旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,旋轉(zhuǎn),電弧,傳感器,機械,結(jié)構(gòu)設(shè)計 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 I、畢業(yè)設(shè)計(論文)題目： 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 II、畢 業(yè)設(shè)計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計技術(shù)要求： 1. 利用圓錐擺動方案實現(xiàn)導(dǎo)電嘴的旋轉(zhuǎn)運動，采用空心軸電機驅(qū)動導(dǎo)電桿旋轉(zhuǎn)。 2. 設(shè)計局部排水結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)水下局部干法焊接。 3. 設(shè)計傳感器的總裝圖和主要零件的工程圖。 III、畢 業(yè)設(shè)計(論文)工作內(nèi)容及完成時間： 1.搜集資料寫開題報告，英文翻譯。 3 周 2.設(shè)計傳感器的機械結(jié)構(gòu)， 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 Ⅳ 、主 要參考資料： [1].機械設(shè)計手冊編委會．機械設(shè)計手冊．北京：機械工業(yè)出版社，2004． [2].成大先．機械設(shè)計手冊（機械傳動）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004． [3].潘際鑾．現(xiàn)代弧焊控制．現(xiàn)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(shù)現(xiàn)狀與展望．焊接技術(shù)，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(zhuǎn)電弧傳感器的研制[J]．南 昌大學(xué)學(xué)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. 學(xué)院（系） 專業(yè)類 班 學(xué)生（簽名）： 日期： 自 年 月 日 至 年 月 日 指導(dǎo)教師（簽名）： 助理指導(dǎo)教師(并指出所負責(zé)的部分)： 機械制造工程 系（室）主任（簽名）： 附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計說明書首頁。 畢業(yè)設(shè)計（外文翻譯） 題目： 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 系 別 航空與機械工程系 專業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及其自動化 班級學(xué)號 078105308 學(xué)生姓名 黃屹立 指導(dǎo)教師 高延峰 二O 一一 年 五 月 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計開題報告 題 目 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 學(xué) 號 0781053 學(xué)生姓名 黃屹立 指 導(dǎo) 教 師 高延峰 填表時間： 2011年 04月 11日 說 明 開題報告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內(nèi)容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。 一． 選題的依據(jù) 焊接在機械制造工業(yè)中是一門新興的科學(xué)技術(shù)，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(tǒng)手工焊接對操作人員的技術(shù)要求高，并且在操作過程中往往對操作人員的身體產(chǎn)生不可避免的危害。為此，自動化控制焊接過程應(yīng)運而生。焊接過程控制系統(tǒng)首先要解決的問題是焊縫跟蹤。 為此，人們設(shè)計開發(fā)了各種焊接傳感器以滿足日益提高的焊接質(zhì)量要求。在長期的生產(chǎn)實踐中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器脫穎而出。然而，旋轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)的飛速發(fā)展，為機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了新的方法與思路，使設(shè)計人員能夠更直觀地進行設(shè)計工作。在本課題中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的小型化設(shè)計需求，要求設(shè)計人員必須在有限的機構(gòu)空間內(nèi)實現(xiàn)各功能部件的合理分配。 二． 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 旋轉(zhuǎn)電弧焊是1959年蘇聯(lián)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(xiàn)。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(gòu)(液壓、機械或手動加壓)等部分。影響焊接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有電功率、磁場強度、管子裝配間隙、電弧旋轉(zhuǎn)速度和時間、頂鍛力和頂鍛速度。旋轉(zhuǎn)電弧焊的生產(chǎn)效率較高，與閃光對焊(見電阻焊)和摩擦焊相比，設(shè)備體積、耗電量、坯料損耗、焊縫毛刺等都小得多。 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用首見于日本NKK公司關(guān)于窄間隙焊接的報道中。雖然這種技術(shù)在NKK公司的船舶、鍋爐及結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得以應(yīng)用，且取得了顯著的成效，但是由于這種旋轉(zhuǎn)機構(gòu)較復(fù)雜、體積大、振動大、調(diào)節(jié)不方便，因此限制了其在實際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。 圖2-4 日本焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展趨勢[1] 研究與應(yīng)用表明，旋轉(zhuǎn)方案的選定是旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實現(xiàn)其突出功能的關(guān)鍵。日本NKK公司的窄間隙焊接首先使用的是野村博一的導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動方案，如圖2-5所示。該方案中，用電動機驅(qū)動導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動，利用導(dǎo)電嘴上的偏心孔使焊絲端頭和電弧旋轉(zhuǎn)。由于導(dǎo)電桿是處于高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)。焊接電纜與導(dǎo)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(shù)百安培的焊接電流傳送到導(dǎo)電桿上。這對于焊炬的設(shè)計、加工和壽命都是不利的。并且，由于導(dǎo)電桿和導(dǎo)電嘴轉(zhuǎn)動而通過導(dǎo)電嘴的焊絲并不轉(zhuǎn)動，致使導(dǎo)電嘴與焊絲之間存在高速相對運動，大大增加了導(dǎo)電嘴的磨損。此外，導(dǎo)電嘴與導(dǎo)電桿的冷卻也難以保證。 圖2-5 野村博一的導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動方案[1] 1980年，潘際鑾、費躍農(nóng)研究成功一種新的旋轉(zhuǎn)方案RAT-Ⅰ（Rotating arc torch）。在方案中，導(dǎo)電桿本身并不旋轉(zhuǎn)，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(dǎo)電桿為圓錐母線，圓錐底邊即電弧旋轉(zhuǎn)軌跡。此方案減少了導(dǎo)電嘴的磨損、省去了電刷，并且可直接安裝水冷套，不必擔(dān)心旋轉(zhuǎn)而造成的水冷管纏繞。此方案中，旋轉(zhuǎn)直徑即掃描幅度一般需要調(diào)節(jié)，一般采取更換偏心齒輪的方法調(diào)節(jié)。這種調(diào)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(yù)制一系列偏心齒輪，生產(chǎn)周期長。同時，非連續(xù)性的調(diào)節(jié)也限制了它的應(yīng)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(qū)動方案[1] 1993年，潘際鑾、廖寶劍創(chuàng)造了一種空心軸電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)掃描焊槍RAT-Ⅱ，采用了空心馬達結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)更加簡單，這種新型機構(gòu)采用電機直接驅(qū)動，省去了傳動齒輪，通過偏心機構(gòu)實現(xiàn)導(dǎo)電桿的圓錐擺動，從而解決了RAT-Ⅰ調(diào)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(xué)機器人與焊接自動化試驗室經(jīng)過多年不斷改進．使該旋轉(zhuǎn)掃描焊槍在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)電弧傳感器設(shè)計方案。諸如，江蘇科技大學(xué)的空心軸電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接方法及裝置[15]（圖2-8）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊炬[16]（圖2-9）、南昌大學(xué)的帶擋塵蓋的旋轉(zhuǎn)掃描焊炬[17]等。 