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1、目 录1 引言（01）1.1 选课的依据和意义（01）1.2 当代焊缝跟踪传感器（01）1.2.1 附加式传感器概述（01）1.2.2 电弧传感器概述（02）1.3 电弧传感器工作原理（03）1.3.1 电弧传感器的基本原理（03）1.3.2旋转电弧传感器的原理（06）1.4 课题任务（10）2 课题设计主要内容（11）2.1电弧旋转方案的选定（11）2.1.1 空心轴电机（11）2.1.2 运动机构设计（12）2.1.3 防转机构（13）2.2总体结构设计（14）2.2.1 各功能部分的轴向分配（14）2.2.2 径向空间的分配（15）2.3导电杆部件的设计（16）2.3.1 导电杆部件的总
2、体设计（16）2.3.2 轴承的选用与安装（16）2.4检测装置的选定与安装（17）2.4.1 电弧扫描位置与转速的检测方法（17）2.4.2 分体式安装的旋转编码器（18）2.5偏心机构的设计（19）2.5.1 偏心方案的确定（19）2.5.2 偏心机构的平衡（22）2.6外壳的设计（23）2.6.1 外壳总体设计（23）2.6.2 通水方式（24）2.6.3 通气方式（25）2.7绝缘与密封设计（26）2.7.1 绝缘设计（26）2.7.2 密封设计（27）2.8其它零部件的设计（28）2.8.1 集线盖与接地装置（28）2.8.2 安装设计（30）2.8.3 修配方案设计（30）2.9设
3、计参数（31）3 结论（32）3.1课题设计过程总结（32）3.2课题设计的缺陷与后续工作（32）参考文献（34）致 谢（36）附 录（37）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
4、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
5、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、
6、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。
7、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
8、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MIGMAG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
9、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A，弧长l，干伸长随之变化，对应的等熔化曲线为C，电流为I。当焊枪与工件表面距离
10、发生阶跃变化增大到H时，弧长突然被拉长为l，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I。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A、弧长l上，对应的等熔化曲线 C、电流I，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(Id)和新的稳定点建立后的静态变化(Is)。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.
11、1.2各种主要电弧传感器的特点与上下跟踪类似，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。 M KODAMA发明了一种电磁高速摆动电弧传感器，这种
