电子束焊接设备的计算机集成控制系统设计

1、电子束焊接设备的计算机集成控制系统设计叶汉民，刘晓菲（桂林理工大学 信息科学与工程学院，广西 桂林 541004）摘要：本文介绍了一种基于计算机和PLC控制技术的电子束焊接控制系统。通过PLC控制技术实现焊接过程的自动化，并采用高频逆变高压电源，实现高压的自动化联锁保护，改善电子束斑品质、提高焊接工艺。结合设备的技术要求和工艺需要，设计了计算机通信软件和PLC应用软件。最后，通过设备的实际运行验证该设计方法的可行性。关键词：PLC；电子束焊接；高压电源；控制系统1 引言电子束焊接技术是20世纪60年代从高能物理中发展起来的一门高新加工技术，融合了当今先进的科学技术，并成功应用到国民经济如原子工

2、业、特别是国防工业、航空工业、汽车制造、自动控制等对电子束焊机有特殊工艺要求的领域。它包含了PLC技术、计算机、自动控制、精密机械、电磁场与高电压工程、真空技术、数控技术等多种专业学科的机电一体化新技术1。本文重点研究智能控制技术和计算机技术在电子束焊接设备中的集成设计方法，并通过设备的实际运行结果验证设计方法的可行性。 2 高压电源及其控制系统的组成在电子束焊接过程中，要求电子束重复性好，工艺稳定，焊缝成型好，电子束焊设备能长期稳定可靠工作，而高压电源及其控制系统是电子束焊设备的关键部分，它主要为电子枪提供加速电压，其性能的好坏直接关系着设备工作的可靠性和电子束焊接工艺，严重时会损坏工件并引

3、起设备和人身事故2。结合以上要求，在本文的集成控制系统设计中，高压电源使用高频逆变技术，该技术的使用能够减小电源的滤波电容量和控制系统的响应时间，从而实现对高压打火的快速保护。 电子束焊机高压电源控制系统主要由主电路、控制电路和PLC控制软件组成，其系统框图如图1所示。 2.1 主电路的构成主电路由EMC滤波电路、晶闸管直流调压模块、逆变电路、高压整流电路等组成，其电路原理框图如图2所示：1EMC滤波回路。主要由L和C组成的电源线路滤波器附加入电路的内部，包括常模抑制和共模抑制电路，能有效抑制常模和共模噪声。2.可控整流电路。由集成一体化智能调压模块组成，电感L1和电容C3组成滤波电路以获得较

4、为平稳的直流电压，Rc和Rd组成精密的反馈取样电路，确保输出电压在控制电路的作用下保持稳定。3.逆变电路。包括半桥电容C、IGBT、高压变压器、保护元件等。4.高压整流电路由高频高压硅堆、高压滤波电容器、保护电阻及取样电路组成。2.2 控制电路的组成：控制电路由整流移相控制电路、PI给定调节电路、PWM及其驱动电路等组成。1.整流控制电路由厚模集成电路集成在调压模块内，工作过程为整流后的直流电压经电阻分压器取样并经电量隔离电路送入PI调节器的反馈端，PI调节器在给定和反馈的共同作用下并经放大后输出一直流信号给智能调压模块控制端以控制可控硅的导通角，实现直流输出电压的稳定和调节。2.PI给定调节

5、电路由PLC和D/A模块、PI调节器、反馈信号取样及隔离电路等组成。3.PWM及其驱动电路的电原理图如图3，PWM信号由TL494调制，TL494内部的另一放大器外接电流信号作为过流保护用。3 电子束焊机的工作原理及控制系统组成3.1 电子束焊机的工作过程电子束焊接机的工作过程是真空系统完成对电子枪和焊接室的抽真空任务后（此时电子枪及焊接室的真空度满足工作要求），分别加上聚焦电源和偏压电源，聚焦电源为电子枪建立聚焦磁场，偏压电源控制和调节电子束流的大小。打开闸阀，加上阴极电源后合上高压，至此焊接机处于等待焊接状态。如果工作及工作台位置均已准备好，按下焊接按钮，设备开始下束，通过调节电子束流给定

