Содержание к диссертации
Введение
Розділ 1. Аналіз параметрів якості електронної обробки поверхонь оптичних матеріалів 14
1.1. Сучасні методи поверхневої термічної обробки оптичного скла та їх використання в промисловій сфері 14
1.2. Способи керування параметрами якості поверхні оптичногоскла 20
1.3. Сучасне обладнання для електронної обробки поверхні оптичних матеріалів 22
1.3.1. Вакуумні електронні установки для обробки матеріалів .23
1.3.2. Технологічне оснащення в технологіях електронної обробки оптичних матеріалів 25
1.3.3. Електронні гармати 28
1.3.4. Джерела живлення 30
1.4. Математичні моделі і програмне забезпечення для керування процесами обробки оптичних матеріалів електронними потоками 31
1.5. Сучасні методи вимірювання параметрів поверхонь оптичних матеріалів 34
Висновки по розділу 1 38
Розділ 2. Модифіковане технологічне обладнання для електронної обробки оптичного скла 40
2.1. Експериментальне обладнання .40
2.2. Система програмного керування та контролю режимами пристрою нагріву 48
2.3. Пристрій для керування механізмом переміщення оптичних виробів у вакуумній установці 50
2.4. Комплекс приладів для оцінки якості оптичних пластин після поверхневої електронної обробки 52
Висновки по розділу 2 54
Розділ 3. Методики експериментальних досліджень .56
3.1. Методика розрахунку технологічних параметрів дротяного вольф-рамового катоду електронної гармати Пірса 56
3.2. Методика визначення оптимальної відстані від електронної гармати до оброблюваної поверхні по характеру термічного впливу електронного потоку на матеріал 66
3.3. Методика дослідження мікрорельєфу поверхні оптичного скла обробленого електронним потоком 71
Висновки по розділу 3 75
Розділ 4. Вплив параметрів термічного циклу на якість оптичних виробів .76
4.1. Визначення ефективності нагріву і охолодження виробів із оптичного скла при електронній обробці 76
4.2. Моделювання теплових умов на етапах термічного циклу електронної обробки 85
Висновки по розділу 4 95
Розділ 5. Експериментальні дослідження якості поверхні пластин з оптичного скла після керова-ної електронної обробки. практичне застосування керованої електронної обробки оптичного скла 97
5.1. Чистота оптичної поверхні та стан приповерхневого шару 98
5.2. Дослідження внутрішніх термічних напружень в оптичних пластинах при різних режимах електронної обробки 104
5.3. Дослідження мікронерівностей поверхні оптичного скла обробленого електронним потоком 107
5.4. Практичне застосування керованої електронної обробки пластин із оптичного скла 109
Висновки по розділу 5 111
Загальні висновки 113
Список використаних джерел 115
Додатки 132
- Способи керування параметрами якості поверхні оптичногоскла
- Математичні моделі і програмне забезпечення для керування процесами обробки оптичних матеріалів електронними потоками
- Пристрій для керування механізмом переміщення оптичних виробів у вакуумній установці
- Методика визначення оптимальної відстані від електронної гармати до оброблюваної поверхні по характеру термічного впливу електронного потоку на матеріал
Введение к работе
Актуальність теми. Основний напрямок вдосконалення елементної бази мікрооптики (МО) полягає у створені бездефектних поверхонь та функціональних шарів на оптичних матеріалах з метою подальшого виготовлення на них оптичних елементів мікрометричних розмірів. Це пов‘язано з тим, що розміри оптичних мікроелементів повинні бути одного порядку із розмірами сучасних елементів мікроелектроніки (напівпровідникових випромінювачів та приймачів, пристроїв вводу-виводу в оптичне волокно, елементів зв‘язку, коліматорів). Ефективним може виявитися створення партії оптичних мікроелементів на загальній основі – подібно до технологій створення елементів в мікроелектроніці.
Найпоширенішим матеріалом сучасного оптичного виробництва є оптичне силікатне скло, яке має високу прозорість в оптичному діапазоні та піддатливе до механічного і теплового модифікування поверхні.
За сучасними технологіями оптичного виробництва – глибокого шліфування і полірування, хімічного, хіміко-механічного та полум‘яного промислового полірування неможливо підготувати хімічно і оптично однорідний поверхневий шар (ПШ) на пластині з оптичного силікатного скла з гарантованими середньостатистичними мікронерівностями поверхні меншими 5 нм. Це приводить до втрат і викривлення інформації, яка транслюється через оптичний мікроелемент.
