（机械电子工程专业论文）ups金卤灯电弧管泡壳成形设备监控系统的研究.pdf

摘要 u p s 金卤灯电弧管泡壳成形设备监控系统的研究 硕士研究生：张丙伟指导教师：赵坚玉教授 学校：东南大学 摘要 作为u p s ( u n i f o r m p u l s e s t a r ts y s t e m ) 金卤灯生产线的关键设备一p s 金卤灯电弧管泡壳威 形设备监控系统的研究。是为了满足u p s 金卤灯大批量生产的需要，严格控制电弧管泡壳的精确成 形而进行的。作为金卤灯生产线上的首道工序。泡壳成形质量的好坏，直接影响后几道工序的成品 率和电弧管的内在质量。因此，本系统的研制成功必将提高金卤灯生产线生产水平，提高u p s 金卤 灯的质量，具有重大的经济效益和实用价值。 本论文根据制灯工艺和电弧管泡壳成形的要求，研究了u p s 金卤灯电弧管泡壳的生产工艺和成 形机理，在此基础上，以p l c 为主控制器，伺服电机为主要驱动部件，结合触摸屏为人机界面，开 发了一套监控系统。 本文共分为五章：第一章为论文概述部分，阐述了奉论文的课题背景以及研究意义。第二章介 绍了u p s 金卣灯的工作原理及电弧管设计。第三章在分析了泡壳成形机理的基础上，结合系统的控 制要求给出了控制系统的总体设计；并进行控制系统的硬件设计；在原有程序的基础上结合触 摸屏的使用。将程序进行了改进使触撰屏和p i _ c 能够进行有效联动；第四章结合人机工程学原理， 介绍了触摸屏在控制系统中的应用，并根据生产实际情况，进行了详细的界面设计：最后一章是本 文小结。 关键词：u p s 金属卤化物灯触摸屏人机界面伺服系统泡壳成形 东南大学硕士学位论文 t h er e s e a r c hf o rs u p e r v i s i n gs y s t e mo fq u a r t za r ct u b e f o r m e de q u i p m e n to fu n i f o r mp u l s es t a r ts y s t e m m s c a n d i d a t e ：z h a n gb i n g - w e i s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oj i a i l - y g a b s t r a c t 1 1 1 a tt h ek e ye q u i p m e n tf o ram h lp r o d u c tl i n ei sq u a r t za 托t u b ef o r m e de q u i p m e n to fu n i f o r m p u l s e s t a r t s y s t e m ( u p s ) t h er e s e a r c h f o r t h ee q u i p m e m i s d o n e i n o r d e r t os a r i s 奇l a r g e b a t c h p r o d u c t i o n 。 a n dc o n t r o le x a c t l yt h ep m c i m o l d i n go ft h eq u a r t za f ct u b e a r et u b es h a p i n g , a st h ef i r s tl i n ki nt h e p r o d u c t i o np r o c e s s , h a sad i r e c ti n f l u e n c eo ry i e l dr a t ea n dq u a l i t yo f t h et u b e sw h i c ha r em a n u f a c t u r e di n t h ef a l l o w i n gw o r k i n gp r o c e d u r e t h e r e f o r e ，i ft h es u p e r v i s i n gs y s t e mi sw o r k e do u t ，i tw i l li m p r o v et h e p r o d u c t i o nl e v e lo fm h lp r o d u c tl i n ea n dt h eq u a i l t yo ft h em e t a ih a l l d e1 a m p s m o r e o v e r , t h e r ew i l lb e m o m e n t o u se c o n o m i cb e n e f i t sa n dp r a n t i c a lv a k t e sg e n e r a t e db yt h es y s t e m i no r d e rt og r a t i f yt h er e q u i r e m e n t so fl a m pp r o d u c t i o na n db u b b l ef o m n n 舀8m e t h o do fi m p r o