焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置.pdf

本发明涉及一种焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置，包括一个焊接小车，其上固定一个用于焊矩横向平移的导杆；该导杆上连接一个滑套；焊矩底座端与滑套连接并可相对于滑套回转，另一端为焊丝出口端，为扁平形，其前后侧各固定一个力偶座本体；每个力偶座本体内有两个使焊丝始终处于焊接坡口中心线位置的探测滚轮；所述探测滚轮有使其能贴紧焊接坡口两侧面滚动的弹性件。本发明的优点是：跟踪精度高，抗干扰能力强，可靠性强；摒弃了电力拖动调节及其相关的自动控制环节；无复杂的硬件、软件和多维执行机构；适应坡口面角的范围大；点固焊点障碍不复存在；装置结构简单，重量轻，造价低。

1、  一种焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置，其特征在于，包括一个焊接小车(17)，其上固定一个用于焊矩(9)横向平移的导杆(1)；该导杆(1)上连接一个能横向平移的滑套(2)；焊矩(9)的底座端与滑套(2)为能转动的活动连接，另一端为焊丝出口端，为扁平形，其前后侧各固定一个能安装平面力偶源部件的力偶座本体(5)；每个力偶座本体(5)内力偶源部件包括有两个使焊丝始终处于焊接坡口中心线位置且分别贴紧焊接坡口两侧面(8)的探测滚轮(6)；所述探测滚轮(6)有使其能贴紧焊接坡口两侧面(8)滚动的弹性件(21)。

2、  根据权利要求1所述的焊缝横向自动跟踪装置，其特征在于，焊矩(9)前后的力偶互为反向，前后力偶座本体(5)内弹性件(21)的弹力为：两力偶系处于平行、不变化且在有效跟踪间隙内时合力偶矩恒等于零。

3、  根据权利要求1所述的焊缝横向自动跟踪装置，其特征在于，所述的弹性件(21)是一个两端分别为力偶座本体(5)中的两个探测轮(6)施加弹力的弹簧片。

4、  根据权利要求1所述的焊缝横向自动跟踪装置，其特征在于，所述的弹性件(21)是两个安装在力偶座本体(5)中的、一端为探测轮(6)施加弹力的扭力弹簧。

5、  根据权利要求1所述的焊缝横向自动跟踪装置，其特征在于，焊矩(9)底座端紧固于双向推力轴承(4)的动圈上，定圈紧固于横向平移滑套(2)的座体上，平移滑套(2)通过移动轴承安装于横向平移导杆(1)上。

6、  根据权利要求1所述的焊缝横向自动跟踪装置，其特征在于，焊矩(9)另一端部靠近焊丝出口处连接一个能拆卸的防溅器(7)，该防溅器(7)主要由防溅器座(22□)、飞溅挡块(23)和压簧(24)组成，压簧(24)安装在两飞溅挡块(23)之间。

焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置
技术领域
本发明涉及一种焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置，是一种接触式焊缝横向自适应自动跟踪装置，属于焊接技术领域。
背景技术
焊接技术自上一世纪三十年代开始在工业领域规模应用以来，大致经历了以下技术发展历程：1、传统焊接方法发明期(上世纪三十年度初至五十年代中叶)，这一时期发明了所有弧焊、电阻焊、气焊等基本方法；2、传统焊接方法完善与特种焊接方法发明期(上世纪五十年代中叶至七十年代)，这一时期由于电弧物理与焊接冶金学等技术基础理论的日臻系统和完善，一方面传统弧焊技术开始向高生产率高质量低焊接生产成本方向高速发展，另一方面激光、电子束、等离子、真空扩散等特种焊接技术相继问世；3、焊接生产过程机械化自动化发展期(上世纪七十年代至今)，随着焊接产品全球市场竞争的日趋激烈，要求更高焊接质量更高焊接生产率更低焊接生产成本成为必然，该时期焊接技术发展的结果是：计算机广泛应用于焊接过程控制，焊接设备广泛采用自动化数字化与智能化，焊接机械人开始在汽车制造、集成电路制造以及水下等特殊环境下的无人化生产上规模应用。