無級調(diào)節(jié)偏心的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的設計與仿真

李湘文 ，洪 波 ，潘際鑾 ，劉 新 ，洪宇翔

(1.湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2.湖南工業(yè)大學 機械工程學院，湖南 株洲 412008)

0 前言

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器是目前唯一不需要超前于焊槍安裝的焊縫跟蹤傳感器。其信號采樣點即為實際焊接點，響應速度快、實時性好，有很強的抗弧光、高溫、煙霧和電磁干擾的能力。但現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式電弧傳感器的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都存在旋轉(zhuǎn)電弧偏心調(diào)節(jié)不便、導電嘴易燒損、碳刷易損壞、機械振動和噪聲較大、裝配拆卸復雜、不便使用等缺陷[1-3]。

首先簡單分析以往旋轉(zhuǎn)電弧傳感器結(jié)構(gòu)，提出優(yōu)化方案；然后為實現(xiàn)傳感器偏心調(diào)節(jié)方便、抗干擾能力強、機械振動小、機構(gòu)小巧靈活、成本低的特點，并具有較強的適應性和較高性價比的要求，設計出一種無級電調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏心的掃描焊炬機構(gòu)；最后通過ADAMS進行仿真，驗證結(jié)構(gòu)的可行性。

1 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器基本結(jié)構(gòu)原理

目前，實現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)的方式主要有以下幾種：一種是依靠導電桿端面上焊絲導出孔的偏心距來實現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)運動，導出孔的偏心距就是電弧旋轉(zhuǎn)半徑；一種是采用圓錐擺動直流電動機驅(qū)動和一級齒輪減速傳動；還有一種是潘際鑾院士和廖寶劍設計的輕巧空心軸電動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)掃描焊炬，該機構(gòu)可靠實用。

第一種機構(gòu)的原理如圖1所示，結(jié)構(gòu)較為簡單、緊湊，但由于導電桿高速旋轉(zhuǎn)，導電桿的導電要通過動接觸來實現(xiàn)，損耗較大，使用壽命降低，同時電弧旋轉(zhuǎn)半徑無法靈活調(diào)節(jié)[4]。第二種機構(gòu)（原理見圖2）由于有齒輪傳動，結(jié)構(gòu)較大，影響了焊炬的可達性；而且傳動件會引起嚴重噪聲，其傳動件的安裝精度易受煙塵污染而導致轉(zhuǎn)動時系統(tǒng)處于受力不均衡狀態(tài)[5]。最近，南昌大學機器人研究所根據(jù)圓錐擺動方案優(yōu)化了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)[6]，使傳感器的最大直徑保持在50mm以內(nèi)，擴大了應用范圍。潘際鑾院士所設計的空心電機方案機構(gòu)原理如圖3所示，較以上兩種方案減小了振動和噪聲，體積也有所減小[7-8]，但是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏心的方式仍然采用機械式，不方便且不準確。

圖1 電弧傳感器圓錐擺動方案

2 無級電調(diào)節(jié)偏心的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器結(jié)構(gòu)

針對以往旋轉(zhuǎn)電弧的優(yōu)缺點，進一步優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)，在此設計出一種無級電調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏心的電弧傳感器結(jié)構(gòu)，模型剖視圖如圖4所示。該傳感器包括殼體4和導電桿1，殼體內(nèi)部裝有偏心調(diào)節(jié)平臺，該偏心調(diào)節(jié)平臺上裝有偏心調(diào)節(jié)電機7和滾珠絲杠5，在偏心調(diào)節(jié)平臺內(nèi)裝有由微型電機22通過齒輪驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)平臺；導電桿上端與殼體的頂部形成鉸鏈，該導電桿穿過一偏心轉(zhuǎn)子與調(diào)心球軸承19形成鉸鏈連接；導電桿下端與連接有一導電嘴的水汽保護連接頭10固聯(lián)，焊絲穿過導電桿旋轉(zhuǎn)，并可與導電嘴12成導電緊密動配合。

圖2 電弧傳感器圓錐擺動方案

圖3 電弧傳感器空心電機方案

相比前面幾種旋轉(zhuǎn)電弧方案，該方案具有如下特點：

（1）偏心調(diào)節(jié)采用電機驅(qū)動，解決了傳統(tǒng)機械式調(diào)節(jié)無法準確控制偏心量的缺點，實現(xiàn)了無級偏心調(diào)節(jié)，能精確調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的旋轉(zhuǎn)半徑，并且可以根據(jù)不同的焊接規(guī)范實時調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑。

