ZHS－50真空焊接设备的控制系统

2012-07-17张闻华

山西电子技术 2012年2期

张闻华

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

1 工作原理

ZHS－50焊接设备采用(机械泵、分子泵)两级泵对工作腔体抽真空，加热室位于真空室内，达到工作真空度后，对钎接件进行加热，被处理工件置于加热室内的支撑架上，该设备加热元件镍鉻，加热元件沿圆周方向均匀分布，保证温度均匀性，加热元件分前、中、后3个区域，三区加热，三点控温，各区温度可以独立调节，受控的交流低电压大电流通过过渡电极使加热元件产生电阻热，利用辐射屏的反射作用，集中热量，使加热室温度升高，经自动控温系统控温，使温度达到设定值，在加热室内形成一个均匀的温度环境。根据用户焊接工艺要求，按程序自动或手动完成工艺焊接。然后对加热室充氮气，起到快速冷却作用。

2 性能指标

真空焊接设备主要应用于铍青铜、金锡合金等非铁金属构件、微组装芯片的低温封装焊接，形成批量热处理，保证产品的焊接均匀性，满足边焊接边封装流水工艺的需求，实现生产的高效化。主要性能指标如下:

(1)最高温度:450℃

(2)工作温度:100℃ ～400℃

(3)工作真空度:5×10－2Pa

(4)分压功能:1 a～40 kPa分压调节，采用手动和自动两种方式

(5)温度均匀性:＜±3℃

(6)最高充气压力(绝对压力):≤0.1 MPa

(7)分压功能:1 a～40 kPa分压调节，采用手动和自动两种方式。

3 电气控制及检测系统

电气控制系统由各种低压元器件、调压器、温控仪、记录仪、真空计和可编程控制器组成。系统配有专业级触摸屏，电路板布局合理，强、弱电分离，安全可靠。

控制系统操作面板如图1所示。

图1 控制系统操作面板

3.1 电气控制系统

本设备采用PLC控制，系统具有手动、自动两种控制操作模式，可在触摸屏上选择，PLC分别控制各种阀的开关，泵的启动、停止及加热的开启。当设备有水压、超压、超温、加热过流、电源缺相等异常现象时，系统具有安全保护功能和故障显示功能。

为了保证系统安全可靠地运行，软、硬件中均采用了自锁与互锁保护、声光报警系统。

(1)不到设定真空度，不能对加热室加热，在加热过程中，如果真空度低于所设定值时，停止加热，并且加热程序保持并发出声光报警。

(2)冷却水压低于设定值时或流量小于一定值，及时切断炉内加热器的电源，并发出声光报警。

(3)当超温时——炉温超过设定值或控温偶发生断偶现象时，切断炉内加热器的电源，并发出声光报警。

(4)停电保护——真空阀气路阀将自动关闭。炉子仍处在真空或气氛保护下。当再次来电后，热处理过程将以手动方式继续进行。

(5)缺相、过流保护——控制系统在各回路上均配有空开或保险，(加热系统出现缺相或过流可自动关闭加热并发出声光报警)可对设备进行保护。

4 电器控制板及仪表配置

(1)采用低压电气元件包括断路器、接触器、接近开关、中间继电器、按钮、报警器和指示灯等。

(2)温控仪表:采用日本导电FP23温度控制器，仪表精度等级0.1级，控温精度±1℃，带有数字显示和PID控制。可进行曲线控温设置和手动/自动PID调节功能，可根据用户需求设定各种工艺参数(加热温度值，保温时间等)。可以实现控温和编程，工作过程中MR23(2路)温度仪表从FP23获得(0～10 V)控制信号，实现3区温度同步控制，自动选择最合理的控制参数，保证加热室内温度均匀性。

(3)记录仪:采用浙大中控有纸记录仪4 500(4通道)，可连续记录加热室内温度曲线和真空度曲线;并可查阅设备运行数据，方便分析钎焊工艺，并配置CF存储卡，可将数据生成报表打印输出。

