 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektronika System sterowania procesem nanoszenia wielowarstwowych powłok metalicznych metodą jonowego rozpylania |
|
Związki międzymetaliczne oraz ich połączenia np. z węglem, azotem, krzemem czy borem stanowią grupę materiałów o różnorodnych możliwościach zastosowania, wynikających z ich specyficznych właściwości. Niektóre z nich charakteryzują się własnościami nadprzewodzącymi, inne posiadają wysoka temperaturę topnienia i dobre właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach, jeszcze inne doskonałą odporność korozyjną, czy efekt pamięci kształtu. Związki międzymetaliczne stanowią nową generację materiałów przeznaczonych do pracy w niekorzystnych warunkach. Można je otrzymywać różnymi technikami. Jedną z najbardziej perspektywicznych jest wykorzystanie samorozwijającej się, wysokotemperaturowej syntezy SHS (ang. Self–Propagation High-Temperature Synthesis).
SHS realizowana jest w układzie zbliżonym do adiabatycznego, w którym przebiega reakcja egzotermiczna. Przebieg procesu ma charakter spalania zachodzącego w fazie stałej lub z udziałem fazy ciekłej, bądź rzadziej – gazowej. Inicjację reakcji (zapłon) uzyskuje się przez lokalne (miejscowe) lub całkowite (globalne) ogrzanie reagentów. Złożem reakcyjnym jest z reguły mieszanina mikroproszków. W odpowiednich warunkach, po inicjacji reakcji egzotermicznej powstaję fala termiczna rozprzestrzeniająca się z szybkością do 20 cm/sek., a szybkość przyrostu temperatury dochodzi do 1500oC/sek. Ze względu na te specyficzne warunki badania dotyczące kinetyki jak i mechanizmu tej reakcji, prowadzącej do powstania określonego związku międzymetalicznego, napotykają na liczne trudności. Wydaje się, że powłoka złożona z określonej sekwencji warstw stanowi układ bardzo zbliżony do złoża proszkowego, natomiast daje znacznie większe możliwości obserwacji i pomiarów pozwalających na lepsze poznanie tego procesu. Zainteresowanie procesem SHS sięga ubiegłego tysiąclecia, w którym ukazały się pierwsze prace tej tematyki [1, 2]. Wykorzystywanie wielowarstwowych powłok metalicznych do badania reakcji tworzenia się związku międzymetalicznego znajduje odzwierciedlenie w coraz liczniejszych opracowaniach [3–6].
Mając na uwadze fakt, że warunki otrzymywania powłok wielowarstwowych przeznaczonych do badań mechanizmu reakcji syntezy, muszą być precyzyjnie określone i powtarzalne, zrozumiałym jest potrzeba realizacji w miarę pełnej automatyzacji przygotowanego w tym celu stanowiska. Grubość poszczególnych powłok musi być dokładnie określona, a więc istotnym jest prawidłowe wyznaczenie szybkości nanoszenia danego materiału.
W planowanych pracach przewiduje się wykorzystanie trzech rodzajów metali: tytanu, glinu i niklu, co pozwoli na uzyskanie powłok wielowarstwowych takich jak Ti/Al, Ni/Al oraz Ti/Ni. Szybkości rozpylania tych metali są różne. Aby uzyskać pożądaną szybkość nanoszenia warstwy, niezbędne jest utrzymywanie stabilnej pracy zasilacza magnetronu oraz stabilizacja ciśnienia argonu w komorze. Istotnym jest taki dobór warunków nanoszenia, aby grubość strefy rozdziału poszczególnych warstw (tzw. intermixed region) była jak najmniejsza. Strefa rozdziału warstw utrudnia transport ciepła w strefie reakcji [3] i zmniejsza jej szybkość [5]. Analogiczne efekty zaobserwować można przy rozcieńczaniu złoża proszkowego produktem reakcji [1, 2]. Badania reakcji tworzenia związku międzymetalicznego wymagają przygotowania powłok o określonej grubości warstw i zadanej sekwencji.
