高溫超導(dǎo)帶材帽子層鍍膜用智能走靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究——融合數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，優(yōu)化X-Y-R三軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)策略，提升氧化鈰靶材轟擊均勻性與系統(tǒng)可靠性，支撐超長(zhǎng)帶材規(guī)模化生產(chǎn)

引言

第二代高溫超導(dǎo)帶材為多層薄膜結(jié)構(gòu)，由哈氏合金基帶、種子層、隔離層、帽子層(模板層)、超導(dǎo)層和保護(hù)層組成。目前已知的較為成熟的制備稀土鋇銅氧化物(ReBCO)帶材的方法有十余種，其中應(yīng)用較廣的有脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition,PLD)、磁控濺射、金屬有機(jī)物沉積、金屬有機(jī)物氣相沉積和離子輔助沉積等。其中，PLD沉積效率高，實(shí)驗(yàn)周期短，制備的樣品具有與靶材一致的化學(xué)計(jì)量比，成分均勻，結(jié)構(gòu)良好，是一種具有良好應(yīng)用前景的薄膜制備方法。

脈沖激光沉積制備薄膜的基本原理是:將準(zhǔn)分子脈沖激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面產(chǎn)生高溫熔蝕物，并進(jìn)一步產(chǎn)生高溫高壓等離子體，這種等離子體能夠產(chǎn)生定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上沉積成膜。

1、平板脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備及走靶系統(tǒng)

1.1平板脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備

平板脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備是PLD法制備帽子層的重要工序裝備，具有承上啟下的作用，它主要由準(zhǔn)分子脈沖激光器、光路系統(tǒng)(會(huì)聚透鏡、激光窗等)、真空系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、走靶系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等部分組成。其中，光路系統(tǒng)如圖1所示。準(zhǔn)分子脈沖激光器所產(chǎn)生的高功率脈沖激光束經(jīng)反射鏡1、2反射后通過(guò)平凸鏡、平透鏡能量聚焦轟擊氧化鈰圓靶，圖1(b)中AB、BC、CD、DE、EF為光路路徑。

1.2走靶系統(tǒng)

由于光路相對(duì)固定不可調(diào)，激光轟擊點(diǎn)就相對(duì)固定不可移動(dòng)。為使靶材能夠被激光均勻轟擊，提高靶材利用率，只有通過(guò)控制走靶系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)改變激光轟擊點(diǎn)與靶材的相對(duì)位置。

1.2.1走靶系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

為使激光轟擊點(diǎn)作用于靶材的任意位置，至少需要兩個(gè)方向的自由度設(shè)計(jì)，即需X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。受走靶系統(tǒng)機(jī)械慣性和換向影響，X、Y方向的移動(dòng)速度相對(duì)較低，而高能激光脈沖轟擊點(diǎn)持續(xù)能量釋放致使靶材容易碎裂，在靶材表面形成凹坑，為此需要快速持續(xù)變換轟擊點(diǎn)位，因此引入R方向的快速旋轉(zhuǎn)以避免對(duì)靶面單點(diǎn)持續(xù)轟擊。據(jù)此，設(shè)計(jì)了X、Y方向控制加方向軸自轉(zhuǎn)的走靶運(yùn)動(dòng)方式，走靶系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。走靶系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括可快速旋轉(zhuǎn)的靶材托盤、耐高溫真空電機(jī)、減速機(jī)以及X、Y向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.2.2電氣部分

走靶運(yùn)動(dòng)方式的控制采用位置控制，需要選用控制電機(jī)(如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī))實(shí)現(xiàn)。鍍膜時(shí)，腔內(nèi)溫度高達(dá)800℃，編碼器、光電開(kāi)關(guān)等各類電子元件均無(wú)法正常工作，因而走靶系統(tǒng)只能選用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制方式，通過(guò)手動(dòng)人工示教設(shè)置各類數(shù)據(jù)。走靶系統(tǒng)需要X、Y、R三個(gè)方向的自由度，因此采用三軸以上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，走靶系統(tǒng)電氣組成主要包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、X方向移動(dòng)電機(jī)、Y方向移動(dòng)電機(jī)、R方向旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及運(yùn)動(dòng)控制器，走靶系統(tǒng)電氣組成如圖3所示。

