一种用于电子束焊机的电子光学控制系统及方法与流程

本发明涉及电子束焊机，尤其涉及一种用于电子束焊机的电子光学控制系统及方法。

背景技术：

电子枪是电子束焊机的发生装置，其通过一定的机械结构和电气设计能够产生较高能量密度的电子束流。电子束流轰击在金属表面后，电子束的动能转换成热效应，从而将金属局部融化，以实现焊接金属的功能。在电子枪内部有一些电磁透镜(即电子光学透镜)，通过产生不同形式的磁场对经过的电子束产生影响，以改变电子束在电子枪内部的形状或者走向。聚焦线圈可以将比较分散的电子束汇聚成比较细的电子束；合轴线圈可以使电子束在与其流动方向垂直的平面上沿任意方向进行一定量的偏移，以使得电子束能与电子枪在空间位置上取得比较好的配合；偏转线圈一般放置在电子枪的最下方，通过在两个互相垂直的轴向上施加周期变化的电流，可以使电子束产生周期性的，较大角度的偏摆，以在目标工件上产生一定的扫描形状，起到搅拌熔池的作用。这些在电子枪内部的控制部件需要在外部有一个功率放大电路，对来自外部主机(比如plc、电脑接口卡或者信号发生器等)的弱控制信号进行功率放大后再驱动线圈。除此之外，有些电子束焊机的高压电源采用中频机组，其励磁系统的控制，偏压电源的控制以及灯丝电流的控制，也需要通过对弱电的模拟信号功率放大后进行驱动。

现有的电子束焊接设备中，与电子枪内部的电子光学透镜以及高压电源相关的控制模块，大部分采用plc的模拟量输出进行控制，同时对控制系统的实际输出效果进行采样，返回采样的模拟信号到plc的模拟输入模块用以显示，或者直接到控制面板的仪表上供用户读数。请参照图6，多个电子光学控制模块101分别通过线缆而连接于上位机100，这种控制方式的好处是，模块设计简单，基本上采用模拟电路就能实现。同时，在各个电子光学控制模块上只需要对输入的模拟量信号进行线性放大或衰减、或者将电压信号转换成频率信号、或者转换成pwm信号，再进行功率放大即可。另外，由于采用了plc的控制和采样，上位机的控制程序编写相对简单，稳定和可靠。

然而这种控制方式的缺陷在于：首先是接线较多，几乎每个模块都需要一个模拟的控制信号和一个模拟的采样信号，为了不产生互相干扰，也为了plc端接线方便，一般需要采用两根带屏蔽的2芯电缆。当控制模块较多的时候，就需要大量的电缆，不仅增加了电气工程师接线的工作量，也容易出现虚接，错接等问题，也对后期的维护工作造成较大的困难，如果在接线过程中操作不规范，还会造成屏蔽接地不可靠，电气柜中大量的电气模块会对模拟信号产生明显的干扰，因此，会大大增加设备的硬件成本、人工成本以及时间成本。

此外，这种方式采用了plc控制，属于二次开发，并受到plc模块的功能限制，难以满足一些用户的特殊控制需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种用于电子束焊机的电子光学控制系统及方法，该系统将多个电子光学控制模块集成于一个通信模块，通信模块通过内部数据总线对各个电子光学控制模块进行选择，不仅能消除模拟信号电缆可能产生的信号衰减和干扰，还能够减少电子光学控制模块与上位机的接线数量，可有效地降低人工接线的时间和出现接线错误的可能性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种用于电子束焊机的电子光学控制系统，其包括有一上位机、多个电子光学控制模块、一通信模块及多个负载线圈，其中：所述上位机用于发出驱动信号；多个电子光学控制模块均设置于所述通信模块上，多个电子光学控制模块的输入端分别电性连接于通信模块，多个电子光学控制模块的输出端分别电性连接于多个负载线圈，多个电子光学控制模块分别内置有不同的驱动参数；所述通信模块电性连接于上位机，所述上位机发出的驱动信号通过通信模块而传输至对应的电子光学控制模块，所述电子光学控制模块依据其内置的驱动参数对驱动信号进行调理后，加载于负载线圈。