v i n g t h es h a p i n gp r e c i s i o no fq u a r t zb u b b l ei sg j y e ni nt h i st h e s i s , a n db a s e do l lt h i s ，t h es u p e r v i s i n gs y s t e m ， w h i c ht a k e sp l ca st h eb a s i cc o n t r o l l i n gu n i t , s e r v om o t o ra st h ed r i v i n gi x a n s m i s s i o nu n i t , a n dt o u c h i n g p a n e l h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m l ) i sd e v e l o p e d t h e ee r ef i v ec h a p l e l sd e s c r i b e di nm i st h e s i s i nc h a p t e r1 t h eb a c k g r o u n da n ds i g n m e a n g eo f t h e r e s e a r c ha l ed e s c r i b e d ；i nc h a p t e r2 t h eo p e r a t i n gp r l n e i p l eo f u p sa n dt h ed a s i g no f t h et u b ea r es t u d i e d ； i nc h a p t e r3 t h ec o n t r o l l i n go b j e o t sa n dr e q u i r e m e n t sm i n t r o d u c e d , w h i l et h ep r i n c i p l eo f q u e r t zb u b b l e t n e c i s ef o r m i n gi sa l s os t u d i e d b a s e do r it h e s e t h ew h o l ed i g ns c h e m eo ft h es u p e r v i s i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e d a f t e rt h i s , t h eh a r d w a mo ft h i sc o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e s i g n e d s u b s e q u e n t l y , t h eo r i g i n a l p r o g r a mi si m p r o v e do w i n gt ot h eu s eo fh m is ot h a tt h eh m a n dp l cc 口c o r m s p o n dw i t he a c ho t h e r e f f i c i e n t l y ；i nc h a p t e r4 t h eu s eo f h m li nt h i sc o n t r o l l i n gs ”t e mi se x p o a n d e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo f e r g o n o m i c s , a n dn e c e s s a r yi n t e r f a c e sa r ed e s i g n e db yt a k i n gt h ep r o d u c t i o nf a c ti n t oa c c o u n t ；i nt h el a s t c h a p t e r , t h ew o r ko f t i t i sd i s s e r t a t i o n ss u m m a r i z e d k e y w o r d s ：u n l ，f o r mp u l s es t a r ts y s t e m ；m e t a lh a l i d el a m p ；t o u c h i n gs c r e e n ； h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ；s e r v os y s t e m ；q u a r na r et u b ef o r m i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与叠一同工作的同志对本 研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 邀煎! 