電子束焊機中的PLC特殊模塊應用技術(shù)

摘要：介紹了利用PLC特殊功能模塊實(shí)現對電子束流的起/起弧的梯度控制、高壓電源的軟啟動(dòng)和軟關(guān)機、工作臺的運動(dòng)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(jìn)行了重點(diǎn)說(shuō)明。

關(guān)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(shù)、自動(dòng)控制和計算機等多種專(zhuān)業(yè)學(xué)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(dòng)機構等部分組成。電子速焊機包括幾十個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入、模擬量和較多的開(kāi)關(guān)量輸出以及焊接過(guò)程控制。由于用一般的模擬控制系統難以實(shí)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(chǎn)線(xiàn)的過(guò)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(shí)現焊接工藝和過(guò)程的控制，為了確保設備操作簡(jiǎn)單、可靠性高、自動(dòng)化程度高和滿(mǎn)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(jìn)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(huì )出現缺陷，嚴重時(shí)會(huì )損壞零件，為此地控制電路中需要設計有起、起弧的專(zhuān)用電路。在PLC應用以前，大多用分立元件組成的積分電路來(lái)實(shí)現給定的起、收弧控制，電路結構比較復雜，梯度調節不方便，線(xiàn)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(dòng)和軟停止電路，以避免開(kāi)機和停機對高壓電源的沖擊。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(shí)，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(dòng)機構。與此同時(shí)還要配備高精度的工作臺驅動(dòng)電源系統來(lái)保證工作臺的精度，因此，電子束焊機專(zhuān)用工作臺驅動(dòng)電源系統一般采用伺服步進(jìn)電機來(lái)實(shí)現工作臺的各種運動(dòng)，（如直線(xiàn)和旋轉），以滿(mǎn)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(lái)完成以上功能的，但由于直流電機較貴，電流較大，不易實(shí)現與計算機的實(shí)時(shí)控制，而且要設計專(zhuān)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(jìn)電機控制系統來(lái)實(shí)現直線(xiàn)和旋轉運動(dòng)的控制系統中，以前的驅動(dòng)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(shù)的特點(diǎn)和功能，介紹一種利用簡(jiǎn)單電路來(lái)實(shí)現電子束流的起/收弧控制、高壓電源的軟啟動(dòng)和軟停止以及工作臺和運動(dòng)控制等功能的方法。經(jīng)實(shí)際運行證明。該控制系統具有可靠性高、結構簡(jiǎn)單、易于調試、調節方便等多種優(yōu)點(diǎn)。

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(guān)聯(lián)的系統作簡(jiǎn)要說(shuō)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(dòng)控制，筆者利用PLC及其特殊模塊設計了專(zhuān)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(lái)對整機進(jìn)行控制，包括過(guò)程控制、開(kāi)關(guān)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(shí)現上述三套系統的控制，其它系統的控制限于篇幅本文沒(méi)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格為0～10V，電流規格為4～20mA。整個(gè)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(lái)設定高壓控制用的PI調節器的高壓，而模擬量輸入用作X軸的速度給定控制。另一塊用來(lái)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轉換后還可用于控制工作臺的運動(dòng)速度。輔助電源采用朝陽(yáng)電源公司的集成一體化線(xiàn)性電源，該電源的穩定性很好。電位器分別用作模擬量的輸入調節和輸出模擬量的給定調節。步進(jìn)電源為專(zhuān)用的驅動(dòng)電源，工作性能穩定，具有制動(dòng)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(dòng)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調節器的作用下，經(jīng)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(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(kāi)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(xiàn)性變化的梯度曲線(xiàn)，波形如圖3。為了實(shí)現這種功能，只要PI調節器的給定信號與圖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(shí)現輸出為斜坡函數，必須在程序設計中適時(shí)地把數字量傳輸給D/A模塊，經(jīng)D/A模塊將數字量轉換成模擬量送給PI調節器，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(lái)獲得隨時(shí)間變化的輸出。輸出過(guò)程時(shí)序圖如圖5所示，圖5中D5為上升步長(cháng)，D6為下降步長(cháng)，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(shí)鐘振蕩器來(lái)控制中間繼電路，中間繼電器合上時(shí)，D7初值加上D5的數據給D7，同時(shí)PLC把D7的數據傳輸到D/A模塊，直到D7的數據為255時(shí)停止加法運算。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的模擬信號給PI調節器作為給定，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(guò)程中，只要存在關(guān)高壓信號，程序便開(kāi)始執行下降梯度減法運算，它的原理是根據關(guān)高壓信號時(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(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，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調節器的給定為零，從而使高壓輸出為零，這樣便可實(shí)現軟切斷高壓。由于高壓的梯度在設計中對設備來(lái)說(shuō)是基本固定的，加上整機PLC控制程序中對D5和D6進(jìn)行預先設置，從而保證了高壓電源在設備焊接過(guò)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束時(shí)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調節器的作用下，輸出控制電壓信號經(jīng)功率放大并調節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，并使通過(guò)整流和濾波后的電子槍柵極上的電壓發(fā)生變化，從而調節電子束流的大小以實(shí)現穩定。

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(dòng)電源、步進(jìn)電機及高精度X/Y軸直線(xiàn)工作臺等組成。電壓頻率變換器通過(guò)PLC的程序及特殊功能模塊來(lái)完成，驅動(dòng)電源把脈沖信號轉化為脈沖分配，以實(shí)現對步進(jìn)電機的驅動(dòng)控制。工作臺控制由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運動(dòng)狀態(tài)的輸出顯示等。由于工作臺驅動(dòng)電源要求時(shí)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(yǔ)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(yǔ)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(lái)決定，升降頻率在調試時(shí)應按系統要求調整。經(jīng)PLSR轉換后的脈沖由PLC的高速輸出口Y0送到驅動(dòng)電源的CP輸入端，PLC的Y2、Y3輸出口分別用來(lái)控制工作臺的運動(dòng)方向和制動(dòng)，以上是X軸的運動(dòng)控制原理。Y軸的控制原理與X軸控制原理相同，脈沖其運動(dòng)方向的制動(dòng)情況。工作臺的運動(dòng)方向、啟動(dòng)和停止、限位、連鎖及狀態(tài)指示均通過(guò)PLC的內部程序進(jìn)行連鎖及狀態(tài)指示均通過(guò)PLC的內部程序進(jìn)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(jìn)電機驅動(dòng)工作臺控制系統工作可靠、性能穩定，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(yǔ)

用PLC及其特殊功能AD模塊設計的高壓給定調節電路和束流給調節電路結構簡(jiǎn)單，線(xiàn)性度好，梯度調節方便，能很好地滿(mǎn)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(dòng)步進(jìn)電機電源系統具調試方便、無(wú)需分立元件電路、結構簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿(mǎn)足高精度工作臺的運動(dòng)控制要求。

本文所述的三套系統僅用兩個(gè)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(jiǎn)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(dòng)電源控制系統中推廣和使用。