罗德尼·布鲁克斯教授，主持世界最大的大学实验室——电脑科学暨人工智能实验室

（ComputerScienceandArtificialintelligenceLaboratory，简称CSAIL），于1990年带着得意门生

——科林·安格尔（ColinAngle）和海伦·格雷纳（HelenGreiner）,以CSAIL所提供的创业基金为基

3

础，创办了iRobot公司。iRobot最初专注于军用机器人的研究，创造了PackBot等机器人，公司于2002

年开始涉足于家用机器人市场，并在2002年推出了具有历史意义的机器人吸尘器Roomba，揭开了机器人

吸尘器新篇章。

自动清扫地板上的灰尘，自动清扫地板上的灰尘，自动清理毛发和碎物，清扫任务完成后，自动返回

充电，智能吸尘器的核心技术是芯片和里面的软件，iRobot智能吸尘器机器人Roomba使用先进的iAdapt

技术，这是一个由软件和感应器组成的专利系统。iAdapt让Roomba可以主动对清扫环境进行监控，每秒

钟思考次数超过60次，并且能够以40种不同的动作进行反应，以便彻底清扫房间。高端吸尘器，可自动

打扫和充电，优点是：噪音小，体积小，能够轻松进入传统吸尘器不能到达的地方。

智能吸尘器机器人

7.便携式吸尘器

它一般有四种形式：

肩式吸尘器：体积较小，使用时背在肩上，小功率输出。

杆式吸尘器：形状似杆，上端为把手，下端为吸嘴，小功率输出。

手提式吸尘器：体积更小，可直接握在手中使用，小功率输出。

微型式吸尘器：多用电池供电，体积更小，多用于清洁衣物、仪器等，微功率。

吸尘器是指利用电动机驱动风机而产生负压进行除尘的清洁器。又称为真空吸尘器。按吸尘器的装配

和类型可分为：立式，电动机主轴垂直于地面；卧式，电动机主轴平行于地面；便携式，可分为手持式、

肩式、杆式。按吸尘器的使用功能可分为：干式、水过滤可吸灰尘式、干湿两用式。

改革开放以来中国清洁行业正在慢慢起步，据不完全统计，目前国内约有4000家左右的清洁用品制

造商、分销商和代理商，仅是商业和工业用途清洁产品的最终用户就达到了500万家上，这还不包括数以

亿计的普通市民所使用的清洁产品。工商业清洁用品的产值据估算约有200亿人民币，而国际厂商在中国

的投资额目前约有30亿元人民币。我国是世界吸尘器的主要生产地，世界上销售的吸尘器有80%以上都是

产自中国。欧美及日本为代表的发达国家对吸尘器的需求量非常大，也是我国吸尘器出口的主要地区，这

些国家的吸尘器市场已经成熟。我国经济持续快速的发展，消费者收入水平的提高，居住环境的改善等因

素都是小家电企业看好国内吸尘器市场的主要原因。另外，城市中每年有大量的人口搬进新居，对吸尘器

的潜在要求很大。

从20世纪90年代中后期开始，中国吸尘器的销量每年以38%的速度上升。如今吸尘器不但功能越来

越多，外观日趋美化，其价格也越来越便宜，受到了不少市民的喜爱。中国吸尘器市场主流品牌主要有飞

4

利浦、美的、松下、海尔、三洋等。2006年1-12月，全国吸尘器累计产量为52，285，519.00台。与2005

年同期增长了6.69%；2007年，中国吸尘器累计产量为16，969，815.00台，与2006年同期相比增长了

21。63%。虽然在全球金融危机和经济增速放缓的背景下，国内家电却独树一帜。

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

20102011

我

国

吸

尘

器

产

量

增

长

趋

势

我国吸尘器产量增长趋势

随着当今社会的发展，人们的生活节奏越来越快。作为便捷的清洁用具，吸尘器也已经进入了我国的

城乡，遍及千家万户。但面对高空的墙角、天花板、柜顶等卫生死角，先进的地面吸尘器却派上用场，往

往还需要人工登梯进行高空作业，难免存在安全隐患，特别对腿脚不利的老年家庭，更应引起重视。为此，

在地面吸尘器的基础上，我们研制出了顶棚吸尘器，为吸尘器拓展一个新的应用空间，将吸尘器的概念和

工作原理提升到了一个新的层面。

2设计方案

2.1升降机构

顶棚吸尘器的核心功能是能够对不同高度的空间面、壁进行除尘，因此吸尘器必须有一个灵活、平稳、

自由的升降机构，以满足清洁过程中的各种需求。

方案一：

置于小推车上的升降台采用丝杠螺母机构，通过转动螺母，实现自由升降，摇臂可在铅垂面内上下摆

动120，同时又随套管一道在水平面内实现自由转动，从而根据吸尘需要，完成吸尘刷上下、左右、前后

的吸尘动作：当手柄在滑道最上方时，吸尘吸气管处于水平状态，此时通过转动螺母，将平台调整到人的

