电子束焊机可编程控制器控制系统的设计.pdf

信息化技术航天制造技术 曼皇! 曼詈! I II 毫曼皇曼曼曼皇皇曼皇曼詈詈曼! ! 量皇! 皇詈! 詈! ! 曼曼皇詈曼曼! ! 量曼皇曼皇曼毫詈詈詈詈曼詈暑皇曼詈曼! 詈曼量鼍皇詈詈曼! 皇皇皇! 曼! 皇曼皇曼! 曼! ! ! ! ! ! 鼍! 曼鼍 电子束焊机可编程控制器控制系统的设计 莫力林1 ( 1 桂林狮达机电技术工程有限公司，桂林5 4 1 0 0 4 ； 韦寿祺2 2 桂林电子科技大学机电工程学院，桂林5 4 1 0 0 4 ) 摘要：介绍了以欧姆龙C J l M 可编程控制器为核心组成的电子束焊机控制系统，包括人 机界面和手摇脉冲发生器等外围设备。控制系统功能：完成抽真空、工作电源通断、工作 状态监控等逻辑控制；工作电源设定信号的数模转换和工作电源实时运行参数采样信号的 模数转换；人机界面的操作、设定、监控、显示的功能；工作台运动速度及定位控制。分 析了可编程控制器控制系统电磁干扰来源，阐述了抑制电磁干扰的软硬件措施。此控制系 统应用于T H D w 系列电子束焊机，具有结构紧凑、运行可靠稳定等优点。 关键词：电子束焊机；可编程控制器；人机界面；高速计数器；脉冲输出；电磁干扰 抑制 P L CBa s e dC o n t r o lS y s t e mD e s i g nf o rE l e c t r o n i cB e a mW e l d e r M oL i h I l lW e iS h o u q i 2 ( 1 G u i l i nT H DM e c ha n dE l e cE n g i n e e r i n gC o L t d ，G u i l i n5 4 1 0 0 4 ； 2 S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，G u i l i nU n i v e r s i t yo fE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y , G u i l i n5 4 1 0 0 4 ) A b s t r a c t ：B a s e do n0 M R O NC J l Mp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( P L C ) ，a l le l e c t r o n i cb e a mw e l d e r ( E B W ) c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d T h i ss y s t e mi n c l u d e sp e r i p h e r a ld e v i c e ss u c ha sh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( H M I ) a n dm a n u a l p u l s eg e n e r a t o re t c ，a n dh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：p e r f o r m i n gl o g i cc o n t r o lo fv a c u u mp u m p i n g ，w o r k i n gp o w e r s s w i t c h i n ga n dw o r k i n gs t a t u sm o n i t o r i n g ，e t c ；D At r a n s f o r m i n gf o rp o w e r s g i v e nw o r k i n gp a r a m e t e r sa n dA D t r a n s f o r m i n gf o rs a m p l i n gp o w e r s r e a l t i m ew o r k i n gd a t a ；H M Io p e r a t i o na n dd i s p l a y , i n c l u d ew o r k i n gp a r a m e t e r s s e t t i n ga n dm o n i t o r i n g ；w o r k i n g b e n c hm o v i n ga n dp o s i t i o n i n gc o n t r 0 1 T h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es o u r c ei nP L C c o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e da n ds o m es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r ed i s c u s s e d 。A p p l i c a t i o ni n T H D Ws e r i e sE B Ws h o w st h a tt h es u g g e s t e ds y s t e mh a sac o m p a c ts t r u c t u r ea n dw o r k i n gr e l i a b i l i t y K e yw o r d s ：e l e c t r o n i cb e a mw e l d e r ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ；h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ：h i g h s p e e d c o u n t e r ；p u l s eo u t p u t ；e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n 1 引言 电子束焊接是利用空间定向高速运动的电子束撞 击工件表面后，将动能转化成热能，使被焊金属熔化， 冷却结晶后形成焊缝。