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旋转电弧传感器机械结构设计
摘要：由于传统手工焊接对操作人员的技术要求高，并且在操作过程中往往对操作人员的身体产生不可避免的危害。因此，需要自动化控制的焊接过程。为达到自动化的目的，设计旋转电弧传感器。
本次设计采用圆柱形外壳体为主要结构，采用空心轴电机为动力源，首先对运动机构和防转机构进行讨论。进而对导电杆，检测装置，偏心机构这些部件进行了计算和设计。最后对通水方式，通电方式，绝缘与密封方式进行阐述。最终达到设计该机构的目的。
关键词： 焊接 旋转电弧 传感器 导电杆 偏心机构
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1 毕业设计开题报告 题 目 旋转电弧传感器机械结构设计 2 一 选题的依据 焊接在机械制造工业中是一门新兴的科学技术，只有一百多年的历史，但焊接在近代工业的发展中发挥了不可替代的重要作用。然而，传统手工焊接对操作人员的技术要求高，并且在操作过程中往往对操作人员的身体产生不可避免的危害。为此，自动化控制焊接过程应运而生。焊接过程控制系统首先要解决的问题是焊缝跟踪。 为此，人们设计开发了各种 焊接传感器 以满足日益提高的焊接质量要求 。在长期的生产实践中， 旋转电弧传感器脱颖而出。然而，旋转电弧传感器仍然存在减振、小型化等问题期待解决。此外，诸如偏心方式、冷却方式、密封、绝缘等设计问题也亟待更为完善的方案。 另一方面，三维虚拟建模技术的飞速发展，为机械结构的设计带来了新的方法与思路，使设计人员能够更直观地进行设计工作。在本课题中，旋转电弧传感器的小型化设计需求，要求设计人员必须在有限的机构空间内实现各功能部件的合理分配。 3 二 国内外研究概况及发展趋势 旋转电弧焊是 1959 年苏联研究成功的 ， 但进行这种焊接所用的焊机直到 70年代才出现 。焊机包括电源 、 高频引弧或辅 助电极引弧装置夹具 (电极 )、 激磁线圈和加压机构 (液压 、 机械或手动加压 )等部分 。 影响焊接质量的主要工艺参数有电功率 、 磁场强度 、 管子装配间隙 、 电弧旋转速度和时间 、 顶锻力和顶锻速度。旋转电弧焊的生产效率较高 ， 与闪光对焊 (见电阻焊 )和摩擦焊相比 ， 设备体积 、 耗电量 、 坯料损耗 、焊缝毛刺等都小得多。 旋转 电弧传感器 在实际生产中的应用首见于 日本 司 关于 窄间隙焊 接的报道 中 。 虽然这种技术在 炉及结构生产中得以应用，且取得 了 显著的成效，但是由于这种旋转机构 较复杂、体积大、振动大、调节不方便，因此限制了其 在实 际生产中的 广 泛应用。 图 2本 焊缝 跟踪传感器的发展趋势 1 研究与应用表明，旋转方案的选定是旋转电弧传感器实现其突出功能的关键。 日本 窄间隙焊 接首先使用的是野村博一的导电杆转动方案，如图 2方案中，用电动机驱动导电杆转动，利用导电嘴上的偏心孔使焊丝端头和电弧旋转。由于导电杆是处于高速转动状态。焊接电缆与导电杆之间无法直接相连，需要有一个类似电刷的石墨滑块将数百安培的焊接电流传送到导电杆上。这对于焊炬的设计、加工和寿命都是不利的。并且，由于导电杆和导电嘴转动而通过导电嘴的焊 丝并不转动，致使导电嘴与焊丝之间存在高速相对运动，大大增加了导电嘴的磨损。此外，导电嘴 4 与导电杆的冷却也难以保证。 图 2村博一的导电杆转动方案 1 1980年，潘际銮、费跃农研究成功一种新的旋转方案 （ 。在方案中，导电杆本身并不旋转，而是通过齿轮传动，使其一端悬挂在球铰上作圆锥摆动。球铰为此圆锥锥顶，导电杆为圆锥母线，圆锥底边即电弧旋转轨迹。此方案减少了导电嘴的磨损、省去了电刷，并且可直接安装水冷套，不必担心旋转而造成的水冷管缠绕。此方案中，旋转直径 即扫描幅度一般需要调节，一般采取更换偏心齿轮的方法调节。这种调节方法可以得到精确的偏心量，但极为不方便，并且需要预制一系列偏心齿轮，生产周期长。同时，非连续性的调节也限制了它的应用。 图 2圆锥摆动方案 1 图 2空心轴电机 驱动方案 1 5 1993 年，潘际銮、廖宝剑 创造了一种空心轴电机驱动的旋转扫描焊枪，采用 了 空心马达结构设计，使得结构更加简单 ， 这种新型机构采用电机直接驱动，省去了传动齿轮， 通过偏心机构实现导电杆的圆锥摆动， 从而 解决了 调节不便 的问题。 同时， 减少 了 传动损耗降低电机功耗，焊枪小巧灵活，机械振动小 、 焊接可达性好 、可 以像 普通 焊枪一样使用。这种传感器已获得国家专利 11。 近年来南昌大学机器人与焊接自动化试验室经过多年不断改进使该旋转扫描焊枪在结构上进一步小型化重量减轻，机械振动和噪声明显减小，已成功用于弧焊机器人焊缝跟踪。 同时，各高校及研究院所也在这一方面的研究中不断地探索努力，提出了 各自不同的旋转电弧传感器设计方案。诸如，江苏科技大学的空心轴电机驱动的旋转电弧窄间隙焊接方法及装置 15（图 2哈尔滨工业大学的旋转电弧窄间 隙焊炬 16（图 2南昌大学的带挡尘盖的旋转扫描焊炬 17等。 图 2苏科技大学的空心轴电机驱动的旋转电弧窄间隙焊接方法及装置 15 12345678910111213141516171819202122 6 232425262728图 2尔滨工业大学的旋转电弧窄间隙焊炬 16 123456 7891011121314三 研究内容及实验方案 焊接传感器根据传感方式的不同可以分为附加式传感器和电弧传感器两大 类。传统的焊缝跟踪传感器多数是附加式的，例如，接触式传感器、电磁传感器和各种光学传感器，这类传感器共同的问题就 是传感器与电弧是分离的，传感器的检测点离开电弧有一定的距离，在焊接大弧度的焊缝时会影响跟踪效果。而电弧传感器利用焊接过程中的电弧电流波形或电弧电压波形的变化来获得电弧中心是否偏离焊缝作为传感信息，实时性强，跟踪效果好。电弧传感器的最大优势在于它的抗弧光、高温及强磁场能力很强 , 同时它与焊接电弧总是统一的整体 , 7 结构简单紧凑，成本也较低，目前 , 电弧传感器作为一种焊接传感手段倍受各国重视 , 国外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域。工业发达国家的研究起步较早 , 已研制出多种电弧扫描形式 (如双丝并列、摆 动和旋转 ) 的电弧传感器 , 适合于埋弧焊、 不同焊接方法 , 有些已用于焊接生产。许多国家所生产的弧焊机器人上均配有摆动式电弧传感跟踪装置。 电弧传感器的静态数学模 型 静态模型指气氛、焊材、电源参数、送丝速度以及焊炬与工件距离都不变，电弧稳定燃烧的条件下，各物理量之间的关系。研究结果表明，对于外特性为缓降特性的电源来说，焊枪高度（ H）和电流平均值（ I）之间的关系在很大范围内可作为线性系统来处理。 在电弧工作基本固定 (固定送丝速度和电源外特性 ) 时，电弧传感器的静态模型为： H = - + C 式中 : 焊炬高度与焊接电流的关系因子； 果 则根据 I 即可推算出当前焊炬高度的实际值 H ,然后与给定值进行比较，其差值即为焊炬高度的调节量。 电弧传感器的动态数学模型 电弧传感器动态数学模型定量地描述了输入与输出之间的关系。研究认为： 8 对于具有极好动态响应的焊接电源，其动态外特性可视为比例环节 ，其动态模型为一阶模型；当电源外特性为惯性环节时，电弧传感器的动态模型为二阶模型。 通过理论和实验研究，认为在弧焊电源具有较好的动态品质时，数学模型是具有一个零点和一个极点的一阶系统；而将弧焊电源的动态特性改变为一阶系统时，数学模型是具有一个零点和两个极点的二阶系统。 通过对细丝埋弧焊电弧传感器的研究，得到了电弧传感器的动态模型，并且为二阶模型；电源动态特性转折频率越大，电弧传感器幅频特性转折频率向高频段移动。因此，电源动态品质的优劣直接影响着传感器的性能。 