基于DOE的爬壁机器人永磁吸附装置优化设计.pdf

:./.基于 的爬壁机器人永磁吸附装置优化设计安 磊张春光刘佳慧刘嘉瑞杨煜兵(.国机传感科技有限公司辽宁 沈阳 .沈阳仪表科学研究院有限公司辽宁 沈阳)摘 要:船舶除漆爬壁机器人通过永磁吸附装置吸附于船舶钢板壁面 文章基于机器人爬壁机可靠吸附和灵活行走的设计要求设计了一种基于 阵列的永磁吸附装置并建立了爬壁机器人的力学模型由此得出机器人可靠吸附所需吸附力数值的结论 把永磁体的磁质比作为目标函数对永磁体的结构参数进行优化这样可大幅度地提高永磁体的磁能利用率 通过爬壁机器人行走试验验证了船舶除漆爬壁机器人满足可靠吸附和行走灵活的设计要求 永磁吸附装置优化设计取得的研究成果对于促进船舶除漆技术的进步有显著意义为后续学者研究提供有利的参考关键词:爬壁机器人永磁体优化设计中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言采用人工干喷砂或者手持高压喷枪对船舶进行除漆存在着高空作业危险、劳动强度大等弊端而采用船舶的除漆爬壁机器人可以很好地避免此类安全隐患 因此船舶除漆爬壁机器人的应用越来越广泛 永磁吸附装置是船舶除漆爬壁机器人的重要子系统其安装在行走部减速机下部并与船舶钢板壁面之间有一定气隙 有限的安装空间对永磁吸附装置提出了较高要求要求其提供足够吸附力的同时又不能过大即机器人能可靠地吸附在船舶壁面上的同时又要保证机器人运动灵活这就需要提高永磁体的磁能利用率 因此永磁体的排布及其结构参数的优化逐渐成为永磁吸附装置的研究重点笔者研制了一种采用永磁吸附和轮式行走相结合的船舶除漆爬壁机器人 机器人利用永磁体与船舶钢板壁面产生的磁吸附力使其吸附在船体壁面上 永磁体磁极的排布基于 阵列相关研究成果参见文献、此文中笔者对永磁体的结构参数尺寸进行了优化设计应用试验设计()方法把永磁体的磁质比作为目标函数通过有限元软件对其结构参数进行优化设计此举大幅度提高了永磁体的磁能利用率 最后通过爬壁机器人行走试验验证了永磁吸附装置结构参数优化设计的合理性 爬壁机器人结构和力学模型.船舶除漆爬壁机器人结构图 为船舶除漆爬壁机器人机械结构模型主要由行走部、本体部、喷盘部组成 本体部位于机器人中间位置连接行走部、喷盘部本体部后面有 个万向轮组成的从动轮从动轮之间有 块小永磁体用于保持机器人平衡行走部位于机器人两侧实现机机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:作者简介:安 磊()男河北保定人高级工程师研究生主要从事机械结构和液压系统研发方面的科研工作器人的行走和吸附喷盘部位于本体部下方内部含有喷嘴通过喷射超高压水实现除漆图 船舶除漆爬壁机器人机械结构 爬壁机器人行走部(不含皮带)如图 所示 主要包括伺服电机、减速机、永磁吸附装置、轮胎等 伺服电机和减速机安装在行走部中间电机经过减速机输出轴驱动两个轮胎实现机器人的行走永磁吸附装置安装在减速机下方其产生吸附力能确保机器人可靠吸附在壁面上永磁吸附装置如图 所示永磁吸附装置由永磁体、铝合金板等组成 永磁体有 块形状为扇形它们通过螺钉螺母安装在铝合金板上铝合金板通过螺钉安装在减速机下方永磁体与船舶钢板壁面有一定气隙因此采用非接触式吸附方式图 行走部结构图 永磁吸附装置结构.