（优秀毕业全套设计）旋转电弧传感器机械结构设计（整套下载）

参考若干种现行的轴流风机轴流泵及空心轴电机的几何尺寸与工作参数，设计出通过改型加工可以获得并适用于本设计的空心轴电机，如图所示。

该电机采用小型轴流泵用电机改制，外径，厚度，空心轴内径，外径，长度根据装配要求而定，额定转速，额定电压，额定功率。

图空心轴电机示意图空心轴轴承Ⅰ端盖Ⅰ定子外壳转子端盖Ⅱ轴承Ⅱ运动机构设计在选定空心轴电机之后，运动机构的基本形式可确定为如图所示，在空心轴电机驱动下，导电杆部件以为顶点，以电机轴线为中心线，做圆锥摆动，称为导电杆的公转。

图机构运动示意图计算机构自由度其中，虚约束为运动副与运动副重复约束的部件沿自身轴线方向移动的自由度，以及运动副与运动副重复约束的部件沿自身径向移动的自由度。

局部自由度为部件绕自身轴线转动的自由度。

此机构方案中，运动副采用圆柱副，当偏心量调节时，其倾斜量会发生变化，若增设倾斜量的调节锁紧装置则会增加机构复杂程度与体积。

因此将机构中的圆柱副改为如图所示的球面副。

图修改后的机构运动示意图计算机构自由度其中，虚约束为两球面副和重复约束的部件沿自身轴线方向移动的自由度局部自由度为部件绕自身轴线转动的自由度。

在实际机械结构中，球面副与球面副可以采用调心球轴承方便地实现。

防转机构导电杆绕其自身轴线转动的局部自由度，称为导电杆的自转，会造成导电杆与焊丝之间的摩擦，大大减少导电杆的使用寿命，必须以个防转机构加以限制。

由于导电杆需要偏心公转，防转挡块与导电杆之间不能够紧密接触，必须留有定间隙，但这样也造成了导电杆的自转无法完全约束的问题。

本设计的解决办法如图所示，在导电杆高速公转时，导电杆自身由于挡块的限制而无法回转，而只能在小角度内作不确定的摆动，这就要求防转挡块能够承受导电杆的碰撞，并且最好是能够减振的。

同时，防转挡块是与机架固定的，需要与导电杆绝缘。

因此需要选用种冲击韧性高耐热绝缘的非金属材料作为防转挡块的材料，在本设计中，初步选定为聚四氟乙烯树脂。

考虑到应尽量减小摆动量减小间隙，将防转挡块安装在紧靠点的位置。

图防转机构挡块导电杆.总体结构设计旋转电弧传感器除了要实现电弧的旋转以外，与普通焊炬样，还需要实现冷却通入保护气体等功能。

而其外形尺寸又受到严格限制。

首先，外形般为圆柱形。

这主要是为了适应在弧焊机器人手臂上的安装。

其次，外径必须足够小，以达到定的焊接可达性。

各功能部分的轴向分配基于上述考虑，本设计将各主要功能部件进行了划分，并沿轴向分配，如图所示，自左向右分别为上盖部分主腔体偏心机构腔冷却水腔保护气腔。

图旋转电弧传感器各功能部分轴向分配上盖部分主要安装作为导电杆圆锥摆顶点的调心球轴承以及防转机构，其内径尺寸取决于轴承外径主腔体内主要安装空心轴电机与检测装置，其内径尺寸取决于空心轴电机外径以及检测装置外径偏心机构腔体内主要安装偏心机构，其内径尺寸取决于偏心机构的尺寸以及额定偏心量的大小冷却水腔用于导电杆的冷却，并需要保证保护气体顺利通过此腔体到达保护气腔保护气腔及其保护气罩则主要用于保证保护气体能够均匀通达电弧部分。