圖2-8 江蘇科技大學(xué)的空心軸電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接方法及裝置[15] 1-送絲滾輪 2-聯(lián)接頭 3-空心軸電機上端蓋 4-電機定子 5-電機轉(zhuǎn)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(lián)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(dǎo)電桿 18-軸承座 19-軸承 20-導(dǎo)氣座 21-噴嘴 22-氣體分配環(huán) 23-導(dǎo)電嘴 24-焊絲 25-焊接電弧 26-螺桿 27-支撐板 28-導(dǎo)軌 圖2-9 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊炬[16] 1-空心軸伺服電機 2-偏心套筒 3-上調(diào)心軸承 4-密封軸承 5-下調(diào)心軸承 6-導(dǎo)電桿 7-上絕緣套 8-焊槍殼體 9-下絕緣套 10-絕緣墊圈 11-導(dǎo)電板 12-軟電纜 13-接電柱 14-導(dǎo)電嘴 三． 研究內(nèi)容及實驗方案 焊接傳感器根據(jù)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(tǒng)的焊縫跟蹤傳感器多數(shù)是附加式的，例如，接觸式傳感器、電磁傳感器和各種光學(xué)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(tǒng)一的整體,結(jié)構(gòu)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(shè)備研究和制造機構(gòu)都在努力開發(fā)這一領(lǐng)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(zhuǎn)) 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(chǎn)。許多國家所生產(chǎn)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(shù)學(xué)模型 ??? 靜態(tài)模型指氣氛、焊材、電源參數(shù)、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(guān)系。研究結(jié)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(guān)系在很大范圍內(nèi)可作為線性系統(tǒng)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(guān)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(jù)I 即可推算出當(dāng)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(diào)節(jié)量。 電弧傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 ??? 電弧傳感器動態(tài)數(shù)學(xué)模型定量地描述了輸入與輸出之間的關(guān)系。研究認為：對于具有極好動態(tài)響應(yīng)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(dāng)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(zhì)時，數(shù)學(xué)模型是具有一個零點和一個極點的一階系統(tǒng)；而將弧焊電源的動態(tài)特性改變?yōu)橐浑A系統(tǒng)時，數(shù)學(xué)模型是具有一個零點和兩個極點的二階系統(tǒng)。 ??? 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(zhuǎn)折頻率越大，電弧傳感器幅頻特性轉(zhuǎn)折頻率向高頻段移動。因此，電源動態(tài)品質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，熔滴受到旋轉(zhuǎn)離心力的作用而向周圍射向熔池，導(dǎo)致熔池的寬度增加；旋轉(zhuǎn)電弧的轉(zhuǎn)動頻率較大，電弧在某點的停留時間縮短，相應(yīng)地，電弧力對熔池底部的作用時間縮短，熔深減??；由于離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(zhuǎn)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(zhuǎn)而得到改善。對高速旋轉(zhuǎn)電弧的水平角焊縫成形進行了研究，在水平角焊時，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)還會對熔池產(chǎn)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(zhuǎn)電弧焊接時角焊縫成形對照示意圖。在用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進行實際焊接時，可調(diào)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(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)象，并且焊縫還出現(xiàn)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(cè)，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(zhuǎn)運動高速焊時的焊縫圖，焊縫成形好，無咬邊現(xiàn)象，這是因為電弧的高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)頻率為50Hz時的跟蹤速度達到了120cm/min。M KODAMA 研制的電磁驅(qū)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(shè)計傳感器的機械結(jié)構(gòu)， 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(shè)計手冊編委會．機械設(shè)計手冊．北京：機械工業(yè)出版社，2004． [2].成大先．機械設(shè)計手冊（機械傳動）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004． [3].潘際鑾．現(xiàn)代弧焊控制．現(xiàn)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(shù)現(xiàn)狀與展望．焊接技術(shù)，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(zhuǎn)電弧傳感器的研制[J]．南昌大學(xué)學(xué)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. 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名：黃屹立 班級：0781053 指導(dǎo)老師：高延峰 摘要：由于傳統(tǒng)手工焊接對操作人員的技術(shù)要求高，并且在操作過程中往往對操作人員的身體產(chǎn)生不可避免的危害。因此，需要自動化控制的焊接過程。為達到自動化的目的，設(shè)計旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。 本次設(shè)計采用圓柱形外殼體為主要結(jié)構(gòu)，采用空心軸電機為動力源，首先對運動機構(gòu)和防轉(zhuǎn)機構(gòu)進行討論。進而對導(dǎo)電桿，檢測裝置，偏心機構(gòu)這些部件進行了計算和設(shè)計。最后對通水方式，通電方式，絕緣與密封方式進行闡述。最終達到設(shè)計該機構(gòu)的目的。 關(guān)鍵詞： 焊接 旋轉(zhuǎn)電弧 傳感器 導(dǎo)電桿 偏心機構(gòu) 指導(dǎo)老師簽名： 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 0 目 錄 1 引言 .（01） 1.1 選課的依據(jù)和意義 .（01） 1.2 當(dāng)代焊縫跟蹤傳感器 .（01） 1.2.1 附加式傳感器概述 .（01） 1.2.2 電弧傳感器概述 .（02） 1.3 電弧傳感器工作原理 .（03） 1.3.1 電弧傳感器的基本原理 .（03） 1.3.2 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的原理 .（06） 1.4 課題任務(wù) .（10） 2 課題設(shè)計主要內(nèi)容 .（11） 2.1 電弧旋轉(zhuǎn)方案的選定 .（11） 2.1.1 空心軸電機 .（11） 2.1.2 運動機構(gòu)設(shè)計 .（12） 2.1.3 防轉(zhuǎn)機構(gòu) .（13） 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 .（14） 2.2.1 各功能部分的軸向分配 .（14） 2.2.2 徑向空間的分配 .（15） 2.3 導(dǎo)電桿部件的設(shè)計 .（16） 2.3.1 導(dǎo)電桿部件的總體設(shè)計 .（16） 2.3.2 軸承的選用與安裝 .（16） 2.4 檢測裝置的選定與安裝 .（17） 2.4.1 電弧掃描位置與轉(zhuǎn)速的檢測方法 .（17） 2.4.2 分體式安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器 .（18） 2.5 偏心機構(gòu)的設(shè)計 .（19） 2.5.1 偏心方案的確定 .（19） 2.5.2 偏心機構(gòu)的平衡 .（22） 2.6 外殼的設(shè)計 .（23） 2.6.1 外殼總體設(shè)計 .（23） 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 2.6.2 通水方式 .（24） 2.6.3 通氣方式 .（25） 2.7 絕緣與密封設(shè)計 .