真空镀膜机电气控制系统设计
摘 要
本文所研究的真空镀膜机是一种蒸发式卷绕系统的镀膜机，主要应用于PET、OPP、BOPP等塑料薄膜上蒸镀金属膜，也可应用于生产镀铝、镀锌铝或镀银锌铝电容膜。其总体结构主要由真空系统、卷绕系统、蒸镀系统及电控系统组成，通过PLC来实现对真空系统的各种泵、阀门等开关量的控制，通过三菱触摸屏实现后台管理、各种工艺参数的设定及控制功能，自动化程度较高，有利于生产效率的提高。
该电气控制系统主控单元是采用三菱PLC的FX系列的通过三菱触摸屏设置对纸张力、电机速度、蒸发舟的状态和蒸发量等工艺要求参数的控制，同时具有故障报警、保护路线的功能，由RS232/485串行接口、A/D转换模块和控制器等实现各种参数的传输、信息处理、检测控制功能。
文中首先对镀膜机的真空系统和整个蒸镀工艺过程进行了分析；并建立了卷绕系统中放卷、收卷的张力控制模型，找出影响张力的相关因素，并采用了模糊自适应整定PID控制算法作为卷绕系统张力控制策略，结果显示比传统的PID控制效果好，适应性强；同时完成了控制系统软、硬件结构的论证分析和设计，设计过程中采用三菱PLC仿真软件对电气控制系统进行了模拟仿真，并实现上位机与PLC的通讯功能，仿真结果显示，该真空镀膜机自动化程度高，模拟蒸镀效果好，保证了镀膜质量。
关键词：真空镀膜机；可编程控制器；张力控制；人机界面；AutoCAD2007
I
真空镀膜机电气控制系统设计
ABSTRACT
In this paper, Vacuum coating machine, which is developed by this paper is an evaporation-type winding coating machine, mainly used in PET, OPP, BOPP and other plastic film evaporated metallic film, also can be used in the production of aluminum, galvanized aluminum or silver plated zinc aluminum capacitor film. The composition of its overall structure is mainly composed of a vacuum system, winding system, evaporation system and electric control system; On the one hand, through the PLC to control pump of the vacuum system ,valve switch and so on, on the other hand, through Mitsubishi touch screen to conduct back-stage management and control and set all kinds of Process parameters, this will improve the degree of automation and Is conducive to the improvement of production efficiency.
The electric control system of main control unit is controlled by Mitsubishi FX series, through Mitsubishi touch screen to set and control evaporation process on paper tension, motor speed, evaporation boat required parameters, besides fault alarm, protection route function. By RS232/485 serial interface and A/D conversion module controller to achieve various parameters transmission, information processing, detection and control function.
Firstly, the vacuum system for coating machine and the evaporation process are analyzed in this paper; and the winding system of roll and the roll tension control model is established, then finding out the relevant factors that affect tension, and adopt the fuzzy adaptive tuning PID control algorithm as the winding tension control system, the results showed that compared with the traditional PID control effect, the fuzzy adaptive tuning PID control algorithm is better and have strong adaptability; at the same time completing the proof analysis and design of the control system of soft, hardware structure, the design process of electrical control system is simulated by using PLC simulation software and Mitsubishi, realize the communication between host computer and PLC function, the simulation results show that the vacuum coating machine have high degree of automation, simulation evaporation effect is good and ensure the coating quality.
Keywords: vacuum coating machine; programmable controller; tension control; man-machine interface; AutoCAD2007
II
真空镀膜机电气控制系统设计
目 录
摘要................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................. II 目录.............................................................................................................................. III 1 前言....................................................................................................................... - 1 -
1.1课题研究背景.............................................................................................. - 1 - 1.2真空镀膜机的发展趋势.............................................................................. - 1 - 1.3研究目的...................................................................................................... - 2 - 1.4研究内容...................................................................................................... - 2 -
1.4.1电气控制系统.................................................................................... - 2 - 1.4.2工艺参数的控制................................................................................ - 3 -
2真空镀膜机的系统结构........................................................................................ - 5 -
