汽轮发电机检测机器人磁吸附单元设计与优化研究

为提高检测机器人的吸附性能并降低机器人的重量,本研究采用有限元仿真、数值拟合和人工蜂群算法对永磁吸附单元进行了设计与优化。设计了3种不同的磁路,利用Ansoft Maxwell仿真软件分析了不同磁路的吸附性能,结果表明,与传统H形磁路相比Halbach磁路具有更优异的性能,对于Halbach阵列,当永磁体宽度、厚度一定时,随着垂直磁化永磁体长度的增大,磁吸附力先增大后减小。利用人工蜂群算法对磁路进行了参数优化,参数优化后的磁吸附单元体积减小,单位质量磁吸附力增大。基于机器人本体开展功能验证实验,实验结果证明爬壁机器人能在任意工作位置下稳定运行。

基于Halbach阵列爬壁机器人磁吸附单元的优化设计

针对爬壁机器人磁吸附单元磁能利用率低的问题,通过对Halbach永磁阵列结构参数的研究分析,建立了磁吸附单元的优化设计目标(最大吸附力与吸附单元质量比)和约束条件。基于实验数据验证了有限元模型和方法,结合Isight软件和仿真分析进行了磁吸附单元的优化。结果表明,Halbach永磁阵列中,水平磁化永磁体主要起引导磁力线的作用,垂直磁化永磁体产生通过壁面的垂直磁力线,形成磁吸附力;磁吸附单元优化后的最大吸附力与吸附单元重量比可达1 156,磁能利用率大幅度提高。

基于Halbach阵列的爬壁机器人永磁吸附模块优化设计

针对轮式永磁吸附爬壁机器人吸附效率较低的问题,设计了一种基于Halbach阵列的新型弧形永磁吸附模块,研究其吸附特性并进行优化。运用ANSYS Maxwell软件对新型吸附模块进行有限元仿真分析,研究Halbach弧形永磁体阵列在聚磁一侧的磁感线分布规律;为了减少弱磁侧的磁感线泄漏,在传统的Halbach永磁阵列基础上,在弱磁侧增加了轭铁装置;通过对弧形磁体阵列的角度、宽度、厚度及轭铁的厚度对吸附力的影响的研究,采用控制变量法并利用ANSYS Maxwell对新型弧形永磁吸附模块的关键结构尺寸进行优化,设计了永磁吸附模块的最优尺寸。结果表明,经过优化后的吸附单元的总体质量降低,但单位质量吸附力增大,磁能利用率大幅度提高,为轮式爬壁机器人的优化设计提供依据。

履带式爬壁机器人运动学建模与磁吸附设计

针对搭载高压水射流装置的履带式爬壁机器人附壁稳定性问题,结合设计的爬壁机器人的结构特点,建立了爬壁机器人吸附在船舶壁面时的运动学模型,分析并求解了影响爬壁机器人附壁性能的各个因素,并对其磁吸附单元进行设计,分析磁吸附单元在N-S充磁和Halbach充磁方向时磁力与间隙关系。借助拉伸试验机对永磁吸附单元进行试验,验证了磁吸附单元的可靠性。并对搭建的功能性样机,开展室内水平行走、垂直爬壁和1∶1实船模型爬壁试验,验证了分析结果的正确性,为履带式爬壁机器人进一步结构优化设计和动力学分析提供了基础。

履带式爬壁机器人磁吸附单元的参数分析与优化

针对履带式爬壁机器人磁吸附单元吸附效率低的问题,基于正交实验设计、响应面近似模型和敏感性分析方法,对其进行了参数分析与结构优化。建立了磁吸附单元有限元模型,并采用正交实验设计和响应面近似模型方法,得到了磁吸附单元各参数与磁吸附力的关系表达式。通过敏感性分析,量化了磁吸附单元各参数对磁吸附力的影响程度。确定了永磁体的长、宽、高、轭铁的厚度和永磁体与壁面的距离作为优化模型的设计变量。优化设计后,磁吸附单元的吸附效率有了显著的提升,由2.0297提升至3.9381。

