本發(fā)明涉及納米材料加工領域，尤其涉及的是一種團簇離子束納米加工設備控制裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

納米材料又稱之為超微晶材料，其團簇粒徑介于1nm至100nm之間，具有小尺寸效應、量子效應、界面效應和表面效應等獨特而優(yōu)異的物理性能，在陶瓷、微電子、化工、醫(yī)學等領域具有廣闊的應用前景。近十年來，圍繞納米材料的制備方法、性能測試和理論解釋已成為各國研究的熱點問題，取得了豐碩的理論研究和應用研究成果。

就納米材料的加工技術(shù)而言，主要有機械球磨法、分子束外延法、化學氣相沉積法、液相沉積法等制備方法。

機械球磨法利用研磨球、研磨罐和研磨顆粒的碰撞，改變納米材料的粒徑、形貌和比表面積，在磁性、超飽和固溶體、熱電、半導體和硅酸鹽等納米材料的制備以低成本、高效益取得較好的應用成果，但普遍存在分散和污染問題，常采用超聲波、機械攪拌改進物理分散，采用改性分散或分散劑分散方法以改進化學分散。但高速球磨伴隨的組份偏差和物相污染，目前還未見行之有效的解決措施。

分子束外延法是一種特殊的真空鍍膜工藝。在超高真空腔內(nèi)，將熱蒸發(fā)、氣體裂解、輝光放電離子化等方法產(chǎn)生的原子束或分子束，投射到具有一定取向、一定溫度的晶體襯底上，生成晶體薄膜材料或所需晶體結(jié)構(gòu)。其工藝過程一般為襯底處理、生長控制和后續(xù)工序。調(diào)制摻雜控制晶體生長的束流強度、穩(wěn)定性、濃度等參數(shù)，以保證晶體的雜質(zhì)分布和一致性，主要應用于制備激光器、光纖傳感器、微波器件或光電顯示器件，具有無污染、組份均勻、厚度一致性好等特點，但設備造價較高，不能用于粉體納米材料的制備（化學氣相沉積法和液相沉積法亦然）。

至今為止，上述各種方法仍面臨一些亟待解決的共性問題，諸如如何快速而實時地進行納米團簇的性能測量和評價、如何保證納米團簇的穩(wěn)定性和一致性、如何有效地篩選納米團簇中不同結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體，以及準確地建立納米團簇的動力學模型等。而且，目前納米加工設備的系統(tǒng)控制器大多采用可編程序控制器（PLC）、IBM兼容計算機或工業(yè)計算機，以前后臺結(jié)構(gòu)、串行處理或輪詢方式執(zhí)行納米加工設備的系統(tǒng)管理和過程控制任務，存在諸多不足：體積較大，影響納米加工設備的總體布局；成本較高，系統(tǒng)軟硬件資源受限，不便于功能擴展和系統(tǒng)更新，而且串行處理方式，降低了納米加工設備的動態(tài)響應性能。

