高温超导带材帽子层镀膜用智能走靶系统设计与应用研究——融合数控运动控制技术，优化X-Y-R三轴协同运动策略，提升氧化铈靶材轰击均匀性与系统可靠性，支撑超长带材规模化生产

引言

第二代高温超导带材为多层薄膜结构，由哈氏合金基带、种子层、隔离层、帽子层(模板层)、超导层和保护层组成。目前已知的较为成熟的制备稀土钡铜氧化物(ReBCO)带材的方法有十余种，其中应用较广的有脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD)、磁控溅射、金属有机物沉积、金属有机物气相沉积和离子辅助沉积等。其中，PLD沉积效率高，实验周期短，制备的样品具有与靶材一致的化学计量比，成分均匀，结构良好，是一种具有良好应用前景的薄膜制备方法。

脉冲激光沉积制备薄膜的基本原理是:将准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面产生高温熔蚀物，并进一步产生高温高压等离子体，这种等离子体能够产生定向局域膨胀发射并在衬底上沉积成膜。

1、平板脉冲激光沉积镀膜设备及走靶系统

1.1平板脉冲激光沉积镀膜设备

平板脉冲激光沉积镀膜设备是PLD法制备帽子层的重要工序装备，具有承上启下的作用，它主要由准分子脉冲激光器、光路系统(会聚透镜、激光窗等)、真空系统、传动系统、走靶系统、加热系统等部分组成。其中，光路系统如图1所示。准分子脉冲激光器所产生的高功率脉冲激光束经反射镜1、2反射后通过平凸镜、平透镜能量聚焦轰击氧化铈圆靶，图1(b)中AB、BC、CD、DE、EF为光路路径。

1.2走靶系统

由于光路相对固定不可调，激光轰击点就相对固定不可移动。为使靶材能够被激光均匀轰击，提高靶材利用率，只有通过控制走靶系统运动轨迹来改变激光轰击点与靶材的相对位置。

1.2.1走靶系统机械结构组成

为使激光轰击点作用于靶材的任意位置，至少需要两个方向的自由度设计，即需X、Y两个方向的运动控制设计。受走靶系统机械惯性和换向影响，X、Y方向的移动速度相对较低，而高能激光脉冲轰击点持续能量释放致使靶材容易碎裂，在靶材表面形成凹坑，为此需要快速持续变换轰击点位，因此引入R方向的快速旋转以避免对靶面单点持续轰击。据此，设计了X、Y方向控制加方向轴自转的走靶运动方式，走靶系统机械结构如图2所示。走靶系统机械结构主要包括可快速旋转的靶材托盘、耐高温真空电机、减速机以及X、Y向移动机构。

1.2.2电气部分

走靶运动方式的控制采用位置控制，需要选用控制电机(如伺服电机、步进电机)实现。镀膜时，腔内温度高达800℃，编码器、光电开关等各类电子元件均无法正常工作，因而走靶系统只能选用步进电机开环运动控制方式，通过手动人工示教设置各类数据。走靶系统需要X、Y、R三个方向的自由度，因此采用三轴以上的运动控制系统，走靶系统电气组成主要包括工业控制计算机、X方向移动电机、Y方向移动电机、R方向旋转电机以及运动控制器，走靶系统电气组成如图3所示。

2、真空腔体及主要硬件选型

2.1真空腔体

真空腔体本底真空6.7x10^{-5}Pa(镀膜前需要将真空腔体抽到本底真空，然后再通入工艺气体，控制工艺真空)，工艺真空2.7Pa~4.0Pa,真空腔体由收带腔室、放带腔室、镀膜腔室和靶盘腔室四个腔室组成，真空腔体结构如图4所示。收、放带腔室用于往复式多道卷对卷超导带材的收放料，即传动系统，收放料时带材经过镀膜腔室和靶盘腔室在带材上进行真空镀膜制备帽子层。

镀膜腔室内有由加热灯管、水冷板等组合而成的加热板镀膜机构，加热板镀膜机构将镀膜区快速加热至800℃~900℃形成真空镀膜工艺氛围。走靶系统机械结构工作于靶盘腔室内，受镀膜腔室热传导影响，靶盘腔室温度达150℃~280℃,对走靶系统机械结构设计和硬件选型要求极为苛刻。

2.2主要硬件选型

千米级带材在进行镀膜时，通常需要连续工作10h以上，任何不可预测的故障往往都会对带材镀膜带来不可逆转的损失，形成电流低点、断点等缺陷，因而系统稳定性、可靠性是设计走靶系统的关键。工业控制计算机在长时间运行中受人机交互、内存管理等方面影响，稳定性和可靠性均会有所降低，无法满足走靶系统长时间稳定运行的工作要求，基于此，本系统采用了脱机运动控制器进行走靶控制,在镀膜前通过人机交互的方式将轨迹参数下发至运动控制器，由运动控制器自动进行走靶轨迹控制，从而提高了系统稳定性和可靠性。

