電子束焊機(jī)中的PLC特殊模塊應(yīng)用技術(shù)

摘要：介紹了利用PLC特殊功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束流的起/起弧的梯度控制、高壓電源的軟啟動(dòng)和軟關(guān)機(jī)、工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度控制等功能。給出了應(yīng)用特殊模塊設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路、并對(duì)用該方法設(shè)計(jì)的幾種控制系統(tǒng)的控制原理進(jìn)行了重點(diǎn)說明。

關(guān)鍵詞：電子束焊機(jī) 高壓 電子束流 梯度 工作臺(tái)

1 概述

電子束焊機(jī)是包括真空、高壓、電子技術(shù)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等多種專業(yè)學(xué)科的高能束焊接設(shè)備，它主要由真空系統(tǒng)、高壓電源、柵偏電源、陰極加熱電源及其它控制電源、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。電子速焊機(jī)包括幾十個(gè)開關(guān)量輸入、模擬量和較多的開關(guān)量輸出以及焊接過程控制。由于用一般的模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)這些功能的控制。因而在大型的電子束焊接設(shè)備中均采用計(jì)算機(jī)控制，如彩管補(bǔ)償帶鋼的焊接生產(chǎn)線的過程和工藝控制等[1]。而對(duì)于一般的電子束通用設(shè)備用采用PLC控制以實(shí)現(xiàn)焊接工藝和過程的控制，為了確保設(shè)備操作簡(jiǎn)單、可靠性高、自動(dòng)化程度高和滿足電子束焊接機(jī)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(jìn)行起弧和收弧控制，否則，零件在焊接起始階段和結(jié)束階段會(huì)出現(xiàn)缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞零件，為此地控制電路中需要設(shè)計(jì)有起、起弧的專用電路。在PLC應(yīng)用以前，大多用分立元件組成的積分電路來實(shí)現(xiàn)給定的起、收弧控制，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，梯度調(diào)節(jié)不方便，線性度差，調(diào)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(shè)計(jì)軟啟動(dòng)和軟停止電路，以避免開機(jī)和停機(jī)對(duì)高壓電源的沖擊。高壓電源的軟啟動(dòng)和軟停止電路在PLC的應(yīng)用初期也是用分立電路構(gòu)成的。另外，由于在焊接不同零件時(shí)，根據(jù)工藝要求要焊接不同的焊縫，所以一般的電子束焊機(jī)都配備了高精度的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。與此同時(shí)還要配備高精度的工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)來保證工作臺(tái)的精度，因此，電子束焊機(jī)專用工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)一般采用伺服步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的各種運(yùn)動(dòng)，（如直線和旋轉(zhuǎn)），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(jī)及其控制系統(tǒng)來完成以上功能的，但由于直流電機(jī)較貴，電流較大，不易實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制，而且要設(shè)計(jì)專用接口電路，因此在多工位的工作臺(tái)控制系統(tǒng)中較少采用。在用步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)中，以前的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要應(yīng)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、不易調(diào)試。本文根據(jù)電子束焊接工藝及設(shè)備功能的需要，并結(jié)合PLC控制技術(shù)的特點(diǎn)和功能，介紹一種利用簡(jiǎn)單電路來實(shí)現(xiàn)電子束流的起/收弧控制、高壓電源的軟啟動(dòng)和軟停止以及工作臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制等功能的方法。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行證明。該控制系統(tǒng)具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試、調(diào)節(jié)方便等多種優(yōu)點(diǎn)。

2 控制原理

電子束焊接機(jī)中的控制系統(tǒng)很多，這里主要結(jié)合PLC特殊模塊的應(yīng)用及與之相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)作簡(jiǎn)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(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，筆者利用PLC及其特殊模塊設(shè)計(jì)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(duì)整機(jī)進(jìn)行控制，包括過程控制、開關(guān)輸入和輸出控制、模擬量和數(shù)字量的運(yùn)算、條件連鎖設(shè)置以及高速輸出等功能控制。圖1中的控制功能僅能實(shí)現(xiàn)上述三套系統(tǒng)的控制，其它系統(tǒng)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(gè)控制系統(tǒng)采用兩塊A/D特殊功能模塊，一塊用作電子束流的D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出用來設(shè)定高壓控制用的PI調(diào)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(zhuǎn)換，其模擬量輸出用作高壓控制用的PI調(diào)節(jié)器高壓，模擬量輸入用作Y軸的速度給定，該輸入經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后還可用于控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(diào)節(jié)和輸出模擬量的給定調(diào)節(jié)。步進(jìn)電源為專用的驅(qū)動(dòng)電源，工作性能穩(wěn)定，具有制動(dòng)和多種保護(hù)功能。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件主要由高壓控制系統(tǒng)、電子束流控制系統(tǒng)和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度A/D轉(zhuǎn)換程序等組成。

3.1 高壓控制原理及程序設(shè)計(jì)