12、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040Hz之间可调，摆幅04mm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
13、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。
14、图1-2 图1-3韩国的C-H Kim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
15、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-
16、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
17、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
18、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
19、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，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，并获得了国家专利，如图1-7所示。这种高速旋转扫描电弧传感器采用了空心轴设计，以空心马达作为原动机，导电杆斜穿过马达空心轴。在空心轴上端，通过同轴安装的调心轴承支撑导电杆，该位置处导电杆偏心量为零，调心轴承可安装在电机轴上或机壳上。在空心轴的下端，外偏心套安装在轴上，内偏心套安装于外偏心套内孔中，调心轴承安装于内偏心套内孔中，导电杆安装于轴承内孔中。该处导电杆偏心量由内外偏心套各自偏心量及内偏心套相对外偏
20、心套转过的角度而决定。当电机转动时，下调心轴承将拨动导电杆作为圆锥母线绕电机轴线作公转，或称为圆锥摆动。图1-7近几年，南昌大学江西省机器人与焊接自动化重点实验室在此基础上对这种高速旋转扫描电弧传感器在小型化和减振等方面进行了深入细致的研究，并作了进一步的改进，制作了样机，样机安装在弧焊机器人上成功地进行了实时焊缝跟踪，图1-8为安装在机器人上的空心轴旋转电弧传感器。图1-81.3.2.3旋转电弧传感器的发展方向1）小型化。电弧传感器一般用于自动化程度高的场合，即装置于弧焊机器人的手臂上。弧焊机器人的手臂承受的重量有限，运动时的速度也较快，这就要求高速旋转扫描电弧传感器在保证强度、刚度、振动等
21、要求的前提下重量越轻越好。当电弧传感器质量较大时惯性也较大，即使弧焊机器人的手臂能够支承，也会对其运动的准确性带来额外负担。另一方面，电弧传感器的体积，尤其是靠近导电嘴部分的径向尺寸，直接影响焊炬的可达性。2）减振。高速旋转扫描电弧传感器在工作时的振动很大，原因在于高速旋转扫描电弧传感器偏心机构的重心偏离了旋转中心。振动和较大的负荷会影响弧焊机器人焊接时的焊缝质量和焊缝跟踪精度。因此，有必要在高速旋转扫描电弧传感器的设计中充分考虑这一因素，诸如使偏心量、旋转频率能更方便准确地进行调节，从而逐步解决这一问题。3）结构简单化。从前文所介绍的各种旋转电弧传感器中不难发现，尽管其具有突出优点，但结构都
