Способ управления плазменным потоком и плазменное устройство - RU2032280C1
Код документа: RU2032280C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к области плазменной технологии, а именно к способу управления плазменным потоком и плазменному устройству для его реализации.
Изобретение может быть использовано в электронной промышленности, в машиностроении, приборостроении, химической и других отраслях промышленности, где используется плазменная обработка поверхности.
Известен способ управления плазменным потоком, при котором плазменный поток формируется системой сходящихся плазменных струй, и характеризующийся тем, что с помощью магнитной системы на токоведущую плазменную струю накладывается магнитное поле. Благодаря этому имеется возможность путем задания величины магнитного поля изменять характеристики плазменного потока, в том числе его форму, размер, положение струй. Известный способ, однако, не позволяет осуществить контроль за параметрами плазменного потока [1].
Известен также способ управления плазменным потоком, при котором плазменный поток формируется по меньшей мере двумя сходящимися плазменными струями, и характеризующийся тем, что измеряют по крайней мере один из параметров плазменного потока и осуществляют воздействие на плазменные струи до достижения заданных параметров плазменного потока. В данном случае осуществляют слежение за температурой суммарного плазменного потока с помощью калориметра, а воздействие осуществляют путем изменения взаимного расположения плазменных горелок или изменения энергии дугового разряда на основе показаний калориметра. Известный способ, однако, не позволяет осуществлять контроль таких очень важных для результатов плазменной обработки характеристик суммарного плазменного потока, как распределение яркости излучения в сечении плазменного потока, распределение плотности ионов и активных атомов в плазменном потоке у обрабатываемой поверхности. Кроме того, в известном способе отсутствует возможность точного воспроизведения и удержания во времени параметров плазменного потока [2].
Вышеописанный способ может быть реализован с помощью устройства [2], которое содержит по меньшей мере две расположенные под углом друг относительно друга плазменные горелки, подключенные к источнику питания и к источникам плазмообразующего газа, узел регистрации по меньшей мере одного физического параметра плазменного потока и систему управления параметром. Такое устройство обладает теми же недостатками, что и описанный способ, т.к. позволяет осуществлять контроль только за одним параметром плазменного потока - температурой, а воздействие на плазменные струи осуществляется путем изменения взаимного расположения плазменных горелок или изменения энергии дугового разряда на основе показаний калориметра. Контроль за такими характеристиками, как распределение яркости излучения, плотности ионов и активных атомов в плазменном потоке с помощью данного устройства осуществлять невозможно. Данное устройство из-за отсутствия возможности точного воспроизведения и удержания во времени параметров плазменного потока не обеспечивает высокого качества обработки.
В основу изобретения положена задача создания такого способа управления плазменным потоком, который позволил бы достигать воспроизводства и поддержания на заданном уровне величин физических параметров суммарного плазменного потока. Фактически задача сводится к получению информации о текущих параметрах плазменного потока и приведению их в соответствие заданным параметрам путем управляющего воздействия.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления плазменным потоком, включающем измерение по крайней мере одного из физических параметров плазменного потока и образованного по меньшей мере двумя сходящимися плазменными струями, воздействие на плазменные струи до достижения заданных параметров плазменного потока, согласно изобретению воздействие осуществляют по меньшей мере на одну из струй в отдельности путем наложения на каждую из них магнитного поля, составляющая вектора индукции которого перпендикулярна направлению истечения плазменной струи, при этом величину управляющего воздействия на каждую из струй выбирают в зависимости от измеряемого параметра плазменного потока.
Предлагаемый способ управления плазменным потоком позволяет осуществлять постоянный контроль за всеми физическими параметрами суммарного плазменного потока, которые оказывают влияние на обработку поверхности, а также дает возможность управления ими. Техническим результатом при этом является воспроизводимость и повторяемость технологических результатов обработки. Кроме того, появляется возможность создания новых технологических процессов на основе точного слежения за параметрами плазменного потока.
Одним из основных физических параметров суммарного плазменного потока является его поперечный размер, выбираемый в качестве измеряемого параметра. Следят за поперечным размером суммарного плазменного потока и изменяют его путем изменения величины налагаемого магнитного поля по меньшей мере на одну из плазменных струй. Поперечный размер суммарного плазменного потока определяет удельное содержание тепла при заданной мощности, вкладываемой в электрический разряд при получении плазмы. Удельное содержание тепла, в свою очередь, определяет и результат обработки.
