摘 要 ZD-7電子束焊機(jī)電氣部分原來(lái)采用人工開(kāi)環(huán)控制，操作復(fù)雜、控制精度低且由于高壓電源紋波系數(shù)大，設(shè)備故障頻繁所以該電子束焊機(jī)電氣部分亟待改造；改造采用PLC和HMI人機(jī)界面操作屏組成的新型控制系統(tǒng)，高壓電源部分為高頻逆變電源，其余輔助電源部分也改為電子電路。
關(guān) 鍵 詞 PLC HMI MPI 電子電路板 高頻逆變電源

一． 引言
電子束焊接是一種特殊焊接工藝，從當(dāng)初的試驗(yàn)室應(yīng)用發(fā)展到應(yīng)用于工業(yè)電源走過(guò)了50年的發(fā)展歷程。電子束焊接的主要工作原理是在真空狀態(tài)下利用高壓靜電場(chǎng)把熱陰極發(fā)射的電子會(huì)聚成電子束經(jīng)電磁聚焦成一能量密度極高的小斑點(diǎn)（一般達(dá)105～8W/cm2），轟擊被焊工件，使焊縫兩側(cè)的金屬迅速熔化，實(shí)現(xiàn)焊接目的的一種工藝技術(shù)。它具有不用焊條、焊縫深而窄、熱影響區(qū)小、焊速高的特點(diǎn)，因而焊縫純凈，深寬比大，焊接熱變形量小，表面光滑亮澤，內(nèi)部晶相排列緊密。特別是對(duì)于諸如鎢、鈮、鉭等用普通焊接方式難以進(jìn)行焊接的難熔金屬材料以及不同熔點(diǎn)（例如銅與鎢等）、不同厚度的工件，“電子束焊”是十分理想的焊接方法。
應(yīng)用范圍：廣泛應(yīng)用于航天、航空、核能、兵器和儀表、汽車(chē)、電工機(jī)械等行業(yè)，例如人造衛(wèi)星部件、鈦合金、鋯板等材料結(jié)構(gòu)件、組合件和彈性部件、膜盒、齒輪組件、汽車(chē)半軸、電工觸頭、雙金屬鋸帶和雙金屬材料等。基本工藝如圖1所示












二． 系統(tǒng)概況和改造方案
某冶金研究所的“ZD-7”電子束焊機(jī)是北京電子組件十二廠1975年專(zhuān)門(mén)為該所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的特殊焊接設(shè)備，它主要由高壓電源、真空系統(tǒng)，焊接輔助控制系統(tǒng)三大部分組成。限于當(dāng)時(shí)電力電子器件，技術(shù)條件等方面的制約，該設(shè)備自投入使用三十年以來(lái)電氣部分始終存著控制精度差、故障率高，高壓紋波大的缺點(diǎn)，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成品率低，無(wú)法保證正常生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究該冶金研究所決定對(duì)這臺(tái)電子束焊機(jī)的電氣部分進(jìn)行改造，我有幸成為了這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人。根據(jù)技術(shù)要求提出如下方案：
1. 將原來(lái)的接觸器。繼電器式的電磁控制系統(tǒng)改為由PLC和HMI人機(jī)界面操作屏組成的新型控制系統(tǒng)，這樣通過(guò)清晰美觀的組態(tài)畫(huà)面進(jìn)行操作既提高了操作的自動(dòng)化程度和直觀性，又提高了焊接的控制精度。
2. 將原有的手動(dòng)閥門(mén)全部變?yōu)殡姶砰y以實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)的自動(dòng)抽真空過(guò)程。
3. 該電子束焊機(jī)的聚焦、偏轉(zhuǎn)及焊件進(jìn)給的公、自轉(zhuǎn)部分原來(lái)采用圓盤(pán)式陶瓷電阻開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，精度低、占用空間大，操作不方便；現(xiàn)用電子板配合PLC模擬量的反饋可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，精度高、占用空間小，操作靈活方便。
4. 電子束焊機(jī)的燈絲加熱電源采用單相調(diào)壓調(diào)節(jié)陰極燈絲加熱電流。連接燈絲變壓器副邊繞組的陰極鎢絲冷態(tài)直流電阻值只有0.5~1Ω，所以當(dāng)調(diào)節(jié)燈絲變壓器原邊繞組電壓時(shí)(間接調(diào)節(jié)陰極燈絲加熱電流)，由于燈絲變壓器副邊繞組極低的阻抗值造成原邊激磁電流會(huì)在很窄的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化很大(直接影響毫安級(jí)的電子束流)。因此燈絲加熱電源的控制同樣需要閉環(huán)控制以提高其控制精度和擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍。
5. 其“核心”部分—高壓電源采用三相調(diào)壓器人工開(kāi)環(huán)調(diào)壓，經(jīng)三相升壓變壓器升壓，二極管整流供電的方式，這種原始的控制和調(diào)節(jié)僅滿(mǎn)足于試驗(yàn)研究和要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。體積大、效率低、操作復(fù)雜和可靠性差是該電源的主要缺點(diǎn)。參照國(guó)內(nèi)外電子束焊機(jī)成形產(chǎn)品及相關(guān)資料，決定將原工頻高壓電源改為高頻高壓電源。