争日期：垫竖生l 垄县 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：琴遮塑鱼导师签名：逝日期：壁。；生；至且 第一牵概连 第一章概述 1 1 前言2 l 1 5 1 控制人口、节约资源和保护环境是当今世界各国共同关注的三大问题。电能作为由初级能量资 源转化而来的二次能源，是国民经济以及人民日常生活中最为广泛普遍使用的现代化能源，而电力 的生产和消费又是和环境保护密切相关的。上个世纪九十年代初期，美国环保局( e p a ) 首先提出 实施跨时代的绿色照明工程( g r e e nl i g h tp r o g n 蚰) ，旨在节约电能，保护环境。绿色照明的核心就 是通过科学的照明设计采用效率高、寿命长安全和性能稳定的照明电器产品( 电光源、灯用电 器附件、灯具、配线器材以及调光控制调和控制器件) ，最终达到高效、舒适、安全、经济、有益环 境保护和改普，且能提高人们工作、学习、生活的条件和质量，有益于人们身心健康，有利于资源 的合理利用和可持续发展。基于它对人类社会发展的重要意义，很快地得到联台国的支持和许多发 达国家、发展中国家的重视，井积极采取相应的政策和技术措施，推进绿色照明工程的实施和发展。 目前美国、日本、法国、丹麦、英国等发达国家和一些发展中国家都相应制订了推进照明节电的“绿 色照明”工程计划。我国国家经贸委也从一九九三年开始把照明节电提到与能源、环境和经济协调 发展的战略高度，并于一九九四年开始组织实施制订中国“绿色照明”工程计划，在上海、广东，北 京等地区组织制订开展试点方案。一九九六年十月由国家经贸蚕牵头，国务院有关部门参加的“中国 绿色照明工程”协调领导小组在京成立旨在发展和推广我国高效节能的照明电器产品，节约照明用 电减少环境污染 我国是一个人口众多的国家同时又是一个资源和能源特别是电能紧缺的国家。目前全国仍有 相当多的省市处于严重缺电状态，有的地区高峰缺电达3 0 。据统计，2 0 0 2 年我国发电总装机容量 为3 5 6 亿千瓦，2 0 0 3 年将达到4 亿千瓦。国际电联根据2 0 2 0 年我国国内生产总值翻两番奋斗目标 铡算，到2 0 2 0 年，我国垒社会用电量将是目前的2 6 倍，达4 2 0 0 0 亿千瓦对，这就要求全犀盛装机 容量要从3 5 6 亿千瓦提高到9 亿千瓦左右。届时，三峡工程2 6 台机组全部投产发电，加上金沙江 以及全国各省市自建小水电、火电机组发电，仍不能满足需求。电力缺口的增大已经成为制约我国 经济快速发展的瓶颈。面对如此严峻的电力供求状况，中共中央在制定国民经济和杜会发展“九五” 计划和2 0 1 0 年远景目标的建议中，明确指出：要“坚持资源开发与节约并举，把节约放在首位”。最 近又提出“要把控制人口、节约资源、保护环境放到重要位置，使人口增长与社会生产力发展相适应， 使经济建设与资源、环境相协调，实现照性循环”节约电能意味着发电量可相对减少，一方面可以 节约有限的资源，造福子孙后代；另一方面可以相对减少石化燃料燃烧发电所产生的c 0 2 、s 0 2 等 有害物质的排放，对于环境的保护有着极其重要的意义。由此可见节约赉源和能源特别是节约电 能对保护人类赖阻生存的地球环境，是一项严峻和紧迫的任务。开展绿色照明工程、节约有限的资 源是当务之急。 电光源是照明体系的核心和主体，目前用于照明的电光源一般分为白炽灯、气体放电灯和其他 电光源三大类。其中自炽灯包括普通白炽灯( i n c a n d e s c e m l a m p ) 和卤钨灯( t u n g s t e n h a l o g e n l a m p ) ； 气体放电灯( g a sd i s c h a r g el a m p ) 又分为低气压放电灯( 包括荧光灯和低压钠灯) 和高强度气体放 电灯( 包括高压汞灯、高压钠灯、金卤灯) ；其他电光源主要有发光二极管( l e d ) 。表1 1 所示为 几种主要电光源的技术性能指标。由比较可见，金卤灯在光效、显色性能和寿命上具有很大的优势 而在我国实际照明应用中最为广泛的白识灯的发光效率最1 氐且寿命最短。因此金卤灯作为新一代的 高效节能光源，代表了世界照明光源的发展趋势和主导潮流，它的研制和推广应用，必将积极推动 我国绿色照明工程的实施和深入 东南大学硕士学位论文 表1 i 主要电光源的技术性能指标 光源品种光效( i 1 ，w ) 色温c k )显色指数( r a )平均寿命( h ) 白炽灯1 52 8 0 01 0 0 10 0 0 高压汞灯 5 0 33 0 0 43 0 04 56 0 0 0 紧凑型荧光灯 6 0 全系列 8 0 8 480 0 0 金卤灯 7 5 1 2 030 0 0 45 0 0 ，56 0 0 6 5 - - 9 260 0 0 2 0 0 0 0 高压钠灯 舶1 4 0l9 5 0 22 0 0 ，25 0 0 2 3 2 4 0 0 0 1 2 金卤灯的现状与进展忙i 1 1 哪 金卤灯( 金属卤化物灯的简称) 是高强度气体放电灯中重要的一员，随着我国的现代化建设， 特别是城市化建设的高速发展，以及人们对照明品质水平要求的不断提高，金卤灯以其节约能源、 高光通量、高发光宰，高发光强度、高显色性、多色调、多品种以及长寿命婷优点，受到人们的青 睐，将越来越发挥其重要作用。