六自由度離子束拋光設備控制系統關鍵技術研究*

吉 方,陳東生,徐 敏,戴曉靜

(1．復旦大學 信息科學與工程學院,上海 200433;2．中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

JI Fang1,2,CHEN Dong-sheng2,XU Min1,DAI Xiao-jing2

(1.School of Information Science and Technology，Fudan University ，Shanghai 200433,China;2.Institute of Mechanical Manufacturing Technology ,China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900,China)

六自由度離子束拋光設備控制系統關鍵技術研究*

吉 方1,2,陳東生2,徐 敏1,戴曉靜2

(1．復旦大學 信息科學與工程學院,上海 200433;2．中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

介紹了六自由度離子束拋光機床控制系統的總體構架。重點對控制系統研制過程中的關鍵問題進行探討，包括特殊真空環境下的驅動控制措施、高真空抽取及穩定性控制方法以及離子源參數的穩定性控制策略。

離子源；高真空環境；驅動控制；穩定性

0 引言

離子束拋光技術是一種利用惰性氣體電離形成的離子束轟擊工件表面，通過物理濺射去除材料，實現原子、分子加工單位微量材料去除的超精密拋光技術。離子束拋光工藝與裝備已在歐美等發達國家取得產業化突破，在科技工業領域得到了廣泛的應用。國內目前尚處于探索研制階段。我們研制了一臺六軸四聯動小口徑離子束拋光原理樣機，如圖1。

圖1 離子束拋光機床外形圖

樣機的機構運動中工件具有A、C兩維運動功能，離子源具有X、Y、Z、B四維運動功能，機構可實現六個自由度的運動，裝置具有球面和非球面的拋光能力。對于離子束加工，工件與離子源需處于高真空環境，本裝置中的六套運動執行機構處于真空環境中，真空腔體較大，加工過程中高真空的穩定性控制比較困難。另外，真空環境下各運動軸的驅動性能是否具有影響、驅動機構對加工環境十分具有影響都是需要去研究驗證。本文從控制系統的角度上就如何提高真空環境下的控制性能、高真空系統抽取、運動系統對真空的影響、離子源的穩定性控制等一些關鍵問題進行探討。

1 控制系統總體框架

離子束拋光控制系統需要實現真空環境下各運動軸運動控制、離子源的參數監測與控制、真空系統監測與控制以及人機交互四部分功能。

離子束拋光控制系統采用上下位機開放式控制體系，如圖2，上位系統由人機單元、手操單元與操作面板組成，用于實現如程序和參數輸入輸出、顯示等非實時性人機交互功下位系統由三部分組成，一部分為真空環境下的運動控制部分，是由PMAC卡、DPRAM以及PMAC擴展板卡組成，實現如插補運算、位置控制、速度控制、多軸運動控制、操作面板開關量和運動狀態的輸入輸出處理以及運動邏輯功能等實時性功能；第二部分為真空控制部分，是由PLC及其輸入輸出模塊組成，實現真空系統、水冷系統的控制；第三部分是真空環境下的離子源控制部分，由離子源電源控制器來實現離子束能量、束流密度、加速電壓、工作氣體流速等離子源參數的控制。

圖2 離子束拋光控制系統總體框架圖

運動控制部分的難度在于對于特殊環境下的運動部件的控制，關鍵在于控制部件在真空腔內它的設計有別于通用環境下的設計。離子源的控制難度在于離子源的工作參數穩定性控制。真空系統的難度控制在于其自身的邏輯順序控制和與運動控制系統之間的交互接口邏輯控制。

2 高真空環境下多運動軸的驅動控制

運動控制系統需要實現七個運動軸的控制：X、Y、Z的直線運動控制，A、B、C和一個擋板旋轉軸C1的角度控制。七個軸均在真空腔內運動，真空腔內真空為高真空，極限真空要求5×10-4Pa。

2.1 關鍵問題分析

對于高真空環境下的運動控制，首先分析高真空環境對驅動系統的影響，主要有三個特殊制約因素，一是真空環境下無法實現對流散熱，需要考慮電機的散熱問題。其二是真空環境下，電機的潤滑脂在真空環境下要揮發，這樣會影響到電機的軸承潤滑能力，從而影響到電機的運行功能。其三是電機驅動與反饋信號需要從真空腔內引出，涉及一個高真空環境的線纜轉接密封問題。

其次分析驅動軸對真空系統的影響，主要體現在控制線纜放氣對真空的影響特性，控制線纜對極限真空和工作真空影響很大，真空腔內的運動軸為七個軸，還有離子源，線纜很多，共有近百根，普通電纜對真空的抽取速度影響很大，極限真空度也達不到要求。