三． 改造實(shí)施及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試
1． PLC和HMI
本機(jī)選用的PLC為西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-300系列可編程邏輯控制器 ， 由它 實(shí) 現(xiàn) 對(duì)設(shè) 備 的 各種邏輯控制。CPU單元 為315-2DP，配有64K閃存卡以存貯用戶(hù)程序。 通過(guò) PLC的邏輯運(yùn)算模擬量輸出來(lái)控制高壓 、束 流 、聚焦、偏轉(zhuǎn)、焊件公/自轉(zhuǎn)的 給 定 ；通過(guò) PLC的邏輯運(yùn)算模擬量輸入來(lái) 顯示高 壓 電壓值，束 流 、聚焦、偏轉(zhuǎn)電流值，焊件公自轉(zhuǎn)的 速度；通過(guò)PLC的開(kāi)關(guān)量輸入顯示返回狀態(tài)并且實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)鎖；通過(guò)PLC的關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)所有外圍設(shè)備啟動(dòng)或停止；315-2DP功能較強(qiáng)，內(nèi)部集成了許多SFC(系統(tǒng)功能)，可以對(duì)高壓、束流進(jìn)行斜坡函數(shù)軟啟動(dòng)、PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，另外模擬量模板的分辨率是12位足以滿(mǎn)足控制精度。HMI同樣選用西門(mén)子OP270操作面板，與S7-300的通訊方式為MPI。高壓 、束 流 、聚焦、偏轉(zhuǎn)、焊件公/自轉(zhuǎn)的給定和控制均可以在HMI操作，同時(shí)在上面讀出相應(yīng)的值和狀態(tài)。HMI為10 英寸液晶屏，外形輕薄，可直接嵌入安裝在控制柜門(mén)上節(jié)省了大量空間。HMI自帶Win95操作系統(tǒng)，加上所作的工藝畫(huà)面完全實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面，操作起來(lái)方便簡(jiǎn)單。整個(gè)PLC和HMI 系統(tǒng)配置如圖2 所示：





根據(jù)控制和工藝要求PLC程序框圖如圖3所示：



2． 聚焦偏轉(zhuǎn)及焊件公自轉(zhuǎn)
1) 電子束的聚焦、偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈固定在電子槍內(nèi)部，聚束極下方(電位接近陽(yáng)極電位)，對(duì)電子束起到電磁聚焦和電磁偏轉(zhuǎn)的作用，如果不穩(wěn)定或脈動(dòng)較大將直接影響電子束的能量，即焊件的焊接質(zhì)量。所以要求輸出的聚焦、偏轉(zhuǎn)電壓波形平直，調(diào)節(jié)起來(lái)平穩(wěn)。對(duì)聚焦、偏轉(zhuǎn)毫安級(jí)的電源來(lái)講只要輸出有足夠大的濾波電容，采用合適的濾波形式(本設(shè)備為Π形濾波)可使UO=1.2~1.3U2完全滿(mǎn)足要求。另外在電路上采用比例積分放大器，電壓輸出采用大功率三極管輸出以(電流放大，β=40)，完全實(shí)現(xiàn)輸出電壓平滑可調(diào)。偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈電壓為正、負(fù)雙向連續(xù)可調(diào)。
2) 保留原設(shè)備的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)機(jī)械聯(lián)鎖，手動(dòng)切換。公轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）電機(jī)是直流伺服電機(jī)，原設(shè)備的控制采用單相調(diào)壓器調(diào)壓，體積大，調(diào)節(jié)范圍窄，速度不平穩(wěn)。同樣采用電子電路控制，通過(guò)霍爾變送器將速度值（電樞電壓）送到PLC模擬量模板，經(jīng)PLC程序規(guī)格化后由PLC模擬量輸出模板再送回該電路板上的PI調(diào)節(jié)器形成閉環(huán)控制，增大了調(diào)節(jié)范圍，穩(wěn)定了轉(zhuǎn)速。電樞電壓的輸出采用大功率三極管兩極放大輸出構(gòu)成的“H”橋，可以保證直流伺服電機(jī)正、負(fù)方向運(yùn)行和電路板承受足夠的過(guò)載能力。
3) 聚焦偏轉(zhuǎn)及焊件公自轉(zhuǎn)既可以在HMI上預(yù)置也可以在操作盒上用電位計(jì)調(diào)節(jié)，方便實(shí)用。
3． 燈絲加熱電流(束流控制)
如前所述，束流的控制依賴(lài)調(diào)節(jié)燈絲加熱電流。在熱狀態(tài)下陰極鎢絲產(chǎn)生大量的活躍電子，連續(xù)不斷的活躍電子在靜電場(chǎng)力的作用下形成電流，電流的大小取決于活躍電子的多少，而活躍電子的多少又取決于燈絲加熱電流，即燈絲變壓器原邊電壓的大小。原設(shè)備同樣采用單相調(diào)壓器調(diào)壓，同樣存在體積大，調(diào)節(jié)范圍窄的缺點(diǎn)，要達(dá)到理想的控制要求必須改變控制方式。設(shè)計(jì)采用可控硅反并聯(lián)(盡量不要采用雙相可控硅)，控制板采用恒流的控制方式，將束流電流（不是加熱流壓）經(jīng)霍爾變送器(經(jīng)PLC程序規(guī)格化)反饋到控制板的PI調(diào)節(jié)器，只要焊接束流有變化，系統(tǒng)立即跟蹤穩(wěn)定束流。束流控制與高頻高壓電源恒壓功能配合兼作內(nèi)環(huán)，更起到穩(wěn)定焊按電流的效果。該調(diào)壓控制板具有故障(過(guò)流、過(guò)載、欠壓等)保護(hù)功能。原理如圖4 所示：