履带式水下清洗机器人设计与永磁吸附优化

为解决内河船体壁面坞内或水下人工清洗附着物费用昂贵且周期长的问题,设计一种履带式水下清洗机器人。通过建立机器人的静力学模型,求解机器人所需静态稳定条件下的最小吸附力,借助Maxwell仿真求解优化限定尺寸下,采用N-S正反充磁和Halbach磁路的成组永磁体最佳性能的尺寸参数。结果表明,优化后Halbach磁路成组的永磁体可以满足油漆层和附着物总厚度不超过10 mm,而N-S正反充磁成组的磁体只能满足总厚度不超过6 mm的安全附壁。制造功能样机实验验证了机器人可以满足10mm以内间距的附壁要求,为下一步机器人的工程性应用奠定基础。

基于永磁吸附的船体维护爬壁机器人设计

为了研制可适应大曲率工作环境且效率较高的爬壁机器人,代替人工对船体进行除锈抛光等工作,对一种用于船体维护的爬壁机器人开展了设计与研究。首先,对爬壁机器人的机械结构开展详细设计,该机器人主要由底盘、打磨头和可变形履带组成,并结合设计结果对其功能原理进行阐述;然后,对吸附单元的关键部件和整体框架结构开展了静力学和倾覆力验证计算;最后,利用COMSOL有限元分析软件中的AC/DC模块进行变形履带的磁吸附力分析,求得满足机器人安全工作的吸附条件,确定了以钕铁棚磁铁N35为吸附材料的可行性,并明确了用于隔振抗磨损的磁铁垫片最大厚度为3 mm时,一个磁体吸附单元最大可达34.2 N。研究结果为同类产品的开发提供了参考。

站房钢结构维护用磁吸附爬壁机器人设计及试验研究

本文设计一类用于H型及箱型断面钢柱喷砂、检测、除锈的磁轮式爬壁机器人,以进行站房钢柱高空相关作业的人工替代。通过力学分析,确定机器人负载、磁力布置及大小,以及确保稳定爬行和不倾覆的负载冗余。通过机械设计,使得机器人具有四驱传动能力,设计的水平减振装置满足了机器人对壁面有一定适应性。针对沿柱爬行的路径跟踪问题,开发了一种基于改进的模糊差速PID控制算法的控制器,实时根据机器人本体纵中心轴线与柱参考面的位置关系合理调整双电机转速,实现轨迹纠偏,结果表明该方法满足控制精度要求,可实现机器人的稳定运行。经集成测试及迭代优化,研制了爬壁机器人样机及中试机,并在济南东站示范应用。试验结果显示,机器人可在多工况下作业,满足设计指标。

新型爬壁机器人磁吸附单元优化设计

为满足爬壁机器人负载能力和运动灵活性的要求,提出了一种新型变磁力吸附单元机构。首先介绍了机构的构型并建立了三维磁场模型,然后基于有限元方法对新型磁吸附单元的磁场进行了分析,得到了其磁感应强度分布和磁吸附力。运用ANSYS的APDL参数技术对吸附单元参数进行了优化,分析得出优化原则。通过与传统H形磁吸附机构性能参数仿真比较,表明新型结构具有永磁利用率高、最大最小吸附力比值大、自重轻而负载能力强的特点。实验验证了优化结果的准确性,为设计爬壁机器人磁吸附机构提供了依据。

Halbach型永磁吸附机构的有限元分析及优化

为了利用Halbach阵列磁场单边性的特点,以进一步提高Halbach型永磁吸附机构的磁吸附性能和降低其自身重量,设计了一种基于Halbach阵列的新型永磁吸附机构并对其进行了研究。运用有限元法建立了该永磁吸附机构磁场的二维有限元数学模型,导出了磁感应强度和磁吸附力的有限元计算表达式。运用改变参数法分析了结构参数对磁吸附性能的影响,采用遗传算法对结构参数进行了优化,并通过对磁吸附力的实验测量验证了Halbach型永磁吸附机构磁性能的优越及优化结果的正确性。

