旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),旋轉(zhuǎn),電弧,傳感器,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 題 目 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 0781053 學(xué)生姓名 黃屹立 指 導(dǎo) 教 師 高延峰 填表時(shí)間： 2011年 04月 11日 說(shuō) 明 開(kāi)題報(bào)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(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫(xiě)內(nèi)容各專(zhuān)業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專(zhuān)業(yè)填寫(xiě)內(nèi)容應(yīng)保持一致。 一． 選題的依據(jù) 焊接在機(jī)械制造工業(yè)中是一門(mén)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(duì)操作人員的技術(shù)要求高，并且在操作過(guò)程中往往對(duì)操作人員的身體產(chǎn)生不可避免的危害。為此，自動(dòng)化控制焊接過(guò)程應(yīng)運(yùn)而生。焊接過(guò)程控制系統(tǒng)首先要解決的問(wèn)題是焊縫跟蹤。 為此，人們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了各種焊接傳感器以滿(mǎn)足日益提高的焊接質(zhì)量要求。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)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(wèn)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(jì)問(wèn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的方法與思路，使設(shè)計(jì)人員能夠更直觀地進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在本課題中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的小型化設(shè)計(jì)需求，要求設(shè)計(jì)人員必須在有限的機(jī)構(gòu)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)各功能部件的合理分配。 二． 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 旋轉(zhuǎn)電弧焊是1959年蘇聯(lián)研究成功的，但進(jìn)行這種焊接所用的焊機(jī)直到70年代才出現(xiàn)。焊機(jī)包括電源、高頻引弧或輔助電極引弧裝置﹑夾具(電極)、激磁線(xiàn)圈和加壓機(jī)構(gòu)(液壓、機(jī)械或手動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)度、管子裝配間隙、電弧旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)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(duì)焊(見(jiàn)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(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用首見(jiàn)于日本NKK公司關(guān)于窄間隙焊接的報(bào)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(jī)構(gòu)較復(fù)雜、體積大、振動(dòng)大、調(diào)節(jié)不方便，因此限制了其在實(shí)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(shì)[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(shí)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(dòng)方案，如圖2-5所示。該方案中，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)狀態(tài)。焊接電纜與導(dǎo)電桿之間無(wú)法直接相連，需要有一個(gè)類(lèi)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(duì)于焊炬的設(shè)計(jì)、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(dòng)而通過(guò)導(dǎo)電嘴的焊絲并不轉(zhuǎn)動(dòng)，致使導(dǎo)電嘴與焊絲之間存在高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)方案[1] 1980年，潘際鑾、費(fèi)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(guò)齒輪傳動(dòng)，使其一端懸掛在球鉸上作圓錐擺動(dòng)。球鉸為此圓錐錐頂，導(dǎo)電桿為圓錐母線(xiàn)，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?fù)?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(zhǎng)。同時(shí)，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(dòng)方案[1] 圖2-7 RAT-Ⅱ的空心軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案[1] 1993年，潘際鑾、廖寶劍創(chuàng)造了一種空心軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)掃描焊槍RAT-Ⅱ，采用了空心馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，這種新型機(jī)構(gòu)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了傳動(dòng)齒輪，通過(guò)偏心機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電桿的圓錐擺動(dòng)，從而解決了RAT-Ⅰ調(diào)節(jié)不便的問(wèn)題。同時(shí)，減少了傳動(dòng)損耗降低電機(jī)功耗，焊槍小巧靈活，機(jī)械振動(dòng)小、焊接可達(dá)性好、可以像普通焊槍一樣使用。這種傳感器已獲得國(guó)家專(zhuān)利[11]。 近年來(lái)南昌大學(xué)機(jī)器人與焊接自動(dòng)化試驗(yàn)室經(jīng)過(guò)多年不斷改進(jìn)．使該旋轉(zhuǎn)掃描焊槍在結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步小型化．重量減輕，機(jī)械振動(dòng)和噪聲明顯減小，已成功用于弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤。同時(shí)，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(jì)方案。諸如，江蘇科技大學(xué)的空心軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)上端蓋 4-電機(jī)定子 5-電機(jī)轉(zhuǎn)子 6-空心軸 7-電機(jī)外殼 8-空心軸電機(jī)下端蓋 9-電機(jī)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(jī) 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?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)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(lèi)。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(lèi)傳感器共同的問(wèn)題就是傳感器與電弧是分離的，傳感器的檢測(cè)點(diǎn)離開(kāi)電弧有一定的距離，在焊接大弧度的焊縫時(shí)會(huì)影響跟蹤效果。而電弧傳感器利用焊接過(guò)程中的電弧電流波形或電弧電壓波形的變化來(lái)獲得電弧中心是否偏離焊縫作為傳感信息，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，跟蹤效果好。