CN110722257B - 一种无级调节偏心的旋转电弧焊炬及其调节方法 - Google Patents

Abstract

一种无级调节偏心的旋转电弧焊炬及其调节方法。所述焊炬包括设有底板和顶板的框架，框架的底板和顶板上分别开有一中心线相互偏离的通孔，顶板上平面通过通孔安装有空心轴电机，底板上平面固定安装有与空心轴电机同轴线的固定轴承套，固定轴承套的纵截面为U字形，底部开设有一偏离轴线的安装孔，固定轴承套中由外向内依次嵌装有下深沟球轴承和旋转套筒，旋转套筒的上端通过紧定螺钉与空心轴电机的输出轴相连接，中部设置有夹持导电杆一端的偏心调节装置，导电杆另一端穿过固定轴承套的安装孔和底板的通孔，端部外圆套装有弹簧碳刷，端头连接有导电嘴。本发明实现了旋转半径的无级调节，减少了焊炬运行过程中的相关噪音，结构简单，性能稳定。

Description

一种无级调节偏心的旋转电弧焊炬及其调节方法

技术领域

本发明涉及一种焊炬，更具体涉及一种适用于焊接的无级调节偏心的旋转电弧焊炬，属于焊接技术领域。

背景技术

旋转电弧焊接，具有生产效率高，焊接成本低，能量消耗小等优点，广泛的运用在中厚板的焊接中。旋转电弧是让焊丝或者导电杆绕一轴线做旋转运动，如今研究旋转电弧窄间隙GMAW的研究人员有很多，但是旋转电弧焊炬的主要实现方式有两种，一种是通过导电杆圆锥摆动实现，另一种是通过偏心导电嘴的方式实现。圆锥摆动的主要代表机构有：日本钢管株式会社(CN87103245A)设计的高速旋转电弧焊接设备，采用圆锥摆动式，上轴承在焊炬的轴心线上，下轴承安装在旋转运动板上，并与上轴承有一定的偏心量，通过旁路电机驱动导电杆做公转运动，从而使电弧旋转。清华大学申请的专利空心轴电机驱动的旋转扫描焊炬(CN2143540Y)采用空心轴电机，导电杆上端通过球面轴承与空心轴电机连接，导电杆中部与下球面轴承连接并安装在内偏心套上，内偏心套安装在外偏心套的内孔中，其偏心调节的范围是由内、外偏心套的偏心量决定。南昌大学毛志伟设计的一种带绝缘、偏心调节的旋转电弧扫描焊炬(CN201058394Y)也采用空心轴电机作为驱动电机，以上调心球轴承作为旋转的轴心，与清华大学不同的是其在导电杆下部下调心球轴承上方放置一偏心块，通过调节偏心块的水平位置来实现导电杆的偏心旋转。偏心导电嘴装置：江苏科技大学设计的空心轴电机驱动的旋转电弧窄间隙焊接方法与装置(CN1657211A)，其采用空心轴电机驱动导电杆自转，通过偏心导电嘴使焊丝旋转。

上述现有专利存在的不足：对于现有的旋转电弧焊炬，其主要的缺点就是依然采用机械式的调节方式，不能在焊接过程中完成旋转半径的调节，而且大多数的焊炬将调心球轴承安装在焊炬的上部并以其为轴心做旋转运动，这样导致的后果就是焊炬要采用配重块的方式来保证整体的平衡，而且焊炬旋转半径的调节范围容易受限制。南昌大学叶艳辉设计的气体保护焊的旋转电弧传感器(CN105817741A)采用空心轴电机的方式避免了采用旁路电机造成的使用寿命短，噪音大等问题，但是对于日渐复杂的焊接工艺，其偏心距是固定的，而且使用固定偏心块的形式，会导致偏心距离的调节变的复杂，同时也会使导电杆在旋转过程中整个焊炬重心不在轴线上造成焊炬的剧烈震动。湘潭大学的无级可调偏心的旋转电弧传感器(CN102091854A)虽然实现了旋转半径的无级调节，但是为了解决焊接过程中的震动，噪音大等问题，其大大减小了焊炬旋转半径的可调范围，半径的调节范围为0.2mm-0.3mm左右，而且其设计的焊炬结构复杂，装配精度要求高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的旋转电弧焊炬体积大，震动剧烈，噪音大装配复杂，偏心半径调节不方便等缺点，提供一种适用于焊接的无级调节偏心的旋转电弧焊炬。该焊炬由空心轴电机1做驱动，偏心调节电机5做偏心调节，增加旋转电弧焊炬的可用性。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案：

