CN103143829A - 电子束焊机一枪多束焊接控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子束焊机一枪多束焊接控制装置及其方法，其装置，主要由中央控制器、偏扫驱动电源、偏扫绕组、光纤驱动电源、光纤、电子束流控制单元、第一电子束流取样电阻和第二电子束流取样电阻组成。本发明能够在高压端实现电子束流闭环控制，调节速度快；采用光纤传递信号，同时实现高压绝缘隔离；采用两路模拟光纤，以差模形式传递信号，有利消除收发器件性能改变形成的共模干扰；高低压两端同时对电子束流取样，由中央控制器矫正电子束流控制系统的非线性及其工作点的漂移；消除一枪多束焊接过程，电子束在不同点间移动留下的多余的扫描痕迹。

Description

电子束焊机一枪多束焊接控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及电子束焊接设备，具体涉及一种电子束焊机一枪多束焊接控制装置及其方法。

背景技术

电子束焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。随着热源的移动，整个工件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。在电子束焊接生产中，不可避免地产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力和变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承载能力，如强度、刚度和受压稳定性等，除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性，从而影响结构质量和使用性能。

电子束一枪多束焊接技术是通过磁场的控制使电子束在不同的位置快速移动，由于移动的频率很高而产生多束的效果，从而对材料或结构进行处理和加工。通过磁场灵活控制不同位置电子束之间的能量分布，动态调节焊接过程的温度场，控制焊接的拉应变或者压应变，实现焊接应力和变形的动态控制，能降低其残余应力，防止焊接过程中的热裂倾向，提高焊接质量和性能等。

目前电子束一枪多束焊接技术电子束在不同的位置间快速移动是不断束的，其间会留下一条扫描痕迹，对精密工件的焊接不利，有必要加以改进。发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电子束焊机一枪多束焊接控制装置及其方法，电子束在不同的位置间快速移动，其间不会留下多余的扫描痕迹。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

一种电子束焊机一枪多束焊接控制装置，主要由中央控制器、偏扫驱动电源、偏扫绕组、光纤驱动电源、光纤、电子束流控制单元、第一电子束流取样电阻和第二电子束流取样电阻组成；其中

中央控制器的电子束流取样信号输入端连接第二电子束流取样电阻、2路电子束偏转电流取样信号输入端连接偏扫驱动电源；中央控制器的电子束流给定信号输出端连接光纤驱动电源、2路电子束偏转电流给定信号输出端连接偏扫驱动电源；

偏扫驱动电源由x和y两路相同的电路构成，这2路电路的输出端分别连接偏扫绕组的x和y绕组中的其中一组；

偏扫绕组由两组结构相同、且在同一平面呈90°分布的x和y绕组构成；偏扫绕组位于电子枪的聚焦绕组和工件之间；

光纤驱动电源的输出端经光纤与电子束流控制单元相连；

电子束流控制单元的输入端连接第一电子束流取样电阻，电子束流控制单元的输出负极接至电子枪的聚束极，电子束流控制单元的输出正极接至电子枪的阴极；

第一电子束流取样电阻的一端与电子束流控制单元相接，另一端与电子枪的加速电源的负极相接；

第二电子束流取样电阻的一端与电子枪的加速电源的正极相接，另一端接地。

上述方案中，所述偏扫驱动电源的x和y路电路各包括运算放大器IC1，N型功率管T1，P型功率管T2，二极管D1和D2，电阻R1～R5，电容C1，以及第一整流滤波电路ZL1；其中

第一整流滤波电路ZL1的输入端连接外部输入的两组交流电；第一整流滤波电路ZL1的输出公共端与偏扫绕组的一端相接，正极输出端接至N型功率管T1的集电极，负极输出端接至P型功率管T2的集电极；

运算放大器IC1的工作电源+V1、-V1由外部电路提供；运算放大器IC1的同相输入端经电阻R1接地，且运算放大器IC1的同相输入端连接中央控制器的一路偏转电流波形给定信号输出端；运算放大器IC1的反相输入端经电阻R2接地；运算放大器IC1的输出端经电阻R3接至N型功率管T1和P型功率管T2的基极；

N型功率管T1和P型功率管T2的发射极接在一起后连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地、并与偏扫绕组的另一端相接；电阻R4上输出的偏扫绕组励磁电流I_d的取样电压信号U_d一路送入接中央控制器，另一路经电阻R5送入运算放大器IC1的反相输入端；电容C1的两端分别接在运算放大器IC1的反相输入端和输出端上；二极管D1的阴极与N型功率管T1的集电极相接，二极管D1的阳极与N型功率管T1的发射极相接；二极管D2的阳极与P型功率管T2的集电极相接，二极管D2的阴极与P型功率管T2的发射极相接。

上述方案中，所述光纤驱动电源包括运算放大器IC2和IC3，N型三极管T3和T4，电光转换二极管D3和D4，电位器VR1，电阻R6～R16，以及电容C3和C4；光纤驱动电源的工作电源+V1、-V1由外部电路提供；其中

中央控制器的电子束流给定信号U_e ^*输出端经电阻R6送至运算放大器IC2的反相输入端，运算放大器IC2的同相输入端经电阻R8接地，运算放大器IC2的输出端经电阻R10接至N型三极管T3的基极；N型三极管T3的集电极接工作电源正极+V1，N型三极管T3的发射极接电光转换二极管D3的阳极，电光转换二极管D3的阴极经电阻R11接地，电阻R11输出与通过电光转换二极管D3电流I₃成正比的电压信号U₂；电压信号U₂经电阻R9和R13分别送入运算放大器IC2和IC3的反相输入端；

电位器VR1的一端接至工作电源的负极-V1，另一端接地；电位器VR1的中间输出端经电阻R7和R12分别接至运算放大器IC2和IC3的反相输入端；

运算放大器IC3的同相输入端经电阻R15接地，运算放大器IC3的输出端经电阻R16与N型三极管T4的基极相接，N型三极管T4的集电极接工作电源正极+V1，N型三极管T4的发射极接电光转换二极管D4的阳极，电光转换二极管D4的阴极经电阻R17接地,电阻R17输出的与通过电光转换二极管D4电流I₄成正比的电压信号U₃；电压信号U₃经电阻R14送入运算放大器IC3的反相输入端；