Другим важным и измеряемым параметром плазменного потока является распределение его яркости. Осуществляют слежение за распределением яркости и изменяют его путем изменения величины составляющей вектора индукции магнитного поля, налагаемого по меньшей мере на одну из плазменных струй, которая перпендикулярна направлению истечения данной струи. Плазменная струя в магнитном поле ведет себя как проводник с током, то есть со стороны магнитного поля на нее действует сила, пропорциональная величине составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной направлению течения тока. Под действием этой силы происходит смещение положения струи. Источником магнитного поля является электромагнит, расположенный вблизи горелки, формирующей данную струю. Соответственно положение остальных струй, образующих суммарный плазменный поток, изменяется незначительно из-за относительной удаленности их от рассматриваемого электромагнита. Положение других струй зависит от величины поля, создаваемого магнитами, расположенными вблизи этих струй. Между самими струями, как между проводниками с током, существует взаимодействие, которое приводит к незначительному изменению положения всех струй при изменении положения одной струи. Однако эти изменения малы по сравнению с изменениями, вызванными внешним магнитным полем, и могут не рассматриваться.
Распределение яркости зависит от распределения температуры плазмы, а следовательно, и распределения возбужденных атомов, молекул, ионов и электронов в плазме, то есть частиц, которые активно вступают в реакцию при плазменной обработке поверхности. Таким образом, результат взаимодействия плазмы с обрабатываемой поверхностью будет зависеть от распреде- ления яркости. Задавая распределение яркости, можно изменять интенсивность физичеcкого и химического воздействия на обрабатываемую поверхность. Если воспроизводить это распределение при повторных обработках и удерживать его, результат обработки можно стабилизировать.
В качестве дополнительного воздействия возможно изменение расхода плазмообразующего газа. Значение расхода плазмообразующего газа определяет упругие свойства плазменной струи. Так называемая квазиупругая сила, возникающая в плазменной струе при смещении ее положения с помощью магнитного поля, направлена противоположно направлению действия магнитного поля. Таким образом, плазменная струя занимает такое положение, при котором равнодействующая магнитной и квазиупругой сил равна нулю. Изменение упругих свойств плазменной струи ведет к ее смещению в точку равновесия. Кроме того, расход газа определяет условия истечения струи из сопла плазменной горелки, задавая таким образом ее размер, что в свою очередь влияет на поперечный размер и распределение яркости суммарного плазменного потока. И, наконец, изменение расхода плазмообразующего газа изменяет количество частиц в плазменной среде и их скорость. Как следствие, изменяется энергия, выделяемая в плазменной дуге. Это влияет на температуру, яркость, концентрацию ионов, спектр излучения и другие параметры плазмы.
В качестве еще одного дополнительного воздействия на плазменные струи может быть использовано изменение величины электрического тока по меньшей мере одной пары струй. Изменение величины тока приводит к изменению значения энергии, вложенной в плазменный разряд. Это приводит как к изменению количества заряженных частиц в плазме, так и к изменению температуры плазмы. Температура в плазме и на обрабатываемой поверхности, как уже было сказано, во многом определяет ско-рость химических реакций, протекающих при обработке.
Наряду с поперечным размером и яркостью плазменного потока важной характеристикой плазменной среды является распределение спектрального коэффициента излучения плазменного потока, который выбирают в качестве измеряемого параметра. Интенсивность излучения линий ионов, атомов, радикалов и молекул, содержащихся в плазменной среде, в первом приближении пропорциональна их концентрации. От концентрации этих активных составляющих плазмы зависят скорость и качество плазменной обработки поверхности. В связи с этим целесообразно иметь информацию о спектральном коэффициенте излучения плазменной струи, что дает возможность определить распределение концентрации активных частиц в результирующем плазменном потоке и, изменяя состав плазмообразующего газа или его расход, или энергию, вложенную в плазменный поток, изменять распределение спектрального коэффициента излучения в суммарном плазменном потоке.
Целесообразно следить непосредственно за концентрацией ионов в плазменном потоке и, воздействуя на плазменные струи путем изменения состава плазмообразующего газа или его расхода по меньшей мере в одной из струй, изменять величину концентрации ионов в суммарном плазменном потоке, так как в условиях взаимодействия плазменного потока с обрабатываемой поверхностью свойства плазмы претерпевают существенные изменения и плазма становится неравновесной физически и химически, а интерпретация в этих условиях спектральных данных сильно затруднена.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью плазменного устройства, содержащего по меньшей мере две расположенные под углом друг относительно друга плазменные горелки, подключенные к источнику питания и к источникам плазмообразующего газа, содержащего также узел регистрации физического параметра плазменного потока и систему управления параметром и снабженного блоком обработки, причем система управления выполнена в виде управляемых магнитных узлов, установленных на каждой из горелок и создающих магнитное поле, составляющая вектора индукции которого перпендикулярна к направлению истечения плазменной струи, причем выходы блока обработки соединены с управляемыми элементами магнитных узлов, а вход - с выходами блока регистрации.
