焊縫跟蹤系統旋轉電弧傳感器的研究

陳東山

摘要：隨著社會的不斷發展，焊接逐漸成為現代制造技術中非常重要的一個環節，在船舶制造、航空器制造、建筑業、鐵路交通等領域有著越來越廣泛的應用。在人們的日常經濟活動中，焊接技術也有著重要的作用。手工焊接作為比較傳統的焊接方式，其局限性也越來越突出，為了克服傳統焊接的缺點，全方位移動焊接機器人應運而生，其中傳感器是一個比較重要的部位。為了解決這一問題，文章對大型結構件的角焊縫跟蹤技術進行研究，選用了旋轉電弧傳感器。在眾多傳感器中，旋轉電弧傳感器雖然存在著減震和小型化等問題，但是它憑借對焊縫的精確跟蹤以及響應特性較高等優點實現了焊縫的實時跟蹤，在工業生產中將得到更廣泛的應用。

關鍵詞：電弧傳感器：旋轉電弧：焊縫跟蹤

中圖分類號：TP212.1

文獻標志碼：A

0 引言

在焊縫跟蹤的系統中，整個系統焊縫跟蹤精度的關鍵之處便是傳感器。時至今日，焊接傳感器已經由剛開始的電磁式、機械式逐步發展到了現在的光學（視覺）和電弧傳感器等。日、韓等國對移動焊接機器人的研究較早，中國雖然在自動焊接這方面起步相對較晚，但是在焊接傳感器的研發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、聲覺傳感器、視覺傳感器（光學傳感器的一種）、電磁感應式傳感器以及電弧傳感器。本文主要研究的是旋轉電弧傳感器。

2 電弧傳感器

焊接過程中的一些電信號（如電流或者電壓）會隨著電弧的長度改變而改變，電弧傳感器就是根據這一基本原理檢測坡口中心。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點，成本比較低廉，設備簡單，由于它的信號檢測部位就是焊接部位，沒有接觸式傳感器位置方面的誤差，所以信號的處理簡單，及時性很強。另外，弧光、高溫以及強磁場等對電弧傳感器的影響也很小。一般把電弧傳感器分為擺動式的掃描傳感器和旋轉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是擺動掃描式電弧傳感器，傳感器是借助機器人的手臂帶動的，焊縫的追蹤可以根據焊炬高度的變化來實現。一般而言，擺動式掃描傳感器擺動頻率僅可以達到5 Hz（受機械方面限制）。由于這個缺陷，擺動式掃描傳感器在高速和塔接頭焊接中的應用受到了限制。

3 旋轉電弧傳感器的結構設計及選型

3.1設計要求

在設計旋轉電弧傳感器時應盡量保證其結構簡單緊湊，質量輕及體積小，并使其能夠以大于等于2 400 r/min的轉速運轉，為了減少震動還需要改進偏心塊。另外，為了保證靈敏度，要確保網錐擺的幅度大于等于1.5 mm。

3.2 零部件選擇

3.2.1 電機選擇

電機在功率、轉速及尺寸上都有著一系列要求，據此查表可得電機型號為36LYX04A．原裝電機是不能直接使用的，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滿足機械設計要求。

L為預期壽命，P為當量動載荷，n為軸承轉速。

先由機械設計第八版表13 -6查得f=1.2，由于其主要承受徑向載荷，故當量動載荷P =fi，F，。

其中，F，=Mf/d=0.11（ 12x 103）=8.3，代入計算可得P=f，=1.2x8.3=9.96。由于是球軸承，所以ε=3，由電機轉速得出n=3 500 r/min。查機械設計相關表格后，先設k=5 000 h，由此計算C=p8√（60n/h/l06）=101. 2N

3.2.3 空心軸的設計

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

因為扭矩是空心軸主要受力，所以對該軸進行強度校核時，可以選擇按照扭轉的強度條件來校核，公式為

其中，p為功率，n為轉速，p為空心軸的內徑d．和外徑d的比值。從機械設計的相關表格中可以查得Ao= 126。

再由電機主要技術參數可以確定

偏心塊的偏移量被設定成1.5，這里適合使用能夠自動調心的調心球軸承，內圈相對于外圈所允許的偏移量就不能設定得過大，需要小于等于2-3度。

為了使設計得到的旋轉電弧傳感器盡可能小，相關尺寸選擇D=19，d=6，B=6。

3.2.5 導電桿的設計

圓錐擺幅度大時，靈敏度就會變強，振動也會跟著變大，為了使網錐擺在具有足夠的靈敏度的同時振動不至于太大，可將偏心塊偏移量設為1.5。

在設定了偏心塊的偏移量后，為了在滿足軸強度需求的同時讓導電桿與空心軸10 mm的內徑d之間不會有摩擦，可將導電桿的外徑設為6 mm，再綜合考慮功能和機械結構等設計出其他相關尺寸，如圖3所示。

空心軸和電機殼的尺寸可以根據電機尺寸來確定，這次選擇的是代號61803的深溝球軸承，由于旋轉電弧的直徑僅有48 mm，調心球軸承的尺寸選擇φ16xφ19x6。

根據設計要求設定相關尺寸，使傳感器盡量小，該旋轉電弧傳感器的二維裝配如圖4所示。

4 結語

隨著現代工業的發展，人工焊接的缺點越來越突出，必將逐步被機器焊接所取代。截至目前，國內外已經有大量的研究人員對自動化焊接進行了相關研究，例如，日本松下公司研究的Pana - roho型機器人安裝了擺動式電弧傳感器：德國的CLOOS公司生產的ROMAT 76SW型號的機器人也安裝了擺動式的電弧傳感器：東風汽車公司在貯氣筒環縫的自動焊接方面采用了清華大學研制的旋轉電弧傳感器：韓國的HANCILAutowelding公司也在自動焊接以及焊弧機器人方面研發生產了專供的旋轉電弧傳感器。此外，南昌大學在自動焊接機器人領域研發了一種能夠高速旋轉的旋轉電弧傳感器：日本松下公司也將旋轉電弧傳感器用于YA-II KMR51型弧焊機器人。全方位移動焊接機器人也在自動焊接時廣泛應用了旋轉電弧傳感器。在自動焊接領域，旋轉電弧傳感器因其擁有的成本低、結構簡單及響應快等優點被越來越多地用于自動焊接機器人，擁有非常好的前景。不過由于其焊接頻率較低，在高速和塔接頭焊接中的應用受到了限制，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，應在對旋轉電弧傳感器之后的研究中投入更多的精力，相信經過研究人員的努力，該傳感器在這些方面的缺陷能夠被彌補，實現更加智能的焊縫跟蹤。

參考文獻

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（編輯王雪芬）