旋转电弧传感器机械结构设计.docx

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旋转电弧传感器机械结构设计

1引言

1.1选课的依据和意义

现代焊接诞生至今仅百余年，但已显示出生命力，焊接在近代工业的发展中发挥了不可替代的重要作用。

焊接不仅是一种重要的基础工艺，而且已发展成为一种新兴的综合工业技术。

它广泛应用于造船、压力容器制造，石油化工等钢结构制造领域。

从某种意义上讲，工业先进的国家莫不以焊接技术先进作为其现代化的显著标志之一。

焊接技术在国民经济中日益重要的作用，也是当代焊接技术发展的—个重要特点。

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。

因此，自动化控制焊接过程应运而生。

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。

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。

1.2当代焊缝跟踪传感器

焊接是一个结合了光、电、热、力的综合加工过程，在焊接过程中产生的热量会使焊接工件产生较大的热变形，从而产生焊接位置偏差。

为了克服这种偏差的影响，目前有2种方法，其一是采用夹具定位，普通的夹具无法满足要求，为了确保精度，必须采用更为精确的夹具。

方法之二是采用传感器进行焊缝跟踪，通过比较发现，采用跟踪的方法比采用精确的夹具经济得多。

所以焊缝自动跟踪是焊接自动化的关键之一。

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。

1.2.1附加式传感器概述

附加式传感器是目前焊缝跟踪传感器的常用形式，即在焊炬上固定一个附加的机械、电磁或光学装置，用于检测焊缝的相对位置。

其原理、特点分述如下：

1）接触式传感器。

典型的接触式传感器依靠在焊缝坡口中滑动或滚动的触指将焊炬与焊缝之间的位置偏差反映到检测器内，并利用检测器内装的微动开关判断偏差的极性。

一般应用于长、直焊缝的单层焊及角焊。

此方法结构简单，操作方便，缺点是：

对不同形式的坡口需要不同形式的探头；探头磨损大，易变性；不适于高速焊接。

2）电磁传感器。

适用于对接、搭接和角焊，其体积较大，使用灵活性差，且对磁场干扰和工作装配条件比较敏感。

一般应用于对精度要求不甚严格的场合。

3）光学传感器。

光学传感器近年来有了很大发展，其装置的种类和原理的门类很多，根据其检测原理、对象、光源种类等因素，大致可以分为：

单点光电式、光切割图像处理方式、光电扫描式、焊缝直观图像处理方式（CCD跟踪传感器）。

光学传感器精度高、再现性好，不仅可以用于焊缝跟踪，而且可以用于检测坡口形状、宽度和截面，为焊接参数的自适应控制提供依据。

因此，光学传感器是焊缝跟踪系统中比较理想的传感器形式。

1.2.2电弧传感器概述

虽然附加式传感器具有诸多优点，但是这类传感器都在焊炬上固定一个附加的机械、电磁或光学装置，用于检测焊缝的相对位置，其共同的问题就是传感器与电弧是分离的，有复杂的附加装置，应用起来不方便，效果也不够理想。

而电弧传感器利用电弧本身作为传感器，根据焊接电弧的基本特性提取焊接过程中的电流或电压变化量作为传感器信号。

因此，与附加式传感器相比，电弧传感器有其独特的优势。

与其他传感器相比，电弧传感器具有以下优点:

（1）检测点就是焊接点，不存在传感器先行的问题，是完全实时的传感器。

（2）焊接机头周围不需要装备其他特别的装置，焊枪的可达性好。

（3）由于电弧本身作为传感器，所以不受焊丝弯曲和磁偏吹等引起电弧偏移的影响。

（4）不仅可以跟踪传感，保证焊接参数的稳定，而且还可以改善焊缝的成形效果。

（5）抗光、电磁、热的干扰，使用寿命长。

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。

工业发达国家起步较早，已研制多种电弧扫描形式的电弧传感器，如双丝并列、摆动和旋转等，适合于埋弧焊、TIG和MIG／MAG等不同的焊接方法。

有些已成功地应用于焊接生产。

早期的电弧传感器多采用摆动式，后来又开发了双丝并列的电弧传感器和旋转电弧传感器。

下面，将对电弧传感器，尤其是旋转电弧传感器的工作原理进行较为详细的介绍。

1.3电弧传感器工作原理

1.3.1电弧传感器的基本原理

1.3.1.1电弧传感器的跟踪原理

以电或机械方法使焊接电弧摆动，检测焊接电流、电压的变化，来判断摆动中心是否偏离坡口中心，并进行修正。

使电弧摆动的方法有机械式、电磁式和射流式。

摆动轨迹可分为直线往复运动、圆弧运动和旋转运动。

在使用双丝并列焊接时，也可不作摆动。

图1为焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接参数变化的过程。

图中，E为电源外特性，C为等熔化曲线，l为电弧静特性曲线。

以平外特性电源、等速送丝调节系统为例，在稳定焊接状态时，电弧工作点为A０，弧长l０，干伸长随之变化，对应的等熔化曲线为C０，电流为I０。

当焊枪与工件表面距离发生阶跃变化增大到H１时，弧长突然被拉长为l１，此时干伸长还来不及变化，电弧随即在新的工作点燃烧，电流突变为I１。

但经过一定时间的电弧自调节作用后，弧长逐渐变短，干伸长增大，最后电弧稳定在一个新的工作点A２、弧长l２上，对应的等熔化曲线C２、电流I２，结果是干伸长和弧长都比原来增加。