（26） 2.7.1 絕緣設(shè)計 .（26） 2.7.2 密封設(shè)計 .（27） 2.8 其它零部件的設(shè)計 .（28） 2.8.1 集線蓋與接地裝置 .（28） 2.8.2 安裝設(shè)計 .（30） 2.8.3 修配方案設(shè)計 .（30） 2.9 設(shè)計參數(shù) .（31） 3 結(jié)論 .（32） 3.1 課題設(shè)計過程總結(jié) .（32） 3.2 課題設(shè)計的缺陷與后續(xù)工作 .（32） 參考文獻 .（34） 致 謝 .（36） 附 錄 .（37） 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 1 引言 1.1 選課的依據(jù)和意義 現(xiàn)代焊接誕生至今僅百余年，但已顯示出生命力，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。焊接不僅是一種重要的基礎(chǔ)工藝，而且已發(fā)展成為一種 新興的綜合工業(yè)技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于造船、壓力容器制造，石油化工等鋼結(jié)構(gòu)制造 領(lǐng)域。從某種意義上講，工業(yè)先進的國家莫不以焊接技術(shù)先進作為其現(xiàn)代化的顯著 標志之一。焊接技術(shù)在國民經(jīng)濟中日益重要的作用，也是當(dāng)代焊接技術(shù)發(fā)展的個 重要特點。然而，傳統(tǒng)手工焊接對操作人員的技術(shù)要求高，并且在操作過程中往往 對操作人員的身體產(chǎn)生不可避免的危害。因此，自動化控制焊接過程應(yīng)運而生。 人們設(shè)計開發(fā)了各種焊接傳感器以滿足日益提高的焊接質(zhì)量要求。在長期的生 產(chǎn)實踐中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器脫穎而出。然而，旋轉(zhuǎn)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(shè)計問題也亟 待更為完善的方案。 在本課題中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的小型化設(shè)計需求，要求設(shè)計人員必須在有限的 機構(gòu)空間內(nèi)實現(xiàn)各功能部件的合理分配。 1.2 當(dāng)代焊縫跟蹤傳感器 焊接是一個結(jié)合了光、電、熱、力的綜合加工過程，在焊接過程中產(chǎn)生的熱量 會使焊接工件產(chǎn)生較大的熱變形，從而產(chǎn)生焊接位置偏差。為了克服這種偏差的影 響，目前有 2 種方法，其一是采用夾具定位，普通的夾具無法滿足要求，為了確保 精度，必須采用更為精確的夾具。方法之二是采用傳感器進行焊縫跟蹤，通過比較 發(fā)現(xiàn)，采用跟蹤的方法比采用精確的夾具經(jīng)濟得多。所以焊縫自動跟蹤是焊接自動 化的關(guān)鍵之一。 焊接傳感器根據(jù)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。 1.2.1 附加式傳感器概述 附加式傳感器是目前焊縫跟蹤傳感器的常用形式，即在焊炬上固定一個附加的 機械、電磁或光學(xué)裝置，用于檢測焊縫的相對位置。其原理、特點分述如下： 1）接觸式傳感器。典型的接觸式傳感器依靠在焊縫坡口中滑動或滾動的觸指將 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 焊炬與焊縫之間的位置偏差反映到檢測器內(nèi)，并利用檢測器內(nèi)裝的微動開關(guān)判斷偏 差的極性。一般應(yīng)用于長、直焊縫的單層焊及角焊。此方法結(jié)構(gòu)簡單，操作方便， 缺點是：對不同形式的坡口需要不同形式的探頭；探頭磨損大，易變性；不適于高 速焊接。 2）電磁傳感器。適用于對接、搭接和角焊，其體積較大，使用靈活性差，且對 磁場干擾和工作裝配條件比較敏感。一般應(yīng)用于對精度要求不甚嚴格的場合。 3）光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器近年來有了很大發(fā)展，其裝置的種類和原理的門類 很多，根據(jù)其檢測原理、對象、光源種類等因素，大致可以分為：單點光電式、光 切割圖像處理方式、光電掃描式、焊縫直觀圖像處理方式（CCD 跟蹤傳感器） 。光 學(xué)傳感器精度高、再現(xiàn)性好，不僅可以用于焊縫跟蹤，而且可以用于檢測坡口形狀、 寬度和截面，為焊接參數(shù)的自適應(yīng)控制提供依據(jù)。因此，光學(xué)傳感器是焊縫跟蹤系 統(tǒng)中比較理想的傳感器形式。 1.2.2 電弧傳感器概述 雖然附加式傳感器具有諸多優(yōu)點，但是這類傳感器都在焊炬上固定一個附加的 機械、電磁或光學(xué)裝置，用于檢測焊縫的相對位置，其共同的問題就是傳感器與電 弧是分離的，有復(fù)雜的附加裝置，應(yīng)用起來不方便，效果也不夠理想。而電弧傳感 器利用電弧本身作為傳感器，根據(jù)焊接電弧的基本特性提取焊接過程中的電流或電 壓變化量作為傳感器信號。因此，與附加式傳感器相比，電弧傳感器有其獨特的優(yōu) 勢。 與其他傳感器相比，電弧傳感器具有以下優(yōu)點: (1)檢測點就是焊接點，不存在傳感器先行的問題，是完全實時的傳感器。 (2)焊接機頭周圍不需要裝備其他特別的裝置，焊槍的可達性好。 (3)由于電弧本身作為傳感器，所以不受焊絲彎曲和磁偏吹等引起電弧偏移的影響。 (4)不僅可以跟蹤傳感，保證焊接參數(shù)的穩(wěn)定，而且還可以改善焊縫的成形效果。 (5)抗光、電磁、熱的干擾，使用壽命長。 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(shè)備研究 和制造機構(gòu)都在努力開發(fā)這一領(lǐng)域。工業(yè)發(fā)達國家起步較早，已研制多種電弧掃描 形式的電弧傳感器，如雙絲并列、擺動和旋轉(zhuǎn)等，適合于埋弧焊、TIG 和 MIGMAG 等不同的焊接方法。有些已成功地應(yīng)用于焊接生產(chǎn)。早期的電弧傳感器 多采用擺動式，后來又開發(fā)了雙絲并列的電弧傳感器和旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。下面，將 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 對電弧傳感器，尤其是旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作原理進行較為詳細的介紹。 1.3 電弧傳感器工作原理 1.3.1 電弧傳感器的基本原理 1.3.1.1 電弧傳感器的跟蹤原理 以電或機械方法使焊接電弧擺動，檢測焊接電流、電壓的變化，來判斷擺動中 心是否偏離坡口中心，并進行修正。使電弧擺動的方法有機械式、電磁式和射流式 。擺動軌跡可分為直線往復(fù)運動、圓弧運動和旋轉(zhuǎn)運動。在使用雙絲并列焊接時， 也可不作擺動。 圖 1 為焊槍導(dǎo)電嘴與工件表面距離變化引起焊接參數(shù)變化的過程。圖中，E 為電 源外特性，C 為等熔化曲線，l 為電弧靜特性曲線。以平外特性電源、等速送絲調(diào)節(jié) 系統(tǒng)為例，在穩(wěn)定焊接狀態(tài)時，電弧工作點為 A，弧長 l，干伸長隨之變化，對 應(yīng)的等熔化曲線為 C，電流為 I。當(dāng)焊槍與工件表面距離發(fā)生階躍變化增大到 H時，弧長突然被拉長為 l，此時干伸長還來不及變化，電弧隨即在新的工作點 燃燒，電流突變?yōu)?I。但經(jīng)過一定時間的電弧自調(diào)節(jié)作用后，弧長逐漸變短，干伸 長增大，最后電弧穩(wěn)定在一個新的工作點 A、弧長 l上，對應(yīng)的等熔化曲線 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 C、電流 I，結(jié)果是干伸長和弧長都比原來增加。在上述變化中，有兩個狀態(tài)過 程即調(diào)節(jié)過程的動態(tài)變化(Id)和新的穩(wěn)定點建立后的靜態(tài)變化 (Is)。動態(tài)變化的原 因是焊絲熔化速度受到限制，不能跟隨焊炬高度的突變，靜態(tài)變化的原因是由于電 弧的自身調(diào)節(jié)特性。 由以上所述，當(dāng)電弧沿著焊縫的垂直方向掃描，焊接電流將隨著掃描引起的焊矩高 度變化而變化，從而獲得焊縫坡口信息，達到傳感的目的。 1.3.1.2 各種主要電弧傳感器的特點 與上下跟蹤類似，左右跟蹤也是利用其變化信號進行自動跟蹤控制的。但其具 體實現(xiàn)方案多種多樣，主要分為擺動掃描方式、雙絲并列方式與旋轉(zhuǎn)掃描方式。 （1）擺動掃描式電弧傳感器 擺動掃描式電弧傳感器是目前應(yīng)用最廣的一種焊接電弧傳感器，這種電弧傳感器 需要一套擺動裝置，在焊縫的橫向方向來回擺動而實現(xiàn)焊縫跟蹤。用在弧焊機器人 上的擺動電弧傳感器不需要擺動裝置，通過機器人手臂帶動焊槍作橫向擺動即可。 但受機器人結(jié)構(gòu)因素的影響，機器人的擺動頻率一般在 10Hz 以下，如圖 1-1（a） 。 在高速焊接和焊縫弧度大的情況下，其跟蹤效果會受到影響。 M KODAMA 發(fā)明了一種電磁高速擺動電弧傳感器，這種電弧傳感器的兩側(cè)分別 有永磁鐵和激勵線圈，當(dāng)激勵線圈通過一定頻率的直流電流時，導(dǎo)電桿便會產(chǎn)生一 定頻率的擺動，從而實現(xiàn)焊縫的跟蹤。這種高速擺動的電弧傳感器的擺動頻率一般 可在 040Hz 之間可調(diào)，擺幅 04mm 可調(diào)，最大焊接速度 400mm/秒。其特點是 體積小，重量在 1Kg 以下，如圖 1-1（b） 。 圖 1-1 （2）雙絲并列電弧傳感器 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 這種電弧傳感器利用兩個彼此獨立的并列電弧對工件進行施焊，其左右兩焊絲的 焊接電流（電壓）差值提供兩個電弧之間的中心線是否偏離焊縫的信息，據(jù)此可實 現(xiàn)焊縫跟蹤。根據(jù)兩個電弧參數(shù)和參考值比較的差值也可以實現(xiàn)導(dǎo)電嘴與工件表面 間距離的調(diào)整。這種傳感方式是利用電弧靜態(tài)特性參數(shù)的變化作為傳感信號，同時 要用兩個參數(shù)相同的獨立回路電源并列進行坡口焊接，焊槍結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實現(xiàn)上有 一定的困難，所以實用上受到限制。 （3）旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器 這種電弧傳感器以旋轉(zhuǎn)電弧的方式代替了擺動電弧，其旋轉(zhuǎn)頻率高達 100Hz。