apdl语言的新型磁吸附单元设计优化
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 磁吸附式爬壁机器人及其吸附单元国内外研究概况 1
1.2.1 国外研究概况 1
1.2.2 国内研究概况 3
1.3 Halbach永磁阵列 4
1.3.1 Halbach永磁阵列的结构特性 4
1.3.2 Halbach永磁阵列的发展概况和应用领域 5
1.4 课题研究的主要内容 5
2. 新型磁吸附单元设计 6
2.1 新型磁吸附单元设计的任务 6
2.2 新型磁吸附单元材料的选择 6
2.2.1 永磁材料的选择 6
2.2.2 软磁材料的选择 7
2.3 两种新型磁吸附单元结构及工作原理 7
3. 磁性能的有限元分析 9
3.1 有限元数学模型的建立 9
3.1.1 磁场的有限元数学模型 9
3.1.2 磁吸附力的计算 10
3.2 有限元求解过程以及结果分析 10
3.2.1 ANSYS有限元分析软件介绍 10
3.2.2 两种新型磁吸附单元有限元分析与比较 10
4. APDL语言优化设计 18
4.1 APDL参数语言介绍 18
4.2 优化设计模型 18
4.2.1 优化目标 18
4.2.2 优化变量 18
4.2.3 优化方法和优化工具 19
4.3 优化求解与结果分析 19
4.4 优化原则 24
5. 实验验证 25
5.1 实验目的 25
5.2 实验仪器 25
5.3 实验操作及结果分析 26
6. 总结 28
参考文献 29
致谢 30
1. 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
自2001年以来，爬壁机器人在各行各业中的应用和发展已经越来越广泛，对它的开发研究技术与应用也成为衡量一个国家综合实力和科学技术水平高低的主要
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
评判指标。常见的爬壁机器人可分为真空吸附和磁吸附两种。磁吸附方式相对于真空吸附方式，有着负载能力强、安全系数高和壁面适应能力强等优势。目前磁吸附式爬壁机器人已在造船业、建筑工业、核工业、消防部门等领域得到了应用，并逐步为侦察爆破等特殊军事反恐任务服务。为了使其结构得到改进的同时性能得到提升，对磁吸附式爬壁机器人的研究已成为机器人技术发展与进步的热点之一，越来越受到人们的重视[13]。
永磁吸附单元是磁吸附式爬壁机器人的核心部件，其磁性能的优劣直接影响着爬壁机器人的性能好坏。目前，如何在提高磁吸附单元吸附力的同时保持爬壁机器人运动的灵活性，如何合理地设计最佳磁路以提高永磁利用率和如何解决吸力大而卸载难的问题，是其研究的热点和难点[4]。因此，通过对永磁吸附单元结构参数的改进来解决上述问题是十分必要且具有重大意义的。本文针对这些问题，对一种基于直线型Halbach永磁阵列的新型磁吸附单元展开研究，优化了它的结构参数。
1.2 磁吸附式爬壁机器人及其吸附单元国内外研究概况
1.2.1 国外研究概况
世界机器人大国日本在磁吸附式机器人研究方面作出了巨大的贡献[5]。日本应用技术研究所成功开发出了一种车轮式磁吸附爬壁机器人。如图1.1所示，这种爬壁机器人靠磁性车轮作为它的磁吸附单元对壁面产生吸附力，它可以代替人在船舶、油罐、球形煤气罐等大型构造物的壁面上工作。其主要优点是：行走迅速的同时能保持良好的稳定性，最大速度可达；可以在各类壁面上工作且对壁面的油漆不造成刮损[6]。1984年，日立制作所的佐藤主税和内藤绅司等人研制成如图1.2所示的步行式磁吸附爬壁机器人,这种爬壁机器人的磁吸附单元采用永磁体,并设计成了八只脚的样式如图1.3所示。在行走过程中，外侧四只脚与内侧四只脚交替吸附在壁面上。但其也存在缺点 ,它的丝杠在电机驱动下的移动速度比较缓慢[7]。1989年日本东京工业大学的宏獭茂男等研制了吸盘式磁吸附爬壁机器人，其磁吸附单元结构如图1.4所示，吸盘中的永磁体作为磁吸附单元与壁面形成一个倾斜角,吸盘依然会对壁面产生很大的磁吸附力。每个电动机分别驱动一个吸盘使吸盘运动,爬壁机器人也随之移动[9]。