进入九十年代以来，它进一步从室外泛光照明延拓到室内照明，现 已被广泛地应用于体育场馆、车站码头、道路交通、建筑工地、宾馆商场、工厂车间、庭园草坪等 地方，在许多领域已经取代了白炽灯、高压汞灯及高压钠灯，是现在与未来光源的重要品种 但金属卤化物灯的制造工艺较复杂，对原材料及配套件的要求高，使得制灯成本和一次性投入 的使用成本较高。因此金属卤化物灯至今还是个不断在改进不断在提高，又不断推出新产品 的新型高强度气体放电光源。近年来，金属卤化物灯又取得一些新进展，并开拓了一些新的应用领 域，下面就分别介绍这些金属卤化物灯的进展情况。 1 2 1 多功能用金属卤化物灯 为了扩大金属卤化物灯的推广应用，对灯泡的内在性能进行了改进( 主要是启动性能和光通维持 率性能) ，使灯不仅能在高压汞灯配套电器上工作。而且也能在高压钠灯的配套电器上工作。这样就 较方便地用金属卤亿物灯来替换高压钠灯或高压汞灯，其性能参数比较见表1 , 2 表1 3 。 表i 22 5 0 w 金属卣化物灯与高压钠灯、高压汞灯比较 灯蜮型型号蜘蝴 打功率煳量光效 色温 h 鞘暑龠 h w th q2 5 0 霄 汞灯电器2 5 0i9 ot 6$ 0 06 52 0 0 0 0 金属卤化舸灯僦。1 1 。；? ：黧竺竺”。 2 。”“”6”“。 ( ”托f 劲竹盯螺 2 钟2 2 蛳4 蛳“1 50 0 0 高压精灯s 吖t2 5 0 w钠灯电嚣2 5 02 10 9 01 1 2i9 5 0 2 0“0 0 0 高压汞灯肿l n 2 5 d w 汞灯电爵 2 5 0i2 t 0 0 4jo d 4 01 5o o o 表i 34 0 0 w 金属卤化物灯与高压钠灯、高压汞灯比较 灯髅型型号蜘电嚣 灯功率光通量光效 色温 h 平均寿龠 hp i - th _ 柚d w 汞灯电器 9 0 o o o9 04 ，d of2 00 0 0 蜘由化柳灯= h 1 11 - l m h , 悝4 0 0 w l l l ：t j 电嚣 撕珏哪 0 0 0舒 2 帅 靳i i 心i 翟b 蚺灯电器4 q 0 呻oi i o曲oj 2 d o 矗压铺灯s o n t 柚n 瞢 高压汞灯h 儿一n 4 0 0 霄 婀电蓐 4 no o 口1 2 0i9 5 02 02 o 汞灯电薯d2 20 0 0s 5，9 0 d0i jo o o 由表1 上和表1 ，3 可看出，当用相同规格的金属卤化物灯替代高压钠灯时。比高压钠灯的低色温 ( 1 9 5 0 k ) ，低显色( r a - - 2 0 ) 的性能有了很大的改善( , m 0 0 k ，r a 5 ) 。这样使照明环境太大的得到了改 善，而光效和寿命稍有降低。同样，当用相同规格的金属卤化物灯替代高压汞灯时，比高压汞灯的 显色性( r a = 4 0 ) 有较大的改善( r a = 6 5 ) ，而光效则有大幅度的提高( o 5 l 倍) ，灯的平均寿命也相近。 因此，在一些发达国家正在用这种多功能用的金属卤化物灯替代高压钠灯或高压汞灯。 2 第一章概述 表1 2 和表1 ，3 所得到的数据是金属卤化物灯在高压钠灯或着高压汞灯配套电器上工作所测得 的，若是在金属卤化物灯自己配套的电器上工作，其灯功率、光通量、光效、色温、平均寿命等值 会远远优于上述两表中的数据 1 2 2 无汞金属卤化物灯 在高强度气体放电灯中，特别是在金属卤化物灯中，汞是灯内的主要填充材料之一，在设定灯 的功率下，充汞的作用在下提高灯的电压。降低灯电流，以提高点灯系统的效率。但汞是对环境有 害的材料，在产品生产中应努力排除采用有毒、有害材料，以造福于人类。因此。无汞金属卤化物 灯的研究课题应运而起。下面简单介绍目前取得的进展： i改变不同金属卤化物的摩尔比 无汞金属卤化物灯与吉汞金属卤化物灯相比，表现出低的灯电压和光效，在无汞s c l 3 - n a l 型金 属卤化物灯的试验中发现，灯电压将随着s c l 3 对n a i 摩尔比的提高而上升，但光效的最佳值出现在 s c l 3 的摩尔比为2 6 时。 为了改善缺少汞带来颜色的变化，在这种无汞金属卤化物灯中再添加少量的i n i 后，可得到与充 汞金属卤化物灯相同的光色。 2 填充新的金属材料替代汞 从物理学的角度看，如果要在h i d 灯中替代汞的材料需要满足一定的条件：电子散射的动量传 递截面要大，中性粒子密度要大。激发和电离能量要大，以使灯电压上升并具有相对高的光效。还 能补充无汞辐射的色度等；此外。这种材料也要对电极，管壁和放电发光材料的影响要小。通过试 验，发现金属元素z n 可满足上述条件。由于z n 的能量水平较低及热量损失较大，需要在高的管壁 负载下工作( 管壁温度迭1 5 0 0 以上) ，因此放电管选用陶瓷管( a 1 2 0 3 ) 作管壁材料。 3 充入高压氙气 超高压球形氤灯是一种较理想的点光源，用于投射照明，灯内充入高压氙气( 5 0 6 6 2 5 1 0 1 3 2 5 l = p a ) 。但这种灯的光效较低( 3 0 4 0 l 州d ，灯电压也偏低。如果在球形氤灯内亮入金属卤化物，不 仅可提高光效，还可提高灯电压以提高点灯系统的效率实际上用这种方法开发出的汽车金属卤 化物灯( 灯内充入一定量汞，以提高灯电压) 已投入使用。