身高达不到的高度，并沿横向推动小车，吸尘刷即在该高度的立面除尘；如此通过不断调整手柄的角度和

平台的高度，即可完成壁面不同高度的吸尘；当手柄下滑到一定的位置，洗尘刷与天花板接触，即可通过

套筒的摆动和小车的慢慢纵向移动，完成天花板的吸尘；当手柄沿滑道划过90°，并协调调整平台到合适

的高度，此时吸气管位于竖直状态，可通过推动小车小范围内的移动，以围绕天花板上的障碍物进行天花

板小范围的除尘。

单

位

：

万

台

5

该方案完全人工操作，简单易行，造价低。但较为笨重，且不宜实现机电一体化。其工作简图如图1

示。

图1方案一示意图图2撑杆照片图3撑杆机构简图

方案二：

将方案一的升降机构改为可以电动控制的推力杆，实物照片如图2所示。该推力杆采用丝杠螺母传动，

并通过电动丝杠转动，带动与螺母固定的套筒升降，实现升降台的自

动上下运动，机构简图如图3所示。

该方案的工作原理与方案一相同。其优点实现了可控的自由升降。

由于套筒、手柄部分没有改进，且受撑杆系列限制，选型很难配套，

致使机构显得头重脚轻，稳定性不够。

方案三：

升降部分引入了剪叉式升降机构，采用电动撑杆的驱动，既可实

现升降的智能化，又有效地加强了整体的稳定性；采用电机带动吸尘

管在空间的自由转动，利用撑杆在一定范围内自由控制吸尘管在空间

的方位；下一步还可利用电机驱动小车，以实现吸尘器的全部智能化

自动控制。方案三的照片见图4。

剪叉式升降机构如图5所示，它广泛用于高空作业专用设备，具

有较高的稳定性。本作品利用这一特点，有效的克服了方案二的头重

脚轻的问题。该机构的简图如图6所示。其中A、B为固定架，与小车

固定连接，A、C、E、F、G、H均为铰链连接，5和AB杆构成移动副，8和CD杆构成移动副。在推力

杆2的带动下实现机构上下运动。作为机构的驱动装置，推杆的最佳安装位置如图（a）所示，由于市场

现货选型受限，本作品实际安装位置如图（b）所示。

图4吸尘器照片

6

该机构具有如下特点：

（1）平台上升和下降过程均匀、平稳。

（2）结构紧凑，外观简洁，维护使用灵活、方便。

（3）承载力强，工作效率高。

（4）可选配件范围广泛，全方位满足客户需求。

（5）清洁无污染，利用环境维护。

该机构一般采用液压传动。考虑到家庭用机械的特点，液压式传动技术难度较大，成本高、维护不太

方便，且本作品的实际载荷也不大，综合考虑，我们改用了物美廉价的机械式撑杆传动（螺母、螺杆等），

由电动机驱动。

图5剪叉式升降机构实物图

3工作原理及性能

3.1升降平台

升降机构由底座、臂架和工作台三部分组成。底座用于支撑整个机构，并为装于机构底部的滑块提供

导向，采用钢板焊接而成；臂架为双层剪叉式平行四边形机构，采用高强度无缝矩形钢管制作；工作台用

于安装吸尘器管架及其传动系统，需要承受一定的重量，故宜采用高强度的轻质材料制作，例如钢板或PVC

材料。本作品仅提供比例缩小的样机，故采用了有机玻璃制作。升降机构示意如图7所示。整个机构由装

于底座与两层连接铰链间的撑杆（丝杠螺母机构）带动，本作品因受市场供货选型限制，撑杆尺寸较大，

故安装于底座与上层中间铰链之间见图7。

图6剪叉式升降机结构简

A

B

C

D

E

F

G

H

O

1

O

2

1

2

3

4

5

6

7

89

A

B

C

D

E

F

G

H

O

1

O

2

1

2

3

4

5

6

7

89

（a）

（b）

7

图7升降机构示意图

随着撑杆电机启动，丝杠转动，推动螺母沿丝杠移动，使与螺母固结的推杆沿轴向运动，从而改变剪

叉机构的高度，实现工作台的上下移动。本作品中撑杆可在5060之间摆动，实现工作台升降行程250mm。

由于整个机构载荷不大，故强度容易保证，本文不再分析。

3.2吸尘管的空间运动机构

吸尘管的空间转动机构采用电机带动，置于工作平台之

上，两者间安装单列推力轴承，以减小工作台与吸尘管底座间

的摩擦。

吸尘管摆动机构置于转动底座之上，采用撑杆控制摆幅。

机构简图及安装尺寸见图9。推杆行程为100mm,撑杆摆动幅度

为3545之间，吸尘管对应摆动幅度为45100之间。

3.3吸尘刷的改进设想

针对天花板吸尘器的工作特点及工作环境，不但要求洗尘

刷与吸尘管间的活动接头具有万向性，而且要求吸尘刷的形状

具有对称性，以保证吸尘面积连续均匀。为此，在原有的地面

工作台

臂架

底座

250mm

60

50

图8升降行程

图9吸尘管运动机构

250

200

120

300

推杆

吸尘管

80

8

