基于ANSYS的爬壁機器人永磁輪吸附裝置的設計與優化

王吉岱，辛加旭，孫愛芹，梁茂軒

(山東科技大學機械電子工程學院，青島 266590)

壁面移動機器人自其出現以來就得到了廣泛關注，尤其在船舶壁面、玻璃幕墻清洗等領域，其技術研究取得了長足進步[1-3]。依照吸附方式的差異，機器人可歸為以下幾類：黏著、永磁、真空與負壓方式[4]。針對鋼質壁面，永磁吸附相比較其他模式，在吸附力、負載能力和壁面適應能力等方面有獨特優勢[5]，因此爬壁機器人大部分采用永磁吸附方式。

日本株式會社(NKK)研制了一款可在不同曲率半徑壁面運動的永磁履帶機器人[6]。該機器人的不足之處是結構體積較大，在過渡壁面上行走時易脫落。遼寧石油化工大學研制了一款輪式機器人，該機器人吸附機構鑲在車體內部，機器人移動靈活性得到較大提高[7-8]，但由于永磁體與壁面的接觸面積小，導致吸附力差、負載能力弱。永磁爬壁機器人吸附性能弱阻礙著爬壁機器人的發展。

以爬壁機器人為研究對象，針對吸附力問題展開研究，在永磁吸附原理的基礎上[9]設計了采用永磁體磁極同名相對陣列排布的新型永磁輪，磁利用率得到提高，利用ANSYS 軟件對其展開系統仿真研究[10]，優化磁輪的軛鐵厚度和氣隙長度等影響因素，尋求最優設計方案。

1 永磁輪吸附原理及靜態磁場建模

1.1 永磁輪吸附裝置原理及結構

永磁體之所以產生吸附效應，其實現原理為：這種材料在環境中形成強勁的磁場[11]，在磁場下產生磁力的轉換和傳遞。永磁體的N與S極和軛鐵相接，兩軛鐵之間留有縫隙，永磁體產生的磁力線在軛鐵引導下穿過縫隙形成有效的閉合磁路。當鋼制壁面穿過足夠多的磁感線時，產生的磁能積聚的就越多，鋼制面與兩個軛鐵就會產生越大的吸附力。新型永磁輪磁路排布方式采用磁體N極對N極，S極對S極，其磁路設計原理模型如圖1所示。永磁體其余連接件選用不導磁材料，防止磁力線在內部短路，減弱輪面磁力。借助于Ansys Magnetic-nodal軟件系統對吸附裝置的磁路加以仿真研究，得到多磁體陣列的磁輪磁力線分布情況，如圖2所示。

圖1 磁輪磁路設計原理模型Fig.1 Schematic of design principle of magnetic wheel magnetic circui

圖2 磁輪磁力線分布Fig.2 Distribution diagram of magnetic fieldlines of an array

1.2 靜態磁場建模

Maxwell電磁場理論適用于靜態電磁場，靜態電磁場的影響因素包括磁性材料特性以及磁場的邊界條件。安培全電流定理和高斯定律在靜態電磁場的微分表述為

(1)

(2)

式中：H為磁場強度；J為電流密度；B為磁感應強度。

磁吸附結構中永磁材料、軛鐵及空氣介質均為各項同性，滿足B=μH，其中μ為介質的磁導率，A為輔助矢量磁位，且

B=×A

(3)

為求解后面的磁感應強度，A必須保證為單一值，依據庫侖規則有：

(4)

從物理角度對磁矢量數值單一解進行限制，按照式(1)與式(4)，可以得出：

(5)

聯立式(2)～式(5)可以得到以下的直角坐標系各分量：

(6)

由式(4)和式(6)可得：

(7)

式中：Ax、Ay、Az、Bx、By、Bz、Jx、Jy、Jz分別為磁場、磁感應強度與電流密度在三坐標下的分量。再根據磁路與邊界屬性，對磁場影響因子展開計算。

依據Magnetic-nodal仿真，可以計算該吸附輪與鋼質壁面吸附力，然后按照麥克斯韋張力定理[12]算出具體的吸附力值：

(8)

式(8)中：K為張力張量；S、B分別為磁場空間中介質閉合面以及該面隨意位置的磁感應強度；e為閉合面向外法的單位矢量。上述思想是永磁吸附單元仿真的基礎。

2 永磁輪磁場仿真分析

運用Ansoft-Maxwell對永磁輪進行建模仿真，對磁路磁力線以及磁感應強度分布進行計算，獲得永磁體與相應壁面之間的吸附力。首先對普通永磁輪、大寬度永磁輪和陣列型永磁輪進行建模。在圖3中，Te代表導磁軛鐵厚度，De代表導磁軛鐵直徑，Tc代表永磁體厚度，Dc代表永磁體直徑，Dk代表孔徑，則圖3(b)與圖3(c)磁路整體厚度為4Te+3Tc，不同的是圖3(c)采用磁體磁極同名相對陣列排布，箭頭方向為永磁體充磁方向。

圖3 各磁輪磁體充磁方向示意圖Fig.3 The schematic diagram of the magnetizing direction of each magnetic wheel

啟動并建立一個新的Maxwell3D項目文件，執行菜單命令Solution-Type。其中Tc=8 mm，Dc=80 mm，導磁軛鐵尺寸Te=8 mm，De=90 mm，中間孔徑Dk=45 mm，被吸附工件厚度選取15 mm，考慮鋼制壁面油漆分布不均和灰塵雜質等，設計氣隙為1 mm，如圖4所示。