电容C2两端分别接至运算放大器IC2的反相输入端和输出端；电容C3两端分别接至运算放大器IC3的反相输入端和输出端。

上述方案中，所述电子束流控制单元包括高压隔离变压器B1，第二至第四整流滤波电路ZL2～ZL4，电子管T8，P型三极管T7，运算放大器IC4～IC7，光电转换三极管T5和T6，电阻R18～R30，压敏电阻Ry1，以及电容C4；其中

高压隔离变压器B1的初级绕组接外部交流电，其次级有5个绕组；第一绕组①和第二绕组②串联后接至第二整流滤波电路ZL2的交流输入端，第二整流滤波电路ZL2的输出公共端形成电子束流控制单元的公共端，第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2和负极-V2分别连接运算放大器IC4～IC7的正负电源端作为运算放大器IC4～IC7的工作电源；第三绕组③的两端分别接至电子管T8灯丝的两端；第四绕组④接至第三整流滤波电路ZL3的交流输入端，第三整流滤波电路ZL3的输出端正极与电子束流控制单元的公共端相接，第三整流滤波电路ZL3的输出端负极-V3经电阻R29接至电子管T8的栅极；第五绕组⑤接至第四整流滤波电路ZL4的交流输入端，第四整流滤波电路ZL4的输出端正极+V4接至T8的阳极，第四整流滤波电路ZL4的输出端负极-V4接至电子枪的聚束极及电阻R30的一端，电阻R30的另一端接至电子枪的阴极、第一电子束流取样电阻的一端和电子管T8灯丝的一端；压敏电阻Ry1并接在电阻R30的两端；第一电子束流取样电阻的另一端与电子束流控制单元的公共端和电子枪的加速电源的负极相接，第一电子束流取样电阻的输出电压信号U_e1经电阻R26送入运算放大器IC7的反相输入端；电阻R27与电容C4并联后两端分别接在运算放大器IC7的反相输入端和输出端；运算放大器IC7的输出端经电阻R28接至P型三极管T7的基极，P型三极管T7的发射极与电子束流控制单元的公共端相接，P型三极管T7的集电极连接电子管T8的栅极；

光电转换三极管T5和T6的集电极与第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2相接；光电转换三极管T5的发射极接至运算放大器IC4的同相输入端，光电转换三极管T6的发射极接至运算放大器IC5的同相输入端；运算放大器IC4、IC5的同相输入端分别通过电阻R18、R19与电子束流控制单元的公共端相接；运算放大器IC4的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC4的输出端经电阻R20接至运算放大器IC6的反相输入端；运算放大器IC5的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC5的输出端经电阻R21接至运算放大器IC6的同相输入端；

运算放大器IC6的同相输入端经电阻R22与电子束流控制单元的公共端相接；电阻R23的两端分别接在运算放大器IC6的反相输入端与输出端；运算放大器IC6的输出经电阻R24接至运算放大器IC7的同相输入端；运算放大器IC7的同相输入端经电阻R25与电子束流控制单元的公共端相接。

上述方案中，所述电子束流控制单元包括高压隔离变压器B1，第二整流滤波电路ZL2，第三整流滤波电路ZL3，电子管T8，P型三极管T7，运算放大器IC4～IC7，光电转换三极管T5和T6，电阻R18～R30，压敏电阻Ry1,电容C4；其中

高压隔离变压器B1的初级绕组接外部交流电，其次级有4个绕组；第一绕组①和第二绕组②串联后接至第二整流滤波电路ZL2的交流输入端，第二整流滤波电路ZL2的输出公共端形成电子束流控制单元的公共端，第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2和负极+V2分别连接运算放大器IC4～IC7的正负电源端作为运算放大器IC4～IC7的工作电源；第三绕组③的两端分别接至电子管T8灯丝的两端；第四绕组④接至第三整流滤波电路ZL3的交流输入端，第三整流滤波电路ZL3的输出端正极与电子束流控制单元的公共端相接，第三整流滤波电路ZL3的输出端负极-V3经电阻R29接至电子管T8的栅极；

光电转换三极管T5和T6的集电极与第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2相接；光电转换三极管T5的发射极接至运算放大器IC4的同相输入端，光电转换三极管T6的发射极接至运算放大器IC5的同相输入端；运算放大器IC4、IC5的同相输入端分别通过电阻R18、R19与电子束流控制单元的公共端相接；运算放大器IC4的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC4的输出端经电阻R20接至IC6的反相输入端；运算放大器IC5的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC5的输出端经电阻R21接至运算放大器IC6的同相输入端；

运算放大器IC6的同相输入端经电阻R22与电子束流控制单元的公共端相接；电阻R23的两端分别接至运算放大器IC6的反相输入端与输出端；运算放大器IC6的输出经电阻R24接至运算放大器IC7的同相输入端；运算放大器IC7的同相输入端经电阻R25与电子束流控制单元的公共端相接；

电阻R30的一端连接电子枪的阴极、加速电压取样电路的高压端和电子管T8的阳极，电阻R30的另一端连接电子枪的聚束极、第一电子束流取样电阻的一端、电子管T8灯丝的一端和电子束流控制单元的公共端；压敏电阻Ry1并接在电阻R30的两端；加速电压取样电路的另一端接地；第一电子束流取样电阻的另一端接电子枪的加速电源的负极，第一电子束流取样电阻上产生的电子束流取样信号U_e1经电阻R26送入运算放大器IC7的反相输入端；电阻R27与电容C4并联后两端分别接至运算放大器IC7的反相输入端和输出端；运算放大器IC7的输出端经电阻R28接至P型三极管T7的基极，P型三极管T7的发射极与电子束流控制单元的公共端相接，P型三极管T7的集电极连接电子管T8的栅极。

