一種基于磁力吸附的焊縫打磨爬壁機器人設計

董家候，鄭甲紅，何凱，左啟陽

(1.陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021；2.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東深圳 518055)

0 前言

隨著我國船舶制造業的發展，我國大型輪船的制造技術更是走在國際前列。大型輪船是由各種類型的鋼板件分塊、分段焊接而成。在相鄰的2塊鋼板之間便會出現形狀不規則的焊縫，焊縫不規則、表面出現余高會造成應力集中，焊縫表面將出現疲勞裂紋，從而影響整個船舶結構的穩定性[1]。這就要求必須對焊縫進行打磨，避免應力集中的現象發生[2]。

傳統的船體焊縫打磨是通過人工作業的方式進行的，工人懸掛在船體側壁上對焊縫進行手工打磨，這種方式不僅僅效率非常低，而且施工者存在很大的安全隱患。一種焊縫打磨爬壁機器人代替人工作業，不僅能提高工作效率，而且能嚴格保證打磨質量[3]。目前對焊縫打磨爬壁機器人的研究尚少，焊縫打磨的方式也大多是采用機械手攜帶打磨裝置進行打磨，而爬壁式焊縫打磨作業方式也只停留在理論階段。

目前最大的技術難點就是避免機器人掉落。由于機器人在越障和反頂倒掛過程中會出現機器人掉落的現象，尤其在焊縫打磨過程中，發生掉落的概率越大。為此，本文作者通過優化磁吸附機構，研究實現機器人打磨效率最大化，研發了一款基于磁力吸附的新型焊縫打磨爬壁機器人樣機；同時開展實驗測試，以實現機器人在高空壁面上靈活運動及高空焊縫打磨機械化的目標。

1 船體焊縫打磨機器人功能原理分析

1.1 焊縫打磨機器人設計需求分析

設計的焊縫打磨機器人在船體側壁面上運動，且對壁面上的焊縫進行打磨。要求設計的機器人：應在壁面上靈活運動，不會發生掉落、傾覆等狀況；在進行焊縫打磨時，應該避免對焊縫實體材料造成損傷；打磨后不僅要求去除焊縫表面毛刺，還需露出一定的金屬光澤。為盡可能減輕機器人的質量和保證具有足夠的剛度，該機器人選用鋁合金材料，縮小機器人的尺寸。基于該機器人的作業環境及船體由很多條焊縫拼接而成，且每一條焊縫都不是筆直的，要求機器人能夠直線行走、變道、轉彎和掉頭等，同時還應具有一定的越障和負載能力；同時考慮到爬壁機器人吸附在鋼鐵壁面，在距離地面40～50 m高的船體外側壁上高空作業，設計的機器人采用遙控控制的方式。

1.2 船體焊縫打磨機器人的功能設計

機器人在遠程遙控操縱控制下，可實現在壁面上靈活運動，如：轉彎、變道、掉頭、直線行走等諸多功能。焊縫打磨機器人的焊縫打磨執行機構只有進入打磨環節時，打磨頭才能與打磨面發生接觸，并且施加一定的打磨壓力，打磨停止后，打磨頭需離開打磨平面，因此，打磨頭需要具有移動功能。同時打磨頭的打磨壓力應該控制在一個合理的范圍內，此外，機器人在打磨焊縫的過程中，還需要使用柔性打磨技術。

2 焊縫打磨爬壁機器人結構設計

由于輪式機器人具有運動靈活、速度快等特點[4]，設計的機器人采用輪式結構。吸附機構提供的磁吸附力將機器人緊緊吸附在壁面上，保證機器人不會掉落和傾覆[5]。吸附機構主要有4種吸附方式[6]：磁力吸附、負壓吸附、仿生吸附、化學吸附。船體壁面是具有一定弧度的曲面，負壓吸附不適合曲面工況，仿生吸附和化學吸附成本高，而磁力吸附效率高、成本低[7-8]。所以此次設計便采取磁力吸附的方式。永久磁鐵和電磁鐵相比，電磁鐵會由于電路發生故障而導致磁力消失，從而導致機器人掉落，永久磁鐵不會出現任何問題，因此選擇永磁體作為磁吸附材料。

2.1 整體結構設計

設計的焊縫打磨爬壁機器人如圖1所示，機器人主要由車身車架、前后永磁體吸附機構、運動驅動機構、電柜箱、打磨裝置升降機構和打磨頭等組成。機器人前端布置打磨執行機構，當機器人沿著焊縫向前走時，打磨機構將對焊縫進行打磨處理。

