外圓車拋一體裝置及倉(cāng)內(nèi)粉塵壓力密度監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘要：傳統(tǒng)的靶材加工需要使用車床和拋光機(jī)，加工效率不高，而靶材生產(chǎn)剩余粉塵遺留噴涂倉(cāng)中，會(huì)對(duì)噴涂質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，只采用負(fù)壓方式吸塵無(wú)法滿足倉(cāng)內(nèi)壓力要求，需要研發(fā)新型的靶材加工裝置和密度監(jiān)控系統(tǒng)。外圓車拋一體裝置拋光機(jī)構(gòu)將拋光機(jī)構(gòu)整合到普通車床上，采用公用床身和導(dǎo)軌系統(tǒng)，前方設(shè)置有靶管，靶管的前方設(shè)有車削機(jī)構(gòu)，可滿足不同粗細(xì)的靶管拋光需要。BP-PID控制器可輸入實(shí)時(shí)壓力值、粉塵密度值等參數(shù)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理，輸出頻率控制值與風(fēng)門開度進(jìn)行干擾補(bǔ)償，可優(yōu)化噴涂倉(cāng)壓力，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：外圓車拋一體裝置；粉塵收集；密度監(jiān)控；壓力；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH134 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號(hào)：1671-0797（2023）02-0062-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.017

0 " "引言

濺射鍍膜是將基片與靶材同置于真空腔中，用電子或高能激光轟擊靶材，使其表面組分以原子團(tuán)或離子形式被濺射出來(lái)，并沉積在基片表面，經(jīng)歷成膜過(guò)程，最終形成薄膜[1-2]。在濺射鍍膜過(guò)程中，靶材被離子撞擊后，其表面原子被濺射飛散出來(lái)并沉積于基板上，制成電子薄膜，由于高純度金屬?gòu)?qiáng)度較低，濺射靶材需要安裝在專用的機(jī)臺(tái)倉(cāng)體內(nèi)完成濺射過(guò)程，機(jī)臺(tái)倉(cāng)體內(nèi)部為高電壓、高真空環(huán)境。靶材噴涂后需要將表面涂層加工成所需要的尺寸，并將靶材表面拋光，還需要將真空的密閉倉(cāng)內(nèi)靶材生產(chǎn)的剩余粉塵及時(shí)清理掉，傳統(tǒng)的靶材加工方式和粉塵處理方式達(dá)不到生產(chǎn)工藝要求，這就需要研發(fā)靶材外圓車拋一體裝置及生產(chǎn)用粉塵收集密度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 " "靶材加工現(xiàn)狀與需求分析

靶材噴涂后需要將表面涂層加工成所需要的尺寸并將靶材表面拋光，需要使用車床對(duì)其尺寸進(jìn)行加工，使用拋光機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行拋光，傳統(tǒng)車銑和拋光分別在兩個(gè)設(shè)備即車床和拋光機(jī)上加工，靶材基管需要在車床上加工好，然后拆卸下來(lái)再次安裝到拋光機(jī)上，增加了安裝、拆卸的時(shí)間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率降低。同時(shí)，傳統(tǒng)的拋光機(jī)上未安裝粉塵吸收裝置，粉塵直接飄散到空氣中，會(huì)損害操作人員的身體健康。靶材生產(chǎn)是在真空的密閉倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行，不可避免地會(huì)有一些剩余粉塵遺留在噴涂倉(cāng)中，如果不及時(shí)清理掉剩余粉塵，會(huì)對(duì)最終噴涂質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，而只采用負(fù)壓方式吸塵，又無(wú)法維持噴涂倉(cāng)的壓力。因此，目前亟需研發(fā)出靶材外圓車拋一體裝置及生產(chǎn)用粉塵收集密度監(jiān)控系統(tǒng)，將拋光機(jī)構(gòu)與普通車床結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶材的拋光和尺寸加工，節(jié)省工作時(shí)間，進(jìn)而提升工作效率。防止粉塵損害加工人員身體健康，通過(guò)粉塵收集密度監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)有效清理生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵，并對(duì)噴涂倉(cāng)內(nèi)的壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

2 " "外圓車拋一體裝置設(shè)計(jì)

2.1 " "整體設(shè)計(jì)