如果灯内不充入汞，则可制成无汞汽车金属 卤化物灯，相应地灯电压较低，而光效及光色性能和充汞灯相近。 1 2 3 无极金属卤化物灯 无极放电金属卤化物灯由于没有电极，体积可以做得很小，寿命根长；没有电极热点，具有较 高的均匀的亮度；投有电极的溅射，具有较好的光遥和颜色的维持性能及较高的光效：没有电极的 腐蚀问题对金属卤化物有更多的选择性，以得到高显色、高光效和某些特殊用途的光谱输出。由 于它具有这些优点而具有研究和开发的吸引力，并且也可能开发成对环境无汞害的金属由化物灯。 目前正在进行开发研究的无极金属卤化物灯有二种激发方式：一种是电磁耦合型无极金属卤化 物灯，另一种是微波放电型无极金属卤化物灯。这类灯通过电磁场或微波的耦合，使发光营内形成 电弧发光。这类光源虽然放电管上技术难点得以缓解，但增加了点灯电路、电子器件及使用成本， 这些问题尚待完善解决。 1 2 4 陶瓷金属卤化物灯的新进展 自小功率( 3 5 1 5 0 w ) 陶瓷金属卤化物灯问世以来，因其比石英金属卤化物灯有更高的光效，更 长的寿命，更好的显色性能更紧凑的尺寸，及其高稳定性，近年来有着快速的发展。一些发达国 家已把小功率金属卤化物灯大量用于商业照明上随着生产规模的不断扩大，生产咸丰的不断降低， 不仅可在较大范围内替代石英金属卤化物灯，而且还会扩展其应用领域成为一个最具发展前景的 光谭。近年来，一些照明太公司都在致力于中功率陶瓷金属卤化物灯的开发，主要技术难点在于陶 瓷管壳的开发。陶瓷金属卤化物灯的另一趋势是开发更低功率，更小型化的光源。这种灯采用电子 镇流器，可配制成高级办公照明灯具，进入高档商务办公室应用，也可能进入家庭照明领域。还可 应用于汽车照明。 东南大学硕士学位论文 1 2 5u p s 金属卤化物灯 上世纪9 0 年代以来，美国各制灯公司相继对灯的性能进行了改进和提高，改进后的灯称为u p s ( 脉冲启动型) 金属卤化物灯。这种灯的放电管没有启动电极，通过在放电管内充入微量氪气体，或在 放电管外装微型u v 营，使灯在触发器的作用下易于启动。氟气体和u v 管的作用都在于使放电管 内产生初始电离从而可降低灯的启动电压美国v e n t u r el i g l l t i n g 公司对电弧管的结构形状作了很 大的改进：这种电弧管的形状为椭球形腔体，与放电电弧形状吻合，椭球状管壳也比一般的圆柱形 管壳耐压，可工作在更高的金属蒸汽压强下。同时，电弧管的电极压封部分体积小，减少了热导损 失，提高电弧管冷端的温度。v e n t u r el i g h t i n g 公司新的高性能u p s 金属卤化物灯技术是整体的玄r - 镇流器- 启辉器设计，能够协调工作，为实际的应用提供了最适合的照明光源。 1 3 金卤灯生产设备的现状与发展1 7 1 设计出先进的金属卤化物灯生产装备，是保证优秀光源质量的关键。虽然国外公司研制金卤灯 生产设备时间较早，但后来那些公司大多转向别的产品。同时，国内公司及科研单位后来居上，在 借鉴国外生产线的生产经验和技术的基础上通过自主开发、研制了一系列金卤灯生产设备，其设 备生产线处于国内领先，达到了国际先进水平。因此。下面就着重介绍国内金卤灯生产设备的现状 与发展，而具有代表性的金卤灯生产设备为东南大学电光源研究中心研制的金卤灯生产设备系列。 1 3 1 金卤灯生产设备的现状 根据电弧管材料的不同，金卤灯可以分为石英金卤灯和陶瓷金卤灯两种。根据灯功率和工艺技 术韵不同，我们把上述两种灯又可以分别分为：超小功率金卣灯( 灯功率3 5 w 及以下的金卤灯系列】、 小功率金卤灯( s o w 、7 0 w 、1 0 0 w 、1 5 0 w 系列) 、中功率金卤灯( 1 7 5 w ，2 5 0 w 、3 2 0 w 、4 0 0 w 系列1 、 大功率金卣灯( 4 0 0 w 以上系列) ，每个系列又有不同的规格，之所以把金卤灯分成系列，是因为每个 系列之闻的灯管结构设计、制造工艺是不同的制灯设备也不同。 由1 2 节可看到，目前国内中功率金卤灯应用非常广泛，而且需求量非常大。因此根据实际需 求状况。并结合国家“九五”攻关课题j 金属卤化物灯生产工艺和设备的研究”，本论文将研究重 点放到中功率金卤灯生产设备的研制上。下面就简单介绍中功率金卤灯生产设备状况。 1 3 2 中功率金卤灯生产设备 中功率金卤灯系列有1 7 5 w 、2 0 0 w 、2 5 0 w 、3 0 0 w 、3 2 0 w 、3 5 0 w 、4 0 0 w 等规格。中功率金卤 灯目前为单端灯，电弧管有圆柱形与椭球形两种，制灯设备相对子小功率的要少一些。中功率金卤 灯在工艺技术上的要求比小功率低一些，目前国内研制的中功率金卤灯生产设备已达到已达到二十 世纪九十年代国际水平，主要有t i ) 电弧管半自动接捧气管机；2 ) 龟弧管半自动压封机；3 ) 电弧臂半自动排气视：4 ) 其他设备；如 涂粉帆、老练机、启动性能测试机、封口机、外管排气机等。机器工作时，除人工上下料外，其余 工作过程由p l c 控制自动完成 1 3 3 金卤灯生产设备的发展 制灯设备是为制灯工艺服务的，制灯工艺是通过制灯设备来实现的，因此通过对金卤灯及其生 产工艺发展的分析，可以看出垒卤灯生产设备的发展趋势是： 1 ) 为了提高产品质量。