Серед існуючих теплових методів обробки поверхні оптичного силікатного скла (ІЧ-випромінюванням, лазерним променем, електронним потоком), які забезпечують локальну модифікацію мікрорельєфу поверхні і оптичних властивостей виробів, перспективним є метод стрічкової електронної обробки (ЕО), який відноситься до високотемпературних (робоча температура в зоні обробки становить 1500...1600 К) і швидкодіючих (час термічного впливу на матеріал не перевищує одиниць секунд), в результаті застосування якого утворюється поверхня з новими фізико-хімічними та експлуатаційними властивостями.
Разом з тим, високої якості обробки поверхні оптичного скла і повторюваності результатів ЕО неможливо досягти без стабільної роботи інструмента обробки – стрічкового електронного потоку, джерелом якого є дротяний катод електронної гармата (ЕГ) Пірса. За умовами експлуатації (вакуумування – розгерметизації робочого об‘єму) катод періодично контактує з атмосферою, що зумовлює протікання на його поверхні окислювальних процесів. Це негативно впливає на емісійні характеристики катоду і призводить до зміни питомої потужності електронного потоку в кожному технологічному циклі обробки.
Іншим технологічним параметром від якого залежать якісні характеристики ПШ, а саме: точність поверхні та залишкові термічні напруження є швидкість завершального охолодження оптичних пластин.
Тому постає необхідність визначення оптимальних експлуатаційних параметрів ЕГ, температурного режиму охолодження пластин після ЕО та їх взаємозв‘язок з якістю обробки, формою і матеріалом оптичних пластин.
Аналіз патентної та технічної літератури показав важливість проблеми якісної ЕО поверхонь оптичних пластин під вироби МО, що до теперішнього часу не вирішена.
Таким чином, актуальним постає питання підвищення ефективності електронної обробки оптичних пластин під вироби мікрооптики вдосконаленням технології та технологічного обладнання. Вирішенню цієї проблеми присвячена представлена робота.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами: робота виконувалася в лабораторіях „Вакуумної техніки та електронно-променевих методів обробки”, „Прикладної оптики та атомно-силової мікроскопії” кафедри фізики Черкаського державного технологічного університету в рамках держбюджетних робіт: „Створення континуальних механіко-математичних моделей та основ аналізу функціональних параметрів і синтезу п‘єзоелектричних перетворювачів поліморфного типу у тому числі з аморфними та алмазоподібними плівками” (номер державної реєстрації 0100U004418); „Технологічні основи отримання металізованих покриттів на виробах мікрооптики та наноелектроніки електронно-променевим методом” (номер державної реєстрації 0103U003689).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності електронної обробки пластин з оптичного скла під вироби мікрооптики шляхом стабілізації прикатодних процесів та керування швидкістю охолодження оптичних пластин після електронної дії.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
Встановити залежності критеріїв якості поверхонь пластин з оптичного скла марок К8, БК10, ТК21 під вироби мікрооптики та їх повторюваності від параметрів обробки електронним потоком.
Вдосконалити технологічне обладнання для підвищення керованості процесу електронної обробки оптичного скла та повторюваності результатів технологічних експериментів.
Провести експериментальні дослідження та розробити методику розрахунку прикатодних процесів електронної гармати Пірса.
Розробити математичні моделі попереднього нагріву, електронної дії та охолодження оптичних пластин, перевірити їхню адекватність експериментом.
Розробити методику визначення залишкових мікронерівностей на поверхнях оптичних пластин на базі методу атомно-силової мікроскопії.
Розробити рекомендації щодо електронної обробки пластин з оптичного скла під вироби мікрооптики, що задовольняють параметрам якості (мікронерівності не більше 5 нм, залишкові термічні напруження не більше 3,6 МПа (для виробів товщиною 2 мм), глибина проплавленого шару не більше 120 мкм, повторюваність результатів обробки – 25...30%), які висуваються до цих пластин згідно ISO 10110-1/14.
Об’єктом дослідження є електронна технологія та обладнання для поверхневої обробки оптичних пластин.
Предметом дослідження є підвищення ефективності електронної обробки пластин з оптичного скла.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі загальних положень теорій: термоелектронної емісії, взаємодії електронних потоків з речовиною, теплопровідності та теплообміну. Експериментальні дослідження якісних характеристик поверхонь проводилися з використанням методів оптичної мікроскопії, оптичної поляриметрії, пробного скла та скануючої атомно-силової мікроскопії (АСМ).
