摘要：风能是目前最有发展前景的清洁能源之一， 然而在极端条件下风电塔筒容易发生腐蚀、生锈， 目前主要依靠人工进行周期 性的高空悬挂喷涂维护。因此， 设计一种具有强吸附力、大曲率、运动灵活的永磁式自动化喷涂爬壁机器人替代人工作业， 通过 研究塔筒上的工况条件， 分别对吸附、行走、驱动、喷涂等机构进行分析， 提出了永磁吸附、轮式行走、直流伺服驱动、高压无 气喷涂的爬壁机器人方案。针对初步设计的爬壁机器人模型， 进行了力学计算， 分析了倾覆临界状态， 优化了爬壁机器人结构。 通过单因素法研究喷涂速度对漆膜厚度的影响， 调整了喷涂参数， 选择了合适的喷涂速度。结果表明： 初步设计的爬壁机器人喷 涂产生的漆膜厚度均匀，且厚度满足风电塔筒喷涂要求。

　　关键词：爬壁机器人; 永磁吸附;轮式行走; 直流伺服驱动; 高压无气喷涂

　　Design of Automatic Spraying Wall Climbing Robot on Wind Power Tower

　　Shen Shunxi ，Tu Degui ，Chen Lizhi

　　(Fujian Yongyue Intelligent Technology Co., Ltd., Fuzhou 350001. China)

　　Abstract: Wind energy is one of the most promising clean energy at present. However, wind power tower is prone to corrosion and rust under extreme conditions. At present, it mainly relies on manual periodic high-altitude suspension spraying maintenance. Therefore, a permanent magnet automatic spraying wall-climbing robot with strong adsorption force, large curvature and flexible movement is designed to replace manual operation. By studying the working conditions on the tower, the adsorption, walking, driving, spraying and other mechanisms are analyzed respectively. A wall-climbing robot scheme of permanent magnet adsorption, wheeled walking, DC servo drive and high-pressure airless spraying is proposed. For the preliminarily designed wall climbing robot model, mechanical calculations is conducted, the critical state of overturning is analyzed, and the structure of the wall climbing robot is optimized. The effect of spraying speed on paint film thickness is studied through a single factor method, the spraying parameters are adjusted, and an appropriate spraying speed is selected. The results show that the thickness of the paint film produced by the preliminary design of the wall climbing robot is uniform, and the thickness meets the requirements of wind power towerspraying.

　　Key words: wall-climbing robot; permanent magnet adsorption; walkable wheels; DC servo; high-pressure airless spraying

　　引言

　　随着能源危机加剧， 对可再生、清洁环保的能源需 求越加强烈， 风能是目前备受青睐的一种成本相对较低、 清洁、可再生的能源[1-2]。由于海上风力具有资源丰富、 区域大、节省土地资源等优点， 逐渐成为风能的发展趋 势[3]。风电塔筒是风能有效利用的主要风电设备之一 ， 经常受到极端风况、紫外线、昼夜温差、盐分等各种恶 劣自然因素的腐蚀， 所以需要进行周期性喷涂维护， 如 图 1 所示[4-5]。整个维护作业时间长、劳动强度大、人工 风险性高， 也是风电维护中最需要、最容易实现自动化 的部分[6]。

　　为了减少劳动强度， 降低风险， 提高维护效率， 采 用自动化喷涂爬壁机器人的作业方式应运而生， 如图 2 所示。但是， 目前市面上的喷涂爬壁机器人依然存在很多问题， 主要包括： 灵活性差、安全可靠性以及喷涂效 率低、质量差。

　　谢新亚等[7-8]研制的永磁吸附履带式爬壁机器人吸附 力强， 有自动调节功能， 安全稳定性好， 但履带容易划 伤塔壁， 且灵活性差， 拆卸不方便。吴善强等[9]设计负压轮式爬壁机器人和刘彦伟等:-11研制的仿生爬壁机器人虽然灵活程度高，但是负载能力低、安全系数低且无法实现喷涂。

　　东北石油大学李浩"设计了压缩空气式喷涂机构该方案在大平面上容易实现高效、均匀的喷涂，但是遇到曲面，容易造成喷涂不均匀、产生气泡。而安琥1设计的一款高压无气喷涂机，可实现船舶制造、建筑内外墙等一定曲率上的均匀、高效喷涂，然而需要人工手持喷涂，无法实现自动喷涂。

