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

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或離子形式被濺射出來,并沉積在基片表面,經(jīng)歷成膜過程,最終形成薄膜。在濺射鍍膜過程中,靶材被離子撞擊后,其表面原子被濺射飛散出來并沉積于基板上,制成電子薄膜,由于高純度金屬強度較低,濺射靶材需要安裝在專用的機臺倉體內(nèi)完成濺射過程,機臺倉體內(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內(nèi)靶材生產(chǎn)的剩余粉塵及時清理掉,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,需要使用車床對其尺寸進行加工,使用拋光機對其表面進行拋光,傳統(tǒng)車銑和拋光分別在兩個設(shè)備即車床和拋光機上加工,靶材基管需要在車床上加工好,然后拆卸下來再次安裝到拋光機上,增加了安裝、拆卸的時間,費時費力,工作效率降低。同時,傳統(tǒng)的拋光機上未安裝粉塵吸收裝置,粉塵直接飄散到空氣中,會損害操作人員的身體健康。靶材生產(chǎn)是在真空的密閉倉內(nèi)進行,不可避免地會有一些剩余粉塵遺留在噴涂倉中,如果不及時清理掉剩余粉塵,會對最終噴涂質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響,而只采用負(fù)壓方式吸塵,又無法維持噴涂倉的壓力。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),將拋光機構(gòu)與普通車床結(jié)合,實現(xiàn)對靶材的拋光和尺寸加工,節(jié)省工作時間,進而提升工作效率。防止粉塵損害加工人員身體健康,通過粉塵收集密度監(jiān)控系統(tǒng),來有效清理生產(chǎn)中產(chǎn)生的粉塵,并對噴涂倉內(nèi)的壓力進行自動調(diào)整。

2外圓車拋一體裝置設(shè)計

2.1整體設(shè)計

靶材外圓車拋一體機是將拋光機構(gòu)整合到普通車床上,采用公用床身和導(dǎo)軌系統(tǒng),拋光機構(gòu)前方設(shè)置有靶管,靶管的前方設(shè)有車削機構(gòu),位于導(dǎo)軌系統(tǒng)上的拋光機構(gòu)可以左右移動來拋磨較長的靶管,滑軌前后移動可用來調(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拋光機構(gòu)設(shè)計

拋光機構(gòu)由罩殼、2個砂帶輪和砂帶、砂帶輪驅(qū)動電機構(gòu)成,2個砂帶輪和砂帶由罩殼提供防護,避免對工作人員造成傷害,砂帶安裝于2個砂帶輪上并由砂帶輪提供傳動力,砂帶驅(qū)動電機底座下方安裝有滑動板,滑動板底部滑動設(shè)置于車庫導(dǎo)軌系統(tǒng)上,可在導(dǎo)軌系統(tǒng)上實現(xiàn)左右移動。滑動板的上端設(shè)有與導(dǎo)軌系統(tǒng)長度方向垂直的滑軌,砂帶驅(qū)動電機的底座滑動安裝于滑軌上并在滑軌上前后滑動,罩殼中的砂帶跟隨砂帶電機前后滑動。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3粉塵吸收裝置設(shè)計

拋光機構(gòu)底部后側(cè)設(shè)置有粉塵吸收裝置,可將加工拋光過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,軌道的長度方向與車床導(dǎo)軌系統(tǒng)的長度方向一致。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

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

3.2壓力與密度控制設(shè)計

3.2.1控制原理

噴涂倉為封閉式倉體,倉體上設(shè)置有稀有氣體輸入口、粉塵輸出口和粉塵密度傳感器。輸出口位于噴涂倉的倉體底部,吸塵管道的一端與噴涂倉倉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)測壓力傳感器和密度傳感器發(fā)過來的模擬量信號,根據(jù)生產(chǎn)工藝要求發(fā)出控制命令給PID控制器來自動調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度,增加或減少外部空氣的流入,以保證噴涂倉壓力的穩(wěn)定。

粉塵密度傳感器通過通信線纜與外部PLC控制器相連接,粉塵密度傳感器實時監(jiān)測噴涂倉內(nèi)粉塵密度,當(dāng)噴涂倉內(nèi)粉塵密度在設(shè)定值范圍內(nèi),則除塵風(fēng)機變頻器按照工藝配方設(shè)定的頻率運行,若噴涂倉內(nèi)粉塵密度超出設(shè)定值,則粉塵密度傳感器將信號傳輸至PLC控制器,PLC控制器發(fā)送控制信號至除塵風(fēng)機變頻器,變頻器通過增大運行頻率來提升風(fēng)機驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)速度,使除塵風(fēng)機具備更快的除塵速度。由于吸塵管道較長,噴涂倉存在的干擾因素較多,僅僅依靠除塵風(fēng)機頻率的調(diào)節(jié),響應(yīng)較慢,很難使噴涂倉壓力穩(wěn)定在設(shè)定值,當(dāng)噴涂倉壓力在設(shè)定值范圍附近時,通過PID控制器自動調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度,增加或減少外部空氣的流入,以保證噴涂倉壓力的穩(wěn)定。

3.2.2BP-PID控制器設(shè)計

噴涂倉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控制無法對壓力進行穩(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)化噴涂倉壓力與粉塵密度提供解決方案。設(shè)計壓力BP-PID控制器,控制器可輸入實時壓力值、粉塵密度值等參數(shù),采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對參數(shù)進行處理,輸出頻率控制值與風(fēng)門開度進行干擾補償,利用模糊算法將壓力、密度與補償風(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)化噴涂倉壓力。

根據(jù)對噴涂倉壓力與粉塵密度影響因素的分析,在修正壓力值P的同時,還需要結(jié)合粉塵密度p與風(fēng)門開度w反饋優(yōu)化壓力,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正開度w的非線性函數(shù)f,輸入值為壓力P、密度p、開度響應(yīng)時間TB和頻率響應(yīng)時間T2,輸出開度w。模糊算法關(guān)聯(lián)噴涂倉粉塵密度p,輸入為修正后的開度w及壓力相關(guān)變量,輸出為修正后的開度6B、頻率62,整定好PID初始值Kp0、TI0、TD0,通過PID算法控制開度和電機運行頻率,優(yōu)化噴涂倉運行壓力。

4結(jié)語

綜上所述,傳統(tǒng)的靶材加工需要使用車床和拋光機,靶材基管需在車床上加工好后拆卸下來再安裝到拋光機上,加工效率不高:而靶材生產(chǎn)需要在真空密閉倉內(nèi)完成,剩余粉塵遺留噴涂倉中會對噴涂質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響,若只采用負(fù)壓方式吸塵無法確保噴涂倉壓力達(dá)到要求。外圓車拋一體裝置將拋光機構(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)有車削機構(gòu),位于導(dǎo)軌系統(tǒng)上的拋光機構(gòu)可以通過左右移動來拋磨較長的靶管,滑軌前后移動可用來調(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控制器可輸入實時壓力值、粉塵密度值等參數(shù),采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對參數(shù)進行處理,輸出頻率控制值與風(fēng)門開度進行干擾補償,利用模糊算法將壓力、密度與補償風(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)化噴涂倉壓力,具有很高的實用價值。