焊縫跟蹤系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的研究

陳東山

摘要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，焊接逐漸成為現(xiàn)代制造技術(shù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在船舶制造、航空器制造、建筑業(yè)、鐵路交通等領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在人們的日常經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，焊接技術(shù)也有著重要的作用。手工焊接作為比較傳統(tǒng)的焊接方式，其局限性也越來(lái)越突出，為了克服傳統(tǒng)焊接的缺點(diǎn)，全方位移動(dòng)焊接機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，其中傳感器是一個(gè)比較重要的部位。為了解決這一問(wèn)題，文章對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的角焊縫跟蹤技術(shù)進(jìn)行研究，選用了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。在眾多傳感器中，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器雖然存在著減震和小型化等問(wèn)題，但是它憑借對(duì)焊縫的精確跟蹤以及響應(yīng)特性較高等優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤，在工業(yè)生產(chǎn)中將得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電弧傳感器：旋轉(zhuǎn)電?。汉缚p跟蹤

中圖分類號(hào)：TP212.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在焊縫跟蹤的系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)焊縫跟蹤精度的關(guān)鍵之處便是傳感器。時(shí)至今日，焊接傳感器已經(jīng)由剛開始的電磁式、機(jī)械式逐步發(fā)展到了現(xiàn)在的光學(xué)（視覺(jué)）和電弧傳感器等。日、韓等國(guó)對(duì)移動(dòng)焊接機(jī)器人的研究較早，中國(guó)雖然在自動(dòng)焊接這方面起步相對(duì)較晚，但是在焊接傳感器的研發(fā)上也取得了很多的成果。

1 焊縫跟蹤傳感器的分類

焊接傳感器大致可以分為以下幾類：接觸式傳感器、聲覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器（光學(xué)傳感器的一種）、電磁感應(yīng)式傳感器以及電弧傳感器。本文主要研究的是旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。

2 電弧傳感器

焊接過(guò)程中的一些電信號(hào)（如電流或者電壓）會(huì)隨著電弧的長(zhǎng)度改變而改變，電弧傳感器就是根據(jù)這一基本原理檢測(cè)坡口中心。電弧傳感器是一種只需要電流或電壓的傳感器，此種類型的傳感器有著很多的優(yōu)點(diǎn)，成本比較低廉，設(shè)備簡(jiǎn)單，由于它的信號(hào)檢測(cè)部位就是焊接部位，沒(méi)有接觸式傳感器位置方面的誤差，所以信號(hào)的處理簡(jiǎn)單，及時(shí)性很強(qiáng)。另外，弧光、高溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)等對(duì)電弧傳感器的影響也很小。一般把電弧傳感器分為擺動(dòng)式的掃描傳感器和旋轉(zhuǎn)式的掃描電弧傳感器[1-6]，還有雙絲并列式電弧傳感器和磁控式電弧傳感器。焊炬在橫向上的擺動(dòng)是擺動(dòng)掃描式電弧傳感器，傳感器是借助機(jī)器人的手臂帶動(dòng)的，焊縫的追蹤可以根據(jù)焊炬高度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般而言，擺動(dòng)式掃描傳感器擺動(dòng)頻率僅可以達(dá)到5 Hz（受機(jī)械方面限制）。由于這個(gè)缺陷，擺動(dòng)式掃描傳感器在高速和塔接頭焊接中的應(yīng)用受到了限制。

3 旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

3.1設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器時(shí)應(yīng)盡量保證其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，質(zhì)量輕及體積小，并使其能夠以大于等于2 400 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，為了減少震動(dòng)還需要改進(jìn)偏心塊。另外，為了保證靈敏度，要確保網(wǎng)錐擺的幅度大于等于1.5 mm。

3.2 零部件選擇

3.2.1 電機(jī)選擇

電機(jī)在功率、轉(zhuǎn)速及尺寸上都有著一系列要求，據(jù)此查表可得電機(jī)型號(hào)為36LYX04A．原裝電機(jī)是不能直接使用的，加工后其外形尺寸如圖1所示。

3.2.2 球軸承的選擇

根據(jù)空心軸的受力分析可知其主要承受徑向力，而深溝球軸承主要承受徑向力，還可以承受一定的軸向力，因此，可以選擇深溝球軸承與空心軸配合來(lái)滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求。

L為預(yù)期壽命，P為當(dāng)量動(dòng)載荷，n為軸承轉(zhuǎn)速。

先由機(jī)械設(shè)計(jì)第八版表13 -6查得f=1.2，由于其主要承受徑向載荷，故當(dāng)量動(dòng)載荷P =fi，F(xiàn)，。

