Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния и уровня развития электронно лучевых установок для нанесения покрытий 9
1.1. Развитие технологий нанесения покрытий 9
1.2. Анализ технологического оборудования для нанесения покрытий в вакууме 14
1.3. Анализ развития автоматизации управления процессом нанесения покрытий 19
Выводы по главе 23
2. Разработка модели системы управления процессом нанесения покрытия 24
2.1. Выбор и обоснование системы управления процессом нанесения покрытия 24
2.2. Разработка модели системы управления скоростью испарения 29
2.3. Анализ и синтез системы регулирования скорости испарения 33
2.4. Адаптивный регулятор скорости испарения 39
Выводы по главе 47
3. Исследование системы управления скоростью испарения 48
3.1. Исследование процесса пуска электронно-лучевой установки 48
3.2. Исследование влияния возмущений в канале анодного напряжения 57
3.3.Исследование процесса пробоя электронной пушки 67
3.4. Исследование влияния возмущений в канале испарения 72
Выводы по главе 76
4. Реализация системы управления процессом нанесения покрытий в электронно-лучевой установке . 78
4.1. Экспериментальная идентификация процесса нанесения покрытия в электронно-лучевой установке 78
4.2. Реализация системы управления скоростью испарения и конденсации 82
4.3. Экспериментальное исследование системы управления скоростью испарения и конденсации 86
4.4. Рекомендации по совершенствованию системы управления скоростью испарения и конденсации 90
Выводы по главе 95
Заключение 96
Библиографический список 98
Приложения 106
- Анализ технологического оборудования для нанесения покрытий в вакууме
- Разработка модели системы управления скоростью испарения
- Исследование влияния возмущений в канале анодного напряжения
- Реализация системы управления скоростью испарения и конденсации
Введение к работе
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 установках;
разработка и обоснование системы управления скоростью испарения и конденсации при нанесении покрытий;
разработка и обоснование датчиков скорости испарения и конденсации материала при нанесении покрытий в электронно-лучевых установках; разработка и обоснование моделей системы управления скоростью испарения и конденсации в электронно-лучевых установках;
исследование на моделях подсистем управления отдельными блоками электронно-лучевой установки и системы в целом;
проведение 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 электронно-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%доЗ%.
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 simulink. 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.
Анализ технологического оборудования для нанесения покрытий в вакууме
Электронно-лучевое испарение материалов является наиболее универсальным и широко используемым способом получения покрытий в вакууме [53-56]. Носителем энергии в этих процессах является электронный луч с энергией 6—10 кэВ.
Электронно-лучевое испарительное устройство включает в себя три основных элемента: электронно-оптическую систему, обеспечивающую формирование электронного пучка с требуемыми параметрами; тигель с испаряемым материалом, который при проведении длительных циклов испарения оборудуется механизмом подпитки; систему транспортировки электронного пучка. Особенностью электронно-лучевых испарительных устройств является необходимость надежной защиты электронно-оптической системы от паров и брызг испаряемого материала, что достигается вынесением последней из зоны прямой видимости поверхности испарения. При этом для проведения пучка к поверхности нагрева необходимо обеспечить его разворот на угол, соответствующий выбранной схеме компоновки элементов испарительного устройства (см. рис.1.1). Эта задача решается путем создания магнитных полей определенной направленности. Устройства, создающие указанные поля и входящие в систему транспортировки электронного пучка, получили название «системы магнитного разворота» [10]. Кроме того, в устройство транспортировки электронного пучка в случае необходимости включают также одну или несколько магнитных линз, обеспечивающих фокусировку и проведение пучка.
Можно выделить два варианта исполнения испарительных устройств: блочное и функционально-элементное. В блочном варианте [11, 12, 13] все элементы испарительного устройства представляют собой один конструктивный узел, который целиком монтируется в технологическом объеме установки. Такое исполнение испарительного устройства существенно упрощает задачу конструирования технологического оборудования, так как позволяет встраивать испарительное устройство в весьма ограниченные размеры вакуумной камеры и создает дополнительные удобства при эксплуатации. Кроме того, в этом случае упрощается задача нанесения покрытия с высокой равномерностью по толщине на широкую подложку путем размещения по ее ширине нескольких блочных испарительных устройств.
В функционально-элементном исполнении все элементы испарительного устройства выполняются в виде отдельных конструктивных узлов, каждый из которых выполняет строго определенный набор функций. При таком исполнении удается наиболее полно учесть как специфические особенности конкретного процесса, так и требования к практической реализации принятой конструктивной схемы[36].