Такое устройство с магнитной системой и системой контроля и управления физическими параметрами плазменного потока позволяет (простейшим образом) реализовать описанный выше способ. Узел регистрации физического параметра может быть выполнен в виде оптической системы, установленной так, что ее оптическая ось пересекает продольную ось плазменного потока и в плоскости изображений оптической системы установлен светочувствительный элемент.
В качестве светочувствительного элемента можно использовать линейку из фотоприемников, что позволит контролировать распределение яркости в поперечном сечении плазменного потока. Если в вышеописанном узле регистрации физических параметров установить диспергирующий элемент между оптической системой и светочувствительным элементом, то можно контролировать распределение спектрального коэффициента излучения в плазменном потоке.
Поскольку концентрация ионов влияет на электропроводность плазмы, то для контроля концентрации ионов можно в качестве узла регистрации использовать по меньшей мере, один электростатический зонд, выполненный в виде пары электродов. Этот электростатический зонд установлен так, что одни концы электродов контактируют с плазменным потоком, а другие подключены к источнику питания и измерителю тока. Весь узел установлен с возможностью поперечного пересечения продольной оси плазменного потока.
Для осуществления контроля за распределением теплового потока в качестве узла регистрации физического параметра можно использовать термопару, установленную с возможностью контакта с плазменным потоком, путем пересечения его в поперечном направлении.
На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, общий вид; на фиг.2 - оптический узел регистрации со светочувствительным элементом; на фиг.3 - простейшая схема блока обработки; на фиг.4 - оптический узел регистрации с линейкой фотоприемников; на фиг.5 - блок предварительной обработки сигнала с линейки фотоприемников; на фиг.6 - диаграмма сигнала, снимаемого с линейки фотоприемников; на фиг.7 - оптический узел регистрации с диспергирующим элементом; на фиг.8 - вид устройства с термопарой в качестве узла регистрации; на фиг.9 - простейшее устройство электрического зонда.
Обратимся сначала к фиг. 1 и рассмотрим принцип работы предлагаемого плазменного устройства, из которого станет ясна и сущность предлагаемого способа.
На фиг. 1 приведен вариант, содержащий три пары плазменных горелок 1, создающих суммарный плазменный поток 2. В парах горелки 1 расположены под углом друг к другу. Горелки 1 в паре снабжены электроприводом 3, позволяющим изменять угол и расстояние между ними. Каждая из горелок 1 снабжена магнитной системой, состоящей из разомкнутых магнитопроводов 4, на которых установлены соленоиды 5, подключенные к источнику тока 6. Каждая пара горелок 1 соединена с источником питания 7, представляющим собой источник постоянного тока, при этом положительный выход источника 7 подключен к одной плазменной горелке, а отрицательный - к другой. Кроме того, к каждой горелке 1 от системы подачи 8 подведен плазмообразующий газ. Устройство содержит узел регистрации 9, соединенный с блоком обработки 10, а выходы блока обработки 10 соединены со входами электропривода 3, источника тока соленоидов 6, источника питания 7, системой подачи 8 плазмообразующего газа. В качестве узла регистрации рассмотрим вариант с оптическим приемником, изображенным на фиг.2. Узел регистрации, изображенный на фиг.2, представляет собой однолинзовый объектив 11, оптическая ось которого пересекает продольную ось плазменного потока 2 и в плоскости изображения которого установлена линейка фотодиодов 12, выходы которых соединены с входами блока обработки 10. Простейший вариант блока 10 обработки приведен на фиг.3. Он представляет собой систему первичных сумматоров 13, на один из входов каждого из которых поданы значения токов с линейки фотодиодов 12, а на другой вход - заданные значения токов. Выходы первичных сумматоров 13 соединены с входами общего сумматора 14. В свою очередь с выхода общего сумматора 14 сигнал поступает на один из входов умножителей 15, на второй вход которых поданы весовые коэффициенты. Выходы умножителей 15 являются выходами блока обработки 10 и, например, подключены к управляющим входам привода 3. Выбор весовых коэффициентов осуществляют эксперимен- тально. Каждый коэффициент отражает степень изменения наблюдаемых параметров плазменного потока при данном физическом воздействии. Величина коэффициента тем меньше, чем в большей степени изменяется параметр плазменного потока при соответствующем единичном воздействии.
