磁力爬柱機器人磁吸附力分析與仿真研究

趙 童， 王戰(zhàn)中， 孫國翔

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

爬柱機器人屬于特種機器人的一種，在高空作業(yè)領(lǐng)域起著重要的作用，其能在較高建筑物上完成檢測并修補表面缺陷、清理表面污垢、表面噴涂等任務(wù)。首先具有提高作業(yè)效率、降低勞動強度、代替人工完成危險工作等優(yōu)點；其次可廣泛應(yīng)用于高鐵站柱子檢測及修復(fù)、風(fēng)力發(fā)電柱子表面清潔等領(lǐng)域。基于這些優(yōu)點國內(nèi)外專家對于爬柱機器人進行了大量的研究。

在永磁吸附爬柱機器人方面，磁吸附力是至關(guān)重要的。而永磁磁鐵塊的排布方式對磁吸附力有很大的影響。黃忠等[1]采用Ansoft Maxwell軟件建立三維磁場模型并對2塊磁鐵的厚度、工作間隙與軛鐵厚度進行了仿真。宋偉等[2]針對永磁鐵的寬度進行了仿真。陳勇等[3]設(shè)計一種類似H型的變磁力吸附單元并采用Ansys對其磁感應(yīng)強度與磁吸附力進行了仿真。薛珊等[4]采用Ansoft Maxwell軟件建立二維磁場模型，針對磁吸附單元各結(jié)構(gòu)尺寸對吸附力的影響進行了仿真。袁碩等[5]設(shè)計了一種基于Halbach陣列的永磁吸附單元并采用Ansoft Maxwell軟件建立二維磁場模型對其進行了仿真。趙劍坤等[6]針對永磁鐵的磁路與氣隙進行了仿真。

關(guān)于爬柱機器人，目前的文獻大都只針對于永磁鐵的厚度、工作間隙與軛鐵厚度進行研究，忽視了永磁鐵的布局方式對于磁吸附力的影響。因此，為了能夠滿足高鐵站柱子表面檢測及修復(fù)的磁吸附爬柱機器人能夠安全吸附，將磁吸附裝置采用的48塊永磁鐵分為9+10+10+10+9、8+9+14+9+8、4+10+20+10+4這3種布局方式進行仿真研究。通過使用SolidWorks軟件，分別建立3種布局方式的三維模型，并導(dǎo)入到Ansoft Maxwell軟件進行磁吸附力仿真，得到了在相同間隙下3種布局方式的吸力與永磁鐵塊的最佳布局方式及工作間隙。

1 永磁鐵塊布局方式與三維建模

磁吸附裝置采用48塊永磁鐵，每塊永磁鐵長寬高為2 cm×4 cm×1 cm，并將這48塊永磁鐵分為9+10+10+10+9、8+9+14+9+8、4+10+20+10+4這3種布局方式。在SolidWorks中建立每種布局方式的三維模型并導(dǎo)入到Ansoft Maxwell軟件中進行磁力仿真分析。

(1)9+10+10+10+9布局方式。 三維模型如圖1所示。

圖1 9+10+10+10+9布局方式三維模型

(2)8+9+14+9+8布局方式。 三維模型如圖2所示。

圖2 8+9+14+9+8布局方式三維模型

(3)4+10+20+10+4布局方式。 三維模型如圖3所示。

圖3 4+10+20+10+4布局方式三維模型

2 永磁鐵布局方式有限元分析

2.1 選擇材料

磁吸附裝置有限元分析中用到的材料分別為：永磁體、軛鐵、吸附圓柱壁面以及工作間隙介質(zhì)。永磁鐵選為Ansoft Maxwell軟件材料庫中的釹鐵硼，其牌號為35(NdFeBN35)。性能參數(shù)如表1所示。仿真過程中永磁材料的相對磁導(dǎo)率μr=1.099 778 5。

表1 釹鐵硼N35參數(shù)