Наукова новизна одержаних результатів.
Отримані нові експериментальні дані по впливу технологічних параметрів стрічкового електронного потоку (питомої потужності, швидкості електронної обробки) на значення залишкових мікронерівностей на поверхні оптичного скла марок К8, БК10, ТК21.
Модифіковано технологічне обладнання фінішної електронної обробки оптичних матеріалів шляхом стабілізації прикатодних процесів електронної гармати Пірса та розроблена система керування режимами попереднього нагріву і подальшого охолодження виробів, що дозволило розширити та підтримувати з заданою точністю діапазон прискорюючих напруг з 1,5 кВ до 12 ± 0,05 кВ, струмів електронного потоку з 50 мА до 500 ± 2 мА, відстаней від електронної гармати до оброблюваної поверхні з 10 мм до 40 мм, швидкостей електронної обробки з 1,5 см/с до 10 ± 0,1 см/с та часу експлуатації катоду з 40 годин до 120 годин.
Вперше розроблено комплекс математичних моделей, який дозволяє з більш високою точністю (відносна похибка 5...8% замість 10...15%) і в режимі реального часу розраховувати повні термічні цикли електронної обробки оптичних матеріалів, що включають попередній нагрів, електронну дію та завершальне охолодження.
Вперше розроблена автоматизована система керування термічним циклом електронної обробки, що дозволяє контролювати остаточні термонапруження в оптичному матеріалі, які не перевищують гранично допустимих значень (3,2-3,6 МПа для виробів товщиною 2 мм) і швидкості попереднього нагріву та охолодження в діапазонах п.н. = 8,0...10 град/хв., ох = 0,5...3,0 град/хв, що призводить до підвищення повторюваності технологічного експерименту з 3...5% до 25...30%.
Вперше розроблена методика, що базується на методі скануючої атомно-силової мікроскопії, дозволяє визначати залишкові мікронерівності на поверхні пластин з оптичного скла після їх електронної обробки, що задовольняє сучасним вимогам (Міжнародний стандарт ISO 10110-1/14, залишкові мікронерівності не більше 5 нм).
Практична цінність одержаних результатів. Практичне застосування на вітчизняних (НПК „Фотоприлад”, ТОВ „НВК „АСКЄНН” (м.Черкаси), Черкаський державний технологічний університет) та закордонних (ТДВ „Микротестмашины” (м. Гомель, Білорусь) підприємствах знайшли такі результати роботи:
модифіковане технологічне електронне обладнання, яке оснащене модулем електронної гармати Пірса, системою керування режимами теплової печі та механізмом переміщення виробів;
зразки оптичних пластин зі створеними на їх поверхні електронною технологією елементами мікрооптики в якості тест-структур (дифракційних решіток, растрів) при розробці та випробуванні обладнання АСМ на ТДВ „Микротестмашины” (м. Гомель, Білорусь);
математичні моделі та спеціалізоване програмне забезпечення для розрахунку технологічних параметрів дротяних вольфрамових катодів (струму та напругу розігріву, робочої температури, терміну експлуатації) та параметрів повного термічного циклу електронної обробки оптичних матеріалів
Наведені результати роботи були використані при обробці пластин з оптичного скла марок К8, БК10, ТК21 під вироби мікрооптики (растри мікролінз, відбиваючих мікроелементів, дифракційні решітки тощо), що дозволило зменшити мікрорельєф поверхні з Ra = 40...110 нм до
Ra = 1,5...3,7 нм; збільшити повторюваність результатів обробки з 3…5% до 25…30% та надійність безперервної експлуатації виробів за умов згідно ОСТ3-69-77 з 10...15 років до 20 років; підвищити стабільність прикатодних процесів та збільшити час експлуатації дротяного вольфрамового катоду в електронній гарматі Пірса з 40 до 120 годин.