优选地，所述通信模块上设有多个槽位，多个电子光学控制模块分别插接于所述槽位。

优选地，所述通信模块包括有第一处理器，所述第一处理器电性连接有外部通信接口和内部通信总线，所述外部通信接口用于接收上位机发出的驱动信号，所述内部通信总线用于将所述驱动信号通过总线方式传输至电子光学控制模块。

优选地，所述通信模块还包括有依次电性连接的整流滤波单元和dc-dc单元，所述整流滤波单元用于对其接入的交流电进行整流和滤波，所述dc-dc单元用于将整流滤波单元的输出电压进行升压或降压转换，藉由所述dc-dc单元的输出电压而提供电源。

优选地，所述通信模块还包括有一电压监测电路，所述电压监测电路电性连接于dc-dc单元与第一处理器之间，所述电压监测电路用于对dc-dc单元的输出信号进行检测，并且将检测结果传输至第一处理器。

优选地，所述电子光学控制模块包括有第二处理器、总线接口和功率放大单元，所述第二处理器通过总线接口而连接于内部通信总线，所述第二处理器用于将其接收的驱动信号传输至功率放大单元，藉由所述功率放大单元进行功率放大后加载于负载线圈。

优选地，所述电子光学控制模块包括有电性连接于第二处理器的模块响应单元，所述通信模块包括有电性连接于第一处理器的模块在线检测单元，当所述电子光学控制模块插接于通信模块的槽位时，将所述模块响应单元与模块在线检测单元电性连接，所述模块响应单元用于产生一响应信号，所述模块在线检测单元用于获取该响应信号并传输至通信模块，所述通信模块根据所述响应信号而得出所述电子光学控制模块所处的槽位。

优选地，所述电子光学控制模块包括有一反馈采样单元，所述反馈采样单元用于采集功率放大单元的输出信号，并通过第二处理器传输至通信模块，再由通信模块中的外部通信接口上传至上位机。

一种用于电子束焊机的电子光学控制方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一上位机、多个电子光学控制模块、一通信模块及多个负载线圈，多个电子光学控制模块均设置于所述通信模块上，所述通信模块电性连接于上位机，多个电子光学控制模块的输入端分别电性连接于通信模块，多个电子光学控制模块的输出端分别电性连接于多个负载线圈，且多个电子光学控制模块分别内置有不同的驱动参数，所述方法包括：所述上位机发出的驱动信号通过通信模块而传输至对应的电子光学控制模块，所述电子光学控制模块依据其内置的驱动参数对驱动信号进行调理后，加载于负载线圈。

优选地，所述通信模块上设有多个用于插接电子光学控制模块的槽位，当所述电子光学控制模块插接于所述槽位后，所述通信模块对多个电子光学控制模块进行轮询：所述通信模块依次获取多个电子光学控制模块反馈的响应信号，并根据所述响应信号而得出各电子光学控制模块所处的槽位；当多个电子光学控制模块均与通信模块建立通信后，所述通信模块将上位机发出的驱动信号传输至对应的电子光学控制模块，所述电子光学控制模块利用功率放大单元对驱动信号进行调理后加载于负载线圈，同时，利用反馈采样单元采集功率放大单元的输出信号，并通过第二处理器传输至通信模块，再由通信模块上传至上位机。

本发明公开的用于电子束焊机的电子光学控制系统中，通信模块将上位机发出的驱动信号下传至指定的电子光学控制模块，由于电子光学控制模块预设有驱动参数，所以电子光学控制模块可基于该驱动参数对驱动信号进行处理，再驱动负载线圈产生磁场，从而调整电子束的束流形态以及偏摆轨迹，本发明相比现有技术而言，能够将多个电子光学控制模块集成于一个通信模块，通信模块通过内部数据总线对各个电子光学控制模块进行控制和采样，不仅能消除模拟信号电缆可能产生的信号衰减和干扰，还能够减少电子光学控制模块与上位机的接线数量，可有效地降低人工接线的时间和出现接线错误的可能性。