Работа установки осуществляется следующим образом.
В плазменные горелки 1 через систему 8 подачи вводится плазмообразующий газ, а между рабочими электродами горелок 1 от источника питания 7 через газовые струи пропускают постоянный электрический ток. Вытекающие плазменные струи, сливаясь, образуют суммарный плазменный поток 2. Начальное направление плазменных струю задают положением горелок от привода 3. Путем изменения угла между горелками 1 формируют необходимый размер плазменного потока 2.
На токоведущие участки каждой из плазменных струй налагают магнитные поля, составляющие векторов магнитной индукции которых перпендикулярны к направлениям истечения плазменных струй. Магнитное поле создают между полюсами разомкнутых магнитопроводов 4 путем пропускания через соленоиды 5 электрического тока от источника тока 6.
Необходимый поперечный размер плазменного потока 2 задается блоком обработки 10 путем установки значений токов I1 - I6 на входах первичных сумматоров 13. При отклонении размеров суммарного плазменного потока 2 от заданных на выходе первичных сумматоров 13 возникают разностные сигналы I1 - I6, пропорциональные разнице между наблюдаемыми и заданными значениями токов фотодиодов 12. Разностные сигналы I1 - I6 суммируются общим сумматором 14 и с его выхода поступают на входы умножителей 15. Выходы умножителя 15 являются выходами блока обработки 10 и управляющими входами для источника 6 токов соленоидов. При наличии сигнала на выходе умножителей 15 и появлении его на входе источника 6 токов соленоидов источник 6 будет изменять токи соленоидов до тех пор, пока сигнал с общего сумматора 14 не станет равным нулю, то есть установится заданный размер суммарного плазменного потока. Данная система построена таким образом, что при отклонении отдельной струи от заданного положения при неизменных положениях остальных струй управляющее воздействие будет осуществляться только на эту струю, так как меняться будет ток соленоида только наиболее близко расположенного магнита. Аналогичным образом дополнительно можно изменять поперечный размер плазменного потока 2 изменением расхода плазмообразующего газа как в одной, так и во всех струях. В этом случае сигналы блока обработки 10 являются управляющими для системы 8 подачи плазмообразующего газа и для источника 6 тока соленоида. Управляющий сигнал, поступающий в систему 8 подачи плазмообразующего газа, уменьшает или увеличивает расход его, тем самым влияя на изменение поперечного размера плазменного потока 2. Кроме того, выходы блока обработки 10 могут подключаться и к управляющим входам приводов 3. Алгоритм работы в этом случае аналогичен описанному выше.
Каждое из вышеперечисленных управляющих воздействий влияет на суммарный плазменный поток, формируя какой-либо из его параметров, однако само воздействие осуществляется на отдельные плазменные струи, образующие суммарный плазменный поток. Так, расход плазмообразующего газа имеет вполне определенное значение для каждой горелки и будучи изменен в одной горелке изменяет параметры прежде всего плазменной струи, которая формируется данной горелкой. Электрический ток, пропускаемый через пару струй, оказывает влияние сразу на две из струй, образующих суммарный плазменный поток. Как видно из фиг. 1, магнитная система выполнена таким образом, чтобы влияние магнитного поля, создаваемого каждым магнитом, было существенным лишь для струи, вблизи которой этот магнит расположен, и незначительным для всех остальных струй, образующих суммарный плазменный поток. Таким образом, имеется возможность воздействовать на каждую из плазменных струй в отдельности. Изменение параметров одной струи сказывается на параметрах суммарного плазменного потока.
Возможность параметров отдельных плазменных струй упрощает алгоритмы функционирования систем управления параметрами суммарного плазменного потока и повышает их эффективность, ибо в большинстве случаев "дрейф" параметров суммарного плазменного потока обусловли- вается изменением условий формирования плазменной струи в одной горелке и для возврата к первоначальным заданным параметрам суммарного плазменного потока достаточно изменить лишь параметры струи, формируемой данной горелкой.
