Разработка системы управления движением сканирования установки магнетронного вакуумного напыления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Нечаев, Михаил Анатольевич

• Нечаев, Михаил Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нечаев, Михаил Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ СКАНИРОВАНИЯ МАГНЕТРОННЫХ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК

1.1. Установки магнетронного вакуумного напыления

1.2. Кинематические схемы электроприводов сканирования различных установок магнетронного вакуумного напыления

1.3. Разработка и исследование имитационной модели процесса роста толщины пленки с учетом относительного движения магнетро- 26 на и обрабатываемой поверхности

1.4. Задачи управления движением сканирования

Выводы по главе

Глава 2. УПРАВЛЕНИЕ КОМПЛЕКСАМИ С ДВИЖЕНИЕМ СКАНИРОВАНИЯ

2.1. Обобщенная схема комплекса для управления технологическим процессом

2.2. Вопросы технической реализации комплексов с движением сканирования

2.3. Формирование траектории движения с учетом особенностей кинематики

2.4. Общие технологические задачи управления комплексом с движением сканирования

Выводы по главе

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СКАНИРОВАНИЯ 64 УСТАНОВОК МАГНЕТРОННОГО ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ

3.1. Вопросы обеспечения равномерности вращения

3.2. Обеспечение согласования скоростей нескольких электроприводов

3.3. Моделирование электроприводов движения сканирования с учетом особенностей кинематики

3.4. Моделирование червячного редуктора 85 Выводы по главе

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ 96 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СКАНИРОВАНИЯ УСТАНОВКИ МАГНЕТРОННОГО

ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ «ОПАЛ-З-ПРО»

4.1. Установка магнетронного вакуумного напыления «Опал-3

4.2. Разработка схемы организации системы управления дви- 103 жением

4.3. Разработка функциональной схемы системы управления 106 движением сканирования и аппаратной части

4.4. Программа управления контроллером движения

4.5. Экспериментальные исследования системы управления 116 движением сканирования

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 момента- нагрузки, 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 сканирования; разработка их имитационных моделей с учетом особенностей кинематики установок и их исследование;

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

- внедрение системы управления« электроприводами? сканирования установки магнетронного вакуумного напыления.

Методы; исследования

Для решения поставленных» задач в работе использованы? методы; теории 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, что- позволяет 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 разработке- систем;1 управления- движением 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: распределения; зоны напыления, учитывающая параметры относительного движения магнетрона необрабатываемой поверхности;

- имитационная - модель электропривода с червячным5 редуктором,, учитывающая- различные коэффициенты постоянных; и - переменных потерь редуктора при передаче момента в прямом и обратном, направлении;

- рекомендации пофазработке; систем: 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 систем; управления, 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 140600, 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 ТПУ- в 20022010 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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Нечаев, Михаил Анатольевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нечаев, Михаил Анатольевич, 2010 год

1. Г. Авербух В .Я., Прохоров Ю.Н., Федоров В.В. Прецизионный электропривод . сканера радиометра // Вопросы; электромеханики. Труды НППС ВНИИЭМь- 2009; Т. 108:,-№ 1. - С. 25-281

2. Автоматизация типовых технологических процессов^ и?' установок: Учебник для вузов / А.М. Кор'ытищ.НЖ: Петров, С.НС Радимов; НЖ1 Шапарев. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 432 с.

3. Ананьин П.С., Аксаков О.Х., Нечаев М.А., Носкова Т.Г. и др. Плазменная установка для нанесения теплосберегающих покрытий // Известия Томского политехнического университета, 20041 Т. 307 - № 6. - С. 53-59.

4. Белов М.П. Автоматизированный, электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 576 с.

5. Борцов Ю .А. и др. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением / Ю.А. Борцов, Н.Д. По ляхов, В.В. Путов. Л.:;Энерго-атомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984.-216 с.

6. Букреев В., Гусев Н., Нечаев М., Краснов И. АСУ ТП производства комбикормов на базе контроллера Гаэ^е! КТП 188-В8// Современные технологии и автоматизация (СТА), 2006. № 1. - С. 74-79.

7. Булатова М.Н. Математическая модель червячной передачи// Известия Тульского государственного университета. Серия: Технические науки. 2009. -№2.-Т. 2.-С. 21-27.

8. Вакуумные напылительные установки, PECVD системы, компоненты для их создания, и системы контроля тонких плёнок Электронный ресурс. Электрон. дан. [2010]. - Режим доступа: http://www.actan.ru/vacsys.html. - Загл. с экрана.