附图说明

图1为本发明电子光学控制系统的组成框图。

图2为本发明电子光学控制系统的信号传输路径示意图。

图3为通信模块的组成框图。

图4为电子光学控制模块的组成框图。

图5为本发明优选实施例中电子光学控制方法的流程图。

图6为现有电子光学控制装置的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种用于电子束焊机的电子光学控制系统，结合图1和图2所示，其包括有一上位机1、多个电子光学控制模块2、一通信模块3及多个负载线圈4，其中：

所述上位机1用于发出驱动信号；

多个电子光学控制模块2均设置于所述通信模块3上，多个电子光学控制模块2的输入端分别电性连接于通信模块3，多个电子光学控制模块2的输出端分别电性连接于多个负载线圈4，多个电子光学控制模块2分别内置有不同的驱动参数；

所述通信模块3电性连接于上位机1，所述上位机1发出的驱动信号通过通信模块3而传输至对应的电子光学控制模块2，所述电子光学控制模块2依据其内置的驱动参数对驱动信号进行调理后，加载于负载线圈4。

上述电子光学控制系统中，通信模块3将上位机1发出的驱动信号下传至指定的电子光学控制模块2，由于电子光学控制模块2预设有驱动参数，所以电子光学控制模块2可基于该驱动参数对驱动信号进行处理，再驱动负载线圈4产生磁场，从而调整电子束的束流形态以及偏摆轨迹，本发明相比现有技术而言，能够将多个电子光学控制模块集成于一个通信模块，通信模块通过内部数据总线对各个电子光学控制模块进行控制和采样，不仅能消除模拟信号电缆可能产生的信号衰减和干扰，还能够减少电子光学控制模块与上位机的接线数量，可有效地降低人工接线的时间和出现接线错误的可能性。

进一步地，为了省略线缆、提升组装效率，所述通信模块3上设有多个槽位，多个电子光学控制模块2分别插接于所述槽位。实际应用中，多个槽位分别对应唯一的地址，或者分别占用一个io口，使得驱动信号能够下传至指定槽位上的电子光学控制模块2。

进一步地，上位机1可以是plc控制器，本实施例将各个模块分别与通信模块连接，再由通信模块与plc连接，而且连接方式为数字通信总线，将模拟控制信号改为数字控制信号，通信模块将来自plc的数字控制信号通过内部的数字通信总线分发到相应的电子光学控制模块中，各个电子光学控制模块将各自的采样数据定时上传给通信模块，通信模块汇总采样数据后打包上传给plc，从而实现一个完整的控制采样过程。

如果电子光学控制模块以及其他功能模块数量较多或者要求的数据刷新速度较高，通信模块和上位机的通信可以采用较高通信速度的profibus总线、profinet等；反之，则可以采用速度较低的rs422，rs485，rs232等总线。也可以根据上位机预留的通信接口设计通信模块的通信方式。而内部通信总线需要较高的数据交互速度，以实现较大规模的数据通信或者较高的数据刷新速度。由于受到本系统内部的通信总线的数据宽度限制，本实施例采用速度为1.792mbps的rs485半双工通信方式，其可以根据不同的cpu设置更高的通信速度，这种通信方式虽然通信速度较全双工通信方式效率低一些，但是可以在两根通信总线上挂多个模块，有效减少通信总线的数量。除本实施例采用的内部通信形式外，内部通信的方式很多，可以采用速度较高的并行总线形式，也可以采用占用数据线较少的spi总线，也可以采用多组通信模块与电子光学控制模块之间点对点的rs422总线，等等形式。

关于通信模块3的具体组成，请参照图3，所述通信模块3包括有第一处理器30，所述第一处理器30电性连接有外部通信接口31和内部通信总线32，所述外部通信接口31用于接收上位机1发出的驱动信号，所述内部通信总线32用于将所述驱动信号通过总线方式传输至电子光学控制模块2。