(4)数显真空计:采用成都睿宝ZDF－5227A型数显复合式真空计;在真空计上可设置4组真空数值，当真空度到达，继电器吸合。

(5)可编程控制器:采用三菱FX1N可编程序控制器(PLC)。它抗干扰能力强，除装、卸料外，全部过程可自动控制，并有手动操作系统。

(6)调压器:调压器选用晶闸管调压器，由温控表发出4～20 MA控制信号，调节加热功率，使加热达到最适合的加热功率配比，从而保证炉温均匀性。调压器采用低电压大电流的输出方式，输出电压不高于70 V，正常工作时一般不大于85%输出，安全可靠。调压器内置过流、缺相保护电路，发生故障时自动断开加热电源，并发出报警。

(7)触摸屏:设备采用MT508S触摸集成电控系统，取代传统的按钮控制方式，由触摸屏集成控制炉箱两套电气装置，操作方便，形象直观。使用EasyBuilder EB500 V2.61软件，把工艺流程图做进触摸屏中，设计了七个界面—报警界面、真空界面、加热界面、冷却界面、真空焊接室、手动焊接室、全自动界面，生产流程化操作模式，人性化界面设计，直观简洁，操作方便。

5 控制特点

5.1 低温控制

低温控制是温控系统上的难点，温度越高越好控，低温PID难整定，易产生波动，不断调节偶的位置保证了设备恒温区均匀性。设备温控系统采用以加热调压器为核心，低电压、大电流方式供电，调压器与温控仪配合，实现温度的连续控制，该控温系统具有手动/自动两种操作方式，控制简明、运行可靠，并加入了短路保护等安全措施，确保系统安全稳定运行。其控制原理是:温度传感器(即热电偶)采集的现场环境的温度信号通过温控表的PID调节，输出调节信号，驱动功率调节器，功率调节器发出变压器的调节信号调节变压器的输出功率，从而改变加热执行元件的加热功率，起到调节加热室温度的作用。其控制原理如图2所示。

图2 控温系统控制原理图

真空焊接室温控系统由两块日本导电温控仪、三只K偶、一台三回路调压器组成。主温控表FP23发出0～10 V模拟信号，遥控从表MR13，三只K偶采集的实时信号分别给MR13表的三个通道，MR13表输出4～20 mA模拟信号，分别控制对应通道功率控制器导通角的大小，形成炉体前、中、后三区的控温系统。

手套焊接室温控系统由一块日本导电温控仪MR13表、两只K偶、两块热板组成。MR13表输出P波通断信号控制热板的温度，两块热板可同时工作，也可单独工作。

5.2 真空定值

加热过程中，材料需要适度的真空度。对热态高真空下易挥发的材料，加热中，可通过分压装置调节真空度，机组的抽气、分压装置的补气，从而形成真空的动态平衡，通过真空定值方式，获取材料所需的真空环境，把真空度定到某一适度值(分压装置由针阀、电磁阀及连接管路组成，在加热过程中可以用此装置对炉内真空度进行调节和控制，防止因炉内真空度高而造成某些合金元素的挥发)。

真空定值流程:进入触摸屏加热界面，打开分压阀，调节针阀，观察环行刻度值和ZDF5227AX复合真空计值，旋转针阀不同的刻度对应不同的真空值，分压装置一丝丝的补气、机组的大抽，从而形成真空的动态平衡。分压功能程序如下:

图3 分压功能程序

6 工艺自动化

该设备的工艺流程有:抽真空—加热—冷却。依生产工艺需要，加热过程中可开启分压装置，冷却又可分为自然冷却和强制冷却两种方式。

设备在设计中考虑两种冷却方式，抽真空、加热为公共程序，通过程序调用来实现两种冷却方式的工艺自动。选择自然冷却方式工艺自动，设备将实现“抽真空—加热—曲线结束—降温点—机组关闭”自动过程。选择强冷方式工艺自动，设备将实现“抽真空—加热—曲线结束—充氮气—启强冷风机—降温点—机组关闭”自动过程。控制流程如图4。