爬壁机器人力学模型爬壁机器人在船舶壁面上的主要采用行走方式即不管机器人行进方向是向上还是向下驱动轮始终处于上方爬壁机器人在船舶壁面吸附时的力学模型如图 所示 边界条件包括:爬壁机器人沿船舶壁面行走不发生下滑不绕 点倾覆不绕 点倾覆基于以上边界条件建立如下方程:图 爬壁机器人力学模型 ()()()()式中:为轮胎处支持力为万向轮处支持力为轮胎处永磁吸附装置的吸附力为小永磁体的吸附力为轮胎处静摩擦力为万向轮处静摩擦力为喷盘的真空吸附力为喷盘处的支持力为喷盘的静摩擦力为水射流反冲力为爬壁机器人本体重量为电缆、水管、废水等折算到爬壁机器人处的重量 为壁面的倾角图中点 是轮胎与壁面的接触点点 是万向轮与壁面的接触点点 是爬壁机器人本体质心点 是电缆、水管、废水等折算到爬壁机器人处的质心 是点 与点 的距离是点 与点 沿壁面方向的距离是点 与点 沿壁面方向的距离是点 与点 沿壁面方向的距离是点 与壁面的距离是点 与壁面的距离 喷盘中心与轮胎中心共线 小永磁体中心与万向轮安装板的中心共线.()()式中:为水射流的流量为水射流的压力 为喷盘的直径为喷盘内的压力关系式需满足如下约束条件:研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用 ()式中:、分别为轮胎、从动轮、喷盘与壁面之间的静摩擦系数将爬壁机器人对应数据代入式()()中求得 由于每个行走部内含有一个永磁吸附装置且每个轮胎受力情况一致即每个轮胎处的永磁吸附装置的吸附力应达到 万向轮处的小永磁体吸附力应达到 文中以轮胎处永磁吸附装置的优化设计为研究重点 永磁体结构参数优化.优化参数及约束条件吸附力是船舶除漆爬壁机器人的一个重要参数根据力学模型推导出在极端工况下爬壁机器人每组永磁吸附装置产生的吸附力不低于 因为吸附力过大对于机器人灵活运动不利故永磁吸附装置的吸附力也不能超过 过多当永磁体的材料、排布方式、气隙等条件确定的情况下吸附力的大小主要受到永磁体结构尺寸的影响且吸附力与永磁体的结构尺寸之间存在一定的耦合关系 在保证爬壁机器人可靠吸附的前提下要使永磁吸附装置结构紧凑应该减少其体积和质量需要优化永磁体的结构参数 引入变量 在一定的工作气隙下永磁体的优化目标是:永磁吸附装置提供的吸附力与其质量比值(简称为磁质比)最大其 公式如下:()式中:为永磁吸附装置在一定气隙下的吸附力为永磁吸附装置的质量组成永磁吸附装置的 块永磁体为扇形尺寸相同结构尺寸参数 结构尺寸如图 所示图 永磁体的结构尺寸参数 以永磁体磁质比为目标函数综合考虑爬壁机器人行走部空间结构、螺钉安装尺寸等限制条件确定永磁吸附装置优化问题的数学模型为:()().()式中:为永磁吸附装置的体积探索实验设计是根据输入参数的数目采集设计参数样本计算每个样本的相应结果利用二次差值函数构造设计空间的响应面 实验设计类型选用中心组合设计设计类型选用自动定义 以永磁体的内径、厚度、夹角、宽度 为设计变量在三维软件中建立永磁吸附单元参数化模型将、参数化并导入有限元软件中在优化模块中根据数学模型设置 个变量、的范围以及目标函数选取 筛选优化法提取变量、值每一组、值对应一个永磁体模型然后进行网格划分求出对应的吸附力、质量循环计算直至找到最佳设计点.优化结果分析试验设计方法()是用来拟合响应面的试验样本点的选取技术常用的试验设计方法有()、()、()等 由于永磁吸附装置优化设计的样本维数低同时对响应面精度要求高角点附近也可能有样本点因此最终选择 方法试验样本点的选取通过 缺省的中心复合设计方法()得到 组设计点具体参数值如表 所列目标驱动优化选用基于响应面的优化优化算法选用 方法 方法是一种非迭代直接采样方法更适合于初步设计得到近似的优化解还可以用于离散变量优化 因为样本数量越多优化结果越精确同时考虑计算时间确定样本数量为 通过目标驱动优化后产生 组候选的优化设计点如表 所列分析表 所列 个优化设计点综合考虑磁质比、行走轮胎、减速机等空间限制因素设计点 为最优解由于设计点 中参数在工艺上难以实现需要对其结构尺寸参数圆整并重新计算其吸附力、磁质比等优化后与优化前的设计方案中参数对比如表 所列机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验表 设计点参数值序 号/()/(/).