新型磁吸附单元磁性能实验研究
磁吸附爬壁机器人作为一种可在恶劣和危险环境下工作的自动机械装置，得到很多重视，目前主要应用于核工业、造船业、石化工业、电厂、建筑工业等领域。此外，磁吸附单元作为磁吸附爬壁机器人的核心部件，其性能优劣影响爬壁机器人的整体性能，在世界范围内受到了越来越多的关注和研究。M00038
本文基于直线型Halbach阵列设计了四种不同规格的新型变磁力磁吸附单元，并对其各性能参数进行实验研究。论文对磁吸附单元制作材料进行选择和制作方法的研究，用高斯计和弹簧秤分别对磁吸附单元的磁感应强度和最大最小吸附力等参数进行测量、研究获得数据，再与ANSYS有限元分析所得的数据进行比较，理论与实验数据基本吻合。实验验证了理论的正确性，为磁吸附机构理论研究提供了实验依据。
关键词：磁吸附单元 磁场测量 实验研究 Halbach阵列
Experimental study on novel magnetic adsorption unit magnetic
Abstract:Magnetic adsorption climbing robot as a harsh, dangerous, automatic mechanical device operating under extreme circumstances, more attention has been paid, currently used in the nuclear industry, petrochemical industry, power plants , construction and shipbuilding industries , and gradually as reconnaissance, demolition, combat military missions and other special services . In addition, the magnetic adsorption unit as a core component of the magnetic adsorption wall-climbing robot, its performance advantages and disadvantages affect the overall performance of wall-climbing robots.
Based on linear Halbach array design four different specifications of the new array variable magnetic magnetic adsorption unit, and experimental study of its various performance parameters. Papers on magnetic adsorption unit production materials research selection and production methods, the magnetic flux density magnetic adsorption unit and the maximum and minimum adsorption parameters were measured respectively gauss meter and a spring balance, studies to obtain data, and then with the ANSYS finite element analysis obtained data comparing two sets of data is very close. Experimental verification of the correctness of the theory, the theoretical study of the adsorption mechanism of magnetic wall-climbing robot provides an experimental basis.
Key Words: Magnetic adsorption unit; Magnetic field measurement; Experimental Study
目 录 查看完整请+Q:351916072获取
1 绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2 磁吸附爬壁机器人及磁吸附单元研究现状 1
1.2.1 国内发展现状 1
1.2.2 国外发展现状 3
1.3磁场测量方法的发展现状 4
1.3.1 低强度磁场传感器 4
1.3.2中强度磁场传感器 5
1.3.3 高强度磁场传感器 5
1.4 课题主要研究内容 5
1.5 本章小结 6
2 磁吸附单元的设计与制作 7
2.1永磁材料和软磁材料的选择 7
2.2磁吸附单元的基本结构和工作原理 9
2.3磁吸附单元制作方案及过程 10
2.4 本章小结 15
3 磁吸附单元磁性能实验研究 16
3.1磁感应强度实验研究 16
3.1.1 实验一 17
3.1.2 实验二 20
3.2磁吸附力实验研究 24
3.3 本章小结 26
4 实验数据处理与分析 27
4.1 磁感应强度实验数据处理与分析 27
4.2 磁吸附力实验数据处理与分析 32
4.3 ANSYS有限元分析对比 34
4.4 本章小结 35
5 结论 36
参考文献 37
致谢 38
1.1课题研究的背景和意义
当今世界，机器人在各行各业中都得到了广泛的应用和发展，其研究与应用水平已成为衡量一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志。作为机器人研究领域的重要分支，爬壁机器人综合运用了机器人移动技术和吸附技术。它可以在竖直壁面、倾斜壁面甚至建筑物或容器的内顶面灵活运动，并能携带工具完成一定的任务。爬壁机器人极大的拓展了机器人的活动空间和工作范围，拥有重大的研发价值和良好的应用前景，因此自问世以来受到各国的广泛关注。
目前面临的问题是爬壁机器人在作业时，往往需要携带清洗设备、检测仪器、侦察武器等物品，这就要求其具有一定的负载能力，而负载能力越强，需要机器人吸附机构提供的吸附力越大。但是，吸附力在机器人移动时成为最主要的运动阻力，使其运动性能变差，即爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间是一对矛盾[1]。