圖4 磁吸附裝置

圓柱壁面采用純鐵(Iron)。

工作間隙中的介質(zhì)選為空氣，其導(dǎo)磁率μr=1.0。

爬柱機器人吸附裝置如圖4所示。

2.2 工作間隙對磁吸附力的影響分析

為了研究工作間隙對磁吸附力的影響，在3種布局方式下分別取工作間隙為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm進行研究，柱子直徑為300 mm。

2.2.1 9+10+10+10+9布局方式下工作間隙對磁吸附力的影響

2.2.1.1 永磁鐵橫排布置

取工作間隙為0～20 mm，等間隔2 mm。分別將每一種工作間隙的磁吸附裝置的三維模型導(dǎo)入到Ansoft Maxwell的三維磁場模型中進行磁吸附力仿真分析，計算出的每種工作間隙對應(yīng)的磁吸附力如表2所示，將表2的數(shù)據(jù)在Origin軟件中繪制出磁吸附力隨工作間隙的變化曲線圖，如圖5(a)所示。

表2 每種工作間隙對應(yīng)的磁吸附力

由圖5(a)可看出，磁吸附力隨著工作間隙的增大而逐漸減小,磁吸附力從1 000.4 N減小到198.83 N。在工作間隙為0～4 mm時，磁吸附力下降速度很快，原因是在工作間隙S=0 mm時，永磁鐵完全吸附在柱子上，磁力線全部穿過柱子，此時磁力線穿過柱子的面積最大，磁通量最大。當工作間隙為2 mm和4 mm時，由于邊緣漏磁原因，磁力線穿過柱子的面積急劇減小，導(dǎo)致磁通量減小較快，因此磁吸附力減小也很快。當工作間隙S>4 mm時，磁吸附力下降速度減緩，是由于此時磁力線穿過柱子的面積趨于穩(wěn)定，磁通量的變化趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致磁吸附力的下降趨勢減緩。當工作間隙大到一定程度時，磁力線穿過柱子的面積幾乎為0，此時磁吸附力為0。綜合考慮，在磁吸附力滿足要求的前提下，工作間隙不應(yīng)選過小。從曲線圖中可以看出工作間隙S在2～12 mm之間比較合適。

2.2.1.2 永磁鐵豎排布置

同理，將永磁鐵為豎排布置的三維模型導(dǎo)入到Ansoft Maxwell的三維磁場模型中，工作間隙為0～20 mm，等間隔2 mm。將吸附力的仿真數(shù)據(jù)在Origin軟件中繪制成曲線圖，如圖5(b)所示。

圖5 9+10+10+10+9布局方式下磁吸附力隨工作間隙變化曲線圖

從圖5(b)可以看出，磁吸附力隨著工作間隙的增大而逐漸減小,磁吸附力從1 005.3 N減小到192.36 N。工作間隙為0～2 mm時磁吸附力的下降速度比2～4 mm時慢，原因是由于在工作間隙S=0 mm時，永磁鐵完全吸附在柱子上，磁力線全部穿過柱子，此時磁力線穿過柱子的面積最大，磁通量最大，磁吸附力最大。當工作間隙為2 mm時，該布局方式下水平方向上永磁鐵包圍柱子的面積少，因此邊緣漏磁較少，導(dǎo)致磁吸附力下降較慢。當工作間隙逐漸加大到4 mm時，邊緣漏磁較多，磁力線穿過柱子的面積急劇減小，導(dǎo)致磁通量快速減小，磁吸附力減小也較快。因此磁吸附力的下降速度比2 mm時快。當工作間隙大于4 mm時，磁吸附力下降的趨勢與橫排布置時的趨勢基本相同。

2.2.2 8+9+14+9+8布局方式下工作間隙對磁吸附力的影響

工作間隙仍然取為0～20 mm，等間隔2 mm。分別將每一種工作間隙磁吸附裝置的三維模型導(dǎo)入到Ansoft Maxwell的三維磁場模型中，按照上述方法繪制成曲線圖,如圖6所示。

圖6 8+9+14+9+8布局方式下磁吸附力隨工作間隙變化曲線圖

由圖6(a)可看出,磁吸附力隨著工作間隙的增大而逐漸減小,橫排布置時磁吸附力從1 150.6 N下降到191.45 N。該曲線的下降趨勢與布局方式為9+10+10+10+9橫排布置時相同，也就是說磁吸附力的變化與布局方式為9+10+10+10+9橫排布置時相同。

