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        基于Halbach陣列的爬壁機(jī)器人磁吸附研究*

        2020-11-04 01:29:46鐘舜聰伏喜斌徐宗煌黃學(xué)斌
        機(jī)電工程 2020年10期
        關(guān)鍵詞:爬壁吸附力磁感線

        劉 峰,鐘舜聰,3*,伏喜斌,陳 曼,徐宗煌,黃學(xué)斌

        (1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福建 福州 350108;2.廈門市特種設(shè)備檢測院,福建 廈門 361000;3.上海大學(xué) 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

        0 引 言

        爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),不僅能夠在地面上移動(dòng),還可以在傾斜或垂直的壁面上運(yùn)動(dòng)并完成預(yù)定的工作和任務(wù)[1-2]。針對大型油罐、船舶等鐵磁性表面的清潔、檢測等工作,往往使用磁吸附爬壁機(jī)器人進(jìn)行操作,永磁吸附因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、吸附力大、無需消耗能量等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在該類爬壁機(jī)器人上。目前研究較多的磁吸附爬壁機(jī)器人是永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人。對比非接觸式磁吸附爬壁機(jī)器人,這種爬壁機(jī)器人將永磁體嵌入在履帶中,具有吸附面積大、吸附穩(wěn)定、壁面適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

        為最大限度發(fā)揮磁性材料性能,提高吸附效率,需要對吸附裝置的磁路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。桂仲成等[4]設(shè)計(jì)了一種非接觸式的吸附單元,吸附單元由一塊軛鐵和若干塊永磁鐵組成,軛鐵用于引導(dǎo)磁感線,能夠提供較強(qiáng)的吸附力;但該結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量較大的軛鐵,導(dǎo)致吸附效率較低。胡紹杰[5]、黃忠等人[6]采用兩塊永磁體加軛鐵的組合方式設(shè)計(jì)了磁吸附單元,中間加入了隔磁材料增加吸附效率,并將吸附單元整合進(jìn)履帶中,使吸附更加穩(wěn)定;但還是存在吸附力較弱的問題。陳勇[7]、沈青青等人[8]將Halbach永磁陣列運(yùn)用到非接觸式磁吸附爬壁機(jī)器人中,磁能利用率較前面的吸附單元有較大提高;但非接觸式爬壁機(jī)器人對壁面形狀適應(yīng)能力較差,只適合小型輕載爬壁機(jī)器人。閆晨飛等人[9]研究了一種變磁化方向磁體組合的永磁吸附裝置,該裝置由若干個(gè)磁化方向不同的永磁體緊密排列而成,這些永磁體的磁化方向首尾相連構(gòu)成了環(huán)形;相較采用Halbach陣列排布的永磁吸附單元,吸附力得到了進(jìn)一步提高,但由于該裝置的磁體磁化方向較多,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難。

        結(jié)合接觸式永磁履帶爬壁機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)和Halbach磁能利用率大的特點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)新型的履帶式爬壁機(jī)器人永磁吸附單元,采用Ansoft Maxwell對吸附單元磁感應(yīng)強(qiáng)度和吸附力進(jìn)行模擬仿真計(jì)算,分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁吸附性能的影響,并優(yōu)化其結(jié)構(gòu),提升吸附效率。

        1 磁吸附單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        Halbach永磁體陣列最早由美國的Klaus Halbach教授提出,現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在電機(jī)設(shè)計(jì)中,它是指將不同充磁方向的永磁體按照一定規(guī)律排列,能夠在磁體的一側(cè)匯聚磁力線,使該側(cè)表現(xiàn)出強(qiáng)磁性,另一側(cè)為弱磁性[10]。

