（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

離子束表面改性技術(shù)通過(guò)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(huì)剝落以及可控性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)精密零件加工。我們?cè)兄屏穗p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(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

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(duì)金屬源的控制進(jìn)行闡述。

1 MEVVA離子源簡(jiǎn)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(jí)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(yáng)極供電，使陰極產(chǎn)生的等離子體運(yùn)動(dòng)進(jìn)而形成主弧放電，主弧放電是由一個(gè)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(lái)吸收弧流中的電子，保證測(cè)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(yùn)動(dòng)應(yīng)在真空系統(tǒng)中進(jìn)行，我們使用的離子源要求啟動(dòng)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(yáng)極，第一柵通過(guò)一個(gè)電阻與陽(yáng)極聯(lián)接，因此第一柵、陽(yáng)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(cāng)內(nèi)，并用一個(gè)隔離變壓器供電。為保護(hù)低壓設(shè)備，保證測(cè)量信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮對(duì)高壓的隔離。

軸承在離子注入過(guò)程中會(huì)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(huì)使軸承溫度升高。研究表明，金屬溫度過(guò)高會(huì)改變其硬度等指標(biāo)，我們常用不銹鋼軸承溫度大于100°時(shí)硬度下降明顯。所以在離子注入時(shí)需實(shí)時(shí)監(jiān)視軸承表面溫度，通過(guò)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(gè)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(gè)工位的軸承，引入公轉(zhuǎn)后可實(shí)現(xiàn)連續(xù)三次的離子注入無(wú)需人為干預(yù)。自轉(zhuǎn)則是根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在每次注入時(shí)都保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)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(shí)現(xiàn)

在對(duì)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(kāi)發(fā)了一套基于西門(mén)子S7 300系列的PLC控制系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)組成

要實(shí)現(xiàn)離子注入機(jī)的自動(dòng)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(jì)算機(jī)通過(guò)上位控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、用戶(hù)交互和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。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(cāng)內(nèi)，高壓倉(cāng)使用隔離變壓器供電，并單獨(dú)接地。位于高壓倉(cāng)的信號(hào)均采用光纖隔離傳輸，先將高壓倉(cāng)內(nèi)的直流電壓信號(hào)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(hào)，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊將頻率方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)與光纖性能相匹配的光脈沖信號(hào)，通過(guò)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(hào)。頻率信號(hào)在傳輸過(guò)程中不受波形變形與幅度變化的影響，相對(duì)于低壓信號(hào)具有更高的可靠性和穩(wěn)定度。

真空設(shè)備包括7臺(tái)機(jī)械泵、4臺(tái)分子泵、1臺(tái)羅茨泵和預(yù)抽閥、前級(jí)閥、旁通閥、高閥等控制閥，以及3臺(tái)真空計(jì)，真空計(jì)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(guò)控制變頻器的啟停和頻率，使工裝自動(dòng)定位并適時(shí)運(yùn)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(cè)開(kāi)關(guān)組成，用來(lái)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(cè)開(kāi)關(guān)可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)水流變化，保證離子源的安全和系統(tǒng)正常運(yùn)行。

測(cè)量設(shè)備主要指束流測(cè)量設(shè)備和溫度測(cè)量設(shè)備。法拉第筒是可運(yùn)動(dòng)的束流密度測(cè)量裝置，由步進(jìn)電機(jī)控制其位移，通過(guò)比較不同位置的束流密度檢測(cè)離子注入?yún)^(qū)的均勻性，亦可精確測(cè)量某一位置單位面積的積分劑量。靶流測(cè)量裝置檢測(cè)總束流，可與法拉第筒的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承在離子注入時(shí)的表面溫度，必要時(shí)采取措施保證注入時(shí)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(lái)調(diào)整陰極燃燒端的位置，陰極推進(jìn)太少或過(guò)量都會(huì)造成起弧不正?；蚵┗‖F(xiàn)象。

2）控制程序?qū)崿F(xiàn)

PLC程序設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)，主要有：自動(dòng)真空、工裝自動(dòng)定位、自動(dòng)注入、系統(tǒng)互鎖及報(bào)警模塊。

（1）自動(dòng)真空模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽真空、關(guān)真空、真空保底、暫停裝料和裝料完成繼續(xù)運(yùn)行功能。PLC通過(guò)Modbus主站模塊輪詢(xún)?cè)L問(wèn)三臺(tái)真空計(jì)，讀取各檢測(cè)點(diǎn)的真空值，以此決定分子泵、羅茨泵及各種閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。如開(kāi)啟順序錯(cuò)誤可能會(huì)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(shí)禁止開(kāi)啟相應(yīng)設(shè)備。

圖2 自動(dòng)注入流程圖

表1 束流與重要參數(shù)關(guān)系表

（2）工裝自動(dòng)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(guò)位于工位自傳盤(pán)下方的傳感器判斷旋轉(zhuǎn)方向和距離，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至該源的注入?yún)^(qū)域。

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

金屬源在出束前首先要對(duì)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(guò)程?；》烹姷念l率取決于觸發(fā)頻率，觸發(fā)頻率的增加會(huì)使平均束流隨之增加。弧放電功率由弧壓決定，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(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)，主要依次調(diào)整觸發(fā)頻率和弧電壓兩項(xiàng)參數(shù)。

程序在起弧時(shí)進(jìn)行弧流累計(jì)，通過(guò)計(jì)算選擇合適的時(shí)機(jī)推進(jìn)陰極，這就避免了因陰極過(guò)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(hù)根據(jù)陰極材料設(shè)置推進(jìn)間隔和推進(jìn)時(shí)間，程序?qū)×鬟M(jìn)行累計(jì)積分運(yùn)算，當(dāng)達(dá)到推進(jìn)間隔設(shè)置值時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)推進(jìn)。如推進(jìn)間隔不合理，程序則計(jì)算單位時(shí)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(jì)的精確程度決定陰極自動(dòng)推進(jìn)的時(shí)機(jī)是否合適，因而影響束流的穩(wěn)定性。束流累計(jì)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(jí)別更高的中斷塊保證采集周期精準(zhǔn)，濾除過(guò)高或過(guò)低的電流值后取平均值做為累計(jì)對(duì)象。計(jì)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(mén)聯(lián)鎖。只有設(shè)備間門(mén)關(guān)閉時(shí)才可開(kāi)啟高壓，高壓開(kāi)啟后設(shè)備間門(mén)被打開(kāi)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(dòng)注入程序啟動(dòng)時(shí)，真空值過(guò)低則關(guān)閉高壓電源；④真空室放氣閥未關(guān)閉時(shí)禁止抽真空，真空狀態(tài)下被誤開(kāi)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(yǔ)

離子注入機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提高了試驗(yàn)和生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，避免了人為操作的失誤，便于數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)和分析。自動(dòng)調(diào)束功能不僅響應(yīng)速度快，而且在工藝參數(shù)設(shè)計(jì)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。

[1]王錦輝,等.雙元素離子注入機(jī)及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承上的應(yīng)用[J].核技術(shù),2008.2.

[2]吳先映,等.100型MEVVA源離子注入機(jī)[A].2008全國(guó)荷電粒子源、粒子束學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C],2018.

[3]宋寧,等.離子注入工藝技術(shù)[J].集成電路通訊,2005.12.

[4]白彬,等.316L不銹鋼氮離子注入層的高溫摩擦磨損特性[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2001.2.