本实施例中，所述通信模块3还包括有依次电性连接的整流滤波单元33和dc-dc单元34，所述整流滤波单元33用于对其接入的交流电进行整流和滤波，所述dc-dc单元34用于将整流滤波单元33的输出电压进行升压或降压转换，藉由所述dc-dc单元34的输出电压而提供电源。

为了实时监测供电电压，以提高系统稳定性，所述通信模块3还包括有一电压监测电路35，所述电压监测电路35电性连接于dc-dc单元34与第一处理器30之间，所述电压监测电路35用于对dc-dc单元34的输出信号进行检测，并且将检测结果传输至第一处理器30。

上述通信模块3中，由于电气柜中存在各种大功率器件，在工作中难免会对弱电设备产生电气干扰，因此，本实施例设计独立的电源系统，将外部220v交流电源通过变压器降压为18v交流电，再整流并转换为几个直流电源给各个模块供电，以避免外部高压放电打火等情况对电子光学控制系统电源产生影响，并对给定值和采样值产生干扰。电源系统产生的小功率直流电源为包括通信模块在内的各个模块中的数字电路和部分模拟电路提供能量，以与功率放大部分的电源完全隔离。本实施例采用的是+12v，-12v，+5v输出电源。同时，本实施例设计了电源检测功能，可对电源的状态以及输出功率进行采样，可产生电源故障报警信号，以及实时输出电源功耗情况。

关于电子光学控制模块2的具体组成，请参照图4，所述电子光学控制模块2包括有第二处理器20、总线接口21和功率放大单元22，所述第二处理器20通过总线接口21而连接于内部通信总线32，所述第二处理器20用于将其接收的驱动信号传输至功率放大单元22，藉由所述功率放大单元22进行功率放大后加载于负载线圈4。

作为一种优选方式，所述电子光学控制模块2包括有电性连接于第二处理器20的模块响应单元23，所述通信模块3包括有电性连接于第一处理器30的模块在线检测单元36，当所述电子光学控制模块2插接于通信模块3的槽位时，将所述模块响应单元23与模块在线检测单元36电性连接，所述模块响应单元23用于产生一响应信号，所述模块在线检测单元36用于获取该响应信号并传输至通信模块3，所述通信模块3根据所述响应信号而得出所述电子光学控制模块2所处的槽位。

为了实现对输出信号的监测，所述电子光学控制模块2包括有一反馈采样单元24，所述反馈采样单元24用于采集功率放大单元22的输出信号，并通过第二处理器20传输至通信模块3，再由通信模块3中的外部通信接口31上传至上位机1。

上述电子光学控制模块2中，各个模块的主要功能有：将通信模块分发的控制数据或参数转换成相应的输出，对输出的实际效果进行采样并转换成数字量反馈给通信模块，系统上电初始化后与通信模块握手，告知通信模块其所处的槽位以及功能等信息，以及监测本模块的过温、过流、过压等状态信息。

实际应用中，第二处理器20输出的电信号通过数模转换单元25和第一模拟信号调理单元26处理后传输至功率放大单元22，反馈采样单元24采集的电信号通过第二模拟信号调理单元27和模数转换单元28处理后传输至第二处理器20，该数模转换单元25、第一模拟信号调理单元26、第二模拟信号调理单元27和模数转换单元28均集成于电子光学控制模块2中，通信模块3与电子光学控制模块2之间仅传输数字量信号。但是这仅是本发明一个较佳的实施例，并不用于限制本发明，在本发明的另一实施例中，还可以将数模转换单元、第一模拟信号调理单元、第二模拟信号调理单元和模数转换单元均集成于通信模块3中，通信模块3与电子光学控制模块2之间仅传输模拟量信号。

