Введение
Синтетический алюмоиттриевый гранат (YAG) является перспективным материалом для изделий электроники, оптоэлектроники, оптики, точной механики, приборостроения. Активированный YAG широко используется в лазерной технике общепромышленного и оборонного назначения. Благодаря своим уникальным структурным, механическим, оптическим и диэлектрическим свойствам различные виды монокристаллического алюмоиттриевого граната нашли следующие применения:
- Оптический YAG:
- изготовление оптических деталей, таких как призмы, линзы, окна, подложки для эпитаксиального осаждения;
- заготовки круглой, прямоугольной формы для часовых стекол с последующей огранкой для эксклюзивных часов.
- YAG:Nd3+ (с неодимовым активатором):
- изготовление лазерных активных элементов, использующихся в лазерных установках для резки и обработки различных материалов, маркировки изделий;
- медицинские и косметологические лазеры;
- сверхточные лазерные дальномеры.
- YAG:Er3+ (с эрбийвым активатором):
- изготовление лазерных активных элементов, применяемых в современных лазерах медицинского и косметологического назначения.
- YAG:Ce3+ (с церийвым активатором):
- люминесцентные материалы.
Проблема и решение
Для производства YAG было спроектирована и разработана автоматизированная система для синтеза кристаллов, работа которой происходила в соответствии с технологией. Технология выращивания высококачественных кристаллов YAG весьма сложна и “капризна” и совершенствуется по настоящий день. Одной из проблем, возникающих при производстве YAG является сложность повторения технологического процесса при каждом новом кристалле, так как меняются внешние и внутренние факторы. Так, процесс синтеза кристалла длится 14 суток, а его прирост составляет не более 1 грамма/час. При этом обратная связь для регулирования технологических параметров (мощности индукционного нагревателя, скорость вытягивания и т.д.) ведется по показателю прироста кристалла за 1-5 минут (до 100 мг за 5 мин). Любые незначительные вибрации существенно влияют на поведение системы. Необходимо было доработать проблемные участки технологического процесса и внести их в алгоритм технологического процесса, разработать автоматизированную систему управления процессом синтеза YAG с применением новых знаний технологии. Целью была минимизация влияния внешних факторов на качество кристаллов и высокая степень повторяемости качества кристалла при каждом процессе.
Оборудование для выращивания алюмо-иттриевого граната состоит из следующих основных узлов:
- Вакуумная камера.
- Генератор индукционного нагрева.
- Привод вращения кристалла в вакуумной камере.
- Привод перемещения кристалла в вакуумной камере.
- Высокоточная помехозащищенная система взвешивания кристалла.
- Система охлаждения камеры нагрева.
- Стойка управления с системой бесперебойного электропитания.
- Человеко-машинным интерфейсом на основе сенсорной панели.
Управление исполнительными механизмами приводов перемещения и вращения штока с кристаллом в вакуумной камере, генератором, а так же контроль веса производится из стойки управления. В качестве сердца системы использовался промышленный контроллер NI cFP 2220 компании National Instruments. Сбор данных и взаимодействие с контроллерами исполнительных механизмов осуществляется при помощи модулей сбора данных ICP-DAS серии 7000. Связь между главным контроллером cFP-2220 и модулями сбора данных организована посредством интерфейса RS-485. В стойке также размещена сенсорная панель с человеко-машинным интерфейсом, связанная с контроллером через Ethernet. Программное обеспечение для системы управления разработано в среде программирования NI LabVIEW. Программа состоит из двух частей – первая (программное ядро) выполняется на контроллере cFP-2220, вторая – человеко-машинный интерфейс – выполняется на сенсорной панели. Контроллер привода перемещения содержит собственную программу управления, что обеспечивает его автономную работу в случае возможного сбоя системы. При запуске системы программное ядро, построенное по схеме конечного автомата, выполняет опрос всех узлов системы для анализа их исправности. Затем система переходит в режим слежения, осуществляя вывод технологических параметров (веса кристалла, его длины, диаметра, напряжения на индукторе) на сенсорную панель. Система ожидает ввод графиков изменения напряжения на индукторе, скорости перемещения и скорости вращения. После ввода параметров технологом производится переход в автоматический режим выращивания кристалла.
Заказчик
скрыто
Год проекта
2009