Do budowy stanowiska wykorzystano komorę próżniową o pojemności około 50 dcm3 z układem pompującym SP-2000 składającym się z dyfuzyjnej pompy olejowej oraz pompy obrotowej.
Zawór klapowy nad pompą dyfuzyjną wyposażono w ogranicznik otwarcia, umożliwiający regulację szybkości odpompowywania komory. W komorze zainstalowano dwie wyrzutnie magnetronowe WMK50. Układ pozwala na uzyskanie ciśnienia końcowego rzędu 10-3 Pa. Ciśnienie kontrolowane jest przy użyciu próżniomierzy Inficon PSG550. Komora reakcyjna posiada płaszcz wodny z doprowadzeniem wody gorącej (stosowanej w procesie odpompowywania układu) oraz zimnej – używanej podczas nanoszenia warstw [7]. Podłoża do nanoszenia warstw umieszczano na specjalnym obrotowym stoliku. Gaz roboczy (argon) wprowadzany jest przy wykorzystaniu dwóch zaworów membranowych. Termopara umieszczona w komorze umożliwia kontrolę temperatury w trakcie procesu nanoszenia warstw. Trzy wzierniki umieszczone w ściankach komory pozwalają na bezpośrednią obserwację procesu. Ogólny widok stanowiska przedstawiono na poniższym zdjęciu:
W celu wytworzenia powtarzalnych struktur wielowarstwowych o zdefiniowanych i powtarzalnych grubościach, opracowano układ sterowania pracujący pod nadzorem oprogramowania napisanego w środowisku graficznym LabVIEW [8,9].
System sterujący jest systemem modułowym. Każde urządzenie wykonawcze sterowane jest bezpośrednio za pomocą dedykowanego modułu mikrokontrolera jednoukładowego. Wszystkie moduły sterujące kontrolowane są za pomocą głównego oprogramowania sterującego. Podstawowym elementem systemu jest oprogramowanie, zainstalowane na komputerze PC. Za jego pomocą realizowane jest ustawianie parametrów oraz kontrola przebiegu procesu napylania. Komunikacja pomiędzy głównym komputerem sterującym oraz modułami realizowana jest w sposób bezprzewodowy, z wykorzystaniem modułów transmisyjnych pracujących zgodnie z protokołem ZigBee [9-11]. Zwiększa to elastyczność systemu. Podłączenie nowego elementu wykonawczego do systemu związane jest jedynie z wyposażeniem go w układ komunikacji bezprzewodowej oraz zaimplementowanie w systemie centralnym odpowiedniego modułu oprogramowania.
Głowna aplikacja sterująca przesyła zadane parametry procesu do elementów wykonawczych. Po ich zaakceptowaniu i uruchomieniu procesu napylania, niemożliwa jest zmiana parametrów pracy, aż do momentu zakończenia danego cyklu napylania.
Podczas napylania moduły kontrolne dokonują odczytu informacji nt. temperatury i ciśnienia gazu roboczego i cyklicznie wysyłają ją do komputera centralnego. Dane archiwizowane są w postaci pliku dokumentującego proces technologiczny napylania wielowarstwy.
Do komputera klasy PC podłączony jest główny moduł sieci ZigBee – koordynator systemu. Sterowany jest bezpośrednio z poziomu aplikacji centralnej, za pomocą interfejsu USB. Każdy z elementów sterujących posiada własny odbiornik ZigBee z unikatowym adresem, dzięki czemu komunikacja pomiędzy systemem centralnym a modułem wykonawczym odbywa się w trybie punkt-punkt i jest niezależna od stanu pozostałej części systemu. Możliwe są również transmisje rozgłoszeniowe (broadcastowe), które w opracowanym systemie wykorzystywane są do uzyskania synchronizacji czasowej poszczególnych modułów [11]. Strukturę systemu komunikacji przedstawia rys. 1.