高壓控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，PLC控制信號(hào)和反饋信號(hào)在PI調(diào)節(jié)器的作用下，經(jīng)功率放大電路作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流發(fā)生變化后，其輸出電壓亦發(fā)生變化，并經(jīng)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(shí)現(xiàn)在不同給定量的作用下，獲得不同的直流高壓。電子束焊機(jī)用高壓電源的直流高壓在開高壓電源和關(guān)高壓電源時(shí)要求輸出電壓為一隨時(shí)間線性變化的梯度曲線，波形如圖3。為了實(shí)現(xiàn)這種功能，只要PI調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)與圖3相同，則高壓輸出就是隨時(shí)間變化的斜坡輸出。根據(jù)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(shù)字量，因此要實(shí)現(xiàn)輸出為斜坡函數(shù)，必須在程序設(shè)計(jì)中適時(shí)地把數(shù)字量傳輸給D/A模塊，經(jīng)D/A模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量送給PI調(diào)節(jié)器，其工作程序流程如圖4所示。具體原理是利用PLC對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的加法和減法運(yùn)算來獲得隨時(shí)間變化的輸出。輸出過程時(shí)序圖如圖5所示，圖5中D5為上升步長(zhǎng)，D6為下降步長(zhǎng)，D7為中間數(shù)據(jù)寄存器。PLC把D7的數(shù)據(jù)不斷地傳輸給D/A單元。在D/A單元中，數(shù)字量0～255對(duì)應(yīng)的模塊量輸出是0～10V，如果255對(duì)應(yīng)的模擬量輸出為10V.則對(duì)D7清零，然后用PLC的時(shí)鐘振蕩器來控制中間繼電路，中間繼電器合上時(shí)，D7初值加上D5的數(shù)據(jù)給D7，同時(shí)PLC把D7的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻/A模塊，直到D7的數(shù)據(jù)為255時(shí)停止加法運(yùn)算。此時(shí)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(shí)間輸出為0～10V的模擬信號(hào)給PI調(diào)節(jié)器作為給定，因而高壓的輸出也成為隨時(shí)間變化的直流高壓，從而保證了高壓電源的軟啟動(dòng)。在以上傳輸過程中，只要存在關(guān)高壓信號(hào)，程序便開始執(zhí)行下降梯度減法運(yùn)算，它的原理是根據(jù)關(guān)高壓信號(hào)時(shí)的D7值減去D6值。減法控制由時(shí)間振蕩器控制的是間繼電器的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，D7不斷地減去D6值，并把D7適時(shí)地傳輸給D/A單元，直到D7=0為止，這時(shí)D/A單元輸出為零，致使PI調(diào)節(jié)器的給定為零，從而使高壓輸出為零，這樣便可實(shí)現(xiàn)軟切斷高壓。由于高壓的梯度在設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)備來說是基本固定的，加上整機(jī)PLC控制程序中對(duì)D5和D6進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，從而保證了高壓電源在設(shè)備焊接過程中啟動(dòng)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(shí)，中間繼電器在時(shí)鐘脈沖控制下閉合的時(shí)刻。t10、t20…表示下降梯度控制時(shí)中間繼電器在時(shí)鐘脈沖控制下閉合的時(shí)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(jié)束時(shí)的上升和下降梯度均可調(diào)。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(hào)在PI調(diào)節(jié)器的作用下，輸出控制電壓信號(hào)經(jīng)功率放大并調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)電子束流的大小以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

4 工作臺(tái)電源控制原理

工作臺(tái)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(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及高精度X/Y軸直線工作臺(tái)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(qū)動(dòng)電源把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖分配，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。工作臺(tái)控制由X、Y軸分別控制如啟動(dòng)停止控制、速度給定控制、限位控制及以上工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的輸出顯示等。由于工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源要求時(shí)鐘頻率為100Hz～300Hz，而D1的數(shù)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(shù)量和輸出頻率為40～3000Hz。在PLC的脈沖頻率轉(zhuǎn)換功能語句PLSR中要設(shè)定升降頻率、最大輸出脈沖數(shù)量和輸出脈沖頻率。輸出脈沖頻率由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)D14=10D1來決定，升降頻率在調(diào)試時(shí)應(yīng)按系統(tǒng)要求調(diào)整。經(jīng)PLSR轉(zhuǎn)換后的脈沖由PLC的高速輸出口Y0送到驅(qū)動(dòng)電源的CP輸入端，PLC的Y2、Y3輸出口分別用來控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向和制動(dòng)，以上是X軸的運(yùn)動(dòng)控制原理。Y軸的控制原理與X軸控制原理相同，脈沖其運(yùn)動(dòng)方向的制動(dòng)情況。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向、啟動(dòng)和停止、限位、連鎖及狀態(tài)指示均通過PLC的內(nèi)部程序進(jìn)行連鎖及狀態(tài)指示均通過PLC的內(nèi)部程序進(jìn)行連鎖保護(hù)，以確保工作臺(tái)的正常工作。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)控制系統(tǒng)工作可靠、性能穩(wěn)定，并且對(duì)工作臺(tái)的精度調(diào)試以及系統(tǒng)最佳升降頻率的確定卻非常方便。

5 結(jié)束語

用PLC及其特殊功能AD模塊設(shè)計(jì)的高壓給定調(diào)節(jié)電路和束流給調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性度好，梯度調(diào)節(jié)方便，能很好地滿足電子束焊機(jī)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(zhuǎn)換功能的PLC的PWM高速輸出功能設(shè)計(jì)的工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電源系統(tǒng)具調(diào)試方便、無需分立元件電路、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足高精度工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制要求。

本文所述的三套系統(tǒng)僅用兩個(gè)特殊模塊，結(jié)合PLC的其它功能可使電子束焊機(jī)的控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，并可降低控制系統(tǒng)的成本，有利于在電子束焊機(jī)的工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源控制系統(tǒng)中推廣和使用。