DE4003623A1 - Verfahren zur steuerung einer anlage zur plasmabehandlung von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Anla­ ge zur Plasmabehandlung von Werkstücken, insbesondere einer Anlage zum Plasmanitrieren.

Aus der auf die Rechtsvorgängerin der Anmelderin zurückgehenden deut­ schen Patentschrift 10 58 806 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem mit einem als Sensor dienenden Pyrometer die Temperatur von Werkstücken in einem Entladungsgefäß erfaßt und die am Pyrometer abgenommene, der Temperatur proportionale Meßspannung zur Regelung der Höhe der Glimmentladungsspannung eingesetzt wird. Zur Steuerung der elektrischen Glimmentladung wird bei diesem vorbekannten Verfahren zudem der Gasdruck im System geändert.

Aus der auf die gleiche Inhaberin zurückgehenden deutschen Patent­ schrift 9 04 491 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Plasmabehandlung bekanntgeworden, bei dem die Gasentladung u. a. durch Beeinflussung einer elektrischen Bestimmungsgröße diskontinuierlich gestaltet wird. Die Einwirkung der Gasentladung erfolgt danach nicht mehr, wie früher üblich, kontinuierlich, sondern in Form von Impulsen, deren Zeitspan­ nen gegen die Ruheintervalle so abgestimmt sind, daß der Mittelwert der zugeführten Energie unter Berücksichtigung der Intensität der Impulse die gewünschten Temperaturwerte der Behandlungstemperatur ergeben.

Durch ein Takten bzw. ein Pulsen des Entladungsvorganges wird zwar ein zusätzliches Mittel (neben der Regelung der Entladungsspannung) zur Verfügung gestellt, um die Plasmabehandlung zu steuern, die Frage, wie tatsächlich bei einer konkreten Behandlung von Werkstücken Spannung und Puls-Pausen-Verhältnis eingestellt wird, ist jedoch damit nicht gelöst. Insbesondere liegen keine Anweisungen vor, wie die beiden Parameter einzustellen sind, um ein möglichst gutes Ergebnis der Plas­ mabehandlung zu erreichen.

Hier setzt die Erfindung ein, sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Steuerung einer Anlage zur Plasmabehandlung von Werk­ stücken anzugeben, bei der eine automatische Einstellung und damit ein automatisierbarer Betriebsablauf möglich ist.

Ausgehend von dem vorbekannten Verfahren zur Steuerung einer Anlage zur Plasmabehandlung von Werkstücken, insbesondere einer Anlage zum Plasmanitrieren, wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die spezielle Auswahl der Regelgrößen und die Art der Regelung geben einerseits eine sehr wirkungsvolle Einflußnahme auf den Ablauf der Plasmabehandlung und ermöglichen andererseits einen einfachen Ablauf der Regelung. Die Bedienung der Anlage wird insgesamt sehr verein­ facht. Erfindungsgemäß wird der Spitzenwert der Glimmentladungsspan­ nung überwacht und mit einem fest vorgegebenen, geeigneten unteren Schwellenwert verglichen. Dieser untere Schwellenwert ist so gewählt, daß bei ihm Beglimmungsschwierigkeiten noch nicht merklich auftreten. Wird ausgehend von einer höheren Glimmentladungsspannung der untere Schwellenwert erreicht, so wird mit einer gewissen Zeitverzögerung entweder grundsätzlich erst ein Takten der Glimmentladungsspannung eingeschaltet, dann jedoch mit hohem Puls- und geringem Pausenanteil, z. B. 90 : 10, oder es wird - wenn bereits die Anlage im Taktbetrieb arbeitete - zu einem Puls-Pausen-Verhältnis mit höherem Anteil der Pausen umgeschaltet.

Aufgrund der Umschaltung sinkt die mittlere, auf die Werkstückoberflä­ che aufgebrachte Leistung. Damit sinkt die Werkstücktemperatur. Da diese aber automatisch über die an die Werkstückoberfläche angegebene Leistung geregelt wird, erhöht der Temperaturregler die Glimmentla­ dungsspannung in den Puls-Zeiten, womit auch eine Erhöhung des Puls­ stromes einhergeht. Dadurch steigt die Temperatur des Werkstücks wie­ der an.

