1、2006年11 月 电 工 技 术 学 报 Vol.21 No.11 第21卷第11期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Nov. 2006 爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计I B bv“5/ L i 100084 摘要 = C ? 21 p !9 B ? H = V H = V WB #d(hl C E d( F WvBZ T, H8MFKZEy H 9 1o # WZ T s !9LTV #6.2mm f / ?42400N 1l, ? a w q1.5m HC 关键词H9 C d( H K 中图分类号TM153+.1 Optim
2、ization of Permanent-Magnetic Adhesion Device for Wall-Climbing Robot Gui Zhongcheng Chen Qiang Sun Zhenguo Zhang Wenzeng Liu Kang Tsinghua University Beijing 100084 China Abstract To satisfy the requirements on loading ability and maneuverability of the wall-climbing robot for hydraulic turbine bla
3、de repair, a permanent magnetic device with excellent adhesive ability is designed. To reduce the moving resistance of the robot, the adhesive device is non-contact but sticks to the turbine blades surface with a gap. The adhesive device is composed of several sucking units which are arranged and co
4、upled in a special way, and the sucking units are made up of permanent magnets and yokes. A numerical computation model for accurately computing the 3D magnetic field produced by the device is developed by using finite element method. The structural parameters and coupling mode of the adhesive units
5、 are analyzed to optimize the design. Experimental results show that the device takes on excellent adhesive ability with small weight, It can provide sucking force of 2400N with a gap of 6.2mm on the steel plate and can be used on a surface with minimum radius of curvature of 1.5m. Keywords Magnetic
6、 field computation, wall-climbing robot, non-contact adhesion, permanent magnetic adhesion device, finite element 1 引言 爬壁机器人是特种机器人的一种作为一种在恶劣危险极限情况下进行特定作业如焊接检测及喷涂等的一种自动化机械装置越来越受到人们的重视目前爬壁机器人已在核工业石化工业建筑工业消防部门造船业等领域得到了应用1, 2尤其在水轮机叶片修复作业中有良好的应用前景修复作业要求机器人具有强负载能力超过70kg且运动灵活性好可原地转向爬壁机器人负载能力越强要求机器人和爬行壁面的吸附
7、力越大但是这样通常会造成运行阻力增大即爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间是矛盾的 清华大学博士生科研创新基金2004国家自然科学基金50275083高校博士点基金20020003053资助项目 收稿日期 2005-09-22 改稿日期 2006-06-23 万方数据第21卷第11期 I等 爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计 41 为了解决上述矛盾本文提出一种新的方案爬壁机器人采用轮式移动机构永磁吸附装置简称为吸附装置安装在轮式移动机构底盘上且和导磁壁面简称为壁面是非接触的轮式移动机构运动灵活性好非接触吸附方式减小了爬壁机器人运行阻力起到了兼顾负载能力和运动灵活性的效果该方案设计的关键是研制吸附能
