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[摘 要]以德国IGM公司生产的真空电子束焊机为例，介绍了真空电子束焊机的工作原理。通过利用该系统的报警信息、控制系统的状态诊断和PLCS5的在线诊断等方法，对此类设备在公司军品科研生产中出现的典型故障进行维修与排除。
[关键词]电子束焊机； 工作原理； 故障分析；
中图分类号：TG43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0248-02
引言：
我國大型飞机设计与制造、载人航天和探月工程等重大专项的陆续启动，对先进焊接技术的发展具有强大牵引和推动作用，焊接技术已逐渐由原来的一种辅助制造工艺演变为一种关键制造技术。其中，电子束焊接由于具有高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、能焊接难熔及异种金属等优点，成为航天航空制造业中不可替代的一员。
真空电子束焊接机是我公司从德国IGM公司引进的一种用于真空焊接加工的特种设备，担负着公司科研生产的关键任务。它主要由真空系统、高压电源部分、电子枪部分、真空室部分、坐标运动系统、数控系统及逻辑控制系统等几个主要部分组成，由于其结构复杂涉及到多种学科的知识，因此要求维修人员要有较强的综合技术能力，本文从设备的工作原理出发通过对一些典型故障的分析总结，以期为今后的维修提供一些帮助。
1 工作原理
1.1 电子枪
电子枪的工作原理是源于阴极射线管的控制原理。
在真空条件下，当灯丝被加热到摄氏2500℃ ，此时在灯丝周围产生大量的自由电子。在灯丝上加上-150 kV的高压，即加速电压，在灯丝下部的偏压规上加上-1500 V的电压，即栅极电压。通过调整栅极电压的大小来控制电子束流的大小，栅极电压越小束流越大，栅极电压正常值为-2000 V～ -200 V对应束流为0～100mA。电子经加速后，此时的电子束流是发散的，经过磁场的校准和聚焦，最后聚成一点轰击到零件表面产生大量的热能，依靠这种热能将金属零件局部熔化，从而进行焊接加工。
1.2 电源
电子束焊机的电源主要包括：高压电源，灯丝电源及偏压电源。高压电源主要是给阴极（灯丝）提供-150 kv的工作电压，其原理见图1。
灯丝电源主要用于加热灯丝的。电压为0～9 V可调，电流为0-24 A可调的直流电源。偏压电源是以-150 kV为基准提供一个-1500 V的电压作为栅极电压。
1.3 真空系统
电子束焊机的真空系统如图2所示：
分别由电子枪真空系统和焊接室真空系统两部分组成。电子枪真空系统由机械泵和蜗轮分子泵构成，在抽真空时，机械泵先开始工作，当电子枪及管路中的真空度达到2×10-2Mbar时，蜗轮分子泵开始工作，当电子枪的真空度达到4×10-4Mbar时电子枪隔离阀可以打开。
焊接室真空系统根据焊接工艺的不同参数要求提供低真空和高真空两个系统。其中低真空系统由机械泵和罗茨泵组成；高真空系统由机械泵，罗茨泵和扩散泵组成。正常工作时，低真空回路先运行，同时高真空回路进行准备——扩散泵开始加热，它的前级机械泵和罗茨泵同时工作，当焊接室的真空度到达2×10-2Mbar，并且扩散泵油温到达时，扩散泵准备就绪两个条件满足后，低真空回路关闭并停止工作，扩散泵上端的翻转阀打开，高真空回路开始工作，当真空度到达6.7×10-4Mbar时，机床就可以进行正常的焊接工作。
1.4 坐标运动系统
一共有四个坐标分别是：X、Y、A、B轴，都是使用半闭环作位置反馈，驱动器均使用德国进口的DX808型直流驱动器，电机采用的是SIEMENS直流电机，具有响应快和运动惯量小的特点。运动方式有手动控制和自动控制两种，方便操作者使用。当运动系统出现故障时通常在电脑屏幕上有相应的报警，但驱动器也有指示灯提示相关的原因，其含义如下：（见表1）
1.5 数控系统
采用德国IGM公司自己研制的EBCON控制系统（工业控制机），当EBCON出现报警时，由于屏幕上不显示报警信息，此时可根据EBCON系统上的VCPU板上的USER灯的指示状态判断故障的原因。
当USER7为“ON”状态时，
USER6：PLC CONTRoL表示PLC工作正常
