【爬壁擦窗机器人永磁式磁吸附可靠性计算案例2400字】

爬壁擦窗机器人永磁式磁吸附可靠性计算案例家用擦窗永磁式机器人是依靠磁吸附机构提供足够的吸附力来保持其在壁面运动过程中的可靠吸附，吸附机构的性能会关系到机器人壁面运动的安全性、负载能力和运动性能等。对于如何提高吸附机构的性能，设计重量轻和吸附可靠的磁吸附机构，一直是擦窗机器人研究的重点和难点。机器人擦窗过程中需要负载一定量的水，本章通过计算永磁铁吸附力的大小，改变可变量，挑选永磁体的外形尺寸，在满足吸附可靠性的情况下，调整永磁铁与玻璃气隙，尽量减轻永磁体的重量。从而减轻永磁式擦窗机器人的本体分量。1.1磁吸附力计算数学模型及优化目标1.1.1永磁铁优化目标在气隙一定的情况下，永磁铁吸附力和磁铁本身结构参数紧密相关，通过计算，改变磁吸附力公式中可变量，筛选磁体的材料和必要的外形尺寸，在满足吸附可靠性的情况下，尽量减轻永磁体的重量。同时配合实验，最终达到优化现有机体磁吸附可靠性的目的。1.1.2磁吸附于垂直壁面计算的数学模型机器人垂直吸附于壁面，对该模型进行分析计算。目的是保障擦窗机器人不会从垂直玻璃面上滑落，即要保证机器人重力要小于机器人所受到的最大静摩擦力。在机器人静止状态下进行垂直玻璃面的受力分析：图3-1为水平支撑力的合力,为静摩擦力静摩擦力与压力间关系表达式：（3-1）（3-2）为查阅到的玻璃与橡胶之间的静摩擦系数擦窗机器人越重，所要求的吸附力也就越大；摩擦系数越小（表面越光滑），所需要的吸附力越大。G=1.5kg;经过查表得知玻璃与橡胶间的摩擦系数为0.6-0.75之间。代入上述式子得：对玻璃压强需小于其可承受的最大压强（28MPa)。（3-3）（3-4）为玻璃与橡胶之间的动摩擦系数,F为磁吸附力大小，代入求得：图3-2现有机体包含主动部分和从动部分，工作模式为永磁铁的对吸，如图2-1所示，将磁路理想化，假设没有漏磁，磁场分布均匀。建立简单的模型分析，图中两边的轭铁，气隙，永磁铁可以得到一个等效磁阻回路。如图2-2所示。图3-3等效磁阻回路1.1.3机器人吸附于倾斜壁面的受力分析建立一个机器人吸附在倾斜壁面的受力分析图，为倾斜玻璃与垂直面的夹角。F为永磁式擦窗机器人工作时磁吸附所需的吸附力。图3-4倾斜玻璃对此倾斜面进行受力分析，列出以下式子：结合上列两个式子，列出等式：根据上述式子，因为玻璃倾斜角度未知，所以就要计算式子的最大值。以下是三角函数变换运算：经过三角函数变换得到的最大值为1，所以最大值为。最终得到的式子如下：机器人吸附于倾斜玻璃面的临界约束如下式所示：由验证模型可知，机器人越重或者机器人的重心越高（即重心距离垂直壁面越远）所需要的吸附力越大，减轻擦窗机器人本体重量对磁铁吸附可靠性的研究尤为重要。1.1.4磁吸附力计算的理论基础永磁式擦窗机器人吸附机构产生的磁场可看作静态磁场，其理论基础是(3-5)(2-1)磁路中的磁通大小可表示为:(3-6)各路径的磁通为：(3-7)(3-8)(3-9)根据安培环路定理，可得：(3-10)(3-11)根据公式，得出各部分的等效磁阻永磁相对导磁率(3-12)(3-13)(3-14)(3-15)根据虚功原理，最终可求得磁铁对钢化玻璃的吸附力大小为：(3-16)最终磁吸附力大小为：(3-17)式中：Sp永磁铁有效导磁面积，Hp永磁铁厚度为可变量，通过改变这两个参数，进而改变磁吸附力大小。1.2磁吸附机构校验及优化1.2.1永磁铁材料的选择永磁铁的材料直接影响磁铁的吸附力和磁铁的重量，查阅文献，挑选合适的永磁体材料，抉择目前性现有材料中性能较好的永磁铁材料：钕铁硼，钕铁硼磁体的定义：由稀土元素nd与铁、硼组成的金属间化合物。对比其他材料，它的磁能特性十分好，性价比更高。本文的设计故而选用钕铁硼永磁铁。以下为永磁铁的参数数据：矫顽力（KA/m）1003最大剩磁能（KJ/）342-366剩磁感应强度（mT）1320-1380最高工作温度150°C内禀矫顽力（KA/m）1592相对导磁率1.068-1.113矫顽力的定义为：这是一个磁铁的反向磁场强度，施加后能够使得磁体的磁化强度降为零。表3-11.2.2永磁铁吸附力校核代入实际参数，可求得临界约束：根据所得式子，代入数据计算：如下图可以看出气隙高度对磁吸附力的影响很大，随着永磁铁与玻璃间是气隙增大，永磁铁吸附力衰减很快。因此在永磁铁使用中，必须选择合适的气隙高度，以改变磁铁与玻璃间气隙高度对磁吸力影响的结果，以备磁铁能产生足够大的吸附力保证机器人安全吸附。气隙为10mm时吸附装置相对稳定，计算时取10mm，图3-5根据现有机构安装永磁铁的大小限制，永磁铁的有效导磁面积为0.0018平方米。永磁铁选取6mm计算，计算结果满足约束：机体空载状态下装上厚度为6mm的永磁铁，验证在该厚度下磁铁磁吸附的可靠性。擦窗机器人能够稳定运行。机体载水状态下装上厚度为6mm的永磁铁，擦窗机器人运行不稳定。负载水后机体重量总共为5kg。对满载水后的擦窗机体在垂直玻璃面上进行受力分析：G1是机器人满载水时的重量，结合上述式子，最后得出：永磁铁重新选取8mm计算，计算结果满足上述式子的约束。对满载水后的擦窗机器人的磁吸附可靠性进行验证。机器人运行十分稳定，故而选取厚度为8mm的永磁铁符合该机器人的稳定运行要求。并且在稳定运行的前提下尽量减轻了永磁铁的重量，达到给机器人减重的目的。1.2.3轭铁的选择为何要加一块轭铁在永磁铁上，通俗来说，它的最大作用就是使得磁能能够得到充分的利用，磁铁的效率得到提高。因为本课题的目标是减轻机体的重量，加上轭铁之后，磁铁的效率提高，就不用再增加不必要的磁铁重量，所以，加上一块轭铁是十分必要的。使用轭铁的目的是提高永磁铁导磁效率，为提高提高永磁铁的效率.本文选用导磁性能高的材料作为轭铁。一般可以用低碳钢，纯铁等导磁性能好的。考虑到纯铁硬度较低，安装可能会产生一定变形量，所以选用低碳钢作为本课题的轭铁材料是最好不过的。由于计算磁吸附力时，发现轭铁磁力可忽略不计，在选用时，轭铁可选取厚度较