一种电子束焊机一枪多束焊接控制方法，通过高低压两端同时对电子束流进行取样，低压端电子束流取样信号U_e2送入中央控制器，由中央控制器计算电子束流取样信号U_e2与电子束流数字设定值差值，根据此差值调整电子束流给定信号U_e ^*，实时矫正电子束流控制系统的非线性及其工作点的漂移；光纤驱动电路把电子束流给定信号U_e ^*转换成两路模拟光纤信号，以差模形式进行信号传递到高压端的电子束流控制单元；电子束流控制单元把接收到的包含电子束流给定信号信息的光信号转换成电信号作为给定信号，以高压端电子束流取样信号U_e1作为反馈信号实现电子束流闭环控制。中央控制器通过软件控制电子束流给定信号U_e ^*和电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*，实现电子束流和电子束偏转的协调控制，一枪多束焊接过程，电子束在不同点间移动间隙短时截止电子束，避免留下多余的扫描痕迹。

上述电子束在每一点的控制参量有：电子束流U_e ^*，偏转位置U_dx ^*、U_dy ^*，持续时间τ；电子束转换过程分3步骤，即①在t₁时刻有转换指令，第一步U_e ^*由U_eB ^*变成零，并等待实际电子束流变成零，②t₂时刻第二步U_dx ^*、U_dy ^*分别由U_dxB ^*、U_dyB ^*分别变成U_dxA ^*、U_dyA ^*，并等待偏转电流I_dx和I_dy转换稳定，③t₃时刻第三步U_e ^*由零变成U_eA ^*。

基于上述电子束焊机一枪多束焊接控制装置所实现的电子束焊机一枪多束焊接控制方法，具体控制过程如下：

（1）第一电子束流取样电阻在高压端对电子束流进行采样，并输出正比于电子束流的电压信号即第一电子束流取样信号U_e1送至中央控制器；第二电子束流取样电阻在低压端对电子束流进行采样，并输出正比于电子束流的电压信号即第二电子束流取样信号U_e2送至中央控制器；

（2）中央控制器①由程序设定产生电子束流给定信号U_e ^*，②由程序设定产生电子束偏转电流给定信号U_dx ^*和U_dy ^*,③实时监控电子束流取样信号U_e2与设定的偏差，并根据偏差来矫正电子束流给定信号U_e ^*，④实时监控电子束偏转电流取样信号U_dx和U_dy；

（3）偏扫驱动电源接收中央控制器输出的2路电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*，并输出跟随这2路信号呈线性变化的2路偏转电流I_dx、I_dy送至偏扫绕组，给x、y绕组提供励磁，同时偏扫驱动电源还输出2路电子束偏转电流取样信号U_dx、U_dy返回至中央控制器；

（4）光纤驱动电源把中央控制器输出的电子束流给定信号U_e ^*转变成光信号；光纤把包含电子束流的给定波形的光信号转递到处于高压端的电子束流控制单元，光纤同时实现了其发射端电路和接收端电路的高电位绝缘隔离；

（5）电子束流控制单元接收光纤包含电子束流的给定波形的光信号并转变成电信号为U₆，电子束流控制单元以U₆为电子束流给定信号，以第一电子束流取样电阻的信号U_e1为反馈信号，通过自动调节栅偏电压值实现电子束流的稳定调节。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、在高压端实现电子束流闭环控制，调节速度快；

2、采用光纤传递信号，同时实现高压绝缘隔离；

3、采用两路模拟光纤，以差模形式传递信号，有利消除收发器件性能改变形成的共模干扰；

4、高低压两端同时对电子束流取样，由中央控制器矫正电子束流控制系统的非线性及其工作点的漂移；

5、消除一枪多束焊接过程，电子束在不同点间移动留下多余的扫描痕迹。

附图说明

图1为本发明电子束焊机一枪多束焊接控制装置一种实施例的结构示意图。

图2为偏扫驱动电源的电路原理图。

图3为光纤驱动电源的电路原理图。

图4为一种电子束流控制单元的电路原理图。

图5为另一种电子束流控制单元的电路原理图。

图6为光纤发射元件驱动电流与接收元件输出电压特性图。

图7为双束焊接控制波形图。

图中标号为：1、中央控制器，2偏扫驱动电源，3、偏扫绕组，4、光纤驱动电源，5、光纤，6、电子束流控制单元，7、第一电子束流取样电阻，8、第二电子束流取样电阻，9、加速电源，10、加速电压采样电路，11、阴极电源，12、阴极，13、聚束极，14、阳极，15、聚焦绕组，16、聚焦电源，17、电子束，18、工件。

具体实施方式

实施例1：

一种电子束焊机一枪多束焊接控制装置如图1所示，其主要由中央控制器1、偏扫驱动电源2、偏扫绕组3、光纤驱动电源4、光纤5、电子束流控制单元6、第一电子束流取样电阻7和第二电子束流取样电阻8组成。上述控制装置用于对电子枪进行控制，以使得电子枪发出的电子束17能够在工件18不同的位置间快速移动，电子束移动其间不会在工件18上留下多余的扫描痕迹。所选用的电子枪为现有技术已知的电子枪，在本实施例中，电子枪系统包括有阴极12、聚束极13、阳极14、聚焦绕组15、加速电源9、加速电压采样电路10、阴极电源11、聚焦电源16组成。阴极电源11连接电子枪的阴极12，聚焦电源16连接聚焦绕组15，加速电源9连接在电子枪的阴极12和阳极14之间。加速电压采样电路10并接在加速电源9的输出端。上述阴极12、聚束极13、阳极14、聚焦绕组15和偏扫绕组3的轴线处于同一条直线上，使得阴极12发出的电子束17能够通过聚束极13、阳极14、聚焦绕组15和偏扫绕组3后飞行到工件18上。