二 十世紀八十年代，日本 NKK 公司發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器，并應(yīng)用到窄間隙 焊縫中，其原理如圖 1-2 所示：導(dǎo)電桿作為圓錐的母線，繞圓錐軸線旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)） ， 而并不繞導(dǎo)電桿自身軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)） ，并且在錐頂處運動的幅度很小，這種結(jié)構(gòu)調(diào) 節(jié)掃描直徑的方法是調(diào)節(jié)園錐頂角，傳感器需用一級齒輪減速傳動，結(jié)構(gòu)較大，影 響了焊炬的可達性。這種技術(shù)在 NKK 公司的船舶、鍋爐及結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得以應(yīng)用， 且取得了顯著的成效。 圖 1-2 圖 1-3 韓國的 C-H Kim 制作了一種高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，如圖 1-3 所示，這種傳感器 依靠導(dǎo)電嘴的偏心來實現(xiàn)電弧的旋轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)電嘴的偏心度就是電弧的旋轉(zhuǎn)半徑。 雖然它的轉(zhuǎn)動機構(gòu)比較簡單、緊湊，但其在高速旋轉(zhuǎn)時，焊絲在導(dǎo)電嘴中必須以同 樣的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這就加劇了導(dǎo)電嘴的損耗。 雙絲并列方式與擺動掃描方式的優(yōu)缺點 雙絲并列方式從工藝成形和控制電路兩方面都較為容易實現(xiàn)，但要求導(dǎo)電嘴通 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 過雙絲，并相互絕緣，使導(dǎo)電嘴尺寸較大，限制了焊炬的可達性；要求雙絲的送絲 速度必須完全一致，也使得送絲機構(gòu)變得極為復(fù)雜和難以控制。擺動掃描方式避免 了這兩個缺點，但擺動與成形存在相互關(guān)系，使得焊炬使用的通用性降低；各種擺 動掃描方式的研究表明，擺動頻率不宜過高，一般在 5Hz 以下，使得擺動動作很小， 往往無法滿足掃描要求。此外，雙絲并列方式與擺動掃描方式還存在著一個共同的 缺陷，即在焊接路徑非直線時，需要對其并列方向或擺動方向進行修正，如圖 1-4 所示，并且修正值必須在焊接前預(yù)設(shè)，這明顯降低了焊接的自動化程度，尤其是當(dāng) 焊接路徑曲線較為復(fù)雜時，修正將帶來額外的誤差，并直接影響焊接的質(zhì)量。 圖 1-4 擺動掃描方式的擺動方向修正 1.3.2 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的原理 1.3.2.1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器概述 旋轉(zhuǎn)掃描方式主要是針對擺動式掃描頻率低的缺點提出的一種新的電弧掃描方 式。在此方式中，電弧和焊絲的伸出端圍繞焊炬中心線作圓周運動，其電弧軌跡如 圖 1-5 所示。當(dāng)電弧旋轉(zhuǎn)的速度與電弧行走速度（焊速）之比足夠大時，這種運動 可以認為是電弧在垂直于焊縫的方向上的掃描，與擺動掃描的作用相似。 圖 1-5 旋轉(zhuǎn)掃描方式下的電弧軌跡示意圖 采用旋轉(zhuǎn)掃描方式工作的電弧傳感器稱為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器是 一種特殊的焊槍，在結(jié)構(gòu)上雖比擺動式電弧傳感器復(fù)雜，但具有突出的優(yōu)越性：高 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 速旋轉(zhuǎn)增加了焊槍位置偏差的檢測靈敏度，極大地提高了跟蹤精度；高速旋轉(zhuǎn)提高 了快速響應(yīng)特性，適用于高速焊接和薄板搭接的焊縫跟蹤，在弧焊過程自動控制領(lǐng) 域占有重要的地位。 1.3.2.2 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的國內(nèi)外發(fā)展情況和應(yīng)用現(xiàn)狀 旋轉(zhuǎn)電弧焊是 1959 年蘇聯(lián)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(xiàn)。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(gòu)(液壓、機械或手動加壓)等部分。影響焊接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有電功 率、磁場強度、管子裝配間隙、電弧旋轉(zhuǎn)速度和時間、頂鍛力和頂鍛速度。旋轉(zhuǎn)電 弧焊的生產(chǎn)效率較高，與閃光對焊(見電阻焊)和摩擦焊相比，設(shè)備體積、耗電量、 坯料損耗、焊縫毛刺等都小得多。 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用首見于日本 NKK 公司關(guān)于窄間隙焊接的報 道中。雖然這種技術(shù)在 NKK 公司的船舶、鍋爐及結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得以應(yīng)用，且取得了顯 著的成效，但是由于這種旋轉(zhuǎn)機構(gòu)較復(fù)雜、體積大、振動大、調(diào)節(jié)不方便，因此限 制了其在實際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。 研究與應(yīng)用表明，旋轉(zhuǎn)方案的選定是旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實現(xiàn)其突出功能的關(guān)鍵。 日本 NKK 公司的窄間隙焊接首先使用的是野村博一的導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動方案，如圖 1-6 所 示。該方案中，用電動機驅(qū)動導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動，利用導(dǎo)電嘴上的偏心孔使焊絲端頭和電 弧旋轉(zhuǎn)。由于導(dǎo)電桿是處于高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)。焊接電纜與導(dǎo)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(shù)百安培的焊接電流傳送到導(dǎo)電桿上。這對于焊 炬的設(shè)計、加工和壽命都是不利的。并且，由于導(dǎo)電桿和導(dǎo)電嘴轉(zhuǎn)動而通過導(dǎo)電嘴 的焊絲并不轉(zhuǎn)動，致使導(dǎo)電嘴與焊絲之間存在高速相對運動，大大增加了導(dǎo)電嘴的 磨損。此外，導(dǎo)電嘴與導(dǎo)電桿的冷卻也難以保證。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 1-6 野村博一的導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動方案 1 在我國，從八十年代末期開始，以清華大學(xué)潘際鑾院士為首的課題組，在旋轉(zhuǎn) 電弧傳感器方面做了大量的研究工作，并取得了有價值的科研成果。1993 年，清華 大學(xué)博士生廖寶劍在博士生費躍農(nóng)的研究成果的基礎(chǔ)上，研制成功了一種空心軸電 機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)掃描傳感器，并獲得了國家專利，如圖 1-7 所示。這種高速旋轉(zhuǎn)掃描 電弧傳感器采用了空心軸設(shè)計，以空心馬達作為原動機，導(dǎo)電桿斜穿過馬達空心軸。 在空心軸上端，通過同軸安裝的調(diào)心軸承支撐導(dǎo)電桿，該位置處導(dǎo)電桿偏心量為零， 調(diào)心軸承可安裝在電機軸上或機殼上。在空心軸的下端，外偏心套安裝在軸上，內(nèi) 偏心套安裝于外偏心套內(nèi)孔中，調(diào)心軸承安裝于內(nèi)偏心套內(nèi)孔中，導(dǎo)電桿安裝于軸 承內(nèi)孔中。該處導(dǎo)電桿偏心量由內(nèi)外偏心套各自偏心量及內(nèi)偏心套相對外偏心套轉(zhuǎn) 過的角度而決定。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，下調(diào)心軸承將撥動導(dǎo)電桿作為圓錐母線繞電機軸 線作公轉(zhuǎn)，或稱為圓錐擺動。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 圖 1-7 近幾年，南昌大學(xué)江西省機器人與焊接自動化重點實驗室在此基礎(chǔ)上對這種高 速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器在小型化和減振等方面進行了深入細致的研究，并作了進一 步的改進，制作了樣機，樣機安裝在弧焊機器人上成功地進行了實時焊縫跟蹤，圖 1-8 為安裝在機器人上的空心軸旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。 圖 1-8 1.3.2.3 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的發(fā)展方向 1）小型化。電弧傳感器一般用于自動化程度高的場合，即裝置于弧焊機器人的 手臂上?；『笝C器人的手臂承受的重量有限，運動時的速度也較快，這就要求高速 旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器在保證強度、剛度、振動等要求的前提下重量越輕越好。當(dāng)電 弧傳感器質(zhì)量較大時慣性也較大，即使弧焊機器人的手臂能夠支承，也會對其運動 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 的準確性帶來額外負擔(dān)。另一方面，電弧傳感器的體積，尤其是靠近導(dǎo)電嘴部分的 徑向尺寸，直接影響焊炬的可達性。 2）減振。