金屬壁面爬壁機(jī)器人力學(xué)分析及性能試驗(yàn)

楊雪健，張小俊，張明路

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130）

0 引言

隨著大型金屬壁面使用時(shí)間的增長，焊縫壁面在惡劣的環(huán)境中不可避免地會(huì)出現(xiàn)腐蝕、表面脫落、裂痕、疲勞斷裂等常見問題與缺陷[1]。焊縫檢測(cè)技術(shù)隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需求得到廣泛應(yīng)用[2]，傳統(tǒng)焊縫檢測(cè)大多采用人工手動(dòng)檢測(cè)，此種檢測(cè)手段采集數(shù)據(jù)偏差大、一致性差，環(huán)境及人為因素不可控檢測(cè)過程無法追溯，手動(dòng)檢測(cè)效率低，缺陷定位難度大、進(jìn)而導(dǎo)致難以定性。為解決人工檢測(cè)存在的諸多問題，許多學(xué)者和公司技術(shù)人員開始探索能夠取代人工檢測(cè)的焊縫無損檢測(cè)機(jī)器人[3]。本研究針對(duì)大型金屬壁面檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)出在金屬壁面上檢測(cè)的機(jī)器人，由于大型金屬壁面是由鋼制材料組成的，設(shè)計(jì)的機(jī)器人通過在金屬壁面上爬行，在爬行的機(jī)器人上安裝設(shè)置檢測(cè)裝置來對(duì)金屬壁面進(jìn)行檢測(cè)，代替人工檢測(cè)，提高對(duì)大型金屬壁面的檢測(cè)效率和安全性。

1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

考慮到爬壁機(jī)器人工作的特殊應(yīng)用環(huán)境，這就要求設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足穩(wěn)定吸附在金屬壁面上、在金屬壁面快速穩(wěn)定爬行、驅(qū)動(dòng)能力足夠、達(dá)到檢測(cè)目的等要求。同時(shí)爬壁機(jī)器人在滿足工業(yè)應(yīng)用的情況下，應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)緊湊化、輕量化、運(yùn)動(dòng)靈活、控制簡單。綜合現(xiàn)有爬壁機(jī)器人的研究成果，結(jié)合大型金屬壁面的工作要求和壁面狀況，提出機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)

研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠在6mm～12mm厚的壁面上穩(wěn)定吸附，選用的壁面鋼材為Q235系列，對(duì)其他金屬壁面的鋼材也同樣適用。

1.2 爬壁機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

通過模塊化參數(shù)化思想，設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人劃分為車架、驅(qū)動(dòng)部分、行走模塊、檢測(cè)模塊、吸附部分這幾個(gè)模塊[4,5]。行走模塊呈對(duì)稱形式安裝在車架的兩側(cè)；驅(qū)動(dòng)部分安裝在行走模塊的內(nèi)側(cè)，考慮到設(shè)計(jì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊，倆個(gè)驅(qū)動(dòng)部分一前一后安置在行走模塊上；檢測(cè)模塊安裝在機(jī)器人車架上；吸附模塊安裝在行走模塊上，與壁面直接接觸，保證爬壁機(jī)器人穩(wěn)定吸附在工作壁面上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爬壁機(jī)器人基本模塊

爬壁機(jī)器人有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)分別安裝在兩側(cè)行走機(jī)構(gòu)上，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來實(shí)現(xiàn)壁面上的轉(zhuǎn)彎活動(dòng)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)直流電機(jī)采用一前一后的安裝方式，使得機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)更加緊湊，爬壁機(jī)器人的三維圖如圖2所示。

圖2 爬壁機(jī)器人三維整體圖

爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由兩條鏈條履帶組成，安裝在車架的兩側(cè)，每個(gè)鏈條由兩根鏈條組成，通過安裝永磁鐵的固定板將其連接，其三維建模如圖3所示。為了保證機(jī)器人在壁面安全穩(wěn)定的爬行，將永磁體安裝在鏈條上直接與鋼制壁面接觸，每條履帶上有40個(gè)永磁吸附單元，每個(gè)永磁吸附單元設(shè)置一個(gè)永磁鐵，通過鏈條將這些永磁吸附單元連接起來，裝配時(shí)可以通過鏈條松緊裝置調(diào)節(jié)。

