Разработка системы управления движением сканирования установки магнетронного вакуумного напыления

Актуальность работы.

Инновационное развитие экономики предполагает непрерывную-работу в области создания^ новых специализированных технологических комплексов* в самых разных областях науки и техники. Такие комплексы* могут быть построены обладателями новой-технологии как-в единичном экземпляре под требования конкретного заказчика или для. собственных исследовательских целей, так и в виде небольших серий. Во многих из них важным элементом, обеспечивающим качество технологического-процесса, является электропривод.

Примером таких технологических комплексов являются установки магне-тронного вакуумного (ионно-плазменного)* напыления: Расширение области их применения и стремление* к повышению конкурентоспособности ставят перед разработчиками новые задачи по обеспечению все более высокого качества работы установок и их составных частей.

Конструкция многих установок такова, что требуется обеспечивать относительное перемещение источника исходного материала (магнетрона) и-обрабатываемой детали, особенно при-обработке больших поверхностей, .например, архитектурного* стекла. В’связи с этим электропривод сканирования является частью большинства установок магнетронного вакуумного напыления:

Разработка системы управления-движением сканированием при-проектировании очередной установки выявила необходимость предварительного проведения комплекса научных исследований, в частности, влияния электропривода на качество выпускаемой технологическим комплексом продукции.

Ведущими разработчиками установок магнетронного вакуумного' напыления являются компании Sun Coating Company (США), Oerlikon Balzers AG, VON ARDENNE Anlagentechnik GmbH (Германия). В России разработкой таких установок занимаются лаборатория 23 НИТПУ, ООО «Прикладная, Электроника» и некоторые другие [11, 12, 33, 61, 64−67, 69].

Анализ публикаций показал, что вопросу научного обоснования разработки систем управления движением сканирования" установок магнетронного вакуумного напыления в целом не уделялось достаточного внимания. В известных установках электропривод выбирался по инженерным методикам, исходя из требуемого диапазона регулирования и моментанагрузки, без оценки влияниям кинематических цепей1 электропривода и необходимых постоянства и равномерности движения сканирования.

При разработке новых комплексов' возникает также задача оптимизации структуры управления электроприводами с целью получения высоких технико-экономических характеристик и повышения качества продукции. Поэтому тему диссертационной работы можно признать актуальной.

Сделанные в работе выводы могут быть применимы и для-других установок, обладающих следующими основными особенностями:

— наличие движения сканирования пучком с широкой диаграммой направленности;

— наличие в системе нескольких электроприводов, работающих независимо, но требующих координации.

Цель работы-и задачи исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании систем управления движением сканирования установок магнетронного вакуумного напыления.

Для достижения цели работы были поставлены следующие основные задачи:

— исследование объекта управления — магнетронных вакуумных установок для определения требований технологического процесса к электроприводу сканирования;

— анализ возможных вариантов построения систем управления электроприводами сканированияразработка их имитационных моделей с учетом особенностей кинематики установок и их исследование;

— разработка практических рекомендаций для выбора или. проектированиясистем управления электроприводами сканирования^ а: также для выбора структуры управления комплексом с движением сканирования в целом;

— внедрение системы управления" электроприводами? сканирования установки магнетронного вакуумного напыления.

Методыисследования.

Для решения поставленных" задач в работе использованы? методытеории управления и теории электропривода, численные методы решения дифференциальных уравнений и математического моделирования. Исследования проводились в, ходе экспериментов на физических установках и с помощью методов имитационного моделирования в среде БтиПпк пакета МаЙаЬ.

Научная новизна.

1. Разработана имитационная модель электропривода: с червячным редуктором, учитывающая' различные коэффициенты^ постоянных и переменных потерь редуктора в прямом и обратном направлении, чтопозволяет учитывать их-влияние на динамику электропривода.

2. Предложен способ передачи кассеты от одного привода к другому при использовании движителя звездочка-цепь путем формирования^ оптимальной траектории движения электроприводов^ повышающей равномерность движения кассеты.

3. Разработана математическая модель процесса роста толщины пленки, напыляемой магнетроном с заданным законом распределения зоны напыления, учитывающая параметры относительного движения магнетрона и обрабатываемой поверхности и позволяющая сформулировать требования к электроприводу.

Практическая ценность.