最后，需要考慮真空環境下的驅動性能是否與大氣環境下相同。

2.2 問題解決方案

針對以上分析，采用技術路線來解決真空環境下的驅動控制問題：

(1)真空步進電機驅動：真空步進電機是專用于真空環境下的特殊電機，它的外殼有別于普通電機，外殼為半敞開式，這樣有利于電機的散熱，另外真空步進電機采用特殊真空潤滑脂潤滑軸承保證揮發性小，本系統中直線軸定位精度要求為40μm，使用真空伺服電機成本很高，而真空步進電機，其定位精度能夠達到10μm，滿足設計要求的40μm。對于旋轉軸采用真空環境下使用的DDR電機來驅動，實際驅動中，可以通過各軸的位置反饋。

(2)通過實驗來分析電纜的放氣量：真空環境下的線纜一般都使用鎧裝密封，它的放氣量很小，但系統的線纜需要運動，無法密封。表1為線纜對真空度的影響實驗數據，從中可以得出：相同真空度得抽取，普通電纜越多，需要抽取的時間越長；相對于普通電纜，高溫線纜的放氣率要小得多，采用高溫電纜，真空抽取時間比無電纜稍多一些。因此，可以采用高溫線纜連接驅動電機控制信號。另外，在設計布局時，盡量減小線纜在真空腔的長度，這也是一個減小放氣量的措施。

表1 線纜對真空度的影響實驗

(3)采用傳導散熱方式：結構設計時考慮電機與與直線平臺良好的接觸，保證與真空腔之間的傳導散熱性最好，同時，在真空腔壁設計散熱柵，散熱柵內通水，水溫可控，盡快將熱量傳導散出。

2.3 原理樣機驗證

在原理樣機中，各軸驅動部件采用真空環境下使用的真空電機。直線軸采用高性能真空步進電機驅動，旋轉軸采用真空直驅轉臺，分別在大氣環境下(真空腔打開)和真空度為5×10-3Pa的真空環境下進行驅動性能測試，通過與各軸的位置傳感器的位置檢測，發現真空環境下的驅動性能與大氣環境下相同。最終在真空環境下實現了①X、Y、Z的直線運動控制指標，最大速度：2200mm/s，最大加速度：0.44m/s2，定位精度為70μm，重復定位精度為10μm。②A、B、C軸的角度控制指標，最大速度：50rpm，最大加速度：0.15rad/s2，定位精度15″，重復定位精度：5″。③X、Z以及工件擺動三坐標軸聯動的直線、圓弧、樣條曲線插補功能。

3 大腔體高真空度的穩定性控制

3.1 關鍵問題分析

真空室容積較大：長1000mm×寬860mm×高1090mm。而離子束拋光過程中，真空腔內的真空度要穩定控制在5×10-3Pa，如此大的腔體需要穩定高真空是有一定難度的。工作真空度受很多因素的影響，包括極限真空，真空腔的泄露量、真空腔內元器件的放氣量、工作Ar氣的流量等等的影響。因此工作真空度的控制是一個系統多環節控制。

3.2 高真空度穩定性控制方案

(1)真空抽取系統采用三級抽氣泵(前級為機械泵，次級為羅茨泵、三級為擴散泵)，而大抽氣率(速率達17000L/s)的擴散泵可以提高極限真空。

(2)設計專用“真空抽取”、“取件”、“關機”控制流程，在對真空度測量、各閥與各元件工作狀態檢測的基礎上，通過對三級抽氣泵、旁通閥、預閥、高閥、低閥、防湍閥放氣閥等進行邏輯啟動停止控制，實現真空度閉環穩定性控制。

(3)減小真空腔的泄露量：在真空腔的設計與制造方面下功夫，主要是真空腔形狀設計與真空密封。

(4)真空腔內元器件的放氣量控制：選用放氣量小的元器件，電源線、信號線、水、氣管路接口選用適合高真空環境下的接插件，盡量減小電纜長度。

(5)Ar氣的穩定性控制：在工作時由于要充Ar氣，其真空度會下降，其下降量受Ar氣的流量影響，并且其真空度的穩定性也受Ar氣的流量的穩定性所限制，提供Ar氣小流量控制。

(6)當Ar氣流量一定的情況下，如果工作真空度高于5×10-3Pa，需要降至5×10-3Pa工作真空度時，采用壓控儀放氣進行控制，壓控儀只能進行單向控制，從高真空控制到低真空，而無法從低真空控制到高真空；當Ar氣流量一定的情況下，如果工作真空度低于5×10-3Pa時，在不影響離子源參數的前提下采用降低Ar氣流量和通過延長工作真空度的穩定時間，通過延長時間提高一定的真空度。

3.3 原理樣機驗證

真空控制系統基于西門子S7-1200硬件平臺，系統最終實現了對機械泵、擴散泵、中級閥、主閥、放氣閥、調節閥的控制，實現離子束拋光真空系統的抽氣、放氣、取件的控制功能，最大真空度達1×10-3Pa，工作真空度波動控制在3%范圍內，實現加工過程的真空穩定控制。