        筆者設(shè)計(jì)了新型的磁吸附單元,如圖1所示。

        圖1 新型磁吸附單元

        圖1中,新型的磁吸附單元由連接板、軛鐵、Halbach永磁體陣列和套殼等結(jié)構(gòu)組成,其中的Halbach永磁體陣列和軛鐵組成吸附模塊,產(chǎn)生吸附力。磁吸附單元固定在鏈節(jié)上,各個(gè)鏈節(jié)連接磁吸附單元形成磁吸附履帶后提供爬壁機(jī)器人所需的吸附力。由于磁鐵屬于脆性材料,抗沖擊性能較差,故采用鋁制的連接板和套殼保護(hù)內(nèi)部的永磁體陣列,避免磁體和吸附壁面直接接觸,減少運(yùn)動(dòng)過程對磁體的沖擊。在傳統(tǒng)Halbach陣列的基礎(chǔ)上,在弱磁側(cè)加入了軛鐵,能夠引導(dǎo)弱磁側(cè)的磁感線,減少磁場外泄,進(jìn)一步增大強(qiáng)磁側(cè)磁性。

        永磁材料采用稀土永磁材料釹鐵硼(NdFeB)。釹鐵硼具有矯頑力Hc大、剩磁Br大、磁滯回線所包圍的面積大的特點(diǎn),表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性,且磁性較為穩(wěn)定。選用NdFeB系列中的N35作為永磁材料。

        NdFeBN35性能參數(shù)[11]如表1所示。

        表1 NdFeB N35性能參數(shù)

        軛鐵主要起引導(dǎo)磁感線的作用,故應(yīng)具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、較大的磁導(dǎo)率和較小的矯頑力,本研究選取Q235鋼作為軛鐵材料。

        2 吸附力有限元模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        2.1 有限元模擬仿真

        鋁的相對磁導(dǎo)率和空氣近似相等,故在進(jìn)行有限元模擬時(shí),筆者將磁吸附單元外部起保護(hù)和固定作用的鋁套殼等結(jié)構(gòu)省略,建立了吸附力分析模型,如圖2所示。

        圖2 吸附力分析模型

        圖2中,吸附力分析模型內(nèi)的永磁體陣列由5個(gè)正方體磁體組成,按照Halbach陣列進(jìn)行排列,各磁體的磁化方向從左至右依次沿+z、+y、-z、-y和+z方向,尺寸均為10 mm×10 mm×10 mm。磁體陣列和壁面之間存在一定高度的空氣間隙,厚度為2 mm。壁面材料為Q235鋼,尺寸為60 mm×140 mm×10 mm。

        筆者使用Ansoft Maxwell創(chuàng)建三維模型,添加材料參數(shù),設(shè)置邊界條件和計(jì)算方法,對該模型進(jìn)行磁路仿真,得到中間截面的有限元模擬結(jié)果圖,如圖3所示。

        圖3 中間截面的有限元模擬結(jié)果圖

        由圖3可以看出:(1)磁化方向垂直于壁面的磁體產(chǎn)生的磁感線,通過空氣氣隙進(jìn)入壁面再回到磁體,產(chǎn)生吸附力;磁化方向平行于壁面的磁體主要起到引導(dǎo)磁感線向平行壁面方向匯聚的作用,使磁感線在靠近壁面一側(cè)形成回路,從而加大強(qiáng)磁側(cè)的吸附力;

        (2)空氣氣隙和壁面中的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對于弱磁側(cè)較強(qiáng),但弱磁側(cè)附近的空氣中仍存在一定的磁場泄漏。為解決這一問題,在傳統(tǒng)的Halbach陣列基礎(chǔ)上加入軛鐵,引導(dǎo)磁感線,減少磁場泄漏。其中,軛鐵尺寸為50 mm×10 mm×3 mm。

        對新的模型進(jìn)行有限元仿真,得到加入軛鐵后的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,如圖4所示。

        圖4 加入軛鐵后的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

        從圖4中可以看出,在軛鐵的引導(dǎo)下,Halbach陣列上部的漏磁場經(jīng)過軛鐵引導(dǎo),重新進(jìn)入磁體中,弱磁側(cè)的磁場泄漏明顯減少。

        2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證有限元模擬的正確性,筆者設(shè)計(jì)了磁吸附力測量實(shí)驗(yàn),如圖5所示。

        圖5 磁吸附力測量實(shí)驗(yàn)

        在圖5中,為避免磁體因存在間隙而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差,在磁體裝夾裝置側(cè)邊加入了螺栓,從永磁體陣列兩邊夾緊,使磁體緊密接觸;將實(shí)驗(yàn)裝置安裝在拉力機(jī)上,改變氣隙厚度大小,測量不同氣隙厚度下的吸附力大小。

