ZHS－50真空焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)

張聞華

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

1 工作原理

ZHS－50焊接設(shè)備采用(機械泵、分子泵)兩級泵對工作腔體抽真空，加熱室位于真空室內(nèi)，達(dá)到工作真空度后，對釬接件進(jìn)行加熱，被處理工件置于加熱室內(nèi)的支撐架上，該設(shè)備加熱元件鎳鉻，加熱元件沿圓周方向均勻分布，保證溫度均勻性，加熱元件分前、中、后3個區(qū)域，三區(qū)加熱，三點控溫，各區(qū)溫度可以獨立調(diào)節(jié)，受控的交流低電壓大電流通過過渡電極使加熱元件產(chǎn)生電阻熱，利用輻射屏的反射作用，集中熱量，使加熱室溫度升高，經(jīng)自動控溫系統(tǒng)控溫，使溫度達(dá)到設(shè)定值，在加熱室內(nèi)形成一個均勻的溫度環(huán)境。根據(jù)用戶焊接工藝要求，按程序自動或手動完成工藝焊接。然后對加熱室充氮氣，起到快速冷卻作用。

2 性能指標(biāo)

真空焊接設(shè)備主要應(yīng)用于鈹青銅、金錫合金等非鐵金屬構(gòu)件、微組裝芯片的低溫封裝焊接，形成批量熱處理，保證產(chǎn)品的焊接均勻性，滿足邊焊接邊封裝流水工藝的需求，實現(xiàn)生產(chǎn)的高效化。主要性能指標(biāo)如下:

(1)最高溫度:450℃

(2)工作溫度:100℃ ～400℃

(3)工作真空度:5×10－2Pa

(4)分壓功能:1 a～40 kPa分壓調(diào)節(jié)，采用手動和自動兩種方式

(5)溫度均勻性:＜±3℃

(6)最高充氣壓力(絕對壓力):≤0.1 MPa

(7)分壓功能:1 a～40 kPa分壓調(diào)節(jié)，采用手動和自動兩種方式。

3 電氣控制及檢測系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由各種低壓元器件、調(diào)壓器、溫控儀、記錄儀、真空計和可編程控制器組成。系統(tǒng)配有專業(yè)級觸摸屏，電路板布局合理，強、弱電分離，安全可靠。

控制系統(tǒng)操作面板如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)操作面板

3.1 電氣控制系統(tǒng)

本設(shè)備采用PLC控制，系統(tǒng)具有手動、自動兩種控制操作模式，可在觸摸屏上選擇，PLC分別控制各種閥的開關(guān)，泵的啟動、停止及加熱的開啟。當(dāng)設(shè)備有水壓、超壓、超溫、加熱過流、電源缺相等異?，F(xiàn)象時，系統(tǒng)具有安全保護(hù)功能和故障顯示功能。

為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，軟、硬件中均采用了自鎖與互鎖保護(hù)、聲光報警系統(tǒng)。

(1)不到設(shè)定真空度，不能對加熱室加熱，在加熱過程中，如果真空度低于所設(shè)定值時，停止加熱，并且加熱程序保持并發(fā)出聲光報警。

(2)冷卻水壓低于設(shè)定值時或流量小于一定值，及時切斷爐內(nèi)加熱器的電源，并發(fā)出聲光報警。

(3)當(dāng)超溫時——爐溫超過設(shè)定值或控溫偶發(fā)生斷偶現(xiàn)象時，切斷爐內(nèi)加熱器的電源，并發(fā)出聲光報警。

(4)停電保護(hù)——真空閥氣路閥將自動關(guān)閉。爐子仍處在真空或氣氛保護(hù)下。當(dāng)再次來電后，熱處理過程將以手動方式繼續(xù)進(jìn)行。

(5)缺相、過流保護(hù)——控制系統(tǒng)在各回路上均配有空開或保險，(加熱系統(tǒng)出現(xiàn)缺相或過流可自動關(guān)閉加熱并發(fā)出聲光報警)可對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

4 電器控制板及儀表配置

(1)采用低壓電氣元件包括斷路器、接觸器、接近開關(guān)、中間繼電器、按鈕、報警器和指示燈等。

(2)溫控儀表:采用日本導(dǎo)電FP23溫度控制器，儀表精度等級0.1級，控溫精度±1℃，帶有數(shù)字顯示和PID控制?？蛇M(jìn)行曲線控溫設(shè)置和手動/自動PID調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)用戶需求設(shè)定各種工藝參數(shù)(加熱溫度值，保溫時間等)?？梢詫崿F(xiàn)控溫和編程，工作過程中MR23(2路)溫度儀表從FP23獲得(0～10 V)控制信號，實現(xiàn)3區(qū)溫度同步控制，自動選擇最合理的控制參數(shù)，保證加熱室內(nèi)溫度均勻性。

(3)記錄儀:采用浙大中控有紙記錄儀4 500(4通道)，可連續(xù)記錄加熱室內(nèi)溫度曲線和真空度曲線;并可查閱設(shè)備運行數(shù)據(jù)，方便分析釬焊工藝，并配置CF存儲卡，可將數(shù)據(jù)生成報表打印輸出。

(4)數(shù)顯真空計:采用成都睿寶ZDF－5227A型數(shù)顯復(fù)合式真空計;在真空計上可設(shè)置4組真空數(shù)值，當(dāng)真空度到達(dá)，繼電器吸合。