4． 高壓電源
高壓偏置電源(簡(jiǎn)稱(chēng)高壓電源)是整個(gè)電子束焊機(jī)的心臟，它具有形成強(qiáng)電場(chǎng)和靜電聚焦的雙重任務(wù)，是評(píng)判一個(gè)電子束焊機(jī)性能的決定性指標(biāo)，可以說(shuō)改造電子束焊機(jī)就是改造高壓電源。經(jīng)過(guò)查找相關(guān)資料得知，不考慮其它因素原三相整流高壓電源輸出電壓的紋波系數(shù)大于1%，只適合焊接一些粗放型工藝要求不高的產(chǎn)品，無(wú)法適應(yīng)精密器件的焊接。隨著電力電子器(如IGBT)的發(fā)展，高頻高壓電源無(wú)疑成為高壓偏置電源的首選。新高壓電源紋波系數(shù)小于1%，電壓負(fù)載率+－1%。
電主電路系統(tǒng)(如下圖5)：


圖5
1) EMC濾波電路
開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲返回到市電網(wǎng)絡(luò)，影響電源控制電路的正常工作，并對(duì)其它的電器設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此必須加以克服。本電源采用EMC濾波電路，主要由L和C組成的電源線(xiàn)路濾波器，包括差模抑制和共模抑制電路，能有效抑制差模和共模噪聲。
2) 可控整流電路
可控整流電路由集成一體化可控整流模塊組成，電感和電容組成濾波電路以獲得較為平穩(wěn)的直流電壓，兩個(gè)高精密電阻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(wěn)定
3) IGBT逆變電路
逆變電路由電容、IGBT、高壓變壓器、保護(hù)元件等組成。IGBT為富士公司的快速系列模塊，其型號(hào)為1MBH600-100。經(jīng) IGBT逆變后的方波電壓經(jīng)高壓變壓器升壓到35kV左右的高頻交流電壓。由于高壓線(xiàn)圈的匝數(shù)較多，在高頻時(shí)，寄生電容和自感會(huì)影響電源的輸出特性，因此須對(duì)線(xiàn)圈采取靜電屏蔽。阻容吸收組成IGBT的尖峰電壓吸收電路，確保IGBT的安全工作。
4) 高壓整流電路
高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護(hù)電阻及取樣電路組成。由于經(jīng)高壓變壓器升壓后的電壓具有較高的頻率，所以選用高頻高壓快速整流硅堆以滿(mǎn)足高頻高壓整流的需要。濾波電容器選用高壓聚苯乙烯電容器，這種電容器具有較小的tgδ及較好的高頻性能，對(duì)電源的輸出特性影響小。為有效地限制短路電流及電源內(nèi)部過(guò)電壓的限流電阻和保護(hù)電阻，均采用具有熱性能穩(wěn)定、自感小、通流容量大，具有較強(qiáng)的耐受過(guò)電壓、電流沖擊能力的大功率電阻。取樣電路中的高壓取樣信號(hào)由精密電阻分壓器獲得，分壓器由精密線(xiàn)繞無(wú)感電阻制成，頂部加裝屏蔽電極，保證取樣電壓的穩(wěn)定。電子束流取樣亦通過(guò)精密無(wú)感線(xiàn)繞電阻制成，兩種取樣電阻均 放在電磁屏蔽盒里，防止干擾信號(hào)進(jìn)入控制電路。
控制電路
控制電路如圖6所示。