1 引言
在超導(dǎo)材料生產(chǎn)的工藝流程中，電極焊接是非常重要的一環(huán)，一方面要滿足不能被氧化、充分保證材料的純度，另外一方面也要提高工作效率并降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國超導(dǎo)材料的生產(chǎn)過程中均采用在大氣環(huán)境的氬弧焊接，但效果始終不是很理想，還經(jīng)常造成鎢極夾雜。為了很好地解決這一問題，我公司設(shè)計(jì)并制造完成了一種綜合利用等離子焊槍和氬弧焊槍的焊接設(shè)備。設(shè)備主體上配有兩把固定式等離子弧焊槍，一把手持式等離子弧焊槍、一把手持式氬弧焊槍、四套電極專用卡具，可靈活方便的進(jìn)行各種方式的焊接。專門適用于焊接鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯、鉿等難熔及活潑金屬電極及構(gòu)件,還可作為鑄件缺陷補(bǔ)焊、以及熔化中間合金小鑄錠，供制備合金電極使用，還可制備供理化分析使用的小鑄錠，其用途廣泛，操作靈活,使用方便，是真空自耗電弧爐、eb爐的必備輔助設(shè)備。

它主要用于在生產(chǎn)工藝過程中經(jīng)過抽真空后充氬氣進(jìn)行保護(hù)的條件下實(shí)現(xiàn)工件的縱向焊縫和環(huán)焊縫的焊接，并保證其焊接質(zhì)量的良好以及焊接過程的連續(xù)性。

2 設(shè)備主要的技術(shù)指標(biāo)
設(shè)備主要的技術(shù)指標(biāo)如下:
(1) 環(huán)縫焊接速度、縱縫焊接速度均可在一定范圍內(nèi)可調(diào);
(2) 固定式等離子焊槍功率:35kw/支;
(3) 起弧方式選擇為高頻起弧, 從而有效避免鎢或銅的夾雜;
(4) 最大空載電壓65v，負(fù)載持續(xù)率100%;
(5) 焊接電流為200~1000a,可連續(xù)調(diào)節(jié);
(6) 空爐極限真空度≤1×10-1pa ;
(7) 環(huán)縫焊接速度:100-200mm/min;
(8) 旋轉(zhuǎn)最大速度:3r/min;
(9) 縱縫焊接速度:100-300mm/min。

3 系統(tǒng)介紹
3.1 計(jì)算運(yùn)動(dòng)關(guān)系公式
分別實(shí)現(xiàn)縱焊縫和環(huán)焊縫的焊接，其中縱焊縫焊接時(shí)的運(yùn)動(dòng)如圖1所示。

圖1 縱焊縫焊接時(shí)的運(yùn)動(dòng)曲線

根據(jù)材料的外形尺寸(所焊接的工件為近似六棱體)及焊接速度, 經(jīng)過計(jì)算得出環(huán)縫焊接時(shí), 焊槍的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下公式:
h={117/cos(α-27.15), α∈[0,54.3]}, {131.5,α∈[0,54.3]}

其中，h代表焊槍頭的位移參數(shù), α為焊槍完成焊縫對(duì)中后, 與該環(huán)縫切線方向的夾角, 其取值范圍是經(jīng)過工藝摸索所得出范圍中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。經(jīng)過工藝試驗(yàn), 能夠滿足工件焊接質(zhì)量要求。工件旋轉(zhuǎn)一圈, 上述運(yùn)動(dòng)關(guān)系重復(fù)4個(gè)周期。
在工作過程中，焊槍頭至工件表面的距離與設(shè)定距離的誤差不大于1mm。

3.2 工作過程描述
本系統(tǒng)的工作程序如圖2所示。

圖2 焊接的工藝過程

3.3 控制系統(tǒng)提供的參數(shù)指標(biāo)
(1) 焊槍轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)信號(hào)中電壓信號(hào)和電流信號(hào)均為4~ 20ma的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào);
(2) 位置反饋信號(hào)為27~44v的直流信號(hào);
(3) 電機(jī)通過滾珠絲杠傳動(dòng)焊槍頭的直線運(yùn)動(dòng)，螺距p=7mm。

4 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
下面主要介紹以fp∑及交流伺服電機(jī)為核心的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理(以定槍1的控制為例)。

4.1 系統(tǒng)原理框圖
定槍控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 定槍控制系統(tǒng)原理框圖

由于焊槍定位精度要求高，其閉環(huán)控制系統(tǒng)需要將實(shí)時(shí)檢測(cè)信息及時(shí)反饋到控制端, 因此中間環(huán)節(jié)及外界干擾影響比較小, 精度相對(duì)要高很多，而它的數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)能須滿足此要求，而且內(nèi)設(shè)位置環(huán)可和多種上位控制機(jī)相配接。伺服電機(jī)和控制方式的選擇是系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

4.2 伺服驅(qū)動(dòng)器1接線原理
伺服驅(qū)動(dòng)器1用于接收來自pid控制模塊的響應(yīng)輸出信號(hào)，并接收來自plc中模擬信號(hào)，進(jìn)行比較，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照實(shí)際中的位移傳感器及電壓變送器的反饋信號(hào)變化，進(jìn)行焊槍位置的調(diào)整，其具體接線原理如圖4所示。

圖4 交流伺服驅(qū)動(dòng)器的接線原理圖

4.3 pid控制模塊1的原理
在焊槍定位控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了pid控制模塊1，通過進(jìn)行適當(dāng)?shù)豴id參數(shù)調(diào)節(jié)，從而可以得到各種輸出響應(yīng)特性，其具體原理接線圖如圖5所示。

圖5 焊槍定位控制系統(tǒng)圖

5 軟、硬件結(jié)構(gòu)組成
(1) 軟件系統(tǒng)要求
軟件設(shè)計(jì)中能完成系統(tǒng)自檢、參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)手動(dòng)切換、界面友好，軟件應(yīng)具有良好的可操作性和可維護(hù)性。顯示控制屏的軟件開發(fā)采用組態(tài)軟件easybuilder500，plc采用sysmac-cpt進(jìn)行開發(fā)。

(2) 硬件構(gòu)成
通過一個(gè)mt510t的10.4″tft控制屏對(duì)c200h-cpu32-e進(jìn)行操控，并配以pid控制模塊、模擬量輸入模塊構(gòu)成。采用這種方案，所有參數(shù)可以全部通過軟件設(shè)置，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

6 結(jié)束語
本設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造難度在目前國內(nèi)同等用途的設(shè)備中是獨(dú)一無二的，采用了國內(nèi)最大的可控硅整流電源，焊接材料及工藝的特殊性，增加了其對(duì)控制系統(tǒng)要求,同時(shí)也集成了固定槍和手動(dòng)槍的全部動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)的最大程度的自動(dòng)化，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，焊槍起弧容易、弧壓反饋準(zhǔn)確、位置控制精確。由于材料的六棱外形，我們對(duì)定槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)乜s小化，并更換較小直徑的鎢電極，目前該設(shè)備已經(jīng)順利投入使用，能夠充分保證焊接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)
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[2] 松下通用交流伺服系統(tǒng)伺服放大器技術(shù)資料集[z].2001.

作者簡(jiǎn)介
李超鯤 學(xué)士/助理工程師 主要從事非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)及生產(chǎn)設(shè)備的電氣調(diào)試工作。