Из вышеприведенного очевидно, что суть предлагаемого способа управления плазменным потоком заключается в том, что измеряют по крайней мере один из физических параметров плазменного потока и воздействуют на плазменные струи до достижения заданных параметров плазменного потока, причем воздействие осуществляют по меньшей мере на одну из струй в отдельности путем наложения на каждую из них магнитного поля, составляющая вектора индукции которого перпендикулярна направлению истечения плазменной струи, при этом величину управляющего воздействия на каждую из струй выбирают в зависимости от измеряемого параметра плазменного потока.
Описанное устройство позволяет контролировать и изменять поперечный размер суммарного плазменного потока 2. Однако одним из наиболее информативных физических параметров плазменного потока является распределение яркости излучения в поперечном сечении суммарного плазменного потока. По нему судят о размерах потока, его симметрии, распределении температуры и энтальпии, что есть о характеристиках потока, определяющих результат обработки поверхности. На фиг.4 показан оптический узел регистрации для слежения за распределением яркости суммарного плазменного потока 2, состоящий из однолинзового объектива 11 и фотоприемного устройства на основе линейки 16 фоточувствительных элементов. Изображение потока 2 проецируется объективом 11 на линейку 16 фоточувствительных элементов. В качестве фотоприемного устройства могут быть использованы линейки фотодиодов или линейки на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) с числом 100 и более фоточувствительных ячеек.
Сигнал с линейки 16 фотоприемников поступает в блок предварительной обработки, схема которого приведена на фиг.5.
В данной конкретной схеме использована линейка на основе ПЗС. Принцип работы этой схемы основан на сравнении уровня сигналов от каждой ячейки с уровнем опорного сигнала. За координату центра струи принимается середина интервала, в пределах которого уровень сигналов от ПЗС-линейки 16 превышает уровень опорного сигнала. Схема работает следующим образом. По командам от генератора 17 сигналы с элементов линейки 16 через ключ 18 подаются последовательно на компаратор 19. В компараторе 19 они сравниваются с опорным значением и по достижении сигналом с какого-либо элемента приемной ПЗС-линейки 16 опорного значения компаратора 19 перебрасывается в положение "1", открывая тем самым ключ 20. Выход генератора 17 подсоединен через ключ 20 ко входу счетчика 21. При появлении сигнала "1" на выходе компаратора 19 ключ 20 закрывается и цифровой код на выходе счетчика 21 соответствует номеру элемента приемной линейки 16, сигнал с которого совпадал с опорным сигналом. Этот цифровой код записывается в регистр 22.
После открывания ключа 20 сигналы с генератора 17 проходят через элемент И 23 на счетчик 24 до тех пор, пока сигналы с элементов приемной линейки 16 не станут меньше опорного сигнала. После этого компаратор 19 перекинется в "0" и ключ 20 закроется. На счетчике 24 таким образом будет код, соответствующий количеству ячеек с сигналом, уровень которого превышает уровень опорного сигнала.
Код счетчика поступает в регистр сдвига 25, где осуществляется деление на 2 путем сдвига кода вправо на один разряд. Далее этот код и код регистра 22 складываются в сумматор 26 и поступают на цифроаналоговый преобразователь 27 и через ключ 28 на вход блока обработки 10.
Задний фронт сигнала после линии задержки 29 обнуляет счетчики 21 и 24. Задний фронт сигнала после линии задержки 30 открывает ключи 20 и 28.
После прохождения заднего фронта второго по счету сигнала "1" с линии задержки 30 счетчик 31 вырабатывает сигнал, поступающий на входы блока обработки 10 (фиг.3).
Таким образом, на входы первичных сумматоров 13 блока обработки 10 поступает информация о положении центров струй. В простейшем случае, когда результирующий плазменный поток формируется из двух сходящихся струй, проекционные данные с линейки 16 представляют собой двугорбую кривую, изображенную на фиг.6. Положения максимумов соответствуют координатам сходящихся струй в рассматриваемом сечении плазменного потока 2.
В данном варианте выходы умножителя 15 подключены ко входам источника тока 6 соленоидов 5. При взаимодействии магнитного поля с током, протекающим через токоведущие участки струй, в соответствии с законом Ампера возникает сила, отклоняющая плазменные струи. Таким образом, путем изменения тока в соленоиде 5 воздействуют на размер и форму суммарного потока 2.
Требуемое распределение яркости в плазменной струе задается в блоке обработки 10 путем установки значений токов первичных сумматоров 13, туда же поступает информация о положении центров, полученная с помощью ПЗС-линейки 16.