Особистий внесок здобувача. Результати досліджень підтверджені однією індивідуальною та 15 публікаціями у співавторстві, а також трьома патентами України. Автором проаналізовано основні фактори, що впливають на якість електронної обробки. Вдосконалено методику розрахунку параметрів дротяного вольфрамового катоду та написано програмний модуль, який автоматизує цей розрахунок. За результатами експериментальних досліджень надано рекомендації щодо зменшення ерозії дротяного вольфрамового катоду. Складено експериментальну методику визначення залежності розмірів та форми зони термічного впливу (ЗТВ) в області фізичного контакту електронного потоку з матеріалом від відстані „катод електронної гармати – поверхня матеріалу”. Здобувачем прийнято активну участь у розробці та модернізації окремих вузлів обладнання для ЕО оптичних матеріалів, а саме: електронної гармати, механізму переміщення, блоку живлення електронної гармати. Створена система програмного керування попереднім нагрівом та охолодженням оптичних виробів. Проведено експерименти, що пов‘язані з визначенням режимів фінішної ЕО оптичного скла, які задовольняють параметрам якості згідно вимогам міжнародного стандарту
ISO 10110-1/14. Проведено впровадження результатів розробок та досліджень у промислову сферу України (НВО ”Фотоприлад”, ТОВ ”НВК ”АСКЄНН”, м. Черкаси) та зарубіжжя (ТДВ ”Микротестмашины”, м. Гомель).
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися і обговорювалися на семи Міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах: „Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (м.Донецьк, 2002 р); „Машинобудування та металообробка – 2003” (м.Кіровоград. – 17-19 квітня 2003 р); “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (сел.Славське, Львівскої обл., Карпати. – 2-7 лютого 2004 р); „Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении” (м.Одеса. – 2-4 червня 2004 р); „ОТТОМ-5” (м.Харків, 27 вересня – 1 жовтня 2004 р); „Датчики, прилади та системи – 2005” (м.Ялта, 19-23 вересня 2005 р); „Теорія і практика сучасної економіки” (м.Черкаси, 23-24 вересня 2005 р).
Публікації. Результати дисертаційної роботи відображені в наукових публікаціях, які публікувалися в період 1998-2006 роки, серед них: 7 статей у фахових виданнях, 3 статті у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій, 3 патенти, 3 тези доповідей на Міжнародних конференціях.
Способи керування параметрами якості поверхні оптичногоскла
Відомо [57], що найбільший вплив на такі показники якості, як глибина проплавлення та мікрорельєф поверхні оптичного матеріалу при дії електронного потоку стрічкової форми здійснює густина розподілу електронного потоку q по поверхні оптичного матеріалу. При цьому на Іп та Ьп суттєво впливають такі технологічні параметри обробки, як прискорююча напруга Uпр, та напруга розігріву катоду Uf. Так, наприклад, пульсації прискорюючої напруги призво- дять до зміни енергії електронів та струму потоку Іп за законом: Uпр \п2. Нестабільність напруги розігріву катоду впливає на струм та ширину потоку (навіть несуттєві зміни напруги автозміщення, що виникає між катодом і модулятором, призводять до суттєвого змінення струму та ширини потоку). Тому, для підвищення якості поверхні і повторюваності результатів електронної обробки необхідно гнучко керувати густиною розподілу електронного потоку q. З робіт [2, 57, 105] відомі два способи керування густиною розподілу. За першим способом розподіл густини електронного потоку отримують п шляхом зміни форми керуючого сигналу на протязі часу t: qt =— де і=1 qi, ..., qn - густина електронного потоку в моменти часу її, ..., хп. За таким способом керування можна отримати високу точність підтримання температури на поверхні оптичного матеріалу лише при незмінному законі руху електронного потоку. Другий спосіб полягає у скануванні стрічковим електронним потоком в напрямку, перпендикулярному його ширині. Це дозволяє з високою точністю отримати розподіл потужності електронного потоку по поверхні матеріалу, завдяки чому забезпечується висока якість поверхні оброблюваного матеріалу. 21 Серед систем керування густиною розподілу електронного потоку найбільшого поширення набули фокусуючи системи, де в якості фокусуючого елемента виступають електронні лінзи [15, 55, 60-62]. Окремі схеми таких систем з однією та двома електронними лінзами наведені на рис.1.2. Застосування систем з однією лінзою на практиці обмежено малою відстанню лінзи від деталі. Тому більш розповсюдженими є гармати з двома і більше електронними лінзами.