　　本文设计一种具有强吸附力、大曲率、运动灵活的永磁式自动化喷涂爬壁机器人替代人工作业。通过研究塔筒上的工况条件，分别对吸附、行走、驱动、喷涂等机构进行分析 ，提出永磁吸附、轮式行走、直流伺服驱动、高压无气喷涂的爬壁机器人方案。通过力学计算，分析倾覆临界状态，优化爬壁机器人结构。通过单因素法研究喷涂速度对漆膜厚度的影响，调整喷涂参数，选择合适的喷涂速度。结果表明:初步设计的爬壁机器人喷涂产生的漆膜厚度均匀，且厚度满足风电塔筒喷涂要求。

　　1.方案选择与结构设计

　　自动化喷涂爬壁机器人(下面简称爬壁机器人)的设计，除了考虑上述几个问题外，还应结合风电塔筒作业工况考虑以下问题。

　　(1)负载能力。高空喷涂所需要油漆，如果采用管道输送，有很大的压损，需采用超高压泵，而自身携带油漆、泵体，则爬壁机器人要有一定负载能力。

　　(2)安全性。机器人应有防倾覆能力，避免高空坠落风险，且有安全装置:之外，作业环境是钢制塔筒所以需要考虑绝缘安全问题。

　　(3)曲率适应与越障能力。首先，塔筒并非圆柱体而是一定曲率变化的国台形，所以机器人要根据区域自适应变化:其次，塔筒表面并非完全光滑，焊接时存在焊缝 ，长时间使用后会腐蚀生锈，以及海上风电还存在藻类附着等问题，这要求机器人要有一定的越障能力。

　　(4)与除锈、清洗爬壁机器人不同，喷涂爬壁机器人属于表面保护作业，行走机构不得触碰已喷区域。为了实现喷涂的全覆盖且不破坏喷区域，需考虑喷枪位置,运行轨迹以及喷枪和爬堅机器人的相对位置。

　　(5)油漆飞溅。在高空喷涂作业，喷射的油漆受到风速的影响发生偏移，造成喷涂不均匀、油漆飘散等不利情况，所以喷涂机构需要有防风装置。

　　1.1 方亲分析与选择

　　综上所述，本文从吸附、行走、驱动、转向以及喷涂等方面进行分析与研究，提出了永磁吸附、轮式行走直流伺服驱动、高压无气喷涂的解决方案,

　　(1)吸附方式

　　目前 ，爬壁机器人的吸附方式主要有真空、磁力、仿生、静电等， 其特点如表 1 所示[14-15]。由表可知， 磁力吸附相对于其他方式， 在钢制风电塔筒上使用具有较大的优势。磁力吸附分为两种： 电磁吸附和永磁吸附。虽然电磁吸附相对于永磁吸附来说， 工人从塔筒上搬离 爬壁机器人比较方便，但是同时也会存在断电坠落风险。所以综合考虑，本文选择永磁吸附的方案。

　　( 2)驱动方式

　　爬壁机器人普遍选择电机驱动的方式， 这是由于其质量轻、体积小、易于实现自动化控制。电机主要有步进、伺服、交流等，本文选择直流伺服电机，因为同样价格下其精度比步进电机高，低精度时基价格比交流同服电机低。

　　(3)行走方式

　　爬壁行走方式主要有车轮、展带、足等，其特点如表2所示假。足式爬壁机器人因为其运动方式，不适合均匀喷涂作业，而履带式灵活性低且易伤害作业面，所以本文选择车轮式，其具有移动迅捷、行走灵活，转向方便的特点，对壁面破坏程度低、结构简单。

　　(4)转向方式

　　为了实现爬壁机器人能够在塔筒表面自由行走，机器人需要有转向功能。目前，轮式机器人主要有3种转向方案:轮式差速、Mecanum轮"7和全轮，如表3所示。

　　爬壁机器人负重大，轮间距小，不会出现打滑现象所以选择轮式差速。为减小转弯半径，设计从动轮为万向轮，以提高爬壁机器人的灵活性。

　　( 5) 喷涂方式

　　目前， 主流的喷涂形式有有气喷涂、无气喷涂、静电喷涂以及上述基本形式派生的方式。静电喷涂要求喷涂工件不能导电，有气喷涂受限于压损，而高压无气喷涂具有喷涂效率、涂料利用率比空气喷涂高，且漆膜附着力强、油膜厚度小、对环境污染小的特点，常被用于大面积和大体积的喷涂作业。由于高压无气喷涂的压力大，可以实现油漆与泵体放在地面作业，本文选择高压无气喷涂。

　　1.2 吸附、行走结构设计与分析

　　塔筒是存在曲率变化的圆台，而永磁体是固定形状行走时导致永磁体与壁面之间的气隙变化，造成磁吸附力不稳定，同时也会造成轮子与壁面接触面积产生变化安全性能减弱。

　　为了解决上述问题，首先考虑增加爬壁机器人轮子的理论接触面积，驱动轮采用四轮结构对称分布，且永磁体位于轮系中间，保证轮系与塔筒壁面充分接触。同时，考虑转向方便，采用单个万向轮作为从动轮，其两侧分布磁铁保证吸附力。吸附、行走结构如图3所示。