高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器在工作時的振動很大，原因在于高速旋轉(zhuǎn)掃 描電弧傳感器偏心機構(gòu)的重心偏離了旋轉(zhuǎn)中心。振動和較大的負荷會影響弧焊機器 人焊接時的焊縫質(zhì)量和焊縫跟蹤精度。因此，有必要在高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器的 設(shè)計中充分考慮這一因素，諸如使偏心量、旋轉(zhuǎn)頻率能更方便準確地進行調(diào)節(jié)，從 而逐步解決這一問題。 3）結(jié)構(gòu)簡單化。從前文所介紹的各種旋轉(zhuǎn)電弧傳感器中不難發(fā)現(xiàn)，盡管其具有 突出優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，這主要是由于在焊炬中必須包含電機、偏心機構(gòu)、 供水供氣裝置等功能部件，并且需要考慮絕緣與密封。結(jié)構(gòu)簡化的思路之一是將各 功能部件集成，但這又將使零件難于制造。另一種簡化結(jié)構(gòu)的方案是以電磁感應(yīng)方 式使電弧旋轉(zhuǎn)，取代電機驅(qū)動。目前這種方式的電弧傳感器正在研制當(dāng)中，已有部 分定性研究成果以論文、專利的形式公布。 1.4 課題任務(wù) 本設(shè)計采用二維設(shè)計方式進行，使用 AutoCAD 軟件繪制旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的裝配 圖。 同時，本設(shè)計任務(wù)要求對各零件進行詳細的設(shè)計，保證旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的順利 裝配與正常使用。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 2 課題設(shè)計主要內(nèi)容 2.1 電弧旋轉(zhuǎn)方案的選定 2.1.1 空心軸電機 在上文所述眾多電弧旋轉(zhuǎn)方案中，空心軸電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器具有結(jié)構(gòu) 簡單、傳動損耗小、電機功耗低、焊槍小巧靈活、機械振動小、焊接可達性好等優(yōu) 點，是當(dāng)今旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的主要研究方向。 本設(shè)計同樣采用空心軸電機作為電弧旋轉(zhuǎn)的動力源。由于當(dāng)時市場上滿足要求 的成品難于找到，重新設(shè)計訂貨生產(chǎn)的成本高、周期長，因此依舊沿用在 RAT-研 制過程中采取的選擇合適電動機改裝的方法。普通直流電動機換向片處直徑小且轉(zhuǎn) 子上有繞組，限制了軸空的擴大；直流力矩電動機轉(zhuǎn)子和換向片處直徑較大，但轉(zhuǎn) 速過小，且成本較高，不適合用于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。 普通軸流風(fēng)機用單相交流電動機的轉(zhuǎn)子無換向片，鼠籠式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子可以方便 地鉆孔擴孔，電機軸本身即是空心軸，原本是用于安裝風(fēng)扇，使氣流通過空心軸。 這些條件都使普通軸流風(fēng)機用單相交流電動機成為旋轉(zhuǎn)電弧傳感器空心軸電機改裝 最為合適的原型電機。 由于導(dǎo)電桿與電機之間應(yīng)該絕緣，用以保證焊接電流不影響電機的正常工作， 空心軸電機的軸內(nèi)壁不能與導(dǎo)電桿接觸?？紤]導(dǎo)電桿的最大外徑為 10mm（不包括安 裝軸承用的軸肩部分） ，以及偏心量因素，并且充分考慮空心軸內(nèi)徑擴大致使機構(gòu)尺 寸擴大這一因素，確定空心軸內(nèi)徑為 14mm。 參考若干種現(xiàn)行的軸流風(fēng)機、軸流泵及空心軸電機的幾何尺寸與工作參數(shù)，設(shè) 計出通過改型加工可以獲得并適用于本設(shè)計的空心軸電機，如圖 2-1 所示。該電機 采用小型軸流泵用電機改制，外徑 40mm，厚度 26mm，空心軸內(nèi)徑 14mm，外徑 18mm，長度根據(jù)裝配要求而定，額定轉(zhuǎn)速 2700 r/min，額定電壓 36V，額定功率 40W。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 2-1 空心軸電機示意圖 1-空心軸 2-軸承 3-端蓋 4-定子 5-外殼 6-轉(zhuǎn)子 7-端蓋 8-軸承 2.1.2 運動機構(gòu)設(shè)計 在選定空心軸電機之后，運動機構(gòu)的基本形式可確定為如圖 2-2 所示，在空心 軸電機驅(qū)動下，導(dǎo)電桿（部件 2）以 A 為頂點，以電機軸線為中心線，做圓錐擺動， 稱為導(dǎo)電桿的公轉(zhuǎn)。 圖 2-2 機構(gòu)運動示意圖 計算機構(gòu)自由度： 3452,1,1,2,166341521nppFF 其中，虛約束為運動副 C 與運動副 B 重復(fù)約束的部件 3 沿自身軸線方向移動的 自由度，以及運動副 A 與運動副 B 重復(fù)約束的部件 2 沿自身徑向移動的自由度。局 部自由度為部件 2 繞自身軸線轉(zhuǎn)動的自由度。 此機構(gòu)方案中，運動副 B 采用圓柱副，當(dāng)偏心量調(diào)節(jié)時，其傾斜量會發(fā)生變化， 若增設(shè)傾斜量的調(diào)節(jié)/鎖緊裝置則會增加機構(gòu)復(fù)雜程度與體積。因此將機構(gòu)中的圓柱 副 B 改為如圖 2-3 所示的球面副。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 2-3 修改后的機構(gòu)運動示意圖 計算機構(gòu)自由度： 352,1,662351nppFF 其中，虛約束為兩球面副 A 和 B 重復(fù)約束的部件 2 沿自身軸線方向移動的自由 度；局部自由度為部件 2 繞自身軸線轉(zhuǎn)動的自由度。 在實際機械結(jié)構(gòu)中，球面副 A 與球面副 B 可以采用調(diào)心球軸承方便地實現(xiàn) 。 2.1.3 防轉(zhuǎn)機構(gòu) 導(dǎo)電桿繞其自身軸線轉(zhuǎn)動的局部自由度，稱為導(dǎo)電桿的自轉(zhuǎn)，會造成導(dǎo)電桿與 焊絲之間的摩擦，大大減少導(dǎo)電桿的使用壽命，必須以一個防轉(zhuǎn)機構(gòu)加以限制。由 于導(dǎo)電桿需要偏心公轉(zhuǎn)，防轉(zhuǎn)擋塊與導(dǎo)電桿之間不能夠緊密接觸，必須留有一定間 隙，但這樣也造成了導(dǎo)電桿的自轉(zhuǎn)無法完全約束的問題。 本設(shè)計的解決辦法如圖 2-4 所示，在導(dǎo)電 桿高速公轉(zhuǎn)時，導(dǎo)電桿自身由于擋塊的限制而 無法回轉(zhuǎn)，而只能在小角度內(nèi)作不確定的擺動， 這就要求防轉(zhuǎn)擋塊能夠承受導(dǎo)電桿的碰撞，并 且最好是能夠減振的。同時，防轉(zhuǎn)擋塊是與機 架固定的，需要與導(dǎo)電桿絕緣。因此需要選用 一種沖擊韌性高、耐熱絕緣的非金屬材料作為 防轉(zhuǎn)擋塊的材料，在本設(shè)計中，初步選定為聚 四氟乙烯樹脂?？紤]到應(yīng)盡量減小擺動量、減 小間隙，將防轉(zhuǎn)擋塊安裝在緊靠 A 點的位置。 圖 2-4 防轉(zhuǎn)機構(gòu) 1-擋塊 2-導(dǎo)電桿 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器除了要實現(xiàn)電弧的旋轉(zhuǎn)以外，與普通焊炬一樣，還需要實現(xiàn)冷 卻、通入保護氣體等功能。而其外形尺寸又受到嚴格限制。首先，外形一般為圓柱 形。這主要是為了適應(yīng)在弧焊機器人手臂上的安裝。其次，外徑必須足夠小，以達 到一定的焊接可達性。 2.2.1 各功能部分的軸向分配 基于上述考慮，本設(shè)計將各主要功能部件進行了劃分，并沿軸向分配，如圖 2- 5 所示，自左向右分別為上蓋部分、主腔體、偏心機構(gòu)腔、冷卻水腔、保護氣腔。 圖 2-5 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器各功能部分軸向分配 上蓋部分主要安裝作為導(dǎo)電桿圓錐擺頂點的調(diào)心球軸承以及防轉(zhuǎn)機構(gòu)，其內(nèi)徑 尺寸取決于軸承外徑；主腔體內(nèi)主要安裝空心軸電機與檢測裝置，其內(nèi)徑尺寸取決 于空心軸電機外徑以及檢測裝置外徑；偏心機構(gòu)腔體內(nèi)主要安裝偏心機構(gòu)，其內(nèi)徑 尺寸取決于偏心機構(gòu)的尺寸以及額定偏心量的大?。焕鋮s水腔用于導(dǎo)電桿的冷卻， 并需要保證保護氣體順利通過此腔體到達保護氣腔；保護氣腔及其保護氣罩則主要 用于保證保護氣體能夠均勻通達電弧部分。 各功能部件必須按照一定的順序。根據(jù)已經(jīng)確定的運動機構(gòu)，上蓋部分、主腔 體、偏心機構(gòu)腔的順序不能打亂。冷卻裝置的主要作用是降低導(dǎo)電桿的溫度，而導(dǎo) 電桿靠近電弧部位的溫度最高，冷卻水腔應(yīng)盡量靠近導(dǎo)電桿電弧部分。同樣地，保 護氣體用于對電弧進行氣體保護，保護氣腔也應(yīng)盡量靠近導(dǎo)電桿電弧部分。從中可 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 以發(fā)現(xiàn)，存在兩種軸向分配方案，問題的焦點在于冷卻水腔與保護氣腔哪個應(yīng)更靠 近電弧部分。 冷卻水腔需要使導(dǎo)電桿得到充分冷卻，就必須具有一定的體積與軸向長度；保 護氣腔的設(shè)計主要考慮氣體的均勻分配，其體積要求較冷卻腔體低。同時，為了達 到焊接可達性要求，越是靠近導(dǎo)電嘴的部分，其徑向尺寸應(yīng)越小。綜合考慮之后可 得，如圖 2-5 的軸向分配最為合理。 2.2.2 徑向空間的分配 顯然，僅僅對各功能部件進行軸向分配無法滿足設(shè)計要求。首先，軸向分配忽 略了各功能部件之間的連接，其次是導(dǎo)電桿的因素與通水通氣管路的因素。因此， 需要對旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進行徑向空間的分配。 上蓋部分、主腔體、偏心機構(gòu)腔的徑向空間分配如圖 2-6（a）所示。冷卻水與 保護氣需要通過外殼中的管道到達冷卻水腔與保護氣腔。同時，使用 4 個 M6 螺釘穿 入外殼將上蓋部分、主腔體以及偏心機構(gòu)腔連接起來，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的主體 部分。