Кроме рассмотренных выше конструкций, находят применение испарительные устройства, в которых нагрев испаряемого материала в тигле больших размеров обеспечивается несколькими электронными пучками. В таких испарительных устройствах используется соответствующее число электронно-оптических систем и систем транспортировки, каждая их которых имеет индивидуальное регулирование и контроль. Такие испарительные устройства можно рассматривать как несколько испарительных устройств функционально-элементного исполнения, объединенных общим тиглем [42-48].
Целью данного исследования является обеспечение равномерности толщины наносимых на рулонные материалы покрытий, относящихся к «толстым пленкам». Проанализируем факторы, оказывающие влияние на равномерность толщины наносимого покрытия. В данной работе ограничимся анализом конструктивных схем только испарительных систем, не затрагивая вопросы конструирования тигля.
Наибольшее влияние на равномерность толщины покрытия оказывают электронно-оптические системы [14]. Практическое применение получили два типа систем формирования электронного пучка: электронно-оптические системы, формирующие на выходе плоско-симметричный пучок, и электронно-оптические системы, формирующие аксиально-симметричный пучок. Оба типа электронно-оптических систем обеспечивают формирование электронных пучков в широком диапазоне значений токов и ускоряющих напряжений.
Анализ конструкций испарительных устройств показывает, что каждому типу системы формирования электронного пучка соответствует определенный ряд конструктивных схем, отличающихся местом расположения электронно-оптической системы относительно тигля и конструкцией системы транспортировки электронного пучка[15,16,17]. При этом особенности испарительных устройств определяются углом, на который необходимо развернуть электронный пучок при его транспортировке к поверхности испарения. Выбор угла разворота зависит от особенностей конкретного технологического процесса и условий защиты электронно-оптической системы от попадания паров и частиц конденсата. Наибольшее распространение получили электронно-оптические системы с разворотом электронного пучка на угол от 90 до 180 [18].
Испарительные устройства, в которых электронно-оптическая система отделяется от испарительной камеры, получили широкое применение в установках с поперечным отклонением электронного пучка на 45 [16, 17, 18]. Простота конструкции, присущая данным испарительным устройствам, удачно сочетается с надежностью их работы. Испарительные устройства этого типа позволили реализовать целый ряд перспективных направлений технологического применения процесса испарения и конденсации в вакууме и послужили основой для разработки большого числа установок как у нас в стране, так и за рубежом [20]. Рассмотренные выше конструктивные схемы испарительных устройств могут быть использованы и для рассматриваемого класса установок.
Значительный интерес с точки зрения обеспечения надежной защиты электронно-оптической системы от паров и брызг испаряемого материала и рационального использования объема установки представляют схемы с разворотом электронного пучка на 270 [20, 21, 22]. Схема одного из вариантов такого испарительного устройства, разработанного фирмой «AIRCO TEMESCAL» [19, 22, 23], представлена на рис. 1.1. Основной причиной, затрудняющей реализацию испарительных устройств функционально-элементного исполнения с разворотом электронного пучка на 270, является конструктивная сложность системы транспортировки пучка, которая в этом случае должна состоять из двух согласованных магнитных систем разворота.
Единое мнение относительно целесообразности того или иного конструктивного исполнения испарительного устройства к настоящему времени еще не сложилось. Так, ряд авторов [1] полагают, что легкая управляемость распределением энергии по поверхности нагрева и стабильная работа аксиально-симметричных систем при более высоких значениях рабочего давления, допустимых при наличии автономной откачки системы формирования пучка, являются решающими преимуществами этого класса устройств. Другие [23], отмечая сложность конструкции аксиально-симметричных оптических систем, а также высокую удельную мощность в фокальном пятне электронного пучка, не являющуюся необходимой с технологической точки зрения, отдают предпочтение испарительным устройствам с плоско-симметричными оптическими системами. Сравнение схем испарительных устройств с различными углами разворота электронного пучка показывает, что увеличение угла разворота пучка улучшает защищенность электронно-оптической системы от паров и брызг испаряемого материала, позволяет более рационально использовать технологический объем установки, но одновременно сопровождается усложнением конструкции испарительных устройств и повышением их чувствительности к пульсациям и нестабильности ускоряющего напряжения.