2.1镀膜工艺流程.............................................................................................. - 5 -
2.1.1顺序控制............................................................................................ - 6 - 2.1.2抽真空装置........................................................................................ - 7 - 2.1.3工艺参数的输入与显示.................................................................... - 7 - 2.2真空镀膜机电气控制系统方案设计.......................................................... - 8 -
2.2.1控制系统整体方案设计.................................................................... - 8 - 2.2.2控制系统整体方案论证.................................................................... - 9 -
3真空镀膜机的控制系统硬件.............................................................................. - 11 -
3.1.可编程控制器PLC简介 .......................................................................... - 11 -
3.1.1可编程控制器的定义...................................................................... - 11 - 3.1.2可编程控制器的工作原理.............................................................. - 12 - 3.1.3可编程控制器的主要特点.............................................................. - 12 - 3.2.硬件设计方案与论证................................................................................ - 13 -
3.2.1硬件设计的技术要求...................................................................... - 13 - 3.2.2 PLC型号选择方案与论证 ............................................................. - 13 - 3.2.3 PLC主机选择方案与论证 ............................................................. - 14 - 3.2.4模拟量输入/输出的选择方案与论证 ............................................ - 15 - 3.2.5 PLC控制单元的设计方案 ............................................................. - 16 - 3.2.6 PLC接口电路设计 ......................................................................... - 17 - 3.3.触摸屏简介................................................................................................ - 18 -
3.3.1触摸屏的技术简介.......................................................................... - 18 - 3.3.2触摸屏与PLC的连接 .................................................................... - 18 - 3.4卷绕系统设计............................................................................................ - 19 -
3.4.1卷绕系统介绍.................................................................................. - 20 - 3.4.2收放卷张力控制系统结构.............................................................. - 21 - 3.4.3张力控制方法.................................................................................. - 21 - 3.4.4张力执行元件.................................................................................. - 22 - 3.4.5送丝系统简介.................................................................................. - 23 -
4 PLC程序设计 ..................................................................................................... - 25 -
4.1.PLC编程思想 ........................................................................................... - 25 -
III
真空镀膜机电气控制系统设计
4.1.PLC程序调试 ........................................................................................... - 26 - 结论......................................................................................................................... - 28 - 参考文献................................................................................................................. - 29 - 致谢......................................................................................................................... - 31 -
IV
真空镀膜机电气控制系统设计
1 前言
1.1 课题研究背景
我国真空镀膜的设备研究是开始于20世纪50年代,当时我国研制了各种蒸发式真空镀膜设备,满足了光学事业发展的需要，进入上世纪70年代,由于国民经济各种领域的需要,各种真空镀膜设备开始长足的发展。真空镀膜技术，膜的厚度均匀，比如在有效沉积区域内，膜层厚度均匀性可以小于5%，且不会出现污染生态环境的废水，另外可以把材料镀在金属材料表面的非金属材料表面上。所以表面镀膜技术将会在工业的领域将会起到非常大的作用。
把材料镀在金属材料表面或非金属材料表面上或者其他物体表面上，这种技术被称为真空镀膜技术，沉积的方法也有很多种，如蒸发式、溅射式等，环境是在真空条件下，这样的蒸镀效果会很好。这种技术有很多优越功能，如使固体表面具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀的特点，同时也具有抗氧化、绝缘和装饰等优势,提高产品质量、节约能源以及延长产品寿命是众多优点中的突出特点。
