新型壓電驅動器專用焊機的研制

段元波，朱成華

(成都電子機械高等專科學校，四川 成都 611730)

新型壓電驅動器專用焊機的研制

段元波，朱成華

(成都電子機械高等專科學校，四川 成都 611730)

激光陀螺諧振腔的壓電驅動器的焊接質量完全依賴于焊接者的經驗和焊接操作技能，使得產品質量很不穩定。針對此問題設計了一種基于PLC控制的新型壓電驅動器焊機，對焊接過程的關鍵參數——溫度進行測控，保證了壓電驅動器焊接質量的穩定可靠，并且實現了自動化生產，同時采用LabView編寫上位機實時信號處理界面，利用上位機存儲海量數據，具有一定的推廣應用價值。

壓電驅動器；溫度控制；焊接；PLC；LabView

0 前言

激光陀螺是一種精密的光學慣性器件，廣泛應用于軍事和民用領域。光學諧振腔是激光陀螺的核心器件。其工作原理為通過調節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，通過光路調節系統，使得探測激光器發射出的激光射入被研究諧振腔，當探測激光器振蕩頻率與諧振腔頻率匹配時，諧振腔產生受迫諧振。因此壓電驅動器的質量是激光陀螺的關鍵技術，其結構是在硅微晶玻璃兩面固定兩片壓電元件，如圖1所示。當壓電驅動器施加電壓時，其厚度方向會產生變形，從而輸出位移。由壓電驅動器組成的負反饋系統瞬間即可校正激光陀螺的光學變化，從而有效地穩定激光束的頻率。壓電驅動器焊接溫度的精確測控是壓電驅動器焊接質量的關鍵所在[1-2]，其焊接工藝如圖2所示。由于傳統工藝中采用手動調壓、電阻絲加熱的方式升溫，壓電驅動器焊接過程的測控依賴于操作者的經驗和感觀，加工質量不穩定。因此，針對該問題，應用PLC控制技術設計了一種新型壓電驅動器專用焊機，實現了壓電驅動器焊接的自動化，提高了產品的質量。

圖1 壓電驅動器的結構示意

1 壓電驅動器專用焊機的機械設計

壓電驅動器專用焊機結構如圖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 壓電驅動器的焊接溫度工藝

圖3 壓電驅動器的焊機示意

圖4 熱壓頭結構

2 壓電驅動器專用焊機的溫度測控系統的硬件設計

壓電驅動器專用焊機的溫度測控系統主要完成焊接溫度的測量、標度、顯示，通過PLC對執行器進行控制，完成對溫度的調控[3]。系統要求溫度控制精度小于等于±1℃、超調量小于等于2℃。系統對上、下兩個熱壓頭的溫度進行采集，溫度傳感器采用熱電偶。采集的溫度電壓信號由A／D轉換調理模塊實現，溫度的實時處理、顯示等由觸摸屏實現，加熱功率的調節由固態繼電器實現。系統控制原理如圖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轉換、信號放大、數字濾波和標度變換等電路處理后，在觸摸屏上以數字、柱狀圖和曲線這三種形式顯示出來。焊接壓電驅動器時，操作人員根據焊接工藝要求，通過觸摸屏輸入焊接升溫時間、目標溫度、保溫時間和報警溫度等參數，然后按下啟動按鈕，系統將實際測量溫度值與設定目標溫度值進行比較，比較后的誤差按照PID控制算法給執行元件(固態繼電器)發出控制信號，通過控制固態繼電器的觸發信號來控制電熱元件電流的通斷，實現溫度的控制。當系統計時器到達設定時間時，控制系統自動停止加熱，同時開起壓縮空氣，最終實現對焊接機的自動控制，完成壓電驅動器的焊接。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，熱電偶信號經調理電路處理后由數據采集卡采集后送上位機PC機，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 壓電驅動器專用焊機的軟件設計

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

整定參數：sPID.Proportion＝2；

sPID.Integral＝0；

sPID.Derivative＝5；

sPID.SetPoint＝37.0；

系統采集的溫度實時顯示處理界面如圖6所示。

圖6 系統采集的溫度實時顯示處理界面

4 結論

壓電驅動器專用焊機經機械、軟硬件調試運行，各項性能均達到了設計要求，系統超調量小(小于1.0℃)、精度高(控溫精度小于±0.5℃)，可自動控制升溫速率，并可實現程序控溫，減少了人為誤差，在實際應用中有較好的控制效果，具有一定的推廣應用價值。

[1]楊振江，孫占彪，王曙梅.智能儀器與數據采集系統中的新器件及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[2]李世平，韋增亮，戴 凡.PC計算機測控技術及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[3]LabVIEW與通用數據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.基于單片機的通用示波器存儲功能擴展設計[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。