因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種團簇離子束納米加工設備控制裝置及其控制方法，旨在解決現(xiàn)有的納米加工技術(shù)中存在的組分偏差、物相污染、無法實時進行納米團簇的性能測量以及動態(tài)響應性能差等問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種團簇離子束納米加工設備控制裝置，包括系統(tǒng)控制板、人機交互模塊、過程控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、納米加工控制模塊以及物料輸送模塊，所述人機交互模塊、過程控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、納米加工控制模塊以及物料輸送模塊分別與所述系統(tǒng)控制板電連接；所述過程控制模塊用于調(diào)控加工設備的溫度、壓力以及空氣流量等參數(shù)，包括分別與所述系統(tǒng)控制板電連接的壓力傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于實時采集物料粒徑數(shù)據(jù)，包括與系統(tǒng)控制板電連接的納米團簇粒徑實時檢測傳感器；所述納米加工控制模塊用于控制納米加工工序；所述物料輸送模塊用于進料和出料管理，包括分別與所述系統(tǒng)控制板電連接的進料電機驅(qū)動電路、出料電機驅(qū)動電路以及位置傳感器。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置，其中，所述納米團簇粒徑實時檢測傳感器采用激光三角法檢測激光光強度，從而間接測量納米團簇的粒徑，包括半導體激光管、第一透鏡組、第二透鏡組、面陣CCD圖像傳感器、反射鏡、粒徑數(shù)據(jù)處理模塊以及激光管控制電路，所述激光管控制電路分別與所述系統(tǒng)控制板和半導體激光管電連接，所述粒徑數(shù)據(jù)處理模塊分別與所述面陣CCD圖像傳感器和所述系統(tǒng)控制板電連接；所述半導體激光管發(fā)射激光，依次經(jīng)過所述第一透鏡組、納米團簇離子、第二透鏡組、反射鏡，至所述面陣CCD圖像傳感器，所述面陣CCD圖像傳感器生成的光強度信號經(jīng)所述粒徑數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)處理后，實時傳輸納米團簇的實時粒徑信號至所述系統(tǒng)控制板。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置，其中，所述粒徑數(shù)據(jù)處理模塊包括粒徑數(shù)據(jù)處理控制電路以及分別與所述粒徑數(shù)據(jù)處理控制電路連接的模擬前端、噪聲抑制單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字濾波單元、自適應高階統(tǒng)計量加權(quán)平均單元以及三階相關峭度反卷積逆濾波器。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置，其中，所述納米加工控制模塊包括分別與所述系統(tǒng)控制板電連接的離子束偏轉(zhuǎn)電路和兩級加速電路；所述離子束偏轉(zhuǎn)電路與用于實現(xiàn)物料偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)線圈電連接，所述偏轉(zhuǎn)線圈設置在用于納米材料加工的兩級加速腔內(nèi)，所述離子束偏轉(zhuǎn)電路向偏轉(zhuǎn)線圈提供鋸齒波電流，產(chǎn)生徑向、線性偏轉(zhuǎn)磁場；所述兩級加速腔前端設有分離孔，后端設有對撞孔，所述兩級加速腔內(nèi)設有正向環(huán)形通道和逆向環(huán)形通道，所述正向環(huán)形通道和逆向環(huán)形通道分別在所述分離孔和所述對撞孔處相交；所述兩級加速電路設置在所述兩級加速腔內(nèi)，為分段串接的升壓電路；物料經(jīng)所述徑向、線性偏轉(zhuǎn)磁場的作用，由所述分離孔進入所述兩級加速腔，并在兩級加速電路的作用下不斷加速，最終在對撞孔實現(xiàn)對撞分解。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置，其中，所述納米加工控制模塊還包括用于將物料研磨成亞微米級團簇離子游離磨料的物料預處理單元，所述物料預處理單元包括與所述系統(tǒng)控制板電連接的主軸電機驅(qū)動電路，所述主軸電機驅(qū)動電路與主軸電機連接，所述主軸電機與負壓發(fā)生器連接，所述負壓發(fā)生器上徑向分布有用于研磨物料的高速合金刀具。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置，其中，所述系統(tǒng)控制板為ARM Cortex-M系列微處理器，內(nèi)核為嵌入實時微型操作系統(tǒng)；所述人機交互模塊經(jīng)由MODBUS RTU協(xié)議與所述系統(tǒng)控制板通信。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置，其中，所述人機交互模塊通過RS232C串口與所述系統(tǒng)控制板連接；所述過程控制模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊通過通用輸入輸出口和光耦合隔離電路與所述系統(tǒng)控制板連接。

一種與上述的團簇離子束納米加工設備控制裝置對應的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：對納米材料的類型、粒徑等參數(shù)進行設置，向所述系統(tǒng)控制板發(fā)送運行指令；

步驟2：所述系統(tǒng)控制板接收所述運行指令，實時管理并以并行處理方式調(diào)度所述人機交互模塊、過程控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、納米加工控制模塊以及物料輸送模塊，執(zhí)行加工工序；

步驟3：通過所述數(shù)據(jù)采集模塊實時檢測所述納米團簇粒徑，滿足設定條件時進行卸料。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置的控制方法，其中，實時檢測所述納米團簇粒徑的檢測步驟包括：發(fā)射激光，照射待檢測的物料；產(chǎn)生光強度信號，所述光強度信號經(jīng)模擬前端、噪聲抑制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、自適應高階統(tǒng)計量加權(quán)平均算法之后，對所述光強度信號的三階相關峭度反卷積逆濾波器進行盲提取，從而輸出納米團簇的實時粒徑信號。