冷卻水腔與保護氣腔構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的下腔部分。導(dǎo)電桿始終處于旋轉(zhuǎn) 電弧傳感器的中心部位，并且，除了與軸承配合部分之外，和各功能部件之間保持 一定的間隙。 冷卻水腔與保護氣腔部分的徑向空間分配如圖 2-6（b）所示。冷卻水腔與保護 氣腔的內(nèi)壁應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性，以便使冷卻水與保護氣帶走更多的熱量。 圖 2-6 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器徑向空間分配 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 2.3 導(dǎo)電桿部件的設(shè)計 2.3.1 導(dǎo)電桿部件的總體設(shè)計 導(dǎo)電桿是焊炬的核心部件之一，主要作用是引導(dǎo)焊絲，并對焊絲通電，使其形 成穩(wěn)定的焊接電弧。由于導(dǎo)電嘴需要經(jīng)常更換，市場上也容易購買到現(xiàn)成的導(dǎo)電嘴 零件，一般均采取與導(dǎo)電桿主體螺紋連接，并將靠近螺紋部分的外表面加工為六角 形，利用扳手很容易實現(xiàn)有效的緊固并且拆裝方便。同時，導(dǎo)電嘴的材料一般采用 工業(yè)純銅，以達到理想的導(dǎo)電性能。由于導(dǎo)電嘴與導(dǎo)電桿的螺紋連接中，不適合加 裝彈簧墊圈等防松裝置，導(dǎo)電桿宜采用與導(dǎo)電嘴相同的材料。這樣，具有相同膨脹 系數(shù)的材料在預(yù)緊后不會由于熱膨脹而發(fā)生松動甚至脫落。另一方面，工業(yè)純銅的 機械性能與加工性能不如黃銅，但導(dǎo)電桿部件的力學(xué)性能要求不高，故可以采用。 導(dǎo)電桿內(nèi)需要通過焊絲，并使其精確到達焊接點，因此將導(dǎo)電桿部件的內(nèi)徑設(shè)計為 由大到小的階梯孔，并在交接處采用圓錐過渡。此外，在本設(shè)計中，導(dǎo)電桿部件需 要與兩個調(diào)心球軸承配合。因此，將導(dǎo)電桿部件設(shè)計成由上導(dǎo)電桿、下導(dǎo)電桿、導(dǎo) 電嘴組成，如圖 2-7 所示。 圖 2-7 導(dǎo)電桿及相關(guān)零部件裝配 1-上調(diào)心球軸承 2-上軸承套 3-防轉(zhuǎn)擋塊 4-上導(dǎo)電桿 5-下調(diào)心球軸承 6-下軸承套 7-防塵蓋 8-下導(dǎo)電桿 9-導(dǎo)電嘴 2.3.2 軸承的選用與安裝 考慮導(dǎo)電桿受力較小，但存在振動。由于本設(shè)計中，軸系為非傳統(tǒng)軸系，選用 調(diào)心球軸承也是為了實現(xiàn)圓錐擺動，并非按照機械設(shè)計手冊中，滾動軸承特性 表所述，用于承受載荷作用下彎曲較大的傳動軸 25。因此，軸承的壽命校核無法采 用傳統(tǒng)的校核公式。根據(jù)已有的類似機構(gòu)的設(shè)計 319，選用中載系列調(diào)心球軸承， 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 1200 (GB/T 281-1994)。 兩個調(diào)心球軸承均與上導(dǎo)電桿配合，并用軸肩定位，由于兩軸承之間的導(dǎo)電桿 部分需要穿過空心軸，故采取如圖 2-7 所示的軸肩設(shè)計方案。同時，上調(diào)心球軸承 的軸向定位軸肩還作為防轉(zhuǎn)機構(gòu)的一部分。 由于選用的軸承為普通金屬部件，而導(dǎo)電桿與外殼之間又需要絕緣，需要在軸 承外圈使用絕緣材料。在眾多絕緣材料中，尼龍-MC 具有良好的絕緣耐熱性能與機 械性能，因此，在本設(shè)計中，直接采用尼龍-MC 制造兩調(diào)心軸承的軸承套。上調(diào)心 球軸承的軸承套外徑可以與外殼直接配合；下調(diào)心球軸承的軸承套與偏心機構(gòu)固定。 由于兩軸承工作溫度較高，并且在結(jié)構(gòu)上又不適合采用潤滑油潤滑，故采用具 有一定耐熱性能的鈉基潤滑脂。相比較而言，下調(diào)心球軸承的工作條件更為惡劣， 因此，在下調(diào)心球軸承靠近導(dǎo)電嘴的一端安裝一個防塵蓋，這一設(shè)計借鑒了南昌大 學(xué)設(shè)計的一種帶擋塵蓋的旋轉(zhuǎn)掃描焊炬的實用新型專利 17。焊接時，焊接點的高溫 與相對溫度較低的傳感器內(nèi)部產(chǎn)生較大溫差，形成上升氣流，往往會夾帶焊接過程 中產(chǎn)生的微小鐵珠與灰塵。防塵蓋則可以有效防止微小鐵珠與灰塵隨著上升氣流進 入調(diào)心球軸承，從而大大延長軸承壽命。另一方面，防塵蓋宜采用沖壓件，其表面 粗糙度較低，能夠反射一部分熱輻射。改善軸承的工作條件。防塵蓋安裝于上導(dǎo)電 桿與下導(dǎo)電桿之間，同時還具有軸承內(nèi)圈軸向限位的作用。 2.4 檢測裝置的選定與安裝 2.4.1 電弧掃描位置與轉(zhuǎn)速的檢測方法 電動機旋轉(zhuǎn)所達角度位置決定焊炬掃描所達的橫向位置，該位置信號的檢測對 傳感器的信號處理非常重要，而轉(zhuǎn)速的測定則能夠保證旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定。 最早計劃用于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的檢測裝置是電位器與整角機，但效果極為不理 想，并未真正采用。一般傳統(tǒng)的檢測裝置采用光電碼盤與光耦，如圖 2-8 所示。這 種檢測裝置包括一個編碼盤和兩個光耦。其中，編碼盤外圈銑出矩形齒槽，其中一 個齒槽較其它齒槽更深。兩個光耦安裝在外殼內(nèi)，光耦的光路可以通過所有齒槽， 光耦的光路只能通過深齒槽。編碼盤安裝在電機軸上，當(dāng)電機運轉(zhuǎn)時，齒形將交 替阻擋/允許由光耦的發(fā)光管通往光敏接收管的光路，光敏管則輸出一串信號，經(jīng)過 外部電路的調(diào)制后可得一串脈沖信號，稱為分度脈沖信號，從兩個光耦獲得的分度 脈沖信號分別稱為信號與信號。信號的周期即轉(zhuǎn)過一齒的時間，從中可獲得 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 旋轉(zhuǎn)的瞬時速度。信號的周期即回轉(zhuǎn)周期，將上一次光耦的光路通過齒槽起的 時間除以這段時間內(nèi)信號的平均周期即上一次光耦的光路通過齒槽后轉(zhuǎn)過的角 度。由此，通過對兩光耦輸出信號的分析，便可以得到旋轉(zhuǎn)的速度與角位移量，從 而使電弧傳感器根據(jù)該數(shù)據(jù)對焊縫進行準確的跟蹤。 圖 2-8 傳統(tǒng)的檢測裝置 1-光耦 2-編碼盤 3-光耦 2.4.2 分體式安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器 傳統(tǒng)的檢測裝置具有體積小、安裝方便的優(yōu)點，然而也存在明顯的缺點。首先， 光耦元件結(jié)構(gòu)簡單，其輸出信號還是模擬信號，需要通過外部電路調(diào)制；其次，模 擬信號極易收到干擾，容易造成信號的丟失與誤讀。因此，需要尋找一種新的替代 方法以解決這些問題。 隨著編碼器技術(shù)的日益發(fā)展，選用一款現(xiàn)成的旋轉(zhuǎn)編碼器是解決上述問題的方 式之一。當(dāng)前存在眾多旋轉(zhuǎn)編碼器供貨廠家，其產(chǎn)品種類繁多，總體上分為機床用 編碼器與電機用編碼器，其中機床用編碼器體積較大，很少有空心軸型號，且空心 軸型號的孔徑都較小，這種旋轉(zhuǎn)編碼器能承受較大轉(zhuǎn)矩，檢測精度很高，適用于精 度要求高的數(shù)控機床。電機用編碼器尺寸較小，一般外徑在 50mm 以內(nèi)，形式多樣， 適用于多種有一定檢測精度要求的場合。 本設(shè)計采用一款分體式安裝的電機用旋轉(zhuǎn)編碼器，如圖 2-9 所示。選用一款現(xiàn) 有分體式安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器 21改裝而成。其中，編碼器部分不需要改裝，只需要增 大編碼盤孔徑，使其能夠與空心軸裝配。這種編碼器包含模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，由八個引 腳直接輸出數(shù)字信號。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 19 圖 2-9 分體式安裝的編碼器 1-編碼盤 2-編碼器 同時，分體式的設(shè)計使分體式安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器可以采用與傳統(tǒng)檢測裝置類似 的方法安裝，唯一不同的是編碼盤與編碼器之間的位置精度要求較傳統(tǒng)檢測裝置高。 在這一點上，產(chǎn)品本身已經(jīng)提供了解決方法。編碼器在其需要裝配平面上的定位類 似于“一面兩短銷”定位方式，編碼器的裝配表面上有兩個短圓柱突起，與兩圓柱 孔配合即可完成定位，再用螺釘緊固即可完成裝配。編碼盤與編碼器的軸向定位可 以在編碼盤與空心軸的裝配時進行調(diào)整來實現(xiàn)。 2.5 偏心機構(gòu)的設(shè)計 2.5.1 偏心方案的確定 偏心機構(gòu)是實現(xiàn)導(dǎo)電桿圓錐擺動的重要部件，要求能夠?qū)崿F(xiàn)偏心量的調(diào)節(jié)與鎖 定。本設(shè)計采用螺釘調(diào)節(jié)、彈簧復(fù)位、螺釘緊定的方法。如圖 2-10 所示，在調(diào)心球 軸承的軸承套上設(shè)計一個開式滑槽，與滑塊形成移動副；滑塊通過緊定螺釘安裝在 空心軸電機的空心軸上；偏心機構(gòu)蓋安裝在軸承套上，構(gòu)成軸承套部件，限制軸承 的軸向自由度；調(diào)節(jié)螺釘通過頂塊、鋼球緊定在滑塊上，緊定螺釘直接緊定在滑塊 上；滑塊及偏心機構(gòu)蓋在與鋼球接觸的位置上都加工有圓弧槽，限制鋼球沿電機軸 方向的自由度。 偏心量的調(diào)節(jié)方法為： 1）增大偏心量。先松開緊定螺釘，順時針轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺釘，則調(diào)節(jié)螺釘通過頂塊、 鋼球使軸承套部件沿移動副向下移動，從而增大偏心量；到達所需位置后，再將緊 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 定螺釘擰緊。 2）減小偏心量。逆時針轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺釘，由于在彈簧力的作用下，鋼球、頂塊與 調(diào)節(jié)螺釘始終接觸，當(dāng)調(diào)節(jié)螺釘退出，彈簧使軸承套部件沿移動副向上移動，從而 減小偏心量；到達所需位置后，將緊定螺釘擰緊。 