磁吸附单元结构与磁性能关系研究
爬壁机器人作为一种能在恶劣、危险、极限情况下作业的高科技产品，在众多领域得到了应用。磁吸附爬壁机器人以其稳定的吸附力，良好的负载能力，在核工业、石化工业的储蓄罐的检测和维修上发挥了巨大的作用。而现有的负载能力强的磁吸附爬壁机器人往往存在着灵活性差且移动速度慢的缺点。针对上述问题，本文将研究一种新型的磁吸附单元。通过建立吸附单元的二维数学模型，对磁感应强度和磁吸附力进行有限元分析计算。使用ANSYS分析了不同的结构参数对吸附单元的变磁力效果、气隙磁感应强度、磁场强度、单位体积吸附力的影响，并对永磁体的结构尺寸进行了优化设计。通过实验结果表明，按照优化的参数制作的磁吸附单元在一定气隙下最大吸附力能达到232.5N，比优化前提高了50N左右，单位体积吸附能力也得到了显著的提升。
关键词：爬壁机器人 Halbach阵列 磁吸附单元 ANSYS 结构参数 M000145
Research on the relations of structure parameters and magnetic performance of the new magnetic adsorption unit
Wall climbing robot is a kind of high-tech product which can work in harsh, dangerous, extreme conditions, this is why it has been applied in many fields. Magnetic wall climbing robot adsorption to force its stable, excellent load-carrying ability, has played a significant role in the detection and repair piggy petrochemical industry, the nuclear industry. While the existing load magnetic adsorption capacity of the wall climbing robot often has bad flexibility and slower moving. Appeal against the problem, this paper will discover a magnetic adsorption element model. Through a two-dimensional mathematical model of adsorption unit, the finite element analysis of the magnetic induction intensity and magnetic adsorption force calculation. Effect of using ANSYS analysis of the variable magnetic effect, different structural parameters on the adsorption unit of air gap magnetic induction, magnetic field strength, adsorption capacity per unit volume, and the structure size of the permanent magnet is optimized. The experimental results show that, in accordance with the magnetic adsorption unit production optimization of parameters in a certain gap under the maximum adsorption capacity can reach 232.5N, this improves the fifty cattle than before optimization, the unit volume adsorption capacity has been significantly improved.
Keywords：Climbing robot; Halbach array; Magnetic adsorption unit; ANSYS;Structural parameters
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1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 永磁吸附式爬壁机器人概况 1
1.2.1 国外发展概况 2
1.2.2 国内发展概况 3
1.3 本文研究内容 5
2 新型磁吸附单元 6
2.1 磁吸附单元的基本结构 6
2.2 磁吸附单元的吸附原理 6
2.3磁场的有限元分析 7
3 磁吸附单元结构参数的优化 11
3.1 优化参数及准则 11
3.2 ANSYS优化过程和结果分析 11
3.2.1 阵列波数对磁性能的影响 14
3.2.2 磁轭厚度对磁性能的影响 19
3.2.3 永磁体结构尺寸对磁性能的影响 20
4 实验验证优化结果 24
4.1 实验内容和目的 24
4.2 实验器材 24
4.3 实验方法和步骤 24
4.4 实验结果及处理分析 26
5 总结与分析 30
参考文献 31
1 绪论
1.1 课题背景 查看完整请+Q:351916072获取
在现代工业的很多领域，很多作业工作环境恶劣操作难度大，使用人工无法完成或效率太低。爬壁机器人作为一种能在恶劣环境和危险情况下进行作业的特殊机器人，受到了人们越来越多的的重视。永磁吸附式爬壁机器人是爬壁机器人中的一种，能在导磁的壁面上行走，其优点在于吸附不耗能，安全性高，而过大的吸附力也影响了其移动速度，脱离导磁壁面困难。因此目前的永磁吸附式爬壁机器人吸附能力与运动能力之间往往存在着矛盾，永磁吸附机构往往能提供足够的吸附力使爬壁机器人克服凹槽丶裂痕丶雨水等干扰安全稳定的在倾斜或垂直的壁面上进行作业，而过大的吸附力也导致了爬壁机器人的灵活性降低，行走速度慢，大大降低了机器人的工作效率。本文将研究具新型的磁吸附单元，优化其结构参数，提高吸附机构的变磁力效果，使得在工作状态时的吸附力足够大，而卸载状态时吸附力减为最小，解决永磁吸附式爬壁机器人吸附能力与运动能力的矛盾。
1.2 永磁吸附式爬壁机器人概况
随着时代的发展，利用先进的机器人技术代替人工进行危险的作业已成为必然的趋势。爬壁机器人作为一种能在高空极限下进行作业的自动化装置，在很多领域得到了广泛的应用和发展。永磁吸附式爬壁机器人能在钢铁壁面上进行作业，目前在以下行业得到了应用。
在核工业，需要定期对核废液储罐进行检查，由于过大的核辐射，以往的人工检查往往需要等储蓄罐停用三天后，带上防辐射设备才能进入储蓄罐进行检查，不仅效率低，对身体伤害也大。爬壁机器人的出现显著提高了工作效率，通过遥控就可以对机器人进行操控，对身体也不会造成伤害。在石化行业，磁吸附式爬壁机器人也得到了广泛的应用，利用爬壁机器人对大型储罐进行检查除锈等处理。造船行业也利用磁吸附爬壁机器人对船体就行喷涂等。
正是由于爬壁机器人给人类及工业带来的巨大的好处，爬壁机器人技术也引起了人们研究的热潮，目前世界上许多国家都在研究并进行相应的应用。
1.2.1 国外发展概况
最早爬壁机器人起源于上个世纪60年代，日本大阪府的西亮教授利用风扇进气侧低压产生的吸附力制作出了世界上第一台爬壁机器人的样机[1]，为爬壁机器人机器人的研究开创了先河。
图1.1 八足式磁吸附爬壁机器人 图1.2 吸盘式磁吸附爬壁机器人
在1984年，由日立制作所的内藤绅司等人共同设计研究研制出了八足式的磁吸附爬壁机器人[2]，如图1.1所示，该爬壁机器人内侧和外侧分别装有4个永磁体，通过内外侧永磁体的交替吸附来进行行走，其特点吸附能力强但移动速度慢。
图1.2为1989年日本的科学家宏濑茂男研制出的吸盘式磁吸附爬壁机器人[3]，该爬壁机器人吸盘为永磁体材料来进行吸附，吸附力大，吸盘与壁面之间有个倾斜的角度，通过电机驱动永磁体吸盘的旋转，来实现爬壁机器人向前行走，由于永磁体与壁面接触面积太小，稳定性不好。
图1.3为日本应用技术研究所设计研制的爬壁机器人[4]，该爬壁机器人采用永磁体材料的车轮进行吸附，通过车轮的旋转进行行走，其优点在于能在曲面的导磁表面上行走，机器人前方安装有手臂和摄像头，可对大型铁罐的进行检查等工作。查看完整请+Q:351916072获取
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