　　其次，应保证每个轮子与壁面充分接触，本文设计了两边对称分布的驱动轮轮系，同时与车身采用铰链连接，如图4所示。为了用几何关系分析，定义车身的宽度为 2a，与塔筒壁的最小距离为c，车身与轮系轴的水平夹角为 α，轮系轴长度为b，轮系的半径为r，塔筒的半径为R，车身轴线与轮系轴线的夹角为0.

　　只有当轮系垂直于塔筒壁面， 车身呈水平对称状态 时， 轮系与塔筒壁接触面积最大， 每个轮子与壁面充分 接触， 且爬壁机器人整体受力才能平衡且稳定， 此时 α = θ, 车身与塔筒的距离 c 与车身轴线、轮系轴线的夹角 θ 的关系为：

　　为了保证爬壁机器人不从塔筒上掉落而稳定行走， 车身与塔筒的距离 c 不能随着塔筒半径 R 的变化而变化， 且 θ 变化量尽可能小， 所以可令 a = b， 则 c = r ， 即当轮 系轴长 b 是车身的宽度 2a 的 1/2 时， 车身与塔壁的距离 c 保持不变， 等于轮系半径 r。此时，爬壁机器人的重心不 会随着塔筒半径的变化而变化， 同时两轮夹角角度变化 小，有利于提高机器人的稳定性。

　　根据上述分析， 本文设计爬壁机器人的吸附、行走 机构如图 5 所示。机构由机架、永磁体、减速电机、车 轮、减速电机、铰链、万向轮组成。

　　1.3 喷涂方案及结构设计

　　喷涂工艺参数影响喷涂质量以及涂层厚度， 喷涂工 艺参数如图 6 所示， 主要有喷涂角度、喷涂靶距、喷涂 速度、喷枪、涂层间距、喷涂压力等。

　　( 1) 为了防止“遮蔽效益”减弱涂料的附着力， 喷 射角度一般控制在 60°~90°, 垂直于作业表面时喷涂效果 最佳[19]。

　　(2) 高压无气喷涂的压力较大， 喷涂靶距一般在 250~400 mm，过远涂层薄而粗糙，过近反冲力过大，造成 涂层不均。此外，作业过程中喷枪与作业表面保持等距。

　　(3) 通常情况下高压无气喷涂通过调整喷涂速度来 改变涂层厚度。为了防止涂料堆积， 且实现不同漆膜厚 度调整， 喷涂速度应在 100~1 000 mm/s 可调。

　　(4)从喷枪考虑， 主要有喷嘴形状、口径、开关响 应速度等因素影响喷涂质量和漆膜厚度。

　　喷嘴有扇形、圆形、环形， 本文运动方式适合扇形 喷嘴， 选择用于油漆喷涂的 517 型号， 喷嘴角度为 50° , 口径为 0.43 mm。

　　喷嘴开关有机械式、电磁式、气压式等， 电磁式响 应速度快， 但是耐压小， 气压式需要压缩气源， 高空作 业存在管道压损， 所以选用机械式控制开关， 但应保证 响应时间短，增加喷枪的有效行程。

　　(5) 扇形喷嘴喷涂形成的涂层间距一般中间厚、外 围薄， 因此下一次喷涂面应与上一次喷涂面有部分重合， 实现均匀的涂层厚度， 具体重合率可通过测量实际膜厚 计算得到。

　　(6) 喷涂压力大有利于提高涂料的雾化质量， 但过 大容易造成喷嘴磨损， 根据喷涂经验， 喷嘴压力大约控 制在 15~25 MPa 最合适。

　　为了得到好的喷涂质量以及不同的涂层厚度以应对 不同工况条件， 需要调整喷涂工艺参数， 本文设计喷涂 机构如图 7 所示。

　　伺服电机控制喷枪左右移动; 调整底座与旋转轴可 以控制喷涂距离; 喷涂角度通过十字万向节进行调整; 而喷涂压力通过高压无气喷涂泵控制; 同时， 增加保护 罩防止油漆受飞溅。

　　目前市场上的高压无气喷涂机的喷枪是机械、手把 式结构， 故本文设计伸缩电机拉取钢丝绳实现喷枪开关控制。伸缩电机行程与开关行程相近， 响应时间在 0.1 s 以内，满足快速响应要求。