В електронних гарматах Пірса в якості фокусуючого елемента виступає модулятор, який в найпростішому варіанті має потенціал катоду і визначає форму електронного потоку (рис.1.3). Для модуляції струму електронного потоку в таких гарматах широкого поширення набуло використання керуючого електроду, різні схеми підключення якого наведені на рис.1.4. Таким чином, керування густиною розподілу електронного потоку q по поверхні оптичного матеріалу є достатньо актуальною і важливою задачею підвищення якості поверхні та повторюваності результатів електронної обробки. Тип такого непромислового обладнання описано в роботах авторів Дудка В.Г., Лисоченка В.М., Ващенка В.А., Канашевича Г.В. [2, 12-15, 48, 55-59, 61, 93]. Обладнання представляє собою комплект пристроїв та приладів для організації процесу термічної ЕО поверхонь ситалу і оптичного скла. Завершени- 23 ми одиницями такого обладнання є вакуумна установка, технологічне оснащення і джерело живлення, які з єднані між собою силовими електричними мережами. 1 – вакуумна камера; 2 – вакуумний пост; 3 – високовакуумний насос; 4 – вакуумметр; 5 – форвакуумний насос; 6 – нагрівач; 7 – високовакуумний клапан; 8 – клапан відкачки вакуумної камери; 9 – клапан відкачки насосу; 10 – напускний клапан. До такої установки висуваються наступні вимоги [12, 14, 15]: забезпечення необхідного робочого тиску у вакуумній камері (р0 = 10-2...10-3 Па); - відсутність механічних вібрацій при роботі; - надійне функціонування в умовах температур 100... 600 С, електричних (0,5...2 кВ/см) та магнітних (0,01...0,2 А/см) полів в робочій зоні; - захист оператора від дії електричного струму та випромінювань; - екологічна чистота. Установка складається з: вакуумної камери, електронної гармати (ЕГ) Пірса, печі попереднього нагріву, елементів кріплення, механізмів переміщення виробів, електронної гармати та джерела живлення. Суттєвими недоліками такої установки є: - неконтрольована відстань ЕГ від виробів зумовлює появу значних градієнтів температури в зоні обробки, що суттєво знижує якість обробки; - реалізація закону відносного переміщення електронного потоку і виробу шляхом використання лише механічного руху не дозволяє з високою точністю гнучко регулювати температуру на поверхні виробу, що значно знижує якість обробки. Встановлено [2, 12, 14, 15, 54, 55, 93], що промислові вакуумні установки мають ряд недоліків, які не дозволяють їх використовувати в технологіях поверхневої ЕО оптичних матеріалів, а саме: 1. Відсутність необхідного технологічного оснащення для забезпечення процесу термічної обробки оптичних виробів (печей попереднього розігріву матеріалу перед ЕО та механізмів переміщення об єктів, які оброблюються). 2. Відсутність гармати Пірса зі стабілізованою в часі стрічковою формою електронного потоку, джерел живлення електронної гармати. 3. Відсутність засобів комплексного автоматичного та програмного контролю та керування термічним режимом ЕО оптичних матеріалів за допомогою ЕОМ (ПЕОМ). Таким чином, актуальним залишається питання вдосконалення технологічного обладнання для підвищення керуємості процесу електронної обробки оптичного скла та повторюваності результатів технологічних експериментів.
Математичні моделі і програмне забезпечення для керування процесами обробки оптичних матеріалів електронними потоками
Серед багаточисельних робіт з математичного моделювання процесів обробки матеріалів концентрованими потоками енергії слід відмітити роботи авторів Попова В.Ф., Горіна Ю.М., Алямовського І.В., Морєва С.П., Пензяко-ва В.В., Кірштейна П.Т., Хорнсбі Дж.С. та інших [61, 62, 99-103] по розв язанню задач з розрахунку енергетичних параметрів обробки та задачі оптимального керування технологічним процесом авторів Ващенка В.А., Бутков-ського О.Г., Амбарцумена О.О., Казанського Д.П., Букова В.М. та інших [9, 104-114]. Роботи авторів Ващенка В.А., Канашевича Г.В., Аніщенка Л.М., Угло-ва А.