計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在金剛石涂層設(shè)備中的應(yīng)用

董飛奇 李小堅(jiān)

摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)模具的要求越來(lái)越高，而在拉絲行業(yè)中由于傳統(tǒng)的合金模具和天然金剛石模具成本高、壽命短、精度低等諸多劣勢(shì)，使得模具的使用受到限制，模具的質(zhì)量得不到保障，直接影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。金剛石涂層模具具有硬度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的青睞，具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于現(xiàn)有的金剛石涂層設(shè)備自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，次品率高，耗費(fèi)人力和資源。在之前的生產(chǎn)試驗(yàn)過(guò)程中，需要憑借技術(shù)人員的主觀判斷，手動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)室的進(jìn)氣量和沉積爐的溫度等，很容易因?yàn)槿藶橐蛩爻霈F(xiàn)偏差，導(dǎo)致原材料的浪費(fèi)和產(chǎn)品的報(bào)廢，同時(shí)還存在著安全隱患。本文針對(duì)金剛石涂層制備的工藝特性，采用化學(xué)氣相沉積法（簡(jiǎn)稱熱絲CVD法），手動(dòng)制作了一套金剛石涂層的設(shè)備，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC和上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)金剛石涂層設(shè)備的自動(dòng)化控制，減少人工操作帶來(lái)的不確定性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝中對(duì)沉積室內(nèi)溫度、壓力的精確控制和對(duì)氣體流量、不同氣體比率的控制，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性和高效性，減少次品率，提高產(chǎn)能。

本論文探討的是對(duì)沉積室氣壓及進(jìn)氣量的控制和對(duì)沉積室溫度的控制。首先介紹了金剛石薄膜生長(zhǎng)的工藝參數(shù)，主要包括沉積室氣壓、氣體流量、襯底溫度等，以及這些參數(shù)的變化對(duì)金剛石薄膜生長(zhǎng)所產(chǎn)生的影響;其次，利用PLC控制系統(tǒng)，對(duì)這些工藝參數(shù)進(jìn)行控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)沉積室的氣壓、氣體流量和襯底溫度等，營(yíng)造出適合金剛石薄膜生長(zhǎng)的環(huán)境，既提高了金剛石薄膜的涂層質(zhì)量，又降低了人為的干擾因素。結(jié)果表明引入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，大大改善了金剛石薄膜的制備環(huán)境，對(duì)工藝參數(shù)的控制得到了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：化學(xué)氣相法;金剛石薄膜;涂層;計(jì)算機(jī)控制;模糊控制;PID

CVD金剛石薄膜涂層制備的條件一般是在低壓、溫度介于700℃～1200℃之間、氫氣和含碳化合物的環(huán)境中進(jìn)行的。在沉積的過(guò)程中，伴隨有石墨、金剛石等相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)。碳相圖的石墨穩(wěn)定區(qū)是CVD金剛石薄膜的生長(zhǎng)區(qū)，但在該區(qū)域內(nèi)金剛石是熱力學(xué)不穩(wěn)定的。也就是說(shuō)，由于在低溫狀況下，金剛石是亞穩(wěn)定相，而石墨卻是穩(wěn)定相，從熱力學(xué)角度看應(yīng)該生成石墨，不是金剛石。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看，生成金剛石和石墨都有可能，并且生成的主要成分應(yīng)該是石墨，只有很少一部分是金剛石。但由于氫原子對(duì)金剛石的刻蝕速率遠(yuǎn)低于對(duì)石墨的刻蝕速率，因此雖然化學(xué)反正過(guò)程中生成的是石墨，但最后合成的卻是金剛石。因此，在超平衡氫原子的環(huán)境下，金剛石可以是熱力學(xué)穩(wěn)定相，而并非時(shí)亞穩(wěn)定相。總之，從整個(gè)制備過(guò)程來(lái)看，CVD金剛石薄膜涂層的形成首先是將原料氣體氣化，在高溫或電場(chǎng)的作用下分解成為具有化學(xué)活性的各種混合物，然后這些氣體混合物慢慢傳送到襯底表面附近，進(jìn)行相互間的化學(xué)反應(yīng)，最后是在襯底表面擴(kuò)散、沉積出金剛石薄膜。

本文以金剛石薄膜沉積系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用PLC和溫度采集器組成控制系統(tǒng)，對(duì)溫度實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控。根據(jù)設(shè)定的溫度增加曲線，PLC控制器采用自適應(yīng)模糊PID控制算法進(jìn)行過(guò)程控制。整個(gè)研究對(duì)象需要采集的模擬量有氣壓、氣體流量、溫度、壓力等，輸出的模擬量有多路氣體流量控制、熱絲電流控制等，開(kāi)關(guān)量有冷卻水的水泵狀態(tài)等。