USER5：NC CONTRoL表示NC系统工作正常
USER4：VHE BUS FAULT表示VHE总线错误故障
USER3：oN NC C0NTRoL表示NC控制启动
USER2：DRY RUN 空运行方式
USER1：END—PRoGRAM CHANGE结束程序改变
USER0：ZERO=STATUS BIT状态位为零
当USER7为“OFF”状态时，
USER6：BUS ERROR总线错误
USER5：ADREsS ERR0R地址错误
USER4：DIFFERENT FAULT表示特定的异常情况
USER3：CTRL + C = KEYBOARD IN—TERUP，通过键盘“CTRL+C”中断
USER2：BREAK POINT =TERMINAL表示断点
USER1： P“AT”HAS CONTROL表示“AT”停止
USER0：DR ERRoR DR 错误
2 典型故障维修
2.1无法加高压
电子枪室与焊接室的真空度都达到工作要求，设定工作高压值为-150 kV，加到阴极上，在显示器上可看到实际阴极电压从0 kV逐渐升到40 kV时系统显示“高压电源错误”报警。同时在加高压的过程中可以听见高压电源油箱内发出清晰的爆裂声。将高压电缆从油箱联结处断开重新加高压故障现象一样。由此可以判断高压电缆和电子枪部分是正常的，初步怀疑高压电源箱内部有电气元件损坏，将高压油箱打开后检查发现升压电路中有一个电阻烧坏，在检查其它电路正常的情况下更换一个新的电阻送电试运行，注意在初次加压时从-30 kV开始缓慢地。逐步地将电压升高到-150 kV。经过这一系列的工作和调试，高压电源可正常工作。 2.2 扩散泵温度传感器故障
正常情况下当焊接室的低真空度到达，扩散泵油温度抵达后，就可以进行高低真空回路的切换。此时翻转阀动作，将扩散泵管路接通，进入抽高真空阶段。翻转阀是由气缸来推动的，气缸活塞向前或向后运动分别由两个电磁阀来控制。现在的故障现象是：进入抽高真空后，不知道什么原因翻转阀又突然自动关闭，如果不处理的话又可以自动打开恢复正常运行。有一次甚至故障发生在焊接过程中，造成被加工件报废。经初步观察故障发生时翻转阀确实接到了来自PLC的关闭信号，由于故障发生时间及周期不确定，在排故过程中使用了SIEMENS公司的编程器，将其连接在S5型可编程控制器上，在梯形图上检查翻转阀控制信号条件，最终发现是由于扩散泵温度传感器接触不良误发温度低信号，造成控制系统将翻转阀关闭，更换此传感器后此故障排除。
2.3电子束焊接时电子束抖动问题的解决
根据故障现象和电子束产生的条件判断，可能的故障原因有：
（1）.电子枪偏压杯或阳极脏污（2）.工件或夹具有剩磁（3）.工件或夹具接地不良
排故方法：
首先必须断定设备电子枪和电子束产生部分是否存在故障，方法是：拿一块试片直接放在工作台上抽真空后试加工正常，第一项原因被排除；用磁力仪检查工件的剩磁，也在正常值范围内；检查工件及夹具接地电阻均正常；排出了后两项原因。以上的检查和试验虽然没有找出故障原因但却缩小了故障范围，即设备电子束的产生和加工方面是正常的。由于试片加工正常而零件加工不正常，说明问题仍出在工件或夹具上。仔细检查这两部分与平时的状态相对比，发现零件上缠了许多高温胶布（为了防止零件被灼伤），根据电子束的工作原理当其通路上遇到其它磁场时会产生轻则抖动重则偏移的现象，由于该胶布是第一次用于电子束焊加工虽然事先经过磁力仪检查剩磁合格，但我们经过现场的详尽分析仍然怀疑高温胶布的可靠性，为了彻底排除该原因，我们又做了一个试验：拿一个新的试片其中一半缠满了高温胶布，另一半与往常一样没有任何处理，试加工时发现当电子束经过高温胶布所在的区域时发生抖动，而经过另一半时一切正常，说明高温胶布存在着额外的磁场，将零件上的高温胶布取消，采取其它的防灼伤措施后，零件加工合格。
故障原因分析：
由于高温胶布加工前检查并没有发现剩磁，而加工时却不能使用，我们分析可能是加工时工作台转动转台电机会产生一个磁场，它与高温胶布的磁场发生叠加，超出了加工的要求，对电子束运行方向产生了影响，造成加工异常的故障。
2.4 F7#报警的解决