А. [2, 9, 12, 14, 15, 101, 102, 104-107, 115, 116] спрямовані на розробку математичних моделей, які з високою точністю відображають процес ЕО оптичних матеріалів і дозволяють ефективно прогнозувати фізико-технічні умови і результати обробки. Так, в роботах [104-106, 114] йдеться про розв язування задач по моделюванню, оптимізації та керуванню фізико-технічними процесами електронної обробки виробів із оптичних матеріалів і розробку програмного забезпечення для чисельного обчислення цих задач. Трьохвимірна математична модель термічної дії рухомого електронного потоку сформульована в роботах Ващенка В.А. [2, 9]. Отримано вираз для роз- рахунку методами інтегральних перетворень та середньоквадратичної апроксимації розподілу температури в оптичних дисках для різних режимів обробки; проведені розрахунки температурних полів в різних точках диску із оптичного скла К8 в різні моменти часу. Недоліками такої моделі є: - незадовільна точність обчислень температури (похибка обчислень 10...15%); - складність та тривалість обчислень температури для трьохвимірного об єкту. Автором робіт [12, 14, 15] Канашевичем Г.В. для обробки плат із оптичного скла (К8, К108, БК10) було обрано математичну модель, яка представляє собою рівняння теплопровідності для напівнескінченних тіл і джерел енергії, що мають гаусовий розподіл. В якості чисельного методу було обрано метод кінцевих різниць [117, 118]. Серед недоліків методу можна відмітити: - великий масив даних і кількість розрахунків на кожній ітерації, що знижує швидкість обчислень (використовувалася матриця 10000x2000 точок, час однієї ітерації з кроком 0,1 с становив 2..3 с); - некоректне визначення температури на поверхнях виробів, що мають рельєф. В роботі [12] не було враховано умову збіжності ітераційного процесу. Також відсутній алгоритм та програма, що дозволила б спростити процес обчислення і скоротити час розрахунку. В межах програмного комплексу “СКЕМА” [119], розробленого авторами Щербаковим Ю.М., Якініним А.М. було проведене чисельне моделювання термоемісійного процесу в сферичному діоді та ЕГ. В ході моделювання розглядалося питання адекватності чисельної моделі, досліджувався вплив її основних параметрів на результати розрахунку та зроблено рекомендації по їх вибору. Апробація запропонованої методики при розрахунках реальної електронної гармати показала високу відповідність з експериментальними даними, похибка визначення струму гармати не перевищувала 1,0% не враховуючи та 0,3% враховуючи теплову енергію електронів при відносно малій кількості вузлів кінцево-елементної моделі. Суттєве значення набуває процес створення комп ютерних систем, які дозволяють суттєво скоротити обсяг експериментів при поверхневій ЕО оптичних матеріалів. Так, в роботі [116] автором Махієнком В.І. наводиться комп ютерна модель формування шва при електронному зварюванні, яка дозволяє спрогно-зувати і попередити утворення гарячих та холодних тріщин, отримати задовільні мікроструктури та властивості в зоні зварного з єднання. Широкого розповсюдження при математичному моделюванні і керуванні промисловими системами в останній час набули спеціалізовані математичні системи (MathCad, MathLab [120], SimuLink) та пакети програм (РАКЕТ1 – РАКЕТ5, МЕТ2-МЕТ4 – автор пакетів програм – професор Ващенко В.А. (ЧДТУ) орієнтовані на розв язання складних задач теплофізики, технології, керування. В результаті огляду математичного моделювання та програмного забезпечення було встановлено: 1. Розглянуті математичні моделі не враховують таких параметрів ЕО, як додаткові джерела тепла (тепловий потік відбитий від стінок камери, підковпач-ної арматури тощо), нестабільність роботи ЕГ в часі тощо. 2. Певне програмне забезпечення промислового технологічного обладнання містить процедури захисту від аварійних ситуацій, але не передбачено захист технологічного обладнання від помилок та збоїв самого програмного забезпечення. 3. Не встановлено літературних джерел, що посилаються на програмне забезпечення для комплексного керування повним технологічним процесом ЕО. Таким чином постає необхідність розробити математичні моделі процесів попереднього нагріву, електронної дії, охолодження оптичних пластин та перевірити їхню адекватність експериментом. На сьогодні нараховується велика кількість методів, за допомогою яких досліджується поверхнева структура і хімічний склад оптичних матеріалів. Найбільш розповсюджені з них представлені в табл.1.2 [14, 121-142].