洗尘刷的基础上，拟于相关厂家联手，将具有万象性的矩形洗尘刷改为圆形，示意如图10所示。

图10洗尘刷的形状改进示意图

4本作品的主要创新点

1.将普通用吸尘器的工作范围从地面改变到高空中，譬如是天花板、灯管、竖直墙壁等。

2.使用了剪叉式升降机构，具有较好的稳定性，较高的承载力和较大的作业空间。

3.具有上、下，前、后，左、右多个自由度，可在高空完成上下、左右移动的除尘作业，便于快捷、

方便的清扫卫生死角。

4．通过单片机控制，使吸尘刷前后运动也实现自动控制作业。

5．进一步还可利用电机驱动小车，从而实现本作品的完全机电一体化。

5推广应用价值

本作品形成产品后，可供家庭及学校、机关、医院、会馆、教堂等部门使用。对室内墙壁、天花板等

高空领域的清洁维护。

第三章手部结构设计

3.1夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽

杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

3.1.1手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件

的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支

点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二

支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同

理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较

9

小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型

手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

3.1.2设计时考虑的几个问题

(一)具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯

性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

(二)手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保

证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动

型手指只有开闭幅度的要求。

(三)保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的

手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。

(四)具有足够的强度和刚度

手指除了受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和

振动的影响，要求足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重

轻，并使手部的中心在手腕的回转周线上，以使手腕的扭转力最小为佳。

（五）考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，两指回转

型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。

第六章高距离吸尘器的PLC控制系统设计

在控制上

在控制上，我们选用了单片机控制，而没有完全选用PLC控制。因为PLC是建立在单

片机之上的产品，单片机是一种集成电路，两者不具有可比性。从工程的角度，对单项工程

或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，

但成本较高。对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有

相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。最好的方法是单片机系统嵌入PLC

的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。

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PLC的梯形图是与汇编等计算器语言一样是一种编程语言，只是使用范围不同！而且