(5)可編程控制器:采用三菱FX1N可編程序控制器(PLC)。它抗干擾能力強，除裝、卸料外，全部過程可自動控制，并有手動操作系統(tǒng)。

(6)調(diào)壓器:調(diào)壓器選用晶閘管調(diào)壓器，由溫控表發(fā)出4～20 MA控制信號，調(diào)節(jié)加熱功率，使加熱達(dá)到最適合的加熱功率配比，從而保證爐溫均勻性。調(diào)壓器采用低電壓大電流的輸出方式，輸出電壓不高于70 V，正常工作時一般不大于85%輸出，安全可靠。調(diào)壓器內(nèi)置過流、缺相保護(hù)電路，發(fā)生故障時自動斷開加熱電源，并發(fā)出報警。

(7)觸摸屏:設(shè)備采用MT508S觸摸集成電控系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的按鈕控制方式，由觸摸屏集成控制爐箱兩套電氣裝置，操作方便，形象直觀。使用EasyBuilder EB500 V2.61軟件，把工藝流程圖做進(jìn)觸摸屏中，設(shè)計了七個界面—報警界面、真空界面、加熱界面、冷卻界面、真空焊接室、手動焊接室、全自動界面，生產(chǎn)流程化操作模式，人性化界面設(shè)計，直觀簡潔，操作方便。

5 控制特點

5.1 低溫控制

低溫控制是溫控系統(tǒng)上的難點，溫度越高越好控，低溫PID難整定，易產(chǎn)生波動，不斷調(diào)節(jié)偶的位置保證了設(shè)備恒溫區(qū)均勻性。設(shè)備溫控系統(tǒng)采用以加熱調(diào)壓器為核心，低電壓、大電流方式供電，調(diào)壓器與溫控儀配合，實現(xiàn)溫度的連續(xù)控制，該控溫系統(tǒng)具有手動/自動兩種操作方式，控制簡明、運行可靠，并加入了短路保護(hù)等安全措施，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。其控制原理是:溫度傳感器(即熱電偶)采集的現(xiàn)場環(huán)境的溫度信號通過溫控表的PID調(diào)節(jié)，輸出調(diào)節(jié)信號，驅(qū)動功率調(diào)節(jié)器，功率調(diào)節(jié)器發(fā)出變壓器的調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)變壓器的輸出功率，從而改變加熱執(zhí)行元件的加熱功率，起到調(diào)節(jié)加熱室溫度的作用。其控制原理如圖2所示。

圖2 控溫系統(tǒng)控制原理圖

真空焊接室溫控系統(tǒng)由兩塊日本導(dǎo)電溫控儀、三只K偶、一臺三回路調(diào)壓器組成。主溫控表FP23發(fā)出0～10 V模擬信號，遙控從表MR13，三只K偶采集的實時信號分別給MR13表的三個通道，MR13表輸出4～20 mA模擬信號，分別控制對應(yīng)通道功率控制器導(dǎo)通角的大小，形成爐體前、中、后三區(qū)的控溫系統(tǒng)。

手套焊接室溫控系統(tǒng)由一塊日本導(dǎo)電溫控儀MR13表、兩只K偶、兩塊熱板組成。MR13表輸出P波通斷信號控制熱板的溫度，兩塊熱板可同時工作，也可單獨工作。

5.2 真空定值

加熱過程中，材料需要適度的真空度。對熱態(tài)高真空下易揮發(fā)的材料，加熱中，可通過分壓裝置調(diào)節(jié)真空度，機組的抽氣、分壓裝置的補氣，從而形成真空的動態(tài)平衡，通過真空定值方式，獲取材料所需的真空環(huán)境，把真空度定到某一適度值(分壓裝置由針閥、電磁閥及連接管路組成，在加熱過程中可以用此裝置對爐內(nèi)真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，防止因爐內(nèi)真空度高而造成某些合金元素的揮發(fā))。

真空定值流程:進(jìn)入觸摸屏加熱界面，打開分壓閥，調(diào)節(jié)針閥，觀察環(huán)行刻度值和ZDF5227AX復(fù)合真空計值，旋轉(zhuǎn)針閥不同的刻度對應(yīng)不同的真空值，分壓裝置一絲絲的補氣、機組的大抽，從而形成真空的動態(tài)平衡。分壓功能程序如下:

圖3 分壓功能程序

6 工藝自動化

該設(shè)備的工藝流程有:抽真空—加熱—冷卻。依生產(chǎn)工藝需要，加熱過程中可開啟分壓裝置，冷卻又可分為自然冷卻和強制冷卻兩種方式。

設(shè)備在設(shè)計中考慮兩種冷卻方式，抽真空、加熱為公共程序，通過程序調(diào)用來實現(xiàn)兩種冷卻方式的工藝自動。選擇自然冷卻方式工藝自動，設(shè)備將實現(xiàn)“抽真空—加熱—曲線結(jié)束—降溫點—機組關(guān)閉”自動過程。選擇強冷方式工藝自動，設(shè)備將實現(xiàn)“抽真空—加熱—曲線結(jié)束—充氮氣—啟強 冷風(fēng)機—降溫點—機組關(guān)閉”自動過程?？刂屏鞒倘鐖D4。

圖4 控制流程圖

7 結(jié)束語

ZHS－50真空焊接設(shè)備的開發(fā)，突破了低溫控制、觸摸集成、工藝自動、真空定值等難關(guān)，保證了設(shè)備性能技術(shù)指標(biāo)和安全可靠運行，滿足了客戶的需求。設(shè)備性能穩(wěn)定、精度高、微型智能、性價比高，自開發(fā)投入以來，得到客戶好評。

［1］王魁漢.溫度測量實用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］侯煒強.多晶硅鑄錠爐生產(chǎn)工藝控制技術(shù)和設(shè)備組成［J］.電子工藝技術(shù)，2008，29(5):291 －2293.

［3］楊新社，賈育秦.可編程自動控制器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.電子工藝技術(shù)，2007，28(2):106 －107.