摘要：介紹了利用PLC特殊功能模塊實現對電子束流的起/起弧的梯度控制、高壓電源的軟啟動和軟關機、工作臺的運動速度控制等功能。給出了應用特殊模塊設計的控制系統結構及電路、并對用該方法設計的幾種控制系統的控制原理進行了重點說明。

關鍵詞：電子束焊機 高壓 電子束流 梯度 工作臺

1 概述

電子束焊機是包括真空、高壓、電子技術、自動控制和計算機等多種專業(yè)學科的高能束焊接設備，它主要由真空系統、高壓電源、柵偏電源、陰極加熱電源及其它控制電源、工作臺運動機構等部分組成。電子速焊機包括幾十個開關量輸入、模擬量和較多的開關量輸出以及焊接過程控制。由于用一般的模擬控制系統難以實現這些功能的控制。因而在大型的電子束焊接設備中均采用計算機控制，如彩管補償帶鋼的焊接生產線的過程和工藝控制等[1]。而對于一般的電子束通用設備用采用PLC控制以實現焊接工藝和過程的控制，為了確保設備操作簡單、可靠性高、自動化程度高和滿足電子束焊接機的不同的焊接工藝需要，在電子束焊接工藝中，電子束焊接中的電子束流必須能夠進行起弧和收弧控制，否則，零件在焊接起始階段和結束階段會出現缺陷，嚴重時會損壞零件，為此地控制電路中需要設計有起、起弧的專用電路。在PLC應用以前，大多用分立元件組成的積分電路來實現給定的起、收弧控制，電路結構比較復雜，梯度調節(jié)不方便，線性度差，調試難度大，可靠性也較差。而在高壓電源控制電路中則必須設計軟啟動和軟停止電路，以避免開機和停機對高壓電源的沖擊。高壓電源的軟啟動和軟停止電路在PLC的應用初期也是用分立電路構成的。另外，由于在焊接不同零件時，根據工藝要求要焊接不同的焊縫，所以一般的電子束焊機都配備了高精度的工作臺運動機構。與此同時還要配備高精度的工作臺驅動電源系統來保證工作臺的精度，因此，電子束焊機專用工作臺驅動電源系統一般采用伺服步進電機來實現工作臺的各種運動，（如直線和旋轉），以滿足各種不同焊縫的焊接精度要求。其中也有用直流電機及其控制系統來完成以上功能的，但由于直流電機較貴，電流較大，不易實現與計算機的實時控制，而且要設計專用接口電路，因此在多工位的工作臺控制系統中較少采用。在用步進電機控制系統來實現直線和旋轉運動的控制系統中，以前的驅動電源系統設計中主要應用環(huán)形分配器、功率放大電路以及脈沖發(fā)生器等模擬電路，因而電路結構比較復雜、不易調試。本文根據電子束焊接工藝及設備功能的需要，并結合PLC控制技術的特點和功能，介紹一種利用簡單電路來實現電子束流的起/收弧控制、高壓電源的軟啟動和軟停止以及工作臺和運動控制等功能的方法。經實際運行證明。該控制系統具有可靠性高、結構簡單、易于調試、調節(jié)方便等多種優(yōu)點。

2 控制原理

電子束焊接機中的控制系統很多，這里主要結合PLC特殊模塊的應用及與之相關聯的系統作簡要說明。它包括高壓梯度控制、電子束流的起/收弧控制以及工作臺的運動控制，筆者利用PLC及其特殊模塊設計了專用控制電路，其原理圖如圖1所示。圖1中PLC為三菱公司的FX2N-80MT可編程程序控制器，其中PLC用來對整機進行控制，包括過程控制、開關輸入和輸出控制、模擬量和數字量的運算、條件連鎖設置以及高速輸出等功能控制。圖1中的控制功能僅能實現上述三套系統的控制，其它系統的控制限于篇幅本文沒有列出。FX0N-3A是該公司的特殊A/D功能模塊，它具有2路電壓和電流的模擬輸入，1路電壓和電流的模擬輸出。模擬量輸出和輸入的電壓規(guī)格為0～10V，電流規(guī)格為4～20mA。整個控制系統采用兩塊A/D特殊功能模塊，一塊用作電子束流的D/A轉換，轉換后的模擬量輸出用來設定高壓控制用的PI調節(jié)器的高壓，而模擬量輸入用作X軸的速度給定控制。另一塊用來給定高壓控制的D/A轉換，其模擬量輸出用作高壓控制用的PI調節(jié)器高壓，模擬量輸入用作Y軸的速度給定，該輸入經A/D轉換后還可用于控制工作臺的運動速度。輔助電源采用朝陽電源公司的集成一體化線性電源，該電源的穩(wěn)定性很好。電位器分別用作模擬量的輸入調節(jié)和輸出模擬量的給定調節(jié)。步進電源為專用的驅動電源，工作性能穩(wěn)定，具有制動和多種保護功能。