各功能部件必须按照定的顺序。

根据已经确定的运动机构，上盖部分主腔体偏心机构腔的顺序不能打乱。

冷却装置的主要作用是降低导电杆的温度，而导电杆靠近电弧部位的温度最高，冷却水腔应尽量靠近导电杆电弧部分。

同样地，保护气体用于对电弧进行气体保护，保护气腔也应尽量靠近导电杆电弧部分。

从中可以发现，存在两种轴向分配方案，问题的焦点在于冷却水腔与保护气腔哪个应更靠近电弧部分。

冷却水腔需要使导电杆得到充分冷却，就必须具有定的体积与轴向长度保护气腔的设计主要考虑气体的均匀分配，其体积要求较冷却腔体低。

同时，为了达到焊接可达性要求，越是靠近导电嘴的部分，其径向尺寸应越小。

综合考虑之后可得，如图的轴向分配最为合理。

径向空间的分配显然，仅仅对各功能部件进行轴向分配无法满足设计要求。

首先，轴向分配忽略了各功能部件之间的连接，其次是导电杆的因素与通水通气管路的因素。

因此，需要对旋转电弧传感器进行径向空间的分配。

上盖部分主腔体偏心机构腔的径向空间分配如图所示。

冷却水与保护气需要通过外壳中的管道到达冷却水腔与保护气腔。

同时，使用个螺钉穿入外壳将上盖部分主腔体以及偏心机构腔连接起来，构成旋转电弧传感器的主体部分。

冷却水腔与保护气腔构成旋转电弧传感器的下腔部分。

导电杆始终处于旋转电弧传感器的中心部位，并且，除了与轴承配合部分之外，和各功能部件之间保持定的间隙。

冷却水腔与保护气腔部分的径向空间分配如图所示。

冷却水腔与保护气腔的内壁应具有良好的导热性，以便使冷却水与保护气带走更多的热量。

图旋转电弧传感器径向空间分配.导电杆部件的设计导电杆部件的总体设计导电杆是焊炬的核心部件之，主要作用是引导焊丝，并对焊丝通电，使其形成稳定的焊接电弧。

由于导电嘴需要经常更换，市场上也容易购买到现成的导电嘴零件，般均采取与导电杆主体螺纹连接，并将靠近螺纹部分的外表面加工为六角形，利用扳手很容易实现有效的紧固并且拆装方便。

同时，导电嘴的材料般采用工业纯铜，以达到理想的导电性能。

由于导电嘴与导电杆的螺纹连接中，不适合加装弹簧垫圈等防松装置，导电杆宜采用与导电嘴相同的材料。

这样，具有相同膨胀系数的材料在预紧后不会由于热膨胀而发生松动甚至脱落。

另方面，工业纯铜的机械性能与加工性能不如黄铜，但导电杆部件的力学性能要求不高，故可以采用。

导电杆内需要通过焊丝，并使其精确到达焊接点，因此将导电杆部件的内径设计为由大到小的阶梯孔，并在交接处采用圆锥过渡。

此外，在本设计中，导电杆部件需要与两个调心球轴承配合。

因此，将导电杆部件设计成由上导电杆下导电杆导电嘴组成，如图所示。

图导电杆及相关零部件装配上调心球轴承上轴承套防转挡块上导电杆下调心球轴承下轴承套防尘盖下导电杆导电嘴轴承的选用与安装考虑导电杆受力较小，但存在振动。

由于本设计中，轴系为非传统轴系，选用调心球轴承也是为了实现圆锥摆动，并非按照机械设计手册中，滚动轴承特性表所述，用于承受载荷作用下弯曲较大的传动轴。

因此，轴承的寿命校核无法采用传统的校核公式。

根据已有的类似机构的设计，选用中载系列调心球轴承，。

两个调心球轴承均与上导电杆配合，并用轴肩定位，由于两轴承之间的导电杆部分需要穿过空心轴，故采取如图所示的轴肩设计方案。

同时，上调心球轴承的轴向定位轴肩还作为防转机构的部分。

由于选用的轴承为普通金属部件，而导电杆与外壳之间又需要绝缘，需要在轴承外圈使用绝缘材料。

在众多绝缘材料中，尼龙具有良好的绝缘耐热性能与机械性能，因此，在本设计中，直接采用尼龙制造两调心轴承的轴承套。

上调心球轴承的轴承套外径可以与外壳直接配合下调心球轴承的轴承套与偏心机构固定。

由于两轴承工作温度较高，并且在结构上又不适合采用润滑油润滑，故采用具有定耐热性能的钠基润滑脂。

相比较而言，下调心球轴承的工作条件更为恶劣，因此，在下调心球轴承靠近导电嘴的端安装个防尘盖，这设计借鉴了南昌大学设计的种带挡尘盖的旋转扫描焊炬的实用新型专利。

焊接时，焊接点的高温与相对温度较低的传感器内部产生较大温差，形成上升气流，往往会夹带焊接过程中产生的微小铁珠与灰尘。

防尘盖则可以有效防止微小铁珠与灰尘随着上升气流进入调心球轴承，从而大大延长轴承寿命。

另方面，防尘盖宜采用冲压件，其表面粗糙度较低，能够反射部分热辐射。

改善轴承的工作条件。

防尘盖安装于上导电杆与下导电杆之间，同时还具有轴承内圈轴向限位的作用。

.检测装置的选定与安装电弧扫描位置与转速的检测方法电动机旋转所达角度位置决定焊炬扫描所达的横向位置，该位置信号的检测对传感器的信号处理非常重要，而转速的测定则能够保证旋转稳定。