Работа установки в целом происходит аналогично тому, как и в вышеописанном варианте по фиг. 1. При наличии сигнала на выходе умножителей 15 и появлении его на выходе источников 6 тока соленоидов 5 последний будет изменять ток в соленоидах 5 магнитной системы до тех пор, пока напряжение на выходе умножителей 15 не станет равным нулю, что будет означить совпадение распределения яркости суммарного плазменного потока 2 с заданным значением. Магнитное поле создается магнитами по одному вблизи каждой горелки таким образом, что имеется возможность индивидуального управления струями. Однако в случае, когда все струи находятся в положениях, отличающихся от заданных, наиболее эффективным является изменение токов во всех соленоидах одновременно.
Дополнительно управлять изменением распределения яркости в суммарном плазменном потоке 2 можно также изменяя угол сходимости плазменных струй, то есть с помощью электропривода 3 (фиг.1) изменять взаимное положение горелок 1, или изменяя расход плазмообразующего газа в струях, или изменяя ток, протекающий по меньшей мере через одну пару плазменных струй. В этих случаях управляющие сигналы блока обработки 10 поступают либо на электропривод 3, либо на систему 8 подачи плазмообразующего газа, либо на входы источников тока плазменных дуг 7.
Возможно также управлять суммарным плазменным потоком 2 по результатам слежения за распределением спектрального коэффициента излучения суммарного плазменного потока. Это позволяет наиболее точным образом формировать и поддерживать заданный состав плазмы, который определяет скорость и качество плазменной обработки. На фиг.7 показан вариант оптического узла регистрации, включающего в себя однолинзовый объектив 11 (аналогично оптическому узлу по фиг.4), с помощью которого изображение плазменного потока проецируется на щель 32, вырезающую необходимую проекцию потока. За щелью 32 установлен диспергирующий элемент - призма 33. Призма 33 установлена с возможностью разворота вокруг оси, перпендикулярной оптической оси объектива 11. Излучение, сформированное объективом 12 и щелью 32, после прохождения призмы 33 разлагается в спектр, который регистрируется ПЗС-линейкой 16. Разворотом призмы 33 на ПЗС-линейку 16 проецируют излучение на определенной длине волны.
При этом в блок обработки 10 установки по фиг.1,3 закладывают необходимое значение распределения спектрального коэффициента излучения на определенной длине волны. Сигнал с ПЗС-линейки 16 поступает на вход блока обработки 10, на выходе которого появляется управляющий сигнал, который поступает на вход системы 8 подачи плазмообразующего газа, изменяя состав газа, например, путем увеличения расхода примесного кислорода в плазмообразующем газе - азоте.
Устройство, показанное на фиг.8, позволяет управлять суммарным плазменным потоком, измеряя и изменяя величину теплового потока в суммарном потоке 2 всеми вышеперечисленными способами. Тепловое воздействие приводит к разогреву обрабатываемой поверхности, что влияет на скорость протекания химических реакций в процессе обработки и может привести к неравномерной обработке поверхности или к обработке поверхности низкого качества.
В устройстве по фиг.8 узел регистрации физических параметров суммарного плазменного потока 2 выполнен в виде привода 34 с держателем 35, на котором установлена термопара 36. Привод 34 позволяет держателю 35 с термопарой 36 совершать вертикальные перемещения вдоль плазменного потока 2 и перемещения в горизонтальной плоскости для пересечения плазменного потока 2. Термопара 36 установлена на держателе 35 так, что ее чувствительная площадка в момент пересечения плазменного потока 2 контактирует с ним. По величине ЭДС, возникающей на термопаре, судят о величине теплового потока в измеряемом сечении плазменного потока 2. Аналогично описанному выше сигнал с термопары 36 поступает в блок обработки 10, а с него на источник питания 7 плазменных горелок 1, изменяя величину проходящего через них тока.
Вертикальное положение держателя 35 позволяет измерять тепловой поток в любом сечении плазменного потока 2. При взаимодействии плазменной струи с обрабатываемой поверхностью свойства плазмы претерпевают существенные изменения - плазма становится неравновесной физически и химически. В этих условиях целесообразно следить за концентрацией ионов в плазменном потоке. От концентрации ионов зависит электропроводность плазменного потока. Чем выше концентрация ионов, тем больше электропроводность.
Поэтому для измерения электропроводности плазменного потока достаточно в установке по фиг.8 установить на держателе 35 дополнительный датчик, например электростатический зонд 37. Выполнение электростатического зонда 37 показано на фиг.9. Электростатический зонд содержит изоляционную пластину 38, в которой установлены два проводника 39. Нижние концы проводников 39 подключены к разноименным полюсам батареи 40 и в эту цепочку подключен измеритель тока 41.
