摘 要：根據(jù)電子束焊機的控制系統(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電子束焊機進(jìn)行數(shù)字量控制和模擬量控制。結(jié)合電子束焊機焊接工藝需要，分別對控制軟件的作用和軟件構(gòu)成進(jìn)行了說明。
關(guān)鍵詞：PLC 電子束焊機（EBW） 控制
1 概論
電子束焊接機是高能束技術(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)點而成功地廣泛地應(yīng)用于原子能、國防、汽車、航空航天、電工儀表、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，并隨當(dāng)今計算機技術(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)、電磁場理論、計算機及其控制技術(shù)、自動化技術(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，同時還要對一些參數(shù)進(jìn)行實時控制。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]，較好地實現(xiàn)了PLC對電子束焊機的整機控制。
2 電子束焊機控制系統(tǒng)的組成
2.1 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(tǒng)完成對電子槍和焊接室的抽真空任務(wù)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(diào)節(jié)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(tài)，如果工件及工作臺位置準(zhǔn)備好，按下焊接按鈕設(shè)備開始下束，通過調(diào)節(jié)電子束流給定和工作臺速度大小來實現(xiàn)對焊接線能量的調(diào)整，以滿足焊接工藝的要求，如果需要對電子束進(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現(xiàn)“攪拌”焊接的作用。零件焊接完成后，按下充氣按扭打開焊接室拿出零件，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)以上過程。焊接室及電子槍的抽真空可以用手動或者自動程序完成，手動程序時人工控制有關(guān)泵及閥的操作，各種操作狀態(tài)由人工管理。自動程序則由PLC按照程序要求自動管理有關(guān)泵及閥門的開啟、真空狀態(tài)、聯(lián)鎖條件等，自動完成設(shè)備的抽真空任務(wù)，使之滿足設(shè)備需要的真空度。在抽氣及焊接過程中，如果聯(lián)鎖條件不滿足或者水、氣等故障，PLC則自動判斷工作狀態(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，整機以PLC為核心分別對設(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，實現(xiàn)對設(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，實現(xiàn)工作臺運動速度給定的A/D轉(zhuǎn)換和高壓、束流的D/A轉(zhuǎn)換，通過PLC的邏輯運算輸出模擬量來控制高壓、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)部運算和D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號給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，以實現(xiàn)高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)以及對高壓的聯(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)部運算和D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬信號給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，以實現(xiàn)對電子束流的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)以及對焊接工藝控制。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控制陰極電源的開啟和陰極與高壓、真空、閘閥等的聯(lián)鎖。
真空及閥門控制系統(tǒng)：真空及閥門控制系統(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、閥門等組成。PLC對真空系統(tǒng)的控制分為手動和自動兩種功能，手動時PLC根據(jù)輸入條件判斷閥門、泵的正常狀態(tài)，閥門、泵的開啟由人工控制，其開關(guān)動作還是由PLC完成。自動時PLC根據(jù)程序要求自動完成對設(shè)備的抽真空任務(wù)，泵、閥門、真空度的狀態(tài)判斷和聯(lián)鎖條件均通過PLC軟件來實現(xiàn)。
工作臺運動控制系統(tǒng)：工作臺運動控制系統(tǒng)由PWM信號發(fā)生器、驅(qū)動電源、步進(jìn)電機、運動機構(gòu)及夾具組成。工作臺運動控制分為手動控制和計算機的聯(lián)機控制，手動時PWM信號由PLC產(chǎn)生，具體的工作過程是速度模擬量給定經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入給PLC，PLC通過內(nèi)部功能處理，產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)高速信號輸出口Y0、Y1分別送到X、Y軸的驅(qū)動電源的接口上，速度大小的調(diào)節(jié)通過改變模擬量給定的大小來實現(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運算后形成的PWM信號頻率亦發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對工作臺運動的控制。計算機的聯(lián)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。
計算機聯(lián)機控制：計算機聯(lián)機控制是用來連接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，計算機控制指令通過開關(guān)板和隔離板把計算機機信號輸入給PLC，實現(xiàn)PLC對計算機和焊接過程的實時控制。
偏轉(zhuǎn)掃描控制系統(tǒng)：由偏轉(zhuǎn)電源和偏轉(zhuǎn)線圈組成，實現(xiàn)對電子束的偏轉(zhuǎn)和掃描。
測量及故障顯示：用來測量有關(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)以上對電子束焊機的組成及控制原理的分析，電子束焊機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：對一些數(shù)據(jù)寄存器及定時器清零復(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，焊接機完全由人工控制各部件的開啟。
手動程序：處于手動程序時，人工操作真空泵及閥門的開關(guān)，使設(shè)備進(jìn)入焊接等待狀態(tài)，此時各部件之間的聯(lián)鎖通過PLC內(nèi)部軟件設(shè)置，保證設(shè)備和人身安全。
自動程序：自動條件滿足時焊接機進(jìn)入自動程序控制狀態(tài)，PLC完全控制真空泵、閥的開啟，使設(shè)備自動進(jìn)入等待焊接狀態(tài)。
計算機聯(lián)機控制：聯(lián)接計算機和PLC之間的指令傳送，使計算機能適時控制工作臺的運動及焊接工藝控制，進(jìn)入計算機聯(lián)機控制程序時，計算機管理焊接程序。
A/D D/A轉(zhuǎn)換程序：實現(xiàn)A/D、D/A的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)工作臺速度給定的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供PLC運算并變換成一定頻率的PWM信號，控制工作臺的速度。同時實現(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。
故障報警程序：根據(jù)輸入信號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。
停機程序：執(zhí)行本程序時，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
電子束焊接機應(yīng)用PLC控制，并結(jié)合PC機的通信技術(shù)，設(shè)備功能齊全，工作可靠，操作簡單。PLC同時還能對工作臺運動進(jìn)行控制，使工作臺驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。經(jīng)過電子束焊機的運行，結(jié)果表明PLC控制電子束焊機的硬、軟件安全可靠，提高了電子束焊機的自動化水平。
參考文獻(xiàn)
1. 葉漢民. 電子束技術(shù)及應(yīng)用簡介. 適用技術(shù)市場.2000.1
2. 葉漢民. 真空電子束焊機中的PLC控制技術(shù).真空,2000,3