1、中央控制器1：由计算机或可编程控制器（PLC）承担，完成整台电子束焊机的总控工作。在本发明中，中央控制器1由程序数据设定经D/A转换输出电子束流给定信号U_e ^*和电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*，中央控制器1还接收电子束流取样信号U_e2和电子束偏转电流取样信号U_dx、U_dy，经A/D转换后用于电子束流和偏转电流的动态数字校正。

2、偏扫驱动电源2：由x、y两路相同的电路构成，分别给x、y两偏扫绕组3供电。每一路偏扫驱动电源2的电路结构如图2所示，由运算放大器IC1、N型功率管T1、P型功率管T2、二极管D1和D2、电阻R1、R2、R3、R4和R5、电容C1和第一整流滤波电路ZL1组成，其中运算放大器IC1的工作电源+V1、-V1由外部电路提供。

第一整流滤波电路ZL1将外部输入的两组交流电变成不可控的平直的正负两直流电源，两直流电源的公共端与偏扫绕组3的一端相接，正极端接至N型功率管T1的C极，负极端接至P型功率管T2的C极。

运算放大器IC1的同相输入端经电阻R1接地，并接收来自中央控制器1的一路电子束偏转电流给定信号U_d ^*(U_dx ^*或U_dy ^*)，IC1的反相输入端经电阻R2接地，电子束偏转电流I_d取样信号U_d(U_dx或U_dy)经R5送入IC1的反相输入端，IC1输出经电阻R3接至T1和T2的B极。T1和T2的E极接在一起，然后接至偏转电流取样电阻R4的一端，R4另一端接地并与偏扫绕组3的另一端相接，R4上产生的与偏扫绕组3励磁电流I_d(I_dx或I_dy)成正比的电压信号U_d（U_dx或U_dy)有一路输入中央控制器1。二极管D1的阴极与T1的C极相接，D1的阳极与T1的E极相接。二极管D2的阳极与T2的C极相接，D2的阴极与T2的E极相接。电容C1的两端分别接在IC1的反相输入端和输出端，由于C1电容量很小（小于100pF），C1对有用信号的影响可以忽略，C1仅起到消除IC1高频自激振荡的作用，IC1的电路就构成一种同相端输入的放大电路，根据电路原理可知

所以偏转电流I_d跟随其给定信号U_d ^*线性变化。

3、偏扫绕组3：由两组结构相同，在同一平面呈90°分布的x、y绕组组成。每个绕组的电路模型可用一个电感和一个电阻串联来表示如图2的3所示。

4、光纤驱动电源4：把束流给定信号U_e ^*转变成光信号，其电路结构如图3所示，由运算放大器IC2和IC3，N型三极管T3和T4，电光转换二极管D3和D4，电位器VR1，电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15和R16，电容C2和C3构成。电路工作电源+V1、-V1由外部电路提供。束流给定信号U_e ^*经电阻R6送至运算放大器IC2的反相输入端，IC2的同相输入端经电阻R8接地，IC2的输出端经电阻R10接至N型三极管T3的B极，T3的C极接工作电源正极+V1，T3的E极接电光转换二极管D3的阳极，D3的阴极经电阻R11接地，R11上产生与D3工作电流I₃成正比的电压信号U₂，U₂经电阻R9和R13分别送入运算放大器IC2和IC3的反相输入端。电位器VR1一输入端接至工作电源的负极-V1，另一输入端接地，中间端输出电压信号U₁，U₁经电阻R7和R12分别送至IC2和IC3的反相输入端。IC3的同相输入端经电阻R15接地，IC3的输出端经电阻R16与N型三极管T4的B极相接，T4的C极接工作电源正极+V1，T4的E极接电光转换二极管D4的阳极，D4的阴极经电阻R17接地，R17上产生与D4工作电流I₄成正比的电压信号U₃，U₃经电阻R14送入IC3的反相输入端。电容C2两端分别接至IC2的反相输入端和输出端。电容C3两端分别接至IC3的反相输入端和输出端。C2、C3的作用与图2中C1的作用相似，仅作为消除运算放大器高频自激振荡用。根据电路原理可知 $I_3=-\frac{R9}{R11}(\frac{U_1}{R6}+\frac{U_e^{*}}{R7}),$ $I_4=-\frac{R14}{R17}(\frac{U_1}{R6}+\frac{U_2}{R7}).$

5、光纤5：图3中电光转换二极管D3和D4作为发射元件产生的包含电子束流给定信号U_e ^*的光信号通过光纤5传送到图4中的接收元件T5和T6，光纤5的另一作用是高压绝缘隔离。

6、电子束流控制单元6：电子束流控制单元6处于高电位端，其电路结构如图4所示，由高压隔离变压器B1，第二整流滤波电路ZL2，第三整流滤波电路ZL3，第四整流滤波电路ZL4，电子管T8，P型三极管T7，运算放大器IC4、IC5、IC6和IC7，光电转换三极管T5和T6，电阻R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24、R25、R26、R26、R27、R28、R29和R30，压敏电阻Ry1，电容C4组成。