通常做法是由PLC软件把你的梯形图转换成C或汇编语言(由PLC所使用的CPU决定)，然

后利用汇编或C编译系统编译成机器码!PLC运行的只是机器码而已，梯形图只是让使用者

更加容易使用而已。

同样MCS-51单片机当然也可以用于PLC制作,只是8位CPU在一些高级应用如：大

量运算(包括浮点运算)，嵌入式系统(现在UCOS也能移植到MCS-51)等，有些力不从心而已.

有些公司在使用的一套工业系统就是使用MCS-51单片机做的,不过加上DSP而已,已经能满

足我们要求(我们设备速度较慢,而且逻辑控制为主，但是点数不少喔,128点I/O呢!!)，而且同

样使用梯形图编程,我们在把我们的梯形图转化为C51再利用KEIL的C51进行编译。你没有

注意到不用型号的PLC会选用不同的CPU吗!!

当然也可以用单片机直接开发控制系统,但是对开发者要求相当高(不是一般水平可以胜任的),

开发周期长,成本高(对于一些大型一点的体统你需要做实验,印刷电路板就需要一笔相当的费

用,你可以说你用仿真器,用实验板来开发,但是我要告诉你,那样做你只是验证了硬件与软件的

可行性,并不代表可以用在工业控制系统,因为工业控制系统对抗干扰的要求非常高,稳定第一,

而不是性能第一,所以你的电路板设计必须不断实验,改进).当你解决了上述问题,你就发现你

已经做了一台PLC了,当然如果需要别人能容易使用你还需要一套使用软件,这样你可以不需

要把你的电路告诉别人(你也不可能告诉别人).。

PLC内部的CPU除了速度快之外，其他功能还不如普通的单片机。通常PLC采用16

位或32位的CPU，带1或2个的串行通道与外界通讯，内部有一个定时器即可，若要提高

可靠性再加一个看家狗定时器足够。PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图

语言的程序及辅助通讯程序，梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC的性能，通讯程序决

定了PLC与外界交换信息的难易。对于简单的应用，通常以独立控制器的方式运作，不需与

外界交换信息，只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。实际上，设计PLC的主要工

作就是开发解释梯形图语言的程序。

以前的单片机由于稳定性和抗电磁干扰能力比较的弱和PLC是没有办法相比的，现在

的单片机已经做到了高稳定性和很强的抗干扰能力，在某些领域已经实现了替换比如说以

前的电梯是绝对禁止使用单片机的，现在已经有些高性能的单片机在电梯上使用

单片机完全可以取代PLC。

考虑到吸尘器的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对吸

尘器进行控制。当吸尘器的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

6.1可编程序控制器的选择及工作过程

6.1.1可编程序控制器的选择

目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门

11

子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本吸尘器

的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制作成本，因此在本次设计中选择了OMRON

公司的C28P型可编程序控制器。

6.1.2可编程序控制器的工作过程

可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描

的工作方式，具体的工作过程可分为四个阶段。

第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入

输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/O状态表。该表是一个专门存放输入

输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器；存放输出状态

信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/O状态表清零，然后进行自诊断。

当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。

第二阶段是处理输入信号阶段

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到

I/O状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/O状态表中一直保持不变，

不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成结果混乱，保证了本周期内用户程序

的正确执行。

第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/O状态之后,CPU工作进入第三阶段。在这个阶段中，可编程

序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/O状态和有关指令进行运算和处理，最后将

结果写入I/O状态表的输出暂存器中。

第四阶段是输出处理阶段。

CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/O状态表状态暂存器中。此时将

输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设

备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

6.2可编程序控制器的使用步骤

在可编程序控制器与被控对象（机器、设备或生产过程）构成一个自动控制系统时，通常以

七个步骤进行：

①系统设计

12

即确定被控对象的工作原理，控制要求，动作以及动作顺序。

②I/O分配

即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号，此外，对用到的可编

程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号

的。

③画梯形图

它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形

编程器（LCD或CRT），则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控

制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。

④助记符机器程序

相当于微机的助记符程序，是面向机器的（即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式

不同），用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。

⑤编制程序

即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。

⑥调试程序

即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计（包括画

梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试）也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机

