電子束焊接設(shè)備的計算機集成控制系統(tǒng)設(shè)計

1、電子束焊接設(shè)備的計算機集成控制系統(tǒng)設(shè)計葉漢民，劉曉菲（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）摘要：本文介紹了一種基于計算機和PLC控制技術(shù)的電子束焊接控制系統(tǒng)。通過PLC控制技術(shù)實現(xiàn)焊接過程的自動化，并采用高頻逆變高壓電源，實現(xiàn)高壓的自動化聯(lián)鎖保護，改善電子束斑品質(zhì)、提高焊接工藝。結(jié)合設(shè)備的技術(shù)要求和工藝需要，設(shè)計了計算機通信軟件和PLC應(yīng)用軟件。最后，通過設(shè)備的實際運行驗證該設(shè)計方法的可行性。關(guān)鍵詞：PLC；電子束焊接；高壓電源；控制系統(tǒng)1 引言電子束焊接技術(shù)是20世紀60年代從高能物理中發(fā)展起來的一門高新加工技術(shù)，融合了當今先進的科學(xué)技術(shù)，并成功應(yīng)用到國民經(jīng)濟如原子工

2、業(yè)、特別是國防工業(yè)、航空工業(yè)、汽車制造、自動控制等對電子束焊機有特殊工藝要求的領(lǐng)域。它包含了PLC技術(shù)、計算機、自動控制、精密機械、電磁場與高電壓工程、真空技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等多種專業(yè)學(xué)科的機電一體化新技術(shù)1。本文重點研究智能控制技術(shù)和計算機技術(shù)在電子束焊接設(shè)備中的集成設(shè)計方法，并通過設(shè)備的實際運行結(jié)果驗證設(shè)計方法的可行性。 2 高壓電源及其控制系統(tǒng)的組成在電子束焊接過程中，要求電子束重復(fù)性好，工藝穩(wěn)定，焊縫成型好，電子束焊設(shè)備能長期穩(wěn)定可靠工作，而高壓電源及其控制系統(tǒng)是電子束焊設(shè)備的關(guān)鍵部分，它主要為電子槍提供加速電壓，其性能的好壞直接關(guān)系著設(shè)備工作的可靠性和電子束焊接工藝，嚴重時會損壞工件并引

3、起設(shè)備和人身事故2。結(jié)合以上要求，在本文的集成控制系統(tǒng)設(shè)計中，高壓電源使用高頻逆變技術(shù)，該技術(shù)的使用能夠減小電源的濾波電容量和控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，從而實現(xiàn)對高壓打火的快速保護。 電子束焊機高壓電源控制系統(tǒng)主要由主電路、控制電路和PLC控制軟件組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。 2.1 主電路的構(gòu)成主電路由EMC濾波電路、晶閘管直流調(diào)壓模塊、逆變電路、高壓整流電路等組成，其電路原理框圖如圖2所示：1EMC濾波回路。主要由L和C組成的電源線路濾波器附加入電路的內(nèi)部，包括常模抑制和共模抑制電路，能有效抑制常模和共模噪聲。2.可控整流電路。由集成一體化智能調(diào)壓模塊組成，電感L1和電容C3組成濾波電路以獲得較

4、為平穩(wěn)的直流電壓，Rc和Rd組成精密的反饋取樣電路，確保輸出電壓在控制電路的作用下保持穩(wěn)定。3.逆變電路。包括半橋電容C、IGBT、高壓變壓器、保護元件等。4.高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護電阻及取樣電路組成。2.2 控制電路的組成：控制電路由整流移相控制電路、PI給定調(diào)節(jié)電路、PWM及其驅(qū)動電路等組成。1.整流控制電路由厚模集成電路集成在調(diào)壓模塊內(nèi)，工作過程為整流后的直流電壓經(jīng)電阻分壓器取樣并經(jīng)電量隔離電路送入PI調(diào)節(jié)器的反饋端，PI調(diào)節(jié)器在給定和反饋的共同作用下并經(jīng)放大后輸出一直流信號給智能調(diào)壓模塊控制端以控制可控硅的導(dǎo)通角，實現(xiàn)直流輸出電壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。2.PI給定調(diào)節(jié)

5、電路由PLC和D/A模塊、PI調(diào)節(jié)器、反饋信號取樣及隔離電路等組成。3.PWM及其驅(qū)動電路的電原理圖如圖3，PWM信號由TL494調(diào)制，TL494內(nèi)部的另一放大器外接電流信號作為過流保護用。3 電子束焊機的工作原理及控制系統(tǒng)組成3.1 電子束焊機的工作過程電子束焊接機的工作過程是真空系統(tǒng)完成對電子槍和焊接室的抽真空任務(wù)后（此時電子槍及焊接室的真空度滿足工作要求），分別加上聚焦電源和偏壓電源，聚焦電源為電子槍建立聚焦磁場，偏壓電源控制和調(diào)節(jié)電子束流的大小。打開閘閥，加上陰極電源后合上高壓，至此焊接機處于等待焊接狀態(tài)。如果工作及工作臺位置均已準備好，按下焊接按鈕，設(shè)備開始下束，通過調(diào)節(jié)電子束流給定

