旋轉(zhuǎn)電弧傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計【4張圖紙】

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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(xiàn)綜述）、研究內(nèi)容及實驗方案、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(jìn)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(jìn)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?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。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(dá)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(dá)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(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(dá)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(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(rèn)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(rèn)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(xì)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(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(jìn)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?。挥捎陔x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，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(jìn)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(jìn)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(yán)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(jìn)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(dá)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(dá)到120cm/min。 進(jìn)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(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 1 周 五． 主要參考文獻(xiàn) [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.