四 目标 、 主要特色及工作 进度 电弧传感器的焊缝成形 旋转电弧传感器的焊接与电弧作摆动或作直线运动时的焊缝成形有明显的不同，对焊接电弧的不同运动方式下的焊缝成形进行了研究，图 6 为电弧作三种运动时的焊缝成形比较图。在电弧旋转运动方式下，焊缝的宽度较其它两种运动方式略有增加，熔深有所减小，焊缝余高也略有减小 ,这是由于电弧高速旋转，熔滴受到旋转离心力的作用而向周围射向熔池，导致熔池的宽度增加；旋转电弧的转动频率较大，电弧在某点的停留时间缩短，相应地，电弧力对熔池底部的作用时间缩短，熔深减小；由于离心力的作用和电弧作用范围的扩大，焊缝余高 减小。 9 在水平角焊缝焊接中，高速旋转电弧的成形明显有所改善，突起的焊道形状由于电弧的高速旋转而得到改善。对高速旋转电弧的水平角焊缝成形进行了研究，在水平角焊时，旋转电弧作用在熔池上的压力由于作用面的分散而降低，改善了焊道的平滑度。旋转运动焊时的焊缝在两边的熔深都有所增大，且 偏向腹板，这是因为电弧的高速旋转使热源和电弧力均匀地向四周分散，降低了电弧对熔池根部的冲刷作用，电弧的旋转还会对熔池产生搅拌力，减弱了熔池金属的重力作用，图 7 为直线焊接和旋转电弧焊接时角焊缝成形对照示意图。在用旋转电弧传感器进行实际焊接时，可调节焊枪与腹板之间的角度，得到理想的焊缝。 电弧传感器在高速焊中的研究 在实际焊接生产中，为了提高生产率，常常需要高速焊接，另外，焊接薄板时，为了避免焊穿，也需要高速焊接。为了研究旋转电弧传感器的高速焊接性能，对三种电弧运动方式（即电弧作直线运动、摆动运动和高速旋转运动）的焊接进行了研究。图 8 为三种电弧运动方式焊接的焊缝成形示意图。焊枪在直线运动高速焊时的焊缝成形差，有咬边现象，并且焊缝还出现了 “驼峰 ”焊道，这是由于焊 10 接电流较大，焊速较快，这时，电弧对熔池液体金属的后排作用很强，弧坑很深，又没有足够的液体金属来填满弧坑两侧，因此形成咬边。如图 8a 所 示；焊枪在摆动运动高速焊时的焊缝如图 8b 所示，焊缝呈波浪形，且成形差，咬边严重；图 8c 是焊枪在旋转运动高速焊时的焊缝图，焊缝成形好，无咬边现象，这是因为电弧的高速旋转使电弧力对熔池的作用分散，弧坑深度减小，电弧的高速旋转降低了电弧对熔池液体金属的后排作用，因而焊缝的成形好。 采用高速旋转电弧焊接机器人进行了高速跟踪控制的研究， 500波浪形搭接接头，在焊接电流为 300A、旋转频率为 5020cm/M 制的电磁驱动高速摆动电弧传感器在焊接电流 530A、摆动频率 20的焊接速度能达到 120cm/ 进度安排 文翻译。 3 周 4 周 4 周 4 周 1 周 五 主要 参考文献 11 1械设计手册北京：机械工业出版社， 2004 2械设计手册（机械传动）北京：化学工业出版社， 2004 3代弧焊控制 现代弧焊控制北京：机械工业出版社， 4于电弧传感器的焊缝跟踪技术现状与展望焊接技术，2008,37(2)： 1 5. 贾剑平，张华，潘际銮用于弧焊机器人的新型高速旋转电弧传感器的研制 J南昌 大学学报 (工科版 )， 2000， 22(3)： 1 6. of to . of 2006, 11(6): 723730. of is to of to of be of is an of a of is is of a a in or of as is of it is at as a of to of of a of as of as in on of 1 of is of a a in of in do to on a by to of by 0Hz is as a. In be M an on of a of C a a to 400 4mm 00 It b. on of of be to be is of as in so on 1.3 to of up 00a to : as of of , of of at of a of is to to a of of in to be in a , on to of of is its is be in of . a of by a of 993, in on of a to a . to as In is be on or of in in in in By of to of to be as a as or as In of on of in as a in in of in 2 2.1 or in a of of in of a in to by of to in of of of a in of on of at of of of of in of of at on on of of of on of in of to it is of to of of of of of is a In of to 2.2 in In in to in to to In to of in a of in is a is to of in of a to on a As a; in of as b, is c is a in no to on of on of of a of 500mm 00A, 020 M in 30A, 0Hz 20cm/ 3, a of he of to to H) I) be as a to in H = - + C I C is of C is on of , is of he of of be as of is of in a is a a of is is a on a of of to 3.3 of a of , , K . U, I, K ) of an a on a 16 (215) 6 I a s im on of to as a of of a at a of a 4 of in on an to of 6SW on of as by be . s a 0. 5 as a of a is is an a in is in on is in In on of in to be as be up of to be in to in of be 旋转电弧传感器机械结构设计 摘要： 由于 传统手工焊接对操作人员的技术要求高，并且在操作过程中往往对操作人员的身体产生不可避免的危害。因此，需要自动化控制的焊接过程。为达到自动化的目的，设计旋转电弧传感器。 本次设计采用圆柱形外壳体为主要结构，采用空心轴电机为动力源，首先对运动机构和防转机构进行讨论。进而对导电杆，检测装置，偏心机构这些部件进行了计算和设计。最后对通水方式，通电方式，绝缘与密封方式进行阐述。最终达到设计该机构的目的。 关键词 ： 焊接 旋转电弧 传感器 导电杆 偏心机构 南昌航空大学科技学院学士学位论文 0 目 录 1 引言 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 课的依据和意义 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 代焊缝跟踪传感器 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 加式传感器概述 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 弧传感器概述 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 弧传感器工作原理 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 弧传感器的基本原理 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 转电弧传感器的原理 . （ 0 错误 !未定义书签。 ） 题任务 . （ 错误 !未定义书签。 ） 2 课题设计主要内容 . （ 错误 !未定义书签。 ） 弧旋转方案的选定 . （ 错误 !未定义书签。 ） 心轴电机 . （ 错误 !未定义书签。 ） 动机构设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 转机构 . （ 错误 !未定义书签。 ） 体结构设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 功能部分的轴向分配 . （ 错误 !未定义书签。 ） 向空间的分配 . （ 错误 !未定义书签。 ） 电杆部件的设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 电杆部件的总体设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 承的选用与安装 . （ 错误 !未定义书签。 ） 测装置的选定与安装 . （ 错误 !未定义书签。 ） 弧扫描位置与转速的检测方法 . （ 错误 !未定义书签。 ） 体式安装的旋转编码器 . （ 错误 !未定义书签。 ） 心机构的设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 心方案的确定 . （ 错误 !未定义书签。 ） 心机构的平衡 . （ 错误 !未定义书签。 ） 壳的设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 壳总体 设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 水方式 . （ 错误 !未定义书签。 ） 气方式 . （ 错误 !未定义书签。 ） 缘与密封设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 缘设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 封设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 它零部件的设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 线盖与接地装置 . （ 错误 !未定义书签。 ） 装设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 配方案设计 . （ 错误 !未定义书签。 ） 计参数 . （ 错误 !未定义书签。 ） 3 结论 . （ 错误 !未定义书签。 ） 题设计过程总结 . （ 错误 !未定义书签。 ） 题设计的缺陷与后续工作 . （ 错误 !未定义书签。 ） 参考文献 . （ 错误 !未定义书签。 ） 致 谢 . （ 错误 !未定义书签。 ） 附 录 . （ 错误 !未定义书签。 ） 焊接电弧传感器的研究现状和对未来的展望 焊缝跟踪是保证焊接质量和焊接自动化的前提，而传感器是实现这一前提的基础。焊接传感器根据传感方式的不同可以分为附加式传感器和电弧传感器两大类。传统的焊缝跟踪传感器多数是附加式的，例如，接触式传感器、电磁传感器和各种光学传感器，这类传感器共同的问题就是传感器与电弧是分离的，传感器的检测点离开电弧有一定的距离，在焊接大弧度的焊缝时会影响跟踪效果。而电弧传感器利用焊接过程中的电弧电流波形或电弧电压波形的变化来获得电弧中心是否偏离焊缝作为传感信息，实时性强，跟踪效果好。电弧传 感器的最大优势在于它的抗弧光、高温及强磁场能力很强 , 同时它与焊接电弧总是统一的整体 ,结构简单紧凑，成本也较低，目前 , 电弧传感器作为一种焊接传感手段倍受各国重视 , 国外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域。工业发达国家的研究起步较早 , 已研制出多种电弧扫描形式 (如双丝并列、摆动和旋转 ) 的电弧传感器 , 适合于埋弧焊、 不同焊接方法 , 有些已用于焊接生产。许多国家所生产的弧焊机器人上均配有摆动式电弧传感跟踪装置。 1 电弧传感器的分类 摆动扫描式电弧传感器是目前应用最广的一种焊接电弧传感器，这种电弧传感器需要一套摆动装置，在焊缝的横向方向来回摆动而实现焊缝跟踪。用在弧焊机器人上的摆动电弧传感器不需要摆动装置，通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动即可。但受机器人结构因素的影响，机器人的摆动频率一般在 10下，如图 1高速焊接和焊缝弧度大的情况下，其跟踪效果会受到影响。 M 明了一种电磁高速摆动电弧传感器，这种电弧传感器的两侧分别有永磁铁和激励线圈，当激励线圈通过一定频率的直流电流时，导电杆便会产生一定频率的摆动， 从而实现焊缝的跟踪。这种高速摆动的电弧传感器的摆动频率一般可在 0 40间可调，摆幅 0 4调，最大焊接速度 400。其特点是体积小，重量在 1结构如图 1 这种电弧传感器利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊，其左右两焊丝的焊接电流（电压）差值提供两个电弧之间的中心线是否偏离焊缝的信息，据此可实现焊缝跟踪。根据两个电弧参数和参考值比较的差值也可以实现导电嘴与工件表面间距离的调整。这种传感方式是利用电弧静态特性参数的变化作为传感信号，同时要用 两个参数相同的独立回路电源并列进行坡口焊接，焊枪结构较复杂，实现上有一定的困难，所以实用上受到限制。 速旋转扫描电弧传感器 这种电弧传感器以旋转电弧的方式代替了摆动电弧，其旋转频率高达100十世纪八十年代，日本 司发明了一种旋转式电弧传感器，并应用到窄间隙焊缝中，其原理如图 2所示：导电杆作为圆锥的母线，绕圆锥轴线旋转（公转），而并不绕导电杆自身轴线旋转（自转），并且在锥顶处运动的幅度很小，这种结构调节扫描直径的方法是调节园锥顶角，传感器需用一级齿轮减速传动，结构较大，影响了焊 炬的可达性。这种技术在 炉及结构生产中得以应用，且取得了显着的成效。 韩国的 作了一种高速旋转电弧传感器，如图 3所示，这种传感器依靠导电嘴的偏心来实现电弧的旋转运动，导电嘴的偏心度就是电弧的旋转半径。虽然它的转动机构比较简单、紧凑，但其在高速旋转时，焊丝在导电嘴中必须以同样的转速旋转，这就加剧了导电嘴的损耗。 德国的 在高速旋转电弧传感器方面做了大量的研究工作，制作了电弧传感器并进行了焊缝跟踪。 在我国，从八十年代末期开始，以清华大学潘际銮院士为 首的课题组，在旋转电弧传感器方面做了大量的研究工作，并取得了有价值的科研成果。 1993年，清华大学博士生廖宝剑在博士生费跃农的研究成果的基础上，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，并获得了国家专利，如图 4所示。这种高速旋转扫描电弧传感器采用了空心轴设计，以空心马达作为原动机，导电杆斜穿过马达空心轴。在空心轴上端，通过同轴安装的调心轴承支撑导电杆，该位置处导电杆偏心量为零，调心轴承可安装在电机轴上或机壳上。在空心轴的下端，外偏心套安装在轴上，内偏心套安装于外偏心套内孔中，调心轴承安装于内偏心套内孔中 ，导电杆安装于轴承内孔中。该处导电杆偏心量由内外偏心套各自偏心量及内偏心套相对外偏心套转过的角度而决定。当电机转动时，下调心轴承将拨动导电杆作为圆锥母线绕电机轴线作公转，或称为圆锥摆动。 近几年，南昌大学江西省机器人与焊接自动化重点实验室在此基础上对这种高速旋转扫描电弧传感器在小型化和减振等方面进行了深入细致的研究，并作了进一步的改进，制作了样机，样机安装在弧焊机器人上成功地进行了实时焊缝跟踪，图 5为安装在机器人上的空心轴旋转电弧传感器。 2 电弧传感器焊接工艺性能 弧传感器的焊缝成形 旋转电弧传感器的焊接与电弧作摆动或作直线运动时的焊缝成形有明显的不同，对焊接电弧的不同运动方式下的焊缝成形进行了研究，图 6为电弧作三种运动时的焊缝成形比较图。