摘 要：根據(jù)電子束焊機(jī)的控制系統(tǒng)的要求，提出用三菱公司的FX系列的可編程邏輯控制器對(duì)電子束焊機(jī)進(jìn)行數(shù)字量控制和模擬量控制。結(jié)合電子束焊機(jī)焊接工藝需要，分別對(duì)控制軟件的作用和軟件構(gòu)成進(jìn)行了說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：PLC 電子束焊機(jī)（EBW） 控制
1 概論
　　電子束焊接機(jī)是高能束技術(shù)在焊接設(shè)備中。由于電子束焊接具有焊縫成形好，不用焊條，效率高，不易氧化等優(yōu)點(diǎn)而成功地廣泛地應(yīng)用于原子能、國(guó)防、汽車、航空航天、電工儀表、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，并隨當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)及其它新技術(shù)的推廣應(yīng)用更進(jìn)一步加速了電子束焊接技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用[1]。電子束焊機(jī)技術(shù)復(fù)雜，主要涉及的專業(yè)技術(shù)有電子光學(xué)、電磁場(chǎng)理論、計(jì)算機(jī)及其控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、真空技術(shù)、精密制造技術(shù)、高電壓工程等多種學(xué)科的綜合應(yīng)用。電子束焊機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜，既有數(shù)字量控制，也有模擬量控制，同時(shí)還要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。三菱公司生產(chǎn)的FX系列可編程控制器的功能較好地滿足了其控制系統(tǒng)的要求[2]，較好地實(shí)現(xiàn)了PLC對(duì)電子束焊機(jī)的整機(jī)控制。
2 電子束焊機(jī)控制系統(tǒng)的組成
　　2.1 電子束焊機(jī)的工作過(guò)程
　　電子束焊接機(jī)的工作過(guò)程是真空系統(tǒng)完成對(duì)電子槍和焊接室的抽真空任務(wù)后（此時(shí)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(chǎng)，偏壓電源控制和調(diào)節(jié)電子束流的大小。打開(kāi)閘閥，加上陰極電源后合上高壓，至此焊接機(jī)處于等待焊接狀態(tài)，如果工件及工作臺(tái)位置準(zhǔn)備好，按下焊接按鈕設(shè)備開(kāi)始下束，通過(guò)調(diào)節(jié)電子束流給定和工作臺(tái)速度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接線能量的調(diào)整，以滿足焊接工藝的要求，如果需要對(duì)電子束進(jìn)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(shí)現(xiàn)“攪拌”焊接的作用。零件焊接完成后，按下充氣按扭打開(kāi)焊接室拿出零件，第一次焊接任務(wù)完成。如果要繼續(xù)焊接其它零件，重復(fù)以上過(guò)程。焊接室及電子槍的抽真空可以用手動(dòng)或者自動(dòng)程序完成，手動(dòng)程序時(shí)人工控制有關(guān)泵及閥的操作，各種操作狀態(tài)由人工管理。自動(dòng)程序則由PLC按照程序要求自動(dòng)管理有關(guān)泵及閥門(mén)的開(kāi)啟、真空狀態(tài)、聯(lián)鎖條件等，自動(dòng)完成設(shè)備的抽真空任務(wù)，使之滿足設(shè)備需要的真空度。在抽氣及焊接過(guò)程中，如果聯(lián)鎖條件不滿足或者水、氣等故障，PLC則自動(dòng)判斷工作狀態(tài)，使設(shè)備恢復(fù)到有關(guān)的狀態(tài)，或者發(fā)出故障指示供操作人員調(diào)整。
　　2.2 控制系統(tǒng)組成
　　控制系統(tǒng)組成的原理圖如圖1所示，整機(jī)以PLC為核心分別對(duì)設(shè)備各控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬和數(shù)字控制，PLC為三菱公司生產(chǎn)的FX2N-128MT可編程的邏輯控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種邏輯控制。A/D、D/A單元亦為該公司的特殊模塊，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度給定的A/D轉(zhuǎn)換和高壓、束流的D/A轉(zhuǎn)換，通過(guò)PLC的邏輯運(yùn)算輸出模擬量來(lái)控制高壓、束流的給定。各控制系統(tǒng)的原理如下。
　　高壓控制系統(tǒng)：高壓控制系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)器、高壓電源、反饋環(huán)節(jié)、功率放大等組成，PLC經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算和D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器在反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制作用下控制高壓電源的高壓輸出，以實(shí)現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)以及對(duì)高壓的聯(lián)鎖控制。高壓控制系統(tǒng)的主要功能有高壓的梯度上升和下降、焊接過(guò)程中的高壓打火保護(hù)、急停、故障顯示等。
　　束流控制系統(tǒng)：束流控制系統(tǒng)由PID調(diào)節(jié)器、偏壓電源、反饋環(huán)節(jié)、功率放大等組成。PLC經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算和D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器在反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制作用下控制偏壓電源的偏壓輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束流的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)以及對(duì)焊接工藝控制。束流控制系統(tǒng)的主要功能有束流的梯度上升和下降、束流的大小調(diào)節(jié)、焊接過(guò)程中的工藝控制、急停、故障顯示等。
　　聚焦控制系統(tǒng)：聚焦控制系統(tǒng)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(kāi)啟及與其他控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖，保證設(shè)備處于聚焦?fàn)顟B(tài)。
　　陰極加熱電流控制系統(tǒng)：陰極加熱電流控制系統(tǒng)控制陰極加熱電流的大小，保證電子槍的陰極能發(fā)射出足夠的電子數(shù)目。PLC控制陰極電源的開(kāi)啟和陰極與高壓、真空、閘閥等的聯(lián)鎖。