与常规焊接方法相比，电子束 焊接在焊接界属于“富贵”焊接。电子束焊具有加热 功率密度高、焊缝深宽比大、焊接速度快、热影响区 小、焊接变形小、焊缝纯度高、焊接工艺参数调节范 围广、适应性强和可焊材料多等优点。电子束焊接机 是一种技术密集型的产品，它是一种综合了真空物理、 电子技术、电子光学、高电压技术、计算机和控制技 术等多种技术的高科技产品。尽管设备价格昂贵，但 因其优越的焊接性能，在国防工业、宇航工业、仪器 仪表工业、汽车制造业等诸多领域中倍受欢迎。电子 束焊机的电气系统结构复杂，工作电源种类繁多，形 成了复杂的电磁环境，特别是电子束焊机运行过程中 作者简介：莫力林( 1 9 6 3 一) ，高级工程师，自动化专业；研究方向；电子束加工 设备研发。 基金项目：国家火炬计划项目( 2 0 0 9 G H 0 4 0 1 8 1 ) ；桂林国家高新区科技型中小企 业技术创新基金项目( J 耋0 9 0 7 0 6 ) 。 收稿日期：2 0 1 0 - - 0 3 1 8 5 3 万方数据 信息化技术2 0 1 0 年4 月第2 期 电子枪不可避免偶尔产生高电压放电，此时形成的电 磁浪涌对电气系统构成严重的威胁。因此要求电子束 焊机的电气系统必须具有抗强电磁冲击能力。在 T H D W 系列电子束焊机的电气系统中，选用欧姆龙 C J l M 可编程控制器为控制核心，采取合理的防干扰措 施，经多年的应用表明效果较佳。 2 电子束焊机P L C 控制系统的硬件 在T H D W 系列电子束焊机中，欧姆龙C J l M 可编程 控制器控制系统的构成如图l 所示，包括供电电源、 C P U 、开关输入、模拟输入、模拟输出、开关输出等 单元【2 】o 供电I c P u 单l 晶体管l A D 模I D A 模I 晶体管I 继电器 电源l 元及内l 开关输l 拟输入l 拟输出I 歼关输l 输出 单元I 置F O l 入单几l 单元l 单几I 出单元l 单元 人机界l 脉冲 面单元l 发生器 图1电子束焊机P I ，C 控制系统结构图 P A L 2 0 5 R 供电电源单元为整个C J l M 可编程控制 器内部电路供电，其输入电源为2 2 0 V 交流。P A L 2 0 5 R 供电电源单元配置一个常开触点，在P L C 上电进入正 常工作状态后，此常开触点闭合。利用此触点给人机 界面单元延时上电。 C P U 2 2 单元内置F O 功能，其中，输入功能用于接 受手摇脉冲发生器信号的高速计数器，手摇脉冲发生 器代替电位器对选定参数进行调节。内置输出功能作 为脉冲输出信号发生器，用于控制伺服电机运动和控 制电子束扫描控制系统的扫描频率。 I D 2 11 晶体管开关输入单元用于接受操作元件、传 感器等信号。 O D 2 1 1 晶体管开关输出单元用于驱动直流继电器 等低压直流元件。 O C 2 1 l 继电器输出单元用于驱动接触器等市电交 流元件。 在T H D W 系列电子束焊机中，共有6 路模拟控制系 统，分别是高压、束流、偏压和灯丝电流，另外X 轴和 啪偏转扫描电流占2 路，控制采用数字与模拟相结合 方式，即采用数字设定和数字采样显示，模拟闭环自 动调节。C J l W - D A 0 8 V 模拟输出单元用于此6 路模拟控 制系统的数字设定，其中，偏转和扫描各用2 路D A 数 5 4 字设定。C J l W - A D 0 8 1 V 1 模拟输入单元用于高压、束 流、偏压、灯丝电流、跏和啪偏转扫描电流、冷却 温度的数字采样。图2 所示为高压控制系统结构图，高 压设定通过人机界面单元设定或手摇脉冲发生器微 调，D A 单元转换成模拟信号供给模拟调节系统， 高压信号经A D 单元转换数字信号显示于人机界面 上。 脉冲 D A带 发生器 P L C 人机界 图2高压控制系统结构图 人机界面单元为M T 5 1 0 T V 4 N Ce v i e w 彩色触摸 屏，完成操作按钮、数字设定、状态监控、运行参数 显示等功能，布置了抽真空、焊接、调试、参数设定、 故障诊断、工作历程累计等操作页面，图3 为其中的焊 接操作页面。有操作按钮、焊接参数设定值和实际值 指示、三种焊接主要参数( 高压、束流和聚焦) 动态 图形显示。运行过程如果发生故障，在屏幕的右上角 显示故障类型。 图3 焊接操作页面 手摇脉冲发生器每转一周发出1 0 0 个脉冲，在人机 界面上选择调试页面，然后再选择被调试的系统如高 压系统，那么手摇脉冲发生器的脉冲通过P L C 内部计 数器将被送到高压设定缓冲器。高压运行时，调节手 摇脉冲发生器就能微调高压的输出。在正常焊接过程， 手摇脉冲发生器的输出接至聚焦设定缓冲器，以便对 聚焦电流实时调节。 8 软件设计 万方数据 信息化技术航天制造技术 詈! ! 鼍皇! 曼皇曼! 曼曼鼍曼詈量曼毫皇寡皇曼皇量曼皇詈皇曼暑毫皇皇詈皇皇曼鼍鼍曼皇! 鼍皇! 曼詈曼皇曼曼富皇鲁鼍詈置皇! i nn 鼍詈曼鼍 3 1 开关量手动控制 开关量手动控制采用起保停逻辑控制，一个被控 对象通过人机界面上的一个对应按钮，使用微分功能 实现起保停逻辑控制，如图4 所示。 输出 图4 用基本指令实现起保停逻辑控制程序 为了提高编程效率及程序运行效率，对于图4 多路 起保停逻辑控制编程，可充分利用P L C 提供的功能指 令来处理开关量手动控制，如图5 所示。此时按钮与被 控对象输出地址的安排有一定要求，一个通道号( 如 0 0 1 0 通道) 中的被控对象对应的按钮地址安排在一个 通道中( 如0 0 2 0 通道) ，且位号一一对应，即0