Разработка модели системы управления скоростью испарения
Для исследования системы управления скоростью испарения в электронно-лучевой установке была разработана математическая модель, представленная в виде структурной схемы, приведенной на рис. 2.4[30-35]. Типы и параметры динамических звеньев, входящих в структурную схему, определялись как на основании физических законов, лежащих в основе функционирования элементов системы, так и по результатам экспериментального исследования на действующей установке типа ЭГШ-100/40.
Исполнительным элементом в канале регулирования тока накала катода электронной пушки является трехфазный тиристорный регулятор напряжения ТРН с неуправляемым выпрямителем на выходе понижающего трансформатора (на схеме рис. 2.1 не показаны), используемые для питания накала катода электронной пушки, представлены в структурной схеме в виде инерционного звена первого порядка с передаточной функцией W„(p) = кп 1{Тп р + 1). Представление тиристорного регулятора в виде инерционного звена первого порядка с постоянной времени Тн = 0,01 с является общепринятым [3]. Накал катода осуществляется постоянным током для исключения колебаний фокального пятна, создаваемого электронным пучком на поверхности испаряемого материала. Выходной величиной регулятора тока накала является действующее значение напряжения UH, поэтому для исключения его отрицательных значений, возникающих в переходных процессах. В структурную схему введено звено ограничения Н31, отсекающее отрицательные значения напряжения UH и ограничивающее его номинальным значением. Как следует из приведенных на рис. 2.2 регулировочных характеристик электронной пушки, ток электронного пучка возникает при определенном, отличном от нуля, токе накала катода, обеспечивающем эмиссию электронов. Это обстоятельство учитывается в структурной схеме введением нелинейного звена типа зона нечувствительности. Динамические характеристики катода электронной пушки учитывались в структурной схеме инерционным звеном первого порядка с передаточной функцией Wn(p) — кп /(Г„ р + 1). Как отмечалось выше, (см. рис. 2.2) зависимость тока электронного пучка 1П от тока накала 1Н близка к квадратичной, что учтено в структурной схеме введением нелинейного звена возведение в квадрат. Блок умножения, вычисляющий произведение кэил[1{", учитывает нелинейный характер зависимости тока электронного пучка 1П от тока накала 1Н и анодного напряжения Ua.
Использование аналитических методов для определения динамических характеристик канала испарения материала при взаимодействии с электронным пучком представляет значительные трудности и не позволяет получить желаемую точность из-за значительных погрешностей определения параметров, определяющих процесс массопереноса. Поэтому определение передаточной функции канала испарения было проведено по результатам эксперимента (см. гл. 4). На установке ЭПП-100/40 были сняты амплитудно-частотные характеристики канала испарения, включающего в себя регулятор тока накала катода, электронный пучок и тигель с испаряемым материалом. Выходной величиной канала испарения являлся сигнал, вырабатываемый датчиками ионного потока. Эксперименты проводились при постоянном анодном напряжении, равном 20 кВ. Частота f задающего сигнала изменялась в диапазоне от 0.01 до 20 Гц. В процессе эксперимента снимались осциллограммы входного и выходного сигналов при разных частотах, на основании которых определялись амплитуда и фаза выходного сигнала. По результатам эксперимента была построена амплитудно-фазовая характеристика, на основании которой по методике, приведенной в [5], было установлено, что канал испарения определяется звеном запаздывания с передаточной функцией W„(jc) = є " тзр, где т3 = 0,049 с. Динамическая характеристика теплового процесса накала катода и эмиссии электронов определяется инерционным звеном первого порядка с передаточной функцией W„(/?) = кн/(Тнр + 1). Тепловая постоянная времени катода составила Тп = 0,332 с. Коэффициент передачи, определяемый произведением коэффициентов кп кн к3 Ua ки, составил 3,6. Частота среза системы, при которой выходной сигнал близок нулю, равна 20 Гц.
Коэффициенты передачи звеньев, входящих в систему рис. 2.4, определяются следующими параметрами ее функциональных элементов. Максимальное значение входного сигнала тиристорного регулятора составляет 10 В, а максимальное значение тока накала катода - 40 А при напряжении на выходе выпрямителя — 12 В. Таким образом, коэффициент передачи канала накала катода определяется как = /,, тах / С/вх тах = 40/10 = 4 [А/В], где /н ,шх -максимальное значение тока накала катода; UBX max - максимальное значение напряжения на входе тиристорного регулятора.