在电弧旋转运动方式下，焊缝的宽度较其它两种运动方式略有增加，熔深有所减小，焊缝余高也略有减小 ,这是由于电弧高速旋转，熔滴受到旋转离心力的作用而向周围射向熔池，导致熔池的宽度增加；旋转电弧的转动频率较大，电弧在某点的停留时间缩短，相应地，电弧力对熔池底部的作用时间缩短，熔深减小；由于离心力的作用和电弧作用范围的扩大，焊缝余高减小。 在水平角焊缝 焊接中，高速旋转电弧的成形明显有所改善，突起的焊道形状由于电弧的高速旋转而得到改善。对高速旋转电弧的水平角焊缝成形进行了研究，在水平角焊时，旋转电弧作用在熔池上的压力由于作用面的分散而降低，改善了焊道的平滑度。旋转运动焊时的焊缝在两边的熔深都有所增大，且偏向腹板，这是因为电弧的高速旋转使热源和电弧力均匀地向四周分散，降低了电弧对熔池根部的冲刷作用，电弧的旋转还会对熔池产生搅拌力，减弱了熔池金属的重力作用，图 7为直线焊接和旋转电弧焊接时角焊缝成形对照示意图。在用旋转电弧传感器进行实际焊接时，可调节焊枪与腹板之间的角度，得到理想的焊缝。 弧传感器在高速焊中的研究 在实际焊接生产中，为了提高生产率，常常需要高速焊接，另外，焊接薄板时，为了避免焊穿，也需要高速焊接。为了研究旋转电弧传感器的高速焊接性能，对三种电弧运动方式（即电弧作直线运动、摆动运动和高速旋转运动）的焊接进行了研究。图 8为三种电弧运动方式焊接的焊缝成形示意图。焊枪在直线运动高 速焊时的焊缝成形差，有咬边现象，并且焊缝还出现了 “ 驼峰 ” 焊道， 这是由于焊接电流较大，焊速较快，这时，电弧对熔池液体金属的后排作用很强，弧坑很深，又没有足够的液体金属来填满弧坑两侧，因此形成咬边。如图 8a 所示；焊枪在摆动运动高速焊时的焊缝如图 8b 所示，焊缝呈波浪形，且成形差，咬边严重；图 8c 是焊枪在旋转运动高速焊时的焊缝图，焊缝成形好，无咬边现象，这是因为电弧的高速旋转使电弧力对熔池的作用分散，弧坑深度减小，电弧的高速旋转降低了电弧对熔池液体金属的后排作用，因而焊缝的成形好。 采用高速旋转电弧焊接机器人进行了高速跟踪控制的研究， 500形搭接接头，在焊接电流为 300A、旋转频率为 50的跟踪速度达到了 120cm/M 制的电磁驱动高速摆动电弧传感器在焊接电流 530A、摆动频率 2020cm/ 3 电弧传感器的数学物理模型 静态模型指气氛、焊材、电源参数、送丝速度以及焊炬与工件距离都不变，电弧稳定燃烧的条件下，各物理量之间的关系。研究结果表明，对于外特性为缓降特性的电源来说，焊枪高度（ H）和电流平均值（ I）之间的关系在很大范围内可作为线性 系统来处理。 在电弧工作基本固定 (固定送丝速度和电源外特性 ) 时，电弧传感器的静态模型为： H = - + C 式中 : 焊炬高度与焊接电流的关系因子； I 为电流采样值； C 为最大焊炬高度理论值。如果 则根据 I 即可推算出当前焊炬高度的实际值 H ,然后与给定值进行比较，其差值即为焊炬高度的调节量。 电弧传感器动态数学模型定量地描述了输入与输出之间的关系。研究认为：对于具有极好动态响应的焊接电源，其动态外特性可视为比例环节，其动 态模型为一阶模型；当电源外特性为惯性环节时，电弧传感器的动态模型为二阶模型。 通过理论和实验研究，认为在弧焊电源具有较好的动态品质时，数学模型是具有一个零点和一个极点的一阶系统；而将弧焊电源的动态特性改变为一阶系统时，数学模型是具有一个零点和两个极点的二阶系统。 通过对细丝埋弧焊电弧传感器的研究，得到了电弧传感器的动态模型，并且为二阶模型；电源动态特性转折频率越大，电弧传感器幅频特性转折频率向高频段移动。因此，电源动态品质的优劣直接影响着传感器的性能。 弧传感器焊缝成形的数学模型 建立了高速旋转电弧传感器焊缝成形的数学模型。选用 4个主要的焊接规范参数，即焊接电压 U、焊接电流 I、旋转频率 K 及旋转直径 D。考虑到各工艺参数（ U、 I、 K 和 D）的一次项及交互作用对焊缝成形有重要影响，采用一次回归正交设计，用二水平正交表 215）进行 16次试验，得到了焊缝的余高、熔深和焊缝宽度与电弧传感器焊接工艺参数之间的数学模型。该数学模型的建立为旋转电弧传感器焊接工艺参数的选择提供了理论基础。 它数学模型 韩国的 C H 旋转电弧传感器的焊丝熔化特点进行了动态仿真。在忽略辐射的 情况下，考虑热源为高斯热源，把旋转电弧传感器旋转一圈对熔池的平均热输入作为准稳态温度场的热输入，建立了焊枪在恒定焊速下工件的温度场分 布的数学模型，并模拟了典型的熔池形状。 4 电弧传感器技术的应用状况 长期以来，许多国内外的焊接工作者对电弧传感器进行了深入细致的研究，并将研究成果应用到实际的生产中。目前，绝大部分的弧焊机器人都安装了摆动式电弧传感器，如德国 6机器人就安装了摆动式电弧传感器。旋转电弧传感器的应用也越来越普遍，如清华 大学研制的旋转电弧传感器应用于东风汽车公司的汽车贮气筒环缝的自动焊中，韩国的 司生产的旋转电弧传感器可用于弧焊机器人和自动焊中，如图 9 所示。日本松下的 弧焊机器人也安装了旋转电弧传感器，如图 10所示。 5 结束语 电弧传感器作为一种实时传感的器件与其它类型的传感器相比，具有结构较简单、成本低、响应快等特点，是焊接传感器的一个重要的发展方向，具有强大的生命力和应用前景。主要应用在两方面：一方面主要用在弧焊机器人上，另一方面主要用在带有十字滑块的 自动焊。 今后应着重对电弧传感器三维信息的提取及其焊接工艺性能进行研究。在焊接空间焊缝时，焊枪位姿要随着焊缝进行调整，才能得到满意的焊缝。目前的电弧传感器只能采集上下和左右二维信息，前后信息的提取还有待深入的研究，以便于弧焊机器人调整姿态进行全位置焊接。通过焊接科技工作者的努力，其智能跟踪能力将会更强。 致谢 毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。 本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校 南昌航空大学科技学院，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感谢科技学院的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理； 尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的高延峰老师，每有问题，高老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟的情谊；最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。 本文参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！ to of in to To of as of of In of of 毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 旋转电弧传感器机械结构 设计 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 1. 利用圆锥摆动方案实现导电嘴的旋转运动，采用空心轴电机驱动导电杆旋转。 2. 设计局部排水结构，实现水下局部干法焊接。 3. 设计传感器的总装图和主要零件的工程图。 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 文翻译。 3 周 4 周 4 周 4 周 5. 答辩准备及毕业答辩 1 周 、主 要参考资料： 1机械设计手册北京：机械工业出版社， 2004 2械设计手册（机械传动）北京：化学工业出版社， 2004 3代弧焊控制 现代弧焊控制北京：机械工业出版社， 4基于电弧传感器的焊缝跟踪技术现状与展望焊接技术， 2008,37(2)： 1 5. 