一种无级调节偏心的旋转电弧焊炬，包括设有底板和顶板的框架18，所述框架18的底板和顶板上分别开设有一中心线相互偏离的通孔，所述顶板上平面通过通孔安装有空心轴电机1，所述底板上平面固定安装有与空心轴电机1同轴线的固定轴承套10，所述固定轴承套10的纵截面为U字形，底部开设有一偏离轴线的安装孔，固定轴承套10中由外向内依次嵌装有下深沟球轴承9和旋转套筒，所述旋转套筒的上端通过紧定螺钉21与空心轴电机1的输出轴相连接，中部设置有夹持导电杆12一端的偏心调节装置，导电杆12另一端穿过固定轴承套10的安装孔和底板的通孔，端部外圆套装有弹簧碳刷23，端头连接有导电嘴11。

进一步的，所述的旋转套筒由上套筒4、中套筒6和下套筒8相连接构成，其中上套筒4为中空倒T型结构件，下套筒8为圆环形结构件，中套筒6由左右两侧中空长方体构成，左侧长方体中安装偏心调节装置，右侧长方体纵截面为E字形两层结构，下层用于安装圆锥齿轮7，上层用于安装偏心调节电机5。

进一步的，所述旋转套筒中的上套筒4上还可转动套装有用于穿装导线的导电环3。

进一步的，所述旋转套筒中的中套筒6对应所述偏心调节装置的一侧还开有一个用于观察偏心调节装置位置的观察窗17。

进一步的，所述的偏心调节装置由上调心球轴承16、上调心球轴承套14、光杆19、丝杠15、球轴承20和一对圆锥角45°的圆锥齿轮7组成，其中所述上调心球轴承16安置在所述上调心球轴承套14的中央，所述光杆19、丝杠15平行穿装在所述上调心球轴承套14设有的螺孔和通孔中，两端分别通过球轴承20安装在所述中套筒6上，丝杠15一端还通过圆锥齿轮7与偏心调节电机5传动连接。

本发明的一种无级调节偏心的旋转电弧焊炬的调节方法，其特征是：旋转半径可由三角形相似原理表示为

其中H1为上调心球轴承16厚度中心与下调心球轴承厚度中心的垂直距离；H2为导电嘴11末端与下调心球轴承13厚度中心的垂直距离；S为上调心球轴承16水平移动的距离，具体调节步骤是：

首先，确定实际需要调节的旋转半径r，根据旋转半径

求得上调心球轴承16水平移动的距离

然后根据步进电机脉冲数与运动距离的对应关系

其中ph为丝杆15螺距；a为细分数；b为步距角，可知道旋转半径与需要发送的脉冲数之间的关系：

最后控制偏心调节电机5，发射脉冲n，控制电机轴转动，电机轴带动圆锥齿轮7转动，圆锥齿轮7带动丝杆15转动，定向带动上调心球轴承16水平移动，使得导电杆12偏转，实现旋转半径的调节。

本发明不同于其它圆锥摆动类型的旋转电弧焊炬，将圆锥摆动的中心下移到了坡口上方，可调范围比传统的旋转电弧焊炬大的多，而且运行过程也稳定的多。

本发明的旋转半径r是由上调心球轴承16和下调心球轴承13的水平距离S和垂直距离H1，下调心球轴承13到导电嘴11的长度H2共同决定。

与现有的旋转电弧焊炬相比，本发明的优点：

1、利用中套筒6内的偏心调节平台，克服了传统旋转电弧焊炬不能在焊接过程中实时调节旋转半径的缺点，本发明可以在焊接过程中实时调节旋转半径。

2、本发明的可调范围比一般的旋转电弧焊炬要大的多，而且调节过程中不会引起整个焊炬的重心偏移，保证了整个传感器在旋转过程中的稳定性。

3、在套筒的上下增加了轴承和固定板，保证套筒旋转的顺滑和稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明上套筒的构造示意图。