Коэффициент передачи звена, связывающего ток накала катода с током электронного пучка, определяется из регулировочных характеристик электронной пушки (рис. 2.2) и составляет кп = /„ тах / /„ тах = 2/40 = 0,05. Коэффициент передачи звена, связывающего анодное напряжение с током электронного пучка, определяется из условия кэ Ua max = 1, где U.d max = 20 кВ -максимальное значение анодного напряжения. Следовательно, кэ= 1/ t/amax = 1/20 = 0,05 [1/кВ]. Коэффициент передачи канала испарения определяется на основании экспериментальных данных из условия кп ки кэ Ua кп - 3,6, т.е. /си = 3,6/ кп ки кэ U& = 3,6/( кп kv к0 Ua) = 3,6/(0,05- 4-1)= 18.
Исследование влияния возмущений в канале анодного напряжения
В процессе работы установки в канале анодного напряжения могут иметь место колебания анодного напряжения и возникать технологические пробои электронной пушки. Для формирования требований к источнику питания анодного напряжения электронной пушки проведем исследования влияния колебаний анодного напряжения на скорость испарения и конденсации. Исследования проведем на модели рис.3.8 при скачкообразном изменении возмущающих воздействий в канале анодного напряжения, к основным из которых, можно отнести колебания напряжения питающей сети и изменения тока луча. По ГОСТ [15] нормированная величина колебаний питающего напряжения составляет +10 - - 15% от номинального значения.
Блок анодного напряжения электронной пушки включает в себя тири-сторный регулятор напряжения РН, к выходу которого подключены первичные обмотки повышающего трансформатора ПТ. Вторичные обмотки ПТ подключены к неуправляемому выпрямителю НВ. Для сглаживания пульсаций выпрямленного анодного напряжения д/ана выходе выпрямителя включен сглаживающий конденсатор С. Анодное напряжение Ua подается на катод К и анод А электронной пушки ЭП. Стабилизация анодного напряжения осуществляется системой стабилизации, включающей в себя регулирующее устройство РУ, на один вход которого поступает сигнал задания U 3, а на другой - сигнал обратной связи Ua, снимаемой с делителя напряжения R1, R2. Выходной сигнал регулирующего устройства подается на вход системы импульсно-фазового управления СИФУ, управляющей включением тиристоров РН.
На основе уравнений (3.1), передаточных функций тиристорного регулятора напряжения и регулирующего устройства (см. гл. 2) может быть составлена структурная схема стабилизатора анодного напряжения, приведенная на рис. 3.12. Схема рис. 3.12 используется в дальнейшем для исследования влияния колебаний питающего напряжения и изменения тока луча без учета пульсаций выпрямленного напряжения.
Структурная схема рис. 3.12 включает в себя инерционное звено с передаточной функцией Wn(p) = кп /(Тп р + 1), определяющей инерционность тиристорного регулятора напряжения, и звено ограничения, учитывающее ограничение выходного напряжения регулятора, обусловленное напряжением питающей сети. Инерционное звено с передаточной функцией, равной WB(p) — (1//?в) І(Тур + І), учитывает инерционность выпрямителя и дросселя фильтра. Остальные звенья структурной схемы рис. 3.12 определяются уравнениями (3.1). Возмущающее воздействие AU, вызываемое колебаниями питающего напряжения, подается на вход инерционного звена с передаточной функцией W-aip). Возмущение, вызываемое изменением тока луча, вводится в схему с помощью переключателя К, изменяющего сопротивление нагрузки выпрямителя. В стабилизатор анодного напряжения введена последовательная коррекция, осуществляющая ПИ- закон регулирования.
Анализ системы рис. 3.12 проводился путем расчета переходных функций изменения анодного напряжения (выходного напряжения стабилизатора) С/а(0 раздельно для питающего напряжения С/и сопротивления нагрузки і?ь R2. В процессе исследования варьировались параметры сглаживающего фильтра L, С, величина напряжения задания /ад и параметры настройки ПИ регулятора. Целью исследования являлось определение зависимости динамической ошибки регулирования от параметров системы.
Ступенчатое изменение питающего напряжения, эквивалентное изменению коэффициента передачи кп тиристорного регулятора, учитывалось в блок-схеме рис. 3.13 введением блока умножения Produkt, на один вход которого подается сигнал управления, вырабатываемый ПИ-регулятором, а на другой — с генератора ступенчатой функции Step Input 1. В процессе исследования рассчитывались переходные функции для различных значений задания и параметров системы.