器配有相应的软件。

⑦保存程序

调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。

6.3吸尘器可编程序控制器控制方案

6.3.1控制系统的工作原理及控制要求

1.控制对象为圆柱坐标气动机械手。

它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩；竖直方向的上、下；绕竖直轴的顺时

针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末段执行装置-机械手，还可以完成抓、放功能。以

上各动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀（每个阀上有两个线圈，对应两个

相反动作）分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其

中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样，可用PLC的8个输

出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手

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按预先安排的动作序列工作。如果欲改变机械手的动作，不需要改变接线，只需将程序中动

作代码及顺序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检

测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。

2.控制要求

为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。

手动工作方式

便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方式。用按钮对机械手没一个动作单独进行

控制。

单动工作方式

从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一下起动按钮，机械手完成一步的工作后，

自动停止。

自动工作方式

按下起动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连接工作，直到按下停止按钮，机

械手在完成最后一个周期的动作后，返回原点自动停机。

6.3.2气动机械手的工作流程（如图6-1所示）

气动机械手的工作流程如下;

1）当按下机械手启动按钮后，首先立柱右转电磁阀通电，机械手右转，至右限位开关动

作。

2）立柱上升电磁阀通电后，立柱上升，至上限位开关动作。

3）手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

4）手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。

5）立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。

6）手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧，至限位开关动作。

7）立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。

8）手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。

9）手腕紧缩电磁阀通电，手腕紧缩，至限位开关动作。

10）立柱左转电磁阀通电，机械手左转，至左限位开关动作。

11）手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

12）手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。

14

13）立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。

14）手爪松开电磁阀通电，手爪松开，至限位开关动作。

15）手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。完成一次循环，然后重复以上循

环动作。

16）按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行的工步上，重新启动时，机械手按上一工

步继续工作。

15

图6-1机械手自动控制工作流程框图

6.3.3I/O分配

根据系统输入输出点的数目，选用OMRONC28P型PC，它有16个输入点，标号为0000-0015；

12个输出点，标号为0500-0511。如表6-1所示。

启动

立柱右转

立柱上升

手臂伸长

手腕逆时针

立柱下降

手爪抓紧

立柱上升

手腕收缩

手爪松开

立柱下降

手腕逆时针

手臂伸长

立柱左转

手腕收缩

手腕逆时针

16

输入输出

启动0000手臂左转0500

停止0001手臂右转0501

手爪抓紧0002手臂伸长0502

左转限位开关0003手臂收缩0503

右转限位开关0004手臂上升0504

伸长限位开关0005手臂下降0505

收缩限位开关0006手腕逆转0506

上升限位开关0007手腕顺转0507

下降限位开关0008手爪抓紧0508

逆转限位开关0009手爪放松0509

顺转限位开关0010

物品检测0011

表6-1I/O分配

6.3.4梯形图设计

根据机械手的逻辑时序图及1/0分配，可以画出控制梯形图。控制梯形图可分为子程序

部分和主程序部分。

17

子程序部分包括：自动方式控制梯形图和手动方式控制梯形图。

1．自动控制方式梯形图如下：

18

图6-2自动方式控制梯形图

2.手动控制方式梯形图如下：

网络2：手动夹紧，采用置位和复位方式使

夹紧后不允许松开

网络1：手动下降

I1.0I0.5

(R)

Q4.0

I1.2I0.6I0.5

(P)

M1.2

(S)

Q4.4

网络3：手动上升

I1.1I0.4

()

Q4.1

19

网络1：自动方式启动M0.0＝1，有自锁

I0.0M0.1

(S)

M0.0I0.3

M0.0

网络2：M0.1＝1，单动有效

I0.1

(S)