Пристрій для керування механізмом переміщення оптичних виробів у вакуумній установці
Пристрій для мікропроцесорного керування механізмом переміщення оптичних виробів служить для переміщення оптичних виробів в робочому просторі в діапазоні швидкостей (1,5...10).10-2 м/с за заданим законом переміщення (задається програмою мікроконтролера). Зовнішній вигляд пристрою керування механізмом переміщення наводиться на рис.2.6. Пристрій складається з двох основних частин: силової та цифрової. Призначення силової частини – формування напруги необхідної для живлення системи: постійної напруги обмотки збудження електродвигуна (96 В), Ш І М - напруги обмотки якоря електродвигуна (до 60 В), напруги живлення реле реверса (20 В), напруги живлення цифрових мікросхем (5 В). Цифрова частина представляє собою мікропроцесорну систему керування, основними елементами якої є 8-розрядні FLASH CMOS-мікроконтролери фірми “Microchip”: PIC16F84A, PIC16F628. Мікроконтролери виконують наступні функції: читання клавіатури, вивід інформації на індикатор, формування Ш І М -сигналу керування електродвигуном, читання та обробка даних з датчика руху, керування реле реверса. Шістнадцяти кнопкова клавіатура і семирозрядний світлодіодний індикатор розташовуються на передній панелі пристрою керування. На бічній кришці пристрою розташовуються роз єми для зв язку блоку з іншими елементами системи: – шестиконтактний роз єм підключення електродвигуна (чотири контакти використовуються для подачі напруги на обмотки двигуна, один для прийому сигналу з кінцевих датчиків, один контакт – не задіяний); – чотирьохконтактний роз єм датчика руху (два виводи – сигнальні, два виводи – живлення). Розроблений комплекс приладів для оцінки якості пластин з оптичного скла типу крони містить: 1. Стіл монтажний пилозахисний “СМП-2”, який укомплектовано мікроскопом “МБС-9” та плоскою пластиною з поверхнею чорного кольору для визначення чистоти оптичної поверхні згідно вимог ДСТУ ISO 10110-3:2004. 2. Поляриметр-полярископ “ПКС-250” (ГОСТ 5.1831-73) для візуального спостереження і вимірювання залишкових термонапружень у виробах після ЕО згідно вимог ДСТУ ISO 10110-2:2004. 3. Точність оптичної поверхні N та AN визначається методом пробного скла [12] згідно вимог ДСТУ ISO 10110-5:2004. 4. Комп ютеризований комплекс на базі атомно-силового мікроскопу „NT-206V” (ТДВ „Мікротестмашини”, м.Гомель), рис.2.7, призначений для визначення мікрорельєфу поверхні оптичних виробів згідно вимог ДСТУ ISO 10110-8:2004. Оцінка якості оптичних пластин оброблених електронним потоком проводиться в такій послідовності. 1. На монтажному столі “СМП-2”, за допомогою мікроскопу “МБС-9” та чорної пластини визначають чистоту оптичної поверхні зразків. Критеріями чистої поверхні є відсутність на останній слідів напилення матеріалом елементів електронної гармати та технологічного оснащення, крапок, сколів, тріщин та вскипання поверхні оптичного виробу. Діапазон вимірювань 0-ІV класи. Час контролю складає 1...1,5 хвилин. Похибка методу - 2,5%. 2. Із застосуванням поляриметру-полярископу “ПКС-250” вимірюються залишкові термонапруження у виробах після ЕО. Максимальне значення термонапружень не повинні перевищувати границі міцності оптичного скла даної марки на розтягнення (наприклад, для пластини зі скла К8 товщиною 2 мм, ар = 3,2...3,6 МПа). Діапазон вимірювань - до 50 МПа. Роздільна здатність методу 0,1 МПа. Контроль виробу проводиться протягом 1...2 хвилини. Похибка методу - 15%. 3. Методом пробного скла вимірюється точність (площинність) оптичної поверхні, яка повинна складати 0,2...3,0 кільця Ньютона. Діапазон вимірювань 0,1...5 кілець Ньютона. Час дослідження виробу – 3…5 хвилин. Похибка методу – до 30%. 4. Методом атомно-силової мікроскопії згідно розробленої методики (див. розділ 3, п.3.3) визначають мікрорельєф поверхні оптичних виробів. Діапазон вимірювань 0,2-3000 нм. Роздільна здатність методу 0,05 нм. Похибка методу становить 1…5%. Час контролю виробу – 5…8 хвилин. Дотримуючись даної послідовності, можна гарантувати високу якість оптичних виробів оброблених електронним потоком стрічкової форми. При цьому, загальний час контролю виробу складає 10…15 хвилин.
