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、金屬有機物沉積、金屬有機物氣相沉積和離子輔助沉積等。其中，PLD沉積效率高，實驗周期短，制備的樣品具有與靶材一致的化學(xué)計量比，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，它主要由準分子脈沖激光器、光路系統(tǒng)(會聚透鏡、激光窗等)、真空系統(tǒng)、傳動系統(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)
由于光路相對固定不可調(diào)，激光轟擊點就相對固定不可移動。為使靶材能夠被激光均勻轟擊，提高靶材利用率，只有通過控制走靶系統(tǒng)運動軌跡來改變激光轟擊點與靶材的相對位置。
1.2.1走靶系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)組成
為使激光轟擊點作用于靶材的任意位置，至少需要兩個方向的自由度設(shè)計，即需X、Y兩個方向的運動控制設(shè)計。受走靶系統(tǒng)機械慣性和換向影響，X、Y方向的移動速度相對較低，而高能激光脈沖轟擊點持續(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)變換轟擊點位，因此引入R方向的快速旋轉(zhuǎn)以避免對靶面單點持續(xù)轟擊。據(jù)此，設(shè)計了X、Y方向控制加方向軸自轉(zhuǎn)的走靶運動方式，走靶系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。走靶系統(tǒng)機械結(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、減速機以及X、Y向移動機構(gòu)。
1.2.2電氣部分
走靶運動方式的控制采用位置控制，需要選用控制電機(如伺服電機、步進電機)實現(xiàn)。鍍膜時，腔內(nèi)溫度高達800℃，編碼器、光電開關(guān)等各類電子元件均無法正常工作，因而走靶系統(tǒng)只能選用步進電機開環(huán)運動控制方式，通過手動人工示教設(shè)置各類數(shù)據(jù)。走靶系統(tǒng)需要X、Y、R三個方向的自由度，因此采用三軸以上的運動控制系統(tǒng)，走靶系統(tǒng)電氣組成主要包括工業(yè)控制計算機、X方向移動電機、Y方向移動電機、R方向旋轉(zhuǎn)電機以及運動控制器，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)式多道卷對卷超導(dǎo)帶材的收放料，即傳動系統(tǒng)，收放料時帶材經(jīng)過鍍膜腔室和靶盤腔室在帶材上進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構(gòu)，加熱板鍍膜機構(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150℃~280℃,對走靶系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和硬件選型要求極為苛刻。
2.2主要硬件選型
千米級帶材在進行鍍膜時，通常需要連續(xù)工作10h以上，任何不可預(yù)測的故障往往都會對帶材鍍膜帶來不可逆轉(zhuǎn)的損失，形成電流低點、斷點等缺陷，因而系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性是設(shè)計走靶系統(tǒng)的關(guān)鍵。工業(yè)控制計算機在長時間運行中受人機交互、內(nèi)存管理等方面影響，穩(wěn)定性和可靠性均會有所降低，無法滿足走靶系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行的工作要求，基于此，本系統(tǒng)采用了脫機運動控制器進行走靶控制,在鍍膜前通過人機交互的方式將軌跡參數(shù)下發(fā)至運動控制器，由運動控制器自動進行走靶軌跡控制，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。
2.2.1運動控制器
超導(dǎo)帽子層氧化鈰靶材為圓形靶材，因此走靶系統(tǒng)需要進行圓形軌跡控制。雷賽運動控制器是一種廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)、數(shù)控加工等領(lǐng)域的運動控制設(shè)備，具有高速穩(wěn)定、精度高的特點，受到眾多專業(yè)人士的青睞。SMC304運動控制器如圖5所示，采用嵌入式處理器和FPGA硬件結(jié)構(gòu)，可獨立工作，也支持上位機程序調(diào)用API控制，以及利用通信接口與其它控制器、人機界面配合使用，實現(xiàn)功能更復(fù)雜、操作更便利的綜合控制。SMC304運動控制器提供四軸電機控制接口，具備點位運動、多軸直線插補、圓弧插補等運動控制功能，支持以太網(wǎng)口、RS485、RS232等通信接口，可實現(xiàn)點位運動和連續(xù)插補運動，通過在SMC Basic Studio軟件環(huán)境下調(diào)用BASIC指令、G代碼指令實現(xiàn)控制器的編程，能夠滿足走靶系統(tǒng)離線獨立工作和控制要求。因而，本鍍膜設(shè)備走靶系統(tǒng)運動控制器選用雷賽SMC304運動控制器進行走靶軌跡控制。
2.2.2步進電機