焊接自动跟踪技术，尤其是焊缝横向(与焊缝长度方向垂直)跟踪技术，是焊接生产过程自动化的核心关键技术，这方面的技术报导有：1、黄石生，高向东的“焊缝跟踪技术的研究与展望”，载于《电焊机》，1995，5期，1～5页；2、陈武柱，王勇，林青松的“焊缝自动跟踪技术现状及新发展”，载于《焊管》1992，15(5)期，1～10页；3、艾雍宜，王加友，孙孝纯的“双向接触式焊缝跟踪传感器的研制与应用”载于《电焊机》，1988，15～18页；4、亢稚禄，于静伟的“接触式二维跟踪技术的研究与应用”，载于《焊接》，1991，8期11～14页。上述现有技术公开了一个事实是：没有高精度高响应速度高可靠性的焊缝横向自动跟踪技术，将根本不能确保电弧(或其它焊接热源)在当前坡口的正确位置作用，满足焊接接头质量要求的焊接过程自动化将不能实现。迄今为止，已发明的焊缝横向跟踪技术依据传感器与焊接工件的接触与否主要分为两大类：非接触式与接触式。非接触式焊缝横向跟踪技术所用传感器均不与工件接触，依据提取焊枪(矩)相对于坡口横向偏差信号的传感原理不同，已发明的主要技术有电磁式、电容式、超声式、光电式、涡流式与电弧传感式，光电式与电弧传感式成为近十余年的主流。上述技术各有优势，但都存在下述局限性：1、存在传感导前(或滞后)误差(传感器不能与焊枪中心重合而致的横向跟踪精度误差，电弧传感式除外)；2、附加传感器尺寸较大，增大了焊枪的体积与重量，在传感器尺寸受到严格限制的场合难于应用；3、偏差信号的提取一般均源自于工件表面以及坡口面与上表面的交面棱边，而坡口面相对于工件表面和棱边的不均匀性偏差信息将难于提取，这将带来一定的系统误差；4、该类跟踪系统一般抗干扰能力差(尤其是抗电磁场干扰差)；5、跟踪系统复杂，必需由传感器、闭环自动控制系统(含硬、软件)和执行机构三大部分组成，系统可靠性相对降低。接触式焊缝横向自动跟踪技术主要有两类：机械式和机电式。其传感原理均是利用装在焊矩前方并与焊缝坡口接触的机械导轮(或导杆)相对于坡口的位移量作为跟踪系统的输入信号(即焊矩相对于焊缝中心的偏差量)。接触式与非接触式焊缝跟踪技术的主要区别是用接触式机械导轮(或导杆)作为位移传感器，自动控制系统和执行机构与非接触式基本相同。该类跟踪技术应用历史最长，弧光、电磁场、烟尘及金属蒸汽、焊接飞溅、高温、工件表面状态及棱边状态等干扰因素对跟踪精度的影响小，但仍存在以下局限性：1、跟踪精度较低；2、对焊缝中的点固焊点障碍难于克服；3、坡口及焊缝表面的粗糙度、表面损伤直接影响到跟踪系统的稳定性；4、存在导前跟踪误差；5、通常只适用于有较大坡口面角的V型、双V型和Y型坡口，而极小坡口面角(β≤2°)下难于应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中焊缝横向自动跟踪技术的局限性，提供一种焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置。所述装置跟踪精度较高、能克服焊缝中的点固焊点障碍、坡口及焊缝表面粗糙度及表面损伤对跟踪系统的稳定性影响小，既适用于有较大坡口面角的V型、双V型和Y型坡口，也适用于极小坡口面角的场合。