真空卷绕系统的镀膜技术是被当作是21世纪最有发展前途的技术之一，因而其具有广泛的应用领域，基本上涉及到国民经济中的各个领域中，如电子、信息、机械、航空、航天、军事、石油、化工及环境保护等领域。卷绕系统张力的控制是真空镀膜设备的重要环节，原材料膜的适应性及产品薄膜的质量直接会受到卷绕张力控制的准确度和稳定性的影响，为了实现镀层牢固、均匀、稳定和连续性等性能,达到高生产率、高质量、高产量的需求,必须保证设备的卷绕线速度恒定，提高卷绕系统过程和操作的自动化控制己成为必然发展趋势。
1.2 真空镀膜机的发展趋势
目前镀膜行业的制作方式主要化学镀膜、真空镀膜两种，一种方法是把含有能够构成薄膜的气态或液态反应剂，让他们在衬底表面发生化学反应，这样生成薄膜的过程被称为是化学镀膜。但是化学镀膜的缺点很多，比如说，化学镀膜的反应温度很高，要在1000℃左右，很多基体材料承受不住如此的高温，虽然有些材料可以经受住高温，比如硬质合金，但在高温的环境下也会出现晶粒粗大的现象，另外，在化学薄膜的过程中，容易产生对环境污染的溶液，导致镀层表面杂质多，这样会严重影响蒸镀效果。真空镀膜是在高真空环境下，利用气体放电的原理，使被镀材料蒸发，利用电场的加速作用，使被蒸发物质沉积在被镀材料的表面上。
真空镀膜机的出现，化学镀膜产生的大部分问题都可以解决。镀层材料都是在真空环境下通过等离子体沉积在工件表面，解决了化学镀膜中污染环境问题，
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不会产生污染环境的物质，而且膜层硬度也很高，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，性能更加优秀。真空镀膜工艺的温度控制在150℃~500℃之间，能够镀制丰富多样的膜层，且适用于多种基体材料，若镀制硬质合金刀具的话，她的寿命能够提高2~10倍。
真空镀膜技术是镀膜行业发展领域的必然趋势，其应用已经涉及到了各个行业，对环境无污染，符合现代绿色环保的发展要求，这必然引起世界各国制造业的高度重视，从二十世纪50年代开始，真空镀膜能够完全的取代化学镀膜。
1.3 研究目的
本课题研究的是真空蒸发式卷绕镀膜机，工艺过程主要分为真空系统、镀膜系统、卷绕系统，分别对这几个系统进行设计和分析，本文的重点是研究采用PLC装置实现镀膜的自动控制及卷绕系统的张力控制。
首先在蒸镀前要保持好真空度，以获得优越的蒸镀效果，采用前级泵及油扩散泵，必要时采用罗茨泵来达到高真空，同时课题所采用镀膜材料为纯铝，在蒸发镀膜时，为保持良好的蒸镀效果，膜的厚度适中，要对膜的厚度进行在线测量并调整，同时在卷绕过程中,极易发生断裂的情况，因此在卷绕过程中保持每点受力均匀是课题首要目的。由于纯铝在真空蒸发镀膜过程中对真空度、镀膜厚度以及卷绕镀膜张力控制要求严格，提高整体控制系统的稳定性是本课题最终目的。
1.4 研究内容
本课题研究的镀膜机是真空蒸发式卷绕系统的镀膜机，并对其工艺流程进行具体分析，从抽真空到蒸镀，都是通过PLC来进行控制，并通过上位机设定各种工艺参数，主要研究工作如下所示。 1.4.1 电气控制系统
电气系统包括真空抽气机组控制、蒸发控制、真空测量控制、卷绕张力控制等部分组成。在没有出现PLC之前，是采用单片机设计的,但是一旦环境发生变化就会直接影响到单片机的工作性能，特别是在比较恶劣的情况下，比如电磁干扰，其可靠性大大降低，工作性能也会变得不稳定，因而,现在的真空镀膜机都采用PLC来设计，操作人员可以选择自动或者手动模式来进行操作，这样不但提高工作性能的稳定性，而且不会受环境的影响，同时PLC的操作灵活方便,可靠性高，PLC会逐步地取代单片机。人机界面采用的是easyview触摸屏，可以直接对流程进行后台管理,智能化实现功能，体现了以人为本的设计思想。
PLC电气控制系统具有很多其他工控机没有的优越性能，比如可靠性高、设计灵活方便，开发周期相对来说较短，抗干扰能力强，移植性，操作简单，维护
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真空镀膜机电气控制系统设计
方便，因此采用其来设计真空镀膜机的控制系统是较理想的选择,其性价也比较高。
1.4.2 工艺参数的控制 （1）真空度的控制
本设计采用的是热偶规管和电离规管组成的复合真空计，其负责测量镀膜室真空度，将测量到的实时数据首先会传到PLC的数字/模拟量转换模块，通过与PLC中内部存储的实际所设定的压强数据做差，自动进行PID控制，使其达到特定的值，当你设定好真空度后，当测到的真空度小于设定的真空度时，给PLC信号，真空泵就会自动启动抽真空。当真空度高于设定的真空度时，给PLC信号，真空泵就会自动停止抽真空。 （2）镀膜厚度的控制
蒸发量及蒸发状态的控制可以转化为镀膜厚度的控制，而镀膜厚度控制可以选用真空镀膜在线测厚仪,此设备由三部分组成，分别是探测系统、人机设备、电脑实监控系统，探测系统部分主要包括光源、接收器和控制器，各个测量点的透过率和光密度数据由人机交互界面来显示，此设备可以和 RS485通讯，方便和PLC、人机界面通讯。而且真空镀膜能够读取此设备的光密度数据，然后实现闭环控制。 （3）张力控制
因为PID控制具有实施简单、鲁棒性强等诸多优点,在工业控制场合的应用越来越多。因为张力具有很多非线性的因素，比如不确定因素、多干扰因素、强耦合因素，这些特征强化的时候，传统的PID控制可能无法起到作用。因此在传统的PID控制用于张力控制领的时候，但是传统的PID控制会因为某些因素的强化失去作用，因此在面对这样的状况的时候,我们就会先对传统的PID进行改造，比如积分分离的PID可以降低超调以及减小积累误差，前馈补偿的加入可以抑制干扰，并能提高系统的动态稳定性，三菱的张力控制器正是利用这种改造过的PID来控制张力并实现张力的恒定，过程如下：由现场的张力传感器测到的张力经过张力控制器经过放大，然后通过A/D转换模块和电平转换模块传送至PLC,根据生产现场的张力控制要求，即PLC可编程控制器中的参数设定值,PLC下达控制命令，进而实现张力的恒定。 （4）卷绕转速控制
一般来说，要控制放膜辊、收膜辊的张力，主要包括以下两个部分：张力控制和速度控制，当电容膜收卷时，若收卷辊的电机转速保持不变，随着母卷径的增大，由于镀膜主辊即冷却辊电机转速不发生变化，所以电容膜被送入的速度也是不会变，这样一来，就必然引起收卷张力的增大，镀好的膜会出现内松外紧的现象，然而里层膜会因外层电膜被压皱，而且增加分切时的复卷难度，会使分切
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真空镀膜机电气控制系统设计
质量受到严重影响，因此，要求收卷辊的收卷转速和电容膜的母卷径成反比例关系，也就是说当电容膜母卷径增大时，收卷辊的转速必须减小，反过来也是一样，当电容膜母卷径减小时，放膜辊的转速必须增大。因此转速控制和张力控制往往是同时进行控制的。
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真空镀膜机电气控制系统设计
2 真空镀膜机的系统结构
2.1 镀膜工艺流程
真空镀膜机主要由以下几部分组成：镀膜部分、真空部分、卷绕部分、电控部分及辅助部分，简图如图2.1所示，镀膜部分是用于完成基材镀膜的地方，真空系统主要是为镀膜部分制造一个高真空的条件，为了得到良好的蒸镀效果，电气控制系统主要来控制真空室中机械泵、扩散泵等的启停、相应阀门的开关以及相应泵的指示灯和故障告警等，它是真空镀膜机的一个重要环节，卷绕系统主要负责放膜、镀膜、收膜，工作过程主要分成以下几个阶段：
抽真空前准备阶段：保证放气阀是关闭状态；保证循环水的畅通；检查水、电、气路都处于畅通状态，保证机械泵、油扩散泵等能正常使用接通总电源。
抽真空阶段：在初始状态下，所有阀门处于关状态，镀膜室门处于关状态。按启动键，启动维持泵，并同时启动机械泵，并打开旁路阀和预抽阀，等机械泵和维持泵声音平静后，延时二十秒后接通加热器给扩散泵加热，约90分钟后扩散泵能正常工作，此时热偶规管真空计监测真空室的真空度，当气压降至4Pa时，开启油扩散泵对真空室抽真空，并开启水冷却系统使扩散泵降温，这时真空计转换为电离规管测量真空度；当抽真空使镀膜室压力达到9.9Pa后，关闭旁路阀，启动罗茨泵，开始对镀膜室抽高真空，当镀膜室真空压力达到4Pa以下关预抽阀门，开前级阀门，开高压阀门，此时扩散泵的加热时间已经充足，开始可以通过扩散泵抽高真空，开复合计开始高真空的测量。这个阶段就是控制真空室内机械泵、油扩散泵和相应阀门的顺序通断，使镀膜室达到高真空。
镀膜阶段：当镀膜室压力达到0.01Pa时，启动卷绕系统，同时启动送丝步进电机，启动加热器使铝蒸发，开始镀膜，镀膜过程中，通过张力传感器将张力信号传达至张力控制器，使张力恒定。蒸镀完毕后，停卷绕系统，停步进电机，同时关高真空计测量。关前级阀门，关高压阀门，开启充气阀门，向镀膜室内充入干燥气体，20s后关断，而后打开镀膜室门取出被镀工件。
当全部停止工作时，关闭扩散泵，开启机械泵和开预抽阀，对真空室抽低真空。然后关闭机械泵和预抽阀，待扩散泵完全冷却后，关复合计低真空测量和维持泵。故障告警：镀膜机中真空泵出现突发情况以及水、气、电出现异常，PLC都能及时告警，并立即启动保护。检测部分：为了保证气路的正确，一般会采用霍尔元件来检测阀门的关闭情况，也就是说阀门关到位了程序才会进行，没有关到位，它会给 PLC信号，待关闭好后程序运行。
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图2.1 真空镀膜机外观图