Rys. 1. Struktura systemu sterowania.
Po uruchomieniu głównej aplikacji inicjowane jest oprogramowanie sterujące pracę modułu koordynatora ZigBee. Oprogramowanie zarządzające układem ZigBee odpowiedzialne jest przede wszystkim za inicjalizację układu, stworzenie nowej sieci oraz wysyłanie i odbieranie wiadomości od urządzeń sterujących.
Komputer komunikuje się z układem ZigBee za pomocą zestawu komend AT, poprzez interfejs USB. Wiadomości odbierane przez oprogramowanie od modułu można podzielić na trzy kategorie:
Algorytm przedstawiający zasadę działania procesu sterowania przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Algorytm działania aplikacji sterującej.
Program sterujący pracą każdego z urządzeń wykonawczych (końcowych) podzielony został na dwa moduły funkcjonalne, z których jeden odpowiedzialny jest za proces sterowania urządzeniem lub czujnikiem, a drugi za obsługę modułu ZigBee. Zadania, realizowane przez moduł obsługi transmisji ZigBee, nie różnią się od zadań modułu zaimplementowanego w urządzeniu pełniącym rolę koordynatora sieci. Różnica występuje jedynie w metodzie inicjalizacji urządzenia. Komendy przesyłane do modułu ZigBee bezpośrednio po włączeniu przez użytkownika zasilania, konfigurują układ do pracy w trybie urządzenia końcowego i dołączają go do sieci zainicjowanej przez układ koordynatora (moduł koordynatora musi zostać uruchomiony jako pierwszy, wynika to z faktu, iż urządzenie końcowe można jedynie dołączyć do istniejącej sieci, którą wcześniej stworzyć musi koordynator).
Moduł sterownika silnika krokowego stworzony został w oparciu o mikrokontroler jednoukładowy ATMEGA8L. Oprogramowanie mikrokontrolera realizuje dwie funkcje:
Po włączeniu zasilania mikrokontroler jednoukładowy inicjuje moduł komunikacyjny ZigBee, przyłączając moduł do sieci organizowanej przez koordynatora systemowego. W przypadku załączenia urządzenia przed uruchomieniem aplikacji centralnej (i braku możliwości dołączenia do sieci) powtarza procedurę inicjującą aż do chwili otrzymania pozytywnego potwierdzenia wykrycia koordynatora i dołączenia do sieci (niemożliwe jest uruchomienie silnika jeśli nie istnieje aktywne połączenia z aplikacją centralną).
Po zakończeniu procedury dołączania do sieci, urządzenie oczekuje na przesłanie z systemu centralnego parametrów pracy silnika (czas obrotu podawany w minutach). Po odebraniu komunikatu systemowego mikrokontroler przelicza odebrane dane wyznaczając czas opóźnienia pomiędzy impulsami sterującymi silnika. Procedura ta realizowana jest w urządzeniu, a nie w systemie centralnym, gdyż dzięki temu możliwe jest uniezależnienie centralnej aplikacji od typu silnika i modułu sterowania. Zmiana tych elementów nie pociąga za sobą konieczności zmian w samej aplikacji.
Gdy parametry sterowania silnika są już wyznaczone, mikrokontroler wysyła do systemu centralnego komunikat poprawnego odbioru i gotowość do startu. Następnie przechodzi w tryb odbioru, oczekując na otrzymanie komunikatu START PROCES lub informacji o zmianie parametrów pracy. Po uruchomieniu silnika krokowego mikrokontroler realizuje jednocześnie proces sterowania i nasłuchu wiadomości systemowych. Od momentu startu procesu, aż do jego zakończenia nie reaguje na żadne komunikaty systemowe poza komendą STOP. W przypadku otrzymania takiej komendy, silnik jest zatrzymywany, mikrokontroler przesyła informację o wcześniejszym zakończeniu procesu do systemu i przechodzi w tryb oczekiwania na wiadomość modyfikującą parametry pracy. Jeśli podczas trwania procesu napylania mikrokontroler nie odbierze komunikatu przerywającego, proces kończony jest w założonej chwili czasowej, a do systemu centralnego przesyłana jest wiadomość PROCES FINISHED.