基于有限元分析的永磁吸附单元设计优化

为了同时满足爬壁机器人负载能力和运动灵活性的要求,设计了一种永磁吸附单元,并应用有限元分析法,建立了永磁吸附单元吸附力的计算模型,运用有限元分析软件分析了在不同参数下磁吸附力的变化,为永磁吸附单元的设计提供了依据。

基于Ansoft的电力机器人永磁吸附单元有限元分析

为满足爬壁机器人在狭窄的发电机定子气隙中能可靠地运行,设计了一种基于Halbach阵列的永磁吸附单元。使用Ansoft Maxwell软件建立二维磁场模型,采用有限元分析法对新型吸附单元的磁场进行分析,得到了其磁力线与磁感应强度的分布;通过与传统永磁吸附单元磁场的比较,得出新型吸附单元具有永磁磁能利用率高、单边磁场的特点,验证了新型吸附单元在发电机定子气隙中吸附的可靠性;并分析了结构参数的变化对吸附性能的影响,为吸附单元结构设计提供了参考数据。

麦克纳姆履带式爬壁机器人磁吸附单元结构设计与仿真

为了解决履带式磁吸附爬壁机器人负载能力和运动灵活性之间的矛盾问题,结合Halbach永磁铁阵列的优势与麦克纳姆轮的灵活性,提出麦克纳姆履带式爬壁机器人的概念,并设计了安装于履带链节上且磁吸附力可调的新型磁吸附单元。首先,介绍磁吸附单元的结构和原理;然后,运用Ansoft Maxwell软件对磁吸附单元进行仿真,通过与传统Halbach磁吸附单元对比分析,结果表明,麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元结构在脱离工作表面时最大最小磁吸附力比值大,使得磁吸附单元便于与壁面脱离;最后,运用ADAMS软件进行磁吸附单元动力学仿真,得到该过程磁吸附力变化曲线图和驱动电机输出扭矩变化曲线图。仿真结果验证了采用麦克纳姆履带式Halbach磁吸附单元的履带式爬壁机器人运动更平稳,灵活性更高,电机消耗功率更少。

变磁化方向单元组合式永磁吸附装置优化设计

在永磁吸附装置设计理论的基础上,提出并实现了一种变磁化方向单元组合式永磁吸附装置。该装置由若干磁化方向不同的永磁体紧密排列而成,不同磁化方向首尾相连构成环形。采用有限元法对新型永磁吸附装置进行了参数化建模、结构特性分析、磁路仿真、吸附力计算和结构参数优化。试制了相同材料和体积的新型和Halbach型永磁吸附装置,测定了单位质量吸附力与气隙厚度的关系曲线。实验结果表明,与Halbach型永磁吸附装置相比,新型永磁吸附装置的单位质量吸附力平均增加了1倍,最大增幅达2.3倍。

基于Halbach阵列的爬壁机器人磁吸附研究

针对永磁吸附履带式爬壁机器人吸附效率低的问题,设计了基于Halbach阵列的新型永磁吸附单元,并对其吸附特性进行了研究。采用Ansoft Maxwell软件对磁吸附单元进行了有限元模拟仿真,研究了Halbach永磁体阵列在单侧汇聚磁感线的特性,并设计了吸附力实验验证了有限元模拟的准确性;基于传统的Halbach永磁体阵列,在弱磁侧加入轭铁,有效减少了弱磁侧的磁场泄漏;采用Ansoft Maxwell软件中的参数化扫描功能,对吸附模块的关键结构尺寸进行了分析,研究了磁体阵列的宽度、高度、厚度以及轭铁的高度对吸附力和吸附效率的影响;为使吸附效率最大化,在上述分析基础上选取了最优尺寸。研究结果表明:优化后的吸附单元单位重量吸附力提升了60%,达到1413 N/kg,磁吸附效率得到了显著提高,为爬壁机器人的设计优化提供了依据。