所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置的控制方法，其中，所述加工工序包括：對所述物料進行預處理，研磨成游離磨料；實時檢測所述游離磨料粒徑，當所述游離磨料達到亞微米級時，進行偏轉(zhuǎn)、加速和對撞加工，分解成納米團簇。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的團簇離子束納米加工設備控制裝置及其控制方法通過實時檢測納米團簇粒徑，保證了納米團簇粒徑的一致性和穩(wěn)定性；通過納米團簇的能量束碰撞的加工方式，保證納米材料的粒徑和純度要求，最大限度地減少組份偏差和物相污染；通過采用ARM Cotex-M系列處理器構(gòu)建控制裝置的硬件平臺，以并行處理方式實現(xiàn)實時調(diào)度系統(tǒng)功能模塊，通過納米加工控制模塊控制加工工序，大幅度提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的一種團簇離子束納米加工設備控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明提供的一種團簇離子束納米加工設備控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是本發(fā)明提供的一種納米團簇粒徑實時檢測傳感器的原理示意圖。

圖4是本發(fā)明提供的一種納米加工控制模塊的原理示意圖。

圖5是本發(fā)明提供的團簇離子束納米加工設備控制裝置體系結(jié)構(gòu)圖。

圖6是本發(fā)明提供的團簇離子束納米加工設備控制方法的流程圖。

附圖標注說明：1、激光管控制電路；2、半導體激光管；3、第一透鏡組；4、被測物體；5、第二透鏡組；6、透鏡；7、反射鏡；8、面陣CCD圖像傳感器；9、粒徑數(shù)據(jù)處理模塊；10、偏轉(zhuǎn)線圈；11、兩級加速電路；12、分離孔；13、對撞孔；14、正向環(huán)形通道；15、逆向環(huán)形通道。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。

參見圖1，為本發(fā)明提供的一種團簇離子束納米加工設備控制裝置，包括系統(tǒng)控制板、人機交互模塊、過程控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、納米加工控制模塊以及物料輸送模塊，所述人機交互模塊、過程控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、納米加工控制模塊以及物料輸送模塊分別與所述系統(tǒng)控制板電連接。通過所述人機交互模塊，以滿足用戶對納米材料加工的設置和過程的掌控；通過過程控制模塊實時調(diào)控加工設備的溫度、壓力以及空氣流量等參數(shù)，保證設備的穩(wěn)定性和安全性；通過數(shù)據(jù)采集模塊，實時采集納米團簇的粒徑信息，并根據(jù)粒徑信息進行納米材料的加工工序的控制，保證了納米團簇粒徑的一致性和穩(wěn)定性。

在實際應用中，如圖2所示，所述系統(tǒng)控制板為ARM Cortex-M系列微處理器，在本實施例中為ARM Cortex-M4系列微處理器，搭配嵌入式實時微型操作系統(tǒng)FreeRTOS，可實現(xiàn)以并行處理方式實時進行任務調(diào)度，大幅度提高系統(tǒng)性能，而且使用ARM Cortex-M系列微處理器相對可編程控制器、IBM兼容計算機或工業(yè)計算機等體積更小，不影響納米加工設備的總體布局，且成本較低，還具有良好的動態(tài)響應性能。

優(yōu)選地，所述過程控制模塊包括分別與所述系統(tǒng)控制板電連接的壓力傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器，所述壓力傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器布置在納米加工設備中，實時檢測設備內(nèi)的壓力、溫度以及空氣流量等數(shù)據(jù)，通過通用輸入輸出口和光耦合隔離電路與所述系統(tǒng)控制板電連接，并反饋給所述系統(tǒng)控制板進行實時調(diào)控。

參見圖2，進一步地，所述離子束偏轉(zhuǎn)電路和離子束加速電路分別與過流過壓保護電路電連接，保證加工設備的安全性。

在實際應用中，所述物料輸送模塊用于進料和出料管理，包括分別與所述系統(tǒng)控制板電連接的進料電機驅(qū)動電路、出料電機驅(qū)動電路以及位置傳感器，進一步地，所述進料電機驅(qū)動電路和出料電機驅(qū)動電路經(jīng)DAC接口與所述系統(tǒng)控制板電連接。