圖3 機(jī)器人鏈條設(shè)計(jì)

永磁吸附單元有永磁鐵、固定板、螺栓、安裝板組成，通過固定板螺栓連接安裝在兩根鏈條上，如圖4所示。

圖4 永磁吸附單元

爬壁機(jī)器人的樣機(jī)制作如圖5所示。

圖5 爬壁機(jī)器人樣機(jī)

2 爬壁機(jī)器人力學(xué)特性分析

爬壁機(jī)器人靜止吸附在大型金屬壁面時(shí)，造成此機(jī)器人的失穩(wěn)形式主要是以下三種[6]：

1）機(jī)器人沿壁面有下滑趨勢(shì)。

2）機(jī)器人有縱向傾覆趨勢(shì)。

3）機(jī)器人有橫向傾覆的趨勢(shì)。在這三種情況下，爬壁機(jī)器人在靜止吸附情況下有脫離壁面的危險(xiǎn)，因此要對(duì)此機(jī)器人進(jìn)行以下情況的分析研究。

2.1 機(jī)器人沿壁面有下滑趨勢(shì)時(shí)的受力分析

假設(shè)機(jī)器人吸附在金屬壁面是靜止的，且磁鐵的吸附物力是均勻的，則此機(jī)器人的靜力學(xué)受力分析如圖6所示（焊縫檢測(cè)機(jī)構(gòu)與金屬壁面接觸產(chǎn)生的力可忽略不計(jì)）。

圖6 爬壁機(jī)器人受力分析圖

FN1,FN2,...FN17-大型金屬壁面對(duì)機(jī)器人的支持力；Fm1,Fm2,...Fm17-機(jī)器人與金屬壁面的磁吸附力；G-機(jī)器人的總重力；A-爬壁機(jī)器人縱向翻轉(zhuǎn)極限點(diǎn)；H-爬壁機(jī)器人重力偏移軸線距離。L-第一個(gè)吸附單元到最后一個(gè)吸附單元的距離。

在上式中：μ—靜摩擦系數(shù)Ff—磁鐵吸附壁面提供的靜摩擦力。

假設(shè)各永磁體提供的吸附力均相同，則可令：

聯(lián)立式(1)～式(4)可得：

得到結(jié)果：永磁體提供的吸附力：

2.2 機(jī)器人有縱向傾覆趨勢(shì)的受力分析

由于機(jī)器人受到G傾覆力矩的存在，機(jī)器人會(huì)有脫離車輪與壁面接觸點(diǎn)A縱向傾覆的趨勢(shì)，而抵抗機(jī)器人發(fā)生縱向傾覆的趨勢(shì)，而抵抗機(jī)器人發(fā)生縱向傾覆的力為永磁體對(duì)壁面的吸附力。爬壁機(jī)器人本體不發(fā)生縱向傾覆的條件為：∑MA≥0,通過計(jì)算可得：對(duì)A取距:

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)吸附單元處于即將脫落壁面的臨界狀態(tài)時(shí)，有：

履帶上每個(gè)吸附單元所受的吸附力應(yīng)滿足條件：

2.3 機(jī)器人有橫向傾覆趨勢(shì)受力分析

橫向傾覆，即爬壁機(jī)器人沿水平方向運(yùn)動(dòng)，重力產(chǎn)生的力矩將會(huì)使得機(jī)器人繞靠近地面的兩輪的一側(cè)翻轉(zhuǎn)，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人橫向傾覆受力圖

對(duì)B點(diǎn)取距：

化簡得到：

2.4 機(jī)器人吸附狀態(tài)失穩(wěn)極值計(jì)算

根據(jù)以上爬壁機(jī)器人常見失穩(wěn)狀態(tài)，爬壁機(jī)器人所需的最大吸附力為：

式(12)中：K-安全系數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可得:G=500N，H=75mm，L=420mm，μ=0.4，K=1.5，s=290mm。將各個(gè)參數(shù)代入式(12)可得：Fm≥66.96N。

由計(jì)算可得，要實(shí)現(xiàn)此機(jī)器人的安全吸附，與壁面貼合的吸附的每個(gè)吸附單元需要提供的吸附力Fm≥66.96N。

3 吸附單元的磁路設(shè)計(jì)及磁力分析

3.1 永磁單元磁路選擇

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明[7,8]，在吸附裝置中，吸附單元包含兩塊永磁體和一塊軛鐵產(chǎn)生的吸附力最大。因此，吸附單元的布置如圖8所示。