Методика визначення оптимальної відстані від електронної гармати до оброблюваної поверхні по характеру термічного впливу електронного потоку на матеріал
Сутність даної методики полягає у визначенні залежності розмірів та форми ЗТВ в області фізичного контакту електронного потоку з матеріалом від відстані від ЕГ до поверхні матеріалу, що піддавався електронному впливу. При цьому за оптимальну приймається така відстань при якій коефіцієнт зосередеж-ності електронного потоку на поверхні матеріалу набуває максимального значення. В методиці використана вакуумна установка, в камері якої розташована електронна гармата Пірса (діаметр катода 0,5 мм, довжина катода 90 мм, довжина щілини анода а = 80 мм, ширина щілини анода Ьа = 2 мм), що генерує електронний потік стрічкової форми довжиною 60 мм. Живлення електронної гармати здійснюється розробленим джерелом живлення (Розділ ІІ; табл.2.2): максимальний струм розігріву катоду If = 50 А + 15 %; діапазон прискорюючих напруг иприс = 1,5...12 кВ±2...3%; діапазон струмів електронного потоку Іп = 50...500 мА ±1...5%. Тиск у вакуумній камері при електронній обробці становить ро = 5 10"4 Па і реєструється вакуумметром ВМБ-8 (діапазон виміру тисків 10...10"7 Па). Відстань від електронної гармати (зовнішньої поверхні анода) до оброблюваної поверхні вимірюється мірною лінійкою в діапазоні Н = 10...85 мм з точністю ±0,1 мм. Електронному впливу піддавалася пластина з термочутливого матеріалу (ТМ) - графіту (діаметр 100 мм, товщина 10 мм). Для визначення ширини електронного потоку та оцінки рівня температур на поверхні ТМ розташовувалася сітка зі сталі Х18Н10Т (крок комірки 120 мкм, діаметр дроту сітки 60 мкм). Для запобігання газовиділення з поверхні матеріалу при впливі на нього електронного потоку, пластина перед експериментом відпалювалася у вакуумі двома кварцовими лампами КГТ 220-1000-1 до повного припинення газовиділення з її поверхні, що становило 18 хв.
1 - термочутливий матеріал; 2 - електронна гармати Пірса; 3 - розподіл нерухомого електронного потоку стрічкової форми на поверхні термочутливого матеріалу; 4 - зона термічного впливу, що утворюється на поверхні термочутливого матеріалу від дії електронного потоку; h - товщина пластини з термочутливого матеріалу (h = 10 мм); Н - відстань від електронної гармати до поверхні термочутливого матеріалу; k - коефіцієнт зосередженості електронного потоку; к2 кі к3 Техніка впливу стрічкового електронного потоку на плоску поверхню ТМ і проблеми енергетичної стабільності при взаємодії електронного потоку з матеріалом викладені в роботі [12]. Для одержання максимально контрастного зображення зон термічного впливу (ЗТВ), що виникли при зміні структури графіту в результаті його нагрівання та відпалювання, характеристики електронного потоку становили: прискорююча напруга Uпр = 5 кВ, струм електронного потоку Іп = 50 мА. Час дії електронного потоку на поверхню ТМ в кожному положенні і = 300 с Відстані ЕГ від об єкту впливу Н = 10...85 мм з кроком АН = 15 мм. При стаціонарному впливі електронного потоку на поверхню ТМ виникає зображення ЗТВ у вигляді смуг, ширина яких збільшується при віддаленні об -єкта впливу від електронної гармати, рис.3.6. Ширина ЗТВ (Ь) визначалася по центру контрастної смуги, яка утворювалася електронним потоком і розташовувалася на ТМ під модулятором ЕГ, рис.3.6. При візуальному дослідженні ЗТВ, які отримані на різних відстанях ЕГ від об єкту впливу (Н = 10...85 мм з кроком АН = 15 мм) спостерігалося збільшення інтенсивності дії електронного потоку від країв ЗТВ до її центральної частини, про що свідчить підвищена контрастність центральної частини шириною Ь ЗТВ, рис.3.6. Центральна частина ЗТВ максимальної інтенсивності відповідає максимальному тепловому впливу електронного потоку на поверхню ТМ. За результатами експерименту встановлено: - на відстанях ЕГ від об єкту впливу менших 10 мм та більших 40 мм спостерігається відхилення розподілу електронного потоку від гаусової форми та порушення стрічкової форми по довжині електронного потоку, тому оптимальними для обробки є відстані Н = 10... 40 мм; - форма потоку електронів по його перетину на відстанях ЕГ від об єкту впливу Н = 10...40 мм має розподіл гаусової форми, а коефіцієнт зосередженості складає к = 28,6... 80 см"2. Апроксимація експериментально отриманих залежностей ширини ЗТВ b та центральної частини ЗТВ максимальної інтенсивності Ь від відстані від електронної гармати до об єкту впливу Н методом найменших квадратів [118] дозволяє отримати наступні рівняння апроксимуючих кривих