MEVVA源離子注入機(jī)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

離子束表面改性技術(shù)通過離子注入方法改變金屬材料表面層的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，改善其耐磨性和耐腐蝕性，增加表層接觸疲勞壽命。離子注入技術(shù)具有不改變零件尺寸、注入層不會剝落以及可控性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類精密零件加工。我們曾研制了雙元素離子注入機(jī)，使工件的摩擦系數(shù)、硬度、耐腐蝕性均有顯著提高，額定壽命提高到了5.83倍[1]。為了提高注入質(zhì)量和工作效率，我們又研發(fā)了更大電流的多工位雙元素離子注入機(jī)，并使用可編程控制器和上位組態(tài)軟件來實現(xiàn)自動化控制、實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲。

雙元素離子注入機(jī)采用金屬離子源和氣體離子源兩種，其中金屬源為金屬蒸發(fā)真空弧放電離子源，即MEVVA源，氣體源為寬束高能永磁微波離子源。本文僅對金屬源的控制進(jìn)行闡述。

1 MEVVA離子源簡介

MEVVA源的供電系統(tǒng)包括：觸發(fā)電源、弧放電電源、束流引出電源、和二次電子抑制電源。

微秒級脈寬的觸發(fā)電壓在陰極產(chǎn)生少量等離子體?；‰娫词怯擅}寬1.5ms、阻抗為1歐姆的人工線組成，為陰極和陽極供電，使陰極產(chǎn)生的等離子體運動進(jìn)而形成主弧放電，主弧放電是由一個或更多的電流密度高達(dá)106A/cm2的陰極斑蒸發(fā)并電離陰極材料而形成的電弧。束流引出電源為高壓直流電源，引出電壓負(fù)責(zé)將陰極離子引出并加速，形成高能離子束流射向被注入體。二次電子的抑制電源主要用來吸收弧流中的電子，保證測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，精確控制注入劑量。

為避免離子束在行進(jìn)路徑中因碰撞而受到干擾，減少因其他分子被離子化而注入，離子的運動應(yīng)在真空系統(tǒng)中進(jìn)行，我們使用的離子源要求啟動系統(tǒng)真空度需達(dá)到2×10-3Pa。

2 控制系統(tǒng)要求

MEVVA源工作機(jī)制決定了注入機(jī)有很多高壓設(shè)備，例如決定離子束能量的引出電壓就采用了125kV的高壓電源。引出電壓加于陽極，第一柵通過一個電阻與陽極聯(lián)接，因此第一柵、陽極、陰極及觸發(fā)電極等均處于高電位，其電源應(yīng)安裝于高壓倉內(nèi)，并用一個隔離變壓器供電。為保護(hù)低壓設(shè)備，保證測量信號的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計時需考慮對高壓的隔離。

軸承在離子注入過程中會因離子持續(xù)轟擊而發(fā)熱。雖然增大束流強(qiáng)度可以提高注入效率，但也會使軸承溫度升高。研究表明，金屬溫度過高會改變其硬度等指標(biāo)，我們常用不銹鋼軸承溫度大于100°時硬度下降明顯。所以在離子注入時需實時監(jiān)視軸承表面溫度，通過增加水流或在一定范圍內(nèi)降低束流強(qiáng)度，將其控制在材料耐受溫度內(nèi)。

我們的離子注入機(jī)采用先進(jìn)的多工位工裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)有公轉(zhuǎn)和自傳兩個主軸。在保證投影面均勻度的基礎(chǔ)上，一次工藝注入可覆蓋兩個工位的軸承，引入公轉(zhuǎn)后可實現(xiàn)連續(xù)三次的離子注入無需人為干預(yù)。自轉(zhuǎn)則是根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)特點，在每次注入時都保持勻速轉(zhuǎn)動，使軸承各種形狀的表面被均勻注入。為保證軸承表面離子注入的均勻性，在投影均勻性一定、勻速自傳的情況下，還需要穩(wěn)定的束流。

