磁吸附系統(tǒng)的磁力仿真計(jì)算與測(cè)試

豆春蕾，李 靜

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

目前，擦窗機(jī)器人的吸附系統(tǒng)常常采用真空和負(fù)壓吸附方式[1]。這2種工作方式的特點(diǎn)是單面吸附，需要不斷供電，一旦缺電，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人從玻璃面上脫落，造成自身和他人損傷。而采用永磁體雙面吸附可以避免這種情況發(fā)生，此外，在該吸附方式下，對(duì)玻璃內(nèi)外面同時(shí)清洗，可以大大提高機(jī)器人的工作效率[2-4]。

采用永磁體雙面吸附方式時(shí)，應(yīng)考慮不同地區(qū)家用玻璃厚度差異(大部分地區(qū)的玻璃厚度為10～25 mm)導(dǎo)致的磁體間相對(duì)距離增大、磁力降低，是否會(huì)影響機(jī)器人正常工作。為此，筆者設(shè)計(jì)了雙面磁吸附系統(tǒng)的磁路部分，磁路中磁體間相對(duì)距離可調(diào)，以適用于不同厚度的玻璃，還可以在玻璃厚度較薄時(shí)通過(guò)調(diào)整磁體間相對(duì)距離來(lái)調(diào)整吸附磁力的大小。在本設(shè)計(jì)中，考慮到擦窗機(jī)器人的工作壁面環(huán)境及本身的質(zhì)量，吸附系統(tǒng)的吸附磁力應(yīng)≥50 N，從而避免機(jī)器人從玻璃面脫落；如果吸附磁力過(guò)大，會(huì)增大擦窗機(jī)器人行走的驅(qū)動(dòng)阻力，進(jìn)而增加驅(qū)動(dòng)功率，為此將其限制在250 N以內(nèi)。

本文應(yīng)用ANSYS軟件仿真計(jì)算磁路中磁體間相對(duì)距離不同時(shí)的吸附磁力，對(duì)設(shè)計(jì)的磁路進(jìn)行了吸附磁力測(cè)試，并比較了仿真和測(cè)試結(jié)果。

1 磁路部分

磁路部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1a中位于玻璃內(nèi)外面的磁體A、B結(jié)構(gòu)相同，都包含1個(gè)導(dǎo)磁鋼片和4塊中心對(duì)稱分布的釹鐵硼永磁體，圖1b為這4塊永磁鐵在導(dǎo)磁鋼片上的分布形式。AB和A′B之間的距離分別為10和25 mm，表示玻璃厚度的范圍，也表示可以調(diào)距的范圍。磁體A相對(duì)于磁體B可以移動(dòng)。

圖1 磁路部分結(jié)構(gòu)示意圖

2 磁力仿真計(jì)算

應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行磁路中磁力的仿真計(jì)算。ANSYS軟件處理的步驟為：建立幾何模型；進(jìn)行材料參數(shù)定義(采用的是釹鐵硼永磁體，釹鐵硼永磁體的剩磁Br=1.231 T，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.065，矯頑力分量MGXX1=MGXX2=0，-MGYY1=MGYY2=917 530 (A/m)，MGZZ1=MGZZ2=0)；根據(jù)模型要求選定單元類型(單元類型為用于二維磁場(chǎng)問(wèn)題的PLANE53實(shí)體單元，該單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn))；對(duì)幾何模型賦予材料屬性和單元屬性，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加載荷和邊界條件；選用合適的求解器和求解參數(shù)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解；運(yùn)用后處理程序按需要查看不同的求解結(jié)果[5-6]。

應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)圖1a所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維靜態(tài)磁場(chǎng)仿真，得到的磁體間相對(duì)距離為17 mm時(shí)磁力線分布示意圖如圖2所示。由圖2可以看出，磁力線總體上分布在導(dǎo)磁鋼片之間并形成一個(gè)閉合回路，僅在兩側(cè)存在少量的漏磁現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的中心位置無(wú)永磁體，故磁力線分布較少，相對(duì)的永磁體之間的磁力線分布較密，且永磁體表面中心位置的磁力線與永磁體表面垂直。

圖2 有導(dǎo)磁鋼片時(shí)的磁力線分布圖

圖2結(jié)構(gòu)中無(wú)導(dǎo)磁鋼片時(shí)的磁力線分布圖如圖3所示。由圖3可以看出，磁力線分布相對(duì)于圖2所示的分布范圍增大，密度降低，漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重，這導(dǎo)致磁體之間磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，吸引力減小；因此，導(dǎo)磁鋼片的存在可以改變磁場(chǎng)分布，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)A、B間的吸附磁力[7-10]。

圖3 無(wú)導(dǎo)磁鋼片時(shí)的磁力線分布圖

當(dāng)磁體間距離為17 mm時(shí)，與圖2相對(duì)應(yīng)的磁力仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示，利用其中的FY(即Force in y-direction)值可計(jì)算出相應(yīng)的吸附磁力F。

圖4 磁力的仿真計(jì)算結(jié)果

對(duì)10～25 mm區(qū)間內(nèi)其余11個(gè)位置點(diǎn)分別進(jìn)行仿真，可分別得到相應(yīng)位置的FY數(shù)值，進(jìn)而得到吸附磁力的大小。數(shù)值求解結(jié)果見(jiàn)表1，其中D為磁體間相對(duì)距離。表1所得的仿真計(jì)算結(jié)果及其二次擬合曲線如圖5所示。

表1 仿真計(jì)算結(jié)果

圖5 磁體間相對(duì)距離與吸附磁力仿真值的關(guān)系

由圖5可見(jiàn)，隨著磁體間相對(duì)距離增加，吸附磁力的仿真值逐漸減小。磁體間相對(duì)距離在10～20 mm時(shí)，曲線斜率較大，表明在此區(qū)間內(nèi)，較小的相對(duì)距離變化會(huì)引起較大的吸附磁力變化。

3 磁力測(cè)試

為了驗(yàn)證磁吸附系統(tǒng)中磁路設(shè)計(jì)的可靠性，進(jìn)行了磁力測(cè)試。調(diào)節(jié)兩磁體間相對(duì)距離，取與仿真位置相同的12個(gè)位置作為采樣點(diǎn)，使用測(cè)力計(jì)分別測(cè)量對(duì)應(yīng)的磁體間吸附力，得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 磁體間相對(duì)距離與吸附磁力關(guān)系

在圖6中，吸附磁力的仿真值與測(cè)量值的變化規(guī)律基本相同，測(cè)量值比仿真值略小。由于仿真時(shí)矯頑力的取值為理論值，磁體實(shí)際的矯頑力略低于理論值，這導(dǎo)致仿真值略高于測(cè)量值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套雙面磁吸附系統(tǒng)的磁路，利用ANSYS軟件數(shù)值仿真計(jì)算了永磁體距離不同時(shí)吸附磁力的大小，并進(jìn)行了磁力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，ANSYS數(shù)值算法得到的吸附磁力大小與其測(cè)量值的誤差較小；隨著磁體間相對(duì)距離增加，吸附磁力逐漸減小；當(dāng)磁體間距離為10～25 mm時(shí)，吸附磁力為50～250 N，滿足設(shè)計(jì)要求；本磁吸附磁路可用于一定厚度范圍的玻璃，且可通過(guò)調(diào)節(jié)磁體間相對(duì)距離來(lái)調(diào)整吸附磁力。