焊机在升高压过程中频繁出现F7#“高压电源错误”的报警。同时高压电源柜连锁报警指示灯点亮。压下电源柜上报警复位按钮后报警解除。经多次升高压操作实验并观察监示器上高压显示值，发现高压每次升到-12OkV左右时才出现以上故障现象。以前，高压电源箱经常因模块烧坏或性能不好引起F7#报警。为了确定电源箱是否正常，将三组电源箱分别送电运行，故障现象相同。将高压电缆从高压电源油箱处断开，重新升高压没有出现故障报警，由此判断高压电源正常，有可能是电子枪出现问题，将电子枪拆下进分解检查，可以清楚地看见在枪室壳体的绝缘壁上有大片的放电痕迹，用细砂纸打磨去除痕迹，用酒精清洗壳体及内部其它部件，使电子枪内保持洁净无尘，重新安装电子枪调整无误后试机故障排除。
2.5 A轴手动运行时，屏幕显示位置数值与实际运行位置数值不同，显示的数值总是小于实际位置值，无报警。
故障分析：
（1）.由于A轴自动、手动方式故障现象相同且可以运行，说明伺服驱动器和伺服电机正常。
（2）.按自动控制原理和比照数控机床的工作状态应该产生“跟随误差”报警，由于设备是早期生产的功能上设置不像现在规范，加上工控机是厂家自己研制的沒设产生此报警的条件。
根据以上分析可以基本确定故障在位置反馈回路的位控板或反馈电缆。
处理方法：逐段检查A轴的反馈电缆，发现在工作台底下有一个插头有些松动，重新连接后设备恢复正常。
3 结论
真空电子束焊设备结构复杂，高压电路维修时具有一定的危险性，对维修人员的综合技术能力、分析判断能力要求较高。因此，在日常维修工作中，维修人员要对其工作原理有较深人的了解，利用系统的报警信息、控制系统的状态诊断和PLC S5的在线诊断等方法，分析故障原因及时排除故障，提高设备的利用率。
参考文献
[1] 王亚军.电子束加工技术的现状与发展 中国机械工程动力学会第八次全国焊接会谇论文集，19991
[2] 刘春飞.电子束焊接技术发展历史、现状及展望.航天制造技术，2003 年（1～5）
[3] 王欲知，陈旭.真空技术（第2版）北京航空航天大学出版社，2007年6月
[4] 唐世钢，王树田.PLC5系列可编程序控制器.华中理工大学出版社 1993年11月
作者简介：杨滋彬（1960--），男，辽宁省沈阳市，本科，高级工程师。研究方向：FANUC和SIEMENS 数控系统的数控机床电气维修技术。电话 17741337419 Email — yangzibinlm126. com
[关键词]电子束焊机； 工作原理； 故障分析；
中图分类号：TG43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0248-02
引言：
我國大型飞机设计与制造、载人航天和探月工程等重大专项的陆续启动，对先进焊接技术的发展具有强大牵引和推动作用，焊接技术已逐渐由原来的一种辅助制造工艺演变为一种关键制造技术。其中，电子束焊接由于具有高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、能焊接难熔及异种金属等优点，成为航天航空制造业中不可替代的一员。
真空电子束焊接机是我公司从德国IGM公司引进的一种用于真空焊接加工的特种设备，担负着公司科研生产的关键任务。它主要由真空系统、高压电源部分、电子枪部分、真空室部分、坐标运动系统、数控系统及逻辑控制系统等几个主要部分组成，由于其结构复杂涉及到多种学科的知识，因此要求维修人员要有较强的综合技术能力，本文从设备的工作原理出发通过对一些典型故障的分析总结，以期为今后的维修提供一些帮助。
1 工作原理
1.1 电子枪
电子枪的工作原理是源于阴极射线管的控制原理。
在真空条件下，当灯丝被加热到摄氏2500℃ ，此时在灯丝周围产生大量的自由电子。在灯丝上加上-150 kV的高压，即加速电压，在灯丝下部的偏压规上加上-1500 V的电压，即栅极电压。通过调整栅极电压的大小来控制电子束流的大小，栅极电压越小束流越大，栅极电压正常值为-2000 V～ -200 V对应束流为0～100mA。电子经加速后，此时的电子束流是发散的，经过磁场的校准和聚焦，最后聚成一点轰击到零件表面产生大量的热能，依靠这种热能将金属零件局部熔化，从而进行焊接加工。
1.2 电源
电子束焊机的电源主要包括：高压电源，灯丝电源及偏压电源。高压电源主要是给阴极（灯丝）提供-150 kv的工作电压，其原理见图1。
