激光縫焊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)喜新，周水清，王學(xué)仕，趙

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙410111)

微波組件是雷達(dá)的核心部件，對(duì)微波組件進(jìn)行氣密封裝是航空航天電子產(chǎn)品的基本要求[1]。微波組件的殼體多為金屬外殼，為滿足組件體積小、質(zhì)量輕、散熱快的要求，目前制作微波集成電路盒體的材料有可伐合金及鋁合金。激光氣密封焊接技術(shù)是激光技術(shù)近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型應(yīng)用，以其焊縫窄、熱影響區(qū)小、非接觸、清潔性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對(duì)微波組件進(jìn)行密封[2]。由于微波組件密封時(shí)內(nèi)部電路已經(jīng)調(diào)試組裝完畢，因而密封時(shí)腔體內(nèi)部溫度不能超過(guò)芯片或焊料所能承受的最高溫度，以避免芯片損壞或焊點(diǎn)熔化。但激光焊接技術(shù)在微波組件殼體焊接這個(gè)具體的應(yīng)用上的工藝研究還比較希缺。國(guó)外一些激光焊接研究所對(duì)電子器件的激光密封介紹較多，但針對(duì)航空航天產(chǎn)品上的微波器件的激光密封應(yīng)用介紹很少。國(guó)內(nèi)一些器件研究所對(duì)微波組件的殼體密封有一些介紹，但由于受設(shè)備的限制，未作深入研究。因此，對(duì)激光縫焊設(shè)備研發(fā)提出了迫切的需求，激光縫焊機(jī)電氣系統(tǒng)的研制就具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 激光縫焊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

微波殼體封裝密封是為了保護(hù)器件和封裝金屬內(nèi)層不受環(huán)境腐蝕和機(jī)械損傷。密封的組件內(nèi)部氣氛含量對(duì)其性能和可靠性有著十分重要的聯(lián)系，它是造成元器件早期失效、性能下降的因素之一。因此對(duì)組件的封裝材料排氣、封裝工藝、封裝環(huán)境提出了要求，為滿足組件封裝的要求，研制了激光縫焊設(shè)備，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 激光縫焊系統(tǒng)構(gòu)成圖

激光器采用脈沖調(diào)制、燈泵浦棒式Nd：YAG固體激光器，可保證高功率狀態(tài)下脈沖周期短、能量高；脈沖能量和脈沖周期參數(shù)可以按照應(yīng)用需求進(jìn)行精確的配置[3]。電源能動(dòng)態(tài)產(chǎn)生極短上升時(shí)間的脈沖，結(jié)合快速實(shí)時(shí)功率調(diào)節(jié)，保證了激光脈沖的穩(wěn)定性，從而達(dá)到加工質(zhì)量的一致性；在功率觸發(fā)模式下，短時(shí)間內(nèi)能大大超出平均功率，縮短了每個(gè)加工環(huán)節(jié)的焊接時(shí)間，增大了產(chǎn)能。激光器配備同軸的CCD系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)，分別用作監(jiān)視焊接過(guò)程和冷卻激光器用。

手套箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮對(duì)焊縫區(qū)的保護(hù)和密封組件內(nèi)部氣氛的要求。在一些對(duì)焊接技術(shù)要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，如要求焊縫美觀、密封、無(wú)氧化痕跡的產(chǎn)品，或是易于氧化難于焊接的鋁合金材料，在焊接過(guò)程中就必須施加保護(hù)氣體[4]。這里所指的保護(hù)氣體有兩層含義，一是由軸向吹出的氣流，通常采用惰性氣體保護(hù)焊接熔池，降低氣孔發(fā)生率和防止氧化。二是側(cè)吹輔助氣體，目的是減少激光等離子體對(duì)激光束的吸收，以提高材料對(duì)激光的吸收率，增加焊接熔深。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成設(shè)備的人機(jī)交互功能，控制各部件協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制。

2 激光縫焊分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)激光縫焊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能圖

激光縫焊系統(tǒng)可分為4個(gè)部分：激光器系統(tǒng)、真空烘箱系統(tǒng)、手套箱系統(tǒng)包括手套箱箱體和氣體純化器、電控柜中的CNC數(shù)控系統(tǒng)。

2.1.1 激光器系統(tǒng)

激光器作為激光縫焊的核心部件直接影響焊接質(zhì)量，激光器系統(tǒng)自帶觸摸屏，通過(guò)觸摸屏可預(yù)先編好應(yīng)用程序，設(shè)置好激光工藝參數(shù)，供主程序選擇，同時(shí)提供28個(gè)IO點(diǎn)便于監(jiān)控激光器的運(yùn)行。激光器系統(tǒng)配備了同軸和旁軸CCD系統(tǒng)。同軸CCD系統(tǒng)可放大觀測(cè)工件表面和焊縫，輔助定位，還可實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)實(shí)時(shí)觀測(cè)焊接動(dòng)態(tài)。旁軸CCD系統(tǒng)則可借助視覺(jué)圖像處理技術(shù)完成焊縫圖形自動(dòng)生成。

2.1.2 真空烘箱系統(tǒng)

真空烘箱系統(tǒng)作為相對(duì)獨(dú)立的部件用于清潔和預(yù)熱工件，采用PLC加觸摸屏的方式完成整機(jī)控制，有內(nèi)四層加熱板，每層分別用西門子控溫系統(tǒng)控溫。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均勻升溫和保溫等功能，具有超溫故障報(bào)警和自動(dòng)斷電等功能。PLC控制真空泵，真空室極限真空度≤15 Pa。總計(jì)21個(gè)IO點(diǎn)，12組模擬量信號(hào)。

2.1.3 手套箱系統(tǒng)