　　真空及閥門(mén)控制系統(tǒng)：真空及閥門(mén)控制系統(tǒng)保證設(shè)備具有正常的真空工作環(huán)境，主要由各種真空泵、閥門(mén)等組成。PLC對(duì)真空系統(tǒng)的控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種功能，手動(dòng)時(shí)PLC根據(jù)輸入條件判斷閥門(mén)、泵的正常狀態(tài)，閥門(mén)、泵的開(kāi)啟由人工控制，其開(kāi)關(guān)動(dòng)作還是由PLC完成。自動(dòng)時(shí)PLC根據(jù)程序要求自動(dòng)完成對(duì)設(shè)備的抽真空任務(wù)，泵、閥門(mén)、真空度的狀態(tài)判斷和聯(lián)鎖條件均通過(guò)PLC軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由PWM信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及夾具組成。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制分為手動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)的聯(lián)機(jī)控制，手動(dòng)時(shí)PWM信號(hào)由PLC產(chǎn)生，具體的工作過(guò)程是速度模擬量給定經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入給PLC，PLC通過(guò)內(nèi)部功能處理，產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)高速信號(hào)輸出口Y0、Y1分別送到X、Y軸的驅(qū)動(dòng)電源的接口上，速度大小的調(diào)節(jié)通過(guò)改變模擬量給定的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，模擬量給定的改變后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后到PLC內(nèi)部的數(shù)字量亦發(fā)生改變，經(jīng)PLC運(yùn)算后形成的PWM信號(hào)頻率亦發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制。計(jì)算機(jī)的聯(lián)機(jī)控制時(shí)由計(jì)算機(jī)控制和管理工作臺(tái)的各種運(yùn)動(dòng)、焊接過(guò)程及焊接工藝。
　　計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)控制：計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)控制是用來(lái)連接PLC和計(jì)算機(jī)之間的指令傳輸，PLC指令通過(guò)RS232通訊輸入給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制指令通過(guò)開(kāi)關(guān)板和隔離板把計(jì)算機(jī)機(jī)信號(hào)輸入給PLC，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)計(jì)算機(jī)和焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。
　　偏轉(zhuǎn)掃描控制系統(tǒng)：由偏轉(zhuǎn)電源和偏轉(zhuǎn)線圈組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的偏轉(zhuǎn)和掃描。
　　測(cè)量及故障顯示：用來(lái)測(cè)量有關(guān)焊接工藝參數(shù)，故障類型顯示，供操作人員調(diào)整和控制。
3 軟件構(gòu)成
　　根據(jù)以上對(duì)電子束焊機(jī)的組成及控制原理的分析，電子束焊機(jī)的軟件由以下程序構(gòu)成，其流程圖如圖2所示，各程序的功能如下：
　　初始化程序：對(duì)一些數(shù)據(jù)寄存器及定時(shí)器清零復(fù)位，使設(shè)備處于初始工作狀態(tài)。
　　高壓控制程序：控制高壓條件的聯(lián)鎖、高壓給定、高壓上升及下降梯度、急停等。
　　電子束流控制程序：控制電子束流的上升及下降梯度、電子束流的給定輸出等。
　　檢查程序：供維修人員使用，進(jìn)入此程序后，聯(lián)鎖條件解除，焊接機(jī)完全由人工控制各部件的開(kāi)啟。
　　手動(dòng)程序：處于手動(dòng)程序時(shí)，人工操作真空泵及閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，使設(shè)備進(jìn)入焊接等待狀態(tài)，此時(shí)各部件之間的聯(lián)鎖通過(guò)PLC內(nèi)部軟件設(shè)置，保證設(shè)備和人身安全。
　　自動(dòng)程序：自動(dòng)條件滿足時(shí)焊接機(jī)進(jìn)入自動(dòng)程序控制狀態(tài)，PLC完全控制真空泵、閥的開(kāi)啟，使設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入等待焊接狀態(tài)。
　　計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)控制：聯(lián)接計(jì)算機(jī)和PLC之間的指令傳送，使計(jì)算機(jī)能適時(shí)控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及焊接工藝控制，進(jìn)入計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)控制程序時(shí)，計(jì)算機(jī)管理焊接程序。
　　A/D D/A轉(zhuǎn)換程序：實(shí)現(xiàn)A/D、D/A的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)速度給定的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供PLC運(yùn)算并變換成一定頻率的PWM信號(hào)，控制工作臺(tái)的速度。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高壓、電子束流的數(shù)字量向模擬量的轉(zhuǎn)換，用以分別控制高壓、束流的大小和上升及下降梯度。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
　　故障報(bào)警程序：根據(jù)輸入信號(hào)的不同類型顯示不同的故障類別，引起操作人員注意和幫助維修人員修理設(shè)備，確保設(shè)備和人身安全。
　　停機(jī)程序：執(zhí)行本程序時(shí)，PLC按照設(shè)備所處的工作狀態(tài)依次關(guān)閉有關(guān)部件、電源、真空泵、閥、加熱電爐等。
　　結(jié)束程序：END
4 結(jié)語(yǔ)
　　電子束焊接機(jī)應(yīng)用PLC控制，并結(jié)合PC機(jī)的通信技術(shù)，設(shè)備功能齊全，工作可靠，操作簡(jiǎn)單。PLC同時(shí)還能對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，使工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。經(jīng)過(guò)電子束焊機(jī)的運(yùn)行，結(jié)果表明PLC控制電子束焊機(jī)的硬、軟件安全可靠，提高了電子束焊機(jī)的自動(dòng)化水平。
參考文獻(xiàn)
　　1. 葉漢民. 電子束技術(shù)及應(yīng)用簡(jiǎn)介. 適用技術(shù)市場(chǎng).2000.1
　　2. 葉漢民. 真空電子束焊機(jī)中的PLC控制技術(shù).真空,2000,3