22、较为复杂，这主要是由于在焊炬中必须包含电机、偏心机构、供水供气装置等功能部件，并且需要考虑绝缘与密封。结构简化的思路之一是将各功能部件集成，但这又将使零件难于制造。另一种简化结构的方案是以电磁感应方式使电弧旋转，取代电机驱动。目前这种方式的电弧传感器正在研制当中，已有部分定性研究成果以论文、专利的形式公布。1.4 课题任务本设计采用二维设计方式进行，使用AutoCAD软件绘制旋转电弧传感器的装配图。同时，本设计任务要求对各零件进行详细的设计，保证旋转电弧传感器的顺利装配与正常使用。2 课题设计主要内容2.1电弧旋转方案的选定2.1.1 空心轴电机在上文所述众多电弧旋转方案中，空心轴电机驱动的旋
23、转电弧传感器具有结构简单、传动损耗小、电机功耗低、焊枪小巧灵活、机械振动小、焊接可达性好等优点，是当今旋转电弧传感器的主要研究方向。本设计同样采用空心轴电机作为电弧旋转的动力源。由于当时市场上满足要求的成品难于找到，重新设计订货生产的成本高、周期长，因此依旧沿用在RAT-研制过程中采取的选择合适电动机改装的方法。普通直流电动机换向片处直径小且转子上有绕组，限制了轴空的扩大；直流力矩电动机转子和换向片处直径较大，但转速过小，且成本较高，不适合用于旋转电弧传感器。普通轴流风机用单相交流电动机的转子无换向片，鼠笼式结构，转子可以方便地钻孔扩孔，电机轴本身即是空心轴，原本是用于安装风扇，使气流通过空心
24、轴。这些条件都使普通轴流风机用单相交流电动机成为旋转电弧传感器空心轴电机改装最为合适的原型电机。由于导电杆与电机之间应该绝缘，用以保证焊接电流不影响电机的正常工作，空心轴电机的轴内壁不能与导电杆接触。考虑导电杆的最大外径为10mm（不包括安装轴承用的轴肩部分），以及偏心量因素，并且充分考虑空心轴内径扩大致使机构尺寸扩大这一因素，确定空心轴内径为14mm。参考若干种现行的轴流风机、轴流泵及空心轴电机的几何尺寸与工作参数，设计出通过改型加工可以获得并适用于本设计的空心轴电机，如图2-1所示。该电机采用小型轴流泵用电机改制，外径40mm，厚度26mm，空心轴内径14mm，外径18mm，长度根据装配要
25、求而定，额定转速2700 r/min，额定电压36V，额定功率40W。图2-1 空心轴电机示意图1-空心轴 2-轴承 3-端盖 4-定子 5-外壳 6-转子 7-端盖 8-轴承2.1.2 运动机构设计在选定空心轴电机之后，运动机构的基本形式可确定为如图2-2所示，在空心轴电机驱动下，导电杆（部件2）以A为顶点，以电机轴线为中心线，做圆锥摆动，称为导电杆的公转。图2-2 机构运动示意图计算机构自由度：其中，虚约束为运动副C与运动副B重复约束的部件3沿自身轴线方向移动的自由度，以及运动副A与运动副B重复约束的部件2沿自身径向移动的自由度。局部自由度为部件2绕自身轴线转动的自由度。此机构方案中，运动
26、副B采用圆柱副，当偏心量调节时，其倾斜量会发生变化，若增设倾斜量的调节/锁紧装置则会增加机构复杂程度与体积。因此将机构中的圆柱副B改为如图2-3所示的球面副。图2-3 修改后的机构运动示意图计算机构自由度：其中，虚约束为两球面副A和B重复约束的部件2沿自身轴线方向移动的自由度；局部自由度为部件2绕自身轴线转动的自由度。在实际机械结构中，球面副A与球面副B可以采用调心球轴承方便地实现。2.1.3 防转机构导电杆绕其自身轴线转动的局部自由度，称为导电杆的自转，会造成导电杆与焊丝之间的摩擦，大大减少导电杆的使用寿命，必须以一个防转机构加以限制。由于导电杆需要偏心公转，防转挡块与导电杆之间不能够紧密接
27、触，必须留有一定间隙，但这样也造成了导电杆的自转无法完全约束的问题。本设计的解决办法如图2-4所示，在导电杆高速公转时，导电杆自身由于挡块的限制而无法回转，而只能在小角度内作不确定的摆动，这就要求防转挡块能够承受导电杆的碰撞，并且最好是能够减振的。同时，防转挡块是与机架固定的，需要与导电杆绝缘。因此需要选用一种冲击韧性高、耐热绝缘的非金属材料作为防转挡块的材料，在本设计中，初步选定为聚四氟乙烯树脂。考虑到应尽量减小摆动量、减小间隙，将防转挡块安装在紧靠A点的位置。图2-4 防转机构1-挡块 2-导电杆2.2总体结构设计旋转电弧传感器除了要实现电弧的旋转以外，与普通焊炬一样，还需要实现冷却、通入