高压隔离变压器B1的初级绕组接外部交流电，其次级有5个绕组，第一绕组①和第二绕组②串联后接至第二整流滤波电路ZL2的交流输入端，ZL2将两组交流电变成稳定的正负两直流电源+V2和-V2作为运算放大器IC4、IC5、IC6和IC7的工作电源；第三绕组③的两端分别接至电子管T8灯丝的两端；第四绕组④接至第三整流滤波电路ZL3的交流输入端，ZL3将输入的交流电变成不可控的平直的直流电源，ZL3输出的正极与电子束流控制电路的公共端相接，ZL3输出的负极-V3经电阻R29接至电子管T8的栅极；第五绕组⑤接至第四整流滤波电路ZL4的交流输入端，ZL4将输入的交流电变成不可控的平直的直流电源，ZL4输出的正极+V4接至T8的阳极，ZL4输出的负极-V4接至电子枪的聚束极13及电阻R30的一端，R30的另一端接至电子枪的阴极12、第一电子束流取样电阻7的一端和电子管T8灯丝的一端；压敏电阻Ry1并接在电阻R30的两端，用于抑制电子枪阴极12和聚束极13间的过电压；光电转换三极管T5和T6的C极与+V2相接，T5和T6的E极分别接至运算放大器IC4和IC5的同相输入端，IC4和IC5的同相输入端分别通过电阻R18和R19与公共端相接，IC4的反相输入端与其输出端相接，IC4的输出端经电阻R20接至IC6的反相输入端，IC5的反相输入端与其输出端相接，IC5的输出端经电阻R21接至IC6的同相输入端，IC6的同相输入端经电阻R22与公共端相接，电阻R23两端分别接在IC6的反相输入端与IC6的输出端之间，IC6的输出经电阻R24接至IC7的同相输入端，IC7的同相输入端经电阻R25与公共端相接；第一电子束流取样电阻7的另一端与公共端、加速电源的负极相接，第一电子束流取样电阻7产生的第一电子束流取样信号U_e1经电阻R26送入IC7的反相输入端，电阻R27与电容C4并联后两端分别接至IC7的反相输入端和输出端，IC7的输出经电阻R28接至T7的B极，T7的E极与公共端相接。T7的C极连接电子管T8的栅极。C4的作用与图2中C1的作用相似，仅作为消除运算放大器IC7高频自激振荡用。

7、第一电子束流取样电阻7：一端与电子束流控制单元6的电阻R30的一端、电子枪阴极相接，另一端与与电子束流控制单元的公共端、加速电源的负极相接。输出正比于电子束流的电压信号U_e1。

8、第二电子束流取样电阻8：一端与加速电源9的正极相接，另一端接地。输出正比于电子束流的第二电子束流取样信号U_e2。

工作原理描述如下：图3中的D3和D4通过光纤5分别与图4中的T5和T6相接。信号通过光纤5传输的传输特性如图6所示，图6参量U和I相当于图3和图4中的U₄和I₃（或U₅和I₄），从图6可看出传输特性为非线性，主要存在死区和饱和非线性，在中间段基本呈线性变化，正常工作限制于R、T两点之间。图3中选择R11=R17，R9=R13=R14（且远大于R11），根据电路原理可知， $I_3=-\frac{R9}{R11}(\frac{U_1}{R6}+\frac{U_e^{*}}{R7}),$ $I_4=-\frac{R14}{R17}(\frac{U_1}{R12}+\frac{U_2}{R13})=-\frac{R9}{R11}(\frac{U_1}{R12}+\frac{U_2}{R9}),$ 图4中选择R20=R21，R22=R23，根据电路原理可知，选择R7和R12的比例，调节VR1使得电子束流给定信号U_e ^*为零时，D3和T5组成的第一光纤5发射接收单元工作于图6中的T点，D4和T6组成的第二光纤5发射接收单元工作于图6中的R点，IC6输出U₆为负最大，IC7输出亦为负最大，T7和T8工作于准饱和状态，ZL4的输出电压绝大部分降落在R30上，此电压施加到电子枪的阴极12与聚束极13上，形成截止栅偏电压。当电子束流给定信号U_e ^*不为零时，第一光纤5发射接收单元工作点由图6中的T点向S点转移，第二光纤5发射接收单元工作点由图6中的R点向S点转移，IC6和IC7输出负值减小，T7和T8工作于线性区，R30上的电压减小，电子枪的栅偏电压小于其截止电压而发射电子束。在第一电子束流取样电阻7上产生电压信号U_e1引入IC7反相输入端，形成电子束流负反馈控制，IC7电路为准比例调节器，动态响应速度高。在第二电子束流取样电阻8上产生电压信号U_e2引进中央控制器1，用于电子束流控制系统非线性及工作点漂移的矫正。

上述装置所实现的电子束焊机一枪多束焊接控制方法，包括如下步骤：

通过高低压两端同时对电子束流进行取样，低压端电子束流取样信号U_e2送入中央控制器1，由中央控制器1计算电子束流取样信号U_e2与电子束流数字设定值的差值，根据此差值调整电子束流给定信号U_e ^*，实时矫正电子束流控制系统的非线性及其工作点的漂移；光纤驱动电源4把电子束流给定信号U_e ^*转换成两路模拟光纤信号，以差模形式进行信号传递到高压端的电子束流控制单元6；电子束流控制单元6把接收到的包含电子束流给定信号信息的光信号转换成电信号作为给定信号，以高压端电子束流取样信号U_e1作为反馈信号实现电子束流闭环控制；中央控制器1通过软件控制电子束流给定信号U_e ^*和电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*，实现电子束流和电子束偏转的协调控制，一枪多束焊接过程，电子束在不同点间移动间隙短时截止电子束，避免留下多余的扫描痕迹。

图7为A、B两点双束控制波形图，上述电子束的每一点的控制参量有：电子束流U_e ^*，偏转位置U_dx ^*、U_dy ^*，持续时间τ。电子束转换过程分3步骤，如图7中由B点→A点的转换过程，在t₁时刻有转换指令，第一步U_e ^*由U_eB ^*变成零，并等待实际电子束流变成零，t₂时刻第二步U_dx ^*、U_dy ^*分别由U_dxB ^*、U_dyB ^*分别变成U_dxA ^*、U_dyA ^*，并等待偏转电流I_dx和I_dy转换稳定，t₃时刻第三步U_e ^*由零变成U_eA ^*。当多于双束焊接时，控制参量还包括不同位置间的转换次序，如A、B、C三点转换就有A→B→C→A，A→B→C→B→A等不同的转换次序。

第一电子束流取样电阻7在高压端对电子束流进行采样，并输出正比于电子束流的第一电子束流取样信号U_e1送至电子束流控制单元6。

第二电子束流取样电阻8在低压端对电子束流进行采样，并输出正比于电子束流的第二电子束流取样信号U_e2送至中央控制器1。

中央控制器1承担整个电子束焊机的总控工作，其中对多束焊接的控制功能有：中央控制器①由程序设定产生电子束流给定信号U_e ^*，②由程序设定产生电子束偏转电流给定信号U_dx ^*和Ud_y ^*,③实时监控电子束流取样信号U_e2与设定的偏差，并根据偏差来矫正电子束流给定信号U_e ^*，④实时监控电子束偏转信号U_dx和U_dy。

