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、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、汽車半軸、電工觸頭、雙金屬鋸帶和雙金屬材料等?；竟に嚾鐖D1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年專門為該所設(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，無法保證正常生產(chǎn)。經(jīng)過反復(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)，這樣通過清晰美觀的組態(tài)畫面進(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)部分原來采用圓盤式陶瓷電阻開環(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閃存卡以存貯用戶程序。通過PLC的邏輯運(yùn)算模擬量輸出來控制高壓、束流、聚焦、偏轉(zhuǎn)、焊件公/自轉(zhuǎn)的給定；通過PLC的邏輯運(yùn)算模擬量輸入來顯示高壓電壓值，束流、聚焦、偏轉(zhuǎn)電流值，焊件公自轉(zhuǎn)的速度；通過PLC的開關(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位足以滿足控制精度。HMI同樣選用西門子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)，加上所作的工藝畫面完全實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面，操作起來方便簡(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)線圈固定在電子槍內(nèi)部，聚束極下方(電位接近陽極電位)，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)起來平穩(wěn)。對(duì)聚焦、偏轉(zhuǎn)毫安級(jí)的電源來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(過流、過載、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)，可以說改造電子束焊機(jī)就是改造高壓電源。經(jīng)過查找相關(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