外圓車拋一體裝置及倉內粉塵壓力密度監控系統研究

摘要：傳統的靶材加工需要使用車床和拋光機，加工效率不高，而靶材生產剩余粉塵遺留噴涂倉中，會對噴涂質量產生很大的影響，只采用負壓方式吸塵無法滿足倉內壓力要求，需要研發新型的靶材加工裝置和密度監控系統。外圓車拋一體裝置拋光機構將拋光機構整合到普通車床上，采用公用床身和導軌系統，前方設置有靶管，靶管的前方設有車削機構，可滿足不同粗細的靶管拋光需要。BP-PID控制器可輸入實時壓力值、粉塵密度值等參數，采用BP神經網絡對參數進行處理，輸出頻率控制值與風門開度進行干擾補償，可優化噴涂倉壓力，具有很高的實用價值。

關鍵詞：外圓車拋一體裝置；粉塵收集；密度監控；壓力；優化

中圖分類號：TH134 " "文獻標志碼：A " "文章編號：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或離子形式被濺射出來，并沉積在基片表面，經歷成膜過程，最終形成薄膜[1-2]。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完成濺射過程，機臺倉體內部為高電壓、高真空環境。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靶材生產的剩余粉塵及時清理掉，傳統的靶材加工方式和粉塵處理方式達不到生產工藝要求，這就需要研發靶材外圓車拋一體裝置及生產用粉塵收集密度監控系統。

1 " "靶材加工現狀與需求分析

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，傳統車銑和拋光分別在兩個設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。靶材生產是在真空的密閉倉內進行，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，會對最終噴涂質量產生很大的影響，而只采用負壓方式吸塵，又無法維持噴涂倉的壓力。因此，目前亟需研發出靶材外圓車拋一體裝置及生產用粉塵收集密度監控系統，將拋光機構與普通車床結合，實現對靶材的拋光和尺寸加工，節省工作時間，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控系統，來有效清理生產中產生的粉塵，并對噴涂倉內的壓力進行自動調整。

2 " "外圓車拋一體裝置設計

2.1 " "整體設計

靶材外圓車拋一體機是將拋光機構整合到普通車床上，采用公用床身和導軌系統，拋光機構前方設置有靶管，靶管的前方設有車削機構，位于導軌系統上的拋光機構可以左右移動來拋磨較長的靶管，滑軌前后移動可用來調節砂帶至靶管的距離，以滿足不同粗細的靶管拋光需要。具體結構如圖1所示。

2.2 " "拋光機構設計

拋光機構由罩殼、2個砂帶輪和砂帶、砂帶輪驅動電機構成，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，砂帶驅動電機底座下方安裝有滑動板，滑動板底部滑動設置于車庫導軌系統上，可在導軌系統上實現左右移動。滑動板的上端設有與導軌系統長度方向垂直的滑軌，砂帶驅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。具體結構如圖2所示。

2.3 " "粉塵吸收裝置設計

拋光機構底部后側設置有粉塵吸收裝置，可將加工拋光過程中形成的粉塵吸收至排風管中排出，防止大量粉塵直接飄散對加工人員身體健康產生損害。罩殼底設置有粉塵吸收軟管，上端口連接至出風管上，中部設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軌系統的長度方向一致。具體結構如圖3所示。

3 " "生產用粉塵收集及密度監控系統

3.1 " "總體設計

粉塵收集密度監控系統由噴涂倉、吸塵管道和除塵器單元構成，除塵器單元由除塵器過濾倉、除塵風機和除塵風機變頻器構成，過濾倉的進口和吸塵管道相連通，過濾倉內的濾芯為可替換式濾芯，出口處安裝有除塵風機，風機上安裝除塵風機變頻器。具體結構如圖4所示。

3.2 " "壓力與密度控制設計

3.2.1 " "控制原理

噴涂倉為封閉式倉體，倉體上設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，自動調節風門位于壓力變送器后方的吸塵管道，風門位置安裝有PID控制器，采用通信線纜與外部控制柜相連接，PLC控制系統監測壓力傳感器和密度傳感器發過來的模擬量信號，根據生產工藝要求發出控制命令給PID控制器來自動調節風門的開度，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測噴涂倉內粉塵密度，當噴涂倉內粉塵密度在設定值范圍內，則除塵風機變頻器按照工藝配方設定的頻率運行，若噴涂倉內粉塵密度超出設定值，則粉塵密度傳感器將信號傳輸至PLC控制器，PLC控制器發送控制信號至除塵風機變頻器，變頻器通過增大運行頻率來提升風機驅動電機運轉速度，使除塵風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，僅僅依靠除塵風機頻率的調節，響應較慢，很難使噴涂倉壓力穩定在設定值，當噴涂倉壓力在設定值范圍附近時，通過PID控制器自動調節風門的開度，增加或減少外部空氣的流入，以保證噴涂倉壓力的穩定。

3.2.2 " "BP-PID控制器設計

噴涂倉壓力與粉塵密度具有非線性和不確定性，采用常規PID控制或模糊PID控制無法對壓力進行穩定控制，BP神經網絡和模糊PID復合算法可為優化噴涂倉壓力與粉塵密度提供解決方案。設計壓力BP-PID控制器，控制器可輸入實時壓力值、粉塵密度值等參數，采用BP神經網絡對參數進行處理，輸出頻率控制值與風門開度進行干擾補償，利用模糊算法將壓力、密度與補償風門開度間建立起控制模型，在線整定PID參數并在規定區范圍內優化噴涂倉壓力。

根據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，還需要結合粉塵密度ρ與風門開度v反饋優化壓力，采用BP神經網絡修正開度v的非線性函數f，輸入值為壓力P、密度ρ、開度響應時間τ1和頻率響應時間τ2，輸出開度v。模糊算法關聯噴涂倉粉塵密度ρ，輸入為修正后的開度v及壓力相關變量，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PID算法控制開度和電機運行頻率，優化噴涂倉運行壓力。

4 nbsp; "結語

綜上所述，傳統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；而靶材生產需要在真空密閉倉內完成，剩余粉塵遺留噴涂倉中會對噴涂質量產生很大的影響，若只采用負壓方式吸塵無法確保噴涂倉壓力達到要求。外圓車拋一體裝置將拋光機構整合到普通車床上，采用公用床身和導軌系統，前方設置有靶管，靶管的前方設有車削機構，位于導軌系統上的拋光機構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節砂帶至靶管的距離，以滿足不同粗細的靶管拋光需要。BP-PID控制器可輸入實時壓力值、粉塵密度值等參數，采用BP神經網絡對參數進行處理，輸出頻率控制值與風門開度進行干擾補償，利用模糊算法將壓力、密度與補償風門開度間建立起控制模型，在線整定PID參數并在規定范圍內優化噴涂倉壓力，具有很高的實用價值。

[參考文獻]

[1] 張以忱.真空鍍膜技術[M].北京：冶金工業出版社，2009.

[2] 石曉倩.磁控濺射靶的研發[D].大連：大連交通大學，2020.

收稿日期：2022-09-15

作者簡介：蔣宏翔（1982—），男，江蘇南通人，一級建造師，經理，主要從事生產設備機電一體化管理工作。