CC BY
47
УДК 681.51:621.9.048
АВТОМАТИЗАЦІЯ ПЕРЕМІЩЕНЬ ЗАГОТІВОК ПРИ ФОРМУВАННІ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ШАРІВ
КАНАШЕВИЧГ.В., РУДЬ М.П., ВАЩЕНКО В.А., БОЙКО В.П., БОНДАРЕНКО М. О, ЯЦЕНКО I.B.
Описується система керування переміщень заготівок при формуванні гладких поверхонь та функціональних шарів для оптоелектроніки і інтегральної оптики в оптичних матеріалах електронно-променевим методом.
1. Вступ
Однією з основних технологічних проблем оптоелектроніки та інтегральної оптики є значне відставання якості їх оптичних компонентів від елементів сучасної мікроелектроніки.
Таким чином, у світовій оптичній промисловості основний шлях удосконалення пролягає через мікромініатюризацію оптичних виробів, створення бездефектних поверхонь, функціональних шарів і функціональних покриттів на оптичних матеріалах впровадженням новітніх, високоефективних мікро-оптичних технологій.
У зв,язку з названою проблемою нами розроблено та використовується на практиці електронний метод створення функціональних шарів в оптичному склі для елементної бази оптоелектроніки та інтегральної оптики [1—3].
В основу методу покладено фізико-технічну локальну дію низькоенергетичного стрічкового електронного потоку на оптичне скло для одержання приповерхневих шарів необхідної товщини, форми і розмірів зі зміненим хімічним складом, покращеними оптичними, механічними і термічними властивостями.
Метод створення функціональних шарів в оптичному склі відрізняється від методу електронно-променевого полірування оптичного скла (який започатковано у 70-х роках XX століття Г.В. Дуд ком і далі розвинуто В.М.Лісоченком) тим, що він спрямований на вилучення не тільки дефектного шару, але й тріщиновидного, який залягає нижче дефектного при одержанні надгладких поверхонь. При цьому метод спрямовано на керовані локальні фізико -хімічні перетворення з формуванням нової поверхні.
Підвищити якість, а також розширити діапазон застосувань даної технології можливо впровадженням в існуюче обладнання для поверхневої термічної електронної обробки мікропроцесорних автоматичних систем керування, побудованих із застосуванням сучасної елементної бази.
Електронна обробка відноситься до класу систем з розподіленою рухомою дією. Як відомо, в таких системах однією з особливостей є багатоканальність керування [4], тобто зміна стану оброблюваного
46
об’ єкта може провадитися регулюванням д екілько -ма параметрами джерела впливу.
При прямолінійному поступальному русі електронний потік можна описати таким рівнянням:
F(x, 0 = u(t V[x - s(t), k(t)], (1)
де F(x,t) — розподіл густини потужності потоку по поверхні заготівки; u(t) — інтенсивність електронного потоку; y[x - s(t),k(t)] — форма електронного потоку; s(t) — закон поступального руху потоку; k(t) — коефіцієнт зосередженості потоку.
Як видно з рівняння (1), досягнення заданого розподілу потужності електронного потоку на поверхні оброблюваного виробу можливо регулюванням таких параметрів: інтенсивністю u(t), коефіцієнтом зосередженості k(t) або законом руху s(t). Найбільші можливості з перелічених має керування законом руху (s-керування) при незмінних формі й інтенсивності електронного потоку.
Одночасно задача s-керування є найбільш складною в класі подібних задач у зв’язку з нелінійною залежністю між станом об’єкта (температурою) і законом руху джерела дії. При цьому з усіх керуючих параметрів саме зміна швидкості переміщення електронного потоку викликає найбільшу зміну стану об’єкта обробки.
Таким чином, впровадження в технологію поверхневої електронної обробки оптичних матеріалів автоматичної системи, здатної реалізувати переміщення виробу в широкому діапазоні швидкостей з високою точністю, дозволить значно розширити межі її використання і поліпшити якість обробки.
Метою даної роботи є створення і застосування автоматичної системи, що забезпечує керування рухом виробів з оптичних матеріалів відносно електронного потоку стрічкової форми.
2. Задачі системи переміщення
При постановці задачі створення системи керування переміщенням виробів бралися до уваги особливості електронно-променевої обробки оптичних матеріалів.