　　1.4 整体结构设计

　　爬壁机器人整体主要由喷涂机构、吸附与行走机构、 控制箱、万向轮组成， 控制系统协调行走机构和喷涂结 构实现连续喷涂， 如图 8 所示。

　　2 爬壁机器人力学分析

　　爬壁机器人失稳的情况主要有下滑和倾覆， 根据车 轮方向又可分为纵向、横向， 如图 9 所示。

　　爬壁机器人直上直下纵向作业时， 万向轮、驱动轮 系处的永磁体有较大的吸附力， 驱动轮系自由转动与壁 面贴合， 此时爬壁机器人对称分布且塔筒半径较大， 可 以将爬壁机器人与塔筒的接触面认为平面; 当转弯时， 爬壁机器人主要依靠驱动轮处的永磁体与壁面吸附， 保 持横向状态， 而万向轮处悬空吸附力小， 可以忽略不计。

　　2.1 纵向下滑、倾覆受力分析

　　将驱动轮、万向轮与塔筒壁面的接触简化成一个点， 以重心为圆心 O， 平行与壁面法向和切向建立 XOY 坐标 系， 喷涂爬壁机器人受力分析如图 10 所示。

　　图 10 中， 点 A 为驱动轮接触点; 点 B 为万向轮接触 点; β角为塔筒与地面的夹角; F1 、F2 分别为机器人驱 动轮处、万向轮处磁吸附力; Ff1 、Ff2 为机器人驱动轮处 摩擦力; E 为接触点 A 、B 到 Y轴的垂直距离; K、H 为 A、B接触点到 X 轴的垂直距离; G 为机器人的总质量; FN1 、FN2 为壁面对机器人的支反力。

　　( 1)纵向下滑

　　由于行走机构所选的伺服电机与减速器有自锁能力， 所以不会出现滚动下滑情况， 其发生下滑也只能是滑动 下滑。在即将下滑时，受力分析得：

　　式中： u 为滑动摩擦因数。

　　从式(2)得出，要使喷涂爬壁机器人不会下滑，磁 吸附力的总和 F满足以下条件：

　　(2)纵向倾覆

　　最可能倾覆的情况是点 A 脱离后倾覆， 当点 A 将要 脱离时，FN1 、Ff1 为 0.对点 B 求矩得：

　　F1 ·(K + H) − Gsin β ·E − G cos β ·H = 0 ( 4)

　　结合式(2) 和(4)， 可以得到要使喷涂爬壁机器人不发生倾覆，磁悬浮吸附力F应满足以下条件：

　　除此之外， 机器人可能出现 A 、B 同时脱离倾覆可 能， 特别是在屋顶作业时， 所以磁吸附力总和 F 还得满 足以下条件：

　　F ≥ G ( 6)

　　2.2 横向下滑、倾覆受力分析

　　横向时， 只有驱动轮处有磁吸附力， 可以将一个驱 动轮系简化成一个接触点， 以重心为圆心 O， 平行与壁 面法向和切向建立 XOY 坐标系 喷涂爬壁机器人其受力分析如图 11 所示。图中点 C 为左驱动轮接触点;D点为右驱动轮接触点 ;F3 、F4 分别为机器人左、右驱动轮处磁吸附力 ， 且F3 = F4 = 0.5F1 ;Ff3 、Ff4 分别为机器人左、右驱动轮处 摩 擦 力 ， 且 Ff3 = Ff4;FN3 、FN4 为壁面对机器人的支反力，且 FN3 = FN4.

　　( 1)横向下滑在即将下滑时，受力分析得：

　　从式(11) 中不难看出结构参数 E 对机构稳定性的 影响， 应该尽可能降低喷涂爬壁机器人的重心。喷涂爬 壁机器人除了克服自重外， 还应该留有余量， 供电线、 管路等负载， 初步选择参数 G=300 N; 轮子材料选用聚 氨酯材料， 其摩擦因数 u = 0.8 ;尺寸参数： a=105 mm， E=200 mm ，H=230 mm ，K=190 mm。

　　根据式(11) 可以求得， 当且仅当 β=51.34°时， 吸 附力 F4 极限最小值最大， 最大值 F4 为240.12 N， 即当吸 附力大于该值时， 该设计的结构在任何情况下都不会失 稳。考虑到安全性， 选用单个磁吸附力 F4 = 250 N， 此 时总吸附力也大于爬壁机器人的重力，满足吸附力要求。