28、保护气体等功能。而其外形尺寸又受到严格限制。首先，外形一般为圆柱形。这主要是为了适应在弧焊机器人手臂上的安装。其次，外径必须足够小，以达到一定的焊接可达性。2.2.1 各功能部分的轴向分配基于上述考虑，本设计将各主要功能部件进行了划分，并沿轴向分配，如图2-5所示，自左向右分别为上盖部分、主腔体、偏心机构腔、冷却水腔、保护气腔。图2-5 旋转电弧传感器各功能部分轴向分配上盖部分主要安装作为导电杆圆锥摆顶点的调心球轴承以及防转机构，其内径尺寸取决于轴承外径；主腔体内主要安装空心轴电机与检测装置，其内径尺寸取决于空心轴电机外径以及检测装置外径；偏心机构腔体内主要安装偏心机构，其内径尺寸取决于偏心机
29、构的尺寸以及额定偏心量的大小；冷却水腔用于导电杆的冷却，并需要保证保护气体顺利通过此腔体到达保护气腔；保护气腔及其保护气罩则主要用于保证保护气体能够均匀通达电弧部分。各功能部件必须按照一定的顺序。根据已经确定的运动机构，上盖部分、主腔体、偏心机构腔的顺序不能打乱。冷却装置的主要作用是降低导电杆的温度，而导电杆靠近电弧部位的温度最高，冷却水腔应尽量靠近导电杆电弧部分。同样地，保护气体用于对电弧进行气体保护，保护气腔也应尽量靠近导电杆电弧部分。从中可以发现，存在两种轴向分配方案，问题的焦点在于冷却水腔与保护气腔哪个应更靠近电弧部分。冷却水腔需要使导电杆得到充分冷却，就必须具有一定的体积与轴向长度；
30、保护气腔的设计主要考虑气体的均匀分配，其体积要求较冷却腔体低。同时，为了达到焊接可达性要求，越是靠近导电嘴的部分，其径向尺寸应越小。综合考虑之后可得，如图2-5的轴向分配最为合理。2.2.2 径向空间的分配显然，仅仅对各功能部件进行轴向分配无法满足设计要求。首先，轴向分配忽略了各功能部件之间的连接，其次是导电杆的因素与通水通气管路的因素。因此，需要对旋转电弧传感器进行径向空间的分配。上盖部分、主腔体、偏心机构腔的径向空间分配如图2-6（a）所示。冷却水与保护气需要通过外壳中的管道到达冷却水腔与保护气腔。同时，使用4个M6螺钉穿入外壳将上盖部分、主腔体以及偏心机构腔连接起来，构成旋转电弧传感器的
31、主体部分。冷却水腔与保护气腔构成旋转电弧传感器的下腔部分。导电杆始终处于旋转电弧传感器的中心部位，并且，除了与轴承配合部分之外，和各功能部件之间保持一定的间隙。冷却水腔与保护气腔部分的径向空间分配如图2-6（b）所示。冷却水腔与保护气腔的内壁应具有良好的导热性，以便使冷却水与保护气带走更多的热量。图2-6 旋转电弧传感器径向空间分配2.3导电杆部件的设计2.3.1 导电杆部件的总体设计导电杆是焊炬的核心部件之一，主要作用是引导焊丝，并对焊丝通电，使其形成稳定的焊接电弧。由于导电嘴需要经常更换，市场上也容易购买到现成的导电嘴零件，一般均采取与导电杆主体螺纹连接，并将靠近螺纹部分的外表面加工为六角
32、形，利用扳手很容易实现有效的紧固并且拆装方便。同时，导电嘴的材料一般采用工业纯铜，以达到理想的导电性能。由于导电嘴与导电杆的螺纹连接中，不适合加装弹簧垫圈等防松装置，导电杆宜采用与导电嘴相同的材料。这样，具有相同膨胀系数的材料在预紧后不会由于热膨胀而发生松动甚至脱落。另一方面，工业纯铜的机械性能与加工性能不如黄铜，但导电杆部件的力学性能要求不高，故可以采用。导电杆内需要通过焊丝，并使其精确到达焊接点，因此将导电杆部件的内径设计为由大到小的阶梯孔，并在交接处采用圆锥过渡。此外，在本设计中，导电杆部件需要与两个调心球轴承配合。因此，将导电杆部件设计成由上导电杆、下导电杆、导电嘴组成，如图2-7所示