其中，F(xiàn)，=Mf/d=0.11（ 12x 103）=8.3，代入計(jì)算可得P=f，=1.2x8.3=9.96。由于是球軸承，所以ε=3，由電機(jī)轉(zhuǎn)速得出n=3 500 r/min。查機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)表格后，先設(shè)k=5 000 h，由此計(jì)算C=p8√（60n/h/l06）=101. 2N

3.2.3 空心軸的設(shè)計(jì)

空心軸直徑可以由加工后的電機(jī)尺寸確定，另外，空心軸的外形和相關(guān)尺寸等可以由空心軸的長(zhǎng)度確定，如圖2所示。

因?yàn)榕ぞ厥强招妮S主要受力，所以對(duì)該軸進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，可以選擇按照扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件來(lái)校核，公式為

其中，p為功率，n為轉(zhuǎn)速，p為空心軸的內(nèi)徑d．和外徑d的比值。從機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)表格中可以查得Ao= 126。

再由電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)可以確定

偏心塊的偏移量被設(shè)定成1.5，這里適合使用能夠自動(dòng)調(diào)心的調(diào)心球軸承，內(nèi)圈相對(duì)于外圈所允許的偏移量就不能設(shè)定得過(guò)大，需要小于等于2-3度。

為了使設(shè)計(jì)得到的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器盡可能小，相關(guān)尺寸選擇D=19，d=6，B=6。

3.2.5 導(dǎo)電桿的設(shè)計(jì)

圓錐擺幅度大時(shí)，靈敏度就會(huì)變強(qiáng)，振動(dòng)也會(huì)跟著變大，為了使網(wǎng)錐擺在具有足夠的靈敏度的同時(shí)振動(dòng)不至于太大，可將偏心塊偏移量設(shè)為1.5。

在設(shè)定了偏心塊的偏移量后，為了在滿足軸強(qiáng)度需求的同時(shí)讓導(dǎo)電桿與空心軸10 mm的內(nèi)徑d之間不會(huì)有摩擦，可將導(dǎo)電桿的外徑設(shè)為6 mm，再綜合考慮功能和機(jī)械結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)出其他相關(guān)尺寸，如圖3所示。

空心軸和電機(jī)殼的尺寸可以根據(jù)電機(jī)尺寸來(lái)確定，這次選擇的是代號(hào)61803的深溝球軸承，由于旋轉(zhuǎn)電弧的直徑僅有48 mm，調(diào)心球軸承的尺寸選擇φ16xφ19x6。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定相關(guān)尺寸，使傳感器盡量小，該旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的二維裝配如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人工焊接的缺點(diǎn)越來(lái)越突出，必將逐步被機(jī)器焊接所取代。截至目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究人員對(duì)自動(dòng)化焊接進(jìn)行了相關(guān)研究，例如，日本松下公司研究的Pana - roho型機(jī)器人安裝了擺動(dòng)式電弧傳感器：德國(guó)的CLOOS公司生產(chǎn)的ROMAT 76SW型號(hào)的機(jī)器人也安裝了擺動(dòng)式的電弧傳感器：東風(fēng)汽車公司在貯氣筒環(huán)縫的自動(dòng)焊接方面采用了清華大學(xué)研制的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器：韓國(guó)的HANCILAutowelding公司也在自動(dòng)焊接以及焊弧機(jī)器人方面研發(fā)生產(chǎn)了專供的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。此外，南昌大學(xué)在自動(dòng)焊接機(jī)器人領(lǐng)域研發(fā)了一種能夠高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器：日本松下公司也將旋轉(zhuǎn)電弧傳感器用于YA-II KMR51型弧焊機(jī)器人。全方位移動(dòng)焊接機(jī)器人也在自動(dòng)焊接時(shí)廣泛應(yīng)用了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器。在自動(dòng)焊接領(lǐng)域，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器因其擁有的成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地用于自動(dòng)焊接機(jī)器人，擁有非常好的前景。不過(guò)由于其焊接頻率較低，在高速和塔接頭焊接中的應(yīng)用受到了限制，且其只能采集左右以及上下二維信息，這使得它在三維信息的提取方面存在著諸多不足，應(yīng)在對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器之后的研究中投入更多的精力，相信經(jīng)過(guò)研究人員的努力，該傳感器在這些方面的缺陷能夠被彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)更加智能的焊縫跟蹤。

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（編輯王雪芬）