        通過改變氣隙厚度,計(jì)算吸附力大小,吸附力的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

        圖6 吸附力模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        從圖6可以看出:(1)模擬仿真和實(shí)驗(yàn)中測量的吸附力隨著空氣氣隙厚度的增大都呈現(xiàn)遞減的趨勢,并且減小的趨勢逐漸減緩;兩組數(shù)據(jù)基本吻合,有較好的一致性,能夠驗(yàn)證有限元模擬的準(zhǔn)確性;

        (2)在氣隙厚度較小時(shí),模擬結(jié)果略大于實(shí)驗(yàn)測量數(shù)值,存在一定偏差,主要原因可能是實(shí)驗(yàn)采用的永磁體不是標(biāo)準(zhǔn)的立方體,存在圓角,會(huì)降低吸附力;同時(shí),由于外部固定裝置的加工和裝配原因,實(shí)驗(yàn)過程中不能保證吸附單元內(nèi)永磁體陣列底面和壁面完全平行;

        (3)當(dāng)氣隙厚度大于7 mm時(shí),此時(shí)吸附力較小,均在10 N以下,且實(shí)驗(yàn)測量數(shù)值略大于模擬結(jié)果,其原因可能是在進(jìn)行吸附力實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)吸附距離增大到一定數(shù)值后,磁體產(chǎn)生的吸附力較小,拉力機(jī)上臂提升過程中產(chǎn)生的振動(dòng),使實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果間產(chǎn)生較大偏差。

        3 磁吸附單元結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

        筆者提出的新型吸附結(jié)構(gòu)單元中,吸附單元及尺寸參數(shù)如圖7所示。

        圖7中,吸附單元由外部的固定結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的吸附模塊組成,其中,吸附模塊包含了Halbach永磁體陣列和軛鐵,Halbach永磁體陣列為對稱結(jié)構(gòu)。吸附單元的吸附力主要由其中的吸附模塊提供。

        為探究吸附模塊各結(jié)構(gòu)尺寸對吸附力和吸附效率的影響,筆者采用控制變量法,在保證其他尺寸不變的情況下,對某一尺寸進(jìn)行分析,探究其大小對吸附力的影響情況。

        各尺寸初始值如表2所示。

        圖7 吸附單元及尺寸參數(shù)a1-磁體A1的寬度;a2-磁體A2的寬度;a3-磁體A3的寬度;h-磁體的高度;b-磁體的厚度;t-軛鐵的高度

        尺寸a1a2a3hbt初始值/mm10101010103

        吸附單元優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使吸附單元的吸附效率最大,其優(yōu)化準(zhǔn)則即是在一定的空氣氣隙厚度下,使吸附單元單位重量產(chǎn)生的吸附力最大化。

        定義單位重量吸附力λ為:

        (1)

        式中:λ—單位重量吸附力,N/kg;Fm—吸附單元在一定氣隙厚度下產(chǎn)生的吸附力,N;G—吸附單元重量,kg。

        為使吸附效率最大,則λ應(yīng)取得最大值。

        筆者采用Ansoft Maxwell中的參數(shù)化掃描模塊,對吸附模塊各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行參數(shù)化掃描分析,結(jié)果如圖8所示。

        圖8 參數(shù)化掃描分析結(jié)果

        如圖8(a)所示,在磁體A1的寬度a1由0開始變大到30 mm過程中,吸附力隨之增大,近似呈線性關(guān)系,吸附力Fm由55 N增長至120 N。單位重量吸附力λ在磁體A1的寬度a1=20 mm時(shí)到達(dá)最大值為939 N/kg,然后呈緩慢下降趨勢。由此可知,磁體A1的寬度對吸附力大小影響較大,但單位重量吸附力存在最大值。結(jié)果表明:磁化方向垂直于吸附壁面的磁體,其主要作用是產(chǎn)生吸附力,其寬度對吸附力和吸附效率影響較大,寬度越大,提供的吸附力越大,但寬度超過一定的值后,吸附效率增長較慢或緩慢下降。