8、力强的非接触吸附装置吸附装置由多个吸附单元组成本文对吸附单元磁路形式结构参数及吸附单元间的耦合方式空间关系进行了优化设计以使吸附装置磁能利用率最高 2 吸附装置工作原理及优化准则 2.1 工作原理 爬壁机器人的吸附装置由磁轭和永磁体组成图1所示为非接触磁吸附原理示意图非接触吸附指在吸附装置和壁面之间预留一定的工作气隙 图1 非接触吸附原理示意图 1轮式移动机构 2永磁吸附装置 3磁力线 4导磁壁面 Fig.1 Schematic diagram of non-contact adhesion 吸附装置中的磁性材料包括产生磁通量的永磁材料和引导磁通量的软磁材料轭铁根据水轮机叶片修复现场的工作条件
9、考虑永磁材料磁能积稳定性工作温度韧性等因素选择高性能的稀土永磁材料NdFeB牌号42SH其性能参数如表1所示轭铁材料选用Q235钢 表1 NdFeB 42SH性能参数 Tab.1 Parameters of NdFeB 42SH 牌号 剩磁感应 强度/mT 矫顽力 /(kA m1) 内禀矫顽力 /(kA m1) 最大磁能积 /(kJ m3) 最高工作 温度/ 42SH 1300 1350 963 1600 312 344 150 2.2 优化准则 吸附装置优化设计的目标是使吸附装置产生的漏磁最小即磁能的利用率最大吸附装置优化准则是在一定的工作气隙下使吸附装置提供的吸附力和吸附装置自身重量比值达
10、到最大 如果定义 mmFG = 1 式中 Fm吸时装置在一定气隙下产生的吸附力N Gm吸附装置自重N 则吸附装置的优化转化为求 的最大值 3 吸附装置有限元分析计算 吸附装置磁路结构相对复杂磁性材料呈非线性且吸附装置和叶片表面之间具有较大的气隙采用简单的磁导法计算所得结果与实际情况有较大差异3, 4本文采用有限元方法仿真计算气隙磁场强度和吸附装置吸附力以获得最优的结构参数另外由于吸附装置吸附在叶片表面且爬壁机器人运行速度低约1m/min可近似看作静态磁场 3.1 静态电磁场的求解 3.1.1 数学模型 静态电磁场的求解必须依据麦克斯韦Maxwell方程组介质的本构方程和边界条件5 7静态磁场的
11、Maxwell方程微分形式为 =HJ 2 0=B 3 式中 H磁场强度 J电流密度 B磁感应强度 由于吸附装置涉及的介质是各向同性的故满足 B=H 4 式中 介质磁导率 在静态磁场计算中为求解式2式4引入矢量磁位A使问题简化且 B= A 5 为了保证A的唯一性根据库仑规范Coulomb Gauge有 A=0 6 根据式2式6可得 (1 A)=J 7 在直角坐标系中可将式7展开为 万方数据42 电 工 技 术 学 报 2006年11月 22211()( ) ()( )1( )11()( ) ()( )1( )11()( ) ()( )1( )yxxzxxyyxzyyyx zzzzAAAAyxyz
12、zxJAAAAzyzxxyJAA AAxzxyyzJ = = =AAA8 式8中 222222222222222222222()()()xxxxyyyyzzzzAAAxyzAAAxyzAAAxyz= + += + += + +AAA9 另外根据式5可得 yzxxzyyxzAAByzA ABzxAABxy = =10 式8式10中AxAyAzBxByBz及JxJyJz分别为磁场强度磁感应强度和电流密度在x y及z方向上的分量 根据所研究磁场的实际情况在确定磁场的边界条件之后即可求解式8 3.1.2 电磁力计算 吸附装置优化设计要求计算作用在吸附装置永磁体上的吸附力根据Maxwell张力方法当闭合
13、面S处于均匀且各向同性的介质中时作用在磁体上的合力F可用张力张量T的面积分来计算8即 211d() d2SSTS S= FBnBBn 11 式中 S包围永磁体处于空气介质中的闭合面 n面积dS的外法线方向的单位矢量 B闭合面S上的磁感应强度 空气的磁导率 由式11可知为了计算作用在磁体吸附装置上的吸附力必须用一层空气单元包围磁体 3.2 吸附装置有限元建模 运用有限元分析软件Ansys建立吸附装置的有限元模型分析各变量对吸附装置吸附性能的影响对于Ansys静态磁场分析可以选用二维平面分析或三维实体分析两种方法10二维平面分析建模容易计算速度快但其描述问题有一定的局限性三维实体分析建模较为复杂运
14、算速度较慢但它可以描述任何问题应用范围广由于移动平台吸附装置的复杂性且壁面如水轮机叶片表面是复杂空间曲面其磁路是一种空间结构难以统一到一个平面内因此采用三维分析方法 在三维静态磁场分析中关键是建立合理的材料性能参数和施加合适的边界条件 3.2.1 材料性能参数确定 永磁体吸附装置静态磁场分析涉及的材料有永磁体轭铁壁面以及空气表征材料特性的主要参数有磁导率B-H曲线矫顽力矢量等针对问题所涉及的材料种类可根据实际情况简化 1永磁体 永磁体的材料特性由回复磁导率和矫顽力矢量联合表示根据表1所选材料的磁性能通过简化可得回复磁导率rec=1.06矫顽力矢量沿x y z方向的分量由永磁体的极化方向和材料特