本发明的焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置的技术方案是：包括一个焊接小车，其上固定一个用于焊矩横向平移的导杆；该导杆上连接一个能横向平移的滑套；焊矩的底座端与滑套为能转动的活动连接，另一端为焊丝出口端，为扁平形，其前后侧各固定一个能安装平面力偶源部件的力偶座本体；每个力偶座本体内力偶源部件包括有两个使焊丝始终处于焊接坡口中心线位置且分别贴紧焊接坡口两侧面的探测滚轮；所述探测滚轮有使其能贴紧焊接坡口两侧面滚动的弹性件。
本发明的原理是：焊矩相对于安装在轨道上的自动焊小车可以横向平移浮动和旋转浮动，并通过将焊矩的一端紧固于双向推力轴承的动圈上、定圈紧固于横向平移滑套上、横向平移滑套安装于横向平移导杆上而实现其二维浮动。平移滑套沿平移导杆的浮动为横向浮动，焊矩相对于平移滑套的旋转为旋转浮动。横向浮动功能用于焊缝横向跟踪，旋转浮动功能用于焊缝与轨道间的非平行位移偏差的跟踪。在焊矩端部的前后方各设置一个由机械弹力作用而形成的平面力偶源，两力偶的中心连线与焊矩纵向中心线重合，且在坡口间隙不变化时相对于焊矩的截面中心的合力偶矩恒等于零；两力偶臂长度可分别在有效坡口间隙变化范围内自行可调，以满足本系统可用于组装坡口间隙在一定范围内波动的场合；力偶作用于坡口面上的最小接触合(压)力(处于最大坡口间隙时)远大于焊矩横向浮动的静摩擦阻力；焊矩横向浮动与旋转浮动可以同时进行，即可以合成浮动。
本发明的优点：与现有的非接触式焊缝横向自动跟踪技术相比，本发明有以下优点：1、抗干扰能力优异，诸如弧光，电磁场，烟尘，高温，飞溅，网压波动等常见干扰不影响跟踪过程地稳定性和可靠性；2、跟踪系统极其简单，完全摒弃了传统跟踪技术自动控制环节中的复杂硬件和软件，还摒弃了多维执行机构，本发明的装置重量(0.7～0.9kg)仅为基于视觉传感(如基于CCD传感计算机图象处理方法)跟踪装置的1/20～1/30，造价约为其1/70～1/100；3、可检测到坡口面上的偏差信息，可以完全满足所有填充型焊接场合的横向跟踪精度要求；4、不仅可用于传统的V型U型Y型X型坡口，还可用于焊接坡口面角β极小的窄间隙和超窄间隙焊接场合；5、由于摒弃了传统跟踪技术中的复杂硬件和软件系统，系统可靠性高；6、可用于焊接坡口尺寸极其狭窄的场合。与现有的接触式焊缝横向自动跟踪技术相比，本发明具有以下优点：1、无需探测焊缝底部，点固焊点障碍不复存在；2、在焊矩纵向中心前后设置接触传感器，消除了导前(或滞后)传感的跟踪误差；3、用内置机械弹力作为调节驱动力，摒弃了电力拖动调节及其相关的自动控制环节；4、上述与现有的非接触式焊缝横向跟踪技术相比的优点3～6，本发明仍然具有；当装有防溅器时则可消除焊接坡口面上飞溅对跟踪系统可靠性的影响，跟踪系统稳定性更高。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是附图1A-A截面以下的俯视结构示意图；
附图3是坡口间隙平行变化(平行增大或缩小)时焊矩位置自动跟踪调节原理图；
附图4是坡口间隙非平行变化(单边或双边倾斜)时焊矩位置自动跟踪调节原理图；
附图5是防溅器结构示意图；
附图6是传统大坡口面角时的焊矩位置传感器局部结构示意图；
附图7是滚轮支座20上的腰型槽示意图。
如图1～图7所示，1、焊矩横向平移导杆，2、横向平移滑套，3、限位挡块，4、横向旋转轴承，5、力偶座本体，6、探测滚轮，7、防溅器，8、焊接坡口面，9、焊矩，10、焊丝，11、电弧，12、送丝软管，13、冷却水管，14、送气软管，15、焊矩高度调节手轮，16、送丝机构，17、焊接小车，18、轨道，19、滚轮心轴，20、滚轮支座，21、弹簧，22、防溅器座，23、飞溅挡块，24、压簧，25、调节螺杆，26、腰形槽。
具体实施方式