圖1 焊縫打磨爬壁機器人三維模型

2.2 機器人前后磁吸附機構設計方案

如圖2所示，為了給機器人提供足夠的磁吸附力，避免機器人脫落，在后端萬向輪兩側對稱布置1個磁鐵盒，機器人前端2個驅動橡膠輪之間的底盤處布置1個永磁鐵盒，前后的3個永磁體盒中布置永久磁鐵提供吸附力，將打磨機器人緊緊吸附在船體外壁上。此外，設計前后吸附機構時，不僅應該保證吸附的穩定性，而且應該避免吸附力過大而造成電機過載。

圖2 前后磁吸附機構結構

永久磁鐵產生的磁吸附力穩定可靠，所以只需后磁鐵盒各布置1塊永久磁鐵，磁鐵盒采用不銹鋼材質，上端連接軛鐵，軛鐵通過螺栓連接到機架上，如圖3所示。軛鐵具有導磁和固定安裝磁鐵盒的作用。整個磁鐵盒可沿著螺栓上下移動，避免壁面上出現的凹凸物卡住磁鐵盒。

圖3 后磁鐵結構Fig.3 Rear magnet structure

前磁鐵盒里面按照一定的充磁方式布置5塊永久磁鐵，如圖4所示。前磁鐵吸附是5塊永久磁鐵搭配在一起，磁鐵在實際使用過程中，充磁方向非常重要，如果每塊磁鐵的充磁方向雜亂無章，很可能出現失效的現象，所以必須考慮每塊磁鐵的充磁方向。每塊磁鐵按照一定的充磁方向排列布置，避免相鄰磁鐵之間產生磁性損失，盡量使之達到最佳的磁場強度[9]。

圖4 前磁鐵結構Fig.4 Front magnet structure

2.3 機器人驅動機構設計方案

文中機器人的驅動方式如圖5所示，電機與行星減速器和直角減速器固定連接，直角減速器的輸出軸與橡膠輪連接，電機輸出的動力經過減速器減速增矩后，驅動車輪轉動，最終驅動爬壁機器人運動。左右兩側車輪的驅動方式是分開的，不會發生任何運動干涉，轉彎時，可以采用差速轉彎[10-11]；掉頭時，可以采用兩輪子旋轉方向相反，做到真正意義上的原地轉彎，大大減少轉彎半徑，使爬壁機器人更加靈活[12]。

圖5 機器人驅動機構Fig.5 Robot drive mechanism

2.4 焊縫打磨執行機構設計方案

機器人焊縫打磨執行機構如圖6所示，安裝座固定在機器人前端，電動缸固定在安裝座上，電動缸工作時帶動整個打磨裝置上下移動，打磨電機輸出的轉矩通過同步帶傳遞到打磨頭上，驅動打磨頭旋轉，對焊縫進行打磨。此外，為保證柔性打磨，在打磨機構中布置彈性機構，維持打磨壓力的恒定，同時，在氣彈簧旁邊布置鏈條，避免彈性機構在結束打磨時承受拉力，起到保護彈性機構的作用：打磨開始，電動缸帶動整個打磨裝置向下移動壓緊焊縫，接著打磨電機開始工作，帶動打磨頭旋轉；停止打磨，打磨電機停止工作，電動缸帶動打磨裝置離開壁面。

圖6 機器人打磨執行機構

3 爬壁機器人靜力分析

機器人在運動過程中可能會出現4種不穩定的狀態：(1)沿壁面向下滑移失效；(2)橫向傾覆失效；(3)縱向傾覆失效；(4)后從動輪脫離失效。通過對不同的失效進行受力分析，最終可以得出前、后磁吸附機構的最小極限磁吸附力。

3.1 沿壁面向下滑移失效

圖7為極限靜摩擦機器人的受力分析，機器人靜止停在船體外壁上，驅動輪的電機處于自鎖狀態，不會發生轉動，此時為了保證機器人不會沿著壁面下滑，必須滿足前面2個驅動橡膠輪處最大靜摩擦力之和遠大于重力在Z軸方向的分力，后面萬向輪所受的滾動摩擦力很小，可以忽略不計。而最大靜摩擦力與正壓力呈正比。機器人在驅動輪處所受的正壓力等于磁吸附力和重力的分力之和。若焊縫打磨頭與壁面之間的正壓力100 N，即壁面對打磨頭的支持力Pd=100 N。