15、性决定 2轭铁与壁面 吸附装置轭铁材料为Q235钢计算中考虑其材料非线性所采用的B-H曲线如图2所示 图2 Q235钢B-H曲线 Fig.2 B-H curve for Q235 由于叶片有效截面积与厚度足够且处于欠饱和工作状态因此在计算中简化为线性材料取相对磁导率r为2000 3空气和气隙 取空气和气隙相对磁导率万方数据第21卷第11期 I等 爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计 43 r=1.0 3.2.2 边界条件 在本吸附装置的三维静态磁场分析中边界条件主要可分为以下几种情况6, 8, 9在空气及其他部件最外缘边界上从工程角度看其一定与某一根磁力线重合因此满足 B n=0 12 式中 n边
16、界外法线方向的单位矢量 若边界和所有穿过它的磁力线都均正交则在此类边界上有 0=An13 在永磁体表面有等效束缚电流JS存在等效束缚电流使得其表面内部介质1和外部介质2的磁场强度不再连续因此满足 n H1H2=JS14 式中 n垂直于界面的单位矢量 H1介质1的磁场强度 H2介质2的磁场强度 且 00SS=JJn 15 式中 J0永磁材料内的剩磁矢量 nS永磁体表面的单位法线矢量 0磁导率常数 除了永磁体表面的不同介质交界线轭铁与永磁体永磁体与空气等两侧的磁场强度相同因此存在 n (H1H2)=0 16 4 计算结果及分析 运用上述方法对吸附单元结构尺寸参数对吸附力的影响进行了分析在此基础上对
17、吸附单元间耦合方式进行了优化 4.1 吸附单元的结构参数分析 在本吸附装置中吸附单元包含两块永磁体和一块轭铁采用图3所示的乙型磁路图中W为永磁体宽度L为吸附单元长度h1为永磁体厚度h2为轭铁厚度M_GAP为两永磁体间距 对在一定气隙下6mm对吸附单元的吸附力随各结构参数的变化规律进行了分析在分析时永磁体宽度W是常量2.5cm且每次只让一个结构参数变化而保持其他参数不变分析结果如图4所示 图3 吸附单元磁路及结构示意图 1轭铁 2永磁体 Fig.3 Magnetic circuit and structure of adhesive unit 如图4a所示吸附单元吸附力和永磁体长度近似成线性关系
18、永磁体长度变化对吸附单元吸附力的影响较大 如图4b所示在永磁体厚度较小时吸附单元吸附力随永磁体厚度增加而增大当永磁体厚度大于0.4 0.6倍的永磁体宽度时永磁体厚度增加对吸附单元吸附力增加的贡献越来越小直至增加永磁体厚度不会对吸附单元所能产生的吸附力产生影响永磁体厚度变化对吸附单元吸附力的影响较大 如图4c所示在轭铁厚度较小时此时轭铁磁饱和吸附单元吸附力随轭铁厚度增加而增大当轭铁厚度大于0.8 1.2倍的永磁体厚度时轭铁厚度增加对吸附单元吸附力增加的贡献越来越小直至增加轭铁厚度不会对吸附单元所能产生的吸附力产生影响这时轭铁远未饱和轭铁厚度变化对吸附单元吸附力的影响较小 如图4d所示在永磁体间距
19、较小时吸附单元吸附力随永磁体间距增加而增大当永磁体间距大于1 1.5倍的工作气隙时间距增加对吸附单元吸附力增加的贡献越来越小直至增加永磁体间距不会对吸附单元所能产生的吸附力产生影响永磁体间距变化对吸附单元吸附力的影响较小 根据分析得出的规律对吸附单元结构参数进行了设计结果如表2所示吸附单元尺寸为5cm 万方数据44 电 工 技 术 学 报 2006年11月 图4 吸附单元吸附力随结构参数变化规律 Fig.4 Relationship between adhesive force and structural parameters 6cm 1.8cm重约0.4kg对吸附单元在不同气隙下的吸附力进
20、行了分析和测量分析结果和测量结果如图5所示计算结果和测量结果吻合较好误差在5%以内 图5 吸附单元吸附力随气隙的变化规律 Fig.5 Relationship between adhesive force and air gap for adhesive unit 表2 吸附单元结构参数选择 Tab.2 Optimized result of structural parameters 单位mm 参数名称 L h1 h2 M_GAP 数值 5 1.0 0.8 1.0 4.2 吸附单元耦合方式优化 吸附装置由多个吸附单元组成吸附单元间的磁路耦合设计就是在一定的空间内采用最合理的方式布置吸附单元以
21、最大限度减小漏磁提高磁能利用率并便于安装和拆卸 吸附单元耦合方式的选择标准是在一定气隙下使 尽可能大同时还要考虑吸附装置的安装空间磁体制造及装配要求考虑到爬壁机器人所运行的叶片表面最小曲率半径为1.5m的实际情况单个吸附装置的表面积须在25cm 25cm以内 各吸附单元排列组合或耦合使得吸附装置上各永磁体磁极按行列交叉布置即相邻磁极的极性互不相同如图6所示在25cm 25cm的面积内对吸附单元几种可能的耦合方式进行了分析计算中气隙为8mm对于图3所示吸附单元之间相互独立吸附单元磁场无耦合的情况计算得 =55.1图6a是2个吸附单元磁场在y向耦合的情况计算得 =59.8图6b是2个吸附单元磁场在