图1.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 图1.2 步行式磁吸附爬壁机器人
图1.3 八足式爬壁机器人磁吸附单元 图1.4 吸盘式爬壁机器人磁吸附单元
西班牙、美国、英国、加拿大、瑞士等国也对其展开了深入研究。1990年，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所经过不懈努力，终于开发出了一种六足式磁吸附爬壁机器人，该机器人为磁吸附式。如图1.5所示，其足底安装的电磁体作为磁吸附单元实现吸附，腿部的三个自由度保证了运动的灵活性。该机器人的静载荷比较大，它的应用领域主要集中在船舶行业[10]。美国于1997年研制开发出了一种履带式磁吸附爬壁机器人，被称作“Auto Crawler”。如图1.6所示，其两条履带上分别装有两排交错排布的永磁体，这两排永磁体构成了机器人的磁吸附单元。随着履带的移动，使得履带紧贴壁面[11]。2005年英国多个学者合作研制出了四足式磁吸附爬壁机器人“Robug IIs”。如图1.7所示，该机器人的优点是：高度智能化；自由度高；具有自动寻迹功能；相对于六足式结构得到了简化，性能得到提升[12]。加拿大研制的履带式磁吸附爬壁机器人“Magnetic Crawler”如图1.8所示。该机器人可以潜入水下深处工作，移动速度可达到。在机器人的前后都安装有高清探头，可对大型罐体和压力容器等进行检测。它的结构尺寸为，自身重量只有[13]。2011年瑞士机器人研究所开发出的一种小型磁吸附履带式爬壁机器人，为了减轻机器人的重量，它采用了镶嵌有永磁铁的同步履带作为磁吸附单元，其大小仅为。利用平面过渡结构，能够实现三维空间内的移动[14]。
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 磁吸附式爬壁机器人及其吸附单元国内外研究概况 1
1.2.1 国外研究概况 1
1.2.2 国内研究概况 3
1.3 Halbach永磁阵列 4
1.3.1 Halbach永磁阵列的结构特性 4
1.3.2 Halbach永磁阵列的发展概况和应用领域 5
1.4 课题研究的主要内容 5
2. 新型磁吸附单元设计 6
2.1 新型磁吸附单元设计的任务 6
2.2 新型磁吸附单元材料的选择 6
2.2.1 永磁材料的选择 6
2.2.2 软磁材料的选择 7
2.3 两种新型磁吸附单元结构及工作原理 7
3. 磁性能的有限元分析 9
3.1 有限元数学模型的建立 9
3.1.1 磁场的有限元数学模型 9
3.1.2 磁吸附力的计算 10
3.2 有限元求解过程以及结果分析 10
3.2.1 ANSYS有限元分析软件介绍 10
3.2.2 两种新型磁吸附单元有限元分析与比较 10
4. APDL语言优化设计 18
4.1 APDL参数语言介绍 18
4.2 优化设计模型 18
4.2.1 优化目标 18
4.2.2 优化变量 18
4.2.3 优化方法和优化工具 19
4.3 优化求解与结果分析 19
4.4 优化原则 24
5. 实验验证 25
5.1 实验目的 25
5.2 实验仪器 25
5.3 实验操作及结果分析 26
6. 总结 28
参考文献 29
致谢 30
1. 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
自2001年以来，爬壁机器人在各行各业中的应用和发展已经越来越广泛，对它的开发研究技术与应用也成为衡量一个国家综合实力和科学技术水平高低的主要
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