贾剑平，张华，潘际銮用于弧焊机器人的新型高速旋转电弧传感器的研制 J南 昌大学学报 (工科版 )， 2000， 22(3)： 1 6. of to . of 2006, 11(6): 723730. 学 院（系） 专业类 班 学生（签名）： 日期： 自 年 月 日 至 年 月 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 机械制造工程 系（室）主任（签名）： 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 0 目 录 1 引言 . （ 01） 课的依据和意义 . （ 01） 代焊缝跟踪传感器 . （ 01） 加式传感器概述 . （ 01） 弧传感器概述 . （ 02） 弧传感器工作原理 . （ 03） 弧传感器的基本原理 . （ 03） 转电弧传感器的原理 . （ 06） 题任务 . （ 10） 2 课题设计主要内容 . （ 11） 弧旋转方案的选定 . （ 11） 心轴电机 . （ 11） 动机构设计 . （ 12） 转机构 . （ 13） 体结构设计 . （ 14） 功能部分的轴向分配 . （ 14） 向空间的分配 . （ 15） 电杆部件的设计 . （ 16） 电杆部件的总体设计 . （ 16） 承的选用与安装 . （ 16） 测装置的选定与安装 . （ 17） 弧扫描位置与转速的检测方法 . （ 17） 体式安装的旋转编码器 . （ 18） 心机构的设计 . （ 19） 心方案的确定 . （ 19） 心机构的平衡 . （ 22） 壳的设计 . （ 23） 壳总体 设计 . （ 23） 1 水方式 . （ 24） 气方式 . （ 25） 缘与密封设计 . （ 26） 缘设计 . （ 26） 封设计 . （ 27） 它零部件的设计 . （ 28） 线盖与接地装置 . （ 28） 装设计 . （ 30） 配方案设计 . （ 30） 计参数 . （ 31） 3 结论 . （ 32） 题设计过程总结 . （ 32） 题设计的缺陷与后续工作 . （ 32） 参考文献 . （ 34） 致 谢 . （ 36） 附 录 . （ 37） 1 1 引言 课 的依据和意义 现代焊接诞生至今仅百余年， 但已 显示出生命力 ，焊接在近代工业的发展中发挥了不可替代的重要作用。 焊接不仅是一种重要的基础工艺，而且已发展成为一种新兴的综合工业技术。它广泛应用于造船、压力容器制造，石油化工等钢结构制造领域。从某种意义上讲，工业先进的国家莫不以焊接技术先进作为其现代化的显著标志之一。焊接技术在国民经济中日益重要的作用，也是当代焊接技术发展的 个重要特点。然而，传统手工焊接对操作人员的技术要求高，并 且在操作过程中往往对操作人员的身体产生不可避免的危害。 因此 ，自动 化控制 焊接 过程 应运而生。 人们设计开发了各种 焊接传感器 以满足日益提高的焊接质量要求 。 在长期的生产实践中，旋转电弧传感器脱颖而出。然而， 旋转电弧传感器仍然存在减振、小型化等问题期待解决。此外，诸如偏心方式、冷却方式、密封、绝缘等设计问题也亟待更为完善的方案。 在本课题中，旋转电弧传感器的小型化设计 需求 ， 要求设计人员必须在有限的机构空间内实现各功能部件的合理分配。 代焊缝跟踪传感器 焊接是一个结合了光、电、热、力的综合加工过程，在焊接过程 中产生的热量会使焊接工件产生较大的热变形，从而产生焊接位置偏差。为了克服这种偏差的影响，目前有 2 种方法，其一是采用夹具定位，普通的夹具无法满足要求，为了确保精度，必须采用更为精确的夹具。方法之二是采用传感器进行焊缝跟踪，通过比较发现，采用跟踪的方法比采用精确的夹具经济得多 。 所以 焊缝自动跟踪是焊接自动化的关键之一。 焊接传感器根据传感方式的不同可以分为附加式传感器和电弧传感器两大类 。 加式传感器 概述 附加式传感器是目前焊缝跟踪传感器的常用形式，即在焊炬上固定一个附加的机械、电磁或光学装置，用 于检测焊缝的相对位置。其原理、特点分述如下： 1） 接触式传感器 。 典型的接触式传感器依靠在焊缝坡口中滑动或滚动的触指将 2 焊炬与焊缝之间的位置偏差反映到检测器内，并利用检测器内装的微动开关判断偏差的极性 。一般应用于长、直焊缝的单层焊及角焊。此方法结构简单，操作方便，缺点是：对不同形式的坡口需要不同形式的探头；探头磨损大，易变性；不适于高速焊接。 2） 电磁传感器 。 适用于对接、搭接和角焊，其体积较大，使用灵活性差，且对磁场干扰和工作装配条件比较敏感。一般应用于对精度要求不甚严格的场合。 3） 光学传感器 。 光学传感器近年 来有了很大发展，其装置的种类和原理的门类很多，根据其检测原理、对象、光源种类等因素，大致可以分为 ： 单点光电式、光切割图像处理方式、光电扫描式 、 焊缝直观图像处理方式（ 踪传感器） 。光学传感器精度高、再现性好，不仅可以用于焊缝跟踪，而且可以用于检测坡口形状、宽度和截面，为焊接参数的自适应控制提供依据。因此，光学传感器是焊缝跟踪系统中比较理想的传感器形式。 弧传感器 概述 虽然附加式 传感器具有诸多优点 ， 但是 这类传感器都在焊炬上固定一个附加的机械、电磁或光学装置，用于检测焊缝的相对位置，其共同的 问题就是传感器与电弧是分离的，有复杂的附加装置，应用起来不方便，效果也不够理想。而电弧传感器利用电弧本身作为传感器，根据焊接电弧的基本特性提取焊接过程中的电流或电压变化量作为传感器信号。因此，与附加式传感器相比，电弧传感器有其独特的优势 。 与其他传感器相比，电弧传感器具有以下优点 : (1)检测点就是焊接点，不存在传感器先行的问题，是完全实时的传感器。 (2)焊接机头周围不需要装备其他特别的装置，焊枪的可达性好。 (3)由于电弧本身作为传感器，所以不受焊丝弯曲和磁偏吹等引起电弧偏移的影响。 (4)不仅可以跟踪 传感，保证焊接参数的稳定，而且还可以改善焊缝的成形效果。 (5)抗光、电磁、热的干扰，使用寿命长。 目前电弧传感器作为一种焊接传感手段倍受各国重视，国外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域。工业发达国家起步较早 ，已 研制多种电弧扫描形式的电弧传感器，如双丝并列、摆动和旋转等，适合于埋弧焊、 不同的焊接方法。有些已成功地应用于焊接生产。早期的电弧传感器多采用摆动式，后来又开发了双丝并列的电弧传感器和旋转电弧传感器。 下面 ，将对 电弧传感器，尤其是 旋转电弧传感器的工作原理进行较为详细的 介绍。 3 弧传感器工作原理 弧传感器 的基本原理 弧传感器 的 跟踪原理 以电或机械方法使焊接电弧摆动，检测焊接电流、电压的变化，来判断摆动中心是否偏离坡口中心，并进行修正。使电弧摆动的方法有机械式、电磁式和射流式。摆动轨迹可分为直线往复运动、圆弧运动和旋转运动。在使用双丝并列焊接时，也可不作摆动。 图 1 为焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接参数变化的过程。图中， E 为电源外特性， C 为等熔化曲线， l 为电弧静特性曲线。以平外特性电源、等速送丝调节系统为例，在稳定焊接状态时，电弧工作点为 长 伸长随之变化，对应的等熔化曲线为 流为 焊枪与工件表面距离发生阶跃变化增大到 长突然被拉长为 时干伸长还来不及变化，电弧随即在新的工作点燃烧，电流突变为 经过一定时间的电弧自调节作用后，弧长逐渐变短，干伸长增大，最后电弧稳定 在一个新的工作点 长 应的等熔化曲线 流 果是干伸长和弧长都比原来增加。在上述变化中，有两个状态过程即调节过程的动态变化 (新的稳定点建立后的静态变化 (动态变化的原因是焊丝熔化速度受到限制，不能跟随焊炬高度的突变，静态变化的原因是由于电弧的自身调节特 4 性。 由以上所述，当电弧沿着焊缝的垂直方向扫描，焊接电流将随着扫描引起的焊矩高度变化而变化，从而获得焊缝坡口信息，达到传感的目的。 种 主要 电弧传感器 的特点 与上下跟踪类似，左右跟踪也是利用其变化信 号进行自动跟踪控制的。