灯丝电源主要用于加热灯丝的。电压为0～9 V可调，电流为0-24 A可调的直流电源。偏压电源是以-150 kV为基准提供一个-1500 V的电压作为栅极电压。
1.3 真空系统
电子束焊机的真空系统如图2所示：
分别由电子枪真空系统和焊接室真空系统两部分组成。电子枪真空系统由机械泵和蜗轮分子泵构成，在抽真空时，机械泵先开始工作，当电子枪及管路中的真空度达到2×10-2Mbar时，蜗轮分子泵开始工作，当电子枪的真空度达到4×10-4Mbar时电子枪隔离阀可以打开。
焊接室真空系统根据焊接工艺的不同参数要求提供低真空和高真空两个系统。其中低真空系统由机械泵和罗茨泵组成；高真空系统由机械泵，罗茨泵和扩散泵组成。正常工作时，低真空回路先运行，同时高真空回路进行准备——扩散泵开始加热，它的前级机械泵和罗茨泵同时工作，当焊接室的真空度到达2×10-2Mbar，并且扩散泵油温到达时，扩散泵准备就绪两个条件满足后，低真空回路关闭并停止工作，扩散泵上端的翻转阀打开，高真空回路开始工作，当真空度到达6.7×10-4Mbar时，机床就可以进行正常的焊接工作。
1.4 坐标运动系统
一共有四个坐标分别是：X、Y、A、B轴，都是使用半闭环作位置反馈，驱动器均使用德国进口的DX808型直流驱动器，电机采用的是SIEMENS直流电机，具有响应快和运动惯量小的特点。运动方式有手动控制和自动控制两种，方便操作者使用。当运动系统出现故障时通常在电脑屏幕上有相应的报警，但驱动器也有指示灯提示相关的原因，其含义如下：（见表1）
1.5 数控系统
采用德国IGM公司自己研制的EBCON控制系统（工业控制机），当EBCON出现报警时，由于屏幕上不显示报警信息，此时可根据EBCON系统上的VCPU板上的USER灯的指示状态判断故障的原因。
当USER7为“ON”状态时，
USER6：PLC CONTRoL表示PLC工作正常
USER5：NC CONTRoL表示NC系统工作正常
USER4：VHE BUS FAULT表示VHE总线错误故障
USER3：oN NC C0NTRoL表示NC控制启动
USER2：DRY RUN 空运行方式
USER1：END—PRoGRAM CHANGE结束程序改变
USER0：ZERO=STATUS BIT状态位为零
当USER7为“OFF”状态时，
USER6：BUS ERROR总线错误
USER5：ADREsS ERR0R地址错误
USER4：DIFFERENT FAULT表示特定的异常情况
USER3：CTRL + C = KEYBOARD IN—TERUP，通过键盘“CTRL+C”中断
USER2：BREAK POINT =TERMINAL表示断点
USER1： P“AT”HAS CONTROL表示“AT”停止
USER0：DR ERRoR DR 错误
2 典型故障维修
2.1无法加高压
电子枪室与焊接室的真空度都达到工作要求，设定工作高压值为-150 kV，加到阴极上，在显示器上可看到实际阴极电压从0 kV逐渐升到40 kV时系统显示“高压电源错误”报警。同时在加高压的过程中可以听见高压电源油箱内发出清晰的爆裂声。将高压电缆从油箱联结处断开重新加高压故障现象一样。由此可以判断高压电缆和电子枪部分是正常的，初步怀疑高压电源箱内部有电气元件损坏，将高压油箱打开后检查发现升压电路中有一个电阻烧坏，在检查其它电路正常的情况下更换一个新的电阻送电试运行，注意在初次加压时从-30 kV开始缓慢地。逐步地将电压升高到-150 kV。经过这一系列的工作和调试，高压电源可正常工作。 2.2 扩散泵温度传感器故障
正常情况下当焊接室的低真空度到达，扩散泵油温度抵达后，就可以进行高低真空回路的切换。此时翻转阀动作，将扩散泵管路接通，进入抽高真空阶段。翻转阀是由气缸来推动的，气缸活塞向前或向后运动分别由两个电磁阀来控制。现在的故障现象是：进入抽高真空后，不知道什么原因翻转阀又突然自动关闭，如果不处理的话又可以自动打开恢复正常运行。有一次甚至故障发生在焊接过程中，造成被加工件报废。经初步观察故障发生时翻转阀确实接到了来自PLC的关闭信号，由于故障发生时间及周期不确定，在排故过程中使用了SIEMENS公司的编程器，将其连接在S5型可编程控制器上，在梯形图上检查翻转阀控制信号条件，最终发现是由于扩散泵温度传感器接触不良误发温度低信号，造成控制系统将翻转阀关闭，更换此传感器后此故障排除。