圖4 Ansoft-Maxwell中的最終模型Fig.4 Thefinal model in Ansoft-Maxwell

磁體材料選用NdFeB35，軛鐵和導磁壁面工件均為Q235，間隙中覆蓋的為空氣，磁導率設定為1，引入三角形法進行網格劃分。依照上述方法，對這幾組磁吸附單元進行計算和求解項，從而得到對應的磁力線分布以及磁感應強度，如圖5～圖7所示。

圖5 單磁體小永磁輪磁力線分布及壁面工件磁感應強度云圖Fig.5 Magnetic field distribution and induction intensity cloud map of wall

圖6 單磁體大永磁輪磁力線分布及壁面工件磁感應強度云圖Fig.6 Magnetic field distribution and induction intensity cloud map of wall

圖7 陣列永磁體磁輪磁力線分布及壁面工件磁感應強度云圖Fig.7 Magnetic field distribution and induction intensity cloud map of wall

在圖5(b)、圖6(b)、圖7(b)中壁面的最大磁感應強度分別為1.12、1.44、1.65 T。用Maxwell張量法得到永磁輪與壁面工件氣隙在1 mm條件下3種磁吸附力分別為Fa=169.46 N，Fb=488.11 N，Fc=635.7 N。結果顯示，在其他條件不變的情況下，永磁體陣列型磁輪比單一的磁利用率更高，吸附力有較大的提高。

3 永磁輪結構優化

3.1 軛鐵厚度優化

在永磁輪設計過程中還要考慮怎樣選擇工作點，即選擇合適的軛鐵厚度，才能使磁路得到最大利用。在永磁體尺寸不變的情況下，將永磁輪的軛鐵厚度分別定義為0、2、4、6、8、10 mm，對永磁輪進行三維磁場靜態磁場仿真，得到對應的磁感應強度云圖，如圖8所示，以及工件Z軸方向所受的吸附力。

圖8 工件壁面磁感應強度云圖Fig.8 Magnetic flux density cloud map of workpiece wall surface

上述仿真數據繪制出磁吸附力隨軛鐵厚度變化的關系如圖9所示，從圖中可以分析出，在其余條件相同的情況下，永磁輪吸附力與軛鐵厚度成正比，當厚度在6 mm之后增速減緩，這時吸附力已經達到臨界飽和點。考慮到軛鐵的強度、剛度、加工性能及機器人整體設計要求，最后軛鐵厚度選取9 mm。

圖9 軛鐵厚度變化對吸附力的影響Fig.9 Effect of change of yoke thickness on adsorption capacity

3.2 氣隙長度優化

鋼質壁面防腐漆涂層的厚度對防腐效果有直接影響，由于加工工藝等原因，鋼制壁面表面除了有油漆之外，還會有凹凸不平的狀況，使吸附輪與壁面間隙具有不均衡性，因此需考慮磁輪和鋼制壁面之間氣隙變化。通過仿真分析，單一永磁吸附單元與陣列型永磁磁吸單元的氣隙長度與吸附力的關系變化如圖10所示，氣隙用L表示，當L在0～1 mm時，磁輪吸附力隨氣隙增大而急劇減小，氣隙超過1 mm之后吸附力隨氣隙變化減緩，當氣隙相同時，新型磁吸單元對于單一吸附模塊有更大的吸附力。

圖10 氣隙變化對吸附力的影響Fig.10 The influence of air gap change on adsorption capacity

3.3 樣機驗證

制作一臺樣機來驗證永磁輪的吸附和負載性能，將機器人吸附在鋼制壁面上，由繩索固定在機器人本體的幾何中心，在繩索的另一端掛上重物。逐漸增加重物的質量，直至機器人本體脫離鋼制壁面，測量重物的質量即為機器人本體所產生的總吸附力。同理在豎直壁面上的機器人上添加重物，直至機器人在鋼制壁面上產生滑動，可得到機器人在豎直壁面上所能產生的摩擦力的大小。為減小測量時的偶然誤差，采用多次測量求取平均值的方法，實驗數據如表1所示。

表1 機器人磁吸附力與摩擦力實驗數據Table 1 Experimental data of total magnetic adsorption force

通過實驗數據可知，總吸附力最大為915 N，最小為855 N，平均值為885 N；摩擦力最大為490 N，最小為400 N，平均值為445 N，機器人質量為18 kg，在正常情況下機器人可在壁面上穩定行走，實物如圖11所示。

圖11 爬壁機器人實物樣機Fig.11 Wall-climbing robot physical prototype

4 結論

(1)對設計的陣列型永磁磁吸結構利用Ansoft-Maxwell進行三維磁場仿真分析，得到在不同條件下各永磁輪吸附與鋼制壁面之間產生的磁吸附力數據及磁通密度矢量圖，仿真以及實驗數據驗證了陣列型永磁輪設計是合理的。

(2)優化永磁輪，在永磁體整體結構尺寸不變的前提下，為了使磁輪盡可能輕量化，對軛鐵厚度進行優化，通過對不同軛鐵厚度的仿真，得到在滿足剛度強度的前提下，得到最小的軛鐵厚度；同時也對永磁輪與鋼制壁面間氣隙進行數值仿真，得到不同氣隙對磁吸附力的影響，進而為爬壁機器人的相關計算提供支持。