但其具体实现方案多种多样， 主要分为摆动扫描方式 、双丝并列方式 与旋转扫描方式。 （ 1） 摆动扫描式电弧传感器 摆动扫描式电弧传感器是目前应用最广的一种焊接电弧传感器，这种电弧传感器需要一套摆动装置，在焊缝的横向方向来回摆动而实现焊缝跟踪。用在弧焊机器人上的摆动电弧传感器不需要摆动装置，通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动即可。但受机器人结构因素的影响，机器人的摆动频率一般在 10下 ， 如图 1a） 。在高速焊接和焊缝弧度大的情况下，其跟踪效果会受到影响。 M 明了一种电磁高速摆动电弧传感器，这种电弧传感器的两侧分别有永磁铁和激励线圈，当激励线圈通过一定频率的直流电流时，导电杆便会产生一定频率的摆动，从而实现焊缝的跟踪。这种高速摆动的电弧传感器的摆动频率一般可在 0 40间可调，摆幅 0 4调，最大焊接速度 400。其特点是体积小，重量在 1下 ， 如图 1b） 。 图 1 2） 双丝并列电弧传感器 这种电弧传感器利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊，其左右两焊丝的焊接电流（电压）差值提供两个电弧之间的中心线是否偏离焊缝的信息，据此可实现焊缝跟踪。根据两个电弧参数和参考值比较的差值也可以实现导电嘴与工件表面间距 5 离的调整。这种传感方式是利用电弧静态特性参数的变化作为传感信号，同时要用两个参数相同的独立回路电源并列进行坡口焊接，焊枪结构较复杂，实现上有一定的困难，所以实用上受到限制。 （ 3） 旋转 扫描 电弧传感器 这种电弧传感器以旋转电弧的方式代替了摆动电弧，其旋转频率高达 100十世纪八十年代，日本 司发明了一种旋转式电弧传感器，并应用到窄间隙焊缝中，其原理如图 1示：导电杆作为圆锥的母线，绕圆锥轴线旋转（公转），而并不绕导电杆自身轴线旋转（自转），并且在锥顶处运动的幅度很小，这种结构调节扫描直径的方法是调节园锥顶角，传感器需用一级齿轮减速传动，结构较大，影响了焊炬的可达性。这种技术在 司的船舶、锅炉及结构生产中得以应用，且取得了显著的成效。 图 1 图 1国的 作了一种高速旋转电弧 传感器，如图 1示，这种传感器依靠导电嘴的偏心来实现电弧的旋转运动，导电嘴的偏心度就是电弧的旋转半径。虽然它的转动机构比较简单、紧凑，但其在高速旋转时，焊丝在导电嘴中必须以同样的转速旋转，这就加剧了导电嘴的损耗。 双丝并列方式与摆动扫描方式 的优 缺点 双丝并列方式从工艺成形和控制电路两方面都较为容易实现，但要求导电嘴通过双丝，并相互绝缘，使导电嘴尺寸较大，限制了 焊炬的可达性； 要求双丝的送丝速度必须完全一致， 也 使 得 送丝机构变得极为复杂和难以控制 。摆动扫描方式避免了这两个缺点，但摆动与成形存在相互关系，使得焊 炬使用的通用性降低 ； 各种摆动扫描方 6 式的研究表明，摆动频率不宜过高，一般在 5下，使得摆动动作很小，往往无法满足扫描要求 。此外，双丝并列方式与摆动扫描方式还存在着一个共同的缺陷，即在焊接路径非直线时，需要对其并列方向或摆动方向进行修正 ，如图 1示 ，并且修正值必须在焊接前预设，这明显降低了焊接的自动化程度，尤其是当焊接路径曲线较为复杂时，修正将带来额外的误差，并直接影响焊接的质量。 图 1动扫描方式的 摆动 方向修正 转电弧传感器 的原理 转电弧传感器概述 旋转扫描方 式 主要 是针对摆动式扫描 频率低的缺点提出的一种新的电弧扫描方式。在此方式中，电弧和焊丝的伸出端围绕焊炬中心线作圆周运动 ，其电弧轨迹如图1示。当电弧旋转的速度与电弧行走速度（焊速）之比足够大时，这种运动可以认为是电弧在垂直于焊缝的方向上的扫描，与摆动扫描的作用相似。 图 1转扫描方式下的电弧轨迹 示意图 采用旋转扫描方式工作的电弧传感器称为旋转电弧传感器。 旋 转电弧传感器是一种特殊的焊枪，在结构上虽比摆动式电弧传感器复杂，但具有突出的优越性：高速旋转增加了焊枪位置偏差的检测灵敏度，极大地提高了跟踪精 度；高速旋转提高了快速响应特性，适用于高速焊接和薄板搭接的焊缝跟踪，在弧焊过程自动控制领域占有重要的地位。 7 转电弧传感器的 国内外发展情况和应用现状 旋转电弧焊是 1959 年苏联研究成功的 ， 但进行这种焊接所用的焊机直到 70 年代才出现 。焊机包括电源 、 高频引弧或辅助电极引弧装置夹具 (电极 )、 激磁线圈和加压机构 (液压 、 机械或手动加压 )等部分 。 影响焊接质量的主要工艺参数有电功率 、 磁场强度 、 管子装配间隙 、 电弧旋转速度和时间 、 顶锻力和顶锻速度。旋转电弧焊的生产效率较高 ， 与闪光对焊 (见电阻焊 )和摩擦焊相比 ， 设备体积 、 耗电量 、 坯料损耗 、焊缝毛刺等都小得多。 旋转 电弧传感器 在实际生产中的应用首见于 日本 司 关于 窄间隙焊 接的报道 中 。 虽然这种技术在 司的船舶、锅炉及结构生产中得以应用，且取得 了 显著的成效，但是由于这种旋转机构 较复杂、体积大、振动大、调节不方便，因此限制了其在 实 际生产中的 广 泛应用。 研究与应用表明，旋转方案的选定是旋转电弧传感器实现其突出功能的关键。 日本 司 的 窄间隙焊 接首先使用的是野村博一的导电杆转动方案 ，如图 1示 。该方案中，用电动机驱动导电杆转动，利用导电嘴上的偏心孔使焊丝端头 和电弧旋转。由于导电杆是处于高速转动状态。焊接电缆与导电杆之间无法直接相连，需要有一个类似电刷的石墨滑块将数百安培的焊接电流传送到导电杆上。这对于焊炬的设计、加工和寿命都是不利的。并且，由于导电杆和导电嘴转动而通过导电嘴的焊丝并不转动，致使导电嘴与焊丝之间存在高速相对运动，大大增加了导电嘴的磨损。此外，导电嘴与导电杆的冷却也难以保证。 8 图 1村博一的导电杆转动方案 1 在我国，从八十年代末期开始，以清华大学潘际銮院士为首的课题组，在旋转电弧传感器方面做了大量的研究工作，并取得了有价值的科研成果 。 1993 年，清华大学博士生廖宝剑在博士生费跃农的研究成果的基础上，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，并获得了国家专利，如图 1示。这种高速旋转扫描电弧传感器采用了空心轴设计，以空心马达作为原动机，导电杆斜穿过马达空心轴。在空心轴上端，通过同轴安装的调心轴承支撑导电杆，该位置处导电杆偏心量为零，调心轴承可安装在电机轴上或机壳上。在空心轴的下端，外偏心套安装在轴上，内偏心套安装于外偏心套内孔中，调心轴承安装于内偏心套内孔中，导电杆安装于轴承内孔中。该处导电杆偏心量由内外偏心套各自偏心量及内偏心 套相对外偏心套转过的角度而决定。当电机转动时，下调心轴承将拨动导电杆作为圆锥母线绕电机轴线作公转，或称为圆锥摆动。 图 1几年，南昌大学江西省机器人与焊接自动化重点实验室在此基础上对这种高速旋转扫描电弧传感器在小型化和减振等方面进行了深入细致的研究，并作了进一步的改进，制作了样 机，样机安装在弧焊机器人上成功地进行了实时焊缝跟踪，图1安装在机器人上的空心轴旋转电弧传感器。 9 图 1转电弧传感器的发展 方向 1）小型化 。 电弧传感器一般用于自动化程度高的场合，即装置于弧焊机器人的手臂上。 弧焊机器人的手臂承受的重量有限，运动时的速度也较快，这 就要求高速旋转扫描电弧传感器在保证强度、刚度、振动等要求的前提下重量越轻越好。 当电弧传感器质量较大时惯性也较大，即使弧焊机器人的手臂能够支承，也会对其运动的准确性带来额外负担。另一方面，电弧传感器的体积，尤其是靠近导电嘴部分的径向尺寸，直接影响焊炬的可达性。 2）减振 。 高速旋转扫描电弧传感器在工作时的振动很大，原因在于高速旋转扫描电弧传感器偏心机构的重心偏离了旋转中心。振动和较大的负荷会影响弧焊机器人焊接时的焊缝质量和焊缝跟踪精度。因此，有必要 在 高速旋转扫描电弧传感器 的设计中充分考虑这一因素，诸如使 偏心量、 旋转频率能更方便准确地进行调节，从而逐步解决这一问题。 