在圖7中，沿壁面的法向和切向建立XOZ坐標系，其中，Z軸與機器人運動方向平行，X軸與運動方向垂直。Fc1為爬壁機器人前磁鐵所受到的磁吸附力，Pc1、Pc2分別為機器人的左右驅動輪與壁面接觸處所受的支持力。Fc2、Fc3為爬壁機器人的后端2個磁鐵箱與壁面之間的磁吸附力，Pc3為機器人的從動萬向輪與壁面接觸處所受的支持力。Ff1、Ff2分別為機器人2個驅動輪與壁面之間所受的摩擦力，Ff3為打磨頭處所受的摩擦力。Pd為焊縫打磨頭所受的支持力。β為船體壁面與豎直面之間的最大傾斜角。G為機器人滿載總重力。由于后磁鐵箱的結構尺寸完全一樣，因此可得：Fc2=Fc3，Ff1=Ff2。

圖7 向下滑移失效受力分析Fig.7 Sliding failure force analysis

為了保證機器人不發生滑移，需滿足：

Ff≥Gz

(1)

式(1)中：Ff為爬壁機器人受到的總摩擦力；Gz為機器人重力在Z軸方向的分力。

由式(1)及圖7可得：

(2)

由于機器人吸附在壁面上運動，為了避免機器人發生縱向傾覆，總有F吸附≥F支持，即：

Fc2+Fc3=2Fc2≥Pc3

(3)

所以

(4)

當爬壁機器人前磁鐵吸附力Fc1滿足式 (4)時，該焊縫打磨機器人將不會發生沿壁面向下滑移失效。

3.2 橫向傾覆失效

機器人在船體的傾斜壁面橫向移動時會出現繞主動驅動輪的接觸點Q發生側向傾覆。只要保證有足夠大的吸附力，機器人的輪子就能和船體壁面緊密接觸，就能保證機器人不會發生橫向傾覆失。隨著船體壁面角度在θ∈[0°,90°]內變化，機器人所受到的力矩也會隨著發生變化。此時的受力狀態如圖8所示，在o′x′y′z′坐標系中：L1為Fc1的作用點到點Q沿y′方向的距離；L2為Fc2的作用點到點Q沿y′方向的距離；L3為Fc3的作用點到點Q沿y′方向的距離；L4為Gy′的作用點到點Q沿X′方向的距離。

圖8 橫向傾覆失效受力分析

如圖8所示：機器人的前磁鐵的磁吸附力Fc1和后端2個磁鐵箱所提供的磁吸附力Fc2、Fc3提供抗傾覆力矩，Gy′、Gx′和Pd提供傾覆力矩。當抗傾覆力矩MA1大于等于傾覆力矩MA2時，機器人將不會發生橫向傾覆，即：

MA1≥MA2

(5)

由于Fc1的作用點在機器人的中心軸線上，Fc2、Fc3的作用點在機器人后端的磁鐵箱中心軸線上，即：

式中：B為兩主動輪最內側邊緣之間相距的長度；b為主動輪寬度；c為后端磁鐵箱的寬度。

由式(5)及圖8可得：

(6)

當機器人前端磁吸附力滿足式(6)時，可保證機器人不會發生沿點Q橫向傾覆。且當船體壁面傾斜角θ達到最大90°時，式(6)的右邊達到最大值，即：

(7)

綜上所述，當爬壁機器人前磁鐵吸附力Fc1滿足式(7)時，該焊縫打磨機器人將不會發生橫向傾覆失效。

3.3 縱向傾覆失效

機器人以任意姿勢向上運動時，有繞后輪點E發生縱向傾覆的趨勢。Fc1提供抗縱向傾覆力矩，Pd、Gx′和Gz′提供縱向傾覆力矩。當機器人處于臨界傾覆狀態時，前主動輪處壁面對輪子的支持力將為0。此時受力分析如圖9所示，在o′x′z′坐標系中：Gx′為重力沿x′軸方向的分力，Gz′為重力沿z′軸方向的分力；Lc為Fc1的作用點到點E沿z′方向的距離；Ld為Pd的作用點到點E沿z′方向的距離；Lg為Gx′的作用點到點E沿x′方向的距離；Hg為Gz′的作用點到點E沿z′方向的距離。

圖9 縱向傾覆失效受力分析Fig.9 Force analysis of longitudinal overturning failure

(8)

由式(8)及圖9可得：

(9)