上述两种方案可分别看作数字式方案和半数字式方案，其中，数字式方案是将adc和dac部分放置在各个电子光学控制模块内部，电子光学控制模块与通信模块之间只通过数字通信总线的形式互联。而半数字式方案则将adc部分和dac部分全部放置在通信模块内，通信模块将来自上位机的对某个模块的设定参数转换成相应的模拟量送给对应的电子光学控制模块，并对各个电子光学控制模块的返回值进行周期性adc采样并上传回上位机。通信模块与上位机之间仍然是数字总线形式。这样的设计方案虽然与现有的设计类似，都是采用模拟量控制和采样，但是由于模拟量互联是设计在系统内部的(通过pcb互联)，因此不存在接线的问题，其抗干扰能力也比较强。因此仍然能够节省大量的外部连接电缆，大大降低了接线的工作量。

在此基础上，本发明还公开一种用于电子束焊机的电子光学控制方法，该方法基于一系统实现，结合图1至图5所示，所述系统包括有一上位机1、多个电子光学控制模块2、一通信模块3及多个负载线圈4，多个电子光学控制模块2均设置于所述通信模块3上，所述通信模块3电性连接于上位机1，多个电子光学控制模块2的输入端分别电性连接于通信模块3，多个电子光学控制模块2的输出端分别电性连接于多个负载线圈4，且多个电子光学控制模块2分别内置有不同的驱动参数，所述方法包括：

所述上位机1发出的驱动信号通过通信模块3而传输至对应的电子光学控制模块2，所述电子光学控制模块2依据其内置的驱动参数对驱动信号进行调理后，加载于负载线圈4。

作为一种优选方式，本实施例在传输驱动信号之前，还需要通信模块与各电子光学控制模块进行握手通信，直至各电子光学控制模块均有响应信号反馈，从而提高信号传输过程的准确性和可靠性。请参照图5，所述通信模块3上设有多个用于插接电子光学控制模块2的槽位，当所述电子光学控制模块2插接于所述槽位后，所述通信模块3对多个电子光学控制模块2进行轮询：

所述通信模块3依次获取多个电子光学控制模块2反馈的响应信号，并根据所述响应信号而得出各电子光学控制模块2所处的槽位；

当多个电子光学控制模块2均与通信模块3建立通信后，所述通信模块3将上位机1发出的驱动信号传输至对应的电子光学控制模块2，所述电子光学控制模块2利用功率放大单元22对驱动信号进行调理后加载于负载线圈4，同时，利用反馈采样单元24采集功率放大单元22的输出信号，并通过第二处理器20传输至通信模块3，再由通信模块3上传至上位机1。

上述过程中，通信模块在上电复位后的第一个任务就是检测哪些槽位上有电子光学控制模块。同时，各个电子光学控制模块也能判断出自身所在的槽位。之后，通信模块会依次向各个槽位发送握手指令，各个电子光学控制模块在接到通信模块发来的查询指令后会返回自身的功能信息，以及软硬件版本号、参数个数、参数类型等信息，通信模块会根据电子光学控制模块的功能以及所在的槽位，为该电子光学控制模块建立参数数据包，从而完成握手流程。

当通信模块与所有的电子光学控制模块建立握手后，进入正常的轮询模式：通信模块定时向各个模块刷新查询指令，在该指令中包含有上位机不定时发来的电子光学控制指令，被查询的模块接收到该指令后，将即时返回最近一次刷新的采样信息以及各种状态信息，通信模块就将对应的参数数据包刷新，等待上传时间到了以后，将所有模块的反馈信息上传给上位机，轮询流程完成。

本发明公开的用于电子束焊机的电子光学控制系统及方法，由于采用了数字化的控制方式，控制参数可以任意扩展和更改。采用数字化的控制方式后，可以设计多个控制参数，控制的精细度和灵活性有了较大的提高。同时，功能模块可设置多种报警功能，通过总线的形式向上位机进行报告，而无需将一个报警信息占用一根电缆。此外，由于各个模块中均采用了可编程芯片，用户提出的各种特殊的控制需求也能通过编程较灵活地实现，特别是针对不同电子光学控制模块的不同控制方式，可以将一些较复杂的控制算法放在模块内部处理，从而减轻plc控制器等上位机的工作负荷。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。