1. Разработана структура-системы управления электроприводамисканирова-ния установки магнетронного вакуумного напыления"Опал-З-Про".

2. Сформулированы требования к электроприводам сканирования установок магнетронного вакуумного напыления.

3. Даны рекомендации по разработкесистем-1 управлениядвижением сканирования установок магнетронного вакуумного напыления.

4., Разработано программно-алгоритмическое обеспечение системы управления движением сканирования' установки магнетронного вакуумного напыления.

Основные положения, выносимые на! защиту/.

— математическая модель процесса роста толщинышленки, напыляемой магнетроном. с заданным законом: распределениязоны напыления, учитывающая параметры относительного движения магнетрона необрабатываемой поверхности;

— имитационная — модель электропривода с червячным5 редуктором, учитывающаяразличные коэффициенты постоянныхи — переменных потерь редуктора при передаче момента в прямом и обратном, направлении;

— рекомендации пофазработкесистем: управления’движением сканирования^ установок магнетронного вакуумного напыления;

— разработанная: система1 управления электроприводами сканирования уста. новки магнетронного вакуумного напыления «ОпалтЗ-Про».

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием общепринятых методик анализа и синтеза системуправления, применением широко известной среды, моделирования ЗтшИпк пакета МаНаЬ, а такжег проверкой результатовна экспериментальной и промышленной установках.

Реализация результатов работы.

Результаты представленной работы использованы при разработке в Физико-техническом институте ГОУ ВПО НИ ТПУ установки магнетронного напыления «Опал-З-Про» для фирмы «Platech», Республика Корея, в ООО «НПФ Мехатроника Про», а также-в учебном* процессе на кафедре электропривода и электрооборудования Энергетического ¡-института ГОУ ВПО НИ’ТПУ при-подготовке студентов направления 140 600, что подтверждено актами" о внедрении.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», г. Томск, 2001;2003 гг.- на 8-ом международном корейско-русском", симпозиуме' (The 8th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology), r. Томск, 2004 г.- на международной научно-технической конференции * «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2005 г.- на научно-технических семинарах кафедры электропривода и электрооборудования-ГОУ ВПО НИ* ТПУ, на семинарах научно-технического совета ЭЛТИ ГОУ ВПО НИ ТПУ, на научном семинаре лаборатории 23 ФТИ ГОУ ВПО’НИ ТПУв 20 022 010 гг.

Публикации.

По результатам работы и выполненных исследований опубликованы 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 135-страниц машинописного текста. Работа содержит 77 рисунков, таблицу, список литературы из 70 наименований и одно приложение.

Выводы по главе 4.

1. Выбранная схема построения системы управления перемещением позволяет получить требуемые динамические и статические показатели качества движения кассеты: при пуске электропривода мгновенная ошибка по скорости, как правило, не превышает 1 диск/такт, а при усреднении скорости за 0,5 с погрешность скорости не превышает 0,03%.

2. Использованный в системе метод стабилизации скорости — слежение за поворотом виртуальной оси дает удобный способ формирования интегрального сигнала неисправности системы с минимальным временем реакции. Этот же принцип позволил обеспечить высокое качество синхронизации работы двух валов.

3. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность применения предложенного способа передачи кассеты от одной звездочки другой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана математическая модель процесса роста толщины пленки, напыляемой лучом магнетрона, учитывающая параметры относительного движения магнетрона и обрабатываемой поверхности. Модель позволила сформулировать требования к электроприводам установок магнетронного напыления.

2. Разработаны и исследованы имитационные модели регулируемого и следящего электропривода с червячным редуктором, учитывающие различный коэффициент передачи редуктора в прямом и обратном направлении. По результатам исследований даны рекомендации по применению червячного редуктора.

3. Предложен способ передачи кассеты от одного привода к другому при использовании движителя звездочка-цепь путем формирования траектории движения электроприводов, которая существенно уменьшает колебания скорости и снижает вероятность механических ударов.

4. Даны рекомендации по разработке систем управления движением сканирования установок вакуумного магнетронного напыления.

5. На основании теоретических исследований разработана и внедрена система управления электроприводами сканирования установки магнетронного напыления «Опал-З-Про». Приведены структурные схемы и описание алгоритмического и программного обеспечения разработанной автором системы управления движением сканирования.