Bleibt dabei die Glimmentladungsspannung (in den Puls-Zeiten) immer noch unterhalb des unteren Schwellenwertes, so wird mit einer gewissen Zeitverzögerung die nächste Impulsstufe mit noch höherem Pausenanteil eingeschaltet. Dies setzt sich so lange fort, bis entweder eine vorge­ gebene Endstufe im Puls-Pausen-Verhältnis erreicht ist, oder die Glimmentladungsspannung den unteren Schwellenwert überschreitet.

Wird nun ein zweiter, höherer Schwellenwert überschritten, so werden die Impulsstufen langsam wieder zurückgeschaltet, bis die Spitzenspan­ nung zwischen dem unteren und dem oberen Schwellenwert bleibt. Wenn der Pulsstrom bei zu kurzen Pulsen und zu langen Pausen den Nennstrom der Elektroanlage erreicht, werden die Pulse automatisch wieder ver­ längert, so daß durch den Temperaturregler der Pulsstrom automatisch reduziert wird.

Auf diese Weise ist ein automatischer Ablauf einer Plasmabehandlung möglich. Eine derartige automatische Regelung ist von besonderer Be­ deutung bei großen Chargen, wo aufgrund der gegenseitigen Beheizung die mittlere Glimmentladungsleistung gering ist, oder bei thermisch isolierten Rezipienten. Muß bei solchen Chargen aufgrund der Geometrie der Werkstücke ein hoher Druck verwendet werden, kommt es leicht zu Beglimmungsschwierigkeiten und damit zu nicht oder nur unvollständig gehärteten Oberflächen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch in solchen Fällen einen optimalen Ablauf der Plasmabehandlung.

Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren ist insbesondere wichtig für die Regelung des Gleichgewichtszustandes während einer Plasmabehand­ lung, also wenn sich die Charge nach erfolgtem Aufheizen im Bereich der gewünschten Behandlungstemperatur befindet.

In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, bei Beginn einer Plasmabehandlung die Glimmentladungs­ spannung zunächst kontinuierlich oder zumindest quasi kontinuierlich anzulegen und die Einschaltung von Impulsstufen erst später vorzuneh­ men. Auf diese Weise wird der Aufheizvorgang der Werkstücke beschleu­ nigt, die Gesamtzeit der Plasmabehandlung also abgekürzt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei Beginn der Plasmabehandlung die Glimmentladungsspannung nur auf ihren unteren Schwellenwert hin über­ wacht wird. Eine Überwachung des höheren Schwellenwertes ist erst notwendig, wenn der untere Schwellenwert unterschritten wurde und die Glimmentladungsspannung wieder so ansteigt, daß der höhere Schwellen­ wert überschritten wird.

In vorteilhafter Weiterentwicklung hat die Spannungssteuerung durch die Regeleinheit Vorrang gegenüber der Einstellung des Puls-Pausen-Ver­ hältnisses. Das Puls-Pausen-Verhältnis wird also erst geändert, wenn die Möglichkeiten einer ausschließlichen Spannungsregelung ausge­ schöpft sind.

Verfahrensmäßig von Vorteil ist weiterhin eine Einstellung des Puls- Pausen-Verhältnisses der einzelnen Impulsstufen in diskreten Werten. Eine kontinuierliche Einstellung des Puls-Pausen-Verhältnisses ist zwar grundsätzlich nicht ausgeschlossen, die einfacher zu realisie­ rende Regelung in diskreten Stufen führt jedoch zu stabileren Regel­ kreisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist verwendbar sowohl für Pulsanlagen mit Puls-Pausen-Verhältnissen im Mikrosekundenbereich als auch für langsam, intermittierend betriebene (getaktete) Gleichspannungsanla­ gen. Von der gewählten Zeitdauer eines Arbeitstaktes ist es prinzi­ piell nicht abhängig.