6、和工作台速度大小来实现对焊接线能量的调整，以满足焊接工艺的要求。如果需要对电子束进行“搅拌”焊接可以加上扫描电源，电子束被扫描成圆、椭圆、半圆等多种图形以实现“搅拌”焊接的作用。3.2 控制系统组成整个系统采用PLC及其自动控制技术，以PLC为核心对设备各控制系统进行模拟和数字控制，同时A/D、D/A单元分别实现工作台运动速度的给定和高压、束流的转换，通过PLC的逻辑运算输出模拟量来控制高压、束流的给定。整个系统包括高压控制系统、束流控制系统、聚焦控制系统、阴极加热电流控制系统、真空及阀门控制系统、工作台运动控制系统、计算机联机控、偏转扫描控制系统、测量及故障显示等，其控制系统原理图如图3所示

7、： 1高压控制系统 高压控制系统由PID调节器、高压电源、反馈环节、功率放大等组成。PLC经内部运算和D/A转换输出模拟信号给PID调节器，PID调节器在反馈环节的闭环控制作用下控制高压电源的高压输出，以实现高压的稳定和调节以及对高压的联锁控制。2 束流控制系统 束流控制系统由PID调节器、偏压电源、反馈环节、功率放大等组成。PID经内部运算和D/A转换输出模拟信号给PID调节器，PID调节器在反馈环节的闭环控制作用下控制偏压电源的偏压输出，实现对电子束流的稳定和调节以及对焊接工艺参数的控制。制。3 聚焦控制系统 聚焦控制系统由聚焦电源、聚焦线圈及PLC的控制指令组成，PLC管理聚焦电源的开启

8、及与其他控制系统的联锁，保证设备处于聚焦状态。4 阴极加热电流控制系统 阴极加热电流控制系统控制阴极加热电流的大小，保证电子枪的阴极能发射出足够的电子数目。PLC控制阴极电源的开启和阴极与高压、真空、闸阀等的联锁。5 真空及阀门控制系统 真空及阀门控制系统保证设备具有正常的真空工作环境，主要由各种真空泵、阀门等组成。PLC对真空系统的控制分为手动和自动两种功能，手动时PLC根据输入条件判断阀门、泵的正常状态，阀门、泵的开启由人工控制，其开关动作还是由PLC完成。自动时PLC根据程序要求自动完成对设备的抽真空任务，泵、阀门、真空度的状态判断和联锁条件均通过PLC软件来实现。6 工作台运动控制系统

9、：工作台运动控制系统由PWM信号发生器、驱动电源、步进电机、运动机构及夹具组成。工作台运动控制分为手动控制和计算机的联机控制，手动时PWM信号由PLC产生，具体的工作过程是速度模拟量给定经A/D转换输入给PLC，PLC通过内部功能处理，产生的PWM信号经高速信号输出口Y0、Y1分别送到X、Y轴的驱动电源接口上，速度大小的调节通过改变模拟量给定的大小来实现，模拟量给定改变后，经A/D转换后到PLC内部的数字量亦发生改变，经PLC运算后形成的PWM信号频率亦发生改变，从而实现对工作台的运动控制。当计算机联机控制时，由计算机控制和管理工作台的各种运动、焊接过程及焊接工艺。7 计算机联机控制：计算机联

10、机控制是用来控制PLC和计算机之间的指令传输，PLC指令通过RS232通讯输入给计算机，计算控制指令通过开关板和隔离板把计算机信号输入到PLC，由此实现PLC对计算机和焊接过程的实时控制。联机时，驱动电源的PWM信号由计算机发出，通过驱动电源驱动步进电机来控制工作台的运动。8 偏转扫描控制系统 由偏转电源和偏转线圈组成，实现对电子束的偏转和扫描。测量及故障显示 用来测量有关焊接工艺参数、故障类型显示，供操作人员调整和控制。4 系统软件设计根据以上对电子束焊接设备的组成及控制原理的分析，集成控制系统的软件设计流程图如图4所示：5 结束语电子束焊机采用PLC控制，结合计算机的通讯技术，实现焊接过程的实时控制，同时高压电源的控制系统采用PLC技术后，设备的工作可靠性和稳定性得到提高，而且集成控制系统电路结构简单，有利于焊接工艺调整和方便设备的维修和调试。电子束焊机的运行结果表明，PLC控制电子束焊机的硬、软件，计算机的数控软件安全可靠，提高了电