要求金卤灯电弧管腔体内的杂质舍量越少越好，采用什么方法来保证电 弧管腔体内的杂质含量最少，是生产设备要解决的问题。 2 ) 为了保证金卤灯的质量，实现上述要求，尤其是超小功率金卤灯的生产。部分工序是在超净 同手套箱内进行的，所以耍解决大型手套箱问题。 3 ) 具有超挣工作状态要求的生产设备，将向生产过程自动化方向发展，其他工序的生产设备将 向单机自动半自动、批量化( 高生产率) 方向发展 4 第一章橇述 1 4 本论文的主要研究内容 本论文研究内容主要有以下几方面： 1 4 1u p s 金卤灯电弧管泡壳结构形状 为了改善灯的光电性能，延长灯的使用寿命，需要得到均匀的管壁温度分布，提高电弧管壁的 冷端温度，为此将u p s 金属卤化物灯的电弧管做成榷球形腔体，使电弧管泡壳腔体形状与放电电弧 的形状相一致，并且减小两端电极压封体积。因此本监控系统研究如何生产出椭球形泡壳形状。 1 4 2p l c 部分的主控制程序设计 结合原有硬件控制电路，对p l c 控制程序进行设计，并结合触摸屏程序进行调试。通过对现场 的各种开关量，模拟量等信号进行读取并处理后，完成对执行机构的驱动和控制。通过p l c 控制现 场电磁阀、电机、触摸屏等进行协调工作。 1 4 3g p 界面显示、控制程序设计 根据生产工艺的要求，需要设计一些显示、控制界面主要包括：开机界面、主界面、生产运 行界面( 可显示各工况运行情况) 工艺参数设置界面( 设置惨改重要工艺参数等) 、系统参数设定 界面等。并使用d s c r l p t 脚本编程语言进于亍相应数据运算、条件判断，控制等程序的编写。 1 4 4 重要工艺参数的设定，修改、部分工况状态显示 在完成界面设计以后，就可以用触摸屏替代传统控制面板和键盘进行各种操作。可以通过触摸 屏操作改变p l c 内部位状态、存储器数值，设定，修改生产过程中需要的一些重要工艺参数，从而使 触摸屏参与过程控制；它还可以数据、曲线、图形、动画等形式来反映p l c 内部位的状态、存储器 的数值，从而直观显示控制系统各工况运行状态。 1 5 论文的意义 随着我国的现代化建设，特别是城市化建设的高速发展，以及人们对照明品质水平要求的不断 提高，金卤灯以其节约能源、高光通量、高发光率、高发光强度、高显色性、多色调、多品种以及 长寿命等优点，受到人们的青睐，将越来越发挥其重要作用。进入九十年代以来，它进一步从室外 泛光照明延拓到室内照明，现已被广泛地应用于体育场馆、车站码头、道路交通、建筑工地、宾馆 商场、工厂车间、庭园草坪等地方在许多领域已经取代了白炽灯、高压汞灯及高压钠灯，是现在 与未来光源的重要品种。 上世纪9 0 年代以来，美国各制灯公司相继对灯的性能进行了改进和提高，改进后的灯称为u p s 金属卤化物灯。美国v e n t u r e l i g h r i n g 公司对电弧管的结构形状作了报大的改进：电弧管的形状为椭 球腔体，与放电电弧形状劫台；同时，电弧管的电极压封部分律积小，减少了热导损失，提高电弧 管挣端的温度。v e n t m el ig l t i n g 公司新的高性能u p s 金属卤化物灯技术是整体的灯镇流器启辉器 设计，能够协调工作，为实际的应用提供了最适合的照明光源。 而设计出先进的金属卤化物灯生产装备，是保证该优秀光源质量的关键。作为u p s 金卤灯生产 线的关键设备u p s 金卤灯电弧管泡壳成形设备的监控系统的研究，就是为了满足u p s 金卤灯大 批量生产的需要，严格控制电弧管泡壳的精确成形作为金卤灯生产线上的首道工序泡壳成形质 量的好坏，直接影响后几遭工序的成品率和电弧管的内在质量。因此，此系统的研制成功必将提高 金卤灯生产线生产水平，提高l i p s 金卣灯的质量推广金卤灯的生产应用，满足人们对这种优质光 源日益增长的需求，具有重大的经济效益和实用价值。 东南大学硕士学位论文 第二章u p s 金卤灯工作原理及电弧管设计 自2 0 世纪9 0 年代以来，美国一家制灯公司相继对金卤灯的性能进行了改进和提高，改进后的 灯称为u p s 金属卤化物灯。( 1 ) 它采用脉冲启动方式( u n i - p l u ss t a r t ) ，即在金卤灯电极两端加以高电 压“脉冲”来触发灯，是用电感镇流器加电子脉冲触发器所组成的电路来点灯。因此这种灯的电弧 管没有辅助启动电极在电弧管内充入微量氖气体，或在电弧管外装微型u v 管，使灯在触发器的 作用下易于启动。氪气体和u v 管的作用都在于使电弧管内产生初始屯离，来降低灯的启动电压。 ( 2 ) 其电弧管的形状为椭球腔体，与放电电弧的形状相吻合；而且电弧管的电极压封部分体积较小。 脉冲启动方式的使用和结构上的改进，使得u p s 金卤灯与普通金卤灯相比，具有更高的光效、 更高的光通维持率、更好的光色一致性、更快的预热和启动以及更长的寿命，这种高性能u p s 金属 卤化物灯为实际的应用提供了最适合的照明光源。 