Die Zeitkonstante, nach der ein Umschalten des Puls-Pausen-Verhältnis­ ses erfolgt, wird vorteilhafterweise größer als die Zeitdauer einiger Perioden des Puls-Takt-Verhältnisses gewählt. Dadurch wird vermieden, daß durch kurzzeitige Störungen Umschaltungen in andere Impulsstufen stattfinden, obwohl verfahrensmäßig die Umschaltung noch nicht not­ wendig ist.

Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand von zwei Dia­ grammen im folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Diagramm der elektrischen Leistung P aufgetragen über die Zeit und

Fig. 2 ein entsprechendes Diagramm der Glimmentladungsspannung V aufgetragen über die Zeit, in gleichen Zeitschritten wie Fig. 1.

Links in den Diagrammen, also bei kleinen Zeitwerten, ist jeweils der Aufheizvorgang für eine Charge dargestellt. Es wird eine hohe elektri­ sche Leistung P für das Aufheizen benötigt. Die elektrische Leistung P wird umso geringer, je näher die Werkstücke der Behandlungstemperatur sind, der Leistungsverlauf und damit auch der Verlauf der Glimmentla­ dungsspannung V nimmt also zunehmend ab. Dabei fällt die Glimmentla­ dungsspannung V bis auf Werte unterhalb des unteren Schwellenwertes Vu. Bei einer Glimmentladungsspannung V kleiner als Vu ist eine aus­ reichende Beglimmung der gesamten Werkstücksüberfläche nicht mehr gewährleistet. Die Anlage schaltet automatisch in den Impulsbetrieb um. In einer ersten Impulsstufe ist das Puls-Pausen-Verhältnis noch wenig ausgeprägt. Demgemäß fällt die Leistung P mit Einschalten der ersten Impulsstufe zum Zeitpunkt t1 zwar momentan abrupt ab, jedoch nur um einen kleinen Betrag. Da nun die in der Zeiteinheit aufge­ brachte elektrische Leistung P geringer ist, fällt die Werkstückstem­ peratur ab, dem wird durch Erhöhung der Glimmentladungsspannung V entgegengewirkt. Im Diagramm nach Fig. 2 macht sich dies durch einen sich abflachenderen Abfall bemerkbar, der Verlauf der Glimmentladungs­ spannung V über die Zeit hat einen Wendepunkt. Da die Glimmentladungs­ spannung V immer noch unterhalb des unteren Schwellenwertes Vu bleibt, wird nach einer gewissen Wartezeit die nächste Impulsstufe zur Zeit t2 eingeschaltet. Bei ihr beträgt das Puls-Pausen-Verhältnis 80 : 20. Im Leistungsdiagramm nach Fig. 1 macht sich dies durch einen stärkeren, abrupten Abfall zum Zeitpunkt t2 bemerkbar. Im Spannungsverlauf flacht sich der Abfall der Kurve weiter ab.

Noch immer ist aber die Glimmentladungsspannung V unterhalb des unte­ ren Schwellenwertes. Es wird daher die dritte Impulsstufe zum Zeit­ punkt t3 eingeschaltet. Im Leistungsdiagramm nach Fig. 1 bemerkt man zu diesem Zeitpunkt wiederum einen abrupten Abfall der Leistung, der Anstieg der Leistung P erfolgt aber nun steiler.

Diese Schritte setzen sich so lange fort, bis bei einer vorgegebenen Impulsstufe, im betrachteten Beispiel in der fünften Impulsstufe und zum Zeitpunkt t6, der untere Schwellenwert Vu wieder überschritten wird. Solange die Glimmentladungsspannung V unter dem unteren Schwel­ lenwert Vu liegt, erhält die Schalteinheit der Spannungsversorgung die Anweisung, die Pausen zu vergrößern, Gebiet "Pausen verlängern". Ober­ halb des unteren Schwellenwertes Vu befindet sich der "neutrale Be­ reich", er soll erreicht und eingehalten werden. Er wird nach oben begrenzt durch den oberen Schwellenwert Vo, oberhalb dessen sich das Gebiet "Pausen verkürzen" befindet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel steigt die Glimmentladungsspannung V nach dem Zeitpunkt t7 auf Werte oberhalb des oberen Schwellenwertes Vo, zum Zeitpunkt t7 wird der obere Schwellenwert Vo überschritten. Mit der vorgegebenen Zeitverzö­ gerung schaltet die Schalteinheit nun in die fünfte Impulsstufe, die bereits zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 eingeschaltet war, zurück.