Система повинна забезпечувати такі параметри: діапазон переміщення візка 0...350 мм; максимальна швидкість переміщення 5 см/с; відхилення від заданої швидкості переміщення візка не більш ±2% у діапазоні швидкостей від 0,5 до 4 см/с; позиці-ювання візка з точністю ±50 мкм; вимірювання таких параметрів: положення візка з кроком 10 мкм, швидкість переміщення візка з кроком 0,1% від максимальної.
3. Обладнання і матеріали
Устаткування для поверхневої термічної електрон -ної обробки оптичних матеріалів виготовлено на базі вакуумної установки УВН-74.
Система переміщення складається з таких елементів: однокоординатний лінійний стіл переміщення, колекторний двигун постійного струму з
РИ, 2004, № 4
блоком живлення і мікропроцесорною системою керування, ПЕОМ зі спеціалізованим програмним забезпеченням (рис.1).
Двигун постійного струму розташовується зовні вакуумної камери. Обертання вала двигуна через редуктор (передаточне число редуктора n=120) передається усередину вакуумним вводом руху. Обертальний рух перетворюється в поступальний рух столу за допомогою передачі гвинт-гайка.
Оброблювані матеріали — пластини прямокутної форми (70-14-6 мм) і круглі диски (діаметр d = 20 мм; висота h = 2, 4 ,6 мм), виготовлені з оптичного скла марок К8, К108, К208, БК10, ТК21.
Електронна
гармата
Електронний
пучок
Вакуумна
камера
Двигун
“Vi—п
Редуктор -1 Робочий
Оптична пара
Диск з отворами
візок
Блок живлення г— МК Блок керування RS-232
електропривода ^5— еієктроприводом
ПЕОМ
Рис. 1. Функціональна схема системи керування рухом заготовок при електронній обробці оптичних матеріалів
4. Опис мікропроцесорної системи
Структурно розроблена система керування рухом при електронній обробці являє собою дворівневу децентралізовану автоматичну систему керування (АСК) [5]. Верхній рівень — персональний комп’ютер, оснащений прикладним програмним забезпеченням [7,8]. Нижній рівень АСК—блок керування, розроблений на базі 8-бітних мікроконтроллерів PICmicro. Блок керування здійснює безпосереднє керування переміщенням столу з заготівками [6,1113].
Керування швидкістю переміщення робочого столу здійснюється методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Імпульси формуються за допомогою безконтактного ключового елемента (потужний подвійний транзистор), керованого мікроконтрол-лером. Реверс електродвигуна здійснюється за допомогою електромагнітного реле, час спрацьовування якого не більше 14 мс.
Для зменшення амплітуди пульсацій струму і розширення діапазону регулювання застосоване керування з одночасною зміною тривалості періоду ШІМ відповідно до співвідношення [10]:
T ■
1 4 • К(і - К), (2)
де Тщіп — мінімальний період ШІМ, обумовлений характеристиками ключового елемента і швидкодією мікроконтроллера; в даному випадку Tmin прийнято рівним 0,25 мс; К—відношення довжини імпульсу до повного періоду ШІМ (К=0, 0.001...1).
Формування імпульсів ШІМ забезпечується вбудованим у мікроконтроллер 10-розрядним модулем.
Необхідною умовою ефективної роботи системи керування рухом є наявність зворотного зв’язку за переміщенням об’єкта. Для об’єктивного виміру параметрів руху датчик необхідно розташовувати всередині вакуумної камери. Найбільш ефективним у даних умовах є використання поворотного оптичного шифратора, за допомогою якого проводиться вимір обертання гвинта, що приводить у рух робочий стіл [9]. Застосування такого датчика дозволяє розташувати його поза зоною інтенсивних теплових і електричних впливів і в такий спосіб підвищити його точність і термін служби.
Конструктивно датчик руху являє собою диск із радіально розташованими щілинами, який розташований на валу передачі гвинт-гайка. На диску розміщаються 500 щілин. Дані з диска знімаються за допомогою двох оптопар, розташованих таким чином, що їхні вихідні сигнали мають різницю фаз 90°. Таке розташування дозволяє детектувати реверс візка, при цьому датчик реєструє зсув, що дорівнює 0,25 кроку щілин (0,18°). При кроці гвинта 5 мм датчик д етектує лінійний зсув 2,5 мкм. Однак реальна похибка виміру вище. Це пов’язано з тим, що датчик не може виміряти неточності, які виникають у передачі гвинт-гайка, а також термічні деформації арматури механізму переміщення. Для компенсації даної похибки при розрахунках обчислювальною системою вводиться поправочний коефіцієнт, що залежить від режиму руху механізму (при рівномірному русі похибка найменша, при реверсі — найбільша). Проте датчик руху забезпечує достатню точність вимірів для максимальної точності керування виконавчим механізмом.