2 1u p s 金卤灯的工作原理1 9 l u p s 金卤灯在燃点过程中，由于管壁和电弧中心温度相差很大金属卤化物会产生分解和再复 合的循环过程，具体的过程描述如下： 当金属卤化物灯最初点燃的时候，由于卤化物仍凝固在较冷的电弧管壁上，输出光谱线来自汞 蒸汽放电。随着电弧管壁温度升高，卤化物开始融化并蒸发。通过扩散和对流作用，卤化物蒸汽被 输运到了电弧管的高温区域。电弧的高温使卤化物分解成卤素原子和金属原子。在高温电弧核心， 金属原子受激发产生本征光谱辐射并发光。金属原子继续扩散，经过电弧空间井在较冷的电弧管壁 区域与卤素重新复合成卤化物。复合过程是非常重要的，它可避免化学性质活泼的碱金属对电弧管 壁的侵蚀。就这样，靠着这种扩散一分解一扩敝一复合的循环过程，不断向电弧提供足够浓度的金 属原子，同时又避免了金属在管壁的沉积。 上面的循环过程表明。加入灯内的金属卤化物，除了必须满足蒸气压高及不与石英玻璃起反应 外r 还应满足另外三个条件：o 在电弧温度( 2 5 0 0 k ) 下不稳定，它能够分解成金属原子和卤素原 子；o 在管壁温度下它能够保持稳定不会在管壁析出金属；0 在室温时其蒸气压低。 2 2u p s 金卤灯电弧管泡壳结构形状| l 州 通过对u p s 金卤灯工作原理的分析可知，u p s 金卤灯的电弧管在工作过程中，内部有着极其复杂 的高温化学反应，影响管内热平衡状态的因素很多，尤其是电弧管管壁的冷端温度( 灯工作时，一 部分金属卤化物蒸发参与放电发光，还剩下一部分金属卤化物凝聚在灯的某一部位，这个被凝聚的 灯区域是灯温度最低区域，称之为电弧管的冷端区域，该区的温度称为冷端温度) 。只有保证灯的冷 端有足够高而稳定的温度，才会使金属卤化物添加剂蒸发，而不会在冷端凝结，从而确保灯内有足 够高而又稳定的金属卤化物蒸气压，使得电弧管有足够高而稳定的工作温度，进而保证电弧管正常 工作，并保持优良光度、色度性能。因此电弧管管壁的冷端温度决定了金属卤化物的蒸气压，对 其分解和再复合的循环反应过程至关重要，进而决定了灯的光电参数和使用寿命。而电弧管的冷端 温度主要取决于泡壳的形状、尺寸和电极位置等因素因此实际应用中应尽量使电弧管泡壳形状与 电极问的放电电弧( 等离子区) 形状一致，与电弧外围的等温曲线形状一致即石英腔体轴向各处 温度大体相等。 但是多年来，金属卤化物灯的泡壳是直接由石英管经压封而成的，其泡壳是圆柱形的，与放电 电弧的形状不一致，从而不能得到均匀的管壁温度；而且其电弧管的电极压封翼片大，具有较大的 熟损失，大大降低了电弧管的冷端温度。这种老工艺压封结构不利于体现金卤灯的优势，限制了它 的应用。因此近年来国内外各制灯公司相继对金卤灯的结构形状进行了改进，使灯的性能得到了 很大的提高，这种改进后的灯称为u p s 金卤灯。圈2 - 1 给出的是改进前后的金卤灯电弧管结构对 比图，其中a ) 图是改进后的u p s 金卤灯的电弧管结构图；b ) 图是改进前的使用压封工艺的金卤灯 电弧管结构图。 6 第二章u p s 金卤灯工作原理及电弧管设计 使用压封工艺的金卤灯电弧管是由一段石英管经加热至软化两端压封而成；而u p s 金卤灯的电 弧管是用较细的石英管加热至软化后放入模具，然后在管壳中通入高压气体吹制而成的。外面精密 模具保证了u p s 金卤灯电弧管精确的一致性和壁厚的均匀性。 由图2 1 可以看出，改进前后的金卤灯电弧管的结构有以下几 个区别： ( i ) u p s 金卤灯电弧管没有辅助启动电极从而避免了启动时 电极溅射引起的灯管发黑。 ( 2 ) 电弧管腔体形状不同。u p s 金卤灯电弧管的腔体形状为 椭球腔体，能与放电电弧的形状相吻合，从而可取得均匀的管壁 温度分布；而压封电弧管的腔体仍是圆柱形。并且椭球状电弧管 也比一般的圆柱形电弧管耐压，因此可工作在更高的蒸汽压强下。 ( 3 ) u p s 金卤灯电弧管的电极压封部分体积小。重量轻。从而 减少了热损失，提高电弧管冷端的温度。 这些结构上的改进，使u p s 金卣灯具有以下突出的优点： ( 1 ) 发光效率高。u p s 金卤灯电弧管由于壁厚均 匀、强度高，可以承受更高的管壁负载，能够在更高 的温度和更高的压力下工作；由于重量轻、热容量小， 冷端温度高，金属卣化物不会在冷端凝结，故而光效 要比改进前的金卤灯高得多。 a ) u p s 金卤灯椭b ) 金卤灯圆柱 球形电弧管形电弧管 图2 - - 1 改进前后电弧管结构对比图 ( 2 ) 光电参数特别是光色的一致性好。金属卤化物灯的光色参数主要取决于电弧管内汞和金属 卤化物的蒸气压。u p s 金卤灯电弧管的形状及壁厚的i 度一致性就保证了其中金属卤化物的蒸气压 一致性，也就是光色的一致性。 ( 3 ) 节能效果显著。当与普通的金卤灯相比时。u p s 金卤灯可使点灯系统每瓦的光通量提高 1 0 2 0 ，因此它使用更少的能量产生更多的光。是具有节能意识用户的理想选择 ( 4 ) 快速达到全光通输出，再启动性能好。u p s 金卤灯电弧管的重量大大减小( 特别是压封部 分明显减小) ，热损失也小，u p s 金卤灯电弧管的充气压力也高，这些都有利于快速启动和改进再启 动性能。 ( 5 ) 光通维持率高，光衰小，寿命长由于去掉了辅助启动电极，就完全消除了每次启动时钨 电极溅射引起的电弧管发黑。这就明显地提高了光通维持率，锺长了寿命。 