3 控制軟件設計

控制軟件主要由高壓控制系統、電子束流控制系統和工作臺運動速度A/D轉換程序等組成。

3.1 高壓控制原理及程序設計

高壓控制系統原理框圖如圖2所示，PLC控制信號和反饋信號在PI調節(jié)器的作用下，經功率放大電路作為發(fā)電機的勵磁電流，在發(fā)電機勵磁電流發(fā)生變化后，其輸出電壓亦發(fā)生變化，并經高壓變壓器升壓后，使得整流和濾濾后的直流高壓發(fā)生變化，從而實現在不同給定量的作用下，獲得不同的直流高壓。電子束焊機用高壓電源的直流高壓在開高壓電源和關高壓電源時要求輸出電壓為一隨時間線性變化的梯度曲線，波形如圖3。為了實現這種功能，只要PI調節(jié)器的給定信號與圖3相同，則高壓輸出就是隨時間變化的斜坡輸出。根據高壓電源的輸出要求，利用PLC及其特殊功能模塊，用PLC程序便可以方便地獲得梯度給定上升和下降的斜坡輸出，由于PLC是數字量，因此要實現輸出為斜坡函數，必須在程序設計中適時地把數字量傳輸給D/A模塊，經D/A模塊將數字量轉換成模擬量送給PI調節(jié)器，其工作程序流程如圖4所示。具體原理是利用PLC對數據寄存器的加法和減法運算來獲得隨時間變化的輸出。輸出過程時序圖如圖5所示，圖5中D5為上升步長，D6為下降步長，D7為中間數據寄存器。PLC把D7的數據不斷地傳輸給D/A單元。在D/A單元中，數字量0～255對應的模塊量輸出是0～10V，如果255對應的模擬量輸出為10V.則對D7清零，然后用PLC的時鐘振蕩器來控制中間繼電路，中間繼電器合上時，D7初值加上D5的數據給D7，同時PLC把D7的數據傳輸到D/A模塊，直到D7的數據為255時停止加法運算。此時D7的值為255，PLC也不斷地把D7=255傳輸給D/A單元。D/A單元隨時間輸出為0～10V的模擬信號給PI調節(jié)器作為給定，因而高壓的輸出也成為隨時間變化的直流高壓，從而保證了高壓電源的軟啟動。在以上傳輸過程中，只要存在關高壓信號，程序便開始執(zhí)行下降梯度減法運算，它的原理是根據關高壓信號時的D7值減去D6值。減法控制由時間振蕩器控制的是間繼電器的開關來實現，D7不斷地減去D6值，并把D7適時地傳輸給D/A單元，直到D7=0為止，這時D/A單元輸出為零，致使PI調節(jié)器的給定為零，從而使高壓輸出為零，這樣便可實現軟切斷高壓。由于高壓的梯度在設計中對設備來說是基本固定的，加上整機PLC控制程序中對D5和D6進行預先設置，從而保證了高壓電源在設備焊接過程中啟動和停止始終具有同一梯度的上升和下降。在圖5中，t0、t1…表示上升梯度控制時，中間繼電器在時鐘脈沖控制下閉合的時刻。t10、t20…表示下降梯度控制時中間繼電器在時鐘脈沖控制下閉合的時刻。

3.2 電子泫工藝控制原理

電子束流控制要求電子束流在超始和結束時的上升和下降梯度均可調。其它的工作情況與高壓的控制原理相同，其控制原理圖如圖6所示。電子束流的反饋和給定信號在PI調節(jié)器的作用下，輸出控制電壓信號經功率放大并調節(jié)逆變器的電源電壓幅值，這使得隔離輸出后的逆奕電壓也得以調節(jié)，并使通過整流和濾波后的電子槍柵極上的電壓發(fā)生變化，從而調節(jié)電子束流的大小以實現穩(wěn)定。

4 工作臺電源控制原理

工作臺電源控制原理如圖7所示，它主要由給定電位器、電壓頻率變換器、PLC控制程序、驅動電源、步進電機及高精度X/Y軸直線工作臺等組成。電壓頻率變換器通過PLC的程序及特殊功能模塊來完成，驅動電源把脈沖信號轉化為脈沖分配，以實現對步進電機的驅動控制。工作臺控制由X、Y軸分別控制如啟動停止控制、速度給定控制、限位控制及以上工作臺運動狀態(tài)的輸出顯示等。由于工作臺驅動電源要求時鐘頻率為100Hz～300Hz，而D1的數字量為0～255，為了獲得40～3000Hz的脈沖頻率，必須利用PLC的乘法功能和比較功能語句使CP脈沖的數量和輸出頻率為40～3000Hz。在PLC的脈沖頻率轉換功能語句PLSR中要設定升降頻率、最大輸出脈沖數量和輸出脈沖頻率。輸出脈沖頻率由A/D轉換后的數據D14=10D1來決定，升降頻率在調試時應按系統要求調整。經PLSR轉換后的脈沖由PLC的高速輸出口Y0送到驅動電源的CP輸入端，PLC的Y2、Y3輸出口分別用來控制工作臺的運動方向和制動，以上是X軸的運動控制原理。Y軸的控制原理與X軸控制原理相同，脈沖其運動方向的制動情況。工作臺的運動方向、啟動和停止、限位、連鎖及狀態(tài)指示均通過PLC的內部程序進行連鎖及狀態(tài)指示均通過PLC的內部程序進行連鎖保護，以確保工作臺的正常工作。根據以上原理設計的步進電機驅動工作臺控制系統工作可靠、性能穩(wěn)定，并且對工作臺的精度調試以及系統最佳升降頻率的確定卻非常方便。

5 結束語

用PLC及其特殊功能AD模塊設計的高壓給定調節(jié)電路和束流給調節(jié)電路結構簡單，線性度好，梯度調節(jié)方便，能很好地滿足電子束焊機的高壓控制要求和焊接工藝要求。另外利用特殊模塊的AD轉換功能的PLC的PWM高速輸出功能設計的工作臺驅動步進電機電源系統具調試方便、無需分立元件電路、結構簡單、工作可靠等優(yōu)點，能很好地滿足高精度工作臺的運動控制要求。

本文所述的三套系統僅用兩個特殊模塊，結合PLC的其它功能可使電子束焊機的控制系統更加簡單，并可降低控制系統的成本，有利于在電子束焊機的工作臺驅動電源控制系統中推廣和使用。