溫度控制系統(tǒng)硬件主要由西門子公司的生產(chǎn)的S7-200系列模塊組成，包括主機(jī)模塊由中央處理單元CPU、電源、輸入輸出點(diǎn)構(gòu)成，6路模擬量輸入單元模塊，4路模擬量輸出單元模塊，8路進(jìn)出開(kāi)關(guān)模塊等，滿足系統(tǒng)對(duì)控制點(diǎn)數(shù)的要求，同時(shí)系統(tǒng)也具有一定的可擴(kuò)展性。

PLC控制器首先通過(guò)溫度采集模塊對(duì)襯底表面溫度進(jìn)行精確測(cè)量，將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后傳入到PLC模擬量的輸入端，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到實(shí)際的溫度測(cè)量值，再與給定的溫度輸入值進(jìn)行比較，通過(guò)自適應(yīng)模糊PID控制算法進(jìn)行計(jì)算，得到控制量，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后傳入PLC控制器進(jìn)行控制。其中，相關(guān)控制參數(shù)需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)相關(guān)的控制經(jīng)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)才能得到。

一、PLC控制軟件系統(tǒng)

PLC軟件系統(tǒng)編程語(yǔ)言為梯形圖，按照模塊化原則編寫，保證程序的結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強(qiáng)。程序啟動(dòng)的時(shí)候需要先進(jìn)行參數(shù)初始化，相關(guān)參數(shù)需要提前設(shè)置好，然后PLC控制器會(huì)進(jìn)行模擬量的讀寫操作，由于模擬量的通道較多，響應(yīng)周期一般比程序運(yùn)行周期要長(zhǎng)，因此要合理設(shè)置模擬量的讀寫周期時(shí)間。然后調(diào)用溫度采樣并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)量的溫度值，并進(jìn)行算法的調(diào)用，如果溫度超過(guò)警戒值，還將發(fā)出故障報(bào)警。

溫度控制器的設(shè)計(jì)主要包括溫度升溫控制和溫度穩(wěn)定控制，前者主要采用模糊控制算法，后者主要采用PID控制算法。

二、計(jì)算機(jī)控制結(jié)果分析及優(yōu)化

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)將信號(hào)采集模塊采集到的所有信號(hào)通過(guò)曲線展現(xiàn)的方式呈現(xiàn)出來(lái)，方便對(duì)信號(hào)的查看和實(shí)時(shí)跟蹤。對(duì)各種采集信號(hào)設(shè)置期望值，當(dāng)測(cè)量的信號(hào)超過(guò)期望值的時(shí)候，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生報(bào)警同時(shí)啟動(dòng)保護(hù)措施。在金剛石沉積涂層的過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)規(guī)則庫(kù)和算法對(duì)金剛石沉積的不同階段采用不同的控制策略，達(dá)到無(wú)人操控的目的，避免人為因素對(duì)金剛石薄膜涂層生長(zhǎng)的干擾。

在沒(méi)有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之前，金剛石沉積的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)襯底溫度、熱絲溫度、氣體流動(dòng)等控制都是采用人工控制的方式，往往沉積出來(lái)的金剛石薄膜質(zhì)量不是很好，使用壽命也比較短。在引入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之后，對(duì)金剛石沉積過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)都能進(jìn)行合理的控制，提高了各項(xiàng)參數(shù)的抗干擾性能。圖1（a）所示是使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之前的襯底溫度變化曲線，圖1（b）所示引入控制之后的襯底溫度變化曲線。

從圖1和圖2可以看出，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，襯底溫度和熱絲溫度的變化曲線有了明顯的改善和提高，有助于金剛石薄膜涂層可靠、穩(wěn)定的生長(zhǎng)。

由于襯底表面溫度的測(cè)量采用單個(gè)溫度傳感器測(cè)量，其值只能反映襯底表面的某點(diǎn)溫度，不足以衡量整個(gè)襯底表面的溫度，誤差較大。因此在后面的實(shí)驗(yàn)中可以采用多個(gè)傳感器在不同的位置同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以提高整個(gè)襯底表面溫度的測(cè)量精度。數(shù)據(jù)融合方法可以采用比較精確的最優(yōu)加權(quán)與Bayes估計(jì)結(jié)合算法，其融合值的精度更高，與真實(shí)值之間的誤差小于0.01°C，并且性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

總結(jié)

本文主要介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)引入前后的熱絲溫度和襯底溫度的曲線分析，可以看出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的引入改善了金剛石沉積過(guò)程中各項(xiàng)工藝參數(shù)的性能，降低了人為因素的干擾，大大提高了沉積系統(tǒng)的可靠性、精確性和穩(wěn)定性，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：董飛奇（1983.11.16），男，北方工業(yè)大學(xué)，在職工程碩士，控制方向。