33、。图2-7 导电杆及相关零部件装配1-上调心球轴承 2-上轴承套 3-防转挡块 4-上导电杆 5-下调心球轴承6-下轴承套 7-防尘盖 8-下导电杆 9-导电嘴2.3.2 轴承的选用与安装考虑导电杆受力较小，但存在振动。由于本设计中，轴系为非传统轴系，选用调心球轴承也是为了实现圆锥摆动，并非按照机械设计手册中，滚动轴承特性表所述，用于承受载荷作用下弯曲较大的传动轴25。因此，轴承的寿命校核无法采用传统的校核公式。根据已有的类似机构的设计319，选用中载系列调心球轴承，1200 (GB/T 281-1994)。两个调心球轴承均与上导电杆配合，并用轴肩定位，由于两轴承之间的导电杆部分需要穿过空心轴
34、，故采取如图2-7所示的轴肩设计方案。同时，上调心球轴承的轴向定位轴肩还作为防转机构的一部分。由于选用的轴承为普通金属部件，而导电杆与外壳之间又需要绝缘，需要在轴承外圈使用绝缘材料。在众多绝缘材料中，尼龙-MC具有良好的绝缘耐热性能与机械性能，因此，在本设计中，直接采用尼龙-MC制造两调心轴承的轴承套。上调心球轴承的轴承套外径可以与外壳直接配合；下调心球轴承的轴承套与偏心机构固定。由于两轴承工作温度较高，并且在结构上又不适合采用润滑油润滑，故采用具有一定耐热性能的钠基润滑脂。相比较而言，下调心球轴承的工作条件更为恶劣，因此，在下调心球轴承靠近导电嘴的一端安装一个防尘盖，这一设计借鉴了南昌大学设
35、计的一种带挡尘盖的旋转扫描焊炬的实用新型专利17。焊接时，焊接点的高温与相对温度较低的传感器内部产生较大温差，形成上升气流，往往会夹带焊接过程中产生的微小铁珠与灰尘。防尘盖则可以有效防止微小铁珠与灰尘随着上升气流进入调心球轴承，从而大大延长轴承寿命。另一方面，防尘盖宜采用冲压件，其表面粗糙度较低，能够反射一部分热辐射。改善轴承的工作条件。防尘盖安装于上导电杆与下导电杆之间，同时还具有轴承内圈轴向限位的作用。2.4检测装置的选定与安装2.4.1 电弧扫描位置与转速的检测方法电动机旋转所达角度位置决定焊炬扫描所达的横向位置，该位置信号的检测对传感器的信号处理非常重要，而转速的测定则能够保证旋转稳定
36、。最早计划用于旋转电弧传感器的检测装置是电位器与整角机，但效果极为不理想，并未真正采用。一般传统的检测装置采用光电码盘与光耦，如图2-8所示。这种检测装置包括一个编码盘和两个光耦。其中，编码盘外圈铣出矩形齿槽，其中一个齿槽较其它齿槽更深。两个光耦安装在外壳内，光耦的光路可以通过所有齿槽，光耦的光路只能通过深齿槽。编码盘安装在电机轴上，当电机运转时，齿形将交替阻挡/允许由光耦的发光管通往光敏接收管的光路，光敏管则输出一串信号，经过外部电路的调制后可得一串脉冲信号，称为分度脉冲信号，从两个光耦获得的分度脉冲信号分别称为信号与信号。信号的周期即转过一齿的时间，从中可获得旋转的瞬时速度。信号的周期即回
37、转周期，将上一次光耦的光路通过齿槽起的时间除以这段时间内信号的平均周期即上一次光耦的光路通过齿槽后转过的角度。由此，通过对两光耦输出信号的分析，便可以得到旋转的速度与角位移量，从而使电弧传感器根据该数据对焊缝进行准确的跟踪。图2-8 传统的检测装置1-光耦 2-编码盘 3-光耦2.4.2 分体式安装的旋转编码器传统的检测装置具有体积小、安装方便的优点，然而也存在明显的缺点。首先，光耦元件结构简单，其输出信号还是模拟信号，需要通过外部电路调制；其次，模拟信号极易收到干扰，容易造成信号的丢失与误读。因此，需要寻找一种新的替代方法以解决这些问题。随着编码器技术的日益发展，选用一款现成的旋转编码器是解