2、真空腔體及主要硬件選型

2.1真空腔體

真空腔體本底真空6.7x10^{-5}Pa(鍍膜前需要將真空腔體抽到本底真空，然后再通入工藝氣體，控制工藝真空)，工藝真空2.7Pa~4.0Pa,真空腔體由收帶腔室、放帶腔室、鍍膜腔室和靶盤腔室四個(gè)腔室組成，真空腔體結(jié)構(gòu)如圖4所示。收、放帶腔室用于往復(fù)式多道卷對(duì)卷超導(dǎo)帶材的收放料，即傳動(dòng)系統(tǒng)，收放料時(shí)帶材經(jīng)過(guò)鍍膜腔室和靶盤腔室在帶材上進(jìn)行真空鍍膜制備帽子層。

鍍膜腔室內(nèi)有由加熱燈管、水冷板等組合而成的加熱板鍍膜機(jī)構(gòu)，加熱板鍍膜機(jī)構(gòu)將鍍膜區(qū)快速加熱至800℃~900℃形成真空鍍膜工藝氛圍。走靶系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)工作于靶盤腔室內(nèi)，受鍍膜腔室熱傳導(dǎo)影響，靶盤腔室溫度達(dá)150℃~280℃,對(duì)走靶系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件選型要求極為苛刻。

2.2主要硬件選型

千米級(jí)帶材在進(jìn)行鍍膜時(shí)，通常需要連續(xù)工作10h以上，任何不可預(yù)測(cè)的故障往往都會(huì)對(duì)帶材鍍膜帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的損失，形成電流低點(diǎn)、斷點(diǎn)等缺陷，因而系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性是設(shè)計(jì)走靶系統(tǒng)的關(guān)鍵。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中受人機(jī)交互、內(nèi)存管理等方面影響，穩(wěn)定性和可靠性均會(huì)有所降低，無(wú)法滿足走靶系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的工作要求，基于此，本系統(tǒng)采用了脫機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行走靶控制,在鍍膜前通過(guò)人機(jī)交互的方式將軌跡參數(shù)下發(fā)至運(yùn)動(dòng)控制器，由運(yùn)動(dòng)控制器自動(dòng)進(jìn)行走靶軌跡控制，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2.2.1運(yùn)動(dòng)控制器

超導(dǎo)帽子層氧化鈰靶材為圓形靶材，因此走靶系統(tǒng)需要進(jìn)行圓形軌跡控制。雷賽運(yùn)動(dòng)控制器是一種廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)、數(shù)控加工等領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，具有高速穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)，受到眾多專業(yè)人士的青睞。SMC304運(yùn)動(dòng)控制器如圖5所示，采用嵌入式處理器和FPGA硬件結(jié)構(gòu)，可獨(dú)立工作，也支持上位機(jī)程序調(diào)用API控制，以及利用通信接口與其它控制器、人機(jī)界面配合使用，實(shí)現(xiàn)功能更復(fù)雜、操作更便利的綜合控制。SMC304運(yùn)動(dòng)控制器提供四軸電機(jī)控制接口，具備點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、多軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)控制功能，支持以太網(wǎng)口、RS485、RS232等通信接口，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)和連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)在SMC Basic Studio軟件環(huán)境下調(diào)用BASIC指令、G代碼指令實(shí)現(xiàn)控制器的編程，能夠滿足走靶系統(tǒng)離線獨(dú)立工作和控制要求。因而，本鍍膜設(shè)備走靶系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器選用雷賽SMC304運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行走靶軌跡控制。

2.2.2步進(jìn)電機(jī)

走靶系統(tǒng)X方向電機(jī)和R方向電機(jī)工作于靶盤腔室，鍍膜時(shí)真空靶盤腔室溫度在150℃~300℃之間。其中，X方向電機(jī)移動(dòng)區(qū)域溫度150℃~200℃，R方向電機(jī)移動(dòng)區(qū)域溫度150℃~250℃，因而對(duì)X方向和R方向的電機(jī)應(yīng)選用高溫真空步進(jìn)電機(jī)。基于靶材質(zhì)量、機(jī)械結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)計(jì)算，走靶系統(tǒng)選用了PhytronVSS42/57系列耐高溫真空步進(jìn)電機(jī)，如圖6所示，電機(jī)可工作于低、中、高、超高真空環(huán)境中，工作環(huán)境溫度范圍為-270℃~+300℃，滿足工況要求。走靶系統(tǒng)Y方向電機(jī)通過(guò)磁流體與Y方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，工作于室溫環(huán)境中，選用雷賽配套電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器即可。

2.2.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)高溫真空步進(jìn)電機(jī)選型匹配相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器即可,本設(shè)計(jì)走靶系統(tǒng)選用了雷賽科技DM系列步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 DM系列步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器主要技術(shù)參數(shù)