圖 2-10 偏心機構(gòu) 1-調(diào)節(jié)螺釘 2-偏心機構(gòu)蓋 3-頂塊 4-鋼球 5-滑塊 6-電機軸 7-調(diào)心球軸承 8-平衡塊 9-緊定螺釘 10-彈簧 11-導(dǎo)電桿 12-軸承套 圖 2-11 偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖 圖 2-11 為偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)的機構(gòu)示意圖。部件 1 為滑塊、部件 3 為軸承套部件。 計算自由度： 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 1）調(diào)節(jié)時的機構(gòu)自由度 1253,13662513nppFF 其中，虛約束為部件 1 與部件 3 重復(fù)約束的部件 2 沿垂直紙面方向移動的自由 度，局部自由度為部件 2 繞自身中心的自由轉(zhuǎn)動。運動副 D 與運動副 E 為級副， 圖中未注。 2）鎖緊時的機構(gòu)自由度 當(dāng)偏心機構(gòu)鎖緊時，相當(dāng)于部件 3 也成為機架。于是，有125,1,66215130nppFF 符合鎖緊要求。 偏心機構(gòu)的可調(diào)節(jié)性校核計算： 偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)受力圖如圖 2-12 (a) (b) 所示，F(xiàn) l 為調(diào)節(jié)螺釘對鋼球的作用力，F(xiàn) k 為彈簧力。為使計算方便，將軸承套部件定為機架。 圖 2-12 偏心調(diào)節(jié)機構(gòu)受力圖 1）當(dāng)滑塊向下移動時，受力情況如圖 2-12（a）所示，查摩擦系數(shù)表 22，取最 大靜摩擦系數(shù)均為 。得方程0.251 1sin30/sin30lkklFNFNf 調(diào)節(jié)螺釘退出過程中，可視為 Fl = 0 ，于是1 1cos3cot330.25kf 機構(gòu)可調(diào)節(jié)。 2）當(dāng)滑塊向上移動時，受力情況如圖 2-12 (b) (c) 所示。先分析鋼球（滾動摩 擦忽略） ，得 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 1122sin45/sin45colNNllFF 分析滑塊，得 21 212 sin30cos45in30co45kNkNFFf 于是 12cos45cos30NkFfF2in30.7.k k 由于 N2 Fk，故機構(gòu)可調(diào)節(jié)。 2.5.2 偏心機構(gòu)的平衡 偏心機構(gòu)使導(dǎo)電桿的質(zhì)心發(fā)生偏離,會 產(chǎn)生不平衡慣性力，增加機構(gòu)所受載荷， 并使機構(gòu)產(chǎn)生較大振動。雖然偏心量僅 為若干毫米，對機構(gòu)本身的影響并不大， 但若能夠得到解決，對機構(gòu)運動更為有 利。本設(shè)計中不適合增設(shè)飛輪，故嘗試 采取增設(shè)平衡質(zhì)量塊的方法。 平衡塊的位置如圖 3-10 所示，安 裝在軸承套上、與偏心方向異測的位置 上。由于調(diào)心軸承基本位于導(dǎo)電桿部件 的中點位置，故其質(zhì)心可視為與導(dǎo)電桿 重合。于是，偏心機構(gòu)的平衡方案可簡 化為圖 2-13 所示。 圖 2-13 偏心機構(gòu)的平衡方案 查手冊 25得調(diào)心球軸承軸承質(zhì)量 ，0.35mkg軸 承 查手冊 26得紫銅密度 ，38.91/k 估算體積 ，56.0V導(dǎo) 電 桿 計算質(zhì)量 351.8.9106.0.62mkg導(dǎo) 電 桿軸 承 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 根據(jù)實際情況，取偏心量 r1 = 1.5 mm ,r2 = 20 mm ，靜平衡方程10Fm 帶入數(shù)值，得 120.625.46rkg 本設(shè)計的平衡塊允許厚度為 3 mm ，沿軸向長度 11 mm ，估算體積 ，材料為黃銅，密度 ，則實際平衡質(zhì)量73810mV平 衡 塊 38.510/m72 .68kgV平 衡 塊實 平衡效果并不明顯，亟待改進。 2.6 外殼的設(shè)計 2.6.1 外殼總體設(shè)計 外殼總體設(shè)計如圖 2-14 所示，在機構(gòu)功能部分總體分配的基礎(chǔ)上進一步細化： 上蓋內(nèi)安裝上調(diào)心球軸承與上軸承套，編碼器固定蓋在上蓋與主腔體之間，用于固 定編碼器與防轉(zhuǎn)擋塊，主腔體與中腔外殼（偏心機構(gòu)腔）之間為電機固定蓋，用于 固空心軸電機，集氣套與下蓋采用螺紋連接，并且在其外圓柱表面加工滾花，使其 便于拆裝，這樣可以方便地對易受焊接飛濺、揚塵沾染部分進行清潔，并且便于更 換導(dǎo)電嘴。 主體部分（上蓋部分、主腔體、偏心機構(gòu)腔）外殼的裝配，使用 4 個 M6 螺釘將 上蓋、編碼器固定蓋、主腔體、電機固定蓋及中腔外殼連接起來，從上蓋一端穿入， 擰入中腔外殼端面對應(yīng)位置的螺紋孔中?？紤]到這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，各部件的偏差累 積，在裝配時，使用調(diào)整墊片進行調(diào)整。 下腔部分（冷卻水腔、保護氣腔）由于存在密封問題，與主體部分安裝方式不 同。先將下腔內(nèi)管用 6 個帶絕緣套的螺釘安裝在中腔外殼的端面上，再將通水腔外 殼與通氣腔外殼順次套裝在下腔內(nèi)管上，用鎖緊螺母鎖緊，然后將通氣套管裝入下 腔內(nèi)管中，用 3 個帶絕緣套的螺釘將下蓋安裝到通氣腔外殼的端面上，最后安裝集 氣套。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 2-14 外殼總體設(shè)計 1-上蓋 2-編碼器固定蓋 3-主腔體 4-電機固定蓋 5-中腔外殼 6-通水腔外殼 7-下腔內(nèi)管 8-通氣腔外殼 9-下蓋 10-通氣套管 11-集氣套 處于減少機構(gòu)總體重量的考慮，外殼宜采用密度較小、價格相對低廉的鑄鋁或 硬鋁。但鋁的熔點較低，耐熱性差，不適合用于靠近焊接電弧的零部件。另一方面， 焊接工件一般為鋼鐵材料，飛濺的金屬液容易與同樣的材料緊密粘連，因此焊接電 弧附近不宜安裝鋼鐵材料的零部件。此外，下腔內(nèi)管需要有較好的導(dǎo)熱性，便于冷 卻水帶走熱量。基于上述考慮，選用機械性能優(yōu)良、熔點高、導(dǎo)熱性好的黃銅作為 集氣套、下蓋、下腔內(nèi)管及下蓋固定螺釘?shù)牟牧稀?2.6.2 通水方式 本設(shè)計的冷卻方式主要采取高壓冷卻水循環(huán)方式，同時，保護氣體也具有一定 的冷卻作用，但冷卻效果不如水冷明顯。 通水方式如圖 2-15 所示。通水管穿過主體部分外殼，以管螺紋與中腔外殼同樣 加工了管螺紋的通孔配合，采用常用的聚四氟乙烯密封帶進行密封。中腔外殼上的 通孔與通水腔相連。通水腔由通水腔外殼、下腔內(nèi)管與中腔外殼的端面構(gòu)成。工作 時，高壓冷卻水通過通水管、中腔外殼，進入通水腔。同樣的，通水腔里的水，通 過中腔外殼、通水管流出。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 圖 2-15 通水方式 2.6.3 通氣方式 通氣方式如圖 2-16 (a) 所示。通氣管的安裝方式與通水管類似，穿過主體部分 外殼，以管螺紋與中腔外殼加工了管螺紋的通孔配合，采用常用的聚四氟乙烯密封 帶進行密封。中腔外殼上的通孔與通水腔外殼上的通氣管路相連，再與通氣腔相連。 通氣腔由通氣腔外殼、下蓋、下腔內(nèi)管以及通氣套管構(gòu)成。工作時，保護氣依次通 過通氣管、中腔外殼上的通孔、通水腔外殼上的通氣管路，進入通氣腔，再通過通 氣套管上的 3 個均布孔進入集氣套內(nèi)，通往焊接點。 圖 2-16 通氣方式 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 保護氣體的均勻分配主要依靠通氣套管來實現(xiàn)。通氣套管如圖 2-16（c）所示， 采用非金屬材料聚四氟乙烯樹脂，也可使用石棉發(fā)泡材料。通氣套管與下腔內(nèi)管使 用耐熱膠粘劑粘接。通氣套管上 3 個均布圓弧槽與下蓋內(nèi)的錐孔形成通氣通道使保 護氣體通過。在裝配時，通氣套管與下蓋之間存在一定間隙，這并不影響保護氣的 正常通入。 2.7 絕緣與密封設(shè)計 在上文旋轉(zhuǎn)電弧傳感器各部分的設(shè)計中，已經(jīng)提到了一些絕緣與密封的相關(guān)設(shè) 計，鑒于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器絕緣與密封的重要性，在這里作出詳細說明。 2.7.1 絕緣設(shè)計 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的絕緣主要是導(dǎo)電桿部件與其它零部件之間的絕緣以及靠近焊 接點的零部件與其它零部件之間的絕緣。其中，導(dǎo)電桿部件與其它零部件的絕緣采 用絕緣軸承套以及絕緣材料制造的防轉(zhuǎn)擋塊解決，其具體形式已在前文中詳細敘述， 此處不再贅述。 靠近焊接點的零部件與其它零部件之間的絕緣。這類絕緣主要是為了防止飛濺 的帶電金屬液使帶電工件與旋轉(zhuǎn)電弧傳感器之間產(chǎn)生瞬間強電流，影響其正常工作， 甚至導(dǎo)致其損壞。為便于設(shè)計分析與說明，將靠近焊接點的零部件分為如下等級： 1 級：受到大量飛濺影響的零部件。這類零部件靠近焊接電弧，受飛濺影響的 概率極大。 2 級：可能受到飛濺影響的零部件。這類零部件與焊接電弧之間有一定的距離， 受上升氣流影響大，并且靠近導(dǎo)電桿，上升氣流夾帶的金屬塵?？赡軙箤?dǎo)電桿與 該零部件之間產(chǎn)生瞬間電流，影響旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的正常工作，但其發(fā)生概率與危 害程度遠小于 1 級的情況。 需要說明的是，與某一級別的零部件有直接裝配關(guān)系的金屬零部件也應(yīng)劃歸該 級別。為便于說明，將其它零件定義為 3 級零件。 根據(jù)上述規(guī)定，劃歸 1 級的零件為：集氣套、上蓋；劃歸 2 級的零件為：下腔 內(nèi)管、通氣腔外殼、通水腔外殼、壓緊螺母以及用于固定下蓋的螺釘。1 級零件與 2 級零件的分布如圖 2-17 所示，這樣，1 級零件與 2 級零件之間需要絕緣，2 級零 件與 3 級零件之間需要絕緣。