38、决上述问题的方式之一。当前存在众多旋转编码器供货厂家，其产品种类繁多，总体上分为机床用编码器与电机用编码器，其中机床用编码器体积较大，很少有空心轴型号，且空心轴型号的孔径都较小，这种旋转编码器能承受较大转矩，检测精度很高，适用于精度要求高的数控机床。电机用编码器尺寸较小，一般外径在50mm以内，形式多样，适用于多种有一定检测精度要求的场合。本设计采用一款分体式安装的电机用旋转编码器，如图2-9所示。选用一款现有分体式安装的旋转编码器21改装而成。其中，编码器部分不需要改装，只需要增大编码盘孔径，使其能够与空心轴装配。这种编码器包含模数转换电路，由八个引脚直接输出数字信号。图2-9 分体式安装的
39、编码器1-编码盘 2-编码器同时，分体式的设计使分体式安装的旋转编码器可以采用与传统检测装置类似的方法安装，唯一不同的是编码盘与编码器之间的位置精度要求较传统检测装置高。在这一点上，产品本身已经提供了解决方法。编码器在其需要装配平面上的定位类似于“一面两短销”定位方式，编码器的装配表面上有两个短圆柱突起，与两圆柱孔配合即可完成定位，再用螺钉紧固即可完成装配。编码盘与编码器的轴向定位可以在编码盘与空心轴的装配时进行调整来实现。2.5偏心机构的设计2.5.1 偏心方案的确定偏心机构是实现导电杆圆锥摆动的重要部件，要求能够实现偏心量的调节与锁定。本设计采用螺钉调节、弹簧复位、螺钉紧定的方法。如图2-
40、10所示，在调心球轴承的轴承套上设计一个开式滑槽，与滑块形成移动副；滑块通过紧定螺钉安装在空心轴电机的空心轴上；偏心机构盖安装在轴承套上，构成轴承套部件，限制轴承的轴向自由度；调节螺钉通过顶块、钢球紧定在滑块上，紧定螺钉直接紧定在滑块上；滑块及偏心机构盖在与钢球接触的位置上都加工有圆弧槽，限制钢球沿电机轴方向的自由度。偏心量的调节方法为：1）增大偏心量。先松开紧定螺钉，顺时针转动调节螺钉，则调节螺钉通过顶块、钢球使轴承套部件沿移动副向下移动，从而增大偏心量；到达所需位置后，再将紧定螺钉拧紧。2）减小偏心量。逆时针转动调节螺钉，由于在弹簧力的作用下，钢球、顶块与调节螺钉始终接触，当调节螺钉退出，
41、弹簧使轴承套部件沿移动副向上移动，从而减小偏心量；到达所需位置后，将紧定螺钉拧紧。图2-10 偏心机构1-调节螺钉 2-偏心机构盖 3-顶块 4-钢球 5-滑块 6-电机轴 7-调心球轴承8-平衡块 9-紧定螺钉 10-弹簧 11-导电杆 12-轴承套图2-11 偏心调节机构示意图图2-11为偏心调节机构的机构示意图。部件1为滑块、部件3为轴承套部件。计算自由度：1）调节时的机构自由度其中，虚约束为部件1与部件3重复约束的部件2沿垂直纸面方向移动的自由度，局部自由度为部件2绕自身中心的自由转动。运动副D与运动副E为级副，图中未注。2）锁紧时的机构自由度当偏心机构锁紧时，相当于部件3也成为机架。
42、于是，有符合锁紧要求。偏心机构的可调节性校核计算：偏心调节机构受力图如图2-12 (a) (b) 所示，Fl为调节螺钉对钢球的作用力，Fk为弹簧力。为使计算方便，将轴承套部件定为机架。图2-12 偏心调节机构受力图1）当滑块向下移动时，受力情况如图2-12（a）所示，查摩擦系数表22，取最大静摩擦系数均为。得方程调节螺钉退出过程中，可视为Fl = 0 ，于是机构可调节。2）当滑块向上移动时，受力情况如图2-12 (b) (c) 所示。先分析钢球（滚动摩擦忽略），得分析滑块，得于是由于N2 Fk，故机构可调节。2.5.2 偏心机构的平衡偏心机构使导电杆的质心发生偏离,会产生不平衡惯性力，增加机构
