段元波，朱成華

(成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校，四川 成都 611730)

新型壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)的研制

段元波，朱成華

(成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校，四川 成都 611730)

激光陀螺諧振腔的壓電驅(qū)動器的焊接質(zhì)量完全依賴于焊接者的經(jīng)驗和焊接操作技能，使得產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定。針對此問題設(shè)計了一種基于PLC控制的新型壓電驅(qū)動器焊機(jī)，對焊接過程的關(guān)鍵參數(shù)——溫度進(jìn)行測控，保證了壓電驅(qū)動器焊接質(zhì)量的穩(wěn)定可靠，并且實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，同時采用LabView編寫上位機(jī)實時信號處理界面，利用上位機(jī)存儲海量數(shù)據(jù)，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

壓電驅(qū)動器；溫度控制；焊接；PLC；LabView

0 前言

激光陀螺是一種精密的光學(xué)慣性器件，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。光學(xué)諧振腔是激光陀螺的核心器件。其工作原理為通過調(diào)節(jié)激光器壓電陶瓷上的電壓，使其出射激光的頻率周期性變化，通過光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使得探測激光器發(fā)射出的激光射入被研究諧振腔，當(dāng)探測激光器振蕩頻率與諧振腔頻率匹配時，諧振腔產(chǎn)生受迫諧振。因此壓電驅(qū)動器的質(zhì)量是激光陀螺的關(guān)鍵技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在硅微晶玻璃兩面固定兩片壓電元件，如圖1所示。當(dāng)壓電驅(qū)動器施加電壓時，其厚度方向會產(chǎn)生變形，從而輸出位移。由壓電驅(qū)動器組成的負(fù)反饋系統(tǒng)瞬間即可校正激光陀螺的光學(xué)變化，從而有效地穩(wěn)定激光束的頻率。壓電驅(qū)動器焊接溫度的精確測控是壓電驅(qū)動器焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在[1-2]，其焊接工藝如圖2所示。由于傳統(tǒng)工藝中采用手動調(diào)壓、電阻絲加熱的方式升溫，壓電驅(qū)動器焊接過程的測控依賴于操作者的經(jīng)驗和感觀，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，針對該問題，應(yīng)用PLC控制技術(shù)設(shè)計了一種新型壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)，實現(xiàn)了壓電驅(qū)動器焊接的自動化，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖1 壓電驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意

1 壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)的機(jī)械設(shè)計

壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。加熱元件分別為上熱壓頭和下熱壓頭，材料為鋁合金。在其內(nèi)部的陶瓷套管中各安裝了一組合金電阻絲，如圖4所示。上、下兩組加熱絲旁通過夾具安裝有上、下兩支熱電偶溫度傳感器。壓電驅(qū)動器被放在上熱壓頭和其溫度傳感器中熱壓成形。

圖2 壓電驅(qū)動器的焊接溫度工藝

圖3 壓電驅(qū)動器的焊機(jī)示意

圖4 熱壓頭結(jié)構(gòu)

2 壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)的溫度測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)的溫度測控系統(tǒng)主要完成焊接溫度的測量、標(biāo)度、顯示，通過PLC對執(zhí)行器進(jìn)行控制，完成對溫度的調(diào)控[3]。系統(tǒng)要求溫度控制精度小于等于±1℃、超調(diào)量小于等于2℃。系統(tǒng)對上、下兩個熱壓頭的溫度進(jìn)行采集，溫度傳感器采用熱電偶。采集的溫度電壓信號由A／D轉(zhuǎn)換調(diào)理模塊實現(xiàn)，溫度的實時處理、顯示等由觸摸屏實現(xiàn)，加熱功率的調(diào)節(jié)由固態(tài)繼電器實現(xiàn)。系統(tǒng)控制原理如圖5所示。工作原理為：熱電偶溫度傳感器實時測量上、下熱壓頭的溫度，熱電偶輸出信號通過A／D轉(zhuǎn)換、信號放大、數(shù)字濾波和標(biāo)度變換等電路處理后，在觸摸屏上以數(shù)字、柱狀圖和曲線這三種形式顯示出來。焊接壓電驅(qū)動器時，操作人員根據(jù)焊接工藝要求，通過觸摸屏輸入焊接升溫時間、目標(biāo)溫度、保溫時間和報警溫度等參數(shù)，然后按下啟動按鈕，系統(tǒng)將實際測量溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較，比較后的誤差按照PID控制算法給執(zhí)行元件(固態(tài)繼電器)發(fā)出控制信號，通過控制固態(tài)繼電器的觸發(fā)信號來控制電熱元件電流的通斷，實現(xiàn)溫度的控制。當(dāng)系統(tǒng)計時器到達(dá)設(shè)定時間時，控制系統(tǒng)自動停止加熱，同時開起壓縮空氣，最終實現(xiàn)對焊接機(jī)的自動控制，完成壓電驅(qū)動器的焊接。在焊接過程中，操作人員可隨時手動按下停止按鈕停止加熱，并能手動開起壓縮空氣降溫。另一方面，熱電偶信號經(jīng)調(diào)理電路處理后由數(shù)據(jù)采集卡采集后送上位機(jī)PC機(jī)，采用LabView編寫虛擬信號處理、海量存儲供分析處理用[4]。

圖5 PLC控制原理

3 壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)的軟件設(shè)計

在此僅給出壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)的上位機(jī)溫度控制PID算法，與對下位機(jī)PLC的控制軟件不作介紹。PID算法如下：

整定參數(shù)：sPID.Proportion＝2；

sPID.Integral＝0；

sPID.Derivative＝5；

sPID.SetPoint＝37.0；

系統(tǒng)采集的溫度實時顯示處理界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)采集的溫度實時顯示處理界面

4 結(jié)論

壓電驅(qū)動器專用焊機(jī)經(jīng)機(jī)械、軟硬件調(diào)試運行，各項性能均達(dá)到了設(shè)計要求，系統(tǒng)超調(diào)量小(小于1.0℃)、精度高(控溫精度小于±0.5℃)，可自動控制升溫速率，并可實現(xiàn)程序控溫，減少了人為誤差，在實際應(yīng)用中有較好的控制效果，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

[1]楊振江，孫占彪，王曙梅.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[2]李世平，韋增亮，戴 凡.PC計算機(jī)測控技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3]LabVIEW與通用數(shù)據(jù)采集卡的接口方法研究[J].測控自動化，2004(2)：34-35.

[4]何永泰，肖麗仙.基于單片機(jī)的通用示波器存儲功能擴(kuò)展設(shè)計[J].國外電子元器件，2006(1)：51-52.

Research of a new type special welding machine for piezoelectric actuator

DUAN Yuan-bo，ZHU Cheng-hua
(Chengdu Electro-mechanical College，Chengdu 611730，China)

In this paper，a laser gyroscope cavity of piezoelectric actuator for welding quality completely in the welding experience，so that product quality is not stable，based on the design of a PLC control of piezoelectric actuator welder，welding process parameters on temperature measurement and control，to ensure the piezoelectric drive the welding quality is stable and reliable，and realize the automation of production，at the same time，through the use of Labview prepared PC real-time signal processing interface，data storage，and has great popularization and application value.

piezoelectric actuator；temperature control；welding；PLC；LabView

TG439.9

A

1001-2303(2012)07-0029-03

2012-04-09

段元波(1963—)，男，四川西昌人，講師，本科，主要從事焊接自動化的研究工作。