如图1～7所示，本发明的一种焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置，有焊接小车17，其上固定一个用于焊矩9横向平移的导杆1；该导杆1上连接一个能横向平移的滑套2；焊矩9的底座端与滑套2为能转动的活动连接，另一端为焊丝出口端，为扁平形，其前后侧各固定一个能安装平面力偶源部件的力偶座本体5；每个力偶座本体5内力偶源部件包括有两个使焊丝始终处于焊接坡口中心线位置且分别贴紧焊接坡口两侧面8的探测滚轮6；所述探测滚轮6有使其能贴紧焊接坡口面8滚动的弹性件21；还有：
焊矩9前后的力偶互为反向，前后力偶座本体5内弹性件21的弹力为：两力偶系处于平行、不变化且在有效跟踪间隙范围内时，合力偶矩恒等于零；
所述的弹性件21是一个两端分别为力偶座本体5中的两个探测滚轮6施加弹力的弹簧片；所述的弹性件21为两个安装在力偶座本体5中的、一端为探测滚轮6施加弹力的螺旋扭簧，这是又一实施例；
焊矩9的底座端紧固于双向推力轴承4的动圈上，定圈紧固于横向平移滑套2的座体上，平移滑套2通过移动轴承安装于横向平移导杆1上；
焊矩9下端部靠近焊丝出口处连接一个能拆卸的防溅器7，该防溅器7主要由防溅器座22□、飞溅挡块23和压簧24组成，压簧24安装在两飞溅挡块23之间□。
对本发明的实施例作进一步说明如下：
本发明一种焊矩浮动弹力驱动焊缝横向自动跟踪装置，它是在焊矩的前后方分别各设置一个由机械弹力作用而构成的平面力偶系，通过与坡口接触的滚轮6将力偶系中的各个力施加到焊缝两侧的焊接坡口面8上。预先调定坡口间隙平行且不变化，平面力偶系平衡时，两力偶的中心点O1、O2的连线与焊矩横向中心线MN重合，即平面力偶系平衡时焊矩自动居中于焊接坡口两侧面8的中心。系统运行时，当坡口间隙(两坡口面间的距离)横向平行增大或减小变化期间，平面力偶系中F₁、F₂、F₃、F₄等值减小或增大，力偶系始终平衡，合力偶矩恒等于零，焊矩9始终位于平行增大或减小的焊接坡口两侧面8的中心，其力偶系满足：
F₁＝F₂＝F₃＝F₄
(b/2)F₁+(b/2)F₃＝0，
(b/2)F₂+(b/2)F₄＝0
[(2a+b)/2]F₂+[(2a+b)/2]F₃＝0
[(2a+b)/2]F₁+[(2a+b)/2]F₄＝0
当焊接坡口间隙横向非平行变化(如单边倾斜或双边倾斜)期间(见图4)，平面力偶系中的各力将不再等值变化(位移量不同，弹力不同)，平面力偶系将失去平衡，机械弹力驱动焊矩平移和旋转合成运动；图示焊接方向焊枪沿坡口运动时，相对上一时刻的下一时刻总是右侧的滚轮瞬间向右位移(焊矩中心线尚未向右位移调节终了)，坡口对左侧滚轮的支反力F’₁1F’₄瞬间大于右侧坡口对右侧滚轮的支反力F’₂F’₃，驱动力(F’₁F’₄-F’₂F’₃)推动焊矩向右平移；与此同时，F₁、F₂构成的逆时针力偶矩小于F₃、F₄构成的顺时针力偶矩，力偶系失去平衡，转动驱动力(b/2)F₄-(b/2)F₁推动焊矩顺时针旋转；当焊矩的横向中心线MN通过合成运动与平面力偶系当前作用区SS′T′T的横向坡口中心线M′N′重合时，力偶系达到新的平衡，一次自动跟踪调节完成。
坡口间隙始终变化，跟踪系统自动调节将始终进行。反之则不进行调节。