控制部分可采用可编程控制器即PLC进行自动/手动控制，按自动启动按钮时，工艺流程自动完成镀膜，手动过程需按照顺序操作。 2.1.1 顺序控制
根据上述工作过程,真空简图如图2.2所示，真空镀膜机顺序部分的工艺流程为如下所示：
(l)按启动键，打开预抽阀和旁路阀，启动机械泵和维持泵，并给扩散泵加热； (2)真空达9.9Pa给PLC一路信号(点信号)，启动罗茨泵，并启动真空计测真空；
(3真空达4Pa给PLC一路信号(3秒抗干扰信号), 关预抽阀、旁路阀、罗茨泵，开高阀，对真空室和镀膜室抽真空；
(4)真空达0.001Pa给PLC一路信号(3秒抗干扰信号)，开蒸发模拟工作同时真空计关；
(5)蒸发结束,关蒸发和高阀,高阀关到位给PLC一路信号，延时10秒开充气阀，门开后给PLC一信号，关气阀。
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图2.2 真空系统简图
2.1.2 抽真空装置
该镀膜机的抽气部分采用较大的抽气机组，镀膜机预抽时采用了一台维持泵和两台机械泵，高真空时采用了一台油扩散泵和一台罗茨泵，可以达到良好的真空环境，工作室设计合理，抽气时间短，这样的抽真空效果会比较好，蒸镀效果相对会比较好，其真空系统硬件选型如下表2.1所示：
表2.1 真空系统硬件选型表 名称 型号 功率 机械泵1 2X-70A 5.5KW 机械泵2 2X-70A 5.5KW 罗茨泵 ZJP-600 7.5KM 扩散泵 K-800 8.4KM 维持泵 2X-15 2.2KM 真空计由热偶规管和电离规管组成，热偶规制成的原理是利用在低压强环境中气体承担的热传导与压强成正比例关系，而电离规管的原理是在低压强条件中气体电离生成的正离子数与压强成正比例关系，低真空时由热偶规管真空计测量真空度，当达到高真空时，才能接通电离真空计测量真空度，否则电离真空计容易损坏。当真空室内部真空度达到镀膜要求准备镀膜时，要关闭电离真空计。当镀膜完成后结束全部工作时, 关复合真空计开关，关油扩散泵，开机械泵，必须有循环水工作，油扩散泵的温度降下来后，这样实验才算结束，而后关闭机械泵、循环水及总电源。
2.1.3 工艺参数的输入与显示
参数输入包括以下几个：
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（1）真空度的设定，包括前级真空度，真空室真空度 （2）膜的厚度设定，即蒸发量的设定； （3）电机转速设定，包括步进电机，卷绕电机。 （4）张力设定； 参数显示包括以下几个： （1）真空度的显示；
（2）速度显示，包括步进电机，卷绕电机； （3）工艺层数显示； （4）张力显示。
2.2 真空镀膜机电气控制系统方案设计
2.2.1 控制系统整体方案设计
根据电气系统常见的控制模式，提出了如图2.3所示的三种方案，分别是以PLC、单片机和工控机为核心的控制系统。
三菱触摸屏 模张力控制与调整 拟量真空度 扩展镀膜厚度（蒸发量） 模块 通讯模块 模拟电源 量 单片机 扩展模块 电机转速 a.以单片机为核心的控制原理图
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模张力控制与调整 拟量真空度 扩展镀膜厚度（蒸发量） 模块 通讯模块 模拟电源 量 工控机 扩展模块 电机转速 b.以工控机为核心的控制原理图
三菱触摸屏 张力控制与调整 模拟量通讯模块 模拟电源 量 PLC 真空度 扩展模块 扩展模块 电机转速 镀膜厚度（蒸发量） c.以PLC为核心的控制原理图
图2.3电气系统方案设计原理图
2.2.2 控制系统整体方案论证
由图2.3所示,图a以PLC为核心的控制系统,利用模块实现模拟量的采集与输出控制,利用触摸屏实现工艺参数的设定和显示,程序编写时修改 方便,结构简单，图b以单片机为核心 的控制系统，因为单片机本身的接口有限,依据 12位的数据存储，对18路的A/D、D/A转换电路，模拟量扩展端子就要超过200个，这样一来接线就比较复杂，图c以工控机为核心的控制系统，虽然实时性强，但模拟量转换电路较多，采用纯粹面板安装开关的方法要解决27个输入量，将会导致操作误动作频繁，接线复杂，三种控制方案的比较如表2.1所示
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通过表2.1可知，PLC控制系统具有功能丰富、使用方便、可靠性强、设计简单等诸多优势，满足设计要求，因此，图2.3，相比较方案b、c方案而言，方案a更加合理，所以我们将以PLC为核心的电气控制系统为最终选择的方案。
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3 真空镀膜机的控制系统硬件
真空镀膜机的控制部分主要由三菱PLC和EasyView触摸屏构成，人机界面-EasyView触摸屏可以对各种状态进行后台控制，设定、监视各种工艺参数的值或状态，下位机-可编程控制器主要由FX2N系列模块、模拟量输入/输出转换模块等组成，上位机-EasyView触摸屏主要完成系统中各种信号、参数的检测以及信息处理和输出控制等功能，系统结构如图2.5所示。
人机界面 三菱触摸屏 CPU 三菱PLC RS232/485 I/O接口 DI DO AO 真空蒸发镀膜机 图3.1 控制系统结构图
3.1 可编程控制器PLC简介
1969年，世界上第一台可编程控制器PLC是由美国DCE公司研究出来的。从70年代初到现在，PLC在工业控制的应用领域占据着主导地位，如今PLC已经发展成一个巨大的产业，美国PLC和欧洲PLC是在互相隔离的情况下形成的，他们独自的研究开发了PLC，美国的PLC和欧洲的PLC产品充分表现出明显的差异性，而日本是从美国引进的的PLC技术，因而日本的PLC产品对美国的PLC产品有一定的继承性，日本的主要产品是定位在小型PLC上，亚洲占据着主要市场。
3.1.1 可编程控制器的定义
可编程控制器的核心是微处理器，采用存储器，用其在内部存储执行逻辑运算、算术运算、时序控制、计数和定时等操作，并带有数字式和模拟式的输入/输出来控制生产过程，可编程控制器及相关设备都具有易于与工业控制系统集成、容易扩展功能等优点。
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3.1.2 可编程控制器的工作原理
采用“循环扫描”的方式是可编程控制器的系统工作的独特之处。可编程控制器在运行时，其内部要进行一系列操作，大致包括6个方面的内容，其执行顺序和过程如图3.1所示。
PLC上电瞬间 初始化处理 系统自诊断 通信与外设服务 输入采样 执行用户程序 输出刷新 图3.2 PLC工作过程
可编程控制器的存储器一般有下面两种类型：EEPROM-只读存储器、RAM-可读写随机存储器，CPU大多集成多个存储器，并且可以选择是否支持EEPROM存储器 。
3.1.3 可编程控制器的主要特点
如今，可编程控制器的出现，使控制领域中困扰人们的抗干扰、可靠、安全、方便、灵活及经济等都有了很好的解决，同样也使得可编程控制器迅速发展，它具备了许多独特的优点，可编程控制器的主要特点如下：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
I/O接口电路为实现电气隔离使用继电器、光电耦合器，降低接地干扰和其他的干扰，加上其他的软件、硬件噪音对策措施，可编程控制器的可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是可编程控制器的最显著的优势。可编程控制器连续工作数十万个小时，几乎没有故障，1年的连续使用时间是8765小时，几十年也无故障。通常是35年以上，可以说是无故障设备。可编程控制器上抗干扰能力强，可靠性高，因为它在恶劣的环境中也能使用。
（2）编程简单，易于使用
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由于程序设计简单、易于使用的特点，使得可编程控制器迅速普及。PLC梯形图编程语言和继电器控制电路可以说是非常相似的，而且不需要专业的计算机知识，只要学会一定的电工知识就可以很快学会。
（3）网络的便利，沟通能力
可编程控制器有多种通信接口和模块，可编程控制器可以连接到智能仪表并可以进行相应的操作。PLC网络和其他工业LAN相比，虽然没有什么特别的地方，但它具有较高的性价比，这必然是可编程控制器的优势之处。
3.2 硬件设计方案与论证
3.2.1 硬件设计的技术要求
依据真空镀膜机电气控制系统的设计需求和技术指标,可以得知控制单元的技术要求如下:
（1）控制对象为蒸发式卷绕系统真空镀膜机；
（2）既满足手动工艺运行流程，也能满足自动工艺运行流程，在需要时，手动和自动模式能够切换；
（3）PLC和触摸屏完成实时通信，设置和手动调整各种工艺参数，动态显示开关的工作状态、模拟量的在线监测、卷绕镀膜系统的运行状态等内容
（4）由热偶计和电离计构成的复合真空计完成前级真空度的测量，当真空度达到了某一个设定的值会给PLC一个信号，然后由PLC来启动真空泵的开关。 （5）真空蒸镀薄膜的厚度采用在线测厚仪来测量，测试出来的数据传送至到PLC ，经过A/D转换模块，与存储在PLC内部设定的数据相比较，经过闭环控制后，再经过PLC的D/A模块输出的模拟信号作为镀膜机直接读取的光密度数据。实现对蒸发量的控制。
