焊缝跟踪系统旋转电弧传感器的研究

陈东山

摘要：随着社会的不断发展，焊接逐渐成为现代制造技术中非常重要的一个环节，在船舶制造、航空器制造、建筑业、铁路交通等领域有着越来越广泛的应用。在人们的日常经济活动中，焊接技术也有着重要的作用。手工焊接作为比较传统的焊接方式，其局限性也越来越突出，为了克服传统焊接的缺点，全方位移动焊接机器人应运而生，其中传感器是一个比较重要的部位。为了解决这一问题，文章对大型结构件的角焊缝跟踪技术进行研究，选用了旋转电弧传感器。在众多传感器中，旋转电弧传感器虽然存在着减震和小型化等问题，但是它凭借对焊缝的精确跟踪以及响应特性较高等优点实现了焊缝的实时跟踪，在工业生产中将得到更广泛的应用。

关键词：电弧传感器：旋转电弧：焊缝跟踪

中图分类号：TP212.1

文献标志码：A

0 引言

在焊缝跟踪的系统中，整个系统焊缝跟踪精度的关键之处便是传感器。时至今日，焊接传感器已经由刚开始的电磁式、机械式逐步发展到了现在的光学（视觉）和电弧传感器等。日、韩等国对移动焊接机器人的研究较早，中国虽然在自动焊接这方面起步相对较晚，但是在焊接传感器的研发上也取得了很多的成果。

1 焊缝跟踪传感器的分类

焊接传感器大致可以分为以下几类：接触式传感器、声觉传感器、视觉传感器（光学传感器的一种）、电磁感应式传感器以及电弧传感器。本文主要研究的是旋转电弧传感器。

2 电弧传感器

焊接过程中的一些电信号（如电流或者电压）会随着电弧的长度改变而改变，电弧传感器就是根据这一基本原理检测坡口中心。电弧传感器是一种只需要电流或电压的传感器，此种类型的传感器有着很多的优点，成本比较低廉，设备简单，由于它的信号检测部位就是焊接部位，没有接触式传感器位置方面的误差，所以信号的处理简单，及时性很强。另外，弧光、高温以及强磁场等对电弧传感器的影响也很小。一般把电弧传感器分为摆动式的扫描传感器和旋转式的扫描电弧传感器[1-6]，还有双丝并列式电弧传感器和磁控式电弧传感器。焊炬在横向上的摆动是摆动扫描式电弧传感器，传感器是借助机器人的手臂带动的，焊缝的追踪可以根据焊炬高度的变化来实现。一般而言，摆动式扫描传感器摆动频率仅可以达到5 Hz（受机械方面限制）。由于这个缺陷，摆动式扫描传感器在高速和塔接头焊接中的应用受到了限制。

3 旋转电弧传感器的结构设计及选型

3.1设计要求

在设计旋转电弧传感器时应尽量保证其结构简单紧凑，质量轻及体积小，并使其能够以大于等于2 400 r/min的转速运转，为了减少震动还需要改进偏心块。另外，为了保证灵敏度，要确保网锥摆的幅度大于等于1.5 mm。

3.2 零部件选择

3.2.1 电机选择

电机在功率、转速及尺寸上都有着一系列要求，据此查表可得电机型号为36LYX04A．原装电机是不能直接使用的，加工后其外形尺寸如图1所示。

3.2.2 球轴承的选择

根据空心轴的受力分析可知其主要承受径向力，而深沟球轴承主要承受径向力，还可以承受一定的轴向力，因此，可以选择深沟球轴承与空心轴配合来满足机械设计要求。

L为预期寿命，P为当量动载荷，n为轴承转速。

先由机械设计第八版表13 -6查得f=1.2，由于其主要承受径向载荷，故当量动载荷P =fi，F，。

其中，F，=Mf/d=0.11（ 12x 103）=8.3，代入计算可得P=f，=1.2x8.3=9.96。由于是球轴承，所以ε=3，由电机转速得出n=3 500 r/min。查机械设计相关表格后，先设k=5 000 h，由此计算C=p8√（60n/h/l06）=101. 2N