手套箱系統(tǒng)集成雙柱氣體循環(huán)凈化單元、真空烘箱、過(guò)渡艙、除煙塵裝置、水和氧分析儀、PLC控制及觸摸屏等。手套箱內(nèi)壓力通過(guò)PLC自動(dòng)控制，工作壓力±1 000 Pa內(nèi)可以自由設(shè)定，超出±1 200 Pa系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)。控制系統(tǒng)具備自診斷、斷電自啟動(dòng)特性，具有壓力控制和自適應(yīng)功能；全過(guò)程自動(dòng)控制、循環(huán)控制、密碼保護(hù)；控制單元采用PLC加觸摸屏方式，顯示運(yùn)行狀態(tài)，箱體壓力、系統(tǒng)記錄等。總計(jì)41個(gè)IO點(diǎn)，2組模擬量信號(hào)。

2.1.4 CNC數(shù)控系統(tǒng)

CNC數(shù)控系統(tǒng)由一個(gè)CNC控制器和4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器及4個(gè)伺服電機(jī)組成，主要功能是利用軟件插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡控制，同時(shí)，根據(jù)給定的速度值控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，保證預(yù)定的運(yùn)動(dòng)速度，并能根據(jù)反饋值的正與負(fù)自動(dòng)地調(diào)節(jié)速度的大小，配合激光器自動(dòng)完成焊接過(guò)程。

2.2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

激光縫焊控制系統(tǒng)通過(guò)總線系統(tǒng)和PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，總線控制系統(tǒng)方便應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)接線，模塊化組合，可靠性高[5]。工控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖

人機(jī)界面用于設(shè)置和顯示工藝參數(shù)，工控機(jī)作為處理核心，運(yùn)行主控程序，與CNC控制器和PLC通訊交換信號(hào)，一起完成整機(jī)的控制，各分系統(tǒng)信號(hào)最終通過(guò)以太網(wǎng)傳遞給工控機(jī)，主控程序通過(guò)CNC控制器和PLC控制各部件達(dá)到工藝要求。

2.3 數(shù)控編程

數(shù)控程序用于控制工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)光束與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成激光焊接，是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素[6]。通常采用的CNC數(shù)控系統(tǒng)，有直角坐標(biāo)二維平面軌跡系統(tǒng)（二軸、三軸）、三維空間軌跡系統(tǒng)（四軸、五軸、六軸）或關(guān)節(jié)型激光焊接機(jī)器人等形式。具有多自由度、編程靈活、自動(dòng)化程度高、柔性程度高等特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中數(shù)控程序控制的是二維工作臺(tái)，工件置于工作臺(tái)上，可完成多種工件的焊接，下面是針對(duì)可伐合金殼體材料組件簡(jiǎn)單焊接程序：

N1001G52.1(X[@START_XPOS!]，Y[@START_YPOS!])

N1002 G01 X[-#RAD!]Y0 F500；回起點(diǎn)

N1002.1 G04 F1

N1003 G91 G01 X[-#XLEN!]Y[@YPOS!]F72 M12

N1004 G03 X [-#RAD!]Y [-#RAD!]R[#RAD!]

N1005 G01 X[@XPOS!]Y[-#YLEN!]

N1006 G03 X[#RAD!]Y[-#RAD!]R[#RAD!]

N1007 G01 X[#XLEN!]Y[-@YPOS!]

N1008 G03 X[#RAD!]Y[#RAD!]R[#RAD!]

N1009 G01 X[-@XPOS!]Y[#YLEN!]

N1010 G03 X[-#RAD!]Y[#RAD!]R[#RAD!]

N1011 G01 X[-#OVLEN!]Y[@YPOS!/5]

N1012 G01 Y[-#OVLEN!/5]

N1013 M13

N1014 G01 X0 Y0

N1015 HWOC(0)

N1016 M30

此段程序完成的是矩形倒角為圓弧的組件的簡(jiǎn)單焊接，能夠基本滿足焊接要求。若是不同的材料和不同形狀的組件，則需要選擇不同的激光參數(shù)以及編制不同的數(shù)控程序來(lái)滿足組件焊接的要求。

2.4 安全電路設(shè)計(jì)

激光是一種高亮度、高功率、高能量的光束，具有很好的方向性。強(qiáng)烈的激光照射可以對(duì)人體的皮膚造成灼傷，如果直接射入眼睛，會(huì)對(duì)眼睛造成永久性傷害直至失明。由于激光有一定的危險(xiǎn)性，所以要特別加強(qiáng)對(duì)激光器件的安全意識(shí)，以免對(duì)自身或者第三者造成傷害。本系統(tǒng)的安全電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 安全電路圖

圖4中B301為安全光柵，K114、K115為安全繼電器，S101為手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，S302、S303為安全門開(kāi)關(guān)。激光頭置于密閉手套箱內(nèi)，起到了物理隔離作用，手套箱安全門打開(kāi)時(shí)，安全開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，輸出信號(hào)給安全繼電器，安全繼電器啟動(dòng)，切斷激光安全回路，從而停止激光輸出。安全光柵安裝在手套箱操作工位的兩端，當(dāng)安全光柵中間有物體遮擋時(shí)，輸出信號(hào)給安全繼電器，也會(huì)切斷激光安全回路，停止激光輸出。此外設(shè)備具有急停按鈕可隨時(shí)切斷各部分電源，緊急停止設(shè)備運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

激光縫焊機(jī)已研制成功，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其焊接的微波組件的氣密性滿足用戶要求，表明激光縫焊機(jī)控制系統(tǒng)滿足激光縫焊工藝的要求，為激光縫焊工藝研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。后續(xù)還需進(jìn)一步提高激光縫焊工藝流程的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。