偏扫驱动电源2由x、y两路相同的电路构成，偏扫驱动电源2接收中央控制器1输出的2路电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*，并输出跟随电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*呈线性变化的2路偏转电流I_dx、I_dy，其中2路偏转电流I_dx、I_dy送至偏扫绕组3，给x、y绕组提供励磁，2路电子束偏转电流I_dx、I_dy取样信号U_dx、U_dy返回至中央控制器1。

偏扫绕组3位于电子枪的聚焦绕组15和工件18之间，由x、y两组结构相同、且在同一平面呈90°分布的绕组构成，偏扫绕组3通过励磁电流I_dx、I_dy时，在电子束飞行方向垂直平面上产生二维磁场，电子束在此二维磁场的作用下产生二维偏转。

光纤驱动电源4把中央控制器1输出的电子束流给定信号U_e ^*转变成光信号；光纤5把包含电子束流的给定波形的光信号转递到处于高压端的电子束流控制单元6，光纤5同时实现了其发射端电路和接收端电路的高电位绝缘隔离。

电子束流控制单元6接收光纤5包含电子束流的给定波形的光信号并转变成电信号为U₆，电子束流控制单元6以U₆电子束流的为给定信号，以第一电子束流取样电阻7的信号U_e1为反馈信号，通过自动调节栅偏电压值实现电子束流的稳定调节。

实施例2：

实施例2与实施例1大体相同，其不同之处是电子束流控制单元6采用了图5所示的另一种结构，其与图4的区别在于前者电子束流直接经过栅偏电压调整电子管T8，为此电子管T8的接线也不同。图5中高压隔离变压器B1的二次绕组少了第五绕组，与其对应的第四整流滤波电路ZL4也不存在，栅偏截止电压由电阻R30与加速电压取样电路10串联从加速电源9上分压产生。T8的阳极接至电子枪的阴极12、加速电压取样电路10的高压端和R30的一端，R30的另一端接T8的灯丝一端、第一电子束流取样电阻7的一端和电子束流控制电路的公共端相接，再接至电子枪的聚束极13，第一电子束流取样电阻7的另一端与加速电源9的负极相接并输出第一电子束流取样信号U_e1，U_e1经R26送至IC7的反相输入端作为电子束流负反馈信号。压敏电阻Ry1并接在电阻R30的两端，用于抑制电子枪阴极12和聚束极13间的过电压。选择R7和R12的比例，调节VR1使得电子束流给定信号U_e ^*为零时，D4和T5组成的第一光纤5发射接收单元，D3和T6组成的第二光纤5发射接收单元都工作于图6中的S点，IC6、IC7的输出都为零，T7和T8工作于截止状态，R30从加速电源9上分压直接施加到电子枪的阴极12与聚束极13上，形成截止栅偏电压。当电子束流给定信号U_e ^*不为零时，第一光纤5发射接收单元工作点由图6中的S点向T点转移，第二光纤5发射接收单元工作点由图6中的S点向R点转移，IC6和IC7输出负值增加，T7和T8工作于线性区，电阻R30上的电压减小，电子枪的栅偏电压小于其截止电压而发射电子束。

Claims (8)

1.电子束焊机一枪多束焊接控制装置，其特征在于：主要由中央控制器（1）、偏扫驱动电源（2）、偏扫绕组（3）、光纤驱动电源（4）、光纤（5）、电子束流控制单元（6）、第一电子束流取样电阻（7）和第二电子束流取样电阻（8）组成；其中

中央控制器（1）的电子束流取样信号输入端连接第二电子束流取样电阻（8）、2路电子束电流偏转取样信号输入端连接偏扫驱动电源（2）；中央控制器（1）的电子束流电流给定信号输出端连接光纤驱动电源（4）、2路电子束偏转电流给定信号输出端连接偏扫驱动电源（2）；

偏扫驱动电源（2）由x和y两路相同的电路构成，这2路电路的输出端分别连接偏扫绕组（3）的x和y绕组中的其中一组；

偏扫绕组（3）由两组结构相同、且在同一平面呈90°分布的x和y绕组构成；偏扫绕组（3）位于电子枪的聚焦绕组（15）和工件（18）之间；

光纤驱动电源（4）的输出端经光纤（5）与电子束流控制单元（6）相连；

电子束流控制单元（6）的输入端连接第一电子束流取样电阻（7），电子束流控制单元（6）的输出负极接至电子枪的聚束极（13），电子束流控制单元（6）的输出正极接至电子枪的阴极（12）；

第一电子束流取样电阻（7）的一端与电子束流控制单元（6）相接，另一端与电子枪的加速电源（9）的负极相接；

第二电子束流取样电阻（8）的一端与电子枪的加速电源（9）的正极相接，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的电子束焊机一枪多束焊接控制装置，其特征在于：所述偏扫驱动电源（2）的x和y路电路各包括运算放大器IC1，N型功率管T1，P型功率管T2，二极管D1和D2，电阻R1～R5，电容C1，以及第一整流滤波电路ZL1；其中

第一整流滤波电路ZL1的输入端连接外部输入的两组交流电；第一整流滤波电路ZL1的输出公共端与偏扫绕组（3）的一端相接，正极输出端接至N型功率管T1的集电极，负极输出端接至P型功率管T2的集电极；

运算放大器IC1的工作电源+V1、-V1由外部电路提供；运算放大器IC1的同相输入端经电阻R1接地，且运算放大器IC1的同相输入端连接中央控制器（1）的一路偏转电流波形给定信号输出端；运算放大器IC1的反相输入端经电阻R2接地；运算放大器IC1的输出端经电阻R3接至N型功率管T1和P型功率管T2的基极；