针对这一矛盾，本文基于直线型Halbach永磁阵列，研究设计了一种新型变磁力吸附单元。搭建实验模型对其磁性能进行实验研究，验证其变磁力性能的优越性，并为有限元分析提供实验依据。对提高永磁利用率、磁吸附单元负载能力和运动能力的理论研究有重要意义。
1.2 磁吸附爬壁机器人及磁吸附单元研究现状
1.2.1 国内发展现状
国内对爬壁机器人的研究起步较晚，但已取得不少成果。哈尔滨工程大学作为先驱者，1997年成功研制的水冷壁清洗检测爬壁机器人[8] ，如图1.1（a）所示，采用圆弧形永磁铁块，并与管壁圆弧相吻合组成吸附机构，从而减小工作气隙，提高磁吸附力。之后，又研制了基于磁吸附的履带式的多功能罐壁喷涂、检测爬壁机器人[4]。如图1.1（b）所示，属于恒磁力履带爬壁机器人，每条履带上均匀分布30块磁块，移动时始终保持一定数量的磁块和壁面接触以保证机器人的稳定吸附在壁面上。机器人的运动和转向通过控制两侧履带的速度来实现，利用车体上方的倾斜计实现对机器人位姿的控制。
.1.1 实验一
测量每个磁吸附单元放置在不导磁平面上磁场的分布情况。
在磁吸附单元旋转轴两侧放两本厚的书（用两块相同的木板更好），将其夹紧，因为没有导磁材料放入，所以可以不考虑与壁面之间的气隙，方便起见，可以多留点测量时的空间，然后用高斯计按已经标好点逐个测量，循环五次，得到5组数据。（可以用专门的支架固定住吸附单元，再进行测量）。测量时，探头的霍尔传感器要与测量点一一对位。
4.1 磁感应强度实验数据处理与分析
将磁吸附单元磁感应强度实验研究数据表3.1到表3.8中每个测量点的数据代入平均公式：,其中n为5，Xn为每个测量点5次测量的数据；所得的平均值作为该点磁感应强度Bx，By的有效值，处理结果记录在以下各表。
处理表3.1数据，记录于表4.1。查看完整请+Q:351916072获取
ANSYS有限元分析对比
有限元分析法是用比较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域分成由许多称为有限元的小的互连组成的子域，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解整个域总的满足条件，从而得到问题的解。由于实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，所以这个解不是准确的解，而是近似解。而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
本文基于直线型Halbach阵列设计了四种不同规格的新型变磁力磁吸附单元，并对其各性能参数进行实验研究。论文对磁吸附单元制作材料进行选择和制作方法的研究，用高斯计和弹簧秤分别对磁吸附单元的磁感应强度和最大最小吸附力等参数进行测量、研究获得数据，再与ANSYS有限元分析所得的数据进行比较，理论与实验数据基本吻合。实验验证了理论的正确性，为磁吸附机构理论研究提供了实验依据。
关键词：磁吸附单元 磁场测量 实验研究 Halbach阵列
Experimental study on novel magnetic adsorption unit magnetic
Abstract:Magnetic adsorption climbing robot as a harsh, dangerous, automatic mechanical device operating under extreme circumstances, more attention has been paid, currently used in the nuclear industry, petrochemical industry, power plants , construction and shipbuilding industries , and gradually as reconnaissance, demolition, combat military missions and other special services . In addition, the magnetic adsorption unit as a core component of the magnetic adsorption wall-climbing robot, its performance advantages and disadvantages affect the overall performance of wall-climbing robots.
Based on linear Halbach array design four different specifications of the new array variable magnetic magnetic adsorption unit, and experimental study of its various performance parameters. Papers on magnetic adsorption unit production materials research selection and production methods, the magnetic flux density magnetic adsorption unit and the maximum and minimum adsorption parameters were measured respectively gauss meter and a spring balance, studies to obtain data, and then with the ANSYS finite element analysis obtained data comparing two sets of data is very close. Experimental verification of the correctness of the theory, the theoretical study of the adsorption mechanism of magnetic wall-climbing robot provides an experimental basis.