2.3电子束焊接时电子束抖动问题的解决
根据故障现象和电子束产生的条件判断，可能的故障原因有：
（1）.电子枪偏压杯或阳极脏污（2）.工件或夹具有剩磁（3）.工件或夹具接地不良
排故方法：
首先必须断定设备电子枪和电子束产生部分是否存在故障，方法是：拿一块试片直接放在工作台上抽真空后试加工正常，第一项原因被排除；用磁力仪检查工件的剩磁，也在正常值范围内；检查工件及夹具接地电阻均正常；排出了后两项原因。以上的检查和试验虽然没有找出故障原因但却缩小了故障范围，即设备电子束的产生和加工方面是正常的。由于试片加工正常而零件加工不正常，说明问题仍出在工件或夹具上。仔细检查这两部分与平时的状态相对比，发现零件上缠了许多高温胶布（为了防止零件被灼伤），根据电子束的工作原理当其通路上遇到其它磁场时会产生轻则抖动重则偏移的现象，由于该胶布是第一次用于电子束焊加工虽然事先经过磁力仪检查剩磁合格，但我们经过现场的详尽分析仍然怀疑高温胶布的可靠性，为了彻底排除该原因，我们又做了一个试验：拿一个新的试片其中一半缠满了高温胶布，另一半与往常一样没有任何处理，试加工时发现当电子束经过高温胶布所在的区域时发生抖动，而经过另一半时一切正常，说明高温胶布存在着额外的磁场，将零件上的高温胶布取消，采取其它的防灼伤措施后，零件加工合格。
故障原因分析：
由于高温胶布加工前检查并没有发现剩磁，而加工时却不能使用，我们分析可能是加工时工作台转动转台电机会产生一个磁场，它与高温胶布的磁场发生叠加，超出了加工的要求，对电子束运行方向产生了影响，造成加工异常的故障。
2.4 F7#报警的解决
焊机在升高压过程中频繁出现F7#“高压电源错误”的报警。同时高压电源柜连锁报警指示灯点亮。压下电源柜上报警复位按钮后报警解除。经多次升高压操作实验并观察监示器上高压显示值，发现高压每次升到-12OkV左右时才出现以上故障现象。以前，高压电源箱经常因模块烧坏或性能不好引起F7#报警。为了确定电源箱是否正常，将三组电源箱分别送电运行，故障现象相同。将高压电缆从高压电源油箱处断开，重新升高压没有出现故障报警，由此判断高压电源正常，有可能是电子枪出现问题，将电子枪拆下进分解检查，可以清楚地看见在枪室壳体的绝缘壁上有大片的放电痕迹，用细砂纸打磨去除痕迹，用酒精清洗壳体及内部其它部件，使电子枪内保持洁净无尘，重新安装电子枪调整无误后试机故障排除。
2.5 A轴手动运行时，屏幕显示位置数值与实际运行位置数值不同，显示的数值总是小于实际位置值，无报警。
故障分析：
（1）.由于A轴自动、手动方式故障现象相同且可以运行，说明伺服驱动器和伺服电机正常。
（2）.按自动控制原理和比照数控机床的工作状态应该产生“跟随误差”报警，由于设备是早期生产的功能上设置不像现在规范，加上工控机是厂家自己研制的沒设产生此报警的条件。
根据以上分析可以基本确定故障在位置反馈回路的位控板或反馈电缆。
处理方法：逐段检查A轴的反馈电缆，发现在工作台底下有一个插头有些松动，重新连接后设备恢复正常。
3 结论
真空电子束焊设备结构复杂，高压电路维修时具有一定的危险性，对维修人员的综合技术能力、分析判断能力要求较高。因此，在日常维修工作中，维修人员要对其工作原理有较深人的了解，利用系统的报警信息、控制系统的状态诊断和PLC S5的在线诊断等方法，分析故障原因及时排除故障，提高设备的利用率。
参考文献
[1] 王亚军.电子束加工技术的现状与发展 中国机械工程动力学会第八次全国焊接会谇论文集，19991
[2] 刘春飞.电子束焊接技术发展历史、现状及展望.航天制造技术，2003 年（1～5）
[3] 王欲知，陈旭.真空技术（第2版）北京航空航天大学出版社，2007年6月
[4] 唐世钢，王树田.PLC5系列可编程序控制器.华中理工大学出版社 1993年11月
作者简介：杨滋彬（1960--），男，辽宁省沈阳市，本科，高级工程师。研究方向：FANUC和SIEMENS 数控系统的数控机床电气维修技术。电话 17741337419 Email — yangzibinlm126. com