由圖6(b)可看出，豎排布置時磁吸附力隨著工作間隙的增大而逐漸減小,豎排布置時磁吸附力從1 266.9 N減小到187.36 N。在工作間隙為0～2 mm時，磁吸附力下降速度最快，原因是在工作間隙S=0 mm時，永磁鐵完全吸附在柱子上，磁力線全部穿過柱子，此時磁力線穿過柱子的面積最大，磁通量最大。當工作間隙為2 mm時，由于該布局方式下在水平方向上永磁鐵包圍柱子的面積大，因此導(dǎo)致邊緣漏磁較多，磁力線穿過柱子的面積急劇減小，從而磁通量快速減小，因此磁吸附力減小也最快。這也是豎排布置時磁吸附力下降速度比橫排布置快的原因。當工作間隙>4 mm時，磁吸附力的下降趨勢與橫排布置時基本相同。

2.2.3 4+10+20+10+4布局方式下工作間隙對磁吸附力的影響

工作間隙仍然取為0～20 mm，等間隔2 mm。分別將每一種工作間隙磁吸附裝置的三維模型導(dǎo)入到Ansoft Maxwell的三維磁場模型中，按照上述方法繪制出磁吸附力隨工作間隙的變化曲線圖。如圖7所示。

圖7 4+10+20+10+4布局方式下磁吸附力隨工作間隙變化曲線圖

由圖7(a)可以看出，橫排布置時磁吸附力隨著工作間隙的增大而逐漸減小，磁吸附力從1 424.1 N減小到190.16 N。該曲線的下降趨勢與布局方式為8+9+14+9+8橫排布置時相同，也就是說磁吸附力的變化與布局方式為8+9+14+9+8橫排布置時相同。

由圖7(b)可見，豎排布置時磁吸附力隨著工作間隙的增大而逐漸減小，磁吸附力從1 467.5 N減小到195.1 N。該曲線的下降趨勢與布局方式為8+9+14+9+8永磁鐵豎排布置時相同，也就是說磁吸附力的變化與布局方式為8+9+14+9+8豎排布置時相同。

圖8 磁吸附力隨布局方式變化曲線圖

2.3 布局方式對磁吸附力的影響分析

為了研究在工作間隙一定的條件下，布局方式對磁吸附力的影響，其中永磁鐵尺寸不變，永磁鐵布局方式不變，柱子直徑不變。分別研究工作間隙為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm時，哪種布局方式更合理。

當工作間隙一定時，磁吸附力隨布局方式的變化曲線如圖8所示。

由圖8可看出，布局方式對磁吸附力F的大小有明顯的影響。當工作間隙20 mm≤S≤10 mm時，布局方式為4+10+20+10+4型永磁鐵橫排布置時磁吸附力F最大。當工作間隙S>10 mm時磁吸附力基本相同，也就是說當工作間隙越來越大時布局方式已經(jīng)不是影響磁吸附力的主要因素，此時工作間隙將成為影響磁吸附力的主要因素。因此布局方式可選為4+10+20+10+4型永磁鐵橫排布置，工作間隙S為2 mm作為參考值。

3 結(jié)論

(1)運用Ansoft Maxwell中的三維模塊進行仿真分析，得到了在永磁鐵布局方式一定的條件下，工作間隙對磁吸附力的影響較大。無論在哪種布局方式下，隨著間隙的增大，磁吸附力會逐漸減小，當工作間隙S>12 mm時，磁吸附力將會趨于穩(wěn)定。為滿足吸附力的要求，工作間隙選為2 mm比較合適。

(2)研究了當工作間隙一定的條件下，永磁體的布局方式對磁吸附力的影響，對比了3種布局方式的磁吸附力變化曲線圖，發(fā)現(xiàn)永磁鐵的布局方式是影響磁吸附力的重要因素。當工作間隙S<12 mm時，4+10+20+10+4型永磁鐵豎排布置為最合適的布局方式。