優(yōu)選地，所述人機交互模塊經(jīng)由MODBUS RTU協(xié)議與所述系統(tǒng)控制板通信，數(shù)據(jù)幀傳送之間沒有間隔，傳輸速度更快；進一步地，所述人機交互模塊通過RS232C串口與所述系統(tǒng)控制板連接。

優(yōu)選地，所述團簇離子束納米加工設備控制裝置還包括與所述系統(tǒng)控制板電連接的邏輯互鎖與保護電路，全面保護系統(tǒng)的安全。

在實際應用中，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括與系統(tǒng)控制板電連接的納米團簇粒徑實時檢測傳感器，圖3為本發(fā)明提供一種納米團簇粒徑實時檢測傳感器的原理示意圖，采用激光光強度測量法間接測量納米團簇的粒徑。所述納米團簇粒徑實時檢測傳感器具體包括：激光管控制電路1、半導體激光管2、第一透鏡組3、第二透鏡組5、反射鏡7、面陣CCD圖像傳感器8以及粒徑數(shù)據(jù)處理模塊9。如圖1所示，激光管控制電路1與所述半導體激光管2電連接，半導體激光管2與第一透鏡組3以及被測物體4位于同一直線光路上，第一透鏡組3、被測物體4以及第二透鏡組5共同構(gòu)成三角形光路，第二透鏡組5、反射鏡7以及面陣CCD圖像傳感器8共同構(gòu)成三角形光路，半導體激光管2發(fā)射的激光，依次經(jīng)過第一透鏡組3、被測物體4、第二透鏡組5、反射鏡7，至面陣CCD圖像傳感器8，粒徑數(shù)據(jù)處理模塊9與面陣CCD圖像傳感器8連接。

目前，對于納米團簇的粒徑測量都是在加工完畢后開展，難以保證加工后納米團簇粒徑的一致性和穩(wěn)定性。本發(fā)明采用非接觸光學測量的方法，裝置結(jié)構(gòu)簡單，檢測速度快，實時性強，可以布置在加工設備中，實現(xiàn)了對納米團簇在加工過程中的實時檢測。

優(yōu)選地，所述粒徑數(shù)據(jù)處理模塊9包括粒徑數(shù)據(jù)處理控制電路以及與所述粒徑數(shù)據(jù)處理控制電路電連接的模擬前端、噪聲抑制單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字濾波單元、自適應高階統(tǒng)計量加權(quán)平均單元以及三階相關峭度反卷積逆濾波器。面陣CCD圖像傳感器8接收的光強度信號經(jīng)模擬前端、噪聲抑制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、自適應高階統(tǒng)計量加權(quán)平均算法之后，對所述光強度信號的三階相關峭度反卷積逆濾波器進行盲提取，從而輸出納米團簇的實時粒徑信號。通過三階相關峭度反卷積逆濾波器進行盲提取，可有效地盲提取激光位移信號和多重反射信號，具有更快的收斂速度和更高的信噪比，確保了粒徑數(shù)據(jù)的準確性。

進一步地，所述納米團簇粒徑實時檢測傳感器數(shù)量可以為多個，本實施例中，所述納米團簇粒徑實時檢測傳感器的數(shù)量為4個，通過對多個納米團簇粒徑實時檢測傳感器反饋的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，保證了檢測的準確性。

如圖4所示，所述納米加工控制模塊包括分別與所述系統(tǒng)控制板電連接的離子束偏轉(zhuǎn)電路（圖中未示出）和兩級加速電路11；所述離子束偏轉(zhuǎn)電路與用于實現(xiàn)物料偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)線圈10電連接，偏轉(zhuǎn)線圈10設置在用于納米材料加工的兩級加速腔（圖中未示出）內(nèi)，所述離子束偏轉(zhuǎn)電路向偏轉(zhuǎn)線圈10提供鋸齒波電流，產(chǎn)生徑向、線性偏轉(zhuǎn)磁場；所述兩級加速腔前端設有分離孔12，后端設有對撞孔13，所述兩級加速腔內(nèi)設有正向環(huán)形通道14和逆向環(huán)形通道15，正向環(huán)形通道14和逆向環(huán)形通道15分別在分離孔12和對撞孔13處相交；兩級加速電路11設置在所述兩級加速腔內(nèi)，為分段串接的升壓電路；物料經(jīng)所述徑向、線性偏轉(zhuǎn)磁場的作用，由分離孔12進入所述兩級加速腔，并在兩級加速電路11的作用下不斷加速，最終在對撞孔13實現(xiàn)對撞分解。