3.2.3 空心轴的设计

空心轴直径可以由加工后的电机尺寸确定，另外，空心轴的外形和相关尺寸等可以由空心轴的长度确定，如图2所示。

因为扭矩是空心轴主要受力，所以对该轴进行强度校核时，可以选择按照扭转的强度条件来校核，公式为

其中，p为功率，n为转速，p为空心轴的内径d．和外径d的比值。从机械设计的相关表格中可以查得Ao= 126。

再由电机主要技术参数可以确定

偏心块的偏移量被设定成1.5，这里适合使用能够自动调心的调心球轴承，内圈相对于外圈所允许的偏移量就不能设定得过大，需要小于等于2-3度。

为了使设计得到的旋转电弧传感器尽可能小，相关尺寸选择D=19，d=6，B=6。

3.2.5 导电杆的设计

圆锥摆幅度大时，灵敏度就会变强，振动也会跟着变大，为了使网锥摆在具有足够的灵敏度的同时振动不至于太大，可将偏心块偏移量设为1.5。

在设定了偏心块的偏移量后，为了在满足轴强度需求的同时让导电杆与空心轴10 mm的内径d之间不会有摩擦，可将导电杆的外径设为6 mm，再综合考虑功能和机械结构等设计出其他相关尺寸，如图3所示。

空心轴和电机壳的尺寸可以根据电机尺寸来确定，这次选择的是代号61803的深沟球轴承，由于旋转电弧的直径仅有48 mm，调心球轴承的尺寸选择φ16xφ19x6。

根据设计要求设定相关尺寸，使传感器尽量小，该旋转电弧传感器的二维装配如图4所示。

4 结语

随着现代工业的发展，人工焊接的缺点越来越突出，必将逐步被机器焊接所取代。截至目前，国内外已经有大量的研究人员对自动化焊接进行了相关研究，例如，日本松下公司研究的Pana - roho型机器人安装了摆动式电弧传感器：德国的CLOOS公司生产的ROMAT 76SW型号的机器人也安装了摆动式的电弧传感器：东风汽车公司在贮气筒环缝的自动焊接方面采用了清华大学研制的旋转电弧传感器：韩国的HANCILAutowelding公司也在自动焊接以及焊弧机器人方面研发生产了专供的旋转电弧传感器。此外，南昌大学在自动焊接机器人领域研发了一种能够高速旋转的旋转电弧传感器：日本松下公司也将旋转电弧传感器用于YA-II KMR51型弧焊机器人。全方位移动焊接机器人也在自动焊接时广泛应用了旋转电弧传感器。在自动焊接领域，旋转电弧传感器因其拥有的成本低、结构简单及响应快等优点被越来越多地用于自动焊接机器人，拥有非常好的前景。不过由于其焊接频率较低，在高速和塔接头焊接中的应用受到了限制，且其只能采集左右以及上下二维信息，这使得它在三维信息的提取方面存在着诸多不足，应在对旋转电弧传感器之后的研究中投入更多的精力，相信經过研究人员的努力，该传感器在这些方面的缺陷能够被弥补，实现更加智能的焊缝跟踪。

参考文献

[1]潘际銮．现代弧焊控制在爬行式全位置弧焊机器人中的应用研究[J]．河北科技大学学报，2007（1）：1-4.

[2]熊震宇，张华，潘际銮．基于旋转电弧传感的空间位置曲线焊缝跟踪[J]．焊接学报，2003（5）：37-41，6．

[3]贾剑平，张华，潘际銮．用于弧焊机器人的新型高速旋转电弧传感器的研制[J]．南昌大学学报（工科版），2000（3）：1-3，18．

[4]曾松盛，石永华，王国荣．基于电弧传感器的焊缝跟踪技术现状与展望[J]．焊接技术，2008（2）：1-6．

[5] MARKS，朱江．弧焊机器人焊缝跟踪[J]．电焊机，2008（6）：41-43．

[6]洪波，魏复理，来鑫，等．一种用于焊缝跟踪的磁控电弧传感器[J]．焊接学报，2008（5）：1-4，8，113．

（编辑王雪芬）