　　3 永磁体吸附力计算

　　本文采用材料钕铁硼永磁体作为磁铁， 永磁体采用 长方体式结构， 假设磁场均匀分布在导磁材料上， 且磁 导率较大，则吸附力 F 的计算公式为：

　　式中：μ0 为真空磁导率; B 为磁场与导磁材料作用面处 的磁感应强度;S 为磁场与导磁材料作用面的面积。

　　如图 12 所示， 由于永磁体与导磁体之间磁漏较大， 通常采用距磁体表面中心 x 处磁感应强度替代作用面上磁感应强度，其理论计算结果与实际误差较小，则

　　式中： Br 为剩磁强度; L 、W、H 分别为磁体长、宽、厚 度;M 为充磁方向。

　　( 1)驱动轮处永磁体

　　初 步 选 择 牌 号 为 N35 的 钕 铁 硼 永 磁 材 料 ， Br 为 1.25 T， 规格型号为 L=120 mm ， W=100 mm ，H=30 mm。 为防止永磁体与壁面产生摩擦， 造成永磁体发热损坏， 永磁体与导磁体之间最小间隙 x=3 mm( 1 mm 不锈钢外 壳 +2 mm 气 隙)， μ0 为4π × 10− 7 H/m， 则 由 式 (12) ~ ( 13)计算距离磁体 3 mm 处磁感应强度 B 的值约为 0.27 T， 此时磁吸附力 F 的值约为 341.93 N，满足要求。

　　然而壁面有焊缝等缺陷， 且存在曲率变化， 造成永 磁体与导磁体间隙变化，随着间隙增大，磁吸附力明显减 小。当间隙增加到 13 mm 时， 磁吸附力下降为 251.04 N， 此时也能满足设计要求。所以本文设计的永磁体有 10 mm 的余量用来克服壁面存在的焊缝、曲率变化等。

　　(2)万向轮处永磁体

　　初步选择牌号为 N35 的钕铁硼永磁材料， Br 为 1.25 T， 规格型号为 L=100 mm ， W=40 mm ，H=30 mm。当间 隙 x=3 mm 时， 此时磁感感应强度 B 约为 0.38 T， 磁吸附 F=233.68 N。当万向轮左右两端均有永磁体时， 可提供 467.36 N 磁吸附力， 与驱动轮处永磁体形成三角结构， 在跨越障碍时， 能有效避免机器人失稳。

　　4 漆膜厚度实验研究

　　由于塔筒存在曲率变化， 作业中需调整工艺参数， 确保漆膜厚度均匀。影响漆膜厚度的工艺参数有很多， 其中易实现自动化控制的、影响大的只有喷涂速度参数， 所以需要研究喷涂速度与漆膜厚度的关系。

　　为观察方便， 拆除挡风板， 安装好喷涂设备， 准备 好实验平台， 如图 13 所示。

　　进行测试实验， 喷涂角度为 90°, 靶距为 300 mm， 喷涂压力设置 20 MPa ，4 L/min 流量， 使用干膜仪测量漆 膜厚度， 得到漆膜厚度与喷涂速度的关系， 如图 14 所示。

　　由图可知，漆膜厚度与喷涂速度成反比，当喷涂速度小于 200 mm/s 时，漆膜厚度急速增加，且出现堆积流挂现象，此时漆膜厚度毫无意义。风电塔筒外表面环氧漆膜的推荐厚度为 120 μm，此时喷涂速度约为 346 mm/s,在直径4 m 的塔筒上单次喷涂，漆膜两边和中间存在厚度差。为了弥补左右两边，降低两处的喷涂速度同时进行涂层间距调整。优化后进行测量，在漆膜的左右、中各取3个点，实验数据如表4所示，结果显示整体漆膜厚度相差不大，说明该方法合理。

　　5.结束语

　　(1)本文针对工况分别对吸附、行走、驱动、喷涂等的机构进行分析与研究，提出了永磁吸附、轮式行走直流伺服驱动、高压无气喷涂的解决方案，(2)通过力学分析，得出当倾斜夹角为 51.34°时所需磁吸附力最大，此时单个永磁体吸附力最少为240.14 N。为了安全考虑，选取单个永磁体吸附力为250 N。当设计的爬壁机器人距离塔筒壁面3mm 时吸附力为 341.93 N，且存在 10 mm 余量防止坠落下。(3)通过喷涂实验，发现漆膜厚度与喷涂速度呈反比关系 ，且喷涂速度小于 200 mm 时出现堆积、流挂现象。当喷涂速度为 346 mm/s，漆膜厚度为 120 μm，符合推荐漆膜厚度。同时对喷涂速度、喷涂间距优化，满足漆膜厚度均匀要求。

　　本文的研究结果为后续进一步搭载用于自动校正漆膜厚度、轨迹追踪功能的计算机视觉分析系统，实现爬壁机器人自动化喷涂提供了基础。

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