3）结构简单化。 从前文所介绍的各种 旋转电弧传感器中不难发现，尽管其具有突出优点，但结构都较为复杂，这 主要是由于在焊炬中必须包含电机、偏心机构、供水供气装置等功能部件，并且需要考虑绝缘与密封。结构简化的思路之一是将各功能部件集成，但这又将使零件难于制造。另一种简化结构的方案是以电磁感应方式使电弧旋转，取代电机驱动。目前这种方式的电弧传感器正在研制当中，已有部分定性研究成果 以论文、专利的形式 公布。 10 题任务 本设计采 用二维设计方式进行，使用 件绘制旋转电弧传感器的装配图。 同时，本设计任务要求对各零件进行详细的设计，保证旋转电弧传感器的顺利装配与正常使用。 11 2 课题 设计 主要内容 弧旋转方案的选定 心轴电机 在上文所述众多电弧旋转方案中，空心轴电机驱动的旋转电弧传感器具有 结构简单、传动损耗小、电机功耗低、焊枪小巧灵活、机械振动小、焊接可达性好等优点，是 当今旋转电弧传感器的主要研究方向。 本设计同样采用空心轴电机作为电弧旋转的动力源 。 由于当时市场上满足要求的成品难于找到，重新设计订货生产的成本高 、 周期长， 因此依旧沿 用 在 研制过程中 采取的选择合适电动机改装的方法。 普通直流电动机换向片处直径小且转子上有绕组，限制了轴空的扩大；直流力矩电动机转子和换向片处直径较大，但转速过小，且成本较高，不适合用于旋转电弧传感器。 普通轴流风机 用单相交流电动机的转子无换向片，鼠笼式结构，转子可以方便地钻孔扩孔，电机轴本身即是空心轴，原本是用于安装风扇，使气流通过空心轴。 这些条件都使普通轴流风机用单相交流电动机成为旋转电弧传感器空心轴电机改装最为合适的原型电机。 由于导电杆与电机之间应该绝缘，用以保证焊接电流不影响电机的正常工作，空心轴电机的轴内壁不能与导电杆接触。考虑导电杆的最大外径为 10包括安装轴承用的轴肩部分），以及偏心量因素，并且充分考虑空心轴内径扩大致使机构尺寸扩大 这一 因素，确定空心轴内径为 14 参考若干种现行 的 轴流风机 、轴流泵 及空心轴电机的几何尺寸与工作参数，设计出通过改型加工可以获得并适用于本设计的空心轴电机，如图 2示。该电机采用小 型 轴流泵 用电机改制，外径 40厚度 26心轴内径 14径 18度根据装配要求而定 ，额定转速 2700 r/定电压 36V， 额定功率 40W。 12 图 2心轴电机示意图 1 2 3 4 5 6 7 8 动机构设计 在选定空心轴电机之后，运动机构的基本形式可确定为如图 2示，在空心轴电机驱动下 ， 导电杆（部件 2）以 A 为顶点，以电机轴线为中心线，做圆锥摆动 ， 称为导电杆的公转 。 图 2构运动示意图 计算机构自由度： 3453 4 52 , 1 , 1 , 1 , 2 , 16 3 4 5 6 2 3 1 4 1 5 1 2 1 1n p p p p FF n p p p p F 其中，虚约束 为运动副 C 与运动副 B 重复约束的部件 3 沿自身轴线方向移动的自由度 ，以及运动副 A 与运动副 B 重复约束的部件 2 沿自身径向移动的自由度 。 局部自由度为部件 2 绕自身轴线转动的自由度。 此机构 方案 中，运动副 B 采用圆柱副，当偏心量调节时，其倾斜量会发生变化 ，若增设倾斜量的调节 /锁紧装置则会增加机构复杂程度与体积。因此将机构 中的圆柱副 B 改为如图 2示 的球面副 。 13 图 2改后的 机构运动示意图 计算机构自由度： 35352 , 2 , 1 , 1 , 16 3 5 6 2 3 2 5 1 1 1 1n p p p FF n p p p F 其中，虚约束为两球面副 重复约束的部件 2沿自身轴线方向移动的自由度 ；局部自由度为部件 2 绕自身轴线转动的自由度。 在实际机械 结构中，球面副 A 与球面副 B 可以采用调心球轴承方便地实现 。 转 机构 导电杆绕 其 自身轴线转动的局部自由度 ，称为导电杆的自转， 会造成导电杆与焊丝之间的摩擦，大大减少导电杆的使用寿命，必须以一个防转 机构 加以限制 。 由于导电杆需要偏心公转，防转挡块与导电杆之间不能够紧密接触 ，必须留有一定间隙， 但这样也造成了导电杆的自转无法完全约束的问题。 本设计的解决办法如图 2示，在导电杆高速公转时，导电杆自身由于挡块的限制而无法回转，而只能在小角度内作不确定的摆动，这就要求防转挡块能够承受导电杆的碰撞 ，并且最 好是能够减振的 。同时，防转挡块是与机架固定的，需要 与导电杆绝缘。因此需要 选用一种冲击韧性高、耐热绝缘的非金属材料 作为防转挡块的材料，在本设计中，初步选定为聚四氟乙烯树脂。 考虑到应尽量减小摆动量、减小间隙，将防转挡块安装在紧靠 A 点的位置。 图 2转机构 1 2 14 体结构设计 旋转电弧传感器除了要实现电弧的旋转以外，与普通焊炬一样，还需要实现冷却、通入保护气体等功能。而其外形尺寸又受到严格限制。首先，外形一般为圆柱形。这主要是为了适应在弧焊机器人手臂上的安装。其次，外径必须足 够小，以达到一定的焊接可达性。 功能部分 的轴向分配 基于上述考虑，本设计将各主要功能部件进行了划分，并沿轴向分配，如图 2左向右分别为上盖部分、主腔体、偏心机构腔、冷却水腔、保护气腔。 图 2转电弧传感器各功能部分轴向分配 上盖部分主要安装作为导电杆圆锥摆顶点的调心球轴承以及防转机构 ，其内径尺寸取决于轴承外径 ；主腔体内主要安装空心轴电机 与 检测 装置 ，其内径尺寸取决于空心轴电机外径以及 检测 装置外径；偏心机构腔体内主要安装偏心机构，其内径尺寸取决于偏心机构的尺寸以及额定偏心量的 大小；冷却水腔用于导电杆的冷却，并需要保证保护气体顺利通过此腔体到达保护气腔；保护气腔及其保护气罩则主要用于 保证 保护气体 能够 均匀 通达电弧部分 。 各功能部件必须按照一定的顺序 。 根据已经确定的运动机构， 上盖部分、主腔体、偏心机构腔的顺序不能打乱 。 冷却装置的主要作用是降低导电杆的温度，而导电杆靠近电弧部位的温度最高，冷却水腔应尽量靠近导电杆电弧部分 。 同样地，保护气体用于对电弧进行气体保护，保护气腔也应尽量靠近导电杆电弧部分。从中可以发现，存 15 在两种 轴向分配 方案，问题的焦点在于冷却水腔与保护气腔哪个应更靠近电弧部分。 冷却水腔 需要使导电杆得到充分冷却，就必须具有一定的体积与轴向长度； 保护气腔 的设计主要考虑气体的均匀分配，其体积要求较冷却腔体低。 同时，为了达到焊接可达性要求，越是靠近导电嘴的部分，其径向尺寸应越小。综合考虑之后可得，如图 2轴向分配最为合理。 向空间的分配 显然，仅仅对各功能部件进行轴向分配无法满足设计要求。首先，轴向分配忽略了 各功能部件之间的连接，其次是 导电杆的因素与通水通气管路的因素 。因此，需要对旋转电弧传感器进行径向空间的分配。 上盖部分、主腔体、偏心机构腔 的径向 空间分配如图 2a） 所示。冷却水与保护气 需要通过外壳中的管道到达 冷却水腔与保护气腔。同时，使用 4 个 钉穿入外壳将 上盖部分、主腔体 以及 偏心机构腔连接起来，构成旋转电弧传感器的主体部分 。 冷却水腔与保护气腔构成旋转电弧传感器的下腔部分。 导电杆始终处于旋转电弧传感器的中心 部位 ，并且，除了与轴承配合部分之外， 和 各功能部件 之间 保持一定的间隙。 冷却水腔与保护气腔部分的径向空间分配如图 2b）所示。冷却水腔与保护气腔的内壁应具有良好的导热性，以便使冷却水与保护气带走更多的热量。 图 2转电弧传感器径向空间分配 16 电杆 部件 的设计 电杆 部件的 总体设计 导电杆是焊炬的核心部件之一，主要作用是引导焊丝，并对焊丝通电，使其形成稳定的焊接电弧。由于 导电嘴需要经常更换，市场上也容易购买到现成的导电嘴零件，一般均采取与导电杆主体螺纹连接 ， 并将靠近螺纹部分的外表面加工为六角形，利用扳手很 容易实现有效的紧固并且拆装方便。 同时，导电嘴的材料一般采用工业纯铜，以达到理想的导电性能。