此外，控制系統(tǒng)也應(yīng)保證注入劑量的精準(zhǔn)計算，劑量的大小直接影響軸承的耐磨性、抗腐蝕性等性能，也是離子注入工藝的重要參數(shù)。

3 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

在對MEVVA源和離子注入工藝充分了解的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備的特殊性需求，開發(fā)了一套基于西門子S7 300系列的PLC控制系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)組成

要實現(xiàn)離子注入機(jī)的自動控制，PLC需要控制真空設(shè)備、MEVVA源的各種供電電源等。工業(yè)控制計算機(jī)通過上位控制軟件實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)控、用戶交互和數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要介紹PLC控制部分。

圖1 離子注入機(jī)控制系統(tǒng)組成

源高壓設(shè)備包括觸發(fā)電源、弧電壓引出電源和抑制電源。引出電源、抑制電源放置于高壓柜內(nèi)，而處于高電位的弧電源和觸發(fā)系統(tǒng)位于高壓倉內(nèi)，高壓倉使用隔離變壓器供電，并單獨接地。位于高壓倉的信號均采用光纖隔離傳輸，先將高壓倉內(nèi)的直流電壓信號經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成與電壓成正比的頻率方波信號，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將頻率方波信號轉(zhuǎn)換成波長與光纖性能相匹配的光脈沖信號，通過光纖傳送到低壓接收端，在低壓側(cè)進(jìn)行相應(yīng)的逆變換得到0～10V的直流電壓信號。頻率信號在傳輸過程中不受波形變形與幅度變化的影響，相對于低壓信號具有更高的可靠性和穩(wěn)定度。

真空設(shè)備包括7臺機(jī)械泵、4臺分子泵、1臺羅茨泵和預(yù)抽閥、前級閥、旁通閥、高閥等控制閥，以及3臺真空計，真空計使用MODBUS協(xié)議與PLC通信。

工裝系統(tǒng)主要由變頻器控制的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)電機(jī)組成，通過控制變頻器的啟停和頻率，使工裝自動定位并適時運轉(zhuǎn)。

該離子注入機(jī)的水冷系統(tǒng)由水冷機(jī)組和流量檢測開關(guān)組成，用來冷卻高溫的MEVVA源、軸承和靶。水的流量決定了冷卻效果，流量檢測開關(guān)可實時準(zhǔn)確的監(jiān)測水流變化，保證離子源的安全和系統(tǒng)正常運行。

測量設(shè)備主要指束流測量設(shè)備和溫度測量設(shè)備。法拉第筒是可運動的束流密度測量裝置，由步進(jìn)電機(jī)控制其位移，通過比較不同位置的束流密度檢測離子注入?yún)^(qū)的均勻性，亦可精確測量某一位置單位面積的積分劑量。靶流測量裝置檢測總束流，可與法拉第筒的測試數(shù)據(jù)對比計算均勻性。他與法拉第筒相互印證，為工藝分析提供多種數(shù)據(jù)支撐。熱像儀實時監(jiān)測軸承在離子注入時的表面溫度，必要時采取措施保證注入時軸承溫度在工藝設(shè)定值以下，確保工件在離子注入后其他主要性能不下降。

陰極推進(jìn)由PLC控制的電機(jī)來調(diào)整陰極燃燒端的位置，陰極推進(jìn)太少或過量都會造成起弧不正常或漏弧現(xiàn)象。

2）控制程序?qū)崿F(xiàn)

PLC程序設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)，主要有：自動真空、工裝自動定位、自動注入、系統(tǒng)互鎖及報警模塊。

（1）自動真空模塊實現(xiàn)自動抽真空、關(guān)真空、真空保底、暫停裝料和裝料完成繼續(xù)運行功能。PLC通過Modbus主站模塊輪詢訪問三臺真空計，讀取各檢測點的真空值，以此決定分子泵、羅茨泵及各種閥門的開啟和關(guān)閉。如開啟順序錯誤可能會導(dǎo)致設(shè)備的損壞，為此設(shè)置了設(shè)備連鎖，當(dāng)條件達(dá)不到時禁止開啟相應(yīng)設(shè)備。

