Разработка системы управления процессом нанесения покрытий в электронно-лучевой установке

Интенсивное развитие электротехнологии и применение в различных областях техники характеризует современный уровень производства. Электротехнологические процессы используются при создании электроники, обработки и получения новых материалов и сплавов, в том числе и с заранее заданными свойствами. Ведущая роль в развитии электротехнологии принадлежит электротермическому оборудованию, обеспечивающему реализацию сложных технологических процессов.

В последнее время большое значение приобретают процессы нанесения покрытий на материалы и изделия. В промышленности для нанесения покрытий широко используются электронно-лучевые установки [1]. Процесс нанесения покрытия в электронно-лучевых установках (ЭЛУ) основан на испарении вещества и последующей конденсации его на изделии в вакууме. Широкие возможности этого метода позволили с успехом использовать его практически во всех отраслях промышленности, особенно в оптике, микроэлектроники и т. д. Важными особенностями метода испарения и конденсации в вакууме являются гибкость и разнообразие технологических применений, высокая производительность, возможность замены в производстве дорогостоящих или дефицитных материалов дешевыми, обеспечение высокого качества изделий, экологическая чистота и возможность автоматизации управления процессом. Даже после появления технологии магнетронного распыления вещества, актуальность электроннолучевых испарителей сохраняется, а для нанесения, например, оптических покрытий, защитных покрытий на стальных лентах и лопатках газовых турбин последние остаются вне конкуренции.

В тоже время при нанесении покрытий в электронно-лучевых установках вызывает большие трудности получение равномерного по толщине слоя по всей поверхности изделия. Электронно-лучевые установки представляют собой сложный комплекс взаимосвязанных агрегатов, управление которыми должно осуществляться с высокой точностью. Поэтому в настоящее время системы комплексного управления технологическими электронно-лучевыми установками реализуются на основе промышленных компьютеров с разветвленной системой визуализации (системой видимого отображения состояния агрегатов и хода технологического процесса на специальных табло и мониторах). Однако в настоящее время нельзя признать полностью решенными задачи построения систем управления процессами нанесения покрытий.

Управление процессом нанесения покрытий в электроннолучевых установках обычно сводится к стабилизации основных параметров определяющих ход технологического процесса. Однако, такой подход к управлению процессом нанесения покрытия не обеспечивает желаемой точности покрытия и воспроизводимости параметров покрытия от цикла к циклу.

Проведенный анализ развития электронно-лучевых технологий нанесения покрытий в вакууме позволяет сформулировать цель данного исследования как разработка системы управления процессом нанесения покрытия в электронно-лучевой установке.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи: анализ состояния и уровня развития технологии, электрооборудования и систем управления процессом нанесения покрытий в электроннолучевых установкахразработка и обоснование системы управления скоростью испарения и конденсации при нанесении покрытийразработка и обоснование датчиков скорости испарения и конденсации материала при нанесении покрытий в электронно-лучевых установкахразработка и обоснование моделей системы управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевых установкахисследование на моделях подсистем управления отдельными блоками электронно-лучевой установки и системы в целомпроведение экспериментальных исследований системы управления на опытно-промышленной электронно-лучевой установке для нанесения покрытий.

Научной новизной можно считать:

— обоснование возможности и целесообразности использования предложенного датчика ионных токов для контроля и управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевых установках для нанесения покрытий;

— разработку системы и алгоритмов управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевых установках для нанесения покрытий, использующих датчик ионных токов, стекающих на изделие;

— разработку моделей отдельных подсистем электропио-лучевой установки для нанесения покрытий и системы управления скоростью испарения и конденсации.

— предложенную структуру адаптивной системы управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевой установке.

Практической ценностью обладают:

— разработанная система управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевой установке обеспечивает уменьшение разброса толщины наносимых покрытий в каждом цикле и от цикла к циклу с 30% до 3%.

— обоснованная целесообразность использования адаптивной системой управления скоростью испарения и конденсации, учитывающей нелинейность характеристик электронной пушки и улучшающей настройку системы на заданное качество регулирования.

— разработанная модель системы управления электронно-лучевой установкой для нанесения покрытий, позволяющая в диалоговом режиме проводить проектирование и настройку применительно к требуемому технологическому режиму.