電弧傳感器的最大優(yōu)勢(shì)在于它的抗弧光、高溫及強(qiáng)磁場(chǎng)能力很強(qiáng), 同時(shí)它與焊接電弧總是統(tǒng)一的整體,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guó)重視, 國(guó)外許多焊接設(shè)備研究和制造機(jī)構(gòu)都在努力開(kāi)發(fā)這一領(lǐng)域。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(dòng)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(guó)家所生產(chǎn)的弧焊機(jī)器人上均配有擺動(dòng)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(duì)于外特性為緩降特性的電源來(lái)說(shuō)，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(xiàn)性系統(tǒng)來(lái)處理。 在電弧工作基本固定(固定送絲速度和電源外特性) 時(shí)，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(shí)際值H ,然后與給定值進(jìn)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 ??? 電弧傳感器動(dòng)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(rèn)為：對(duì)于具有極好動(dòng)態(tài)響應(yīng)的焊接電源，其動(dòng)態(tài)外特性可視為比例環(huán)節(jié)，其動(dòng)態(tài)模型為一階模型；當(dāng)電源外特性為慣性環(huán)節(jié)時(shí)，電弧傳感器的動(dòng)態(tài)模型為二階模型。 ??? 通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為在弧焊電源具有較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)時(shí)，數(shù)學(xué)模型是具有一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)的一階系統(tǒng)；而將弧焊電源的動(dòng)態(tài)特性改變?yōu)橐浑A系統(tǒng)時(shí)，數(shù)學(xué)模型是具有一個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)。 ??? 通過(guò)對(duì)細(xì)絲埋弧焊電弧傳感器的研究，得到了電弧傳感器的動(dòng)態(tài)模型，并且為二階模型；電源動(dòng)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(dòng)。因此，電源動(dòng)態(tài)品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著傳感器的性能。 四． 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)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(dòng)或作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的焊縫成形有明顯的不同，對(duì)焊接電弧的不同運(yùn)動(dòng)方式下的焊縫成形進(jìn)行了研究，圖6為電弧作三種運(yùn)動(dòng)時(shí)的焊縫成形比較圖。在電弧旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式下，焊縫的寬度較其它兩種運(yùn)動(dòng)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?chē)湎蛉鄢?，?dǎo)致熔池的寬度增加；旋轉(zhuǎn)電弧的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較大，電弧在某點(diǎn)的停留時(shí)間縮短，相應(yīng)地，電弧力對(duì)熔池底部的作用時(shí)間縮短，熔深減小；由于離心力的作用和電弧作用范圍的擴(kuò)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(duì)高速旋轉(zhuǎn)電弧的水平角焊縫成形進(jìn)行了研究，在水平角焊時(shí)，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(yùn)動(dòng)焊時(shí)的焊縫在兩邊的熔深都有所增大，且偏向腹板，這是因?yàn)殡娀〉母咚傩D(zhuǎn)使熱源和電弧力均勻地向四周分散，降低了電弧對(duì)熔池根部的沖刷作用，電弧的旋轉(zhuǎn)還會(huì)對(duì)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(xiàn)焊接和旋轉(zhuǎn)電弧焊接時(shí)角焊縫成形對(duì)照示意圖。在用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進(jìn)行實(shí)際焊接時(shí)，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(shí)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(shí)，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(duì)三種電弧運(yùn)動(dòng)方式（即電弧作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）的焊接進(jìn)行了研究。圖8為三種電弧運(yùn)動(dòng)方式焊接的焊縫成形示意圖。焊槍在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)高速焊時(shí)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(shí)，電弧對(duì)熔池液體金屬的后排作用很強(qiáng)，弧坑很深，又沒(méi)有足夠的液體金屬來(lái)填滿(mǎn)弧坑兩側(cè)，因此形成咬邊。如圖8a所示；焊槍在擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)高速焊時(shí)的焊縫如圖8b所示，焊縫呈波浪形，且成形差，咬邊嚴(yán)重；圖8c是焊槍在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)高速焊時(shí)的焊縫圖，焊縫成形好，無(wú)咬邊現(xiàn)象，這是因?yàn)殡娀〉母咚傩D(zhuǎn)使電弧力對(duì)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(duì)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(jī)器人進(jìn)行了高速跟蹤控制的研究，試樣為板厚3.2mm,長(zhǎng)500mm的波浪形搭接接頭，在焊接電流為300A、旋轉(zhuǎn)頻率為50Hz時(shí)的跟蹤速度達(dá)到了120cm/min。M KODAMA 研制的電磁驅(qū)動(dòng)高速擺動(dòng)電弧傳感器在焊接電流530A、擺動(dòng)頻率20Hz時(shí)的焊接速度能達(dá)到120cm/min。 進(jìn)度安排 1.搜集資料寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，英文翻譯。 3 周 2.設(shè)計(jì)傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)， 4 周 3.繪制零件圖和裝配圖。 4 周 4.撰寫(xiě)畢業(yè)論文。 4 周 5.答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 1 周 五． 主要參考文獻(xiàn) [1].機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004． [2].成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（機(jī)械傳動(dòng)）．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(jī)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(jī)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(bào)(工科版)，2000，22(3)：1-4． [6]. 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