Ruchome podłoże zapewniające przesuwanie próbek w obszarze napylanie wyrzutni magnetronowych, napędzane jest za pomocą silnika krokowego, podłączonego do wału napędowego za pomocą wielokrotnych przekładni zębatych. Dzięki temu, stosunkowo ciężki element obrotowy może z powodzeniem zostać wprowadzony w ruch obrotowy przy pomocy niskonapięciowego, krokowego silnika bipolarnego (9 V), sterowanego przebiegiem impulsowym.
W opracowanym systemie silnik bipolarny sterowany jest mikrokrokowo, przy pomocy mikrokontrolera jednoukładowego, z wykorzystaniem czterech mostków tranzystorowych, zwanych mostkami H [12,13]. Konstrukcja mostka zapewnia zabezpieczenie cewek silnika w momencie przełączania, przez zastosowanie dedykowanych tranzystorów MOSFET z dodatkową dioda zabezpieczającą w strukturze (IRF540). Tranzystory polowe sterowane są za pomocą tranzystorów bipolarnych, co zabezpiecza układ przed zwarciem w momencie gdy na wejścia układów nie jest podawany żaden sygnał. Dodatkowy układ bootstrap (dioda i kondensator) zapewnia polaryzowanie bramek tranzystorów napięciem wyższym niż napięcie zasilania, gwarantując jego pełne otwarcie i redukując straty ciepła.
Układ sterowania elektrozaworami nadzoruje proces dozowania ilości gazu roboczego w systemie napylającym. Na podstawie parametrów przesłanych z systemu w mikrokontrolerze tworzone są dwa niezależne sygnały PWM (ang. Pulse Width Modulation) sterujące załączaniem napięcia zasilającego elektrozaworów. Układy kluczujące, zbudowane w oparciu o klucze unipolarne, pracują całkowicie niezależnie, umożliwiając dozowanie dwóch rodzajów gazu roboczego. Urządzenie po zaprogramowaniu parametrów pracy oczekuje na komendę uruchamiającą proces napylania i rozpoczyna sekwencyjne sterowanie elektrozaworami. Możliwe jest przeprogramowanie parametrów pracy podczas trwania procesu. Jeśli proces napylania jest realizowany, a urządzenie odbierze z systemu centralnego rozkaz zmiany parametrów pracy, przeprogramowane zostają układy PWM i elektrozawory sterowane są nowymi sygnałami. System centralny powiadamiany jest o tym fakcie specjalnym komunikatem.
Obydwa wykorzystywane w systemie napylania czujniki sterowane są w identyczny sposób. Po przesłaniu z mikrokontrolera (za pośrednictwem interfejsu UART) rozkazu odczytu danych, odsyłają wartość zmierzonego parametru. Oczywiście format danych i rozdzielczość bitowa są różne ale forma sterowania oraz metoda komunikacji z systemem centralnym są identyczne. Po włączeniu zasilania następuje zainicjowanie układu ZigBee i podłączenie układów do sieci. Następnie moduły przechodzą w stan oczekiwania na parametry pracy. W tym przypadku, parametrem ustawianym z poziomu aplikacji sterującej systemem, jest częstotliwość odczytu (i przesyłania do centrali) danych z czujnika. Po zaprogramowaniu urządzenie oczekuje na rozkaz startu procesu i rozpoczyna cykliczne wysyłanie danych do modułu koordynującego.
Transmisje kończą się w momencie odebrania od koordynatora rozkazu END PROCES. Ponieważ oba urządzenia pracują praktycznie w identyczny sposób, realizując transmisje do koordynatora z takim samym odstępem czasowym, zaimplementowano dodatkowy mechanizm różnicujący momenty startu transmisji (w celu uniknięcia kolizji w systemie).