Halbach型永磁吸附装置吸附力计算方法研究

针对Halbach型永磁吸附装置空间磁路复杂,难以通过常规的磁路分析方法设计各项结构参数的问题,研究了一种较便捷的吸附力计算方法,以便对吸附装置进行设计和调整。首先推导了无漏磁时理想Halbach永磁体对铁磁性壁面的吸附力公式;对等长全对称型阵列进行了傅里叶分析,求取了各模块的最优磁化方向,以及离散化带来的吸附力损失;针对纵向和横向端部效应下漏磁引起的吸附力损失,提出了使用选定基准线上的磁感应强度的分布特征替代全局积分的简化计算模型的方法,计算了各结构参数变化对端部效应的影响,并以此为基础对理想吸附力计算公式进行了修正。实验结果表明:经过修正公式计算得到的吸附力与该装置实际吸附力的平均误差为3.3%,满足工程应用设计要求。

新型双层Halbach永磁单元建模与仿真研究

针对有效提高爬壁机器人磁吸附单元吸附能力的问题,基于磁体同极对接和传统Halbach永磁体阵列吸附单元,提出并设计了一种新型双层Halbach永磁体阵列吸附单元。首先,运用Ansoft Maxwell软件对建立的吸附单元模型进行分析,得到其磁力线和磁感应强度更集中分布在工作间隙中。其次,对磁吸附单元构成模块的相关结构尺寸进行优化分析并得到优化后的结构尺寸。最后,用优化后的吸附单元与传统Halbach磁吸附单元进行仿真比较分析。仿真结果表明,在相同尺寸条件下,新型双层Halbach永磁体阵列吸附单元的磁吸附力提高了50.25%,为磁力吸附爬壁机器人磁吸附单元设计提供了方向。

磁力吸附爬柱机器人磁吸附单元磁路设计分析

为减少爬柱机器人磁吸附装置所占空间及机器人的重量,基于Halbach永磁阵列提出一种双层上下对顶式磁路设计模型。采用1块永磁铁(2 cm×4 cm×1 cm),并将其沿厚度方向平分,上方半块永磁铁磁化方向是从上到下为N到S极,下方半块永磁铁在长度方向再分别平分为5片、10片、15片、20片、25片、30片、35片,并对各组分片采用Halbach阵列排布,构成7种排列模型。通过Ansoft软件对这7种排列模型进行磁吸附力仿真分析,进而确定最佳分片数目及Halbach阵列排布。仿真结果说明:在同等的永磁铁体积下,下方分为15片永磁铁块并呈三个Halbach阵列连续排布时,磁吸附力最大为551.58 N,是1整块永磁铁磁吸附力(166.17 N)的约3.5倍。以此为依据进行爬柱机器人样机设计,能有效控制机器人的体积和重量。

一种新型磁吸附履带式攀附机构的设计与试验

针对传统磁吸附攀爬机器人攀附力较小、带载能力差的问题,研究高攀附力/自重比磁吸附履带式攀附机构的设计与制造方法。提出一种新型磁吸附履带结构设计方案,研制攀附机构样机并进行性能测试研究。基于ANSYS有限元分析,对比分析4种Halbach磁铁阵列单元的最佳组合模式,实现了轻量化设计的攀附机构,有效提高了磁铁阵列单元的吸附力与自重比。为了实现磁铁阵列在攀爬机器人系统中的应用,融合链条传动和同步带传动方式,设计一种履带式攀附机构,并将它用于磁吸附攀爬机器人系统,完成了垂直攀爬和倒置攀爬运动,最大吸附力/自重比可达2.54。

喷砂除锈爬壁机器人磁吸附结构优化设计及整机性能试验

对爬壁机器人不下滑和不倾覆两种力学模型进行分析,研究磁吸附单元各个尺寸参数对吸附力的贡献关系,在提高吸附力的同时减小磁吸附单元的体积。结果表明:磁吸附单元的吸附力随着磁铁长度增大而增大,由于乙型回路的磁力线主要集中在磁铁的中间和两端,随着磁铁长度的增大利用率降低;磁吸附单元的吸附力随其厚度增加呈抛物线增长,当永磁铁厚度大于宽度的0.6倍时,由于工作面内的磁感应强度趋于饱和,厚度持续增加对吸附力的贡献减小;轭铁板厚度和隔磁板厚度对吸附力有不同程度的影响,存在最佳尺寸;在爬壁机器人最上端设有辅助吸盘,增加抗倾覆力矩,提高爬壁机器人的越障能力。