董飞奇 李小坚

摘要：随着现代工业的发展对模具的要求越来越高，而在拉丝行业中由于传统的合金模具和天然金刚石模具成本高、寿命短、精度低等诸多劣势，使得模具的使用受到限制，模具的质量得不到保障，直接影响了产品的生产质量。金刚石涂层模具具有硬度高、热导率高、化学稳定好等优点，日益受到人们的青睐，具有广阔的应用前景。

由于现有的金刚石涂层设备自动化程度低，生产工艺不稳定，次品率高，耗费人力和资源。在之前的生产试验过程中，需要凭借技术人员的主观判断，手动调节反应室的进气量和沉积炉的温度等，很容易因为人为因素出现偏差，导致原材料的浪费和产品的报废，同时还存在着安全隐患。本文针对金刚石涂层制备的工艺特性，采用化学气相沉积法（简称热丝CVD法），手动制作了一套金刚石涂层的设备，在此基础上设计了计算机控制系统，通过PLC和上位机来实现金刚石涂层设备的自动化控制，减少人工操作带来的不确定性，实现生产工艺中对沉积室内温度、压力的精确控制和对气体流量、不同气体比率的控制，从而实现生产工艺的稳定性和高效性，减少次品率，提高产能。

本论文探讨的是对沉积室气压及进气量的控制和对沉积室温度的控制。首先介绍了金刚石薄膜生长的工艺参数，主要包括沉积室气压、气体流量、衬底温度等，以及这些参数的变化对金刚石薄膜生长所产生的影响;其次，利用PLC控制系统，对这些工艺参数进行控制，自动调节沉积室的气压、气体流量和衬底温度等，营造出适合金刚石薄膜生长的环境，既提高了金刚石薄膜的涂层质量，又降低了人为的干扰因素。结果表明引入计算机控制系统，大大改善了金刚石薄膜的制备环境，对工艺参数的控制得到了优化。

关键词：化学气相法;金刚石薄膜;涂层;计算机控制;模糊控制;PID

CVD金刚石薄膜涂层制备的条件一般是在低压、温度介于700℃～1200℃之间、氢气和含碳化合物的环境中进行的。在沉积的过程中，伴随有石墨、金刚石等相互转化的化学反应。碳相图的石墨稳定区是CVD金刚石薄膜的生长区，但在该区域内金刚石是热力学不稳定的。也就是说，由于在低温状况下，金刚石是亚稳定相，而石墨却是稳定相，从热力学角度看应该生成石墨，不是金刚石。从动力学观点看，生成金刚石和石墨都有可能，并且生成的主要成分应该是石墨，只有很少一部分是金刚石。但由于氢原子对金刚石的刻蚀速率远低于对石墨的刻蚀速率，因此虽然化学反正过程中生成的是石墨，但最后合成的却是金刚石。因此，在超平衡氢原子的环境下，金刚石可以是热力学稳定相，而并非时亚稳定相。总之，从整个制备过程来看，CVD金刚石薄膜涂层的形成首先是将原料气体气化，在高温或电场的作用下分解成为具有化学活性的各种混合物，然后这些气体混合物慢慢传送到衬底表面附近，进行相互间的化学反应，最后是在衬底表面扩散、沉积出金刚石薄膜。

本文以金剛石薄膜沉积系统为研究对象，采用PLC和温度采集器组成控制系统，对温度实行自动监控。根据设定的温度增加曲线，PLC控制器采用自适应模糊PID控制算法进行过程控制。整个研究对象需要采集的模拟量有气压、气体流量、温度、压力等，输出的模拟量有多路气体流量控制、热丝电流控制等，开关量有冷却水的水泵状态等。

温度控制系统硬件主要由西门子公司的生产的S7-200系列模块组成，包括主机模块由中央处理单元CPU、电源、输入输出点构成，6路模拟量输入单元模块，4路模拟量输出单元模块，8路进出开关模块等，满足系统对控制点数的要求，同时系统也具有一定的可扩展性。

PLC控制器首先通过温度采集模块对衬底表面温度进行精确测量，将其转化为电压信号后传入到PLC模拟量的输入端，经过A/D转换后得到实际的温度测量值，再与给定的温度输入值进行比较，通过自适应模糊PID控制算法进行计算，得到控制量，再经过D/A转换后传入PLC控制器进行控制。其中，相关控制参数需要进行多次实验，并根据相关的控制经验和仿真数据才能得到。

一、PLC控制软件系统

PLC软件系统编程语言为梯形图，按照模块化原则编写，保证程序的结构清晰，可读性强。程序启动的时候需要先进行参数初始化，相关参数需要提前设置好，然后PLC控制器会进行模拟量的读写操作，由于模拟量的通道较多，响应周期一般比程序运行周期要长，因此要合理设置模拟量的读写周期时间。然后调用温度采样并实时显示当前测量的温度值，并进行算法的调用，如果温度超过警戒值，还将发出故障报警。

温度控制器的设计主要包括温度升温控制和温度稳定控制，前者主要采用模糊控制算法，后者主要采用PID控制算法。

二、计算机控制结果分析及优化

计算机控制系统在运行时将信号采集模块采集到的所有信号通过曲线展现的方式呈现出来，方便对信号的查看和实时跟踪。对各种采集信号设置期望值，当测量的信号超过期望值的时候，系统将会产生报警同时启动保护措施。在金刚石沉积涂层的过程中，通过计算机系统的相应规则库和算法对金刚石沉积的不同阶段采用不同的控制策略，达到无人操控的目的，避免人为因素对金刚石薄膜涂层生长的干扰。

在没有计算机控制系统之前，金刚石沉积的整个过程中，对衬底温度、热丝温度、气体流动等控制都是采用人工控制的方式，往往沉积出来的金刚石薄膜质量不是很好，使用寿命也比较短。在引入计算机控制系统之后，对金刚石沉积过程中的各项参数都能进行合理的控制，提高了各项参数的抗干扰性能。图1（a）所示是使用计算机控制系统之前的衬底温度变化曲线，图1（b）所示引入控制之后的衬底温度变化曲线。

从图1和图2可以看出，采用计算机控制系统后，衬底温度和热丝温度的变化曲线有了明显的改善和提高，有助于金刚石薄膜涂层可靠、稳定的生长。

由于衬底表面温度的测量采用单个温度传感器测量，其值只能反映衬底表面的某点温度，不足以衡量整个衬底表面的温度，误差较大。因此在后面的实验中可以采用多个传感器在不同的位置同时进行测量，并通过数据融合的方法对测量数据进行处理，可以提高整个衬底表面温度的测量精度。数据融合方法可以采用比较精确的最优加权与Bayes估计结合算法，其融合值的精度更高，与真实值之间的误差小于0.01°C，并且性能稳定，抗干扰能力强。

总结

本文主要介绍了计算机控制系统的组成原理和系统结构，并通过对计算机控制系统引入前后的热丝温度和衬底温度的曲线分析，可以看出计算机控制系统的引入改善了金刚石沉积过程中各项工艺参数的性能，降低了人为因素的干扰，大大提高了沉积系统的可靠性、精确性和稳定性，具有很高的实用价值。

作者简介：董飞奇（1983.11.16），男，北方工业大学，在职工程硕士，控制方向。