22、x向耦合的情况计算得 =61.7图6c是3个吸附单元磁场在x向耦合的情况计算得 =63.5图6d是4个吸附单元磁场在x y两个方向耦合的情况计算 万方数据第21卷第11期 I等 爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计 45 图6 吸附单元耦合方式分析 Fig.6 Analysis of coupling mode between adhesive units 得 =65.2图6e是6个吸附单元磁场在x y两个方向耦合的情况计算得 =67.4图6f是8个吸附单元采用4邻接方式布置在x y两个方向进行耦合的情况计算得 =67.7 根据上述分析结果结合爬壁机器人应用的实际情况吸附装置可选择图6e或图6f所
23、示的方案也可根据实际情况进行组合图6e 6f所示方案的磁通密度分布分别如图7a 7b所示空气部分未显示 图7 吸附装置磁通密度分布 Fig.7 Results of distribution of magnetic flux density 4.3 吸附装置制造 本文所研制的爬壁机器人样机吸附装置选用的是图6e所示的方案吸附装置由6个吸附单元组成几何尺寸为19.5cm 11.5cm 1.85cm重2.5kg所能提供的吸附力随气隙的变化关系如图8所示经分析得出在设定气隙为6mm的情况下吸附装置能提供2300N的吸附力实际测得在气隙为6.2mm的情况下吸附装置和钢板之间的吸附力为2400N 图8
24、吸附力随气隙的变化 Fig.8 Relationship between adhesive force and air gap for adhesive device 当吸附装置运行在表面是球面壁面叶片表面的极限情况上时若球面是凹面由于局部气隙的增大吸附力将减小导致爬壁机器人负载能力减小若球面是凸面由于局部气隙的减小吸附力将增大有利于爬壁机器人的承载但是会导致机器人移动阻力的增加故需对吸附装置运行在表面是球面上时的吸附力进行分析以保证爬壁机器人在最恶劣工况下的承载能力和运动灵活性满足叶片修复的需要爬壁机器人运行区域的叶片表面最小曲率半径为1.5m左右经分析得出在在设定气隙为6mm的情况下所研制
25、的吸附装置在曲率半径为1.5m的球形壁面的吸附力分别为3470N凸面和1300N凹面基于此所研制的爬壁机器人采用4 6个吸附装置其负载能力和运动灵活性均能满足水轮机叶片修复的需要 5 结论 1根据水轮机叶片修复对爬壁机器人负载能力和运动灵活性的要求提出了非接触永磁吸附方案起到了兼顾负载能力和运动灵活性的效果 2运用有限元方法建立的数值计算模型能够准确分析吸附装置磁场分布和进行磁吸附力计算为吸附装置优化设计提供了依据 3设计并试制了吸附装置实验表明吸附装置在气隙为6.2mm时吸附装置和钢板之间的吸附力为2400N吸附装置自重和体积小吸附能力强适用于曲率半径大于1.5m的壁面满足水轮机叶片万方数据
26、46 电 工 技 术 学 报 2006年11月 修复用爬壁机器人的需要 参考文献 1 Kochan A. Robotics moves onwards and upwardsJ. Industrial Robot, 2003, 30 3 : 225 230 2 Elkmann N, Felsch T, Sack M, et al. Modular climbing robot for service-sector applicationsJ. Industrial Robot, 1999, 26 6 : 460 465 3 Gugta R, Voshino T, Saito V. Finite
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29、人技术与工程应用 电工技术学报英文稿件征稿通知 / X$Ei l c vYF yS= 5 Ezv4S= |? vq“ S =E|K S/T Tg q“Sd 0 e “d# 1 1/ 5 K YTS= oTB1zK 1. K1c1cZET ?y t = zJr1 2. K1 e 1 # 5 3. K = 1 7 i ?CmV 1c T3 4. K = 1 Z4 C = 1S1-T 1 p 1. 31e V 1 L Y p sEVr8 2. T h I/ q T “# “|ms |TB=eT “Z T1 3. -s 5 “TIK11oM1M g HKzMqL , vT g u v22| / I I
30、100037 010-88379848 88379629 Email: 万方数据爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计作者： 桂仲成， 陈强， 孙振国， 张文增， 刘康， Gui Zhongcheng， Chen Qiang， Sun Zhenguo， ZhangWenzeng， Liu Kang作者单位： 清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室,北京,100084刊名： 电工技术学报英文刊名： TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY年，卷(期)： 2006,21(11)被引用次数： 8次参考文献(10条)1.Kochan A Rob