靶材外圓車拋一體機(jī)是將拋光機(jī)構(gòu)整合到普通車床上，采用公用床身和導(dǎo)軌系統(tǒng)，拋光機(jī)構(gòu)前方設(shè)置有靶管，靶管的前方設(shè)有車削機(jī)構(gòu)，位于導(dǎo)軌系統(tǒng)上的拋光機(jī)構(gòu)可以左右移動(dòng)來(lái)拋磨較長(zhǎng)的靶管，滑軌前后移動(dòng)可用來(lái)調(diào)節(jié)砂帶至靶管的距離，以滿足不同粗細(xì)的靶管拋光需要。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 " "拋光機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拋光機(jī)構(gòu)由罩殼、2個(gè)砂帶輪和砂帶、砂帶輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成，2個(gè)砂帶輪和砂帶由罩殼提供防護(hù)，避免對(duì)工作人員造成傷害，砂帶安裝于2個(gè)砂帶輪上并由砂帶輪提供傳動(dòng)力，砂帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)底座下方安裝有滑動(dòng)板，滑動(dòng)板底部滑動(dòng)設(shè)置于車庫(kù)導(dǎo)軌系統(tǒng)上，可在導(dǎo)軌系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)?；瑒?dòng)板的上端設(shè)有與導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)度方向垂直的滑軌，砂帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的底座滑動(dòng)安裝于滑軌上并在滑軌上前后滑動(dòng)，罩殼中的砂帶跟隨砂帶電機(jī)前后滑動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 " "粉塵吸收裝置設(shè)計(jì)

拋光機(jī)構(gòu)底部后側(cè)設(shè)置有粉塵吸收裝置，可將加工拋光過(guò)程中形成的粉塵吸收至排風(fēng)管中排出，防止大量粉塵直接飄散對(duì)加工人員身體健康產(chǎn)生損害。罩殼底設(shè)置有粉塵吸收軟管，上端口連接至出風(fēng)管上，中部設(shè)置有固定件并安裝有工字型滑塊，滑塊可在粉塵吸收管上方的軌道上左右移動(dòng)，軌道的長(zhǎng)度方向與車床導(dǎo)軌系統(tǒng)的長(zhǎng)度方向一致。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 " "生產(chǎn)用粉塵收集及密度監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 " "總體設(shè)計(jì)

粉塵收集密度監(jiān)控系統(tǒng)由噴涂倉(cāng)、吸塵管道和除塵器單元構(gòu)成，除塵器單元由除塵器過(guò)濾倉(cāng)、除塵風(fēng)機(jī)和除塵風(fēng)機(jī)變頻器構(gòu)成，過(guò)濾倉(cāng)的進(jìn)口和吸塵管道相連通，過(guò)濾倉(cāng)內(nèi)的濾芯為可替換式濾芯，出口處安裝有除塵風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)上安裝除塵風(fēng)機(jī)變頻器。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 " "壓力與密度控制設(shè)計(jì)

3.2.1 " "控制原理

噴涂倉(cāng)為封閉式倉(cāng)體，倉(cāng)體上設(shè)置有稀有氣體輸入口、粉塵輸出口和粉塵密度傳感器。輸出口位于噴涂倉(cāng)的倉(cāng)體底部，吸塵管道的一端與噴涂倉(cāng)倉(cāng)體底部的粉塵輸出口相連通，另一端與除塵器單元相連通，吸塵管道的前端安裝有壓力變送器，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門位于壓力變送器后方的吸塵管道，風(fēng)門位置安裝有PID控制器，采用通信線纜與外部控制柜相連接，PLC控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壓力傳感器和密度傳感器發(fā)過(guò)來(lái)的模擬量信號(hào)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求發(fā)出控制命令給PID控制器來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，增加或減少外部空氣的流入，以保證噴涂倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。

粉塵密度傳感器通過(guò)通信線纜與外部PLC控制器相連接，粉塵密度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴涂倉(cāng)內(nèi)粉塵密度，當(dāng)噴涂倉(cāng)內(nèi)粉塵密度在設(shè)定值范圍內(nèi)，則除塵風(fēng)機(jī)變頻器按照工藝配方設(shè)定的頻率運(yùn)行，若噴涂倉(cāng)內(nèi)粉塵密度超出設(shè)定值，則粉塵密度傳感器將信號(hào)傳輸至PLC控制器，PLC控制器發(fā)送控制信號(hào)至除塵風(fēng)機(jī)變頻器，變頻器通過(guò)增大運(yùn)行頻率來(lái)提升風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，使除塵風(fēng)機(jī)具備更快的除塵速度。由于吸塵管道較長(zhǎng)，噴涂倉(cāng)存在的干擾因素較多，僅僅依靠除塵風(fēng)機(jī)頻率的調(diào)節(jié)，響應(yīng)較慢，很難使噴涂倉(cāng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，當(dāng)噴涂倉(cāng)壓力在設(shè)定值范圍附近時(shí)，通過(guò)PID控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，增加或減少外部空氣的流入，以保證噴涂倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。