Key Words: Magnetic adsorption unit; Magnetic field measurement; Experimental Study
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1 绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2 磁吸附爬壁机器人及磁吸附单元研究现状 1
1.2.1 国内发展现状 1
1.2.2 国外发展现状 3
1.3磁场测量方法的发展现状 4
1.3.1 低强度磁场传感器 4
1.3.2中强度磁场传感器 5
1.3.3 高强度磁场传感器 5
1.4 课题主要研究内容 5
1.5 本章小结 6
2 磁吸附单元的设计与制作 7
2.1永磁材料和软磁材料的选择 7
2.2磁吸附单元的基本结构和工作原理 9
2.3磁吸附单元制作方案及过程 10
2.4 本章小结 15
3 磁吸附单元磁性能实验研究 16
3.1磁感应强度实验研究 16
3.1.1 实验一 17
3.1.2 实验二 20
3.2磁吸附力实验研究 24
3.3 本章小结 26
4 实验数据处理与分析 27
4.1 磁感应强度实验数据处理与分析 27
4.2 磁吸附力实验数据处理与分析 32
4.3 ANSYS有限元分析对比 34
4.4 本章小结 35
5 结论 36
参考文献 37
致谢 38
1.1课题研究的背景和意义
当今世界，机器人在各行各业中都得到了广泛的应用和发展，其研究与应用水平已成为衡量一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志。作为机器人研究领域的重要分支，爬壁机器人综合运用了机器人移动技术和吸附技术。它可以在竖直壁面、倾斜壁面甚至建筑物或容器的内顶面灵活运动，并能携带工具完成一定的任务。爬壁机器人极大的拓展了机器人的活动空间和工作范围，拥有重大的研发价值和良好的应用前景，因此自问世以来受到各国的广泛关注。
目前面临的问题是爬壁机器人在作业时，往往需要携带清洗设备、检测仪器、侦察武器等物品，这就要求其具有一定的负载能力，而负载能力越强，需要机器人吸附机构提供的吸附力越大。但是，吸附力在机器人移动时成为最主要的运动阻力，使其运动性能变差，即爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间是一对矛盾[1]。
针对这一矛盾，本文基于直线型Halbach永磁阵列，研究设计了一种新型变磁力吸附单元。搭建实验模型对其磁性能进行实验研究，验证其变磁力性能的优越性，并为有限元分析提供实验依据。对提高永磁利用率、磁吸附单元负载能力和运动能力的理论研究有重要意义。
1.2 磁吸附爬壁机器人及磁吸附单元研究现状
1.2.1 国内发展现状
国内对爬壁机器人的研究起步较晚，但已取得不少成果。哈尔滨工程大学作为先驱者，1997年成功研制的水冷壁清洗检测爬壁机器人[8] ，如图1.1（a）所示，采用圆弧形永磁铁块，并与管壁圆弧相吻合组成吸附机构，从而减小工作气隙，提高磁吸附力。之后，又研制了基于磁吸附的履带式的多功能罐壁喷涂、检测爬壁机器人[4]。如图1.1（b）所示，属于恒磁力履带爬壁机器人，每条履带上均匀分布30块磁块，移动时始终保持一定数量的磁块和壁面接触以保证机器人的稳定吸附在壁面上。机器人的运动和转向通过控制两侧履带的速度来实现，利用车体上方的倾斜计实现对机器人位姿的控制。
.1.1 实验一
测量每个磁吸附单元放置在不导磁平面上磁场的分布情况。
在磁吸附单元旋转轴两侧放两本厚的书（用两块相同的木板更好），将其夹紧，因为没有导磁材料放入，所以可以不考虑与壁面之间的气隙，方便起见，可以多留点测量时的空间，然后用高斯计按已经标好点逐个测量，循环五次，得到5组数据。（可以用专门的支架固定住吸附单元，再进行测量）。测量时，探头的霍尔传感器要与测量点一一对位。
4.1 磁感应强度实验数据处理与分析
将磁吸附单元磁感应强度实验研究数据表3.1到表3.8中每个测量点的数据代入平均公式：,其中n为5，Xn为每个测量点5次测量的数据；所得的平均值作为该点磁感应强度Bx，By的有效值，处理结果记录在以下各表。
处理表3.1数据，记录于表4.1。查看完整请+Q:351916072获取
ANSYS有限元分析对比
有限元分析法是用比较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域分成由许多称为有限元的小的互连组成的子域，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解整个域总的满足条件，从而得到问题的解。由于实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，所以这个解不是准确的解，而是近似解。而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
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