要保證機器人不會發生縱向傾覆，即機器人前端主動輪不會發生脫離，機器人前端的磁吸附力Fc1就必須滿足式(9)。且當θ=0°時，右邊取得最大值，即：

(10)

3.4 后從動輪脫離失效

后從動輪脫離失效將影響到機器人的穩定性，后端磁吸附力雖然沒有機器人前端磁吸附力大，但也是機器人運行穩定性的重要因素之一。此時假設機器人前端磁吸附力足夠大，前主動輪不會發生脫離。當β=90°時，即機器人倒立吸附在船體壁面上，后從動輪發生脫離的趨勢將達到最大，此時受力分析如圖10所示，在o′x′z′坐標系中：L5為Fc2、Fc3的作用點到點K沿z′方向的距離；L6為Gx′的作用點到點K沿z′方向的距離。

圖10 后從動輪脫離失效受力分析Fig.10 Failure force analysis of the rear driven wheel

(11)

由式(11)及圖10可得：

(12)

當后從動輪處的磁吸附力Fc2滿足式(12)時，機器人即使倒掛吸附在船體壁面上，也不會發生后從動輪脫離壁面而繞主動輪的旋轉中心K翻轉的現象。

4 爬壁機器人吸附機構磁力仿真

4.1 磁吸附機構設計

機器人前端磁吸附力遠比后端磁吸附力大，所以后端磁吸附機構的2個磁鐵盒中各放1塊永久磁鐵。前端的磁吸附機構為5塊永久磁鐵，為了使5塊永久磁鐵所產生的磁吸附力最大，將磁鐵按照Halbach Array排列在一起[13]，如圖11所示。

圖11 磁鐵排列分布Fig.11 Distribution of magnet arrangement

4.2 基于Maxwell的磁吸附力仿真

使用的計算機操作環境為Windows 10 專業版，64位操作系統。采用磁力仿真軟件Ansys Electronics Desktop-Maxwell 3D對永磁體進行分析，列出能夠影響永久磁鐵磁吸附力的參數，并進行分析[14-15]。采用控制變量法，分析其中一個參數變化與磁力大小之間的關系。

4.2.1 前磁鐵吸附力仿真

前磁鐵吸附機構由銜鐵和5塊永久磁鐵按照Halbach Array排列在一起，磁鐵的材質為釹鐵硼N48H，軛鐵材料為Q235。前磁體磁感應強度分布如圖12所示。

圖12 前磁鐵磁感應強度分布

對前主動輪磁吸附機構的永磁體磁力線分布進行了仿真運算，得到如圖13所示的磁力線分布。

圖13 前磁鐵磁力線分布Fig.13 Distribution of magnetic field lines of front magnets

對前磁吸附機構的磁吸附力Fc1進行了磁力仿真運算，其與壁面間距d之間的關系見圖14。

圖14 Fc1-d關系曲線Fig.14 Fc1-d relationship curve

由于船體壁面上存在多條焊縫，焊縫的高度為3～4 mm，機器人前端磁鐵與壁面之間的安裝距離設為5 mm，根據式(4)(7)(10)可得出：機器人不發生危險的臨界值Fc1≥1 160 N。由圖14可知：在安裝距離為5 mm的條件下Fc1=2.15 kN，所以前磁鐵提供的磁吸附力滿足所需要求。

船體壁面的厚度也是影響機器人磁吸附力大小的一個重要因素。將前磁鐵與壁面之間的安裝距離固定為6 mm時，對前磁吸附機構的磁吸附力Fc1進行了磁力仿真運算，它與壁面厚度h之間的關系見圖15所示的得到Fc1-h關系曲線。

圖15 Fc1-h關系曲線Fig.15 Fc1-h relationship curve

由圖15可知：在9 mm以內，磁吸附力隨著壁面厚度的增大而增大；但當厚度大于等于9 mm時，磁吸附力將基本保持不變。

4.2.2 后磁鐵吸附力仿真

后磁鐵是一整塊永久磁鐵，材質為釹鐵硼N48H。軛鐵材料為Q235，船體壁面最小厚度10 mm。后磁體磁感應強度分布如圖16所示。對后輪磁吸附機構永磁體的磁力線分布進行了仿真運算，得到如圖17所示的磁力線分布情況。