（6）张力控制器完成对张力的自动控制，将张力传感器测到的信号传到张力控制器，然后进行闭环控制。
（7）控制系统的工作方式为连续式：抗干扰能力强，结构简单，接线简单，操作灵活，可靠性高，维修量小； （8）综合考虑电气控制系统的成本； （9）保护与报警功能。 3.2.2 PLC型号选择方案与论证 3.2.2.1 PLC选型原则
PLC选型是系统设计的一个关键环节,要按照满足控制系统的功能需要、兼顾维修和备件的通用性的基本原则来进行设计，在PLC选型时，主要考虑以下几个方面：
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（1）功能要适当； （2）选择程序存储器容量； （3）I/O点数的准确统计； （4）考虑输入输出信号的性质； （5）性能价格比；
（6）编程器与外围设备的选择； （7）估算系统对PLC响应时间的要求。 3.2.2.2 PLC的选型与论证
现在有数百家生产PLC产品的厂家，大小厂家的产品又分为很多种类的系列，要对各种型号的PLC进行详细的比较几乎不大现实，根据相关分析了解到该电气控制系统是小型控制系统，表3.1列出的是占据我国主要市场的两个公司的小型PLC，分别列举他们两家的功能和价格，价格采用网上询价和自动化的网络的自动报价相结合的方法得到，比实际价格偏高一些。
由表3.1可知，三菱FX2N系列的小型PLC性价比较高，在中国占据着大部分市场，因此将日本三菱电机FX2N系列的PLC作为最终的选择。 3.2.3 PLC主机选择方案与论证 3.2.3.1 PLC输出方式的选择
PLC常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出是采用继电器触点和外部线圈将PLC的内部电路和的负载电路实现电气隔离，使用寿命短，响应时间晚，触电断开时容易出现电弧。容易产生干扰。晶体管输出是采用光电耦合控器控制外部负荷，光电耦合器会使晶体管截止或导通，然后通过PLC的内部电路和晶体管输出电路实现电气隔离，这样会使寿命变长，频率响应速度很快，常用高速响应的场合，
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例如电器、直流电动机以及电磁阀。双向晶闸管输出接口的响应速度快，工作频率高，但是缺点很多，它的负载能力差，只可以驱动交流负载，价格比前两个都高。由于真空镀膜机中电磁阀频繁开关次数较多，故选择晶体管PLC。 3.2.3.2 主机的选择
FX2N系列主机具有很多种不同输入、输出点的主机,并且还可以灵活地扩展单元,对它进行16-256点的输入、输出组合，如表3.2所示
在控制系统中,有13个输入信号，15个输出信号，依据留有10%-20%余量的选择原则，计算如下：
开关量输入信号：13* (1+15%)=14.95 (取15点) 开关量输出信号：15*(l+15%)=17.25 (取18点)
根据计算出来的1/0点数和表3.2的数据，定出以下两种方案：
方案(1)选择一台FX2N-32MT：16入/16出，晶体管输出,4400.00元，另选择一台FX2N-8EYT：8出，晶体管输出，1320.00(共计:5720.00元)。方案(2)选择一台FX2N-48MT：24入/24出，晶体管输出，4660.00元；
显而易见，方案(2)可靠性较好，价格较低，能满足电磁阀高速频繁开关的需要，因此选用方案(2)。
3.2.4 模拟量输入/输出的选择方案与论证 3.2.4.1 模拟量输入/输出模块选择方案
（1）模拟量输入模块FX2N-2AD：该模块为2路电压输入（0～10V DC，0～5V DC）或电流输入（4～20mADC），转换的速度为2.5ms/通道。
（2）模拟量输入模块FX2N-4AD：该模块有4个输入通道，转换的速度最高位
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6ms/通道。FX2N-4AD占用8个I/O点。
（3）模拟量输入模块FX2N-8AD：该模块有8个输入通道，转换的速度最高位12ms/通道。FX2N-8AD占用8个I/O点。
（4）模拟量输出模块FX2N-2DA该模块用于将12位的数字量转换成2点模拟输出。输出的形式可为电压，也可为电流。本模块需占用8个I/O点。适用于FX1N、FX2N、FX2N子系列。
（5）模拟量输出模块FX2N-4DA：该模块有4个输出通道。并且提供了12位分辨率的数字输入。
他们的价格分别如表3.2所示：
在控制系统中,有4个检测信号，2个模拟输出信号,依据留有10%~20%余量的选择原则,计算如下：
模拟量检测信号：4*(l+10%)=4.6(取5点) 模拟量输出信号：2*(l+10%)=2.3(取3点)
根据上述模拟量数量和表3.2的价格，定出以下两种方案:
方案(1)：1个FX2N-4AD，1个FX2N-2AD，1个FX2N-4DA，7760元 方案(2)：2个FX2N-4AD，1个FX2N- 4DA，7180元
很明显，方案中的模拟模块都没有超出FX2N-32MT的扩展模块数，方案(2)价格优惠，且都预留了一个通道，综合来看，方案(2)比方案(1)更加合理，因此选择方案(2)。
3.2.5 PLC控制单元的设计方案
PLC主机与模拟模块的连接如图3.1所示，A/D模块的编号分别为O号和1号，D/A模块的编号为2号，PLC和三菱触摸屏之间需要的是双向实时通讯，因此选用FX2N-485ADP通信模块，FX2N系列模拟模块如图3.3所示。
FX2N-48MT FX2N-4AD FX2N-4AD FX2N-4DA FX2N-485ADP #0 #1 #2 图3.3 PLC主机与模拟模块的连接图
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3.2.6 PLC接口电路设计
晶体管型PLC带负载能力较小，在工程上PLC一般不直接连接接触器和电磁阀，有时候要加其他东西来带动大负载，如继电器、固态继电器等，因此我们通过中间继电器(KA)去控制接触器、电磁阀的开关量和模拟量的输入/输出接口电路，如图3.3所示。
图3.3 PLC接口电路
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3.3 触摸屏简介
随着多媒体信息查询方式的与日俱增，人们越来越多会接触到触摸屏，因为触摸屏作为一种新兴的电脑输入设备，赋予了人们最简单、方便、自然的输入方式，触摸屏的优点也有很多，它坚固耐用、反应速度快、节省空间。利用这种技术，只要用手指轻轻地触摸计算机显示屏上的图符或菜单选项就能实现你想要的操作，体现了人机交互的人性化思想，这种技术极大方便了那些不懂电脑操作的用户，它赋予了多媒体简捷、方便的信息查询方式，是极有吸引力的全新多媒体人机交互设备。 3.3.1 触摸屏的技术简介
因为采用鼠标或键盘来输入或控制信息，使操作变得很不方便，于是人们开始研究触摸屏。触摸屏主要由两部分组成，分别是触摸检测部件和触摸屏控制器，按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，可将其分为四种：为电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式。
我们平时可以看到，触摸屏是装在显示器屏幕前面，检测部件就在触摸屏内，可以用来对用户触摸位置的检测，当你触摸显示屏上的图标时，检测部件会接受到信号后将其传送至触摸屏控制器，其功能是从触摸点位置接收信号，然后转换成触点坐标，再传给CPU处理，触摸屏检测器同时也能接收CPU发来的命令。在工作的时候，我们用手指触摸触摸屏上的选项，然后触摸屏检测部件自动根据手指触摸的图标来确定信息输入。在本次设计中，我们采用的是EasyView500系列中的MT510S型触摸屏，它可以兼容几乎所有的主流PLC和某些品牌的运动控制器，Easyviwe触摸屏采用的是高品质、高亮度的液晶面板，功能丰富，可以多个窗口同时监控数据。它在画面刷新速度上处于领先地位。 3.3.2 触摸屏与PLC的连接
PLC和触摸屏连接通信口类型选用FX-485ADP通信模块，触摸屏与PLC的连接方式，如图3.4所示。
图3.5 触摸屏与PLC的连接
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参数设置可点击主菜单中的“编辑”下的“系统参数”在PLC设置一栏中设置如下：
PLC类型：ModBus RTU、人机类型：你所使用的类型、通讯口类型：RS-485 2W、波特率：19200，数据位：8位、校验位：偶校验、停止位：1、PLC站号：1、其余为缺省值。设置结果画面如图3.5：
图3.5 操作界面和参数设置
3.4 卷绕系统设计
卷绕控制系统是比较常见的控制系统之一，常用于塑料收卷、包装、印刷、造纸、钢铁等工业领域中。引入线带或线材的收放卷张力在产品的质量中是一个相当重要的角色。镀膜的质量好坏直接会受到张力控制系统的影响，材料的张力一旦小了，辊轴和材料之间的摩擦力小，容易出现滑动的现象，材料还可能会出现皱纹。张力一旦大了，材料处于拉伸的情况下，这样镀膜出来效果不好，因此
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不管是有皱纹或者拉伸的情况下镀膜，这两种情况都会影响镀膜的质量，也就说，张力要在一个合适的值，如果经常变化，对镀膜质量产生不利的影响，所以张力控制的目的有：