表 优化设计点序 号/()/(/).表 原设计方案与优化后的方案对比参 数优化前优化后/./()/./.质量比/./(/).由表 可以看出优化后的方案吸附力数值相比优化前下降.满足可靠吸附所需大于 的设计要求且有一定裕度优化后的方案永磁体质量仅为优化前.爬壁机器人零部件布局有大幅度改善同时提高了机器人运动的灵活性以及负载能力表征磁能利用率的磁质比 大幅度增加 由此可见相比优化前优化后的方案在保证爬壁机器人可靠吸附的前提下零部件的布局更加合理质量大幅度降低永磁体的磁能利用率大幅度增加提高了运动的灵活性和负载能力显著降低了永磁体的成本 爬壁机器人行走试验爬壁机器人运动性能试验主要包括竖直行走、水平行走、跨越焊缝、转向等实验项目按照真实工作环境制造试验墙并在试验墙上按标准预留焊缝 爬壁机器人竖直、水平、跨越焊缝、转向、在弧形壁面上的行走和带水(最大压力 )除漆工况下的试验如图 所示 试验结果表明优化设计后的永磁吸附装置可以保证爬壁机器人可靠吸附于钢铁壁面同时实现灵活运动(下转第 页)研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用的 对颗粒的壁面边界条件的修改得到的仿真结果对小颗粒的除尘效果更具有物理意义也更贴近实际生产情况 结 语通过添加壁面吸附的 对颗粒物的壁面边界条件进行修正从而提升除尘设备除尘效率的仿真结果的可靠性 首先对除尘设备内部流场进行了分析流域内最大速度可以达到./但在颗粒投放平面处的最大速度仅为./这使得受空气流动影响小的大粒径颗粒不容易被排除切割区域这与仿真结果反映的现象一致 当粒径大于等于 时除尘率陡然下降在添加和不添加壁面吸附条件时除尘率都在 以下最低是出现在当粒径为 时前者为 后者也仅有.在添加壁面吸附条件之后对小于 粒径的颗粒来说设备的除尘率从.左右下降至.左右 对于大于 粒径的颗粒影响不大因为它们受重力的影响要远远大于其它合力的影响 相较于之前过于理想的除尘结果现在的仿真结果更加具有实际意义与实际生产过程中极片表面会附着细小的粉尘颗粒物的现象相吻合参考文献:杨绍斌梁 正.锂离子电池制造工艺原理与应用.北京:化学工业出版社.():.():.():.():.李 辉 申胜男.流体力学仿真软件 在工程中的应用.北京:科学出版社.王登超.工业捕集罩内不同粒径颗粒物与壁面碰撞的数值模拟研究.西安:西安建筑科技大学./.洁净室及相关受控环境第 部分:按粒子浓度划分空气洁净度等级.():.():.():.():.():.(上接第 页)图 爬壁机器人行走性能实验 结 语文章以船舶除漆爬壁机器人的永磁吸附装置为研究对象通过爬壁机器人力学模型得出可靠吸附所需的吸附力 以永磁体的磁质比为目标函数确定永磁吸附装置优化问题的数学模型基于试验设计方法通过有限元软件对永磁体的结构参数进行了优化大幅度提高了永磁体的磁能利用率 行走试验验证了优化设计后的永磁吸附装置在保证爬壁机器人可靠吸附于钢铁壁面的同时可实现灵活运动参考文献:夏平畴.永磁机构.北京:北京工业大学出版社.安 磊张春光褚 帅等.基于 阵列爬壁机器人永磁吸附装置有限元分析.机械研究与应用():.安 磊张春光褚 帅等.船舶除漆爬壁机器人永磁吸附装置的分析.机械制造():.沈青青张晋李根.基于 阵列爬壁机器人磁吸附单元的优化设计.轻工机械():.陈 勇.型永磁吸附机构的有限元分析及优化.高技术通讯():.尚晓江孟志华.结构分析理论详解与高级应用.北京:中国水利水电出版社.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用