Как показывает анализ зависимостей вида рис. 3.14, использование стабилизатора анодного напряжения с L, С фильтром на выходе неуправляемого выпрямителя обеспечивает при допустимых по ГОСТ колебаниях питающего напряжения в пределах + 10% и - 15% динамическую ошибку, не превышающую 1 — 2%, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к блоку питания анодного электронной пушки. Параметры L, С фильтра и настройку ПИ-регулятора при проектировании установки целесообразно осуществлять на модели рис. 3.13 в диалоговом режиме.
Стабилизатор анодного напряжения, выполненный по схеме рис. 3.10, обеспечивает поддержание постоянной составляющей выпрямленного напряжения Ua, подаваемого на анод электронной пушки. Однако, на выходе выпрямителя НВ, кроме постоянной составляющей U.d, присутствует переменная составляющая напряжения пульсаций д/а, обусловленных работой тиристорного регулятора напряжения РН Изменение угла регулирования тиристоров регулятора РН приводит к искажению формы кривой его выходного напряжения и, соответственно, напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора ПТ [25]. На выходе неуправляемого выпрямителя эти искажения формы кривой переменного напряжения проявляются в виде переменной составляющей выпрямленного напряжения (пульсаций Д/а), величина которых зависит от угла регулирования а и при напряжениях 0,3 - 0,5 ном может достигать 30 — 40% от постоянной составляющей Ua. Стабилизация постоянной составляющей анодного напряжения, осуществляемая регулятором РУ в схеме рис. 3.10, практически не обеспечивает уменьшения переменной составляющей ДС/а из-за неполной управляемости тиристоров, приводящей к запаздыванию регулятора. Единственной возможностью уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения в регуляторе анодного напряжения является установка на выходе выпрямителя НВ L, С фильтра (см. рис. 3.10).
Реализация системы управления скоростью испарения и конденсации
Реализация разработанной системы управления скоростью испарения и конденсации проводились на электронно-лучевой установке ЭПП-100, обший вид которой показан на рис. 4.3. Установка позволяет наносить покрытия из различных материалов на подвижные и неподвижные изделия в периодическом режиме работы.
Разработанный в гл. 2 алгоритм управления скоростью испарения и конденсации материала, который представлен в виде структурной схемы рис. 2.4, может быть реализован как на основе дискретных элементов (жесткая логика), так и на программируемых контроллерах (программируемая логика). На этапе уточнения и отладки системы управления процессом нанесения покрытия была использована жесткая логика для реализации каналов управления током накала катода и анодного напряжения и специализированные программируемые контроллеры для управления остальными агрегатами технологического оборудования.
На рис. 4.5. приведена схема регулятора скорости испарения, реализующая предложенный алгоритм управления. Регулятор выполнен на операционных усилителях DA1 - DA9 и полевых транзисторах Kl - К4, выполняющих функции ключей. Операционные усилители DA1 и DA2 обеспечивают согласование (нормирование) сигналов, вырабатываемых датчиками ионных токов II и 12. Фильтры низких частот с частотой среза 50 Гц, выполнены на операционных усилителях DA5, DA6 и обеспечивают фильтрацию сигналов, поступающих с датчиков ионных токов II и 12. Сигналы с выходов операционных усилителей DA5 и DA6 суммируются на операционном усилителе DA8. Полученный в результате суммирования сигналов датчиков /7 и 12 сум
Схема регулирующего устройства системы управления скоростью испарения марный сигнал, являющийся сигналом обратной связи, пропорциональным скорости испарения, поступает на вычитающий вход операционного усилителя DA9, выполняющего функции элемента сравнения системы управления. На этот же вход операционного усилителя DA9 с противоположным знаком относительно сигнала обратной связи поступает сигнал задания, снимаемый с задатчика скорости испарения, выполненного на переменном резисторе R3. Сигнал рассогласования, пропорциональный разности Av = v из - Уи заданной и текущей скорости испарения, с выхода операционного усилителя DA9 поступает на вход пропорционально-интегрального звена (ПИ-регулятора), выполненного на операционных усилителях DA3 и DA4. Пропорциональная составляющая закона регулирования вырабатывается операционным усилителем DA3, а интегральная составляющая - операционным усилителем DA4. Обе составляющие закона регулирования поступают через ключи К1 и К2 на вход выходного операционного усилителя DA7, выполняющего также и функцию суммирующего элемента. На операционный усилитель DA 7, кроме сигнала пропорционального разности скоростей испарения, поступает сигнал задания рабочего тока накала катода электронной пушки, определяющего желаемый режим испарения. В результате сигнал, пропорциональный разности скоростей испарения, создает второй контур регулирования тока накала катода электронной пушки, обеспечивая коррекцию тока накала для поддержания заданной скорости испарения.
