旋转电弧传感器机械结构设计【含CAD图纸和说明书】
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含CAD图纸和说明书
旋转
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南昌航空大学科技学院毕业设计开题报告题 目 旋转电弧传感器机械结构设计专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 0781053 学生姓名 黄屹立 指 导 教 师 高延峰 填表时间： 2011年 04月 11日说 明开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。但每个专业填写内容应保持一致。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。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NKK公司关于窄间隙焊接的报道中。虽然这种技术在NKK公司的船舶、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。图2-4 日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NKK公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2-5所示。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。图2-5 野村博一的导电杆转动方案11980年，潘际銮、费跃农研究成功一种新的旋转方案RAT-（Rotating arc torch）。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。12图2-6 RAT-的圆锥摆动方案1图2-7 RAT-的空心轴电机驱动方案11993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RAT-，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RAT-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2-8）、哈尔滨工业大学的旋转电弧窄间隙焊炬16（图2-9）、南昌大学的带挡尘盖的旋转扫描焊炬17等。图2-8 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151-送丝滚轮 2-联接头 3-空心轴电机上端盖 4-电机定子 5-电机转子 6-空心轴 7-电机外壳8-空心轴电机下端盖 9-电机支座 10-联轴器 11-光栅 12-防尘罩 13-光耦 14-电刷罩15-压紧弹簧 16-电刷 17-导电杆 18-轴承座 19-轴承 20-导气座 21-喷嘴 22-气体分配环23-导电嘴 24-焊丝 25-焊接电弧 26-螺杆 27-支撑板 28-导轨图2-9 哈尔滨工业大学的旋转电弧窄间隙焊炬161-空心轴伺服电机 2-偏心套筒 3-上调心轴承 4-密封轴承 5-下调心轴承 6-导电杆 7-上绝缘套 8-焊枪壳体 9-下绝缘套 10-绝缘垫圈 11-导电板 12-软电缆 13-接电柱14-导电嘴三 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,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、TIG和MIGMAG 等不同焊接方法, 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 = - Kst I + C 式中: Kst为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Kst 、C已知,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：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。 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，试样为板厚3.2mm,长500mm的波浪形搭接接头，在焊接电流为300A、旋转频率为50Hz时的跟踪速度达到了120cm/min。M KODAMA 研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20Hz时的焊接速度能达到120cm/min。进度安排1.搜集资料写开题报告，英文翻译。 3 周2.设计传感器的机械结构， 4 周3.绘制零件图和装配图。 4 周4.撰写毕业论文。 4 周5.答辩准备及毕业答辩 1 周五 主要参考文献1.机械设计手册编委会机械设计手册北京：机械工业出版社，20042.成大先机械设计手册（机械传动）北京：化学工业出版社，20043.潘际銮现代弧焊控制现代弧焊控制北京：机械工业出版社，2000.64.曾松盛等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)：1-65. 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
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