При обраній структурі АСК мікроконтроллерний блок керування може функціонувати самостійно без участі ПЕОМ. Для автономної роботи передбачена клавіатура на 16 клавіш (з них 10 призначені для введення чисел від 0 до 9, і 6 функціональних, призначення яких змінюється залежно від режиму роботи системи) і світлодіодний семисегментний індикатор на сім розрядів.
Система керування працює в таких основних режимах: ручне керування, режим збору даних, автоматичне керування.
У режимі ручного керування можуть здійснюватися прості рухи візка з заданою швидкістю без автоматичної стабілізації. Оскільки застосовуваний датчик переміщення є відносним, після кожного включення живлення системи поточне положення робочого візка в загальному випадку не відоме. Тому в ручному режимі здійснюється позиціювання візка до початку координат, де
РИ, 2004, № 4
47
розташовано кінцевий датчик, при замиканні якого лічильник імпульсів датчика руху скидається і всі відрахунки здійснюються з цієї точки.
Режим збору даних застосовується для дослідження механічних характеристик системи переміщення і є найбільш відкритим з погляду керованості системи. У цьому режимі можуть оперативно включа-тися/виключатися стабілізація руху, змінюватися коефіцієнти математичної моделі регулятора, задаватися виїзд у визначену точку, рух із заданою швидкістю або заданим прискоренням. У цьому режимі оптимізується модель регулятора під застосовуваний механізм, знаходиться час установки заданої швидкості, а також інерційні характеристики механізму.
У режимі автоматичного керування попередньо в енергонезалежну пам’ять мікроконтроллерного блоку або за допомогою власної клавіатури, або від ПЕОМ через COM-порт завантажується алгоритм переміщення робочого візка у вигляді відрізків руху з постійною швидкістю або постійним прискоренням. Далі в необхідний момент оператором здійснюється пуск системи керування, після чого автоматично виконується заданий алгоритм переміщення доти, поки не буде виконана умова кінця алгоритму або поки він не буде перерваний одним з аварійних датчиків чи натисканням кнопки екстреної зупинки привода.
Надалі алгоритм може виконуватися неодноразово без участі ПЕОМ і після вимикання/вмикання мікроконтроллерного блоку керування, доки не буде замінений іншим алгоритмом.
Для роботи із системою керування переміщенням заготівок через ПЕОМ написане програмне забезпечення, що працює в середовищі Windows. Графічний інтерфейс користувача розробленого додатка зображений на рис. 2.
Таким чином, важливою перевагою структури АСК є її універсальність. Система може застосовуватися для проведення робіт з дослідження процесу електронної обробки. При цьому оператор установки одержує найбільш повні зведення про хід процесу, відображувані на екрані монітора в зручній числовій і графічній формі, а також може оперативно керувати системою за допомогою дружнього інтерфейсу розробленого програмного забезпечення. Отримані зведення також зберігаються в базі даних на твердому диску комп’ютера, що дозволяє проводити в майбутньому різні види їхнього аналізу. У той же час мікроконтроллерний блок керування може застосовуватися на виробництві у вже налагоджених технологічних процесах. При цьому він зберігає повну керованість завдяки вбудованій клавіатурі і дозволяє відображати на світлодіодно-му індикаторі інформацію про основні параметри процесу, такі як швидкість і положення робочого візка. Також система залишається досить гнучкою, тому що при необхідності зміни технологічного процесу може легко перенастроюватися персоналом середньої кваліфікації (рис.3).
а
Рис. 2. Зовнішній вигляд вікна програми керування переміщенням заготівок у вакуумній камері: а — ручний режим; б — автоматичний режим
5. Висновки
Представлена система керування переміщенням виробів забезпечує:
1) швидкість прямолінійного рівномірного переміщення об’єкта обробки у вакуумній камері в діапазоні 0,5...5 см/с при відхиленні від заданої швидкості не більше ±1%;
2) переміщення об’єкта обробки за заданим періодичним законом;
3) вимірювання положення об’єкта в довільний момент часу з точністю 10мкм.