6、和工作臺速度大小來實現(xiàn)對焊接線能量的調(diào)整，以滿足焊接工藝的要求。如果需要對電子束進行“攪拌”焊接可以加上掃描電源，電子束被掃描成圓、橢圓、半圓等多種圖形以實現(xiàn)“攪拌”焊接的作用。3.2 控制系統(tǒng)組成整個系統(tǒng)采用PLC及其自動控制技術(shù)，以PLC為核心對設(shè)備各控制系統(tǒng)進行模擬和數(shù)字控制，同時A/D、D/A單元分別實現(xiàn)工作臺運動速度的給定和高壓、束流的轉(zhuǎn)換，通過PLC的邏輯運算輸出模擬量來控制高壓、束流的給定。整個系統(tǒng)包括高壓控制系統(tǒng)、束流控制系統(tǒng)、聚焦控制系統(tǒng)、陰極加熱電流控制系統(tǒng)、真空及閥門控制系統(tǒng)、工作臺運動控制系統(tǒng)、計算機聯(lián)機控、偏轉(zhuǎn)掃描控制系統(tǒng)、測量及故障顯示等，其控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示

7、： 1高壓控制系統(tǒng) 高壓控制系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)器、高壓電源、反饋環(huán)節(jié)、功率放大等組成。PLC經(jīng)內(nèi)部運算和D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器在反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制作用下控制高壓電源的高壓輸出，以實現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)以及對高壓的聯(lián)鎖控制。2 束流控制系統(tǒng) 束流控制系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)器、偏壓電源、反饋環(huán)節(jié)、功率放大等組成。PID經(jīng)內(nèi)部運算和D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器在反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制作用下控制偏壓電源的偏壓輸出，實現(xiàn)對電子束流的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)以及對焊接工藝參數(shù)的控制。制。3 聚焦控制系統(tǒng) 聚焦控制系統(tǒng)由聚焦電源、聚焦線圈及PLC的控制指令組成，PLC管理聚焦電源的開啟

8、及與其他控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖，保證設(shè)備處于聚焦狀態(tài)。4 陰極加熱電流控制系統(tǒng) 陰極加熱電流控制系統(tǒng)控制陰極加熱電流的大小，保證電子槍的陰極能發(fā)射出足夠的電子數(shù)目。PLC控制陰極電源的開啟和陰極與高壓、真空、閘閥等的聯(lián)鎖。5 真空及閥門控制系統(tǒng) 真空及閥門控制系統(tǒng)保證設(shè)備具有正常的真空工作環(huán)境，主要由各種真空泵、閥門等組成。PLC對真空系統(tǒng)的控制分為手動和自動兩種功能，手動時PLC根據(jù)輸入條件判斷閥門、泵的正常狀態(tài)，閥門、泵的開啟由人工控制，其開關(guān)動作還是由PLC完成。自動時PLC根據(jù)程序要求自動完成對設(shè)備的抽真空任務(wù)，泵、閥門、真空度的狀態(tài)判斷和聯(lián)鎖條件均通過PLC軟件來實現(xiàn)。6 工作臺運動控制系統(tǒng)

9、：工作臺運動控制系統(tǒng)由PWM信號發(fā)生器、驅(qū)動電源、步進電機、運動機構(gòu)及夾具組成。工作臺運動控制分為手動控制和計算機的聯(lián)機控制，手動時PWM信號由PLC產(chǎn)生，具體的工作過程是速度模擬量給定經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入給PLC，PLC通過內(nèi)部功能處理，產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)高速信號輸出口Y0、Y1分別送到X、Y軸的驅(qū)動電源接口上，速度大小的調(diào)節(jié)通過改變模擬量給定的大小來實現(xiàn)，模擬量給定改變后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后到PLC內(nèi)部的數(shù)字量亦發(fā)生改變，經(jīng)PLC運算后形成的PWM信號頻率亦發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對工作臺的運動控制。當計算機聯(lián)機控制時，由計算機控制和管理工作臺的各種運動、焊接過程及焊接工藝。7 計算機聯(lián)機控制：計算機聯(lián)

10、機控制是用來控制PLC和計算機之間的指令傳輸，PLC指令通過RS232通訊輸入給計算機，計算控制指令通過開關(guān)板和隔離板把計算機信號輸入到PLC，由此實現(xiàn)PLC對計算機和焊接過程的實時控制。聯(lián)機時，驅(qū)動電源的PWM信號由計算機發(fā)出，通過驅(qū)動電源驅(qū)動步進電機來控制工作臺的運動。8 偏轉(zhuǎn)掃描控制系統(tǒng) 由偏轉(zhuǎn)電源和偏轉(zhuǎn)線圈組成，實現(xiàn)對電子束的偏轉(zhuǎn)和掃描。測量及故障顯示 用來測量有關(guān)焊接工藝參數(shù)、故障類型顯示，供操作人員調(diào)整和控制。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)以上對電子束焊接設(shè)備的組成及控制原理的分析，集成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖4所示：5 結(jié)束語電子束焊機采用PLC控制，結(jié)合計算機的通訊技術(shù)，實現(xiàn)焊接過程的實時控制，同時高壓電源的控制系統(tǒng)采用PLC技術(shù)后，設(shè)備的工作可靠性和穩(wěn)定性得到提高，而且集成控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，有利于焊接工藝調(diào)整和方便設(shè)備的維修和調(diào)試。電子束焊機的運行結(jié)果表明，PLC控制電子束焊機的硬、軟件，計算機的數(shù)控軟件安全可靠，提高了電