Сигнал с измерителя тока 41 поступает на вход блока обработки 10 (фиг. 8). Верхние концы проводников контактируют с потоком плазмы 2 в момент перемещения держателя 35 в горизонтальной плоскости. При пересечении зондом плазменного потока 2 ионы и электроны, находящиеся в плазме, создают направленное движение от одного проводника, находящегося под напряжением, к другому. В результате происходит замыкание электрической цепи и в ней начинает протекать ток, величину которого фиксирует измеритель тока 41. По величине измеренного тока судят о концентрации ионов в плазменном потоке 2.
Изменять концентрацию ионов можно аналогично описанным выше примерам, изменяя состав плазмообразующего газа или изменяя его расход.
Для измерения распределения концентрации ионов в потоке необходимо на изоляторе 38 установить несколько проводников 39. Один проводник подключить к одному полюсу батареи 40, а остальные - к другому полюсу батареи 40. С выхода каждого проводника зонда 39 снимают величину тока, которую подают на вход блока обработки 10. В этом случае управление плазменным потоком происходит аналогично вышеописанному.
Из вышеприведенного очевидно, что суть предлагаемого устройства, содержащего по меньшей мере две расположенные под углом друг относительно друга плазменные горелки, подключенные к источнику питания и к источникам плазмообразующего газа, узел регистрации по меньшей мере одного физического параметра плазменного потока и систему управления параметром, состоит в том, что оно снабжено блоком обработки, а система управления выполнена в виде управляемых магнитных узлов, установленных на каждой из горелок и создающих магнитное поле, составляющая вектора индукции которого перпендикулярна направлению истечения плазменной струи, причем выходы блока обработки соединены с управляемыми элементами магнитных узлов, а вход - с выходами блока регистрации.
Здесь были описаны предпочтительные варианты осуществления, в которые специалисты в данной области техники могут внести свои изменения, не выходящие, однако, за пределы существа настоящего изобретения.
Так, например, используя более сложный блок обработки, можно осуществлять контроль не только за отдельными параметрами потока, но и за комплексом этих параметров, добиваясь их стабильности во времени, а следовательно, и воспроизводимости обработки при высоком качестве.
Рассмотрим, например, устройство, изображенное на фиг.1. Устройство содержит три пары плазменных горелок. Горелки в парах расположены под углом 90о друг к другу. Каждая из горелок снабжена электромагнитом с разомкнутым сердечником, выполненным из электротехнической стали сечением 0,3 см2 с соленоидами, выполненными в виде 1000 витков медного провода. Устройство снабжено узлом регистрации, выполненным в виде ПЗС-линейки из 256 элементов с однолинзовым объективом, соединенным с блоком обработки, выходы которого соединены с входами источника токов соленоидов. В качестве плазмообразующего газа используется азот.
В плазменные горелки подается плазмообразующий газ, а между рабочими элементами горелок от источника питания через газовые струи пропускают постоянный электрический ток 100 А. Вытекающие плазменные струи образуют суммарный плазменный поток. На токоведущий участок каждой из плазменных струй путем пропускания через соответствующий соленоид тока 100 мА налагают магнитное поле, составляющая вектора индукции которого перпендикулярна направлению истечения данной плазменной струи. Изменение значения тока соленоида на 10 мА вызывает смещение плазменной струи на 2 мм. Оптическая ось объектива узла регистрации проходит через область истечения плазменных струй перпендикулярно к направлению течения суммарного плазменного потока, и изображение сечения плазменного потока фокусируется на ПЗС-линейке. В блоке обработки на основании данных с ПЗС-линейки определяются координаты центров плазменных струй.
Для выдачи управляющих сигналов сравнивают значение координаты центра одной из струй с заданным. Координаты рассматриваются по оси, перпендикулярной направлению суммарного плазменного потока, и оптической оси объектива регистрирующего устройства. Если текущая координата больше по значению, чем заданная, уменьшают значение тока через соленоид магнита, расположенного вблизи горелки, формирующей данную струю, на 5 мА. После этого сравнивают текущую координату с заданной. Если текущая координата по-прежнему больше заданной, повторяют изменение тока соленоида. Если при очередном сравнении значение текущей координаты стало меньше заданного, увеличивают ток соленоида на 2,5 мА. Таким образом достигается точность управления координатой центра струи 0,5 мм. Если при сравнении координата центра струи соответствует заданной с точностью 0,5 мм, изменения тока соленоида не производится.