        如圖8(b)所示,在磁體A2的寬度a2從0變化到10 mm的過程中,吸附力從40 N變?yōu)?5 N,隨后保持不變。單位重量吸附力λ在a2=6 mm時(shí)到達(dá)峰值,并隨著a2繼續(xù)增大而急劇下降。由此可見,磁體A2的寬度a2存在一個(gè)臨界值,超過此值后吸附力趨于最大值,單位重量吸附力則會(huì)迅速下降??梢缘贸鼋Y(jié)論:磁化方向平行于吸附壁面的磁體的主要作用是引導(dǎo)磁感線轉(zhuǎn)向平行壁面方向,當(dāng)其寬度增大到某一臨界值后,引導(dǎo)的磁感線趨于飽和,寬度繼續(xù)增大后對吸附力大小影響較小,反而導(dǎo)致單位重量吸附力變小,吸附效率下降。

        如圖8(c)所示,隨著磁體A3的寬度a3增大,吸附力近似呈線性關(guān)系增長,單位重量吸附力達(dá)到最大值后緩慢下降。其對吸附力和單位重量吸附力的影響與磁體A1類似,作為磁化方向垂直于吸附壁面的磁體,主要作用是產(chǎn)生吸附力,其寬度越大,吸附力越大,吸附效率越高。

        如圖8(d)所示,隨著磁體高度h的增加,吸附力在h=13 mm后增長速率開始放緩,吸附力趨于最大值,單位重量吸附力λ在h=10 mm時(shí)達(dá)到最大值873 N/kg,而后逐漸下降。由此可見,磁體高度也存在一個(gè)臨界值,超過此值后,進(jìn)入壁面的磁感線數(shù)量趨于飽和,導(dǎo)致吸附力趨于某一最大值,單位重量吸附力隨著磁體高度h的增大、吸附單元重量的增加,會(huì)逐漸減小,吸附效率降低。

        如圖8(e)所示,隨著磁體厚度b的增加,吸附力和單位重量吸附力都呈上升趨勢,但單位重量吸附力的上升速率逐漸放緩。磁體厚度b對吸附力Fm和單位重量吸附力λ的影響都較大,與吸附力近似成正比關(guān)系。

        如圖8(f)所示,隨著軛鐵高度t的增大,吸附力緩慢增加,t達(dá)到2 mm后,吸附力逐漸穩(wěn)定在90 N附近,單位重量吸附力逐漸減小??梢钥闯?,軛鐵高度t增大到一定數(shù)值后,導(dǎo)通的磁感線飽和,吸附力達(dá)到最大值,且和其他參數(shù)相比,軛鐵高度t對吸附力的提升貢獻(xiàn)較小,故軛鐵高度t的值不能太大,否則影響吸附效率。

        為使吸附效率最大,針對上述各結(jié)構(gòu)外形尺寸分析結(jié)果,筆者選取最優(yōu)的尺寸,代入到有限元模型中,分析其在空氣氣隙厚度為2 mm的情況下吸附力Fm和單位重量吸附力λ的大小。

        優(yōu)化前后各尺寸及計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        表3結(jié)果顯示:優(yōu)化后單位重量吸附力值由881 N/kg提升至1 413 N/kg,提升率為60.45%,吸附效率得到了較大提高。

        4 結(jié)束語

        針對履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人,筆者設(shè)計(jì)了新型的磁吸附單元,采用Halbach永磁陣列排布永磁體,配合軛鐵減少磁泄漏,增大了吸附力。對磁吸附單元中吸附模塊的多個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:

        (1)磁化方向垂直于吸附壁面的磁體主要起產(chǎn)生吸附力的作用,其寬度對吸附力和吸附效率均有較大貢獻(xiàn);

        (2)磁化方向平行于吸附壁面的磁體主要起引導(dǎo)磁感線的作用,其寬度超過某一值后,引導(dǎo)的磁感線趨于飽和,吸附力趨于最大值,繼續(xù)增大其寬度會(huì)導(dǎo)致吸附效率下降;

        (3)磁體陣列的厚度越大,其吸附力和吸附效率也越大。磁體高度大于一定的值后,吸附力增長緩慢,吸附效率下降。軛鐵對吸附力有較小提升。

        結(jié)合以上結(jié)論,筆者針對吸附效率進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,模擬結(jié)果顯示,磁吸附效率得到了較大提高。

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