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

2、業、特別是國防工業、航空工業、汽車制造、自動控制等對電子束焊機有特殊工藝要求的領域。它包含了PLC技術、計算機、自動控制、精密機械、電磁場與高電壓工程、真空技術、數控技術等多種專業學科的機電一體化新技術1。本文重點研究智能控制技術和計算機技術在電子束焊接設備中的集成設計方法，并通過設備的實際運行結果驗證設計方法的可行性。 2 高壓電源及其控制系統的組成在電子束焊接過程中，要求電子束重復性好，工藝穩定，焊縫成型好，電子束焊設備能長期穩定可靠工作，而高壓電源及其控制系統是電子束焊設備的關鍵部分，它主要為電子槍提供加速電壓，其性能的好壞直接關系著設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、起設備和人身事故2。結合以上要求，在本文的集成控制系統設計中，高壓電源使用高頻逆變技術，該技術的使用能夠減小電源的濾波電容量和控制系統的響應時間，從而實現對高壓打火的快速保護。 電子束焊機高壓電源控制系統主要由主電路、控制電路和PLC控制軟件組成，其系統框圖如圖1所示。 2.1 主電路的構成主電路由EMC濾波電路、晶閘管直流調壓模塊、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給定調節電路、PWM及其驅動電路等組成。1.整流控制電路由厚模集成電路集成在調壓模塊內，工作過程為整流后的直流電壓經電阻分壓器取樣并經電量隔離電路送入PI調節器的反饋端，PI調節器在給定和反饋的共同作用下并經放大后輸出一直流信號給智能調壓模塊控制端以控制可控硅的導通角，實現直流輸出電壓的穩定和調節。2.PI給定調節

5、電路由PLC和D/A模塊、PI調節器、反饋信號取樣及隔離電路等組成。3.PWM及其驅動電路的電原理圖如圖3，PWM信號由TL494調制，TL494內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完成對電子槍和焊接室的抽真空任務后（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，偏壓電源控制和調節電子束流的大小。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。如果工作及工作臺位置均已準備好，按下焊接按鈕，設備開始下束，通過調節電子束流給定

6、和工作臺速度大小來實現對焊接線能量的調整，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“攪拌”焊接的作用。3.2 控制系統組成整個系統采用PLC及其自動控制技術，以PLC為核心對設備各控制系統進行模擬和數字控制，同時A/D、D/A單元分別實現工作臺運動速度的給定和高壓、束流的轉換，通過PLC的邏輯運算輸出模擬量來控制高壓、束流的給定。整個系統包括高壓控制系統、束流控制系統、聚焦控制系統、陰極加熱電流控制系統、真空及閥門控制系統、工作臺運動控制系統、計算機聯機控、偏轉掃描控制系統、測量及故障顯示等，其控制系統原理圖如圖3所示

7、： 1高壓控制系統 高壓控制系統由PID調節器、高壓電源、反饋環節、功率放大等組成。PLC經內部運算和D/A轉換輸出模擬信號給PID調節器，PID調節器在反饋環節的閉環控制作用下控制高壓電源的高壓輸出，以實現高壓的穩定和調節以及對高壓的聯鎖控制。2 束流控制系統 束流控制系統由PID調節器、偏壓電源、反饋環節、功率放大等組成。PID經內部運算和D/A轉換輸出模擬信號給PID調節器，PID調節器在反饋環節的閉環控制作用下控制偏壓電源的偏壓輸出，實現對電子束流的穩定和調節以及對焊接工藝參數的控制。制。3 聚焦控制系統 聚焦控制系統由聚焦電源、聚焦線圈及PLC的控制指令組成，PLC管理聚焦電源的開啟

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

9、：工作臺運動控制系統由PWM信號發生器、驅動電源、步進電機、運動機構及夾具組成。工作臺運動控制分為手動控制和計算機的聯機控制，手動時PWM信號由PLC產生，具體的工作過程是速度模擬量給定經A/D轉換輸入給PLC，PLC通過內部功能處理，產生的PWM信號經高速信號輸出口Y0、Y1分別送到X、Y軸的驅動電源接口上，速度大小的調節通過改變模擬量給定的大小來實現，模擬量給定改變后，經A/D轉換后到PLC內部的數字量亦發生改變，經PLC運算后形成的PWM信號頻率亦發生改變，從而實現對工作臺的運動控制。當計算機聯機控制時，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 計算機聯機控制：計算機聯

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板和隔離板把計算機信號輸入到PLC，由此實現PLC對計算機和焊接過程的實時控制。聯機時，驅動電源的PWM信號由計算機發出，通過驅動電源驅動步進電機來控制工作臺的運動。8 偏轉掃描控制系統 由偏轉電源和偏轉線圈組成，實現對電子束的偏轉和掃描。測量及故障顯示 用來測量有關焊接工藝參數、故障類型顯示，供操作人員調整和控制。4 系統軟件設計根據以上對電子束焊接設備的組成及控制原理的分析，集成控制系統的軟件設計流程圖如圖4所示：5 結束語電子束焊機采用PLC控制，結合計算機的通訊技術，實現焊接過程的實時控制，同時高壓電源的控制系統采用PLC技術后，設備的工作可靠性和穩定性得到提高，而且集成控制系統電路結構簡單，有利于焊接工藝調整和方便設備的維修和調試。電子束焊機的運行結果表明，PLC控制電子束焊機的硬、軟件，計算機的數控軟件安全可靠，提高了電