磁力爬柱机器人磁吸附力分析与仿真研究

2020-02-22王战中孙国翔

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2020年4期

赵童，王战中，孙国翔

(石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043)

爬柱机器人属于特种机器人的一种，在高空作业领域起着重要的作用，其能在较高建筑物上完成检测并修补表面缺陷、清理表面污垢、表面喷涂等任务。首先具有提高作业效率、降低劳动强度、代替人工完成危险工作等优点；其次可广泛应用于高铁站柱子检测及修复、风力发电柱子表面清洁等领域。基于这些优点国内外专家对于爬柱机器人进行了大量的研究。

在永磁吸附爬柱机器人方面，磁吸附力是至关重要的。而永磁磁铁块的排布方式对磁吸附力有很大的影响。黄忠等[1]采用Ansoft Maxwell软件建立三维磁场模型并对2块磁铁的厚度、工作间隙与轭铁厚度进行了仿真。宋伟等[2]针对永磁铁的宽度进行了仿真。陈勇等[3]设计一种类似H型的变磁力吸附单元并采用Ansys对其磁感应强度与磁吸附力进行了仿真。薛珊等[4]采用Ansoft Maxwell软件建立二维磁场模型，针对磁吸附单元各结构尺寸对吸附力的影响进行了仿真。袁硕等[5]设计了一种基于Halbach阵列的永磁吸附单元并采用Ansoft Maxwell软件建立二维磁场模型对其进行了仿真。赵剑坤等[6]针对永磁铁的磁路与气隙进行了仿真。

关于爬柱机器人，目前的文献大都只针对于永磁铁的厚度、工作间隙与轭铁厚度进行研究，忽视了永磁铁的布局方式对于磁吸附力的影响。因此，为了能够满足高铁站柱子表面检测及修复的磁吸附爬柱机器人能够安全吸附，将磁吸附装置采用的48块永磁铁分为9+10+10+10+9、8+9+14+9+8、4+10+20+10+4这3种布局方式进行仿真研究。通过使用SolidWorks软件，分别建立3种布局方式的三维模型，并导入到Ansoft Maxwell软件进行磁吸附力仿真，得到了在相同间隙下3种布局方式的吸力与永磁铁块的最佳布局方式及工作间隙。

1 永磁铁块布局方式与三维建模

磁吸附装置采用48块永磁铁，每块永磁铁长宽高为2 cm×4 cm×1 cm，并将这48块永磁铁分为9+10+10+10+9、8+9+14+9+8、4+10+20+10+4这3种布局方式。在SolidWorks中建立每种布局方式的三维模型并导入到Ansoft Maxwell软件中进行磁力仿真分析。

(1)9+10+10+10+9布局方式。三维模型如图1所示。

图1 9+10+10+10+9布局方式三维模型

(2)8+9+14+9+8布局方式。三维模型如图2所示。

图2 8+9+14+9+8布局方式三维模型

(3)4+10+20+10+4布局方式。三维模型如图3所示。

图3 4+10+20+10+4布局方式三维模型

2 永磁铁布局方式有限元分析

2.1 选择材料

磁吸附装置有限元分析中用到的材料分别为：永磁体、轭铁、吸附圆柱壁面以及工作间隙介质。永磁铁选为Ansoft Maxwell软件材料库中的钕铁硼，其牌号为35(NdFeBN35)。性能参数如表1所示。仿真过程中永磁材料的相对磁导率μr=1.099 778 5。

表1 钕铁硼N35参数

图4 磁吸附装置

圆柱壁面采用纯铁(Iron)。

工作间隙中的介质选为空气，其导磁率μr=1.0。

爬柱机器人吸附装置如图4所示。

2.2 工作间隙对磁吸附力的影响分析

为了研究工作间隙对磁吸附力的影响，在3种布局方式下分别取工作间隙为0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm进行研究，柱子直径为300 mm。

2.2.1 9+10+10+10+9布局方式下工作间隙对磁吸附力的影响

2.2.1.1 永磁铁横排布置

取工作间隙为0～20 mm，等间隔2 mm。分别将每一种工作间隙的磁吸附装置的三维模型导入到Ansoft Maxwell的三维磁场模型中进行磁吸附力仿真分析，计算出的每种工作间隙对应的磁吸附力如表2所示，将表2的数据在Origin软件中绘制出磁吸附力随工作间隙的变化曲线图，如图5(a)所示。

表2 每种工作间隙对应的磁吸附力

由图5(a)可看出，磁吸附力随着工作间隙的增大而逐渐减小,磁吸附力从1 000.4 N减小到198.83 N。在工作间隙为0～4 mm时，磁吸附力下降速度很快，原因是在工作间隙S=0 mm时，永磁铁完全吸附在柱子上，磁力线全部穿过柱子，此时磁力线穿过柱子的面积最大，磁通量最大。当工作间隙为2 mm和4 mm时，由于边缘漏磁原因，磁力线穿过柱子的面积急剧减小，导致磁通量减小较快，因此磁吸附力减小也很快。当工作间隙S>4 mm时，磁吸附力下降速度减缓，是由于此时磁力线穿过柱子的面积趋于稳定，磁通量的变化趋于稳定，导致磁吸附力的下降趋势减缓。当工作间隙大到一定程度时，磁力线穿过柱子的面积几乎为0，此时磁吸附力为0。综合考虑，在磁吸附力满足要求的前提下，工作间隙不应选过小。从曲线图中可以看出工作间隙S在2～12 mm之间比较合适。