3.2.2 " "BP-PID控制器設(shè)計(jì)

噴涂倉(cāng)壓力與粉塵密度具有非線性和不確定性，采用常規(guī)PID控制或模糊PID控制無(wú)法對(duì)壓力進(jìn)行穩(wěn)定控制，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊PID復(fù)合算法可為優(yōu)化噴涂倉(cāng)壓力與粉塵密度提供解決方案。設(shè)計(jì)壓力BP-PID控制器，控制器可輸入實(shí)時(shí)壓力值、粉塵密度值等參數(shù)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理，輸出頻率控制值與風(fēng)門開度進(jìn)行干擾補(bǔ)償，利用模糊算法將壓力、密度與補(bǔ)償風(fēng)門開度間建立起控制模型，在線整定PID參數(shù)并在規(guī)定區(qū)范圍內(nèi)優(yōu)化噴涂倉(cāng)壓力。

根據(jù)對(duì)噴涂倉(cāng)壓力與粉塵密度影響因素的分析，在修正壓力值P的同時(shí)，還需要結(jié)合粉塵密度ρ與風(fēng)門開度v反饋優(yōu)化壓力，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正開度v的非線性函數(shù)f，輸入值為壓力P、密度ρ、開度響應(yīng)時(shí)間τ1和頻率響應(yīng)時(shí)間τ2，輸出開度v。模糊算法關(guān)聯(lián)噴涂倉(cāng)粉塵密度ρ，輸入為修正后的開度v及壓力相關(guān)變量，輸出為修正后的開度δ1、頻率δ2，整定好PID初始值Kp0、TI0、TD0，通過(guò)PID算法控制開度和電機(jī)運(yùn)行頻率，優(yōu)化噴涂倉(cāng)運(yùn)行壓力。

4 nbsp; "結(jié)語(yǔ)

綜上所述，傳統(tǒng)的靶材加工需要使用車床和拋光機(jī)，靶材基管需在車床上加工好后拆卸下來(lái)再安裝到拋光機(jī)上，加工效率不高；而靶材生產(chǎn)需要在真空密閉倉(cāng)內(nèi)完成，剩余粉塵遺留噴涂倉(cāng)中會(huì)對(duì)噴涂質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，若只采用負(fù)壓方式吸塵無(wú)法確保噴涂倉(cāng)壓力達(dá)到要求。外圓車拋一體裝置將拋光機(jī)構(gòu)整合到普通車床上，采用公用床身和導(dǎo)軌系統(tǒng)，前方設(shè)置有靶管，靶管的前方設(shè)有車削機(jī)構(gòu)，位于導(dǎo)軌系統(tǒng)上的拋光機(jī)構(gòu)可以通過(guò)左右移動(dòng)來(lái)拋磨較長(zhǎng)的靶管，滑軌前后移動(dòng)可用來(lái)調(diào)節(jié)砂帶至靶管的距離，以滿足不同粗細(xì)的靶管拋光需要。BP-PID控制器可輸入實(shí)時(shí)壓力值、粉塵密度值等參數(shù)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理，輸出頻率控制值與風(fēng)門開度進(jìn)行干擾補(bǔ)償，利用模糊算法將壓力、密度與補(bǔ)償風(fēng)門開度間建立起控制模型，在線整定PID參數(shù)并在規(guī)定范圍內(nèi)優(yōu)化噴涂倉(cāng)壓力，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張以忱.真空鍍膜技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[2] 石曉倩.磁控濺射靶的研發(fā)[D].大連：大連交通大學(xué)，2020.

收稿日期：2022-09-15

作者簡(jiǎn)介：蔣宏翔（1982—），男，江蘇南通人，一級(jí)建造師，經(jīng)理，主要從事生產(chǎn)設(shè)備機(jī)電一體化管理工作。