(l)保证材料行走的稳定性：防止横向移动，辊轴间要固定，以免发生松动； (2)防止变形：如皱纹和伸缩； (3)确保尺寸精度：如厚度、宽度等；
(4)确保收卷质量：不产生间隙、不产生皱纹、不错位、确保紧密度和卷径。 3.4.1 卷绕系统介绍
整个卷绕张力系统由收卷辊、放卷辊、张力检测辊、弹簧辊、导辊、压辊、冷却辊(主辊)、收卷跟踪机构等组成。卷绕系统各导辊的布置详见图3.6。
图3.6真空镀膜机卷绕系统示意图
图3.6中，整体的镀膜速度直接受冷却辊8的速度的约束，因此，要保证镀膜精度，冷却辊的速度应该保持在一个恒定值，为此，可以采用伺服电机并结合变频器来控制冷却辊的速度，其实该速度与张力无关，但是在张力比较大的时候，电机的输出功率会变大。整个镀膜过程描述如下：收卷辊、冷却辊都是由交流电动机拖动，制动器控制放卷辊，变频调速器控制交流电动机，镀材由放卷辊放出，
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铝丝由送丝机构送出，镀材经过冷却辊，铝丝经过蒸发薄膜沉积在镀材上，然后由收卷辊将镀好的薄膜送出。镀材在放卷辊放出以及收卷辊收卷的过程中，要求薄膜上的张力是一个恒定值。由放卷辊放出的原膜经过导辊、弹簧辊、展平辊、张力检测辊，在中间辊上进行处理，经收侧导辊、弹簧辊、展平辊、张力检测辊，由收卷辊收卷。
3.4.2 收放卷张力控制系统结构
图3.7放膜卷张力控制框图
图3.7是放膜卷张力控制框图，在放膜过程中，我们要将进入冷却辊镀膜的张力维持在一个恒定值， 采用三菱LE -40MTB-E型的张力控制器对张力进行闭环控制可以达到很好的效果。由于电容膜收卷质量，镀膜产品的质量，均会因收卷张力的好坏而受到影响，所以在收膜过程中，采用 LE-40MD型卷径计算工具与LE-40MTB-E型的张力控制器相结合的方式，使用外部锥度控制可实现高准确度的张力控制。控制框图如图3.8所示
图3.8收膜卷张力控制框图
3.4.3 张力控制方法
张力的控制方法按照不同的工艺要求,可以分为两种类型，分别为直接张力
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控制、间接接张力控制。采用张力传感器形成的张力闭环控制是直接张力控制系统，直接张力控制就是使用浮辊作为张力传感器，然后使用机械电位器确定位置，并与给定的位置做差，将差值传至位置调节器，实现电流环、速度环、位置环的三环的张力控制，张力控制的微处理器作为控制核心，实现了实时的复杂的控制算法，对张力传感器的硬件检测，在以张力反馈实现闭环控制，实现高精度的张力控制。
速度调节器可以维持张力恒定，通过控制其输出幅值可以达到张力的恒定的控制是间接张力控制，通常情况下，使用最大力矩的控制或恒功率的控制的方式，能实现要求较低的控制系统的设计目标。在这个研究项目中，因为要在卷绕时，要求薄膜的张力随着薄膜的运动时不发生变化，因此，张力的控制不仅要求在动态的时候不发生变化，而且要在加、减速时保证张力不发生变化，这样的张力控制系统需要补偿动态力矩，尤其是补偿因加、减速或者摩擦引起的力矩。故本研究的项目采用的是属于直接张力控制的反馈式张力控制来维持张力的恒定。
需要说明的是，张力检测不需要另外加上，它已经在直接张力控制里面，系统的简约图如图3.9所示，因为张力F这个性能指标直接由检测量反映了出来，因此相比较间接控制而言，该控制系统的结构简洁，它对张力传感器的精度、灵敏度及可靠性依赖比较大，成本相对较高。 3.4.4 张力执行元件
在薄膜在运行的过程中，会因为外部物理或化学元素的影响和薄膜材质的变化，张力会发生变化，且变化的幅度和频率都很大，因此，要求必须检测系统张力的瞬间变化，且能及时跟踪张力使其不变，所以在选择系统的张力调节机构上，不仅需要和控制算法匹配，被控对象的实际情况也要考虑进去。所以要满足： (1)要具有线性度良好的机械特性、调节特性，特性硬； (2)电机转动惯量小、启动性能好、并具有较小的机电时间常数；
(3)系统响应速度快，且电机能在堵转和低速下运行,对速度和位置的控制有较高的精度、稳定性及可靠性好；
以下是恒张力控制方法的比较： (1)力矩电机及驱动控制器
力矩电机是通过特殊改造的交流笼型电机，是随着转速的上升，输出转矩减少的反相关特性，卷径比（最大卷径/最小卷径）小，而且对一定的速度移动卷取机构来说，有着能使用滑动式等简单电压调整器任意实现收卷的优势。
a.性能：张力控制稳定型弱，线性度较差； b.对张力的精度要求不高，如：电线、电缆。 (2)磁粉制动器张力控制
a.精度差：线性不够好，卷径的可控制范围较小；
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b. 磁粉制动器的可靠性差，维护费用高(经常要更换磁粉)，故障率高，发热严重且功率大的还需要水冷设备。
c.性能：相比力矩电机来说，张力稳定性较高，使用范围光，具有张力速度可随时修改的性能，。 (3)舞蹈棍控制器
a.性能：张力控制稳定性好,有张力储能的作用，但张力控制起来不方便； b.调速单元必须是响应的速度快，机械设备较繁琐，适用范围只在线材中使用，不能在片材中使用，如：光纤光缆。
c.无法在较大型的张力控制适用。 (4)直接张力闭环控制
通常情况下，驱动电机的选择我们是采取伺服电机、矢量变频器。 a.性能:张力控制的稳定性较好，调速单元必须响应速度快,并显示张力，系统易发生振荡；
b.电气设备繁琐，要求有张力控制器和张力传感器。
张力控制系统的电机驱动形式主要有四种类型，分别是直流调速驱动、交流调速驱动，力矩电机驱动及交流变频驱动，交流调速电机具有运行可靠，结构简洁，维护方便等优势，而直流电动机具有堵转转矩大和调速及启动特性好的优点，但是电机的电刷和换向器之间形成滑动机械接触的现象，从而导致电机精度的下降以及可靠性变差，换向器电刷装置还会导致电机结构变得复杂，噪音变得很大，维护起来麻烦，因此目前使用最广泛的还是交流变频调速。 3.4.5 送丝系统简介
步进电机在本研究中是用来驱动送铝丝机构的。本次设计采用的被镀材料是铝丝。整个过程描述如下：
将铝丝通过步进电机送到蒸发舟上，铝丝到达蒸发舟后，因真空条件及坩埚的温度较高，铝丝很快就会融化、蒸发，沉积到被冷却辊冷却的原膜上，得到一定厚度的薄膜。送丝系统分为5个部分，人机界面、三菱PLC控制器FX2N-48MT、三菱脉冲功能模块FX2N-1PG、步进电机驱动器LE4-40和2相步进电机组成的。 蒸发舟的控制是通过晶闸管交流调压器，送铝丝的速度会因原膜的速度及镀好了的膜层厚度而发生变化，这样整个过程可以得到控制。
直流步进电机由LE4-40步进电机驱动器驱动， FX2N-1PG脉冲模块发出的正向脉冲信号会由LE4-40接受，LE4-40向FX2N-48MT反馈驱动报警信号，FX2N-1PG和FX2N-48MT之间通过数据线进行数据通信，按键输入速度数据，具体系统构成框图如图3.8所示：
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图3.8 送丝系统构成框图
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4 PLC程序设计
在镀膜机的PLC控制软件系统的设计中，程序被分为三个部分，分别是自动运行程序、手动调试以及工艺运行程序，这不仅使程序简单化了，而且还增加了程序的可读性，在调试控制电路的时候，用户只需要修改在触摸屏上的工艺参数，就可以完成镀膜过程，操作简单、方便。自动工艺流程图如图3.9所示
4.1 PLC编程思想
（1）自动运行程序
要采集的工艺参数包括真空度、张力、电机转速等，然后通过PLC的A/D扩展模块进行转换，然后经过当量处理，为了使程序在扫描过程中方便调用和处理，将程序存储于在PLC的数据地址中。根据工艺运行的实际情况，为了方便地对系统进行升级，在设计时，预留计时器和寄存器等元件。在设备运行正常后，操作人员只需选择自动或手动模式，然后系统会自动地开真空室门，取工件，装工件，关上门，按下运行键，可以看到触摸屏上的参数在变化，镀膜机自动地完成工件的加工，自动运行程序流程采用的是步进指令SET、RST，时间继电器控制是来控制状态转移的。
（2）程序手动调试
手动调试是在设备调试和确定系统参数过程中必不可少的操作步骤，手动调试有很多方便之处，程序可以单步执行，改变扫描周期等好处，因为所有泵和电磁阀的开关都要实现定义好顺序，并且要严格按照顺序执行。所以如果按照手动流程图执行手动操作，利用单步指令可以调试真空镀膜机使其在正常工作状态下转成自动状态。
（3）工艺运行程序
工艺运行程序是这个控制系统的重要组成部分，在这个程序任务中需要采集薄膜厚度信息、张力大小、转速大小等信息，并且将数据处理后实时显示在显示器件上如触摸屏，通过触摸屏能够改变工艺参数，完成对工件镀层的控制。这个程序有以下几部分组成：模拟量的读写指令、传输指令、基本指令等组成。将程序模块化，这样减少了程序的复杂性。