Подобные действия могут быть осуществлены для каждой из струй, составляющих плазменный поток, если при наблюдении за ней обнаружено, что она отклонилась от заданного положения.
Благодаря введению магнитного управления в устройство появляется возможность точного управления не только температурой плазменного потока, как в прототипе, но и распределением температуры в плазменном потоке. Кроме того, предлагаемый способ управления является быстрым и управление ведется в реальном времени, так как по сравнению с калориметром, применяемым в прототипе, в данном устройстве использован регистрирующий элемент с существенно дольшим быстродействием. Также увеличивается достоверность информации о плазменном потоке, поскольку в условиях плазменной обработки помехи в оптическом диапазоне малы, а тепловые помехи из-за нагрева элементов конструкции могут иметь порядок самого измеряемого сигнала.
Приведенный пример представляет собой наиболее простую и наглядную реализацию устройства по предлагаемому способу. Для демонстрации достоинств способа управления плазменным потоком целесообразно рассмотреть пример наилучшего исполнения аналогичного устройства.
Наилучшим с точки зрения эффективности управления и качества обработки является вариант выполнения устройства плазменной обработки с тремя узлами регистрации, каждый из которых выполнен в виде объектива с диспергирующим элементом и приемной ПЗС-матрицей с 512 строками по 256 элементов в каждой. Диспергирующий элемент представляет собой треугольную призму. Узлы регистрации связаны с блоком обработки, выдающим управляющие сигналы как в источник токов магнитов, так и в источники токов плазменных дуг, и в источники плазмообразующего газа. При этом имеется возможность воздействия на каждую из плазменных струй любым из вышеперечисленных параметров.
В каждом из регистрирующих устройств посредством объектива изображение проекции сечения плазменного потока проецируется на диспергирующий элемент, который "разворачивает" изображение по спектру. За диспергирующим элементом установлена приемная матрица, на различные строки которой проецируется изображение данного сечения плазменного потока в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,9 мкм с разрешением 0, 01 мкм на строку матрицы. Электрические сигналы с матрицы поступают в блок обработки, где происходит анализ изображений сечения на длинах волн 0,65; 0,69; 0,74 и 0,77 мкм. Эти значения соответствуют длинам волн излучения водорода, фтора, азота и кислорода. В процессе анализа в блоке обработки вычисляются интегральные значения, центры тяжести, радиусы, асимметрии и эксцессы изображений проекции сечения плазменного потока на перечисленных длинах волн. Далее в блоке обработки производится вычитание вычисленных характеристик плазменного потока из заданных. По набору получившихся невязок значений характеристик плазменного потока определяют изменения значений каждого из управляющих воздействий: токов плазменных дуг, расходов плазмообразующих газов в горелках, токов магнитов. Для каждого из управляющих воздействий в блоке обработки имеется двадцатимерная таблица для определения значения этого воздействия в зависимости от двадцати рассчитываемых на основании измеряемых данных характеристик плазменного потока. В качестве блока обработки применяется микроЭВМ, которая производит все вычислительные операции со значениями сигналов, выдаваемыми фоточувствительными элементами приемной матрицы.
Реферат
Использование: в электронной промышленности, в машиностроении, приборостроении и других областях промышленности, где используется плазменная обработка поверхностей изделий. Сущность изобретения: для получения плазменного потока с заданными характеристиками на каждую из плазменных струй, образующих плазменный поток, воздействуют магнитным полем, составляющая вектора магнитной индукции которого перпендикулярна направлению истечения соответствующей струи. Помимо магнитного поля, воздействие можно осуществлять изменением энергии, вложенной в плазменный поток, расхода плазмообразующего газа в каждой из струй или изменением его состава. В результате появляется возможность управления, воспроизведения и поддержания постоянными во времени таких параметров плазменного потока, как распределение яркости и температуры, распределение спектрального коэффициента излучения плазмы и распределение концентрации ионов в плазменном потоке. Устройство для осуществления способа содержит две или более плазменные горелки, соединенные с источником питания плазменной дуги и источниками плазмообразующего газа. Каждая из горелок снабжена магнитом в виде разомкнутого сердечника с соленоидом. Устройство снабжено узлом регистрации параметров плазменного потока, связанным с блоком обработки, выходы которого соединены с источниками электропитания магнитов, источниками плазмообразующего газа и с источником электропитания плазменной дуги. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 9 ил.