9. Вакуумные установки для нанесения тонкопленочных покрытий Электронный ресурс. / Сайт компании «ООО Прикладная Электроника» Электрон: дан. - Томск, [2010]. - Режим доступа: http://www.pronika.m/installm.htm. -Загл. с экрана.

10. Вакуумные установки изготовленные ЗАО Фери-Ватт Электронный ресурс. Электрон, дан. — Казань, [2006]'. — Режим доступа: http://www.magnetron.ru/oborudovanie/. - Загл. с экрана.

11. Выскуб В.Г. и др. Прецизионные цифровые системы автоматического управления / В.Г. Выскуб, Б.С. Розов, В.И. Савельев. М.: Машиностроение, 1984. -136 с.

12. Гарганеев А.Г., Каракулов A.C., Ланграф С.В., Нечаев М.А. Опыт разработки преобразователя частоты для асинхронного электропривода общепромышленного применения // Электротехника, 2005. № 9. - С. 23-26.

13. Глазунов В.Ф., Филичев В.Т., Глотов A.B. О влиянии червячного редуктора на динамику электроприводов текстильных машин // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2008. - № 3. - С. 108-111.

14. ГОСТ 25778-83. Электроприводы подачи постоянного тока металлорежущих станков с числовым программным управлением. М.: Изд-во стандартов, 1983. - 12 с.

15. ГОСТ 26061-85. Электроприводы постоянного и переменного тока с моментом от 0,035 до 47 Нм для промышленных роботов. М.: Изд-во стандартов, 1985. - 12 с.

16. Единая система допусков и посадок СЭВ в машиностроении и приборостроении: Справочник: В 2 т. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство стандартов, 1989. — Т. 1. - 263 с.

17. Ермолин Н.П., Жерихин И.Л. Надежность электрических машин. Л.: Энергия, 1976.-248 с.

18. Иванов F.M., Левин Г.М., Хуторецкий В.М. Автоматизированный многодвигательный электропривод постоянного тока. -М.: Энергия, 1978. 160 с.

19. Клевцов A.B. Преобразователи частоты для электропривода переменного тока. Тула: Гриф,и К, 2008: - 224 с.

20. Ключев В.И. Механика электроприводов с червячной передачей*// Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1960. - №8. - С. 111-118.

21. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. -М.: Энергия, 1971. 320 с.

22. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры:* руководство по применению'16-разрядных микроконтроллеров Jntel MCS-196/296 во встроенных системах-управления. М.: Издательство ЭКОМ, 1997. 688 с.

23. Комплектный электропривод ПРП5 Электронный ресурс. / Каталог ФГУП «Томский электротехнический завод» — Электрон, дан. Томск. — [2010]. - Режим доступа: http://www.tetz.rU/catalog/item/l 5.html. - Загл. с экрана.

24. Кордыш Л.М. и др. Исполнительные механизмы приводов подач подвижных узлов металлорежущих станков с ЧПУ: обзор. М.: НИИМаш, 1980. - 57 с.

25. Коровин Б.Г. и др. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами / Б.Г. Коровин, Г.И. Прокофьев, Л.Н. Рассудов. — Л., Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. 352 с.

26. Кривобоков В. П. Плазменные покрытия (методы и оборудование): учебное пособие / В. П. Кривобоков, Н. С. Сочугов, А. А. Соловьев. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 104 с.

27. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. JL: Машиностроение,1973.-223 с.

28. Лаборатория 23 НИИ ЯФ при ТПУ Электронный ресурс. Электрон, дан. - Томск, [2010]. - Режим доступа: http://magnetron-systems.com/Rus/index-r.html. - Загл. с экрана.

29. Лебедев A.M. Следящие электроприводы станков с ЧПУ / А.М: Лебедев, Р.Т. Орлова, A.B. Пальцев. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 233 с.

30. Лясников В.Н. и др. Формирование равномерных по толщине плазменных покрытий / В.Н. Лясников, Т.В. Баландина, A.A. Сопенко, О.И. Веселкова. Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 1990. - 40 с.

31. Малогабаритные векторные преобразователи Е2-8300 Электронный ресурс. / Сайт компании «Веспер» Электрон, дан. - Москва. - [2010]. - Режим доступа: http://www.vesper.ru/catalog/invertors/e2-8300. - Загл. с экрана.

32. Металлорежущие станки и автоматы: Учебник для машиностроительных втузов / Под ред. A.C. Проникова. М.: Машиностроение, 1981. - 479 с.

