無級調節偏心的旋轉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.湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412008)

0 前言

旋轉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。但現有旋轉式電弧傳感器的原理和系統結構都存在旋轉電弧偏心調節不便、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電弧傳感器結構，提出優化方案；然后為實現傳感器偏心調節方便、抗干擾能力強、機械振動小、機構小巧靈活、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節旋轉偏心的掃描焊炬機構；最后通過ADAMS進行仿真，驗證結構的可行性。

1 旋轉電弧傳感器基本結構原理

目前，實現電弧旋轉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電弧旋轉運動，導出孔的偏心距就是電弧旋轉半徑；一種是采用圓錐擺動直流電動機驅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動旋轉掃描焊炬，該機構可靠實用。

第一種機構的原理如圖1所示，結構較為簡單、緊湊，但由于導電桿高速旋轉，導電桿的導電要通過動接觸來實現，損耗較大，使用壽命降低，同時電弧旋轉半徑無法靈活調節[4]。第二種機構（原理見圖2）由于有齒輪傳動，結構較大，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動時系統處于受力不均衡狀態[5]。最近，南昌大學機器人研究所根據圓錐擺動方案優化了旋轉電弧傳感器的結構[6]，使傳感器的最大直徑保持在50mm以內，擴大了應用范圍。潘際鑾院士所設計的空心電機方案機構原理如圖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]，但是調節旋轉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 無級電調節偏心的旋轉電弧傳感器結構

針對以往旋轉電弧的優缺點，進一步優化傳感器的結構，在此設計出一種無級電調節旋轉偏心的電弧傳感器結構，模型剖視圖如圖4所示。該傳感器包括殼體4和導電桿1，殼體內部裝有偏心調節平臺，該偏心調節平臺上裝有偏心調節電機7和滾珠絲杠5，在偏心調節平臺內裝有由微型電機22通過齒輪驅動的旋轉平臺；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子與調心球軸承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，焊絲穿過導電桿旋轉，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

相比前面幾種旋轉電弧方案，該方案具有如下特點：

（1）偏心調節采用電機驅動，解決了傳統機械式調節無法準確控制偏心量的缺點，實現了無級偏心調節，能精確調節旋轉電弧傳感器的旋轉半徑，并且可以根據不同的焊接規范實時調節旋轉半徑。

（2）該旋轉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）該結構偏心量固定為 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 無級調節偏心的旋轉電弧傳感器剖視圖

（4）在偏心調節平臺上設置了配重塊，從而實現了偏心機構的重量平衡，大大減小機械振動。

（5）機構外形尺寸直徑約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電弧傳感器結構的合理性，應用UG軟件對其進行幾何建模、裝配。導出Parasolid文件后，根據ADAMS仿真時的簡化原則[9]，將模型導入到ADAMS環境，定義構件材料屬性，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

為了獲得模型各驅動力的最大值或者代表值，為電機選型提供參考依據，在此利用ADAMS模型在運動副上添加驅動，使機構具有與真實運動近似的運動形式。為了選取一組既能體現傳感器旋轉半徑的調節范圍，又能獲得旋轉電機和調節電機所需的最大驅動力，仿真參數設置如下：機構完成時間為 10 s；旋轉電機驅動階躍函數為step(time，0，0，0.5，100)；調心電機驅動階躍函數為：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)。仿真得到旋轉電機和調節電機的驅動力以及旋轉半徑的調節范圍如圖6～圖8所示，驗證了該機構的正確性和可行性。

圖6 旋轉電機所需驅動力

圖7 調節電機所需驅動力

圖8 旋轉半徑調節范圍

由圖6、圖7可知，兩電機在5 s時達到最大扭矩。這是由于調節電機帶動旋轉平臺由靜止變為向上運動，受旋轉平臺質量和旋轉電機的約束，調節電機的扭矩達到最大值。同樣，旋轉電機受到調節電機給予的反作用，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。綜合各方面的參數考慮，選擇直徑13 mm的Maxon直流減速電機為旋轉電機，調節電機選擇直徑8 mm的Faulhaber直流減速電機。

從圖8可以發現，該機構旋轉半徑的調節范圍為1.5～3 mm，且調節精度較高。

4 結論

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

[1]潘際鑾.現代弧焊控制[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]J.S.Tian，Lin WU.A General Algorithm of Rotating/tilting Positioner Inverse Kinematics for Robotic Arc Welding Offline Programming[J].J.of Materials Science&Technology，2001，17(1)：161-162.

[3]曾松盛，石永華.基于電弧傳感器的焊縫跟蹤技術現狀與展望[J].焊接技術，2008，37(2)：1-5.

[4]Sugitani Vuji，Murayama.Development of articulated arc welding robot th high speed rotating aFC process[J].NKK Technical Review，1989(57)：111-117.

[5]Jeong Sangkwun，Lee Gunyou.Development of high speed rotating arc sensor and seanl tracking controller for welding robots[A].Pusan：2001 IEEE ISIE，2001：845-850.

[6]黃凌翔，張 華.旋轉電弧傳感器的結構優化[J].上海交通大學學報，2008，42(S1)：17-19.

[7]廖寶劍.以電弧為傳感器的多自由度智能焊接系統研究[D].北京：清華大學，1993.

[8]潘際鑾，廖寶劍.空心軸電機驅動的旋轉掃描焊炬[P].中國專利：CN2143540，1993210213.

[9]張啟先.空間結構的分析與綜合[M].北京：機械工業出版社，1984.