4 離子源參數的穩定性控制

本系統離子源采用Kaufman KDC 40 Ion Source，它屬于熱陰極離子源，Kaufman離子源需要由電源來驅動從而產生離子束，其控制電源為KSC 1202 Gridded Ion Beam Power Controller。離子源控制系統主要包括離子源電源的參數控制與工作氣體的流量控制。

4.1 離子源電氣參數高穩定性和高精度控制

離子源中束流波動需要控制在2%以內，這是離子束拋光能否實現超高精度最為關鍵的因素之一。

離子源的控制對象為離子源的主陰極、陽極、屏柵、加速柵、中和陰極。對離子源的控制系統設計了兩種控制方式：本地控制與遠程控制。本地控制通過控制面板上按鈕與旋鈕實現，各參數值顯示在控制面板上，遠程控制通過RS232通訊實現遠程計算機控制，通過上位機RS232通訊控制參數的調節，并在上位機監視各變量。

離子源的參數穩定性由多方面來影響，包括小流量的穩定性、真空的穩定性、電源自身的穩定性和模擬量控制的穩定性。電源本身的穩定性受溫度、電子元器件的影響，KSC 1202 的控制精度在1%之內，穩定性應該包括在精度的范圍之內，故其穩定性應該在1%之內。模擬量控制的穩定性影響的因素較多，模擬量輸出模塊的A/D精度、外界電磁干擾、電源的可控分辨率都會影響到模擬量控制的精度。模擬量模塊需要具有較高的的A/D精度。對于電磁干擾，信號和控制電纜必須采用屏蔽電纜，并且可靠單端接地來將電磁干擾減小到最小，同時，選用的模擬量模塊也要具有很好的抗干擾能力。

4.2 離子源工作氣體精密小流量控制

在離子源工作時，工作惰性氣體氬氣的流量對離子束有一定的影響，隨著氣體流量增大，放電室內的原子密度增大，電子會電離出更多的離子電子來，從而等離子體濃度增大，引起陽極電流、屏柵電流增大。同時等離子體濃度的增大會影響到等離子發射鞘面，使得鞘面變得較原來的要平，因此離子束束徑增大，加速柵捕獲的離子增多，電流變大。由此工作惰性氣體氬氣的流量對屏柵電流、加速柵電流和陽極電流有一定影響，其對流量的精密控制是保證離子源工作參數穩定的關鍵因素。本離子源系統對Ar的流量要求范圍是2～10Sccm，屬于小流量范圍，對其精確控制有一定的難度。

離子源氣路控制原理如圖3所示，氬氣由高壓氬氣瓶減壓后提供，高壓氬氣瓶的出口壓力為15MPa，經過高壓減壓閥，減到0.7MPa左右用，然后經精密減壓閥兩級減壓到0.1～0.2MPa，減壓閥后端接兩通電磁閥，電磁閥用于氬氣的通斷控制。

圖3 離子源工作氣體小流量控制原理圖

流量值的實時監測和流量設置通過RS232通訊接口在上位機上完成。

系統最終實現了離子源的控制，包括放電電壓、屏極電壓、束電流、加速極電壓等電源參數的控制及監測。束流波動RMS控制在2%范圍內。

5 結論

(1)解決了運動部件在特殊環境下的運動控制關鍵技術，實現了真空環境下的驅動控制性能要求。

(2)實現了高真空的的穩定性控制，可以將真空度控制在2×10-3Pa，工作真空度波動控制在3%范圍內。

(3)離子源的束流波動RMS穩定性可控制在2%之內。

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(編輯 李秀敏)

Research on Key Technology of Control System for 6-dof Ion Beam Polish Machine

This paper introduces the control system frame of ion beam polish machine .emphatically discusses the key problem during designing and manufacturing of the control system, including the driven control measure in vacuum environment、the obtaining of high vacuum、the means about vacuum control、the control strategy of ion parameter stability

ion source; high vacuum environment; driven control ; stability

1001-2265(2014)07-0088-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.024

2013-11-11

國家科技重大專項課題：復雜結構光學零部件拋光與關鍵加工技術的特種裝備(2011ZX02402-002)；上海市科委科研計劃項目：上海超精密光學制造工程技術研究中心課題(11D2282200)；中國工程物理研究院超精密加工技術重點實驗室課題：復雜面型柔性拋光多軸聯動精確控制技術研究(K813-13-Y)

吉方(1972—)，男，江蘇無錫人，中國工程物理研究院研究員，碩士，博士研究生，主要從事光學精密加工的研究，(E-mail)jifang2004@sina.com。

TH166;TG65

A

JI Fang1,2,CHEN Dong-sheng2,XU Min1,DAI Xiao-jing2

(1.School of Information Science and Technology，Fudan University ，Shanghai 200433,China;2.Institute of Mechanical Manufacturing Technology ,China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900,China)