评判指标。常见的爬壁机器人可分为真空吸附和磁吸附两种。磁吸附方式相对于真空吸附方式，有着负载能力强、安全系数高和壁面适应能力强等优势。目前磁吸附式爬壁机器人已在造船业、建筑工业、核工业、消防部门等领域得到了应用，并逐步为侦察爆破等特殊军事反恐任务服务。为了使其结构得到改进的同时性能得到提升，对磁吸附式爬壁机器人的研究已成为机器人技术发展与进步的热点之一，越来越受到人们的重视[13]。
永磁吸附单元是磁吸附式爬壁机器人的核心部件，其磁性能的优劣直接影响着爬壁机器人的性能好坏。目前，如何在提高磁吸附单元吸附力的同时保持爬壁机器人运动的灵活性，如何合理地设计最佳磁路以提高永磁利用率和如何解决吸力大而卸载难的问题，是其研究的热点和难点[4]。因此，通过对永磁吸附单元结构参数的改进来解决上述问题是十分必要且具有重大意义的。本文针对这些问题，对一种基于直线型Halbach永磁阵列的新型磁吸附单元展开研究，优化了它的结构参数。
1.2 磁吸附式爬壁机器人及其吸附单元国内外研究概况
1.2.1 国外研究概况
世界机器人大国日本在磁吸附式机器人研究方面作出了巨大的贡献[5]。日本应用技术研究所成功开发出了一种车轮式磁吸附爬壁机器人。如图1.1所示，这种爬壁机器人靠磁性车轮作为它的磁吸附单元对壁面产生吸附力，它可以代替人在船舶、油罐、球形煤气罐等大型构造物的壁面上工作。其主要优点是：行走迅速的同时能保持良好的稳定性，最大速度可达；可以在各类壁面上工作且对壁面的油漆不造成刮损[6]。1984年，日立制作所的佐藤主税和内藤绅司等人研制成如图1.2所示的步行式磁吸附爬壁机器人,这种爬壁机器人的磁吸附单元采用永磁体,并设计成了八只脚的样式如图1.3所示。在行走过程中，外侧四只脚与内侧四只脚交替吸附在壁面上。但其也存在缺点 ,它的丝杠在电机驱动下的移动速度比较缓慢[7]。1989年日本东京工业大学的宏獭茂男等研制了吸盘式磁吸附爬壁机器人，其磁吸附单元结构如图1.4所示，吸盘中的永磁体作为磁吸附单元与壁面形成一个倾斜角,吸盘依然会对壁面产生很大的磁吸附力。每个电动机分别驱动一个吸盘使吸盘运动,爬壁机器人也随之移动[9]。
图1.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 图1.2 步行式磁吸附爬壁机器人
图1.3 八足式爬壁机器人磁吸附单元 图1.4 吸盘式爬壁机器人磁吸附单元
西班牙、美国、英国、加拿大、瑞士等国也对其展开了深入研究。1990年，西班牙马德里CSIC大学工业自动化研究所经过不懈努力，终于开发出了一种六足式磁吸附爬壁机器人，该机器人为磁吸附式。如图1.5所示，其足底安装的电磁体作为磁吸附单元实现吸附，腿部的三个自由度保证了运动的灵活性。该机器人的静载荷比较大，它的应用领域主要集中在船舶行业[10]。美国于1997年研制开发出了一种履带式磁吸附爬壁机器人，被称作“Auto Crawler”。如图1.6所示，其两条履带上分别装有两排交错排布的永磁体，这两排永磁体构成了机器人的磁吸附单元。随着履带的移动，使得履带紧贴壁面[11]。2005年英国多个学者合作研制出了四足式磁吸附爬壁机器人“Robug IIs”。如图1.7所示，该机器人的优点是：高度智能化；自由度高；具有自动寻迹功能；相对于六足式结构得到了简化，性能得到提升[12]。加拿大研制的履带式磁吸附爬壁机器人“Magnetic Crawler”如图1.8所示。该机器人可以潜入水下深处工作，移动速度可达到。在机器人的前后都安装有高清探头，可对大型罐体和压力容器等进行检测。它的结构尺寸为，自身重量只有[13]。2011年瑞士机器人研究所开发出的一种小型磁吸附履带式爬壁机器人，为了减轻机器人的重量，它采用了镶嵌有永磁铁的同步履带作为磁吸附单元，其大小仅为。利用平面过渡结构，能够实现三维空间内的移动[14]。
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