图3是本发明中套筒的构造示意图。

图4是本发明下套筒的构造示意图。

图5是偏心调节平台的构造示意图。

图6是偏心调节平台、中套筒和偏心调节电机的装配示意图。

图7是导电杆半径调节示意图。

图中附图标记说明：1-空心轴电机，2-上深沟球轴承，3-导电环，4-上套筒，5-偏心调节电机，6-中套筒，7-圆锥齿轮，8-下套筒，9-下深沟球轴承，10-固定轴承套，11-导电嘴，12-导电杆，13-下调心球轴承，14-上调心球轴承套，15-丝杆，16-上调心球轴承，17-观察窗，18-固定板，19-光杆，20-球轴承，21-紧定螺钉，22-导电板，23-弹簧碳刷，24-软电缆，25-绝缘垫圈。

具体实施方式

以下对一种适用于焊接的无极偏心旋转电弧焊炬的结构和工作原理进行进一步的详细描述。

如图1所示，所述的无级调节偏心的旋转电弧焊炬是由框架18，空心轴电机1，旋转套筒，固定轴承套10，馈电系统组成。其中旋转套筒是由三部分组成，分别是上套筒4，中套筒6和下套筒8。其中偏心平台是由上调心球轴承16，上调心球轴承套14，偏心调节电机5，球轴承20，圆锥齿轮7，光杆19和丝杆15，下调心轴承13组成。其中馈电系统包括导电板22、弹簧碳刷23、软电缆24、绝缘垫圈25、导电杆12、导电嘴11。

如图1所示，所述框架18侧面用于和机床螺纹连接，底板和顶板上分别开设有一中心线相互偏离的通孔，所述顶板上平面通过通孔安装有空心轴电机1。所述底板上平面固定安装有与空心轴电机1同轴线的固定轴承套10，所述固定轴承套10的纵截面为U字形，底部开设有一偏离轴线的安装孔，固定轴承套10中由外向内依次嵌装有下深沟球轴承9和旋转套筒。所述旋转套筒的上端通过紧定螺钉21与空心轴电机1的输出轴相连接，中部设置有夹持导电杆12一端的偏心调节装置，导电杆12另一端穿过固定轴承套10的安装孔和底板的通孔，端部外圆套装有弹簧碳刷23，端头连接有导电嘴11。

如图1所示，所述的空心轴电机1使用螺纹连接安装在框架18顶板的轴承座孔处，空心轴电机1伸出的空心轴部分与上套筒4上端内侧采用螺钉21连接。

如图1所示，所述的旋转套筒由上套筒4、中套筒6和下套筒8相连接构成。其中上套筒4为中空倒T型结构件，其构造示意图如图2所示；下套筒8为圆环形结构件，其构造示意图如图4所示；中套筒6由左右两侧中空长方体构成，其构造示意图如图3所示，中套筒6左侧长方体中安装偏心调节装置，右侧长方体纵截面为E字形两层结构，下层用于安装圆锥齿轮7，上层用于安装偏心调节电机5。

如图1所示，上套筒4的上端外侧与上深沟球轴承2内侧过盈配合，上套筒4的上端内侧与空心轴电机1通过螺钉21紧固配合。且在上套筒4上还可转动套装有用于穿装导线的导电环3，用于导流偏心调节电机的走线，上套筒4的底部开有螺纹孔，用于和中套筒6做螺纹配合。