圖2 自動注入流程圖

表1 束流與重要參數(shù)關(guān)系表

（2）工裝自動定位根據(jù)軸承安裝的工位，及操作員選擇離子注入的源，通過位于工位自傳盤下方的傳感器判斷旋轉(zhuǎn)方向和距離，自動旋轉(zhuǎn)至該源的注入?yún)^(qū)域。

（3）自動注入程序從定位完成且真空達(dá)到要求開始，至注入完成關(guān)閉源的所有電源結(jié)束。簡要流程如圖2所示。

金屬源在出束前首先要對引出電源和抑制電源進(jìn)行高壓鍛煉，穩(wěn)定后即可依次緩升弧電壓、觸發(fā)電壓和觸發(fā)頻率完成起弧過程?；》烹姷念l率取決于觸發(fā)頻率，觸發(fā)頻率的增加會使平均束流隨之增加?；》烹姽β视苫簺Q定，弧壓升高，起弧電離的功率加大，致使引出金屬等離子體密度增加，明顯的對引出束流的大小有貢獻(xiàn)。故在電極結(jié)構(gòu)確定的情況下，要得到大而穩(wěn)定的束流，就要調(diào)整好觸發(fā)頻率、弧電壓、引出電壓之間的關(guān)系。以Ti元素為例，表1列出了常用的兩種束流密度與供電電源的實驗數(shù)據(jù)。

實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果表明，觸發(fā)電壓、引出電壓和抑制電壓達(dá)到相應(yīng)數(shù)值后對束流強(qiáng)度的影響幾乎可以忽略，故當(dāng)束流密度超出工藝參數(shù)范圍時，主要依次調(diào)整觸發(fā)頻率和弧電壓兩項參數(shù)。

程序在起弧時進(jìn)行弧流累計，通過計算選擇合適的時機(jī)推進(jìn)陰極，這就避免了因陰極過短引起的漏弧或滅弧現(xiàn)象。陰極燃燒的速度與陰極材料和弧流大小均有關(guān)系，用戶根據(jù)陰極材料設(shè)置推進(jìn)間隔和推進(jìn)時間，程序?qū)×鬟M(jìn)行累計積分運算，當(dāng)達(dá)到推進(jìn)間隔設(shè)置值時啟動自動推進(jìn)。如推進(jìn)間隔不合理，程序則計算單位時間內(nèi)弧流小于工藝設(shè)定值的次數(shù)，達(dá)到設(shè)定次數(shù)則認(rèn)為需要陰極推進(jìn)。

弧流累計的精確程度決定陰極自動推進(jìn)的時機(jī)是否合適，因而影響束流的穩(wěn)定性。束流累計的精確程度則與軸承離子注入效果關(guān)系密切。所以束流值和弧流值的采集使用級別更高的中斷塊保證采集周期精準(zhǔn)，濾除過高或過低的電流值后取平均值做為累計對象。計算公式為

（4）系統(tǒng)聯(lián)鎖

系統(tǒng)聯(lián)鎖的目的是保護(hù)人的安全和設(shè)備的安全。①門聯(lián)鎖。只有設(shè)備間門關(guān)閉時才可開啟高壓，高壓開啟后設(shè)備間門被打開則立即關(guān)閉高壓；②工裝、離子源水流異常則關(guān)閉相應(yīng)電源；分子泵水流異常則關(guān)閉分子泵；③自動注入程序啟動時，真空值過低則關(guān)閉高壓電源；④真空室放氣閥未關(guān)閉時禁止抽真空，真空狀態(tài)下被誤開啟則立即關(guān)閉高閥、分子泵；⑤靶流超限立即關(guān)高壓。

4 結(jié)束語

離子注入機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)提高了試驗和生產(chǎn)的自動化水平，避免了人為操作的失誤，便于數(shù)據(jù)的記錄、存儲和分析。自動調(diào)束功能不僅響應(yīng)速度快，而且在工藝參數(shù)設(shè)計合理的情況下調(diào)節(jié)更精準(zhǔn)，使離子注入均勻性更高，注入效果更好。

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