Це дозволяє ефективно її використати в технології формування функціональних шарів в оптичних матеріалах електронною обробкою.
Література: 1. Канашевич Г.В. Термічна електронно-променева обробка скляних плат оптичних інтегральних схем. Укр. Деп. в НДІ ТЕХІМ м. Черкаси. 2002. 168 с. 2. Ващенко В.А. Высокотемпературные технологи-
48
РИ, 2004, № 4
ческие процессы взаимодействия концентрированных источников энергии с материалами. М.: Деп. в ВИНИТИ 07.08.96, №62. - ХП 96. 408 с. 3. БочокМ.П, Бутко М.П., Ващенко В.А., Канашевич Г.В., Котельников Д.І. Спеціальні методи обробки оптичного скла. 2001. 215 с. 4. Чубаров Е.П. Управление системами с подвижными источниками воздействия. М.: Энергоатомиздат, 1985. 288 c. 5. Системы управления лучевых технологических установок / В. М. Спивак, Т. А. Терещенко, В. Д. Шелягин, Г. М. Младенов. К.: Тэхника, 1988. 272 с.
6. Майк Предко. Руководство по микроконтроллерам. М.: Постмаркет, 2001. 416 с. 7. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC / Под ред. Ю.В. Новикова. М.: ЭКОМ, 1997. 224с.
8. Гук М. Аппаратные средства IBM PC . Энциклопедия. СПб: Питер Ком, 1999. 816 с. 9. Жданкин В.К. Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенности применения // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. №6. С. 2937. 10. Коряков С., Сташинов Ю. Микроконтроллерный регулятор частоты вращения коллекторного электродвигателя // Радио. 2002. №6. С.
24-26. 11. http://www.microchip.com/ 12. http:/ /www.microchip.ru/13. http://www.microchip.ua/
Надійшла до редколегії 20.12.2004
Рецензент: д-р. техн. наук, проф. Шарапов В.М.
Канашевич Георгій Вікторович, канд. техн. наук, доцент кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету. Наукові інтереси: електронно-променева обробка оптичних матеріалів, створення функціональних шарів на поверхні оптичних матеріалів.
Адреса: Україна, 18010, Черкаси, вул. Руставі,
27, кв. 14, тел. (0472) 66-94-04, 43-41-55.
Рудь Максим Петрович, асистент кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету. Наукові інтереси: електронно-променева обробка матеріалів, вбудовані мікропроцесорні системи, автоматичні системи керування технологічними процесами.
Адреса: Україна, 18010, Черкаси, вул. Гайдара,
11, кв. 139, тел. (0472) 66-23-47, 43-41-55.
Ващенко В’ячеслав Андрійович, д-р техн. наук, професор, зав кафедрою фізики Черкаського державного технологічного університету. Наукові інтереси: електронно-променева обробка оптичних матеріалів. Адреса: Україна, 18016, Черкаси, вул. Героїв Сталінграда, 22, кв. 100, тел. (0472) 41-81-67, 43-41-55.
Бойко Володимир Петрович, викладач кафедри фізики Шевченківського сільськогосподарського коледжу. Наукові інтереси: електронно-променева обробка матеріалів, вбудовані мікропроцесорні системи, автоматичні систе-
ми керування технологічними процесами. Адреса: Україна, 18010, Черкаська обл., Звенигородський р-н, с. Шевченко, вул. Шевченка, 95, тел. (0472) 43-41-55.
Бондаренко Максим Олексійович, асистент кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету. Наукові інтереси: електронно-променева обробка оптичних матеріалів, атомно-силова мікроскопія. Адреса: Україна, 18006, Черкаси, вул. Чехова, 42, кв. 228, тел. (0472) 43-41-55.
Яценко Ірина В’ячеславівна, асистент кафедри “Електротехнічні системи електроспоживання” Черкаського державного технологічного університету. Наукові інтереси: електронно-променева обробка оптичних матеріалів. Адреса: Україна, 18016, Черкаси, вул. Героїв Сталінграда, 22, кв. 100, тел. (0472) 41-81-67, 4341-55.
Кінцеві
датчики
Рис. 3. Функціональна схема мікроконтроллерного блоку керування рухом об’єкта при його поверхневій термічній електронній обробці
РИ, 2004, № 4
49