如图3和图6所示，所述的中套筒6是一长方体结构，在长方体内部的左侧以壁厚为4mm为基准，纵向开一个29mm×52mm的方孔，用于安装偏心调节装置，在立方体的右侧，以下部厚度5mm，立方体右边为基准，在右下方横向(由纸面向里)开一个23mm×24mm的方孔，并且再以右下方方孔的纵向中心线为基准，距离下底面10mm处，在中心线两侧12.5mm处分别开一个半径为5.5mm的通孔，且贯穿到立方体的左侧。前后两个方孔分别用于安装光杆19和丝杆15，在长方体结构的右上方后侧开一个26mm×64mm的方孔，在方孔下表面处，沿横向方向开一个U型凹槽，U型底部为半径为4mm的半圆，U型边长为14mm。用于安装偏心调节电机5，并且偏心调节电机5下方与丝杆15通过圆锥齿轮7连接。在以壁厚4mm为基准，挖去右上方前部(由里向外)的部分，减轻整个套筒的重量。在中套筒6的左侧方孔前后两侧，开有一方形观察窗，在使用过程中可以通过观察窗来确定偏心平台的具体位置，在下次使用时可以先将偏心平台调节至中套筒6的轴心处或者是中套筒的右侧再开始调节，这样便避免了二次使用时不知道偏心平台的具体位置而产生的调节困难问题。

如图4所示，所述的下套筒8是一圆环形结构件，开有螺纹孔，与中套筒6通过螺纹配合。下套筒8的外侧过盈配合下深沟球轴承9。

如图5所示，所述的偏心调节平台是由偏心调节电机5，圆锥齿轮7，上调心球轴承16，上调心球轴承套14，丝杠15，光杆19和4个球轴承20组成，其中上调心球轴承16过盈配合在上调心球轴承套14上，导电杆12过盈配合在上调心球轴承16上，上调心球轴承套14横向方向开有一个光孔和一个螺纹孔，分别用来与光杆19和丝杆15做水平滑动配合，光杆19和丝杆15前后两端分别过盈配合深沟球轴承20，增加光杆19和丝杆15转动时的顺滑度，且深沟球轴承过盈配合在上述中套筒的两个通孔中，且丝杠的末端安装有一圆锥角45°的圆锥齿轮7，采用过盈配合。偏心调节电机5安装在上述中套筒6中的右后方方孔中，偏心调节电机5的伸出轴过盈配合一个圆锥角45°的圆锥齿轮7，并且偏心电机的圆锥齿轮和丝杠上的圆锥齿轮在上述中套筒6中的右下方方孔中相互啮合。偏心电机的走线通过导电环3来调节。

如图1所示，所述的固定轴承套10为一个类似U型的旋转圆盘，底部开一个通孔，上部过盈配合下深沟球轴承9，下部的通孔过盈配合下调心球轴承13，并且其底部和框架18的下部螺纹紧固配合，保证旋转套筒在运行时的稳定性。

如图1所示，所述的导电杆12上部过盈配合在偏心平台的上调心球轴承16上，下部过盈配合在固定轴承套10的下调心球轴承13上，末端与导电嘴螺纹紧固配合。

如图1所示，由于导电杆绕着中垂线公转，电极接入困难，故采用弹簧碳刷23作为导电元件与偏心机构滑动接触，两者的紧密性可以用弹簧来解决，碳刷连接电源的一极，工件连接电源的另外一极。弹簧碳刷23与导电板22通过软电缆24连接，导电板22固定在轴承套10上，导电板与框架18二者之间通过绝缘垫圈25隔离开。电源连接在导电板22上。其中与导电杆12接触的上调心轴承16与下调心轴承13用绝缘垫圈25隔离开来。在使用过程中，电源、导电板22、弹簧碳刷23、导电杆12、导电嘴11、焊丝、工件构成一个回路。从而实现了旋转电弧焊接焊枪回路的连通。

本发明采用的偏心调节平台调节原理方案为：偏心调节电机为步进电机，步距角b为1.8°，细分数a为4，圆锥齿轮7的齿数为24齿，丝杠15的螺距为Ph＝2mm。如果发送n个脉冲，那么上调心球轴承16移动的距离为

上调心球轴承16水平位移S与旋转半径r的转换关系如图7所示：利用下调心球轴承13为轴心做旋转运动，当调节上调心球轴承16的位置时，会带动下端导电嘴的位置跟着改变。设上调心球轴承和下调心球轴承的垂直距离为H1，下调心球轴承13与导电嘴11末端的垂直距离为H2，其中H1与H2可根据实际安装测量确定。当上调心球轴承水平移动距离为S时，根据三角形相似原理则旋转半径为