3、軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232與運(yùn)動(dòng)控制器通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,SMC304運(yùn)動(dòng)控制器采用脫機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方式運(yùn)行,走靶系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制編程以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分。

3.1走靶軌跡設(shè)計(jì)

由于激光器位置固定，光路相對(duì)固定，因此激光作用于靶材上的轟擊點(diǎn)也是相對(duì)固定的。靶材圓心相對(duì)靶材為固定點(diǎn)，以激光作用于靶材上的轟擊點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將靶材圓心調(diào)整至坐標(biāo)原點(diǎn)位并對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器示教原點(diǎn)，則對(duì)靶材圓心的控制即為轟擊點(diǎn)軌跡的控制，轟擊點(diǎn)軌跡如圖7所示。走靶系統(tǒng)采用X、Y方向“Z”字形走靶方式，如圖8所示。

在X、Y方向“Z”字走靶的基礎(chǔ)上復(fù)合R方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)相關(guān)軟件模擬10000次轟擊效果如圖9所示。從圖9可以看出:轟擊點(diǎn)能夠均勻地轟擊在靶材各位置，“Z”字形走靶方式和R方向自轉(zhuǎn)能夠滿足均勻轟擊靶材的需求。

3.2運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

SMC304運(yùn)動(dòng)控制器采用脫機(jī)工作方式，需要在SMC Basic Studio軟件環(huán)境下調(diào)用BASIC指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和交互指令編程。運(yùn)動(dòng)控制器編程模塊組成如圖10所示，主要包括控制器數(shù)據(jù)交互、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等。

控制器數(shù)據(jù)交互模塊用于上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)軌跡控制參數(shù)、位置調(diào)整控制以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)交互。

路徑規(guī)劃模塊用于根據(jù)控制參數(shù)進(jìn)行位置的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,如“Z”字形走靶軌跡控制、原點(diǎn)歸位等。

運(yùn)動(dòng)控制模塊則根據(jù)路徑規(guī)劃驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作。

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用組態(tài)軟件KingView組態(tài)王設(shè)計(jì)，主要用于走靶系統(tǒng)控制和參數(shù)的傳遞、運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、軌跡呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)Modbus協(xié)議完成與運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)據(jù)交互，走靶系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)界面如圖11所示。

走靶控制中通過(guò)靶內(nèi)、外徑控制轟擊點(diǎn)作用在靶材上的轟擊區(qū)域，通過(guò)直線速度控制X、Y方向插補(bǔ)軸運(yùn)行速度，通過(guò)跳轉(zhuǎn)角度、自轉(zhuǎn)速度控制“Z”字插補(bǔ)點(diǎn)位和R方向的自轉(zhuǎn)速度。示教原點(diǎn)、前、后、左、右等按鈕用于靶材位置的手動(dòng)調(diào)整，曲線圖則用于走靶軌跡的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

4、走靶驗(yàn)證

在靶外徑70mm、內(nèi)徑20mm、直線速度2mm/s、跳轉(zhuǎn)角度8.9°和自轉(zhuǎn)速度25r/min的走靶軌跡參數(shù)控制下進(jìn)行氧化鈰鍍膜生產(chǎn)，走靶軌跡如圖12所示。同時(shí)采用Coherent LEAP 300C激光器以300 Hz的脈沖頻率對(duì)氧化鈰靶材進(jìn)行連續(xù)15h的持續(xù)不間斷轟擊打靶，靶材轟擊前、后對(duì)比如圖13所示。

從圖12、圖13可以看出，在走靶軌跡控制區(qū)域靶面非常平整，未出現(xiàn)碎靶現(xiàn)象，且無(wú)明顯環(huán)形臺(tái)階，以生產(chǎn)鍍膜時(shí)的走帶速度200m/h計(jì)算，能夠滿足2500m帽子層氧化鈰鍍膜需要。

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)首次將數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)SMC304運(yùn)動(dòng)控制器引入至第二代高溫超導(dǎo)平板脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備中，采用脫機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了氧化鈰靶材的“Z”字疊加R方向自轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)走靶方式下的激光轟擊，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性得到了有效提升。走靶系統(tǒng)的投入應(yīng)用解決了超導(dǎo)帽子層超長(zhǎng)帶材制備瓶頸，以及氧化鈰靶材碎靶、凹坑、環(huán)形臺(tái)階導(dǎo)致的電流低點(diǎn)等問(wèn)題，帽子層制備長(zhǎng)度由750m突破至2500m，同時(shí)提高了氧化鈰靶材的利用率。

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（注，原文標(biāo)題：平板脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備走靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)）