Die beschriebene Abfolge wird immer weiter fortgesetzt, um den Wert der Glimmentladungsspannung V im neutralen Bereich zwischen den beiden Schwellenwerten Vu und Vo zu halten.

Im Diagramm nach Fig. 1 ist noch punktiert der Verlauf der Leistung P ohne Takten dargestellt. Die mit ausgezogenen Strichen dargestellte Leistungskurve nähert sich erfindungsgemäß dieser punktierten Kurve von beiden Seiten, durch das erfindungsgemäße Takten und das zugehöri­ ge Verfahren zur Steuerung der Impulsstufen wird erreicht, daß die ideale Leistungskurve, wie sie punktiert dargestellt ist, zunehmend angenähert wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Steuerung einer Anlage zur Plasmabehandlung von Werk­ stücken, insbesondere einer Anlage zum Plasmanitrieren, wobei die Anlage

• a) eine Gleichspannungsquelle für die Erzeugung einer Glimmentla­ dungsspannung V hat, die einerseits eine Regeleinheit zur Regelung der Höhe der Glimmentladungsspannung V und anderer­ seits eine Schalteinheit umfaßt, durch welche die Glimmentla­ dungsspannung V in unterschiedlichen Puls-Pausen-Verhältnissen periodisch unterbrochen werden kann, und
• b) einen die Temperatur der Werkstücke erfassenden Sensor auf­ weist, der mit der Regeleinheit so verbunden ist, daß die Glimmentladungsspannung V hochgeregelt wird, wenn der erfaßte Temperaturwert unterhalb einer vorgegebenen Behandlungstempe­ ratur liegt und erniedrigt wird, wenn der erfaßte Temperatur­ wert über der Behandlungstemperatur liegt und

wobei die Glimmentladungsspannung V dergestalt überwacht wird, daß bei Unterschreiten eines unteren Schwellenwertes das Puls-Pausen- Verhältnis der Glimmentladungsspannung V verringert wird, und bei Überschreiten eines oberen Schwellenwertes das Puls-Pausen-Verhält­ nis vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Plasma­ behandlung die Glimmentladungsspannung V zunächst kontinuierlich oder zumindest quasi kontinuierlich (z. B. pulsierend) anliegt und erst bei Unterschreiten des unteren Schwellenwertes eine Taktung mit einem Puls-Pausen-Verhältnis stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beginn einer Plasmabehandlung die Glimmentladungsspannung V oberhalb des oberen Schwellenwertes liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beginn einer Plasmabehandlung eine Vergrößerung des Puls-Pausen-Verhält­ nisses erst erfolgt, wenn der untere Schwellenwert einmal erreicht wurde.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Span­ nungssteuerung durch die Regeleinheit Vorrang hat vor der Einstel­ lung des Puls-Pausen-Verhältnisses mittels der Schalteinheit.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Puls- Pausen-Verhältnis in mehreren, diskreten Stufen einstellbar ist, insbesondere im Verhältnis 90 : 10, 80 : 20, 70 : 30 usw. bis 10 : 90.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitli­ che Periode des Puls-Pausen-Verhältnisses im Bereich zwischen Mi­ krosekunden und Minuten liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Um­ schalten in eine andere Impulsstufe (mit einem anderen Puls-Pau­ sen-Verhältnis) erst erfolgt, wenn der vorgegebene Schwellenwert Vu bzw. Vo während einer gewissen Zeitspanne, die mindestens eini­ ge Taktperioden lang ist, unter- bzw. überschritten wurde.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Behand­ lungsgefäß thermisch isoliert ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Puls­ dauer automatisch verlängert wird, wenn bei zu kurzen Pulsen und zu langen Pausen während der Pulse der Nennstrom der Spannungs­ quelle erreicht wird.