2.2.1.2 永磁铁竖排布置

同理，将永磁铁为竖排布置的三维模型导入到Ansoft Maxwell的三维磁场模型中，工作间隙为0～20 mm，等间隔2 mm。将吸附力的仿真数据在Origin软件中绘制成曲线图，如图5(b)所示。

图5 9+10+10+10+9布局方式下磁吸附力随工作间隙变化曲线图

从图5(b)可以看出，磁吸附力随着工作间隙的增大而逐渐减小,磁吸附力从1 005.3 N减小到192.36 N。工作间隙为0～2 mm时磁吸附力的下降速度比2～4 mm时慢，原因是由于在工作间隙S=0 mm时，永磁铁完全吸附在柱子上，磁力线全部穿过柱子，此时磁力线穿过柱子的面积最大，磁通量最大，磁吸附力最大。当工作间隙为2 mm时，该布局方式下水平方向上永磁铁包围柱子的面积少，因此边缘漏磁较少，导致磁吸附力下降较慢。当工作间隙逐渐加大到4 mm时，边缘漏磁较多，磁力线穿过柱子的面积急剧减小，导致磁通量快速减小，磁吸附力减小也较快。因此磁吸附力的下降速度比2 mm时快。当工作间隙大于4 mm时，磁吸附力下降的趋势与横排布置时的趋势基本相同。

2.2.2 8+9+14+9+8布局方式下工作间隙对磁吸附力的影响

工作间隙仍然取为0～20 mm，等间隔2 mm。分别将每一种工作间隙磁吸附装置的三维模型导入到Ansoft Maxwell的三维磁场模型中，按照上述方法绘制成曲线图,如图6所示。

图6 8+9+14+9+8布局方式下磁吸附力随工作间隙变化曲线图

由图6(a)可看出,磁吸附力随着工作间隙的增大而逐渐减小,横排布置时磁吸附力从1 150.6 N下降到191.45 N。该曲线的下降趋势与布局方式为9+10+10+10+9横排布置时相同，也就是说磁吸附力的变化与布局方式为9+10+10+10+9横排布置时相同。

由图6(b)可看出，竖排布置时磁吸附力随着工作间隙的增大而逐渐减小,竖排布置时磁吸附力从1 266.9 N减小到187.36 N。在工作间隙为0～2 mm时，磁吸附力下降速度最快，原因是在工作间隙S=0 mm时，永磁铁完全吸附在柱子上，磁力线全部穿过柱子，此时磁力线穿过柱子的面积最大，磁通量最大。当工作间隙为2 mm时，由于该布局方式下在水平方向上永磁铁包围柱子的面积大，因此导致边缘漏磁较多，磁力线穿过柱子的面积急剧减小，从而磁通量快速减小，因此磁吸附力减小也最快。这也是竖排布置时磁吸附力下降速度比横排布置快的原因。当工作间隙>4 mm时，磁吸附力的下降趋势与横排布置时基本相同。

2.2.3 4+10+20+10+4布局方式下工作间隙对磁吸附力的影响

工作间隙仍然取为0～20 mm，等间隔2 mm。分别将每一种工作间隙磁吸附装置的三维模型导入到Ansoft Maxwell的三维磁场模型中，按照上述方法绘制出磁吸附力随工作间隙的变化曲线图。如图7所示。

图7 4+10+20+10+4布局方式下磁吸附力随工作间隙变化曲线图

由图7(a)可以看出，横排布置时磁吸附力随着工作间隙的增大而逐渐减小，磁吸附力从1 424.1 N减小到190.16 N。该曲线的下降趋势与布局方式为8+9+14+9+8横排布置时相同，也就是说磁吸附力的变化与布局方式为8+9+14+9+8横排布置时相同。

由图7(b)可见，竖排布置时磁吸附力随着工作间隙的增大而逐渐减小，磁吸附力从1 467.5 N减小到195.1 N。该曲线的下降趋势与布局方式为8+9+14+9+8永磁铁竖排布置时相同，也就是说磁吸附力的变化与布局方式为8+9+14+9+8竖排布置时相同。

图8 磁吸附力随布局方式变化曲线图

2.3 布局方式对磁吸附力的影响分析

为了研究在工作间隙一定的条件下，布局方式对磁吸附力的影响，其中永磁铁尺寸不变，永磁铁布局方式不变，柱子直径不变。分别研究工作间隙为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm时，哪种布局方式更合理。

当工作间隙一定时，磁吸附力随布局方式的变化曲线如图8所示。

由图8可看出，布局方式对磁吸附力F的大小有明显的影响。当工作间隙20 mm≤S≤10 mm时，布局方式为4+10+20+10+4型永磁铁横排布置时磁吸附力F最大。当工作间隙S>10 mm时磁吸附力基本相同，也就是说当工作间隙越来越大时布局方式已经不是影响磁吸附力的主要因素，此时工作间隙将成为影响磁吸附力的主要因素。因此布局方式可选为4+10+20+10+4型永磁铁横排布置，工作间隙S为2 mm作为参考值。