System sterowany jest za pomocą aplikacji komputerowej, pracującej na komputerze klasy PC, wyposażonym w system operacyjny Windows. Przy jej pomocy realizowane jest ustawianie parametrów procesu napylania, regulujących pracę sterowników: silnika i elektrozaworów oraz czytników: temperatury i ciśnienia.
Przykładowy ekran programu prezentowany jest na rys. 3. Proces napylania realizowany jest wieloetapowo, ilość etapów zależna jest od ilości warstw, które mają zostać napylone na próbki. O grubości warstwy napylanej decyduje czas przebywania próbki w wiązce magnetronu, który regulowany jest za pomocą prędkości obrotowej silnika krokowego. Podczas pojedynczego obrotu napylane są dwie warstwy (po jednej przez każdy magnetron). W aplikacji możliwe jest ustalenie czasu pojedynczego obrotu oraz ilości pełnych obrotów podłoża. Po ustaleniu tych dwóch parametrów i przesłaniu ich do urządzenia można rozpocząć proces napylania, przyciskając START w aplikacji. Od tego momentu niemożliwe jest przeprogramowanie sterownika silnika, bez wcześniejszego zakończenia (lub przerwania) aktualnie realizowanego procesu.
Rys. 3. Przykładowe okno aplikacji sterującej
Sterowanie ciśnieniem gazów roboczych odbywa się za pośrednictwem elektrozaworów. W aplikacji ustawiana jest wartość częstotliwości sterowania zaworami oraz współczynnik wypełnienia sygnału sterującego (decydujący o czasie otwarcia elektrozaworu). Po wprowadzeniu parametrów pracy sterownika i uruchomieniu procesu napylania możliwe jest przesłanie do sterownika nowych wartości parametrów nastawnych (przycisk AKTUALIZUJ). Nie ingeruje to w żaden sposób w proces napylania, który nadal jest kontynuowany. Fakt ten odnotowany zostaje jedynie w pliku archiwizacyjnym, gdzie zapisane zostaje informacja o zmianie parametrów procesu, nowe wartości oraz godzina zdarzenia.
Proces odczytu wartości czujników temperatury i ciśnienia inicjowany jest przez główną aplikacje sterującą, lecz później przebiega już od niej niezależnie. Jeśli aktywowana zostanie obsługa czujnika, niezbędne jest wprowadzenie w aplikacji wartości częstotliwości odczytu czujnika (niezależnej dla każdego z czujników). Zostaje ona przesłana do układu sterownika w momencie startu procesu napylania. Sterowniki samoistnie, z zaprogramowaną częstością przesyłają odczytane wartości do systemu centralnego. Istnieje możliwość archiwizacji informacji o przebiegu procesu napylania. Po uruchomieniu procesu (przy zaznaczonej opcji archiwizuj proces), aplikacja tworzy plik tekstowy, do którego zapisywane są wszystkie parametry pracy sterowników, a następnie, przez cały czas trwania procesu wartości temperatury i ciśnienia przesłane z czujników, wraz z czasem ich odczytu.
W aplikacji zaimplementowano ponadto funkcjonalność zakładek procesowych. Po wprowadzeniu wszystkich parametrów sterowania urządzeniami w systemie, możliwe jest ich zapamiętanie w postaci tzw. zakładki procesowej – pliku z informacjami o parametrów procesu (plik tekstowy z rozszerzeniem.vps). Jeśli takie zakładki zostaną otworzone, możliwe staje się wczytanie wszystkich parametrów nastawnych procesu za pośrednictwem przycisku WCZYTAJ ZAKŁADKĘ. Wszystkie pola aplikacji zostają wtedy wypełnione w sposób automatyczny. Dzięki temu możliwe staje się stworzenie swoistej biblioteki procesów, które w prosty sposób mogą zostać powtórzone.
