磁控电弧传感器有限元分析及优化设计

论文摘要

焊接作为一种先进制造技术,广泛应用于能源、造船、电子、交通与航天工程等领域,要解决实际生产中生产效率不高、工人劳动强度较大等问题,则必须实现焊接的自动化。而焊缝的自动化跟踪是实现自动化焊接所需解决的关键问题,在整个焊缝跟踪系统当中,传感器是最为重要的部分。本文旨在对磁控电弧传感器进行研究,并且进行优化设计,改善其性能,使其制造成本更低,焊缝跟踪精度更高。首先,研究了磁控电弧传感器的原理和结构,结合磁控电弧传感器的设计,建立了磁控电弧传感器的有限元分析模型。第二,对磁控电弧传感器进行了谐波磁场分析。分别改变线圈匝数、空气隙长度、铁芯磁导率、铁芯直径、激磁频率等因素,得出了其对应的磁力线图和磁场矢量图,并得出了各个因素对磁控电弧传感器的磁场分布和磁感应强度大小的影响规律。第三,验证了有限元分析的可行性。通过高斯计分别测量线圈匝数、空气隙长度、激磁频率等为一固定值时,磁控电弧传感器电弧区域内10个节点的磁感应强度的大小,并与有限元分析得出的对应的数据进行对比。第四,验证了有限元分析得出的结论的正确性。分别改变线圈匝数、空气隙长度、激磁频率等因素,通过高斯计测量对应的因素发生改变时,选定的固定节点的磁感应强度的大小,从而得出线圈匝数、空气隙长度、激磁频率等改变时,对应的磁感应强度的变化规律,然后与通过有限元分析得出的变化规律进行比较。最后,对磁控电弧传感器进行了优化设计。以降低磁控电弧传感器的制造成本为目标函数,通过有限元软件ANSYS对其进行优化设计,并比较优化前后的焊缝跟踪精度等性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景与意义
• 1.2 焊缝跟踪传感器分类和特点
• 1.2.1 焊缝跟踪传感器的分类
• 1.2.2 典型焊缝跟踪传感器的特点
• 1.3 磁控电弧式焊缝跟踪传感器
• 1.4 磁场的有限元分析
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 磁控电弧传感器有限元建模
• 2.1 概述
• 2.2 磁控电弧式传感器的有限元建模基础
• 2.2.1 工作过程
• 2.2.2 结构
• 2.3 磁控电弧传感器的设计
• 2.3.1 设计的要求
• 2.3.2 结构的设计
• 2.4 有限元模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 磁控电弧传感器的有限元分析
• 3.1 概述
• 3.2 磁控电弧传感器的有限元分析
• 3.2.1 有限元网格划分
• 3.2.2 线圈匝数对磁场的影响
• 3.2.3 空气隙长度对磁场的影响
• 3.2.4 铁芯磁导率对磁场的影响
• 3.2.5 铁芯直径对磁场的影响
• 3.2.6 激磁频率对磁场的影响
• 3.2.7 激磁电流对磁场的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 有限元分析和实验结果的比较
• 4.1 概述
• 4.2 磁感应强度实验
• 4.3 有限元分析结果和实验结果的对比
• 4.3.1 线圈匝数 N 为500 匝时磁感应强度的对比
• 4.3.2 线圈匝数改变时磁感应强度的对比
• 4.3.3 空气隙长度为16.3 毫米时的磁感应强度对比
• 4.3.4 空气隙长度变化时磁感应强度的变化对比
• 4.3.5 激磁频率为4.5 赫兹时磁感应强度的对比
• 4.3.6 激磁频率改变时磁感应强度的对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 磁控电弧传感器的优化设计
• 5.1 概述
• 5.2 优化设计原理
• 5.3 有限元优化设计
• 5.4 磁控电弧传感器的有限元优化设计
• 5.4.1 问题分析
• 5.4.2 优化过程
• 5.5 磁控电弧传感器优化前后的电流扫描信号对比
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 一、结论
• 二、展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果