（2）該旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的定位脈沖采用接近傳感器獲得，與以往的光電傳感器相比，抗干擾能力大大增強。

（3）該結(jié)構(gòu)偏心量固定為 0.25 mm，而以往的偏心量為 1～2.5 mm，偏心量縮小了 4～10 倍，從而減小了機械振動。

圖4 無級調(diào)節(jié)偏心的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器剖視圖

（4）在偏心調(diào)節(jié)平臺上設置了配重塊，從而實現(xiàn)了偏心機構(gòu)的重量平衡，大大減小機械振動。

（5）機構(gòu)外形尺寸直徑約85 mm，總長度約為105 mm，保護氣罩采用CO2焊槍標準件，使傳感器底部外形尺寸大大減小，傳感器的可達性增加。

（6）大部分采用標準件，減低了制造成本。

3 傳感器的ADAMS仿真分析

為了驗證改進的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器結(jié)構(gòu)的合理性，應用UG軟件對其進行幾何建模、裝配。導出Parasolid文件后，根據(jù)ADAMS仿真時的簡化原則[9]，將模型導入到ADAMS環(huán)境，定義構(gòu)件材料屬性，添加相應的約束和接觸摩擦，最后對其進行運動學仿真分析。模型添加約束與接觸摩擦后如圖5所示。

圖5 簡化后的電弧傳感器導入ADAMS中

為了獲得模型各驅(qū)動力的最大值或者代表值，為電機選型提供參考依據(jù)，在此利用ADAMS模型在運動副上添加驅(qū)動，使機構(gòu)具有與真實運動近似的運動形式。為了選取一組既能體現(xiàn)傳感器旋轉(zhuǎn)半徑的調(diào)節(jié)范圍，又能獲得旋轉(zhuǎn)電機和調(diào)節(jié)電機所需的最大驅(qū)動力，仿真參數(shù)設置如下：機構(gòu)完成時間為 10 s；旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動階躍函數(shù)為step(time，0，0，0.5，100)；調(diào)心電機驅(qū)動階躍函數(shù)為：step(time，0，0，0.5，-260)+step(time，0.5，0，3.5，0)+step(time，3.5，0，4，260)+step(time，4，0，5，0)+step(time，5，0，5.5，260)+step(time，5.5，0，8.5，0)+step(time，8.5，0，9，-260)。仿真得到旋轉(zhuǎn)電機和調(diào)節(jié)電機的驅(qū)動力以及旋轉(zhuǎn)半徑的調(diào)節(jié)范圍如圖6～圖8所示，驗證了該機構(gòu)的正確性和可行性。

圖6 旋轉(zhuǎn)電機所需驅(qū)動力

圖7 調(diào)節(jié)電機所需驅(qū)動力

圖8 旋轉(zhuǎn)半徑調(diào)節(jié)范圍

由圖6、圖7可知，兩電機在5 s時達到最大扭矩。這是由于調(diào)節(jié)電機帶動旋轉(zhuǎn)平臺由靜止變?yōu)橄蛏线\動，受旋轉(zhuǎn)平臺質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)電機的約束，調(diào)節(jié)電機的扭矩達到最大值。同樣，旋轉(zhuǎn)電機受到調(diào)節(jié)電機給予的反作用，原本的靜平衡被打斷，扭矩也達到最大值。最大扭矩分別為 7.2 N·mm 和0.7 N·mm。綜合各方面的參數(shù)考慮，選擇直徑13 mm的Maxon直流減速電機為旋轉(zhuǎn)電機，調(diào)節(jié)電機選擇直徑8 mm的Faulhaber直流減速電機。

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，該機構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑的調(diào)節(jié)范圍為1.5～3 mm，且調(diào)節(jié)精度較高。

4 結(jié)論

通過上述分析可以看出，無級電調(diào)節(jié)偏心的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器具有偏心調(diào)節(jié)方便、抗干擾能力強、機械振動小、機構(gòu)小巧靈活、成本低的特點，對于擴大焊接焊縫自動跟蹤領(lǐng)域具有較大的應用價值。

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