最早计划用于旋转电弧传感器的检测装置是电位器与整角机，但效果极为不理想，并未真正采用。

般传统的检测装置采用光电码盘与光耦，如图所示。

这种检测装置包括个编码盘和两个光耦。

其中，编码盘外圈铣出矩形齿槽，其中个齿槽较其它齿槽更深。

两个光耦安装在外壳内，光耦Ⅰ的光路可以通过所有齿槽，光耦Ⅱ的光路只能通过深齿槽。

编码盘安装在电机轴上，当电机运转时，齿形将交替阻挡允许由光耦的发光管通往光敏接收管的光路，光敏管则输出串信号，经过外部电路的调制后可得串脉冲信号，称为分度脉冲信号，从两个光耦获得的分度脉冲信号分别称为信号Ⅰ与信号Ⅱ。

信号Ⅰ的周期即转过齿的时间，从中可获得旋转的瞬时速度。

信号Ⅱ的周期即回转周期，将上次光耦Ⅱ的光路通过齿槽起的时间除以这段时间内信号Ⅰ的平均周期即上次光耦Ⅱ的光路通过齿槽后转过的角度。

由此，通过对两光耦输出信号的分析，便可以得到旋转的速度与角位移量，从而使电弧传感器根据该数据对焊缝进行准确的跟踪。

图传统的检测装置光耦Ⅰ编码盘光耦Ⅱ分体式安装的旋转编码器传统的检测装置具有体积小安装方便的优点，然而也存在明显的缺点。

首先，光耦元件结构简单，其输出信号还是模拟信号，需要通过外部电路调制其次，模拟信号极易收到干扰，容易造成信号的丢失与误读。

因此，需要寻找种新的替代方法以解决这些问题。

随着编码器技术的日益发展，选用款现成的旋转编码器是解决上述问题的方式之。

当前存在众多旋转编码器供货厂家，其产品种类繁多，总体上分为机床用编码器与电机用编码器，其中机床用编码器体积较大，很少有空心轴型号，且空心轴型号的孔径都较小，这种旋转编码器能承受较大转矩，检测精度很高，适用于精度要求高的数控机床。

电机用编码器尺寸较小，般外径在以内，形式多样，适用于多种有定检测精度要求的场合。

本设计采用款分体式安装的电机用旋转编码器，如图所示。

选用款现有分体式安装的旋转编码器改装而成。

其中，编码器部分不需要改装，只需要增大编码盘孔径，使其能够与空心轴装配。

这种编码器包含模数转换电路，由八个引脚直接输出数字信号。

图分体式安装的编码器编码盘编码器同时，分体式的设计使分体式安装的旋转编码器可以采用与传统检测装置类似的方法安装，唯不同的是编码盘与编码器之间的位置精度要求较传统检测装置高。

在这点上，产品本身已经提供了解决方法。

编码器在其需要装配平面上的定位类似于“面两短销”定位方式，编码器的装配表面上有两个短圆柱突起，与两圆柱孔配合即可完成定位，再用螺钉紧固即可完成装配。

编码盘与编码器的轴向定位可以在编码盘与空心轴的装配时进行调整来实现。

.偏心机构的设计偏心方案的确定偏心机构是实现导电杆圆锥摆动的重要部件，要求能够实现偏心量的调节与锁定。

本设计采用螺钉调节弹簧复位螺钉紧定的方法。

如图所示，在调心球轴承的轴承套上设计个开式滑槽，与滑块形成移动副滑块通过紧定螺钉安装在空心轴电机的空心轴上偏心机构盖安装在轴承套上，构成轴承套部件，限制轴承的轴向自由度调节螺钉通过顶块钢球紧定在滑块上，紧定螺钉直接紧定在滑块上滑块及偏心机构盖在与钢球接触的位置上都加工有圆弧槽，限制钢球沿电机轴方向的自由度。

偏心量的调节方法为增大偏心量。

先松开紧定螺钉，顺时针转动调节螺钉，则调节螺钉通过顶块钢球使轴承套部件沿移动副向下移动，从而增大偏心量到达所需位置后，再将紧定螺钉拧紧。

减小偏心量。

逆时针转动调节螺钉，由于在弹簧力的作用下，钢球顶块与调节螺钉始终接触，当调节螺钉退出，弹簧使轴承套部件沿移动副向上移动，从而减小偏心量到达所需位置后，将紧定螺钉拧紧。

图偏心机构调节螺钉偏心机构盖顶块钢球滑块电机轴调心球轴承平衡块紧定螺钉弹簧导电杆轴承套图偏心调节机构示意图图为偏心调节机构的机构示意图。

部件为滑块部件为轴承套部件。

计算自由度调节时的机构自由度其中，虚约束为部件与部件重复约束的部件沿垂直纸面方向移动的自由度，局部自由度为部件绕自身中心的自由转动。

运动副与运动副为Ⅳ级副，图中未注。

锁紧时的机构自由度当偏心机构锁紧时，相当于部件也成为机架。

于是，有符