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 2-17 需要絕緣的零件分布 本設(shè)計中，1 級零件與 2 級零件之間通過螺釘連接，由于螺釘為金屬零件，傳 統(tǒng)的螺釘連接方式無法實現(xiàn)被連接件之間的絕緣，故采取圖 2-18 所示的方式，完全 隔絕螺釘與零件的直接接觸。在 2 級零件與 3 級零件之間的絕緣中，下腔內(nèi)管與 中腔外殼的裝配也采用了這種螺釘連接方式。 圖 2-18 螺釘連接的絕緣設(shè)計 1-螺釘 2-絕緣套 3-零件 4-絕緣蓋板 5-零件 2 級零件與 3 級零件間的絕緣，包括下腔內(nèi)管與中腔外殼的裝配、通水腔外殼 與中腔外殼的裝配，以及下腔內(nèi)管內(nèi)壁的絕緣。其中，通水腔外殼與中腔外殼的裝 配采用絕緣膠墊進行絕緣，下腔內(nèi)管內(nèi)壁的絕緣則利用通氣套管進行絕緣。 2.7.2 密封設(shè)計 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的密封同樣可以分為兩個級別：通水密封與通氣密封。通水密 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 封的要求較高。由于冷卻水壓力較高，并且導(dǎo)電，一旦泄漏將極易造成短路，損壞 電機與編碼器，并稀釋軸承潤滑脂。同時，高壓冷卻水通過泄漏狹縫時產(chǎn)生的噴射 現(xiàn)象還可能造成其它外部設(shè)備的損壞。因此，通水密封絕對不允許泄漏。通氣密封 的要求相對較低，這主要是由于保護氣泄漏對其它零部件的危害很小，但會減小通 達焊接點的保護氣壓力，降低氣體保護的效果。 圖 2-19 密封部位示意圖 本設(shè)計中需要密封的部位如圖 2-19 所示，通水密封采用橡膠密封墊片與橡膠密 封墊圈，并在其余細小接縫處涂耐熱密封膠，通氣密封則直接采用耐熱密封膠密封。 通水管與通氣管安裝的密封設(shè)計已在前文中詳細敘述，不再贅述。 2.8 其它零部件的設(shè)計 2.8.1 集線蓋與接地裝置 根據(jù)前文的設(shè)計，空心軸電機與編碼器安裝在主腔體中，其接線需要以一種合 適的方式引出，并且不能干擾電機與編碼器的正常工作。因此，需要在主腔體上增 設(shè)專門的集線裝置。本設(shè)計中，采用如圖 2-20 所示的集線蓋方案。具體為，在主腔 體側(cè)面靠近編碼器固定蓋的位置開設(shè)一矩形孔，并用螺釘安裝一個集線蓋。電機接 線與編碼器接線分別通過集線蓋上的兩孔接出，在調(diào)整好接線的長度與松緊之后， 用塑料卡環(huán)將接線固定在集線蓋上。其中，電機接線與編碼器接線從兩孔分別接出， 是出于防止電源線對信號線干擾的考慮，在條件允許的情況下，可以在電機接線端 并聯(lián)一個一定容值的電容器，以進一步消除這種干擾。矩形孔尺寸以使分體式編碼 器的編碼器讀取部分順利穿過為準，更加便于分體式編碼器的安裝。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 圖 2-20 集線蓋方案 1-集線蓋 2-螺釘 3-墊圈 4-主腔體 5-接地螺釘 最初設(shè)計的集線蓋為塑膠制品，若在市場上找不到成品，則需要設(shè)計專門的模 具來制造，只適用于大批量的生產(chǎn)規(guī)模。對于小批量的生產(chǎn)規(guī)模，采取如圖 2-21 所 示的備選方案，以鑄鋁為材料，加工精度要求不高，可以方便地鑄造與機加工。安 裝時，在調(diào)整好接線的長度與松緊之后，可采用螺母式的卡套來固定接線。 圖 2-21 集線蓋備選方案 為了進一步優(yōu)化編碼器與空心軸電機的工作條件，對主腔體采取接地措施。在 集線蓋旁加工一螺紋孔，擰入一個銅螺釘作為接地螺釘，用于連接導(dǎo)線，如圖 2-20 所示。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 2.8.2 安裝設(shè)計 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器需要安裝在弧焊機器人的手臂上，導(dǎo)電嘴一端向下，上蓋一端 向上，一般采取螺紋連接方式安裝。通過對南昌大學(xué)的弧焊機器人進行測量，得螺 紋孔的定位尺寸如圖 2-22 所示，四個 M4 螺紋孔在外殼柱面上呈 陣列分布，孔2 軸線過旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的軸心，周向夾角 ，軸向距離 36mm,宜加工成盲孔，也46 可以加工成通孔。 圖 2-22 螺紋孔的位置 為防止旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的裝配誤差影響其在弧焊機器人手臂上的安裝，這 4 個 螺紋孔應(yīng)設(shè)計在同一零件上，通過機加工保證其位置精度。在本設(shè)計的外殼零件中， 只有主腔體符合加工這 4 個孔的軸向尺寸要求。主腔體位于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的中偏 上位置，安裝后，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的重心基本位于 4 個螺釘之間偏下位置，有利于 弧焊機器人手臂的移動。 2.8.3 修配方案設(shè)計 為了在不拆開外殼的情況下調(diào)節(jié)偏心量，需要在偏心腔體上開設(shè)修配窗口。根 據(jù)本設(shè)計的偏心機構(gòu)調(diào)節(jié)方式，設(shè)計修配窗口的形式如圖 2-23（a）所示。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 31 圖 2-23 修配方案 1-主修配蓋 2-偏心腔體 3-副修配蓋 為了使偏心量的調(diào)節(jié)能夠方便快捷，設(shè)計一主一副兩個修配窗口。主修配窗口 孔徑較大，主修配蓋通過螺紋安裝在主修配窗口上；副修配窗口孔徑較小，副修配 窗口以一個十字槽盤頭螺釘代替，安裝在副修配窗口上。 調(diào)節(jié)時，旋開兩個修配蓋，用任意通用工具撥動偏心機構(gòu)轉(zhuǎn)到合適的位置。工 具伸入主修配窗口調(diào)節(jié)偏心量，伸入副修配窗口鎖緊偏心機構(gòu)。當(dāng)緊定螺釘軸線與 副修配蓋軸線相重合時，調(diào)節(jié)螺釘?shù)妮S線位置如圖 2-23（b）所示。顯然，該修配 方案可以實現(xiàn)偏心量的方便快捷的調(diào)節(jié)。 2.9 設(shè)計參數(shù) 根據(jù)設(shè)計要求與實際裝配情況，并借鑒其它旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的設(shè)計參數(shù)，確定 本設(shè)計旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的設(shè)計參數(shù)為： 外徑： 總長：76m 20m 額定旋轉(zhuǎn)頻率： 額定輸出功率3Hz W 導(dǎo)電嘴最大偏心半徑量： 偏心機構(gòu)最大偏心半徑量4.5 1.76m 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 3 結(jié)論 3.1 課題設(shè)計過程總結(jié) 本設(shè)計完成了對各零件的詳細設(shè)計，保證了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的順利裝配與正常 使用。 在設(shè)計過程中，參考了其它形式的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，借鑒了部分結(jié)構(gòu)形式或考 慮細節(jié)，對本設(shè)計的設(shè)計產(chǎn)生了較大幫助。在空心軸電機以及編碼器的選用中，采 取網(wǎng)上查找的方式，較為高效地尋找到合適或相關(guān)的元器件，由于本設(shè)計中的空心 軸電機與編碼器均需要進行改型，而網(wǎng)上公布的元器件說明書信息量有限，因此在 設(shè)計過程中向部分廠家進行了電話咨詢，確定了改型的可行性。 本設(shè)計中存在一定量需要進行特殊考慮的細節(jié)，諸如導(dǎo)電桿防轉(zhuǎn)設(shè)計、偏心機 構(gòu)設(shè)計、修配窗口的開設(shè)、通水通氣方式、絕緣與密封設(shè)計等。因此，在設(shè)計過程 起步階段并不順利，常常需要為了某一點改進修改整個部件的結(jié)構(gòu)，由于本設(shè)計采 用了二維/三維結(jié)合的設(shè)計方式，大大減小了改進設(shè)計的工作量與工作時間。同時， 對于零件機加工的可加工性，在零件建模的過程中予以考慮；裝配細節(jié)與裝配順序， 在虛擬裝配過程中進行了考慮。 整個設(shè)計過程采取了先進行總體功能分配，再對各功能部分分別進行具體設(shè)計， 最后進行連接部分設(shè)計，由粗到細的設(shè)計方法。在絕緣與密封的設(shè)計中，對需要絕 緣的零件采用了分級的方式進行分析與設(shè)計。 設(shè)計結(jié)果包括：旋轉(zhuǎn)電弧傳感器裝配圖、旋轉(zhuǎn)電弧傳感器各零件圖 設(shè)計過程與結(jié)果均符合設(shè)計任務(wù)的要求。 3.2 課題設(shè)計的缺陷與后續(xù)工作 本次設(shè)計任務(wù)還是有許多缺陷。 首先，本設(shè)計的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在小型化、結(jié)構(gòu)簡單化方面并未做出突出改進。 其次，在減小振動方面，本設(shè)計嘗試采用增設(shè)平衡塊的方式進行，但效果不明 顯。另一方面，防轉(zhuǎn)擋塊與導(dǎo)電桿之間的間隙也會造成振動。這些都是使機構(gòu)產(chǎn)生 較大振動的不確定性因素。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 33 為了盡量減小尺寸，部分零件的裝配不甚方便，如編碼器固定螺釘?shù)陌惭b。此 外，下腔體大量采用了密封膠與膠粘劑，使機構(gòu)裝配后不可拆開，也是本設(shè)計的不 合理因素之一。 本設(shè)計中，對各零件的材料與工藝性分析只進行了初步的選用。其具體設(shè)計需 要在各零件的工藝編寫過程中進行。 由于時間限制，并未對機構(gòu)進行運動模擬，而運動模擬是機構(gòu)設(shè)計的重要校驗 環(huán)節(jié)。因此，本設(shè)計后續(xù)工作的第一步就是運動模擬。由于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器零件眾 多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果直接采用裝配體模型進行模擬，運算量過大，使用一般的個人 電腦完成將存在一定困難。解決這一問題需要新建一個