Для настройки регулятора в схему рис. 4.5 введены источник опорного напряжения Е0, вольтметры PV1, PV2, переменные резисторы Rl — R4, ключи К1 - К4, переключатели SB1, SB2, и блок автоматики БА. Вольтметр PV1 служит для контроля суммарного сигнала датчиков ионных токов , а вольтметр PV2 - сигнала рассогласования Av, выделяемого на выходе элемента сравнения (операционный усилитель DA7). С помощью переключателей SB1, SB2 схема переводится в режим настройки, при котором осуществляется нормирование сигналов с датчиков II и 12. В режиме настройки перемещением движков резисторов устанавливают суммарный сигнал датчиков ионного тока, равный эталонному Е0. Блок автоматики БА с помощью ключей К1 — К4 переводит схему из режима автоматического регулирования в режим настройки. В режиме настройки отключается обратная связь по скорости испарения, что обеспечивается открыванием ключей Kl, К2, шунтирующих цепи обратной связи операционных усилителей DA3, DA4, и размыканием ключей КЗ, К4 , запрещающих прохождение сигнала обратной связи на выходной усилитель DA7, т.е. на вход усилителя тока накала катода электронной пушки. В режиме настройки при отсутствии сигнала обратной связи по скорости испарения на вход регулятора тока накала катода РНТТ с помощью переменного резистора R4 задается начальный ток накала катода, определяющий выбранный режим работы электронной пушки. В автоматическом режиме система замыкается и обеспечивается коррекция тока накала катода для поддержания заданной скорости испарения. Режим блока автоматики БА определяется сигналами с датчика ионного тока и анодного (ускоряющего) напряжения Ua электронной пушки.
Настройка и исследование разработанной системы управления проводилась в НЛП «Элевак-Т» на электронно-лучевой установке ЭПП-100, общий вид и функциональная схема которой приведены соответственно на рис. 4.3 и 4.4. На первом этапе исследований определялась работоспособность и устойчивость системы поддержания скорости испарения. Исследования проводились для системы, не содержащей контуров адаптации. Параметры ПИ-регулятора в исследуемой системе были установлены по результатам моделирования, проведенного в 2.3. Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность системы и ее устойчивость, что можно рассматри вать как доказательство адекватности разработанной модели системы управления скоростью испарения.
Из-за сложности процесса вывода установки на заданный режим работы не представляется возможным снять осциллограммы, аналогичные полученным на модели (см. рис.2.7). Однако, стабильность показаний вольтметра PV1 (см. рис. 4.5) в нормальном режиме работы установки подтверждает устойчивость системы и высокую точность поддержания скорости испарения.
Процесс вывода системы на требуемый режим работы в установках для нанесения покрытий, использующих электронную пушку с разворотом луча на 270, осуществляется в ручную и сопровождается определенной процедурой, исключающей возможность «прожига» камеры и размещенных в ней элементов. После откачки камеры и подачи на электронную пушку анодного напряжения Ua в ручном режиме работы блока автоматики БА резистором R4 устанавливают минимальный ток накала катода, при котором наблюдается фокальное пятно, как правило, находящееся вне тигля с испаряемым материалом. Изменяя параметры магнитной системы развертки и транспортировки электронного луча, «выводят» фокальное пятно в центр тигля. После этого плавно увеличивают задание тока накала катода, контролирую ток луча по амперметру. После установки в ручном режиме требуемого тока электронного луча и появления сигнала обратной связи, пропорционального скорости испарения, блок автоматики переводит систему в автоматический режим, подключая контур обратной связи к входу регулятора тока накала. Полученные в процессе настройки системы на требуемый технологический режим параметры задатчиков интенсивности вводятся в блок автоматики. В последующих режимах с отработанным таким образом процессом испарения, а также при восстановлении режима работы электронной пушки после пробоя параметры задатчиков интенсивности не изменяются. При переходе на другие материалы или изделия рассмотренная выше процедура настройки процесса испарения повторяется. Толщина наносимого на изделие покрытия при стабильной скорости испарения зависит только от времени экспозиции t3- Именно это время используют для определения толщины наносимого покрытия, контролируя его вручную. По истечении заданного времени экспозиции установку отключают, разгерметизируют и извлекают изделие.