31、otics moves onwards and upwards外文期刊 2003(03)2.Elkmann N;Felsch T;Sack M Modular climbing robot for service-sector applications外文期刊 1999(06)3.Gugta R;Voshino T;Saito V Finite element solution of permenent magnet field外文期刊 1990(02)4.Atsushi N;Kenji K 3-D Finite element analysis of electromagnets with
32、permanent magnet taking into account magnetizingprocess外文期刊 1997(02)5.林为干 电磁场理论 19966.金建铭;王建国;葛德彪 电磁场有限元方法 19987.李泉凤 电磁场数值计算与电磁铁设计 20028.夏平畴 永磁机构 20009.许永兴 电磁场理论及计算 199410.王国强 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 1999本文读者也读过(10条)1. 桂仲成.陈强.孙振国.张文增.GUI Zhongcheng.CHEN Qiang.SUN Zhenguo.ZHANG Wenzeng 爬壁机器人的轮式移动机构的转向
33、功耗期刊论文-清华大学学报（自然科学版）2008,48(2)2. 徐泽亮.马培荪 永磁吸附履带式爬壁机器人转向运动灵活性分析期刊论文-上海交通大学学报2003,37(z1)3. 桂仲成.陈强.孙振国.GUI Zhongcheng.CHEN Qiang.SUN Zhenguo 多体柔性永磁吸附爬壁机器人期刊论文-机械工程学报2008,44(6)4. 桂仲成.陈强.孙振国.张文增.刘康.GUI Zhongcheng.CHEN Qiang.SUN Zhenguo.ZHANG Wenzeng.LIU Kang 水轮机叶片修复机器人的移动平台期刊论文-机械工程学报2006,42(11)5. 李德威 基于
34、钢铁墙壁的永磁吸附爬壁机器人研究学位论文20106. 姜勇.王洪光.房立金.张培锋.赵明扬.JIANG Yong.WANG Hong-guang.FANG Li-jin.ZHANG Pei-feng.ZHAO Ming-yang 一种用于反恐侦察的爬壁机器人系统期刊论文-机器人2006,28(5)7. 张俊强.张华.万伟民.ZHANG Jun-qiang.ZHANG Hua.WAN Wei-min 履带式爬壁机器人磁吸附单元的磁场及运动分析期刊论文-机器人2006,28(2)8. 胡冰山.王立文.付庄.赵言正.HU Bing-shan.WANG Li-wen.ZHAO Yan-zheng.FU
35、 Zhuang 带仿生吸盘的微型爬壁机器人设计及其吸附特性期刊论文-哈尔滨工程大学学报2009,30(9)9. 姜勇.王洪光.房立金.JIANG Yong.WANG Hongguang.FANG Lijin 基于主动试探的微小型爬壁机器人步态控制期刊论文-机械工程学报2009,45(7)10. 吴善强.陈晓东.李满天.孙立宁.WU Shan-qiang.CHEN Xiao-dong.LI Man-tian.SUN Li-ning 爬壁机器人的力学分析与实验期刊论文-光学精密工程2008,16(3)引证文献(8条)1.毛志伟.葛文韬.张伯奇.张华.潘际銮 水下焊接机器人磁块单元的优化设计期刊论文
36、-电焊机 2012(1)2.田录林.贾嵘.杨国清.田琦.李知航.李辉 永磁铁磁贴合体的磁场及磁力期刊论文-电工技术学报 2008(6)3.桂仲成.陈强.孙振国.张文增 爬壁机器人的轮式移动机构的转向功耗期刊论文-清华大学学报（自然科学版） 2008(2)4.李昌海.吴云.佟仕忠.付贵增.了启敏 立式金属罐非接触轮式爬壁检定机器人的研究期刊论文-自动化仪表 2009(10)5.桂仲成.陈强.孙振国 多体柔性永磁吸附爬壁机器人期刊论文-机械工程学报 2008(6)6.陈勇.王昌明.包建东 Halbach型永磁吸附机构的有限元分析及优化期刊论文-高技术通讯 2013(5)7.冉小东.陈世利.曾周末.李笃一.宋建河.艾民连.高振波.褚军 一种用于热媒炉炉膛内清灰爬壁机器人设计期刊论文-化工自动化及仪表 2010(8)8.薛胜雄.任启乐.陈正文.王永强 磁隙式爬壁机器人的研制期刊论文-机械工程学报 2011(21)引用本文格式：桂仲成.陈强.孙振国.张文增.刘康.Gui Zhongcheng.Chen Qiang.Sun Zhenguo.Zhang Wenzeng.Liu Kang 爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计期刊论文-电工技术学报 2006(11)