所述的横向平移导杆1和平移滑套2构成滚动摩擦副，其静态摩擦力愈小愈好，工作载荷条件下其静态摩擦力应在40-50g以下。静态摩擦力大，将使跟踪装置结构尺寸增大，关键是直接影响到跟踪响应速度。所述的旋转轴承4为双向推力轴承，相应的轴与轴承座设计时要保证径向跳动和轴向窜动尽可能小，以减小不同空间位置时的焊枪高度误差和焊枪倾斜而增大平移滑套2与平移导杆1间的静摩擦力。力偶座本体5用耐一定高温的绝缘材料制成，其座体横向中心平面与焊矩9的横向中心平面MN重合，并与焊矩9刚性连接。滚轮支座20安装在力偶座本体5上，可用金属材料制造。滚轮支座20上下各设置一腰形槽26，以保证探测滚轮6的心轴19(半径为r)在该滑槽26内自由滑动。2G是该跟踪装置的设计坡口间隙有效变化范围。在该变化范围内可以保证横向跟踪精度及其响应速度，超出其范围系统将不能正常工作。探测滚轮6的直径选择原则是：比实际应用场合的焊接最小坡口间隙小1.5～2.5mm。弹簧21是跟踪装置的重要零件，其弹力(决定跟踪系统的驱动力)大小直接决定着跟踪系统的响应速度，若弹力接近于焊矩浮动阻力，跟踪响应将极不可靠；若弹力过大，有可能产生震荡，按焊矩平移时的实测最大静摩擦阻力的5-10倍初选，并在实际制造装置上通过实验最后选定。弹簧结构以“位移-弹力”特性曲线线性度高且更陡的为佳，可以为片弹簧、扭转弹簧或板弹簧。装置制造完成后，必须经过仔细的力系平衡调校，具体要求如下：1、4只探测滚轮6分别在其安装位置上，有效调节行程(腰形槽27中的尺寸G)必须一致，误差在±2％；2、4只探测滚轮6位于G最左端和最右端的最大弹力和最小弹力必须一致，误差在±2％；3、在标准模拟坡口间隙试块上作平衡试验，力偶座本体5的横向中心线与标准模拟坡口间隙的中心线重合，允许误差±1％。
如图1-7所示，其中，送丝软管12、冷却水管13、供气软管14以及焊接电缆都必须连接到焊矩9上，为保证这些管路和电缆不对浮动的焊矩产生较大的平移和转动阻力，采取以下措施：1、管路和电缆需具有良好柔性；2、曲率尽可能小；3、尽可能从上部或对称方向上引入。当该跟踪装置用于熔化极明弧方法焊接时，焊接飞溅将难以避免，防溅器7可将飞溅始终挡在探测滚轮6的探测工作表面以外。防溅器座22与焊矩9设计成可快速拆卸连接(如插接)，飞溅挡块23可在该座内自由滑动。飞溅挡块23用陶瓷材料制造。防溅器座22和飞溅挡块23属于易损件。防溅器座22和飞溅挡块23迎弧面应制造光滑，工作时可涂上飞溅净，以便于清除飞溅。压簧24应保证坡口最大间隙时飞溅挡块23仍能贴紧坡口面。该跟踪装置用于大坡口面角的传统坡口跟踪时，探测滚轮6为锥形，锥度与坡口面角吻合。为防止锥形探测滚轮6在压力F作用下产生的向上分力而引起焊矩向上位移，向探测滚轮6施加一向下的反力P加以抵消。该类坡口跟踪时也可不让探测滚轮6在焊矩9高度方向上固定，即探测位置相对于焊矩高度方向可调。
附图1～7实施例中，横向平移导杆1和横向平移滑套2用市售的直线轴承副，平移滑套2用直线轴承，平移导杆1用直线轴承配套的导轨改制。在平移位移模拟焊矩载荷5kg条件下测得其最大静摩擦力为48g。横向旋转轴承4用52202双向推力球轴承。力偶座本体5用尼龙66制造，滚轮支座20安装在力偶座本体5上，用18-8不锈钢材料制造。滚轮支座20上下各设置一腰形槽26，以保证探测滚轮6的心轴19(半径为r＝0.5mm)在该滑槽内自由滑动。探测滚轮6在焊矩前后方各设置两个，用高碳钢经调制热处理制成，表面粗糙度1.6μm。滚子心轴19材料与制造工艺和探测滚轮6一致，装配为紧配合。探测滚轮6直径为3mm，单侧滚轮的横向调节范围G＝1.3mm，双侧调节范围2G＝2.6mm(即设计坡口间隙有效变化范围)。实例为超窄间隙熔化极气体保护焊焊接坡口，坡口面角β≤2°，最小坡口间隙为5.5mm，加上调节范围2G，最大坡口有效跟踪间隙是8.1mm。防溅器7的飞溅挡快23用陶瓷材料制成。弹簧21的驱动力按平移位移条件下实测最大静摩擦力的8倍选取，本例选取4kg，本例用65Mn弹簧片制造。力系平衡调校在较精密数字位移测量和压力测量仪上进行。力偶座本体5的横向中心线与标准模拟坡口间隙的中心线重合误差±0.8％。