43、所受载荷，并使机构产生较大振动。虽然偏心量仅为若干毫米，对机构本身的影响并不大，但若能够得到解决，对机构运动更为有利。本设计中不适合增设飞轮，故尝试采取增设平衡质量块的方法。平衡块的位置如图3-10所示，安装在轴承套上、与偏心方向异测的位置上。由于调心轴承基本位于导电杆部件的中点位置，故其质心可视为与导电杆重合。于是，偏心机构的平衡方案可简化为图2-13所示。图2-13 偏心机构的平衡方案查手册25得调心球轴承轴承质量，查手册26得紫铜密度，估算体积 ，计算质量根据实际情况，取偏心量r1 = 1.5 mm ,r2 = 20 mm ，静平衡方程带入数值，得本设计的平衡块允许厚度为3 mm ，沿轴
44、向长度11 mm ，估算体积，材料为黄铜，密度，则实际平衡质量平衡效果并不明显，亟待改进。2.6外壳的设计2.6.1 外壳总体设计外壳总体设计如图2-14所示，在机构功能部分总体分配的基础上进一步细化：上盖内安装上调心球轴承与上轴承套，编码器固定盖在上盖与主腔体之间，用于固定编码器与防转挡块，主腔体与中腔外壳（偏心机构腔）之间为电机固定盖，用于固空心轴电机，集气套与下盖采用螺纹连接，并且在其外圆柱表面加工滚花，使其便于拆装，这样可以方便地对易受焊接飞溅、扬尘沾染部分进行清洁，并且便于更换导电嘴。主体部分（上盖部分、主腔体、偏心机构腔）外壳的装配，使用4个M6螺钉将上盖、编码器固定盖、主腔体、电
45、机固定盖及中腔外壳连接起来，从上盖一端穿入，拧入中腔外壳端面对应位置的螺纹孔中。考虑到这种串联结构中，各部件的偏差累积，在装配时，使用调整垫片进行调整。下腔部分（冷却水腔、保护气腔）由于存在密封问题，与主体部分安装方式不同。先将下腔内管用6个带绝缘套的螺钉安装在中腔外壳的端面上，再将通水腔外壳与通气腔外壳顺次套装在下腔内管上，用锁紧螺母锁紧，然后将通气套管装入下腔内管中，用3个带绝缘套的螺钉将下盖安装到通气腔外壳的端面上，最后安装集气套。图2-14 外壳总体设计1-上盖 2-编码器固定盖 3-主腔体 4-电机固定盖 5-中腔外壳 6-通水腔外壳 7-下腔内管 8-通气腔外壳 9-下盖 10-通
46、气套管 11-集气套处于减少机构总体重量的考虑，外壳宜采用密度较小、价格相对低廉的铸铝或硬铝。但铝的熔点较低，耐热性差，不适合用于靠近焊接电弧的零部件。另一方面，焊接工件一般为钢铁材料，飞溅的金属液容易与同样的材料紧密粘连，因此焊接电弧附近不宜安装钢铁材料的零部件。此外，下腔内管需要有较好的导热性，便于冷却水带走热量。基于上述考虑，选用机械性能优良、熔点高、导热性好的黄铜作为集气套、下盖、下腔内管及下盖固定螺钉的材料。2.6.2 通水方式本设计的冷却方式主要采取高压冷却水循环方式，同时，保护气体也具有一定的冷却作用，但冷却效果不如水冷明显。通水方式如图2-15所示。通水管穿过主体部分外壳，以管
47、螺纹与中腔外壳同样加工了管螺纹的通孔配合，采用常用的聚四氟乙烯密封带进行密封。中腔外壳上的通孔与通水腔相连。通水腔由通水腔外壳、下腔内管与中腔外壳的端面构成。工作时，高压冷却水通过通水管、中腔外壳，进入通水腔。同样的，通水腔里的水，通过中腔外壳、通水管流出。图2-15 通水方式2.6.3 通气方式通气方式如图2-16 (a) 所示。通气管的安装方式与通水管类似，穿过主体部分外壳，以管螺纹与中腔外壳加工了管螺纹的通孔配合，采用常用的聚四氟乙烯密封带进行密封。中腔外壳上的通孔与通水腔外壳上的通气管路相连，再与通气腔相连。通气腔由通气腔外壳、下盖、下腔内管以及通气套管构成。工作时，保护气依次通过通气管、中腔外壳上的通孔、通水腔外壳上的通气管路，进入通气腔，再通过通气套管上的3个均布孔进入集气套内，通往焊接点。图2-16 通气方式保护气体的均匀分配主要依靠通气套管来实现。通气套管如图2-16（c）所示，采用非金属材料聚四氟乙烯树脂，也可使用石棉发泡材料。通气套管与下腔内管使
