李湘文 ，洪 波 ，潘際鑾 ，劉 新 ，洪宇翔

(1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(hào)采樣點(diǎn)即為實(shí)際焊接點(diǎn)，響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性好，有很強(qiáng)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(dǎo)電嘴易燒損、碳刷易損壞、機(jī)械振動(dòng)和噪聲較大、裝配拆卸復(fù)雜、不便使用等缺陷[1-3]。

首先簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)傳感器偏心調(diào)節(jié)方便、抗干擾能力強(qiáng)、機(jī)械振動(dòng)小、機(jī)構(gòu)小巧靈活、成本低的特點(diǎn)，并具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較高性價(jià)比的要求，設(shè)計(jì)出一種無級(jí)電調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏心的掃描焊炬機(jī)構(gòu)；最后通過ADAMS進(jìn)行仿真，驗(yàn)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(shí)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)的方式主要有以下幾種：一種是依靠導(dǎo)電桿端面上焊絲導(dǎo)出孔的偏心距來實(shí)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)出孔的偏心距就是電弧旋轉(zhuǎn)半徑；一種是采用圓錐擺動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和一級(jí)齒輪減速傳動(dòng)；還有一種是潘際鑾院士和廖寶劍設(shè)計(jì)的輕巧空心軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)掃描焊炬，該機(jī)構(gòu)可靠實(shí)用。

第一種機(jī)構(gòu)的原理如圖1所示，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、緊湊，但由于導(dǎo)電桿高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)電桿的導(dǎo)電要通過動(dòng)接觸來實(shí)現(xiàn)，損耗較大，使用壽命降低，同時(shí)電弧旋轉(zhuǎn)半徑無法靈活調(diào)節(jié)[4]。第二種機(jī)構(gòu)（原理見圖2）由于有齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)較大，影響了焊炬的可達(dá)性；而且傳動(dòng)件會(huì)引起嚴(yán)重噪聲，其傳動(dòng)件的安裝精度易受煙塵污染而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)處于受力不均衡狀態(tài)[5]。最近，南昌大學(xué)機(jī)器人研究所根據(jù)圓錐擺動(dòng)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(kuò)大了應(yīng)用范圍。潘際鑾院士所設(shè)計(jì)的空心電機(jī)方案機(jī)構(gòu)原理如圖3所示，較以上兩種方案減小了振動(dòng)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(jī)械式，不方便且不準(zhǔn)確。

圖1 電弧傳感器圓錐擺動(dòng)方案

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

針對(duì)以往旋轉(zhuǎn)電弧的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)，在此設(shè)計(jì)出一種無級(jí)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(dǎo)電桿1，殼體內(nèi)部裝有偏心調(diào)節(jié)平臺(tái)，該偏心調(diào)節(jié)平臺(tái)上裝有偏心調(diào)節(jié)電機(jī)7和滾珠絲杠5，在偏心調(diào)節(jié)平臺(tái)內(nèi)裝有由微型電機(jī)22通過齒輪驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；導(dǎo)電桿上端與殼體的頂部形成鉸鏈，該導(dǎo)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(dǎo)電桿下端與連接有一導(dǎo)電嘴的水汽保護(hù)連接頭10固聯(lián)，焊絲穿過導(dǎo)電桿旋轉(zhuǎn)，并可與導(dǎo)電嘴12成導(dǎo)電緊密動(dòng)配合。

圖2 電弧傳感器圓錐擺動(dòng)方案

圖3 電弧傳感器空心電機(jī)方案

相比前面幾種旋轉(zhuǎn)電弧方案，該方案具有如下特點(diǎn)：

（1）偏心調(diào)節(jié)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，解決了傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)節(jié)無法準(zhǔn)確控制偏心量的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無級(jí)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(shí)時(shí)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(qiáng)。

（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(jī)械振動(dòng)。

圖4 無級(jí)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(tái)上設(shè)置了配重塊，從而實(shí)現(xiàn)了偏心機(jī)構(gòu)的重量平衡，大大減小機(jī)械振動(dòng)。

（5）機(jī)構(gòu)外形尺寸直徑約85 mm，總長(zhǎng)度約為105 mm，保護(hù)氣罩采用CO2焊槍標(biāo)準(zhǔn)件，使傳感器底部外形尺寸大大減小，傳感器的可達(dá)性增加。

（6）大部分采用標(biāo)準(zhǔn)件，減低了制造成本。

3 傳感器的ADAMS仿真分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器結(jié)構(gòu)的合理性，應(yīng)用UG軟件對(duì)其進(jìn)行幾何建模、裝配。導(dǎo)出Parasolid文件后，根據(jù)ADAMS仿真時(shí)的簡(jiǎn)化原則[9]，將模型導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境，定義構(gòu)件材料屬性，添加相應(yīng)的約束和接觸摩擦，最后對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。模型添加約束與接觸摩擦后如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)化后的電弧傳感器導(dǎo)入ADAMS中

為了獲得模型各驅(qū)動(dòng)力的最大值或者代表值，為電機(jī)選型提供參考依據(jù)，在此利用ADAMS模型在運(yùn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)，使機(jī)構(gòu)具有與真實(shí)運(yùn)動(dòng)近似的運(yùn)動(dòng)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(jī)和調(diào)節(jié)電機(jī)所需的最大驅(qū)動(dòng)力，仿真參數(shù)設(shè)置如下：機(jī)構(gòu)完成時(shí)間為 10 s；旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)階躍函數(shù)為step(time，0，0，0.5，100)；調(diào)心電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)和調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力以及旋轉(zhuǎn)半徑的調(diào)節(jié)范圍如圖6～圖8所示，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的正確性和可行性。

圖6 旋轉(zhuǎn)電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力

圖7 調(diào)節(jié)電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力

圖8 旋轉(zhuǎn)半徑調(diào)節(jié)范圍

由圖6、圖7可知，兩電機(jī)在5 s時(shí)達(dá)到最大扭矩。這是由于調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)由靜止變?yōu)橄蛏线\(yùn)動(dòng)，受旋轉(zhuǎn)平臺(tái)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的約束，調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩達(dá)到最大值。同樣，旋轉(zhuǎn)電機(jī)受到調(diào)節(jié)電機(jī)給予的反作用，原本的靜平衡被打斷，扭矩也達(dá)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(jī)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，調(diào)節(jié)電機(jī)選擇直徑8 mm的Faulhaber直流減速電機(jī)。

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)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(jí)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(qiáng)、機(jī)械振動(dòng)小、機(jī)構(gòu)小巧靈活、成本低的特點(diǎn)，對(duì)于擴(kuò)大焊接焊縫自動(dòng)跟蹤領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

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