圖16 后磁鐵磁感應強度分布

圖17 后磁鐵磁力線分布Fig.17 Distribution of magnetic field lines of the rear magnet

對后磁吸附機構的磁吸附力Fc2進行了仿真運算，它與壁面間距d之間的關系如圖18所示。可知：磁吸附力隨著間隙的增大而減小。機器人質量45 kg，根據式(12)可得，機器人后端磁鐵的磁吸附力需滿足Fc2≥100 N。當機器人后端磁鐵盒被動地上下移動間隙在2～10 mm時，Fc2均滿足Fc2≥100 N，所以后磁鐵提供的磁吸附力滿足所需要求。

圖18 Fc2-d關系曲線Fig.18 Fc2-d relationship curve

5 樣機實驗

將機器人的各個模塊進行組裝，得到如圖19所示樣機，包括行走機構、磁吸附機構、焊縫打磨執行機構等，樣機的整機質量大約為45 kg。為了驗證機器人在船壁上運行的穩定性和焊縫打磨效果，通過模擬機器人在船壁上運動和對焊縫進行打磨，做了相關實驗。

圖19 機器人樣機Fig.19 Robot prototype

5.1 機器人性能測試

組裝好的樣機進行了防下滑測試、防橫向翻轉測試、爬坡能力測試、負載能力測試和倒掛測試等，對上述仿真結果進行進一步驗證：(1)在90°的壁面上進行下滑測試，如圖20(a)所示，機器人由于電機自鎖，前主動輪被鎖住不動，機器人將靜止在壁面上，磁吸附力提供的摩擦力克服重力防止機器人向下滑動；(2)在90°的壁面上橫向移動和任意多方向轉向測試，如圖20(b)所示，測試機器人是否會發生橫向翻轉；(3)在90°壁面上向上移動的爬坡能力和越障能力測試，如圖20(c)所示，電機由電調輸出控制電流信號，閉環控制轉速，機器人在垂直壁面上均速向上移動，未出現低速爬行的現象；在越障過程中，機器人越障平穩；(4)在90°壁面上向上移動負載能力測試，如圖20(d)所示，機器人懸掛30 kg的重物進行測試；(5)倒掛在壁面上移動測試，如圖20(e)所示，測試機器人后輪是否會發生脫離而掉落。壁面材料為Q235，厚度15 mm。

圖20 爬壁機器人性能測試

5.2 磁吸附力測試

將機器人的磁吸附機構單獨裝在磁力測試平臺上進行測試，通過控制不同的間隙測試磁吸附力的大小，文中測試的間隙d在2～10 mm，每次增加1 mm，便可通過該磁力測試平臺測試出在不同間隙時的磁吸附力，如圖21所示。

圖21 磁力測試平臺Fig.21 Magnetic test platform

表1和表2為前、后磁吸附力仿真結果與實際測量結果的對比，與機器人前后吸附機構所提供的磁吸附力的仿真結果和實際測量出來的基本吻合。由此，實際加工出來的磁鐵滿足設計要求，可以保證機器人運行平穩。

表1 前磁吸附力對比Tab.1 Comparison of front magnetic adsorption force

表2 后磁吸附力對比Tab.2 Comparison of rear magnetic adsorption force

5.3 機器人焊縫打磨測試

將機器人置于帶有焊縫的鋼鐵壁面上進行了焊縫打磨測試，在打磨過程中機器人運行良好，未出現打滑、傾覆和翻轉等現象。通過對比焊縫打磨前、后，可得出打磨結束后，焊縫表面光滑，未出現焊縫余高，且露出一定的金屬光澤，如圖22所示。

圖22 焊縫打磨測試

6 結語

設計大型船舶側壁的焊縫打磨機器人，通過對機器人各種失穩狀態下的極限吸附力的設計計算、仿真運算及樣機實驗表明，設計的焊縫打磨機器人具有運行穩定、轉向靈活和打磨效果良好性能：(1)通過力學分析和仿真，可以得到機器人在各個極限位置的極限磁吸附力，保證機器人不會發生翻轉、掉落和傾覆。通過磁力仿真可以得出磁吸附力的大小與間隙值、壁厚之間的變化關系；(2)由機器人性能測試可知，機器人在鋼鐵壁面上運行平穩，未出現向下滑動、橫向翻轉和倒掛脫離的現象，該機器人爬坡、越障和負載能力良好；(3)通過機器人焊縫打磨實驗可知：機器人在打磨過程中運行良好，未出現任何危險狀況，打磨結束后，焊縫表面光滑，未出現焊縫余高，且露出一定的金屬光澤。