2.2.1运动控制器

超导帽子层氧化铈靶材为圆形靶材，因此走靶系统需要进行圆形轨迹控制。雷赛运动控制器是一种广泛应用于自动化生产、数控加工等领域的运动控制设备，具有高速稳定、精度高的特点，受到众多专业人士的青睐。SMC304运动控制器如图5所示，采用嵌入式处理器和FPGA硬件结构，可独立工作，也支持上位机程序调用API控制，以及利用通信接口与其它控制器、人机界面配合使用，实现功能更复杂、操作更便利的综合控制。SMC304运动控制器提供四轴电机控制接口，具备点位运动、多轴直线插补、圆弧插补等运动控制功能，支持以太网口、RS485、RS232等通信接口，可实现点位运动和连续插补运动，通过在SMC Basic Studio软件环境下调用BASIC指令、G代码指令实现控制器的编程，能够满足走靶系统离线独立工作和控制要求。因而，本镀膜设备走靶系统运动控制器选用雷赛SMC304运动控制器进行走靶轨迹控制。

2.2.2步进电机

走靶系统X方向电机和R方向电机工作于靶盘腔室，镀膜时真空靶盘腔室温度在150℃~300℃之间。其中，X方向电机移动区域温度150℃~200℃，R方向电机移动区域温度150℃~250℃，因而对X方向和R方向的电机应选用高温真空步进电机。基于靶材质量、机械结构等数据计算，走靶系统选用了PhytronVSS42/57系列耐高温真空步进电机，如图6所示，电机可工作于低、中、高、超高真空环境中，工作环境温度范围为-270℃~+300℃，满足工况要求。走靶系统Y方向电机通过磁流体与Y方向移动机构连接，工作于室温环境中，选用雷赛配套电机和驱动器即可。

2.2.3步进驱动器

步进驱动器用于驱动步进电机，根据高温真空步进电机选型匹配相应驱动器即可,本设计走靶系统选用了雷赛科技DM系列步进驱动器，主要技术参数如表1所示。

表1 DM系列步进驱动器主要技术参数

3、软件设计

工业控制计算机通过RS232与运动控制器通讯进行数据交互,SMC304运动控制器采用脱机运动控制方式运行,走靶系统的软件设计包括运动控制器的运动控制编程以及上位机软件设计两部分。

3.1走靶轨迹设计

由于激光器位置固定，光路相对固定，因此激光作用于靶材上的轰击点也是相对固定的。靶材圆心相对靶材为固定点，以激光作用于靶材上的轰击点为坐标原点，将靶材圆心调整至坐标原点位并对运动控制器示教原点，则对靶材圆心的控制即为轰击点轨迹的控制，轰击点轨迹如图7所示。走靶系统采用X、Y方向“Z”字形走靶方式，如图8所示。

在X、Y方向“Z”字走靶的基础上复合R方向旋转运动，通过相关软件模拟10000次轰击效果如图9所示。从图9可以看出:轰击点能够均匀地轰击在靶材各位置，“Z”字形走靶方式和R方向自转能够满足均匀轰击靶材的需求。

3.2运动控制软件设计

SMC304运动控制器采用脱机工作方式，需要在SMC Basic Studio软件环境下调用BASIC指令进行运动控制和交互指令编程。运动控制器编程模块组成如图10所示，主要包括控制器数据交互、路径规划、运动控制等。

控制器数据交互模块用于上位机与运动轨迹控制参数、位置调整控制以及运动状态的实时反馈数据交互。

路径规划模块用于根据控制参数进行位置的运动轨迹规划,如“Z”字形走靶轨迹控制、原点归位等。

运动控制模块则根据路径规划驱动对应的步进驱动器动作。

3.3上位机软件设计

上位机软件采用组态软件KingView组态王设计，主要用于走靶系统控制和参数的传递、运动轨迹的实时数据、轨迹呈现和数据存储，通过Modbus协议完成与运动控制器的数据交互，走靶系统软件设计界面如图11所示。

走靶控制中通过靶内、外径控制轰击点作用在靶材上的轰击区域，通过直线速度控制X、Y方向插补轴运行速度，通过跳转角度、自转速度控制“Z”字插补点位和R方向的自转速度。示教原点、前、后、左、右等按钮用于靶材位置的手动调整，曲线图则用于走靶轨迹的实时呈现。

4、走靶验证

在靶外径70mm、内径20mm、直线速度2mm/s、跳转角度8.9°和自转速度25r/min的走靶轨迹参数控制下进行氧化铈镀膜生产，走靶轨迹如图12所示。同时采用Coherent LEAP 300C激光器以300 Hz的脉冲频率对氧化铈靶材进行连续15h的持续不间断轰击打靶，靶材轰击前、后对比如图13所示。

从图12、图13可以看出，在走靶轨迹控制区域靶面非常平整，未出现碎靶现象，且无明显环形台阶，以生产镀膜时的走带速度200m/h计算，能够满足2500m帽子层氧化铈镀膜需要。

结束语

本设计首次将数控运动控制技术SMC304运动控制器引入至第二代高温超导平板脉冲激光沉积镀膜设备中，采用脱机运动控制方式设计实现了氧化铈靶材的“Z”字叠加R方向自转复合运动走靶方式下的激光轰击，系统稳定性和可靠性得到了有效提升。走靶系统的投入应用解决了超导帽子层超长带材制备瓶颈，以及氧化铈靶材碎靶、凹坑、环形台阶导致的电流低点等问题，帽子层制备长度由750m突破至2500m，同时提高了氧化铈靶材的利用率。

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（注，原文标题：平板脉冲激光沉积镀膜设备走靶系统的设计）