根据步进电机脉冲数与运动距离的对应关系

那么旋转半径的大小r与偏心调节电机脉冲数n的关系为

所以只要预先确定所需要旋转的半径r，根据公式

就可以确定偏心调节电机5该发送的脉冲数，从而实现偏心调节的目的。

本发明方案虽然也是采用圆锥摆动型的策略，但是相比较以往的旋转电弧焊炬来说，本发明将摆动的中心点从焊炬的上部移到了下部，这样不仅可以减少焊炬工作时的晃动，降低噪音，而且可以获得更大的旋转半径调节范围。同时，在焊炬的上下增加深沟球轴承和固定板，减小焊炬工作时的噪音和震动。

以上实例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无级调节偏心的旋转电弧焊炬，包括设有底板和顶板的框架(18)，其特征在于，所述框架(18)的底板和顶板上分别开设有一中心线相互偏离的通孔，所述顶板上平面通过通孔安装有空心轴电机(1)，所述底板上平面固定安装有与空心轴电机(1)同轴线的固定轴承套(10)，所述固定轴承套(10)的纵截面为U字形，底部开设有一偏离轴线的安装孔，固定轴承套(10)中由外向内依次嵌装有下深沟球轴承(9)和旋转套筒，所述旋转套筒的上端通过紧定螺钉(21)与空心轴电机(1)的输出轴相连接，中部设置有夹持导电杆(12)一端的偏心调节装置，导电杆(12)另一端穿过固定轴承套(10)的安装孔和底板的通孔，端部外圆套装有弹簧碳刷(23)，端头连接有导电嘴(11)；所述的旋转套筒由上套筒(4)、中套筒(6)和下套筒(8)相连接构成，其中上套筒(4)为中空倒T型结构件，下套筒(8)为圆环形结构件，中套筒(6)由左右两侧中空长方体构成，左侧长方体中安装偏心调节装置，右侧长方体纵截面为Е字形两层结构，下层用于安装圆锥齿轮(7)，上层用于安装偏心调节电机(5)。

2.根据权利要求1所述的无级调节偏心的旋转电弧焊炬，其特征是：所述旋转套筒中的上套筒(4)上还可转动套装有用于穿装导线的导电环(3)。

3.根据权利要求1所述的无级调节偏心的旋转电弧焊炬，其特征是：所述旋转套筒中的中套筒(6)对应所述偏心调节装置的一侧还开有一个用于观察偏心调节装置位置的观察窗(17)。

4.根据权利要求1所述的无级调节偏心的旋转电弧焊炬，其特征在于：所述的偏心调节装置由上调心球轴承(16)、上调心球轴承套(14)、光杆(19)、丝杆 (15)、球轴承(20)和一对圆锥角45°的圆锥齿轮(7)组成，其中所述上调心球轴承(16)安置在所述上调心球轴承套(14)的中央，所述光杆(19)、丝杆 (15)平行穿装在所述上调心球轴承套(14)设有的螺孔和通孔中，两端分别通过球轴承(20)安装在所述中套筒(6)上，丝杆 (15)一端还通过圆锥齿轮(7)与偏心调节电机(5)传动连接。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的无级调节偏心的旋转电弧焊炬的调节方法，其特征在于：旋转半径可由三角形相似原理表示为

其中H1为上调心球轴承(16)厚度中心与下调心球轴承厚度中心的垂直距离；H2为导电嘴(11)末端与下调心球轴承(13)厚度中心的垂直距离；S为上调心球轴承(16)水平移动的距离，具体调节步骤是：

首先，确定实际需要调节的旋转半径r，根据旋转半径

求得上调心球轴承(16)水平移动的距离

然后根据步进电机脉冲数与运动距离的对应关系

其中ph为丝杆(15)的螺距；a为细分数；b为步距角，可知道旋转半径与需要发送的脉冲数之间的关系：

最后控制偏心调节电机(5)，发射脉冲n，控制电机轴转动，电机轴带动圆锥齿轮(7)转动，圆锥齿轮(7)带动丝杆(15)转动，定向带动上调心球轴承(16)水平移动，使得导电杆(12)偏转，实现旋转半径的调节。

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