圖8 吸附單元的結(jié)構(gòu)

3.2 永磁材料選擇

釹鐵硼永磁材料的缺點(diǎn)是居里溫度低，溫度穩(wěn)定性差，化學(xué)穩(wěn)定性也欠佳，但這些缺點(diǎn)可以通過調(diào)整化學(xué)成分和采取其它措施加以克服，釹鐵硼永磁材料是一種性能優(yōu)異的永磁材料，有著較高的矯頑力和磁能積，并且資源豐富價(jià)格較便宜[9]，有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。本機(jī)器人磁力吸附單元選擇釹鐵硼N38[10]，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 釹鐵硼N38性能參數(shù)

3.3 磁力分析

由吸附單元所提供的吸附力[11]

式(13)中(BH)為磁能積，V為永磁鐵的體積，K1為漏磁系數(shù)，K2為磁阻系數(shù)，μ0為真空磁導(dǎo)率，L為氣隙的長度。其中針對(duì)特定的磁鐵材料，(BH),K1,K2,μ0為恒定值，因此磁吸附力主要與V和L有關(guān)。用AnsysMaxwell得出磁鐵單元的尺寸與吸附單元所提供的吸附力F的關(guān)系，如圖9～圖11所示。

圖9 吸附單元長度與吸附力的關(guān)系圖

圖10 吸附單元高度與吸附力的關(guān)系圖

圖11 吸附單元寬度與吸附力的關(guān)系圖

由圖9～圖11中可以看出磁鐵吸附單元的長寬高與吸附力之間的關(guān)系，由于設(shè)計(jì)所需的磁鐵需要提供的吸附力為69.96N，從上圖中可以得到當(dāng)吸附單元尺寸為70mm、12mm、5mm時(shí)吸附力大致為82N，滿足使用要求。設(shè)計(jì)的永磁吸附裝置安裝在履帶上與壁面直接接觸，氣隙寬度對(duì)吸附力的影響可忽略不計(jì)，通過磁力的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，確定了單塊永磁吸附單元的具體尺寸。圖12為磁鐵吸附單元的磁感線。

圖12 吸附單元的磁感線

4 爬壁機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)

為了校驗(yàn)爬壁機(jī)器人的合理性，就需要在金屬壁面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，壁厚為6 mm，材料為 Q235的金屬壁面上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)爬壁機(jī)器人的各項(xiàng)性能，爬壁機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證爬壁機(jī)器人的帶負(fù)載能力，實(shí)驗(yàn)過程：進(jìn)行此性能測(cè)試，首先靜止?fàn)顟B(tài)下增加依次配重，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。負(fù)載配重用1.2kg的磚塊代替，負(fù)載由一塊磚塊逐漸增加到5塊磚塊，機(jī)器人還可以在壁面上安全吸附，如圖14所示。

圖14 機(jī)器人負(fù)載實(shí)驗(yàn)

從圖14的機(jī)器人負(fù)載試驗(yàn)中能夠得到機(jī)器人在增加負(fù)載的情況下吸附力可以滿足使用要求，當(dāng)機(jī)器人爬行到15mm焊縫時(shí)如圖15所示。

圖15 機(jī)器人跨越焊縫試驗(yàn)

從圖15機(jī)器人跨越焊縫試驗(yàn)中可以看出機(jī)器人在大型金屬壁面爬行過程中遇到焊縫可以安全吸附在壁面，滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，驗(yàn)證爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)語

針對(duì)大型金屬壁面的檢修工作，用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一種爬壁機(jī)器人。本研究對(duì)金屬壁面機(jī)器人進(jìn)行了靜力學(xué)分析，通過對(duì)爬壁機(jī)器人的失穩(wěn)形式分析計(jì)算得出了單個(gè)磁鐵所需要提供的最小吸附力，確定了磁鐵的磁路結(jié)構(gòu)，并通過磁力仿真軟件AnsoftMaxwell分析得到單塊永磁單元的最優(yōu)尺寸，最后通過樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，證明了機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性，為大型金屬壁面的下一步研究提供了理論依據(jù)。