— разработанная методика экспериментального определения параметров отдельных подсистем электронно-лучевой установки и эффективности функционирования системы управления процессом нанесения покрытия.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе излагается состояние вопроса, приводится обоснование решаемой научной задачи. Отмечается вклад в решение поставленной проблемы отечественных и зарубежных ученых. Проблема создания электронно-лучевых установок для процесса нанесения покрытий может быть сведена к решению следующих задач: разработка конструкционных элементов, электронно-лучевых пушек, вакуумного оборудования, систем электропитания и управления.

Во второй главе рассматриваются вопросы разработки системы управления процессом нанесения покрытий в электронно-лучевой установке, разработке моделей, как отдельных подсистем, так и системы управления в целом. Обосновывается возможность использования оригинального датчика ионных токов для измерения скорости испарения вещества в электроннолучевой установке. Излагаются методики экспериментального определения моделей электронно-лучевой пушки и процесса массопереноса при нанесении покрытий методов анализа и синтеза сложных нелинейных систем с использованием пакета прикладных программ simulinlc. Обосновывается целесообразность построения адаптивной системы управления процессом испарения и конденсации вещества.

Третья глава посвящена исследованию разработанной системы управления скоростью испарения и конденсации в различных режимах работы установки. Исследование проводилось на модели составленной в терминах simulink. Исследовались процессы пуска установки, ликвидация технологических пробоев электронной пушки и последующего восстановления нормального режима работы, а также влияния возмущений в каналах анодного напряжения, накала катода и процесса испарения.

Четвертая глава посвящена разработке методики экспериментального исследования, проведению экспериментов на действующей электроннолучевой установке для нанесения покрытий с целью определения моделей элементов системы и функционирования системы в целом, а также рекомендации по реализации разработанной системы. Важной частью экспериментальных исследований являлась проверка использования для измерения массовой скорости испарения материала датчиков плотности ионного потока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложена, разработана и исследована система управления процессом испарения в электронно-лучевой установке, использующая для контроля скорости испарения оригинальный датчик ионного потока, установленный в зоне конденсации осаждаемого материала.

2. Показано, что разработанная на основе физических законов, лежащих в основе работы электронно-лучевой установки, и результатов экспериментальных исследований на действующей установке нелинейная модель системы управления скоростью испарения и конденсации, адекватно отражает процессы формирования электронного пучка и испарения материала, что позволяет использовать ее для проектирования установок этого класса и управления процессом.

3. Установлено, что нелинейность системы управления процессом испарения материала в электронно-лучевой установке приводит к необходимости изменения настройки ПИ-регулятора для сохранения показателей качества регулирования при изменении задания скорости испарения. Предложена и исследована система параметрической адаптации, обеспечивающая неизменность показателей качества регулирования при изменении задания скорости испарения.

4. Разработана методика аналитического исследования системы, использующая метод структурного моделирования систем типа simulink, позволяющая в диалоговом режиме проводить при проектировании анализ и синтез системы управления в процессе испарения.

5. На основании исследований работы системы в режимах пуска установки, ликвидации пробоев электронной пушки, колебаний питающего напряжения и тока накала катода, определены параметры задатчиков интенсивности для регуляторов тока накала катода и анодного напряжения, обеспечивающих требуемое технологией функционирование системы в нормальных и аварийных режимах работы.

6. Разработана методика экспериментального определения динамических характеристик, как отдельных функциональных элементов для нанесения покрытий, так и системы в целом, позволяющая определять параметров элементов системы и ее функционирование.

7. На основе экспериментальных исследований установлено, что разработанная система управления обеспечивает повышение точности нанесения покрытия и воспроизводимости толщины покрытия от цикла к циклу с 30% до 1,5%.

8. Показано, что системы управления электронно-лучевой установкой для нанесения покрытий целесообразно реализовывать, как двухуровневую иерархическую систему, верхний уровень которой образован промышленным компьютером, а нижний уровень, включающий в себя локальные регуляторы анодного напряжения, тока накала катода, системы фокусировки, развертки и транспортировки луча, скорости испарения и конденсации, а также системы вакуумирования — базе программируемых контроллеров.