1 引言
在超導材料生產的工藝流程中，電極焊接是非常重要的一環，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強度。過去很長一段時間內，我國超導材料的生產過程中均采用在大氣環境的氬弧焊接，但效果始終不是很理想，還經常造成鎢極夾雜。為了很好地解決這一問題，我公司設計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備。設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件,還可作為鑄件缺陷補焊、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爐的必備輔助設備。
它主要用于在生產工藝過程中經過抽真空后充氬氣進行保護的條件下實現工件的縱向焊縫和環焊縫的焊接，并保證其焊接質量的良好以及焊接過程的連續性。
2 設備主要的技術指標
設備主要的技術指標如下:
(1) 環縫焊接速度、縱縫焊接速度均可在一定范圍內可調;
(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，負載持續率100%;
(5) 焊接電流為200~1000a,可連續調節;
(6) 空爐極限真空度≤1×10-1pa ;
(7) 環縫焊接速度:100-200mm/min;
(8) 旋轉最大速度:3r/min;
(9) 縱縫焊接速度:100-300mm/min。
3 系統介紹
3.1 計算運動關系公式
分別實現縱焊縫和環焊縫的焊接，其中縱焊縫焊接時的運動如圖1所示。
圖1 縱焊縫焊接時的運動曲線
根據材料的外形尺寸(所焊接的工件為近似六棱體)及焊接速度, 經過計算得出環縫焊接時, 焊槍的運動關系如下公式:
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, α為焊槍完成焊縫對中后, 與該環縫切線方向的夾角, 其取值范圍是經過工藝摸索所得出范圍中的經驗參數。經過工藝試驗, 能夠滿足工件焊接質量要求。工件旋轉一圈, 上述運動關系重復4個周期。
在工作過程中，焊槍頭至工件表面的距離與設定距離的誤差不大于1mm。
3.2 工作過程描述
本系統的工作程序如圖2所示。
圖2 焊接的工藝過程
3.3 控制系統提供的參數指標
(1) 焊槍轉臺檢測信號中電壓信號和電流信號均為4~ 20ma的標準電流信號;
(2) 位置反饋信號為27~44v的直流信號;
(3) 電機通過滾珠絲杠傳動焊槍頭的直線運動，螺距p=7mm。
4 伺服驅動系統設計
下面主要介紹以fp∑及交流伺服電機為核心的控制系統的設計原理(以定槍1的控制為例)。
4.1 系統原理框圖
定槍控制系統原理框圖如圖3所示。
圖3 定槍控制系統原理框圖
由于焊槍定位精度要求高，其閉環控制系統需要將實時檢測信息及時反饋到控制端, 因此中間環節及外界干擾影響比較小, 精度相對要高很多，而它的數字化伺服控制系統能須滿足此要求，而且內設位置環可和多種上位控制機相配接。伺服電機和控制方式的選擇是系統的關鍵問題。
4.2 伺服驅動器1接線原理
伺服驅動器1用于接收來自pid控制模塊的響應輸出信號，并接收來自plc中模擬信號，進行比較，驅動電機按照實際中的位移傳感器及電壓變送器的反饋信號變化，進行焊槍位置的調整，其具體接線原理如圖4所示。
圖4 交流伺服驅動器的接線原理圖
4.3 pid控制模塊1的原理
在焊槍定位控制系統中，設計了pid控制模塊1，通過進行適當地pid參數調節，從而可以得到各種輸出響應特性，其具體原理接線圖如圖5所示。
圖5 焊槍定位控制系統圖
5 軟、硬件結構組成
(1) 軟件系統要求
軟件設計中能完成系統自檢、參數設置、自動手動切換、界面友好，軟件應具有良好的可操作性和可維護性。顯示控制屏的軟件開發采用組態軟件easybuilder500，plc采用sysmac-cpt進行開發。
(2) 硬件構成
通過一個mt510t的10.4″tft控制屏對c200h-cpu32-e進行操控，并配以pid控制模塊、模擬量輸入模塊構成。采用這種方案，所有參數可以全部通過軟件設置，便于現場調試，抗干擾能力強，可靠性高。
6 結束語
本設備的設計、制造難度在目前國內同等用途的設備中是獨一無二的，采用了國內最大的可控硅整流電源，焊接材料及工藝的特殊性，增加了其對控制系統要求,同時也集成了固定槍和手動槍的全部動作，并實現其控制系統的最大程度的自動化，經過現場調試，焊槍起弧容易、弧壓反饋準確、位置控制精確。由于材料的六棱外形，我們對定槍結構進行了適當地縮小化，并更換較小直徑的鎢電極，目前該設備已經順利投入使用，能夠充分保證焊接質量。
參考文獻
[1] 胡國清. 機電控制工程理論與應用基礎[m]. 北京:機械工業出版社,1997.
[2] 松下通用交流伺服系統伺服放大器技術資料集[z].2001.
作者簡介
李超鯤 學士/助理工程師 主要從事非標設備的設計研發及生產設備的電氣調試工作。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