N型功率管T1和P型功率管T2的发射极接在一起后连接至电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地、并与偏扫绕组（3）的另一端相接；电阻R4上输出的偏扫绕组（3）励磁电流I_d的取样电压信号U_d一路送入接中央控制器（1），另一路经电阻R5送入运算放大器IC1的反相输入端；电容C1的两端分别接在运算放大器IC1的反相输入端和输出端上；二极管D1的阴极与N型功率管T1的集电极相接，二极管D1的阳极与N型功率管T1的发射极相接；二极管D2的阳极与P型功率管T2的集电极相接，二极管D2的阴极与P型功率管T2的发射极相接。

3.根据权利要求1所述的电子束焊机一枪多束焊接控制装置，其特征在于：所述光纤驱动电源（4）包括运算放大器IC2和IC3，N型三极管T3和T4，电光转换二极管D3和D4，电位器VR1，电阻R6～R16，以及电容C3和C4；光纤驱动电源（4）的工作电源+V1、-V1由外部电路提供；其中

中央控制器（1）的电子束流给定信号输出端经电阻R6送至运算放大器IC2的反相输入端，运算放大器IC2的同相输入端经电阻R8接地，运算放大器IC2的输出端经电阻R10接至N型三极管T3的基极；N型三极管T3的集电极接工作电源正极+V1，N型三极管T3的发射极接电光转换二极管D3的阳极，电光转换二极管D3的阴极经电阻R11接地，电阻R11输出与通过电光转换二极管D3电流I₃成正比的电压信号U₂；电压信号U₂经电阻R9和R13分别送入运算放大器IC2和IC3的反相输入端；

电位器VR1的一端接至工作电源的负极-V1，另一端接地；电位器VR1的中间输出端经电阻R7和R12分别接至运算放大器IC2和IC3的反相输入端；

运算放大器IC3的同相输入端经电阻R15接地，运算放大器IC3的输出端经电阻R16与N型三极管T4的基极相接，N型三极管T4的集电极接工作电源正极+V1，N型三极管T4的发射极接电光转换二极管D4的阳极，电光转换二极管D4的阴极经电阻R17接地,电阻R17输出的与通过电光转换二极管D4电流I₄成正比的电压信号U₃；电压信号U₃经电阻R14送入运算放大器IC3的反相输入端；

电容C2两端分别接至运算放大器IC2的反相输入端和输出端；电容C3两端分别接至运算放大器IC3的反相输入端和输出端。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的电子束焊机一枪多束焊接控制装置，其特征在于：所述电子束流控制单元（6）包括高压隔离变压器B1，第二至第四整流滤波电路ZL2～ZL4，电子管T8，P型三极管T7，运算放大器IC4～IC7，光电转换三极管T5和T6，电阻R18～R30，压敏电阻Ry1，以及电容C4；其中

高压隔离变压器B1的初级绕组接外部交流电，其次级有5个绕组；第一绕组①和第二绕组②串联后接至第二整流滤波电路ZL2的交流输入端，第二整流滤波电路ZL2的输出公共端形成电子束流控制单元（6）的公共端，第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2和负极-V2分别连接运算放大器IC4～IC7的正负电源端作为运算放大器IC4～IC7的工作电源；第三绕组③的两端分别接至电子管T8灯丝的两端；第四绕组④接至第三整流滤波电路ZL3的交流输入端，第三整流滤波电路ZL3的输出端正极与电子束流控制单元（6）的公共端相接，第三整流滤波电路ZL3的输出端负极-V3经电阻R29接至电子管T8的栅极；第五绕组⑤接至第四整流滤波电路ZL4的交流输入端，第四整流滤波电路ZL4的输出端正极+V4接至T8的阳极，第四整流滤波电路ZL4的输出端负极-V4接至电子枪的聚束极（13）及电阻R30的一端，电阻R30的另一端接至电子枪的阴极（12）、第一电子束流取样电阻（7）的一端和电子管T8灯丝的一端；压敏电阻Ry1并接在电阻R30的两端；第一电子束流取样电阻（7）的另一端与电子束流控制单元（6）的公共端和电子枪的加速电源（9）的负极相接，第一电子束流取样电阻（7）的输出电压信号U_e1经电阻R26送入运算放大器IC7的反相输入端；电阻R27与电容C4并联后两端分别接在运算放大器IC7的反相输入端和输出端；运算放大器IC7的输出端经电阻R28接至P型三极管T7的基极，P型三极管T7的发射极与电子束流控制单元（6）的公共端相接，P型三极管T7的集电极连接电子管T8的栅极；

光电转换三极管T5和T6的集电极与第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2相接；光电转换三极管T5的发射极接至运算放大器IC4的同相输入端，光电转换三极管T6的发射极接至运算放大器IC5的同相输入端；运算放大器IC4、IC5的同相输入端通过电阻R18、R19与电子束流控制单元（6）的公共端相接；运算放大器IC4的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC4的输出端经电阻R20接至运算放大器IC6的反相输入端；运算放大器IC5的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC5的输出端经电阻R21接至运算放大器IC6的同相输入端；

运算放大器IC6的同相输入端经电阻R22与电子束流控制单元（6）的公共端相接；电阻R23的两端分别接在运算放大器IC6的反相输入端与输出端；运算放大器IC6的输出经电阻R24接至运算放大器IC7的同相输入端；运算放大器IC7的同相输入端经电阻R25与电子束流控制单元（6）的公共端相接。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的电子束焊机一枪多束焊接控制装置，其特征在于：所述电子束流控制单元（6）包括高压隔离变压器B1，第二整流滤波电路ZL2，第三整流滤波电路ZL3，电子管T8，P型三极管T7，运算放大器IC4～IC7，光电转换三极管T5和T6，电阻R18～R30，压敏电阻Ry1,电容C4；其中

