旋轉電弧傳感器機械結構設計,旋轉電弧傳感器機械結構設計,旋轉,電弧,傳感器,機械,結構設計 南昌航空大學科技學院 畢業(yè)設計開題報告 題 目 旋轉電弧傳感器機械結構設計 專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化 班 級 學 號 0781053 學生姓名 黃屹立 指 導 教 師 高延峰 填表時間： 2011年 04月 11日 說 明 開題報告應結合自己課題而作，一般包括：課題依據及課題的意義、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內容。以下填寫內容各專業(yè)可根據具體情況適當修改。但每個專業(yè)填寫內容應保持一致。 一． 選題的依據 焊接在機械制造工業(yè)中是一門新興的科學技術，只有一百多年的歷史，但焊接在近代工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了不可替代的重要作用。然而，傳統手工焊接對操作人員的技術要求高，并且在操作過程中往往對操作人員的身體產生不可避免的危害。為此，自動化控制焊接過程應運而生。焊接過程控制系統首先要解決的問題是焊縫跟蹤。 為此，人們設計開發(fā)了各種焊接傳感器以滿足日益提高的焊接質量要求。在長期的生產實踐中，旋轉電弧傳感器脫穎而出。然而，旋轉電弧傳感器仍然存在減振、小型化等問題期待解決。此外，諸如偏心方式、冷卻方式、密封、絕緣等設計問題也亟待更為完善的方案。 另一方面，三維虛擬建模技術的飛速發(fā)展，為機械結構的設計帶來了新的方法與思路，使設計人員能夠更直觀地進行設計工作。在本課題中，旋轉電弧傳感器的小型化設計需求，要求設計人員必須在有限的機構空間內實現各功能部件的合理分配。 二． 國內外研究概況及發(fā)展趨勢 旋轉電弧焊是1959年蘇聯研究成功的，但進行這種焊接所用的焊機直到70年代才出現。焊機包括電源、高頻引弧或輔助電極引弧裝置﹑夾具(電極)、激磁線圈和加壓機構(液壓、機械或手動加壓)等部分。影響焊接質量的主要工藝參數有電功率、磁場強度、管子裝配間隙、電弧旋轉速度和時間、頂鍛力和頂鍛速度。旋轉電弧焊的生產效率較高，與閃光對焊(見電阻焊)和摩擦焊相比，設備體積、耗電量、坯料損耗、焊縫毛刺等都小得多。 旋轉電弧傳感器在實際生產中的應用首見于日本NKK公司關于窄間隙焊接的報道中。雖然這種技術在NKK公司的船舶、鍋爐及結構生產中得以應用，且取得了顯著的成效，但是由于這種旋轉機構較復雜、體積大、振動大、調節(jié)不方便，因此限制了其在實際生產中的廣泛應用。 圖2-4 日本焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展趨勢[1] 研究與應用表明，旋轉方案的選定是旋轉電弧傳感器實現其突出功能的關鍵。日本NKK公司的窄間隙焊接首先使用的是野村博一的導電桿轉動方案，如圖2-5所示。該方案中，用電動機驅動導電桿轉動，利用導電嘴上的偏心孔使焊絲端頭和電弧旋轉。由于導電桿是處于高速轉動狀態(tài)。焊接電纜與導電桿之間無法直接相連，需要有一個類似電刷的石墨滑塊將數百安培的焊接電流傳送到導電桿上。這對于焊炬的設計、加工和壽命都是不利的。并且，由于導電桿和導電嘴轉動而通過導電嘴的焊絲并不轉動，致使導電嘴與焊絲之間存在高速相對運動，大大增加了導電嘴的磨損。此外，導電嘴與導電桿的冷卻也難以保證。 圖2-5 野村博一的導電桿轉動方案[1] 1980年，潘際鑾、費躍農研究成功一種新的旋轉方案RAT-Ⅰ（Rotating arc torch）。在方案中，導電桿本身并不旋轉，而是通過齒輪傳動，使其一端懸掛在球鉸上作圓錐擺動。球鉸為此圓錐錐頂，導電桿為圓錐母線，圓錐底邊即電弧旋轉軌跡。此方案減少了導電嘴的磨損、省去了電刷，并且可直接安裝水冷套，不必擔心旋轉而造成的水冷管纏繞。此方案中，旋轉直徑即掃描幅度一般需要調節(jié)，一般采取更換偏心齒輪的方法調節(jié)。這種調節(jié)方法可以得到精確的偏心量，但極為不方便，并且需要預制一系列偏心齒輪，生產周期長。同時，非連續(xù)性的調節(jié)也限制了它的應用。 