2 3u p s 金卤灯电弧管的设计1 1 2 1 【”i 电弧管是u p s 金卤灯的心脏，也是决定灯的光电特性的关键因素，其设计决定了灯的基本性能。 本部分的设计要点主要有：选择合适的电弧管原材料、设计合理的电弧管几何形状、选定合适的管 壁负载w 、电弧管工作温度、计算出电弧管的壁厚等。 2 , 3 1 电弧管原材料的选择 金属卤化物灯在点燃期间不仅是一个气体放电与辐射的过程。而且也是一个高温化学的反应过 程( 即金属卤化物的分解与复合过程) 因而对放电管的材料有者严格的要求。 通过上面的金卤灯工作原理的分析可知，电弧管必须有较高的工作温度。一般选择石英玻璃作 为原材料。石英玻璃具有一系列优良的物理化学性能：耐高温，使用温度达1 1 0 0 1 2 0 0 ( 2 ，是透 明的耐火材料； 热睇胀系数特别小，热稳定性非常好；具有极佳的透光性能紫外线、可见光、 红外线都具有良好的透过率i 电绝缘性能好，电真空也很好，真空度可达1 0 _ 6 帕； 化学稳定性 好除氢氟酸外，盐酸、硫酸、硝酸及王水对它几乎没有腐蚀作用。正是由于这些良好的性能，所 以它可以作为u p s 盒卤灯电弧管泡壳的原材料。 石英玻璃的根本特性是s i 0 2 含量高，杂质极少。作为u p s 金卤灯电弧管原材料的石英玻璃，对 其羟基( o h 一) 含量要求严格因为羟基会使石英玻管的质量严重恶化。石英玻璃中析出的o h 一， 7 东南大学硕士学位论文 在金卤灯燃点过程中，可与s j 产生氧化反应，分解出h 2 ，并逐步扩散到电弧管腔体内。过量的h 会使金卤灯的启动电压升高，同时由于h 的存在，将会产生h - - o - - i - - w 循环，比。一i w 循环 对w 的腐蚀作用要强得多，严重影响了电弧管的质量和使用寿命。因此选择原材料时。石英玻璃的 羟基含量一定要低，并且在制造过程中要尽可能控制羟基的形成。 2 3 2 电弧管腔体形状设计 通过上一节对u p s 金卤灯工作机理的分析可知电弧管腔体形状对金卤灯工作稳定性和冷端效 应有很大影响其设计原则是使腔体形状尽可能与电极问的放电电弧( 等离子区) 形状一致，与电 弧外围的等温曲线形状一致，即石英腔体轴向各处温度大体相等。这样就能保证，在燃点过程中金 属卤化物厦其离子气流在腔体中快速均匀流动而不产生湍流，保持腔体内有最高的金属卤化物蒸气 压，从而提高光效和显色性能，增长灯的使用寿命。按照液体蒸发条件，放电管内金属卤化物的蒸 气压强不仅决定于金属卤化物的气化温度、石英腔体的最冷点温度，还决定于石英管壁上卤化物沉 积的梭相表面积以及流过金属卤化物表面气流的温度、速度，而金属卣化物的液相表面积又与填充 入内管中卤化物的数量，卤化物对石英表面的浸润能力以及腔体温度分描有关。实践证明，综合以 上因数，并考虑到电弧管加工的方便，椭球形的腔体是最理想的形状。实际生产的电弧管的结构如 图2 2 所示。 图2 2u p s 金卤灯电弧管腔体结构图 2 3 3 管壁负载w s 的选取 电弧管管壁负载( 所谓管壁负载是指单位面积上的灯功率) w 。趣大，金卤灯的光效越高，但同 时也会使管壁温度过高，造成石英泡壳析晶失透，影响光的输出和灯的寿命。一般u p s 金卤灯的色 温为4 0 0 0 k 左右一在兼顾灯的寿命和性能的条件下，选择电弧管工作温度为8 5 0 c 9 0 0 o ，管壁负 载w 。为： w i = w s ( 2 ，1 ) 式中：w 一灯的功率( w ) s 一电弧管放电有效内表面积( c m 2 ) 对于椭球形的电弧管，如图2 3 所示，其内表面积s 可以通过积分后算得： s = 2 x r ( 2 r 4 - l d ) s i n “( ，2 岛) 式中：j 一电弧管内电极问距( c m ) ，一电弧管的圆柱体内半径( c m ) 图2 3 椭球形电弧管几何尺寸 s ( 2 2 ) 第二章u p s 金卤灯工作原理及电弧管设计 2 3 4 电弧管壁厚的确定 电弧管的材料为石英玻璃时其壁厚应满足下式； j 2 业 o 4 0 。 式中：万一电弧管壁厚( 啪) ，k 一汞的工作气压( a r m ) d 一电弧管外径( ) 吒一石英电弧管的极限强度，吒= 9 8 0 k g c m 2 当上式条件得到满足时，灯的安全系数h ，21 0 。 2 3 。5 电弧管外径的确定 电弧管的外径可用式( 2 4 ) 求得： 州祟篙) 式中：d 一电弧管外径 p - - 电弧管输入功率 c s 一形状系数，其值可根据经验选取，电弧臂为球形或椭球泡壳时c s = _ p 1 一电弧管单位表面积通过热辐射向外辐射的功率 p 2 一电弧管单位表面积通过热传导而损耗的功率 p l 可从下式求得： p 、= s ps d ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中；一在温度为t 时石英电弧管表面的积分发射率，e = 4 7 6 t t 一工作温度( k ) 口镕一斯戎藩一波耳兹曼常数，4 2 5 6 7 0 3 2x i o - * w ( m 2 k 4 ) 只可从下式求得t 只：旦a j ( 2 6 ) 4 式中；a 一常数，a 叫1 0 - 4 d 一电弧管