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检查接通水、电、气正常，无报警 启动卷绕系统 触摸屏与控制面板均选择手动 启动送丝系统 手动开维持泵和机械泵， 开旁路阀，开预抽阀 开强电流使铝丝蒸发， 对工件镀膜 蒸镀完 N 给扩散炉加热40分钟 告警 N Y 前级真空度≤9.9Pa 停卷绕系统 Y 关旁路阀，开罗茨泵，继续抽真空 告警 N 前级真空度≤4Pa 停卷绕系统 停步进电机 Y Y 关预抽阀，开前级泵，开高阀 通过扩散泵抽真空 告警 N 前级真空度≤0.01Pa 关扩散泵和镀膜室门，开启机械泵和预抽阀 对镀膜室抽低真空 关机械泵和预抽阀，待扩散泵冷却，关复合计和维持泵。 Y 新一轮镀膜工艺开始 图3.9自动工艺运行程序 关前级阀，关高阀， 开充气阀
4.1 PLC程序调试
根据真空镀膜机中要实现的功能来说，对工艺流程进行编程我们打算采用三菱公司提供的软件，该编程软件能够在Windows95/98/NT下运行，兼容fxgpwni
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软件，能够方便的下载程序和在线调试程序，同样也方便了梯形图与指令表之间的转换，软件监控与仿真系统等功能成为一个现实，可以在线和离线调试功能包括组件的测试和外部I/O设备的模拟操作等，由于梯形图逻辑测试允许在计算机中进行编程和调试，使得检查一个的程序将变得快速且容易软件操作界面的编程，如图3.10所示。
图3.10 编程软件操作界面
从调试程序的经验来说，就是先手动后自动，意思就是说是指先调试手动部分的程序,再调试自动部分程序，因为自动运行的基础是手动运行，各种工艺参数的确定是要靠慢慢调试修改以及经验值来做到的，仿真与在线调试的结合同样也是调试修改程序的一部分，也就是说利用仿真软件的同时还要兼顾着离线调试PLC程序，观察输出开关量间的联动与互锁，观测程序是否满足工艺运行过程,发现PLC参数误差等等，最大限度的减少在线调试的工作量:在线调试程序是基于离线调试和硬件独立的程序以及适当的修改再加上技术人员的帮助下，慢慢完成工艺运行的整个过程，相应地对模拟量转换当量进行合理的调整，进一步完善使软件程序能够得到完善，进而满足整个控制系统的需求。程序测试的过程是非常艰苦的，调试者应该具有科学、求知的态度，在整个软件程序中，将主程序分成了四大部分，这样具有结构简单、布局合理、思路清晰的优点，利用的跳转指令能够有效地减小程序扫描周期，加强了控制系统的实时性。
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结 论
根据真空镀膜机的电气控制系统的需要，研究了PLC控制单元、触摸屏的设计、卷绕张力控制系统以及变频调速等几个部分，取得了一些创新性的成果，根据真空镀膜机控制系统的工艺参数和工艺设计的需求，将分别以单片机、工控机、PLC核心的控制系统相比较，最后确定主要由PLC控制单元作为控制部分，整个PLC控制单元分为真空单元、检测单元、张力控制单元等几部分组成，控制系统采用手动控制和自动控制的设计相结合的方式，以PLC为核心，通过对真空度、薄膜的厚度、张力的模拟量采集以实现电机的自动控制和电磁阀门开关的执行，利用PLC和触摸屏的实时通讯，实现对工艺参数、真空泵的开关状态以及蒸发量的状态的检测，通过分析PLC的CPU模块和扩展模块模拟数字输入输出的选择，最后确定13路的数字输入、15路的数字输入以及3路的模拟输入、3路的模拟输出，为了采用性价比较高的产品，我们对价格也进行了比较，最后确定选用三菱PLC主机FX2N-48MT，模拟量扩展模块2个FX2N-4DA，1个FX2N-4AD，采用FX-485ADP触摸屏通信模块，又因为整个电气控制系统的正常运行会直接受到PLC接口电路的影响，而PLC接口电路决定了I/O的地址分配的和A/D、D/A扩展模块相关的通道，做好这些才是PLC软件编程的基础，所以我们考虑变址查询方便的设计地址配置，工艺操作程序梯形图由仿真软件编写，从调试程序的经验来说，就是先手动后自动，意思就是说是指先调试手动部分的程序,再调试自动部分程序，因为自动运行的基础是手动运行，各种工艺参数的确定是要靠慢慢调试修改以及经验值来做到的，仿真与在线调试的结合同样也是调试修改程序的一部分，逐渐调整后基本上能满足真空镀膜机的电气控制系统的要求。
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真空镀膜机电气控制系统设计
致 谢
整个设计过程是曲折的,遇到了很多挫折，走过了很多弯路，流下了很多汗水，但是我还是要感谢这次设计，正是由于它们的存在，我才知道成功的艰辛，胜利的喜悦。
本论文得以顺利完成，压迫特别感谢我的导师李副教授对我无微不至的关心和帮助，感谢他在我撰写论文期间督促我的进度，在我遇到问题时及时给予不厌其烦的讲解和热忱的指导，特别是在论文成形之后，李聪老师对设计的初稿进行了逐字逐句地审查，提出了详尽的修改意见和建议，给我以很大的启迪和帮助。
同时,还要感谢济南大学自动化与电气工程学院的领导和老师对我多年的教诲,感谢我的同学与家人对我一如既往的支持，论文得以顺利完成，与他们的热心帮助是分不开的。
最后,对在我设计时提供过帮助的人们，道一声辛苦了，谢谢你们！
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真空镀膜机电气控制系统设计
毕业设计外文资料翻译
真空电弧镀膜工具的潜力和应用
摘要：空阴极电弧蒸发是广泛用于沉积硬质耐磨涂层的工具和零件。这篇文章综述了不同硬质涂层的发展前景，比如MeN, (Me1, M%)N, Me(N,C)形成的单层或多层形式以及在混合形式涂层。鉴于不同镀膜工具的应用，我们在这里讨论所选定的镀膜特性。 关键词：阴极真空电弧；涂层结构；粒径；涂料选择；混合涂料
1.真空电弧镀膜的发展
真空阴极电弧蒸发的发展始于20世纪60年代和而到了70年代，继续对硬质涂层[1-4]展开研究，真空阴极电弧蒸发系统在上世纪80年代和90年代[ 5-7]加速发展，多年来，几乎所有类型的工具可以通过真空阴极电弧蒸发可成功地涂覆。本文综述了为硬质涂层的真空阴极电弧蒸发沉积的可能性。选定的结果表明潜在的涂层的沉积方法。
2. 镀膜单元设计
图1显示了在高真空容器组件的布置安装。主要部件有电源供应器蒸发器，衬底支架电源，和进气系统。除了主要组成部分，还要安装更多的设备；这些包括辐射加热器，供电弧增强辉光放电的附加电极，在蒸发器和磁系统前面的来激发电弧运动或修改等离子体，以及特殊的系统通过电子碰撞加热来加热衬底[6,8]。通过电弧增强辉光放电的过程或使用那种在[ 8 ]的描述过的方法可以执行等离子体辅助化学热处理，比如在硬涂层沉积之前，进行渗氮。
不同类型的涂层系统在实践中得以应用：一个最大涂层区达3米的间歇镀膜机以及一种在线的镀膜机。
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真空镀膜机电气控制系统设计
图1高真空容器组件的布置安装
1阴极，2高真空容器，3磁系统进行了电弧的运动，4对等离子体改性的磁系统，5可移动的快门在阴极的前面，6与气体流量计和压力控制装置的进气系统，7可旋转的基板保持器基板，8辐射加热器，9用于电弧增强辉光放电电极，10电源（300个，100个V）的电子碰撞加热连接到B或弧增强辉光放电连接到，11弧电源（300 A，40 V），12衬底电压电源（1 500 V，30）。
2.1蒸发器和阴极材料
蒸发器的类型按它们的几何特性和馈电点的圆弧运动控制的性质分类。阴极的几何安排可以包括圆形状（直径值60-100毫米），矩形状（400-700毫米的尺寸在长度和宽度100-200公厘）或圆柱状（直径20-180毫米长度300-600毫米）活性表面[ 9 ]。利用阴极装有电磁等离子体指南允许等离子体被国家环保总局评为从宏观粒子流，因此只有等离子体粒子撞击在衬底上[ 11 ]。
电弧的运动可分为如下：随机弧（无外磁场域）；弱转向弧（弱的外部磁场用来保持运动的边界）；转向弧（具有很强的外部磁场的磁场能显著增加积分弧速度）；电控弧（由电气条件一定的变化对电弧运动的刺激）[ 12 ]。蒸发器所投入使用的电弧运动大多数是随机型和弱转向弧型。阴极材料可分为以下方式：均匀的组成元素的阴极上，由基体材料与插入阴极(Ti+Zr合金等）和阴极（A1Ti等）。
2.2特别领域的发展
在蒸发器目前的开发工作正在向脉冲电弧源转变，但广泛的工业用途的倍增
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的问题仍然是有待解决[13,14].
为了在基板上的修改涂层生长，脉冲电源的应用越来越广泛。一个特殊的电源产生的脉冲电压为10 kV，可用于在较低的温度下[ 15 ]的TiB2涂层。另一种方法是较高和较低的衬底电压调制[ 16 ]。此外，我们能够运用非对称交变磁场脉冲与在基板上的电位，使交流电子和离子电流撞击基板。
3. 涂层的组成和结构
3.1化学成分
在现代设计和硬涂层的应用最重要的元素组合图2所示，最经常应用的涂料是TiN和CrN，紧接着是Ti（N，C）和（Al，Ti）N，第三经常用的是ZrN, Cr(C,N), (Ti,Zr)N 和Me:CH，硬非晶C'H涂层可采用电弧增强辉光放电产生的等离子体，纯碳涂层可以通过蒸发石墨阴极处理 [ 17 ]。
图2.涂层的应用发展最重要的元素循环。线的厚度显示应用中的重要性，虚线显示的是研究和开发活动。
3.1结构
该涂层有着不同的体系结构，图3显示了一个构建原则的模型涂层结构。两种金属，被认为是氮和碳。涂层应能创建一个两相结构。忽略纹理效果和缺陷，可以通过相、涂层的厚度和化学成分描述该涂层，该涂料可根据层的厚度t和晶粒尺寸D的比例对其进行分类。
