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1 概論
電子束焊接機是高能束技術在焊接設備中。由于電子束焊接具有焊縫成形好，不用焊條，效率高，不易氧化等優點而成功地廣泛地應用于原子能、國防、汽車、航空航天、電工儀表、冶金等工業領域，并隨當今計算機技術及其它新技術的推廣應用更進一步加速了電子束焊接技術的工業應用[1]。電子束焊機技術復雜，主要涉及的專業技術有電子光學、電磁場理論、計算機及其控制技術、自動化技術、真空技術、精密制造技術、高電壓工程等多種學科的綜合應用。電子束焊機控制系統復雜，既有數字量控制，也有模擬量控制，同時還要對一些參數進行實時控制。三菱公司生產的FX系列可編程控制器的功能較好地滿足了其控制系統的要求[2]，較好地實現了PLC對電子束焊機的整機控制。
2 電子束焊機控制系統的組成
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完成對電子槍和焊接室的抽真空任務后（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，偏壓電源控制和調節電子束流的大小。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，如果工件及工作臺位置準備好，按下焊接按鈕設備開始下束，通過調節電子束流給定和工作臺速度大小來實現對焊接線能量的調整，以滿足焊接工藝的要求，如果需要對電子束進行“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“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，第一次焊接任務完成。如果要繼續焊接其它零件，重復以上過程。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泵及閥的操作，各種操作狀態由人工管理。自動程序則由PLC按照程序要求自動管理有關泵及閥門的開啟、真空狀態、聯鎖條件等，自動完成設備的抽真空任務，使之滿足設備需要的真空度。在抽氣及焊接過程中，如果聯鎖條件不滿足或者水、氣等故障，PLC則自動判斷工作狀態，使設備恢復到有關的狀態，或者發出故障指示供操作人員調整。
2.2 控制系統組成
控制系統組成的原理圖如圖1所示，整機以PLC為核心分別對設備各控制系統進行模擬和數字控制，PLC為三菱公司生產的FX2N-128MT可編程的邏輯控制器，實現對設備的各種邏輯控制。A/D、D/A單元亦為該公司的特殊模塊，實現工作臺運動速度給定的A/D轉換和高壓、束流的D/A轉換，通過PLC的邏輯運算輸出模擬量來控制高壓、束流的給定。各控制系統的原理如下。
高壓控制系統：高壓控制系統由PID調節器、高壓電源、反饋環節、功率放大等組成，PLC經內部運算和D/A轉換輸出模擬信號給PID調節器，PID調節器在反饋環節的閉環控制作用下控制高壓電源的高壓輸出，以實現高壓的穩定和調節以及對高壓的聯鎖控制。高壓控制系統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、急停、故障顯示等。
束流控制系統：束流控制系統由PID調節器、偏壓電源、反饋環節、功率放大等組成。PLC經內部運算和D/A轉換輸出模擬信號給PID調節器，PID調節器在反饋環節的閉環控制作用下控制偏壓電源的偏壓輸出，以實現對電子束流的穩定和調節以及對焊接工藝控制。束流控制系統的主要功能有束流的梯度上升和下降、束流的大小調節、焊接過程中的工藝控制、急停、故障顯示等。
聚焦控制系統：聚焦控制系統由聚焦電源、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的聯鎖，保證設備處于聚焦狀態。
陰極加熱電流控制系統：陰極加熱電流控制系統控制陰極加熱電流的大小，保證電子槍的陰極能發射出足夠的電子數目。PLC控制陰極電源的開啟和陰極與高壓、真空、閘閥等的聯鎖。
真空及閥門控制系統：真空及閥門控制系統保證設備具有正常的真空工作環境，主要由各種真空泵、閥門等組成。PLC對真空系統的控制分為手動和自動兩種功能，手動時PLC根據輸入條件判斷閥門、泵的正常狀態，閥門、泵的開啟由人工控制，其開關動作還是由PLC完成。自動時PLC根據程序要求自動完成對設備的抽真空任務，泵、閥門、真空度的狀態判斷和聯鎖條件均通過PLC軟件來實現。
工作臺運動控制系統：工作臺運動控制系統由PWM信號發生器、驅動電源、步進電機、運動機構及夾具組成。工作臺運動控制分為手動控制和計算機的聯機控制，手動時PWM信號由PLC產生，具體的工作過程是速度模擬量給定經A/D轉換輸入給PLC，PLC通過內部功能處理，產生的PWM信號經高速信號輸出口Y0、Y1分別送到X、Y軸的驅動電源的接口上，速度大小的調節通過改變模擬量給定的大小來實現，模擬量給定的改變后，經A/D轉換后到PLC內部的數字量亦發生改變，經PLC運算后形成的PWM信號頻率亦發生改變，從而實現對工作臺運動的控制。計算機的聯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。
計算機聯機控制：計算機聯機控制是用來連接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板和隔離板把計算機機信號輸入給PLC，實現PLC對計算機和焊接過程的實時控制。
偏轉掃描控制系統：由偏轉電源和偏轉線圈組成，實現對電子束的偏轉和掃描。
測量及故障顯示：用來測量有關焊接工藝參數，故障類型顯示，供操作人員調整和控制。
3 軟件構成
根據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：對一些數據寄存器及定時器清零復位，使設備處于初始工作狀態。
高壓控制程序：控制高壓條件的聯鎖、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，進入此程序后，聯鎖條件解除，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，使設備進入焊接等待狀態，此時各部件之間的聯鎖通過PLC內部軟件設置，保證設備和人身安全。
自動程序：自動條件滿足時焊接機進入自動程序控制狀態，PLC完全控制真空泵、閥的開啟，使設備自動進入等待焊接狀態。
計算機聯機控制：聯接計算機和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，進入計算機聯機控制程序時，計算機管理焊接程序。
A/D D/A轉換程序：實現A/D、D/A的數據轉換，實現工作臺速度給定的模擬量轉換為數字量，供PLC運算并變換成一定頻率的PWM信號，控制工作臺的速度。同時實現高壓、電子束流的數字量向模擬量的轉換，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備，確保設備和人身安全。
停機程序：執行本程序時，PLC按照設備所處的工作狀態依次關閉有關部件、電源、真空泵、閥、加熱電爐等。
結束程序：END
4 結語
電子束焊接機應用PLC控制，并結合PC機的通信技術，設備功能齊全，工作可靠，操作簡單。PLC同時還能對工作臺運動進行控制，使工作臺驅動系統結構簡單，控制方便。經過電子束焊機的運行，結果表明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。