高压隔离变压器B1的初级绕组接外部交流电，其次级有4个绕组；第一绕组①和第二绕组②串联后接至第二整流滤波电路ZL2的交流输入端，第二整流滤波电路ZL2的输出公共端形成电子束流控制单元（6）的公共端，第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2和负极+V2分别连接运算放大器IC4～IC7的正负电源端作为运算放大器IC4～IC7的工作电源；第三绕组③的两端分别接至电子管T8灯丝的两端；第四绕组④接至第三整流滤波电路ZL3的交流输入端，第三整流滤波电路ZL3的输出端正极与电子束流控制单元（6）的公共端相接，第三整流滤波电路ZL3的输出端负极-V3经电阻R29接至电子管T8的栅极；

光电转换三极管T5和T6的集电极与第二整流滤波电路ZL2的输出端正极+V2相接；光电转换三极管T5的发射极接至运算放大器IC4的同相输入端，光电转换三极管T6的发射极接至运算放大器IC5的同相输入端；运算放大器IC4、IC5的同相输入端分别通过电阻R18、R19与电子束流控制单元（6）的公共端相接；运算放大器IC4的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC4的输出端经电阻R20接至IC6的反相输入端；运算放大器IC5的反相输入端与其输出端相接，运算放大器IC5的输出端经电阻R21接至运算放大器IC6的同相输入端；

运算放大器IC6的同相输入端经电阻R22与电子束流控制单元（6）的公共端相接；电阻R23的两端分别接至运算放大器IC6的反相输入端与输出端；运算放大器IC6的输出经电阻R24接至运算放大器IC7的同相输入端；运算放大器IC7的同相输入端经电阻R25与电子束流控制单元（6）的公共端相接；

电阻R30的一端连接电子枪的阴极（12）、加速电压取样电路的高压端和电子管T8的阳极，电阻R30的另一端连接电子枪的聚束极（12）、第一电子束流取样电阻（7）的一端、电子管T8灯丝的一端和电子束流控制单元（6）的公共端；压敏电阻Ry1并接在电阻R30的两端；加速电压取样电路的另一端接地；第一电子束流取样电阻（7）的另一端接电子枪的加速电源的负极，第一电子束流取样电阻（7）上产生的第一电子束流取样信号U_e1经电阻R26送入运算放大器IC7的反相输入端；电阻R27与电容C4并联后两端分别接至运算放大器IC7的反相输入端和输出端；运算放大器IC7的输出端经电阻R28接至P型三极管T7的基极，P型三极管T7的发射极与电子束流控制单元（6）的公共端相接，P型三极管T7的集电极连接电子管T8的栅极。

6.一种基于权利要求1所述电子束焊机一枪多束焊接控制装置的电子束焊机一枪多束焊接控制方法，其特征是：通过高低压两端同时对电子束流进行取样，低压端电子束流取样信号U_e2送入中央控制器1，由中央控制器1计算电子束流取样信号U_e2与电子束流数字设定值差值，根据此差值调整电子束流给定信号U_e ^*，实时矫正电子束流控制系统的非线性及其工作点的漂移；光纤驱动电源4电子束流给定信号U_e ^*转换成两路模拟光纤信号，以差模形式进行信号传递到高压端的电子束流控制单元（6）；电子束流控制单元（6）把接收到的包含电子束流给定信号信息的光信号转换成电信号作为给定信号，以高压端电子束流取样信号U_e1作为反馈信号实现电子束流闭环控制；中央控制器（1）通过软件控制电子束流给定信号U_e ^*和电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*，实现电子束流和电子束偏转的协调控制，一枪多束焊接过程，电子束在不同点间移动间隙短时截止电子束，避免留下多余的扫描痕迹。

7.根据权利要求6所述的电子束焊机一枪多束焊接控制方法，其特征是电子束在每一点的控制参量有：电子束流U_e ^*，偏转位置U_dx ^*、U_dy ^*，持续时间τ；电子束转换过程分3步骤，即①在t₁时刻有转换指令，第一步U_e ^*由U_eB ^*变成零，并等待实际电子束流变成零，②t₂时刻第二步U_dx ^*、U_dy ^*分别由U_dxB ^*、U_dyB ^*分别变成U_dxA ^*、U_dyA ^*，并等待偏转电流I_dx和I_dy转换稳定，③t₃时刻第三步U_e ^*由零变成U_eA ^*。

8.根据权利要求6所述的电子束焊机一枪多束焊接控制方法，其特征是具体控制过程如下：

（1）第一电子束流取样电阻（7）在高压端对电子束流进行采样，并输出正比于电子束流的电压信号即第一电子束流给定信号U_e1送至中央控制器（1）；第二电子束流取样电阻（8）在低压端对电子束流进行采样，并输出正比于电子束流的电压信号即第二电子束流给定信号U_e2送至中央控制器（1）；

（2）中央控制器（1）的作用：①由程序设定产生电子束流给定信号U_e ^*，②由程序设定产生电子束偏转电流给定信号U_dx ^*和U_dy ^*,③实时监控电子束流电压信号U_e2与设定的偏差，并根据偏差来矫正电子束流给定信号U_e ^*，④4实时监控电子束偏转信号U_dx和U_dy；

（3）偏扫驱动电源（2）接收中央控制器（1）输出的2路电子束偏转电流给定信号U_dx ^*、U_dy ^*，并输出跟随这2路信号呈线性变化的2路偏转电流I_dx、I_dy送至偏扫绕组（3），给x、y绕组提供励磁，同时偏扫驱动电源（2）还输出2路电子束偏转电流取样信号U_dx、U_dy返回至中央控制器（1）；

（4）光纤驱动电源（4）把中央控制器（1）输出的电子束流给定信号U_e ^*转变成光信号；光纤（5）把包含电子束流的给定波形的光信号转递到处于高压端的电子束流控制单元（6），光纤（5）同时实现了其发射端电路和接收端电路的高电位绝缘隔离；

（5）电子束流控制单元（6）接收光纤（5）包含电子束流的给定波形的光信号并转变成电信号为U₆，电子束流控制单元（6）以U₆为电子束流给定信号，以第一电子束流取样电阻（7）的信号U_e1为反馈信号，通过自动调节栅偏电压值实现电子束流的稳定调节。

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