33. Набиев P.M. Червячный редуктор электропривода пережиток прошлого или актуальная классика? // Территория Нефтегаз. - 2010. - № 6. - С. 100-1031

34. Нечаев М.А. Разработка системы управления движением сканирования установки магнетронного вакуумного напыления // Известия Томского политехнического университета. 2010. - Т. 317. - № 4. - С. 115-120.

35. Никитин М.М. Технология и оборудование вакуумного напыления. -М.: Металлургия, 1992. 122 с.

36. Перельмутер В.М., Соловьев А.К. Цифровые системы управления тири-сторным электроприводом. К.: Техшка, 1983. -104 с.

37. Поздеев А.Д. Механика приводов металлорежущих станков: Учеб. пособие / Чуваш, ун-т, Чебоксары, 1988. 88 с.

38. Проектирование следящих систем: учебное пособие / Л. В. Рабинович, Б. И. Петров, В. Г. Терсков и др.; Под ред. Л. В. Рабиновича. М.: Машиностроение, 1969. - 499 с.

39. Рахимова Г.Р1 Оптимизация нанесения пленок или покрытий на поверхность образцов больших размеров // Поверхность. Рентгеновские, синхро-тронные и нейтронные исследования, 2009. № 7. — С. 109-112.

40. Семенов В.С. Настройка цепной передачи как процесс приведения ее в работоспособное состояние // Новые технологии. — 2006. — № 2. — С. 62-68.

41. Семенов В.С., Евсюков П.В: Изменение усилий, действующих на шарнир цепи, при его входе в зацепление с зубом ведущей звездочки // Новые технологии. 2006. - № 2. - С. 57-62.

42. Семыкина И.Ю;, Завьялов В.М., Глазко М.А. Градиентное управление многодвигательным асинхронным электроприводом // Известия Томского политехнического университета. 2009. - Т. 315. - № 4. - С. 65-69.

43. Справочник оператора'установок по нанесению покрытий в вакууме / А.И. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко и др. М.: Машиностроение, 1991.- 176 с.

44. Терехов В.М. Системы управления электроприводов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.М. Терехов, О.И. Осипов; Под ред. В.М. Терехова. -М.: Издательский центр «Академия», 2005. 304 с.

45. Трахтенберг Р.М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. -М.: Энергоиздат, 1982. — 168 с.

46. Удут Л.С. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Ч. 6. Механическая система электропривода / Удут Л.С., Кояин Н.В., Мальцева О.П. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2007. -148 с.

47. Удут Л.С., Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Томск: Изд-во ТПУ, 1999. - 144 с.

48. Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ: Справочное пособие. Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1989. - 320 с.

49. Щедринов А.В., Кравченко А.Ю. Адаптивная система автоматического управления процессом окраски // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2001. - № 4-5. - С. 97-99.

50. Эффективность применения высокомоментных двигателей в станкостроении / Э.Г. Королев, И.А. Волкомирский, A.M. Лебедев и др. М.: Машиностроение, 1981. - 144 с. ■

51. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения: Учебник. 5-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 19791 - 343 с.

52. Mode of access: http://www.appliedfilms.com/index.php?id=l 1.

53. Architectural glass VON ARDENNE Electronic resource. / VON ARDENNE Anlagentechnik GmbH. - Electronic data. - [2010]. - Mode of access: http://www.vonardenne.biz/content/eng/44.htm.

54. Competence in coating technology Electronic resource. / PLANSEE High ■ Performance Materials Electronic data. - [2010]. - Mode of access: http://www.plansee.com/coatingteclinology.htm.

55. Magnetron.Sputtering of ITO and ZnO Films for Large Area* Glass Coating. C.May, J.Strumpfel, D.Schulze. Presentation on the 43rd Annual Technical Conference of the Society of Vacuum Coaters 2000: Denver, USA, April 17-20, 2000.

56. Nechaev M.A. Defining of requirements to substrate drive for magnetron thin film deposition plants // PROCEEDINGS KORUS 2004. The 8th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology. Tomsk, June 26-July 3, 2004.

57. Sunoloy Coatings are Proprietary Coating Solutions Electronic resource. / Sun Coating Company. Electronic data. - Plymouth: [2010]. - Mode of access: http://www.suncoating.com/sunoloy.html.

58. T.-J. Yeh, Feng-Kung Wu. Modeling and robust control of worm-gear driven systems // Simulation Modelling Practice and Theory, Volume 17, Issue 5, May 2009, Pages 767-777.