Podsumowanie
Zbudowano stanowisko próżniowe do nanoszenia wielowarstwowych systemów cienkich warstw metali i ich związków metodą impulsowego rozpylania magnetronowego. Opracowano dedykowany do obsługi stanowiska system sterowania. Blokowa struktura pozwala na łatwe modyfikowanie systemu, możliwe jest dołączenie nowych modułów sterujących lub sensorowych. Bezprzewodowa komunikacja pomiędzy główną aplikacją i modułami wykonawczymi dodatkowo upraszcza metodykę przyłączania nowych modułów oraz eliminuje konieczność realizacji połączeń kablowych.
Modułową strukturę posiada również aplikacja sterująca. Napisania w środowisku graficznym LabView pozwala na proste rozszerzanie funkcjonalności o nowe elementy. Zbudowany system sterujący zapewnia pełną kontrolę parametrów procesu nanoszenia oraz uzyskanie bardzo dobrej powtarzalności parametrów wielowarstwowych układów cienkich warstw metalicznych.
Praca finansowana z projektu NCN nr 2012/05/B/st8/01794
Literatura:
[1] Mania R., Dąbrowski M., Godlewska E., Koziński S., Rutkowska A., Trybalska B., Wojciechowski K., Some application of TiAl Micropowders Produced by Self-Propagation High-Temperature Synthesis, Intern. Journal of SHS, 1,2 (2003), 159.
[2] Mania R., Stobierski L., Godlewska E., Koziński S., Mars K., Composite from Mo-Al. Intermetallics Compouds and Aluminium Nitride, Journal of SHS, 13, (2004), 49.
[3] Blobaum K.J., Van Heerden D., Gavens A.J., Weihs T.P., Al/Ni formation reactions: characterization of the metastableAl9Ni2 phase and analysis of its formation, Acta Materialia, 51, (2003), 3871.
[4] Trenkle J.C., Koerner L. J., Tate M. W., Gruner S. M., Weihs T. P. and Hufnagel T. C., Phase transformations during rapid heating of Al/Ni multilayer foils, Appl. Physics Lett., 93, 081903, (2008).
[5] Gavens J., Van Heerden D.,Mann A. B., Reiss M. E. and Weihsa T. P., Effect of intermixing on self-propagating exothermic reactionsin Al/Ni nanolaminate foils, J. Appl. Phys., 87, (2000), 1255.
[6] Ramos A.S., Vieira M.T., Morgiel J., Grzonka J., Simőes S., Vieira M.F., Production of intermetallic compounds from Ti/Al and Ni/Al multilayer thin films – A comparative study, Journal of Alloys and Compounds, 484, (2009), 335.
[7] Marszałek K., Mania R., Stanowisko do nanoszenia warstw (TiAl)N na węgliki spiekane, Elektronika, R. 52 nr 8, (2011), 70–72.
[8] Marszałek K., Sobków Z., Pisarkiewicz T., System do testowania wyświetlaczy LCD pracujący w środowisku LabVIEW, Elektronika, vol. 50 nr 9 (2009) 85–86.
[9] Stępień J., Marszałek K., Bezprzewodowe sieci transmisji danych w zastosowaniach sensorowych, Elektronika, 49, 6, (2008), 275–278.
[10] Eady F., Hands-On ZigBee: Implementing 802.15.4 with Microcontrollers, ZigBee Aliance, (2007).
[11] Stępień J., Kołodziej J., Ostrowski J., Golański R., System automatyki budynkowej z interfejsami ZigBee, Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, R. 53 nr 9, (2012).
[12] Przepiórkowski J., Silniki elektryczne w praktyce elektronika, Legionowo, BTC, (2012).
[13] Crnosija P., Kuzmanovic B., Ajdukovic S., Microcomputer implementation of optimal algorithms for closed-loop control of hybrid stepper motor drives, Industrial Electronics, IEEE Transactions, 47, 6, (2000), 1319–1325.
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