優(yōu)選地，所述納米加工控制模塊還包括用于將物料研磨成亞微米級團簇離子游離磨料的物料預處理單元，所述物料預處理單元包括與所述系統(tǒng)控制板電連接的主軸電機驅(qū)動電路，所述主軸電機驅(qū)動電路與主軸電機連接，所述主軸電機與負壓發(fā)生器連接，所述負壓發(fā)生器上徑向分布有用于研磨物料的高速合金刀具。物料在高速合金刀具的作用下，被研磨成亞微米級的團簇離子游離磨料，以保證物料能更好地通過對撞分解成所需要的納米級材料。通過物料研磨與碰撞分解相結(jié)合的加工方式，最大限度地減少了組份偏差和物相污染。

參見圖5，為本發(fā)明提供的一種團簇離子束納米加工設備控制裝置軟件體系結(jié)構(gòu)圖。所述系統(tǒng)控制軟件采用分層、模塊化結(jié)構(gòu)，包括物理層、MAC層和應用層，所述物理層包括Cortex-M4標準外設庫、Cortex-M4內(nèi)核庫以及嵌入式實時微型操作系統(tǒng)FreeRTOS，所述MAC層包括團簇納米材料加工過程工藝控制庫、過程控制應用庫以及人機交互操作接口庫，所述應用層為團簇納米材料加工項目，包括過程控制工藝任務、人機交互操作任務、數(shù)據(jù)采集任務、納米加工任務等。經(jīng)團簇納米材料加工API，由所述嵌入式實時微型操作系統(tǒng)FreeRTOS管理并調(diào)度所述過程控制工藝任務、人機交互操作任務、數(shù)據(jù)采集任務、系統(tǒng)管理任務等。所述系統(tǒng)控制采用分層、模塊化結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)秀的可擴展性能、自適應性能以及豐富的系統(tǒng)接口資源。

本發(fā)明還提供了一種與上述方案所述的團簇離子束納米加工設備控制裝置對應的控制方法，如圖6所示，具體包括以下步驟：

步驟1：對納米材料的類型、粒徑等參數(shù)進行設置，向所述系統(tǒng)控制板發(fā)送運行指令；

步驟2：所述系統(tǒng)控制板接收所述運行指令，實時管理并以并行處理方式調(diào)度所述人機交互模塊、過程控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、納米加工控制模塊以及物料輸送模塊，執(zhí)行加工工序；

步驟3：通過所述數(shù)據(jù)采集模塊實時檢測所述納米團簇粒徑，滿足設定條件時進行卸料。

在實際應用中，步驟2中的加工工序具體可包括：所述系統(tǒng)控制板啟動所述物料輸送模塊的進料電機驅(qū)動電路，完成進料操作；啟動所述納米加工控制模塊，完成對物料進行預處理、偏轉(zhuǎn)、加速以及對撞等操作；在加工過程中，同時啟動所述數(shù)據(jù)采集模塊，實時檢測所述納米團簇粒徑，并反饋至所述系統(tǒng)控制板，當所述納米團簇滿足步驟1中用戶設置的條件時，停止所述加工工序，并啟動所述物料輸送模塊進行卸料。通過采用游離磨料預處理和納米團簇的能量束碰撞相結(jié)合的加工方式，保證納米材料的粒徑和純度要求，最大限度地減少組份偏差和物相污染。

優(yōu)選地，實時檢測所述納米團簇粒徑的檢測步驟包括：發(fā)射激光，照射待檢測的物料；產(chǎn)生光強度信號，所述光強度信號經(jīng)模擬前端、噪聲抑制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、自適應高階統(tǒng)計量加權(quán)平均算法之后，對所述光強度信號的三階相關峭度反卷積逆濾波器進行盲提取，從而輸出納米團簇的實時粒徑信號。通過采用激光光強度間接測量的方法，實現(xiàn)了實時檢測納米團簇粒徑，保證了納米團簇粒徑的一致性和穩(wěn)定性。

應當理解的是，本發(fā)明的應用不限于上述的舉例，對本領域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。