走靶系統(tǒng)X方向電機和R方向電機工作于靶盤腔室，鍍膜時真空靶盤腔室溫度在150℃~300℃之間。其中，X方向電機移動區(qū)域溫度150℃~200℃，R方向電機移動區(qū)域溫度150℃~250℃，因而對X方向和R方向的電機應(yīng)選用高溫真空步進電機。基于靶材質(zhì)量、機械結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)計算，走靶系統(tǒng)選用了PhytronVSS42/57系列耐高溫真空步進電機，如圖6所示，電機可工作于低、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方向電機通過磁流體與Y方向移動機構(gòu)連接，工作于室溫環(huán)境中，選用雷賽配套電機和驅(qū)動器即可。
2.2.3步進驅(qū)動器
步進驅(qū)動器用于驅(qū)動步進電機，根據(jù)高溫真空步進電機選型匹配相應(yīng)驅(qū)動器即可,本設(shè)計走靶系統(tǒng)選用了雷賽科技DM系列步進驅(qū)動器，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 DM系列步進驅(qū)動器主要技術(shù)參數(shù)
| 主要參數(shù) | 最小值 | 典型值 | 最大值 |
| 輸出電流/A | 1.0 |
| 4.2 |
| 輸入電源電壓/V | 20 | 24/36 | 50 |
| 控制信號輸入電流/mA | 7 | 10 | 16 |
| 步進脈沖頻率/kHz | 0 |
| 200 |
3、軟件設(shè)計
工業(yè)控制計算機通過RS232與運動控制器通訊進行數(shù)據(jù)交互,SMC304運動控制器采用脫機運動控制方式運行,走靶系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括運動控制器的運動控制編程以及上位機軟件設(shè)計兩部分。
3.1走靶軌跡設(shè)計
由于激光器位置固定，光路相對固定，因此激光作用于靶材上的轟擊點也是相對固定的。靶材圓心相對靶材為固定點，以激光作用于靶材上的轟擊點為坐標原點，將靶材圓心調(diào)整至坐標原點位并對運動控制器示教原點，則對靶材圓心的控制即為轟擊點軌跡的控制，轟擊點軌跡如圖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)運動，通過相關(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運動控制軟件設(shè)計
SMC304運動控制器采用脫機工作方式，需要在SMC Basic Studio軟件環(huán)境下調(diào)用BASIC指令進行運動控制和交互指令編程。運動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、運動控制等。
控制器數(shù)據(jù)交互模塊用于上位機與運動軌跡控制參數(shù)、位置調(diào)整控制以及運動狀態(tài)的實時反饋數(shù)據(jù)交互。
路徑規(guī)劃模塊用于根據(jù)控制參數(shù)進行位置的運動軌跡規(guī)劃,如“Z”字形走靶軌跡控制、原點歸位等。
運動控制模塊則根據(jù)路徑規(guī)劃驅(qū)動對應(yīng)的步進驅(qū)動器動作。
3.3上位機軟件設(shè)計
上位機軟件采用組態(tài)軟件KingView組態(tài)王設(shè)計，主要用于走靶系統(tǒng)控制和參數(shù)的傳遞、運動軌跡的實時數(shù)據(jù)、軌跡呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲，通過Modbus協(xié)議完成與運動控制器的數(shù)據(jù)交互，走靶系統(tǒng)軟件設(shè)計界面如圖11所示。
走靶控制中通過靶內(nèi)、外徑控制轟擊點作用在靶材上的轟擊區(qū)域，通過直線速度控制X、Y方向插補軸運行速度，通過跳轉(zhuǎn)角度、自轉(zhuǎn)速度控制“Z”字插補點位和R方向的自轉(zhuǎn)速度。示教原點、前、后、左、右等按鈕用于靶材位置的手動調(diào)整，曲線圖則用于走靶軌跡的實時呈現(xiàn)。
4、走靶驗證
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)控制下進行氧化鈰鍍膜生產(chǎn)，走靶軌跡如圖12所示。同時采用Coherent LEAP 300C激光器以300 Hz的脈沖頻率對氧化鈰靶材進行連續(xù)15h的持續(xù)不間斷轟擊打靶，靶材轟擊前、后對比如圖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，且無明顯環(huán)形臺階，以生產(chǎn)鍍膜時的走帶速度200m/h計算，能夠滿足2500m帽子層氧化鈰鍍膜需要。
結(jié)束語
本設(shè)計首次將數(shù)控運動控制技術(shù)SMC304運動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，采用脫機運動控制方式設(shè)計實現(xiàn)了氧化鈰靶材的“Z”字疊加R方向自轉(zhuǎn)復(fù)合運動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)帽子層超長帶材制備瓶頸，以及氧化鈰靶材碎靶、凹坑、環(huán)形臺階導(dǎo)致的電流低點等問題，帽子層制備長度由750m突破至2500m，同時提高了氧化鈰靶材的利用率。
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（注，原文標題：平板脈沖激光沉積鍍膜設(shè)備走靶系統(tǒng)的設(shè)計）
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