电子束焊机的改造

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DH1000电子束焊机是我国在20世纪70年代初研制成功的第一代电子束焊机，经过30多年的使用，其机械部分磨损程度不大，仍有很大的使用价值；而电气部分技术落后元器件老化，不能满足继续运行的要求。只要花少量的资金对其电气系统进行改造，可恢复原运行性能。
一、晶闸管智能模块调节的高压电源
      临淄银河高技术开发有限公司开发的晶闸管智能模块有整流调压和交流调压两种。在电子束焊机中选用三相交流调压模块，晶闸管与同步触发电路一起封装于模块内，应用时只要求外部提供给12V直流电源及0~10V的控制信号。其能够进行移相调节，控制信号为2~9V时输出特性基本呈线性变化。三相晶闸管智能模块可带电阻性负载，也能带感性负载。三相负载的接线允许为△/Y接法。模块保护电路无特殊要求，一般采用阻容吸收回路和压敏电阻吸收过电压即可。
; Q8 a, N2 B7 f      电子束焊机高压电源的原理如图1所示，其中三相交流调压器由晶闸管智能模块构成，其作用是对升压变压器的输入电压进行调节。升压变压器把受控的三相交流电升压后由高压硅堆整流成负直流高压电源，再经过二型滤波网络滤波输出一60kV平直电源。该输出电源由高压电缆引入电子枪为阴极电子提供高压加速电场。
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      电子束焊接机高压电源在运行过程中产生高压放电时会引起极强的电磁冲击，而晶闸管较其他类型的功率管耐过电压和过电流冲击的能力要强得多，因此晶闸管应用于这种场合是十分适宜的。晶闸管智能模块的控制线路简单，受干扰的机率少，提高了控制系统的可靠性。实践证明，三相交流模块的输出电压非常对称，克服了相控电路带变压器负载时易产生偏磁的缺点。
; d8 }: J  `9 q* H: j; X二、电子束焊机其他电源
$ p& r) J4 c* r. ^' K4 v8 W      电子束焊机正常工作，除需要加束电源外，还需要阴极加热（灯丝）电源、栅偏控制（偏压）电源、聚焦电源和工作台电机驱动电源等。阴极加热电源和栅偏控制电源工作于高电位端，它们与低压控制回路之间必须采取高压绝缘措施。我们采用变压器来实现能量的传递与绝缘，即交一直一交一直的逆变方式，如图2所示。阴极加热电源的负载近似短路状态，其输出为低电压大电流型；栅偏控制电源仅为栅极提供一个电位，其负载近似开路状态，正常工作电流很小，最高工作电压达1.5kV。聚焦电源实质上是一种负载为感性的可调稳流电源。直流电机驱动电源采用可调稳压电源即可。

三、可编程控制器系统
1 i" O0 l4 z) b& y- }      电子束焊机工作于动态真空环境中，需要配置抽真空装置。抽真空过程动作的连锁、各电源启停的互锁、真空条件信号和各种保护信号参与控制的方式等逻辑控制功能由可编程控制器来承担较为理想。可编程控制器配置如图3所示。

1．开关量控制
  U  v, Y2 H% o0 \- j1 P. A1 P  C; s! h    开关量控制包括抽真空过程的单步、程控操作以及各工作电源的通断控制。控制的依据来自PLC外部输入的急停、真空条件、故障、限位等信号和人机界面上的操作按钮。控制的目标是让相关电磁阀及接触器按工作顺序和工艺要求可靠通断。人机界面的使用省去了实际按钮开关，PLC开关输入信号量大大减少。
( O1 u/ |" c) k6 z* c# m2．模拟量控制
     电子束焊机中有六路模拟量需要调节，它们是高压加速电源、电子束流、阴极加热电源、栅偏控制电源、聚焦电源和电机驱动电源。每个回路有独立的PID调节器，信号由PLC的D/A转换单元给出，PLC可直接控制它们的大小和升降速率的变化。六路模拟量的采样值通过A/D转换单元输入PLC，它们不参与调节，只作为显示和监控用。
. P: k2 r* K# [( F+ U3．人机界面
     除了急停按钮外，电子束焊机所有的操作按钮都设置于人机界面上，简化了控制系统的结构与连线。人机界面还可用作焊接参数设定和显示界面。图4示出其中一个操作画面（人机界面为NT620S型）。左下角是画面转换按钮及屏幕打印按钮，触摸这些按钮NT620S就可以选择显示需要的画面，以便操作。

四、运行效果
% F6 w' _+ F3 a% c3 G8 h0 v       1．改造后DH－1000电子束焊机主要运行参数
. ]$ O+ ~# @" s, F        加速电压：额定值－60kV，最大值－70kV，纹波系数＜1%，稳定度＜1%；
# q5 s- @; `- C' }        电子束流：额定值100mA，最大值120mA，纹波系数＜1%，稳定度＜1%。
! i9 @/ k8 E1 |2 ]        2．焊接试验结果
        加速电压－60kV；电子束流80mA；焊接速度300mm/min；不锈钢焊件，焊缝深23.6mm、深宽比11.2:1。
        采用可编程控制器使得各种保护功能更加完善，采用人机界面（触摸屏）使得元件及连线大为减少，从而提高其控制系统的可靠性。各调节单元采用数值给定方式，保证了焊接参数的重复性。
3 S2 V) k! M; S0 G8 c" }( m          经1年多的运行表明，DH1000电子束焊机的性能指标得以完全恢复，其控制系统的可靠性和重复性大幅度提高。