在上述变化中，有两个状态过程即调节过程的动态变化（ΔId）和新的稳定点建立后的静态变化（ΔIs）。

动态变化的原因是焊丝熔化速度受到限制，不能跟随焊炬高度的突变，静态变化的原因是由于电弧的自身调节特性。

由以上所述，当电弧沿着焊缝的垂直方向扫描，焊接电流将随着扫描引起的焊矩高度变化而变化，从而获得焊缝坡口信息，达到传感的目的。

1.3.1.2各种主要电弧传感器的特点

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

下跟踪类似，左右跟踪也是利用其变化信号进行自动跟踪控制的。

但其具体实现方案多种多样，主要分为摆动扫描方式、双丝并列方式与旋转扫描方式。

（1）摆动扫描式电弧传感器

   摆动扫描式电弧传感器是目前应用最广的一种焊接电弧传感器，这种电弧传感器需要一套摆动装置，在焊缝的横向方向来回摆动而实现焊缝跟踪。

用在弧焊机器人上的摆动电弧传感器不需要摆动装置，通过机器人手臂带动焊枪作横向摆动即可。

但受机器人结构因素的影响，机器人的摆动频率一般在10Hz以下，如图1-1（a）。

在高速焊接和焊缝弧度大的情况下，其跟踪效果会受到影响。

   MKODAMA发明了一种电磁高速摆动电弧传感器，这种电弧传感器的两侧分别有永磁铁和激励线圈，当激励线圈通过一定频率的直流电流时，导电杆便会产生一定频率的摆动，从而实现焊缝的跟踪。

这种高速摆动的电弧传感器的摆动频率一般可在0～40Hz之间可调，摆幅0～4mm可调，最大焊接速度400mm/秒。

其特点是体积小，重量在1Kg以下，如图1-1（b）。

图1-1

（2）双丝并列电弧传感器

   这种电弧传感器利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊，其左右两焊丝的焊接电流（电压）差值提供两个电弧之间的中心线是否偏离焊缝的信息，据此可实现焊缝跟踪。

根据两个电弧参数和参考值比较的差值也可以实现导电嘴与工件表面间距离的调整。

这种传感方式是利用电弧静态特性参数的变化作为传感信号，同时要用两个参数相同的独立回路电源并列进行坡口焊接，焊枪结构较复杂，实现上有一定的困难，所以实用上受到限制。

（3）旋转扫描电弧传感器

   这种电弧传感器以旋转电弧的方式代替了摆动电弧，其旋转频率高达100Hz。

二十世纪八十年代，日本NKK公司发明了一种旋转式电弧传感器，并应用到窄间隙焊缝中，其原理如图1-2所示：

导电杆作为圆锥的母线，绕圆锥轴线旋转（公转），而并不绕导电杆自身轴线旋转（自转），并且在锥顶处运动的幅度很小，这种结构调节扫描直径的方法是调节园锥顶角，传感器需用一级齿轮减速传动，结构较大，影响了焊炬的可达性。

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。

图1-2图1-3

韩国的C-HKim制作了一种高速旋转电弧传感器，如图1-3所示，这种传感器依靠导电嘴的偏心来实现电弧的旋转运动，导电嘴的偏心度就是电弧的旋转半径。

虽然它的转动机构比较简单、紧凑，但其在高速旋转时，焊丝在导电嘴中必须以同样的转速旋转，这就加剧了导电嘴的损耗。

双丝并列方式与摆动扫描方式的优缺点

双丝并列方式从工艺成形和控制电路两方面都较为容易实现，但要求导电嘴通过双丝，并相互绝缘，使导电嘴尺寸较大，限制了焊炬的可达性；要求双丝的送丝速度必须完全一致，也使得送丝机构变得极为复杂和难以控制。

摆动扫描方式避免了这两个缺点，但摆动与成形存在相互关系，使得焊炬使用的通用性降低；各种摆动扫描方式的研究表明，摆动频率不宜过高，一般在5Hz以下，使得摆动动作很小，往往无法满足扫描要求。

此外，双丝并列方式与摆动扫描方式还存在着一个共同的缺陷，即在焊接路径非直线时，需要对其并列方向或摆动方向进行修正，如图1-4所示，并且修正值必须在焊接前预设，这明显降低了焊接的自动化程度，尤其是当焊接路径曲线较为复杂时，修正将带来额外的误差，并直接影响焊接的质量。

图1-4摆动扫描方式的摆动方向修正

1.3.2旋转电弧传感器的原理

1.3.2.1旋转电弧传感器概述

旋转扫描方式主要是针对摆动式扫描频率低的缺点提出的一种新的电弧扫描方式。

在此方式中，电弧和焊丝的伸出端围绕焊炬中心线作圆周运动，其电弧轨迹如图1-5所示。

当电弧旋转的速度与电弧行走速度（焊速）之比足够大时，这种运动可以认为是电弧在垂直于焊缝的方向上的扫描，与摆动扫描的作用相似。

图1-5旋转扫描方式下的电弧轨迹示意图

采用旋转扫描方式工作的电弧传感器称为旋转电弧传感器。

旋转电弧传感器是一种特殊的焊枪，在结构上虽比摆动式电弧传感器复杂，但具有突出的优越性：

高速旋转增加了焊枪位置偏差的检测灵敏度，极大地提高了跟踪精度；高速旋转提高了快速响应特性，适用于高速焊接和薄板搭接的焊缝跟踪，在弧焊过程自动控制领域占有重要的地位。

1.3.2.2旋转电弧传感器的国内外发展情况和应用现状

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。

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1-6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1-6野村博一的导电杆转动方案[1]

在我国，从八十年代末期开始，以清华大学潘际銮院士为首的课题组，在旋转电弧传感器方面做了大量的研究工作，并取得了有价值的科研成果。

1993年，清华大学博士生廖宝剑在博士生费跃农的研究成果的基础上