12 圖2-6 RAT-Ⅰ的圓錐擺動方案[1] 圖2-7 RAT-Ⅱ的空心軸電機驅動方案[1] 1993年，潘際鑾、廖寶劍創(chuàng)造了一種空心軸電機驅動的旋轉掃描焊槍RAT-Ⅱ，采用了空心馬達結構設計，使得結構更加簡單，這種新型機構采用電機直接驅動，省去了傳動齒輪，通過偏心機構實現導電桿的圓錐擺動，從而解決了RAT-Ⅰ調節(jié)不便的問題。同時，減少了傳動損耗降低電機功耗，焊槍小巧靈活，機械振動小、焊接可達性好、可以像普通焊槍一樣使用。這種傳感器已獲得國家專利[11]。 近年來南昌大學機器人與焊接自動化試驗室經過多年不斷改進．使該旋轉掃描焊槍在結構上進一步小型化．重量減輕，機械振動和噪聲明顯減小，已成功用于弧焊機器人焊縫跟蹤。同時，各高校及研究院所也在這一方面的研究中不斷地探索努力，提出了各自不同的旋轉電弧傳感器設計方案。諸如，江蘇科技大學的空心軸電機驅動的旋轉電弧窄間隙焊接方法及裝置[15]（圖2-8）、哈爾濱工業(yè)大學的旋轉電弧窄間隙焊炬[16]（圖2-9）、南昌大學的帶擋塵蓋的旋轉掃描焊炬[17]等。 圖2-8 江蘇科技大學的空心軸電機驅動的旋轉電弧窄間隙焊接方法及裝置[15] 1-送絲滾輪 2-聯接頭 3-空心軸電機上端蓋 4-電機定子 5-電機轉子 6-空心軸 7-電機外殼 8-空心軸電機下端蓋 9-電機支座 10-聯軸器 11-光柵 12-防塵罩 13-光耦 14-電刷罩 15-壓緊彈簧 16-電刷 17-導電桿 18-軸承座 19-軸承 20-導氣座 21-噴嘴 22-氣體分配環(huán) 23-導電嘴 24-焊絲 25-焊接電弧 26-螺桿 27-支撐板 28-導軌 圖2-9 哈爾濱工業(yè)大學的旋轉電弧窄間隙焊炬[16] 1-空心軸伺服電機 2-偏心套筒 3-上調心軸承 4-密封軸承 5-下調心軸承 6-導電桿 7-上絕緣套 8-焊槍殼體 9-下絕緣套 10-絕緣墊圈 11-導電板 12-軟電纜 13-接電柱 14-導電嘴 三． 研究內容及實驗方案 焊接傳感器根據傳感方式的不同可以分為附加式傳感器和電弧傳感器兩大 類。傳統的焊縫跟蹤傳感器多數是附加式的，例如，接觸式傳感器、電磁傳感器和各種光學傳感器，這類傳感器共同的問題就是傳感器與電弧是分離的，傳感器的檢測點離開電弧有一定的距離，在焊接大弧度的焊縫時會影響跟蹤效果。而電弧傳感器利用焊接過程中的電弧電流波形或電弧電壓波形的變化來獲得電弧中心是否偏離焊縫作為傳感信息，實時性強，跟蹤效果好。電弧傳感器的最大優(yōu)勢在于它的抗弧光、高溫及強磁場能力很強, 同時它與焊接電弧總是統一的整體,結構簡單緊湊，成本也較低，目前, 電弧傳感器作為一種焊接傳感手段倍受各國重視, 國外許多焊接設備研究和制造機構都在努力開發(fā)這一領域。工業(yè)發(fā)達國家的研究起步較早, 已研制出多種電弧掃描形式(如雙絲并列、擺動和旋轉) 的電弧傳感器, 適合于埋弧焊、TIG和MIG／MAG 等不同焊接方法, 有些已用于焊接生產。許多國家所生產的弧焊機器人上均配有擺動式電弧傳感跟蹤裝置。 電弧傳感器的靜態(tài)數學模型 ??? 靜態(tài)模型指氣氛、焊材、電源參數、送絲速度以及焊炬與工件距離都不變，電弧穩(wěn)定燃燒的條件下，各物理量之間的關系。研究結果表明，對于外特性為緩降特性的電源來說，焊槍高度（H）和電流平均值（I）之間的關系在很大范圍內可作為線性系統來處理。 在電弧工作基本固定(固定送絲速度和電源外特性) 時，電弧傳感器的靜態(tài)模型為： ??? H = - Kst I + C? ??? 式中: Kst為焊炬高度與焊接電流的關系因子；I為電流采樣值；C為最大焊炬高度理論值。如果Kst 、C已知,則根據I 即可推算出當前焊炬高度的實際值H ,然后與給定值進行比較，其差值即為焊炬高度的調節(jié)量。 電弧傳感器的動態(tài)數學模型 ??? 電弧傳感器動態(tài)數學模型定量地描述了輸入與輸出之間的關系。研究認為：對于具有極好動態(tài)響應的焊接電源，其動態(tài)外特性可視為比例環(huán)節(jié)，其動態(tài)模型為一階模型；當電源外特性為慣性環(huán)節(jié)時，電弧傳感器的動態(tài)模型為二階模型。 ??? 通過理論和實驗研究，認為在弧焊電源具有較好的動態(tài)品質時，數學模型是具有一個零點和一個極點的一階系統；而將弧焊電源的動態(tài)特性改變?yōu)橐浑A系統時，數學模型是具有一個零點和兩個極點的二階系統。 ??? 通過對細絲埋弧焊電弧傳感器的研究，得到了電弧傳感器的動態(tài)模型，并且為二階模型；電源動態(tài)特性轉折頻率越大，電弧傳感器幅頻特性轉折頻率向高頻段移動。因此，電源動態(tài)品質的優(yōu)劣直接影響著傳感器的性能。 四． 目標、主要特色及工作進度 電弧傳感器的焊縫成形 旋轉電弧傳感器的焊接與電弧作擺動或作直線運動時的焊縫成形有明顯的不同，對焊接電弧的不同運動方式下的焊縫成形進行了研究，圖6為電弧作三種運動時的焊縫成形比較圖。在電弧旋轉運動方式下，焊縫的寬度較其它兩種運動方式略有增加，熔深有所減小，焊縫余高也略有減小,這是由于電弧高速旋轉，熔滴受到旋轉離心力的作用而向周圍射向熔池，導致熔池的寬度增加；旋轉電弧的轉動頻率較大，電弧在某點的停留時間縮短，相應地，電弧力對熔池底部的作用時間縮短，熔深減?。挥捎陔x心力的作用和電弧作用范圍的擴大，焊縫余高減小。 ??? 在水平角焊縫焊接中，高速旋轉電弧的成形明顯有所改善，突起的焊道形狀由于電弧的高速旋轉而得到改善。對高速旋轉電弧的水平角焊縫成形進行了研究，在水平角焊時，旋轉電弧作用在熔池上的壓力由于作用面的分散而降低，改善了焊道的平滑度。旋轉運動焊時的焊縫在兩邊的熔深都有所增大，且偏向腹板，這是因為電弧的高速旋轉使熱源和電弧力均勻地向四周分散，降低了電弧對熔池根部的沖刷作用，電弧的旋轉還會對熔池產生攪拌力，減弱了熔池金屬的重力作用，圖7為直線焊接和旋轉電弧焊接時角焊縫成形對照示意圖。在用旋轉電弧傳感器進行實際焊接時，可調節(jié)焊槍與腹板之間的角度，得到理想的焊縫。 電弧傳感器在高速焊中的研究 在實際焊接生產中，為了提高生產率，常常需要高速焊接，另外，焊接薄板時，為了避免焊穿，也需要高速焊接。為了研究旋轉電弧傳感器的高速焊接性能，對三種電弧運動方式（即電弧作直線運動、擺動運動和高速旋轉運動）的焊接進行了研究。圖8為三種電弧運動方式焊接的焊縫成形示意圖。焊槍在直線運動高速焊時的焊縫成形差，有咬邊現象，并且焊縫還出現了“駝峰”焊道，這是由于焊接電流較大，焊速較快，這時，電弧對熔池液體金屬的后排作用很強，弧坑很深，又沒有足夠的液體金屬來填滿弧坑兩側，因此形成咬邊。如圖8a所示；焊槍在擺動運動高速焊時的焊縫如圖8b所示，焊縫呈波浪形，且成形差，咬邊嚴重；圖8c是焊槍在旋轉運動高速焊時的焊縫圖，焊縫成形好，無咬邊現象，這是因為電弧的高速旋轉使電弧力對熔池的作用分散，弧坑深度減小，電弧的高速旋轉降低了電弧對熔池液體金屬的后排作用，因而焊縫的成形好。 ??? 采用高速旋轉電弧焊接機器人進行了高速跟蹤控制的研究，試樣為板厚3.2mm,長500mm的波浪形搭接接頭，在焊接電流為300A、旋轉頻率為50Hz時的跟蹤速度達到了120cm/min。M KODAMA 研制的電磁驅動高速擺動電弧傳感器在焊接電流530A、擺動頻率20Hz時的焊接速度能達到120cm/min。 進度安排 1.搜集資料寫開題報告，英文翻譯。 3 周 2.設計傳感器的機械結構， 4 周 3.繪制零件圖和裝配圖。 4 周 4.撰寫畢業(yè)論文。 4 周 5.答辯準備及畢業(yè)答辯 1 周 五． 主要參考文獻 [1].機械設計手冊編委會．機械設計手冊．北京：機械工業(yè)出版社，2004． [2].成大先．機械設計手冊（機械傳動）．北京：化學工業(yè)出版社，2004． [3].潘際鑾．現代弧焊控制．現代弧焊控制．北京：機械工業(yè)出版社，2000.6． [4].曾松盛等．基于電弧傳感器的焊縫跟蹤技術現狀與展望．焊接技術，2008,37(2)：1-6． [5]. 賈劍平，張華，潘際鑾．用于弧焊機器人的新型高速旋轉電弧傳感器的研制[J]．南昌大學學報(工科版)，2000，22(3)：1-4． [6]. Shi, Y.H, Yoo,W.S, Na, S.j. Mathematical modeling of rotational arc sensor in GMAW and its applications to seam tracking and endpoint detection[J]. Science and technology of welding and joining. 2006, 11(6): 723~730.