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图3化学组合物模型，相和纵横比：单层厚度除以晶粒尺寸
(1)当T / D > > 1。经典的多层膜可以通过化学成分和总厚度比在层的晶粒尺寸大得多的逐步变化进行描述（例如TiN 2μm /Ti(N,C) 2μm)。
(2)当T / D≈ 1。在一定的层序列的厚度几乎相等于晶粒尺寸。一个例子是多层HFC / WC（总厚度的20的杜松子酒，序列HFC 100 nm，WC 30nm）[ 18 ]。
(3)当T / D < 1。厚度小于晶粒尺寸。据报道，钛沉积（N）/ TiN涂层约10 nm的厚度可以通过反应气体的压力改变[ 19 ]。、
应该说，通过在涂层不同的T / D比值，接口的数量将会改变，因此机械性能也会不同如裂纹传播和硬度[ 18 ]。在解释硬度为单层涂层的晶粒尺寸的函数（由峰展宽法测量）时，结构效应的重要性很明显，图4显示的晶粒尺寸对硬度的影响（从[ 5,20-26 ]和我们自己的实验值）
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图4. TiN，ZrN和CrN涂层的硬度关于晶粒尺寸的函数
成分梯度涂层。化学梯度涂层可以通过元素的内容不断变化的创建：Ti（N，C）随碳含量的增加而变化，（Ti，Al）N随着A1的含量增加或减少 [ 27 ]。
多相涂层，许多涂层可沉积具有不同的相位的内容(例如 Cr2N + CrN) [28], 和 (Ti,Cr)N+(Cr,Ti)=N [29]). 结构是尺寸几个到几十纳米的纳米晶。
3.2纹理和压力
生长织构主要是（111）定位，但在一些情况下也有一个（220）的方向，例如CRN。当有（220）定位，在法维尔磨损试验，这样的CrN涂层表现出更好的性能[ 28 ] 。
应当指出的是，内压涂层的应力可通过改变工艺参数改变，典型值是在范围1-10 GPA。明显的应力状态与晶粒尺寸，增长的纹理和缺陷密度都有关系，Lower deposition temperatures result in a stronger (111) texture, a smaller grain size and higher stress state. 较低的沉积温度可以形成一个更强大的（111）的纹理、较小的晶粒尺寸和更高的应力状态。 3.4对于不同的体系结构的沉积方法
有许多方法中，通过涂层参数的选择可以控制一层序列中的组合物： (1) (2)
对阴极材料例如Ti75／125化学成分选择的（Ti，Al）N涂层或175 / 25为（A1，Ti）N涂层（在原子百分之值）。
两个或两个以上的蒸发器安装不同材料的操作（如Ti和Cr）；
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(3) (4)
不同气体（氮气，气态烃，氧，或它们的混合物）在反应蒸发； 采用不同的衬底的控制参数，如衬底偏置电压，衬底温度和沉积速率。
4.工具和涂层荷载的选择
图5显示了载荷作用的三维场，六种不同类型的工具操作期间。值已被选定的1和6之间的负载的重要性的定性估计。很明显，根据不同的工具的应用，最严重的负荷，机械（应力），热（高温）和腐蚀（物理攻击），有很大的不同。所以可以这样理解，不同的涂层性能要承受磨损，粘着磨损而产生不同的负载，分层和物理化学磨损（氧化，腐蚀，溶性）。涂料选择总的原则应该是基于在运行温度的以下属性：硬度和脆性，氧化率，热导率，电阻率，溶解度随涂层刀具的对应的承载能力，复合摩擦引发的在涂层表面的物理化学反应。因为大多数的上述的性质是未知的，因为大多数的上述性质是未知的，关于涂料的选择主要依据经验。在下面，试图在涂料的选择提供一些方向。在下面的命令的耐氧化性增加：Ti(N,C) (450°C),TiN (550°C), ZrN (600°C), CrN (650°C), (A1,Ti)N (800°C) [31-33]。显微硬度（HK 1N, 5μm对淬硬高速钢涂层厚度）增加如下：CrN (2300±400), ZrN (2400±400, TiN (2500±400), (A1,Ti)N (2600 ± 400), Ti(N,C) (2700 ± 400).。不同的缩进和弯曲方法呈现以下趋势：氮化铬，氮化锆，锡的脆性，（Al，Ti）N，Ti（N，C）。
图5.为不同类型的工具，显示不同的要求保护工具对磨损机制的不同负荷启动负载三维场。
5.指导方针和特殊应用
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5.1.锡，第一通用涂料
在前苏联，许多不同的硬涂层、二元、三元及四元的组合物，是由阴极真空电弧蒸发，但在西方主要沉积TiN涂层已使用不同的PVD技术沉积（溅射，阴极真空电弧蒸发，低电压的电弧，空心阴极弧）。因此，毫不奇怪的是，我们可以在所有应用领域找到成功的TiN涂层。然而，对于大多数应用程序，我们也可以选择另一个涂层的性能比锡类似或更好的（图6）。有趣的是，报告结果缝纫针工具制造和缝纫针本身在200°C.取代硬铬涂层与TiN可以显著增加针的寿命。
图6. 涂锡的齿轮滚刀后刀面磨损，Ti（N，C）和（Al，Ti）N，板材1.6511（36CrNiMo4），拉伸强度n.70-1250 MPa，切割速度20米min-1，每齿进给铣削宽度0.08毫米，20毫米，切削深度5 mm
5.2.CrN涂层，第二通用
细粒度的涂层结合低的脆性和足够的硬度和良好的抗氧化性能和耐腐蚀。工业的经验表明，CrN涂层可以更好地在金属成形比TiC / TiN涂层。图7显示，CrN涂层可以显著降低金属成形[ 34 ]的润滑要求。经过10 000冲程润滑的未涂覆的绘图工具的失败。CrN工具使用寿命的增加大于30的一个因素。这是决定用绘画与乳液复合降低润滑油的数量。而不是90毫升复合每100份只有16毫升浓缩乳剂用于绘制（乳液85：15）。我们获得了相同的工具的性能，与一个额外的积极影响减少洗涤之前。最后应该指出的是，工作速度对涂层刀具的增加，从而提高生产力。CrN涂层也显示了很好的效果，在制造铜材料在成型和切割和涡轮叶片材料时（Inconel）以及在玻璃形成。对于由弹性体零件模具，热塑性塑料、
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酚醛塑料已涂多年的成功。同时还发现，CrN涂层提高模具的寿命拉刀在2-15倍范围的压铸铝。
图7. 在金属深运用的CrN涂层冲头润滑图形成还原的例子，工件板材零件的几何形状，“帽子”（直径40毫米，高度为30 mm）。
5.3. Ti（N，C）高耐磨涂料
该涂层可沉积具有较高的硬度比TiN和CrN涂层的耐磨性要高，但是，与金属的附着力比锡低一点。虽然大多数的Ti（N，C）涂层具有的化学梯度结构，也有使用其他几个多层结构。对于特殊应用，如合金钢高切削，铝涂层材料和其他成形工具成形，Ti（N，C）与锡经常表现出比较好的优势。 5.4.（Al，Ti）N，高抗氧化涂层
这是众所周知的，更高的切削速度以及“坏”的润滑条件与高温生成。（Al，Ti）N涂层高Al含量（金属含量[的] / [钛]> 1）是最耐氧化涂层可沉积的工具的过程上[ 33 ]。这种涂料是最好的候选人符合条件的高切削速度和“无”操作。然而，据报道，（Ti，Al）N涂层（金属含量[A1] / [钛] = 1）磁控溅射不适于铣削操作[ 35 ]。图6显示A1TiN涂层的可能显著提高铣削刀具的性能。获得高镍合金材料和切削灰铸铁优良的结果。另据报道，如高镍合金或钛合金，有色金属材料的成型，A1TiN涂层可以有更好的表现比其他涂料。 5.5. ZrN的有色金属材料切割
ZrN涂层的硬度与TiN相似，然而，氧化锡，电阻较高[ 31 ]。人们已经发现，
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ZrN涂层是非常好的钻铣铝合金、钛合金等[ 5 ]。 5.6. 其他涂料
它以通过与Zr，Hf，Nb，V W和B[ 18,29,31,33,36,37 ]合金化提高硬度和耐氧化性的钛基涂层。这些涂料应用领域表现出更好的性能比其他涂料 CrCN涂层成功地应用于塑料的工具和不同的切削操作[ 36 ]。 5.7.混合涂料
对于某些应用，结合涂层是更有效地比单独的PVD涂层。具有腐蚀作用的摩擦学系统的具体案例，一个与PVD涂层无电镀镍层的结合应适用。另一个重要的变体是氮化处理的硬涂层沉积组合。这使得复合材料的承载能力得到提高，也给出了一个穿储备。最初，涂层CVD结果涂层硬质合金刀片的PVD涂层显示寿命可能上升[ 31 ]。
6.结论
（1）所有目前在PVD涂层市场工具可以通过CVAE和沉积右边的阴极材料和部件的长度可达3米，合适的气体混合物的选择。
（2）两个标准温度（400°C）和下涂层的温度（200°C）可用于工具。 （3）涂层的结构可以是多种多样的调整晶粒尺寸和层之间的比率厚度，由相的含量，通过生长结构的应力状态以及化学成分的变化。
（4）结合涂料组成的氮化PVD硬涂层可以创建一批没有中断的过程。 （5）细粒难CrN涂层似乎在使用第二通用涂料。
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