由于导电嘴与导电杆的螺纹连接中，不适合加装弹簧垫圈等防松装置，导电杆宜采用与导电嘴相同的材料。这样，具有相同膨胀系数的材料在预紧后不会由于热膨 胀而发生松动甚至脱落。 另一方面， 工业纯铜的机械性能与加工性能不如黄铜，但导电杆部件的力学性能要求不高，故可以采用。 导电杆内需要通过焊丝，并使其精确到达焊接点，因此将导电杆部件的内径设计为由大到小的阶梯孔，并在交接处采用圆锥过渡。 此外， 在本设计中，导电杆 部件 需要与两个调心球轴承配合。因此，将 导电杆 部件 设计成 由上导电杆、下导电杆、导电嘴组成，如图 2示。 图 2电杆及相关零部件装配 1 2 3 4 56 7 8 9承的选用 与安装 考虑 导电杆 受力较小 ，但 存在 振动 。 由于本设计中，轴系为非传统轴系，选用调心球轴承也 是为了实现圆锥摆动， 并非按照机械设计手册中 ，滚动轴承特性表所述，用于承受载荷作用下弯曲较大的传动轴 25。因此，轴承的寿命校核无法采用传统的校核公式。 根据已有 的 类似机构的设计 319， 选用 中载系列调 心球轴承 ， 1200 ( 281 17 两个调心球轴承均与上导电杆配合，并用轴肩定位，由于两轴承之间的导电杆部分需要穿过空心轴，故采取如图 2示的 轴肩设计方案。同时，上调心球轴承的轴向定位轴肩还作为防转机构的一部分。 由于选用的轴承为普通金属部件，而导电杆与外壳之间又需要绝缘，需要在 轴承外圈 使用绝缘材料。在众多绝缘材料中，尼龙 有良好的绝缘耐热性能与机械性能，因此，在本设计中，直接采用尼龙 造两调心轴承的轴承套。上调心球轴承的轴承套外径可以与外壳直接配合；下调心球轴承的轴承套与偏心机构固定。 由于两轴承工作温度较高， 并且在结构上 又不适合采用润滑油润滑，故采用具有一定耐热性能的钠基润滑脂。相比较而言，下调心球轴承的工作条件更为恶劣，因此，在 下调心球轴承 靠 近导电嘴 的一 端安装一 个 防尘盖，这一设计借鉴 了 南昌大学 设计的一种带挡尘盖的旋转扫描焊炬的 实用新型 专利 17。 焊接时，焊接点的高温与相对温度较低的传感器内部产生较大温差，形成上升气流，往往会夹带焊接过程中产生的微小铁珠与灰尘。 防尘盖 则 可以有效防止 微小铁珠与灰尘 随着上升气流 进入调心球轴承 ，从而大大延长 轴承寿命 。另一方面，防尘盖宜采用冲压件，其表面粗糙度较低，能够反射一部分热辐射。改善轴承的工作条件。 防尘盖安装于上导电杆与下导电杆之间，同时还具有轴承内圈轴向限位的作用。 测 装置的选定 与安装 弧扫描位置与转速的 检测 方法 电动机旋转所达角度位置决定焊炬扫描所达的横向位置，该位置信号的检测对传感器的信号处理非常重要，而转速的测定则能够保证旋转稳定。 最早计划用于旋转电弧传感器的检测装置是电位器与整角机，但效果极为不理想，并未真正采用。一般 传统的 检测装置 采用光电码盘与光耦 ，如图 2示 。 这种检测装置包括一个编码盘和两个光耦。其中，编码盘外圈铣出矩形齿 槽 ，其中一 个 齿槽 较其它齿 槽 更深。 两个光耦安装在外壳内，光耦 的光路可以通过所有齿槽，光耦 的光路只能通过深齿槽。 编码盘安装在电机轴上，当电 机运转时，齿形将交替阻挡/允许由光耦的发光管通往光敏接收管的光路，光敏管则输出一串信号，经过外部电路的调制后可得一串脉冲信号，称为分度脉冲信号 ， 从两个光耦获得的分度脉冲信号分别称为信号 与信号 。信号 的周期即转过一齿的时间，从中可获得旋转的瞬时速度。信号 的周期即回转周期，将上一次 光耦 的光路通过齿槽起的时间除以这段时间内信号 的平均周期即上一次光耦 的光路通过齿槽后转过的角度。由此，通过 18 对两光耦输出信号的分析，便可以得到旋转的速度与角位移量，从而使电弧传感器根据该数据对焊缝进行准确的跟踪。 图 2统的 检测 装置 1 2 3 体式安装的 旋转 编码器 传统的检测装置具有体积小、安装方便的优点， 然而也存在明显的缺点 。首先，光耦元件结构简单，其输出信号 还是 模拟信号，需要通过外部电路调制 ；其次，模拟信号极易收到干扰，容易造成信号的丢失与误读。因此，需要寻找一种新的替代方法以解决这些问题。 随着编码器技术的日益发展， 选用一款现成的旋转编码器是解决上述问题的方式之一。当前存在众多旋转编码器供货厂家，其产品种类繁多，总体上分为机床用编码器与电机用编码器，其中机床用编码器 体积 较大，很少有空心轴型号，且空心轴型号的孔径都较小，这种旋转编码器能承受较大转矩，检测精度很高，适用于精度要求高的数控机床。电机用编码器尺寸较小，一般外径在 50内，形式多样，适用于多种有一定检测精度要求的场合。 本设计采用一款分体式安装的 电机用旋转编码器，如图 2示。选用一款现有分体式安装的旋转编码器 21改装而成。其中，编码器部分不需要改装， 只需要 增大编码盘孔径，使其能够与空心轴装配。 这种编码器包含模数转换电路，由八个引脚直接输出数字信号。 19 图 2体式安装的编码器 1 2器 同时，分体式的设计使分体式安装的旋转编码器可以采用与传统检测装置类似的方法安装，唯一不同的是编码盘与编码器之间的位置精度 要求 较传统检测装置高。在这一点上，产品本身已经提供了解决方法。编码器在其需要装配平面上的定位类似于“一面两短销”定位方式，编码器的装配表面上有两个短圆柱突起 ，与两圆柱孔配合即可完成定位，再用螺钉紧固即可完成装配。编码盘与编码器的轴向定位可以在编码盘与空心轴的装配时进行调整来实现。 心机构的设计 心方案 的确定 偏心机构 是实现导电杆圆锥摆动的重要部件，要求能够实现偏 心量的调节与锁定 。本设计采用螺钉调节 、 弹簧复位 、螺钉紧定的方法。如图 2示，在调心球轴承的轴承套上设计一 个 开式滑槽，与滑块形成移动副 ； 滑块通过紧定螺钉安装在空心轴电机的空心轴上 ；偏心机构盖安装在轴承套上 ，构成轴承套部件 ，限制轴承的轴向自由度；调节螺钉通过 顶块、 钢球紧定在滑块上，紧定螺钉直接紧定在滑块上 ；滑块及偏心机构盖 在与钢球接触的位置 上 都加工有圆弧槽，限制钢球沿电机轴方向的自由度 。 偏心量的调节方法为： 1）增大偏心量。先松开紧定螺钉，顺时针 转动 调节螺钉，则调节螺钉通过 顶块、钢球 使 轴承套 部件 沿移动副 向下移动 ， 从而增大偏心量； 到达所需位置后， 再 将紧定 20 螺钉拧紧。 2）减小偏心量。逆时针转动调节螺钉，由于在弹簧力的作用下，钢球、顶块与调节螺钉始终接触，当调节螺钉退出，弹簧使轴承套部件 沿移动副向上移动，从而减小偏心量；到达所需位置后，将紧定螺钉拧紧。 图 2心机构 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12图 2心 调节 机构 示意图 图 2 偏心调节机 构的机构 示意 图。部件 1 为滑块、部件 3 为轴承套部件。 计算自由度： 21 1）调节时的机构自由度 1 2 51 2 53 , 1 , 2 , 2 , 1 , 36 2 5 6 3 1 2 2 5 2 1 3 1n p p p p FF n p p p p F 其中，虚约束为部件 1与部件 3重复约束的部件 2沿垂直纸面方向移动的自由度，局部自由度为部件 2 绕自身中心的自由转动。 运动副 D 与运动副 E 为级副，图中未注。 2）锁紧时的机构自由度 当偏心机构锁紧时，相当于部件 3 也成为机架。于是，有 1 2 51 2 52 , 1 , 2 , 1 , 1 , 36 2 5 6 2 1 2 2 5 1 1 3 0n p p p p FF n p p p p F 符合锁紧要求。 偏心 机构 的 可调节性 校核计算 ： 偏心调节机构受力图如图 2a) (b) 所示， 调节螺钉对钢球的作用力， 为使计算方便，将轴承套部件定为机架。 图 2心调节机构受力图 1） 当 滑块向下移动时，受力情况如图 2a） 所示，查摩擦系数 表 22， 取 最大静 摩擦
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