M0.1

网络3：单动方式启动M0.1＝1，有自锁

I0.1M0.0

()

M0.1I0.3

M0.1M0.3

M0.0

网络4：自动方式或单动方式均调用子程序FC10

M0.0M0.1

(CALL)

FC10M0.2

M0.1M0.0

M0.5

网络4：手动右移

I1.4I0.7

()

Q4.2

网络5：手动下降

I1.0I0.5

()

Q4.2

I1.2I0.7I0.5

(P)

M1.2

(S)

Q4.4

网络6：手动放松

网络7：手动左移

I1.3I0.6

()

Q4.3

20

图6-2手动控制方式梯形图

第七章结论

1、本次设计的是采用双剪叉机构进行升高，相对于目前所用的高空吸尘器，还是用手

动进行升高，且此次设计的升高控制程序可调，因此适用高度更广。

网络6：手动方式调用子程序FC11

M0.2M0.0

(CALL)

FC11M0.1M0.5

网络7：停止处理

I0.3

(S)

M0.5

网络8：错误操作处理

I0.0I0.1

(S)

M0.5

I0.0I0.2

I0.1I0.2

21

2、采用电缸驱动，动作迅速，反应灵敏，且避免了采用液压的维护难得缺点，便于自

动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能，也不会污染环境。同

时成本低廉。

3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量

时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

4、吸尘器采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还

是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据墙壁及天花板顶棚的情况

对动作顺序修改程序，使天花板吸尘器的通用性更强。

致谢

本文是在我尊敬的孙明老师悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度和精益求精的工

作作风使我受益匪浅。在此，我首先向老师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!在课题的

研究和开发阶段，得到了学校老师的大力支持和帮助，为我提供了许多有用的资料，在此

22

一并向他们表示衷心的感谢。在日常生活和学习中，学校的各位老师，以及全体同学给与

我大力支持和帮助，在此我向他们表示衷心的感谢。

参考文献

【1】诸文俊、钟发祥.机械原理及机械设计西北大学出版社2009

【2】张克猛、张义忠.理论力学科学出版社2007

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【4】侯书林，朱海主编.工程材料及热加工工艺.中国林业出版社，2006

【5】刘鸿文材料力学1(第5版)高等教育出版社2011

【6】戴光智许锦标王群.家用智能吸尘器测控系统的研究[J]，《微特电机》2005：第1期.

【7】马翔朱世强吴海彬.智能吸尘器的开发及设计[J]，《电子技术应用》2000：第8期，6-8

【8】谭继文张民战卫侠马修泉.机械电子学及其应用[M]，高等教育出版社，2004.

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【10】马翔朱世强吴海彬.智能吸尘器的开发及设计[J]，《电子技术应用》2000：第8期，6-8.

室外吊运机的电机一般有两相电与三相电之分，

两相电的电机一般有两种情况，怎么区分呢？您只要打开电机上面的接线盒就可以看到，共

有6个接线端并且其中有两片小铁片连接4个接线端，这4个接线端就是我们要接线的端点，

另外两个接线端没有小铁片连接。没有小铁片连接的接线端就是我们区分电机两种情况的关

键。现在来看怎么区分及接线这两种情况，区分后您只要按照对应的情况接线就行。

情况一：观察另外两个没有被小铁片连接的接线端是靠电机前端（转轴方向）还是电机尾端

（风扇方向），列如是在转轴方向这边，请按照如图《电机一情况》220伏单相电机倒顺开

关方法接线；

情况二：没有被小铁连接的接线端在风扇方向这边，请按《电机二情况》这种接线方法接线。

23

在接线时，电机接线端的小铁片需要去掉。

注明：此图是简单式接线方法，上面的9个圆点的是倒顺开关，接线时开关柄朝上。下面6

个圆点的是电机，电机转轴方向向左。一般电机接好后试机，倒顺两个方向都要试一下，

如电机有异样应注意随时拔掉插头。另外：注意安全!